Введение к работе
з
Актуальность темы. Освоение Мирового океана приводит к необходимости изучения динамики поведения различных физических нолем. В частности, эта задача возникает при контроле за температурными и акустическими полями океана, полями солености, при изучении напряженных состояний Земной коры и исследовании атмосферы и ее взаимодействия с океаном. Наиболее эффективными методами исследования распределенных па больших площадях физических полей являются томографические методы восстановления функций распределения исследуемых физических полей, основанные на получении интегральных проекции. Применение волоконной оптики для создания томографических измерительных сетей дает возможность проводить измерения в экстремальных условиях, повышает помехозащищенность, уменьшает массу и стоимость измерительной системы, а также позволяет совместить в одном канале функции устройств сбора и передачи данных. Это делает перспективным применение средств волоконной оптики в томографических методах исследования физических полей Мирового океана.
Особый интерес при изучении динамики эволюции физических полей представляет разработка принципов организации томографических волоконно-оптических измерительных сетей для исследования векторных физических полей, так как эта проблема до настоящего времени не решена.
Создание волоконно-оптических измерительных сетей требует разработки новых высокоэффективных датчиков физических величин, способных легко объединяться в измерительные сети. Кроме того, обработка получаемых с использованием томографических измерительных
4 сетей данных с целью восстановления функции распределения
исследуемого физического поля предполагает применение итерационных
алгоритмов. При этом вычислительной системе приходится оперировать с
большими числовыми массивами. Это не позволяет проводить
исследования физических нолей с динамически изменяющимися
параметрами в реальном времени. В то же время способность к обучению,
которой обладают нейронные вычислительные сети, позволяет решить
задачу восстановления функции распределения за один проход данных.
Кроме того, параллельный принцип организации нейронных сетей хорошо
согласуется с параллелизмом присущим оптике, а также с параллельным
принципом организации томографических измерительных сетей. Это
делает целесообразным применение нейронных вычислительных сетей для
решения задачи восстановления функций распределений параметров
физических полей по данным, собираемым с использованием
томографических волоконно-оптических измерительных сетей.
В этой связи представляются актуальными задачи исследования принципов организации и функционирования томографических волоконно-оптических измерительных сетей, а также разработки принципов и методов нейросетевой обработки сигналов этих сетей в задачах восстановления функций распределений параметров физических полей.
Цель работы заключалась в разработке и исследовании элементной базы и принципов построения информационно-измерительных систем на основе распределенных волоконно-оптических измерительных и ненроподобных вычислительных сетей.
В соответствии с этим в процессе выполнения работы решались следующие задачи:
- разработка принципов организации и алгоритмов
функционирования нейроподобных вычислительных сеісй для посстанопления функций распределения параметров физических полей;
поиск оптимальных методов обучения предложенных нейроподобных сетей;
разработка принципов организации распределенных волоконно-ошических измерительных сетей для мониторинга векторных физических нолей;
разработка конструкций распределенных и квазираспределеиных волоконно-оптических измерительных линий;
создание макета информационно-измерительной системы на основе распределенной волоконно-оптической измерительной сети и нейроподобнон вычислительной сети.
Научная новизна работы и положения выдвигаемые на защиту;
1. Впервые разработаны принципы организации и
функционирования кибернетических нейронных сетей для обработки
данных, поступающих от томографических распределенных волоконно-
оптических измерительных сетей. Предложены и исследованы способы
оптимизации обучения нейронной сети, позволяющие свести время
обучения сети к минимально возможному значению. Разработаны и
экспериментально исследованы компьютерная модель и электронный
аналог двухслойной кибернетической нейронной сети, которые способны с
высокой точностью проводить восстановление исследуемых функций
распределения параметров физических нолей.
2. Разработаны принципы организации распределенных волоконно-
оптических измерительных сетей для исследования векторных физических
6 полей. Показано, что для восстановления функции распределения
векторного физического поля возникает необходимость получения
дополнительной информации об исследуемом поле, что достигается
применением двух дополнительных мепрямолинеиных измерительных
ліпшії для каждого значения пространственных координат. Показано, что в
случае восстановления квадрата градиента поперечного смешения среды
достаточно укладывать измерительные линии вдоль контуров,
представляющих собой последовательность одинаковых отрезков малой
протяженности, каждый из которых образует угол +45 или -45" с
прямолинейным направлением укладки, применяемым для исследования
скалярных физических попей.
