Введение к работе
Актуальность темы. Современная теория оценивания случайных процессов и полей имеет весьма широкую сферу применения. В этом плане в настоящее время весьма актуальны исследования, направленные на разработку методов дистанционного анализа малых динамических колебаний (с амплитудой порядка единиц нанометров и менее) поверхностей твердых тел. Данные исследования представляет существенный интерес для решения задач создания систем защиты информации, средств бесконтактной диагностики объектов и сооружений, систем охранной сигнализации и т.п.
Известные методы и технологии регистрации и анализа микроколебаний и вибраций объектов в системах лазерной интерферометрии требуют построения моделей наблюдаемой интерференционной картины, знания и фиксации условий проведения измерений. Фактически при их реализации решаются задачи дешифрирования интерферограмм, тогда как возможности современной цифровой и вычислительной техники позволяют поставить и решить эту задачу как задачу оптимальной и квазиоптимальной обработки случайных процессов и полей. Это определяет необходимость разработки новых подходов к построению алгоритмов компьютерной обработки данных в интерферометрии, способных обеспечить достижение предельной для данных условий точности измерений и адаптацию по отношению к мешающим и дестабилизирующим факторам, сопутствующим натурным измерениям. Несмотря на имеющиеся публикации, касающиеся вопросов статистической и другой (квазиоптимальной) обработки оптической информации в системах интерферометрии, многие практически важные задачи пока не нашли удовлетворительного решения. К ним, в частности, относится задача достоверного обнаружения и восстановления случайных процессов микроколебаний поверхности объектов по наблюдениям пространственно-временных случайных полей интерферограмм в реальном времени и в условиях ограниченных априорных данных, а также воздействия дестабилизирующих факторов различной природы. В этом плане как возможная альтернатива статистически оптимальных алгоритмов обработки случайных полей могут рассматриваться нейросетевые алгоритмы, предоставляющие возможности снижения объема используемой априорной информации и обеспечивающие создание робастных алгоритмов анализа данных.
Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена потребностью синтеза и анализа оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки случайных процессов и полей, наблюдаемых в условиях аддитивных и аппликативных помех в системах лазерной интерферометрии, ориентированных на анализ поверхностных микроколебаний объектов.
Цель работы. Целью исследования является синтез и анализ оптимальных и квазиоптимальных (нейросетевых) алгоритмов обработки случайных процессов и полей, наблюдаемых в условиях аддитивных и аппликативных помех в системах лазерной интерферометрии, ориентированных на анализ поверхностных микроколебаний объектов. Для этого в работе рассматриваются и решаются следующие задачи:
1 .Анализ известных методов решения задачи оценивани случайных процессов и полей в условиях наличия аддитивных и аппликативных помех в рамках
статистического и нейросетевого подходов с учетом их приложения к задачам обработки данных в системах лазерной интерферометрии.
2.Синтез алгоритмов оптимальной линейной фильтрации двумерных случайных полей в присутствии аддитивного шума и аппликативной помехи и их сравнительный анализ по отношению к нейросетевым алгоритмам.
3.Синтез и анализ оптимальных в классе линейных алгоритмов оценивания процессов микроколебаний объектов при обработке случайных полей интерферограмм, регистрируемых в системах лазерной интерферометрии.
4.Разработка и анализ нейросетевых алгоритмов оценивания и обнаружения процессов микроколебаний при обработке случайных полей интерферограмм в условиях ограниченного объема априорной информации.
5.Проведение экспериментальных исследований возможностей полученных алгоритмов обработки интерферограмм в типовой системе интерферометра.
Методы проведения исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались аналитические и вычислительные методы статистической теории систем, оптической физики и нейроинформатики, а именно: аппарат теории вероятностей и математической статистики; аппарат теории принятия статистических решений; технологии искусственных нейронных сетей; аналитические методы геометрической оптики; методы математического анализа; методы статистического моделирования на ЭВМ и методы натурного эксперимента.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие результаты, впервые достаточно подробно развитые или впервые полученные в настоящей работе:
1.Новая структура оптимального в классе линейных алгоритма оценивания (восстановления) случайных полей (изображений) в присутствии аддитивного гауссовского шума и аппликативной помехи в виде пуассоновского потока «пятен» со случайной площадью и формой и сравнительное исследование его качества по отношению к нейросетевым алгоритмам с учетом неопределенности относительно статистических характеристик случайных полей и помех.
2.Оптимальные в классе линейных алгоритмы оценивания гауссовского процесса микроколебаний поверхности объектов при наблюдении негауссовских случайных полей в системе лазерного интерферометра в условиях известных параметров схемы измерения и статистических характеристик анализируемых процессов и полей, а также сравнительные исследования их качества по отношению к алгоритму максимального правдоподобия.
3.Доказательство свойств и условий сходимости весов автоассоциативной линейной нейронной сети с сокращенным числом нейронов в скрытом слое к линейным комбинациям собственных векторов выборочной матрицы ковариации обучающего вектора, используемой для выделения главных компонентов, и предложенный на его основе алгоритм восстановления процессов микроколебаний поверхности объектов в лазерной интерферометрии.
4.Новый комбинированный алгоритм обнаружения факта возникновения микроколебаний объектов, основанный на сочетании нейросетевого алгоритма формирования пространственно-временной авторегрессионной модели регистрируемого при интерферометрии случайного поля в стационарном режиме
(в отсутствии микроколебаний) со статистическим последовательным алгоритмом обнаружения «разладки», фиксирующим изменение параметров этой модели при возникновении микроколебаний.
5 .Экспериментальные исследования по оценке возможностей разработанных статистических и нейросетевых алгоритмов анализа процессов микроколебаний объектов в системе лазерного интерферометра без применения специальных средств стабилизации измерений.
Практическая ценность работы. Практическая значимость результатов работы состоит в том, что синтезированы алгоритмы, позволяющие осуществлять обнаружение и восстановление микроколебаний поверхности объектов при обработке случайных полей, регистрируемых в системах интерферометрии. Полученные в работе аналитические соотношения и экспериментальные зависимости относительно характеристик точности восстановления изображений и сигналов позволяют обоснованно выбрать необходимые алгоритмы, а также параметры информационной системы, разрабатываемой и проектируемой для решения конкретной задачи, в соответствии с предъявляемыми требованиями по эффективности. Результаты работы могут найти практическое применение при исследовании и разработке: оптических измерительных систем; систем неразрушающего контроля твердых тел и материалов; систем обработки информации в медицинской и технической диагностике; систем защиты информации и охранной сигнализации; систем экологического контроля.
Реализация научных результатов. Полученные в диссертации результаты использованы учебном процессе и в научно-исследовательских работах в Воронежском госуниверситете: при выполнении исследований в рамках Федеральной целевой программы (лот 2: 2007-3-1.3-11-01) по критической технологии «Технологии механотроники и создания микросистемной техники» (номер государственной регистрации: 2007-3-1.3-11-01-661); при постановке и выполнении НИР «Разработка и применение новых методов обработки, хранения, передачи и защиты информации в информационно-коммуникационных системах» (номер государственной регистрации 012202.0412808).
Личный вклад автора. Основные результаты по теме диссертации получены лично Поповым В.Г. и опубликованы в соавторстве с научным руководителем. В совместных работах научному руководителю принадлежит постановка задачи и определение направления исследований. Проведение рассуждений, доказательств, расчетов и статистический эксперимент выполнены соискателем. В совместных работах с другими авторами, отражающих результаты экспериментальных исследований, автору принадлежит разработка цифровой части экспериментальной установки, постановка и обработка результатов экспериментов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 2 работы -в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных работ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI, VII, VIII Международных научно-технических конференциях «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж) в 2005,
2006, 2007 годах;У, VI, VII Международных конференциях «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж) в 2005, 2006, 2007 годах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и списка литературы из 106 наименований. Объем диссертации составляет 171 страницу, включая 160 страниц основного текста, содержащего 55 рисунков, и 11 страниц списка литературы.