3. Разработаны принципы организации и функционирования
информационно-измерительных систем на основе распределенных
волоконно-оптических и ненроподобных вычислительных сетей. Показано,
чю подобная система позволяет с высокой точностью проводить
восстановление функций распределений параметров физических полей.
4. Предложена и экспериментально исследована конструкция
волоконно-оптического датчика на основе интерферометра Фабрн-Перо с
внешним резонатором. Доказано, что применение интерферометра Фабрн-
Перо с внешним резонатором позволяет создавать универсальные
волоконно-оптические датчики физических величин, способные
объединяться в квазнраспределенные томографические измерительные
ЛІПШІЇ.
Научная и практическая значимость диссертации заключается в том, что проведенные исследования позволяют выделить наиболее существенные особенности применения принципов нейросетевой обработки для решения задачи мониторинга различных физических полей,
7 возникающей в ходе научной и практической деятельности человека в
акватории Мирового океана.
Установлено, что применение нейронной сети типа двухслойный
перестрой позволяет проводить восстановление функций распределения
параметров физических нолей за один проход данных, поступающих от
распределенной томографической измерительной сети, что позволяет
01 казаться от применения традиционных итерационных алгоритмов и
проводить обработку информации практически в реальном масштабе
времени.
Получено специальное выражение позволяющее избежать длительного процесса подбора параметров для обучения двухслойного персептрона, что существенно повышает скорость его обучения.
Па основе проведенных исследований разработана методика измерении параметров векторных физических полей с применением волоконно-оптических интегрирующих измерительных линий. Данная методика использует способность волоконных световодов направлять оптическое излучение по сложной, наперед заданной траектории, что позволяет легко создавать измерительные линии с неравномерно распределенной чувствительностью к внешним воздействиям. Данная методика позволяет отказаться от применения сложных и дорогостоящих традиционных векторных датчиков физических воздействий, а также дает возможность использовать томографические методы исследований дчя мониторинга векторных физических полей.
Предложена конструкция мембранного волоконно-оптического датчика на основе интерферометра Фабри-Перо с внешним резонатором, позволяющего регистрировать изменения объема чувствительной среды, вызванные воздействием внешних физических нолей. В такой конструкции
8 резонатор образован торцами двух различных волоконных световодов и
поэтому может быть сколь угодно малым. Это позволяет использовать
источники излучения с малой временной когерентностью, что
неприемлемо для традиционных волоконных интерферометров. Показано,
что применение интерферометра с внешним резонатором позволяет
создавать датчики с более стабильными параметрами, стыковка которых с
оптическим волокном не вызывает технических трудностей.
Выполнен макет информационно-измерительной системы на основе
нсйроиодобной вычислительной сети и распределенной волокошю-
ошичсской измерительной сети для восстановления функций
распределения деформационных физических полей. Данное устройство
позволяет с высокой точностью проводить восстановление и в том случае,
когда параметры самой измерительной сети точно не известны.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [1-14] и были представлены на следующих конференциях:
1. Международной конференции по акустоэлектронике (Санкт-
Петербург, 1994);
2. Международной конференции "Моделирование технологических
процессов и систем в машшюстроеііни"(-Хабаровск., 1994);
3. Международной конференции "Distributed and multiplexed fiber
optic sensor ІУ"(Сан-Днего,США, 1994);
4. Международной конференции по голографии и корреляционной
оптике (Черновцы, Украина, 1995);
5. Международной конференции OCEANS'95 (Сан-Диего,США,
1995);
9 6. 17 -ом конгрессе международной Комиссии по оптике «Optics for
science and new technology» (Taejon, Корея, 1996).
7.Tenth Asian technical exchange and advisory meeting of marine
structures (Пусан, Корея 1996).
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы. Общий объем работы составляет 122 страниц, включая 28 рисунков и библиографию из 66 наименовании.
