Введение к работе
Актуальность темы
Разработка автоматизированных систем быстрой обработки изображений и распознавания образов транспортабельных средств является одной из главных задач транспортной электроники. Развитие транспортабельных устройств идёт одновременно с быстрым и постоянно увеличивающимся ростом скоростей в условиях плохой видимости. Поступающий поток информации, подлежащий быстрой переработке и использованию, является важным условием обнаружения движущихся объектов. Для формирования исходного изображения могут быть использованы как фазированные антенны радиолокационных станций, ЭОПы, формирующие изображения в разных диапазонах длин волн и матричные фотоприёмники. Быструю обработку этих изображений должны осуществлять надёжные и простые в управлении средства, которыми являются устройства вакуумной компьютерной оптики, обеспечивающие выполнение операций распознавания образов. Это аналого-цифровое устройство электронной техники способное выполнять как распознавание образов, так и осуществлять математические вычисления (быстрое перемножение матриц с большим объёмом информации, Фурье-анализ и др.). Электронно-лучевые процессоры могут стать мощным средством повышения тактико-технических характеристик высоко прицельного оружия и т.д.
Они построены не на традиционных элементах электронной техники, а на элементах электронно-лучевой компьютерной оптики, что позволило создать новый элемент электронной техники, хорошо интегрируемый в различные системы визуализации слабо различимых объектов.
Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие теории и проектирования принципиально новых элементов вычислительной техники - электронно-лучевых процессоров в миниатюрном исполнении. Создание базы знаний по электронно-лучевым процессорам на основе вакуумной компьютерной оптики невозможно без создания алгоритмов и моделей расчёта, соответствующей системы проектирования, базирующихся на достижениях и развитии миниатюризации элементов вакуумной электроники и технологии микроэлектроники.
Развитие транспортабельных систем способных обеспечивать надежность работы при больших перегрузках, быть устойчивыми при прохождении областей с большими интенсивностями ионизирующих излучений, сохраняя возможность быстрой обработки изображений, позволит расширить применение вычислительной техники в полевых условиях. Они требуют разработки комплекса методических указаний, инструкций и баз знаний, используемых на каждом этапе проектирования и регламентирующих их последовательность. Это делает исследование теории и моделирование электронно-лучевых процессоров особенно на стадиях их предварительной разработки, задачей актуальной и своевременной.
Цель работы
Целью диссертации является разработка научных основ проектирования, алгоритмов и моделей для исследования общих свойств и принципов функционирования новых элементов вычислительной техники - компьютерной электронно-лучевой оптики, для системы распознавания образов и автономной навигации мобильной техники, а также поиска технологических решений этого процесса с последующим созданием технических решений устройства электронно-лучевых систем. В целом, всё это должно привести к оптимизации процесса разработки электронно-лучевых систем с тем, чтобы создаваемые изделия отвечали растущим требованиям увеличения скорости обработки больших объёмов информации, распознавания подвижных образов.
В соответствии с поставленной целью на защиту выносятся:
- результаты системного анализа структуры и состава, геометрических размеров и эксплуатационных параметров, а также технологической реализации и информационных характеристик электронно-лучевого вычислителя;
- математическая модель оптимального выбора структурно-конструктивной схемы электронно-лучевого вычислителя;
- методика и алгоритм формирования математических моделей функционирования электронно-лучевого вычислителя;
- алгоритм и модель принятия решений и их практической реализации при выборе конструктивных и эксплуатационных свойств элементов компьютерной оптики вычислительной техники;
- методика эволюционного синтеза структурно-конструктивных схем, методика и алгоритм формирования математических моделей функционирования электронно-лучевых процессоров, включающая в себя новые процедуры модернизации прототипа;
- алгоритм поиска технологических решений процесса формирования структурно-конструктивных элементов электронно-лучевых вычислителей;
- результаты применения алгоритма поиска патентоспособных технологических решений процесса формирования структурно-конструктивных элементов электронно-лучевых компьютеров и разработанные на их основе новые устройства вычислительной техники;
- обоснование выбора применяемых решений для построения системы обработки информации, обеспечивающей взаимодействие элементов ЭЛВ.
Основными методами исследования в работе являются положения теории систем, теории множеств, теории оптимального управления, теории принятия решений, теории математической статистики, теории решения дифференциальных уравнений и последовательного анализа уже известных процессов формирования структурно-конструктивных элементов ЭЛВ. Результаты. Представленные в диссертационном исследовании результаты, также были получены с использованием современных методов программирования и компьютерного моделирования. Общей методологией основой всех исследований является системный подход.
Достоверность проведённых теоретических и прикладных исследований обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых подходов и методов, а также согласованностью теоретических и прикладных данных, известных в литературе и полученных автором.
Научная новизна обусловлена:
- разработкой алгоритма выбора структурно-конструктивных элементов электронно-лучевого процессора электронной техники, на базе управляемых электронно-лучевых транспарантов;
- выявлением способности электронно-лучевого процессора обеспечивать не только математические вычисления большой сложности, но и оперативно (за один машинный такт) осуществлять распознавание образов;
- предложением нового метода и алгоритма решения задачи умножения матрицы на векторы с применением изотропной развёртки потока электронов, несущих информацию о векторах в электронно-лучевом процессоре;
- выявлением закономерностей формирования дифракционного гало, получаемого при численном дифракционном преобразовании цифровой информации либо при натуральном дифракционном преобразовании аналоговой Фурье-спектрограммы, впервые применяемых в электронно-лучевым процессоре;
- выявлением закономерностей и разработкой метода формирования двухмерных интерференционных картин, используя трёхмерные структуры из электронных микролинз транспаранта в электронно-лучевом компьютере, которая обладает возможностью изменения амплитуды, частоты, длины волны и конфигурации интерференционной картины электромагнитного излучения за счёт изменения потенциалов на электродах микролинз;
- разработкой алгоритма управления процессом инвертирования и масштабирования изображения объекта за счёт изменения оптической силы электронных линз путём изменения напряжения или тока возбуждения.
- выявлением возможности использования третьего измерения для ввода/вывода объёмной информации, что создает дополнительные возможности электронно-лучевым вычислителям, которым у проводниковых схем нет никаких аналогов.
Практическая ценность состоит в том, что разработана база знаний электронно-лучевых вычислителей, являющаяся основой системы поддержки принятия рациональных решений при их проектировании, основанных на элементах компьютерной оптики, на стадиях их предварительной разработки. Предложен метод снижения массогабаритных показателей в рабочем состоянии электронно-лучевых вычислителей, выполнен синтез технических решений этих устройств.
Реализация и внедрение результатов работы
Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются в практике системного конструирования для производства приборов фото- и микроэлектронной техники в Государственном научном центре РФ ФГУП “НПО “Орион”, в НИИ микроэлектроники и информационно-измерительной технике, в НИИ перспективных материалов и технологий, а также в учебном процессе Московского государственного института электроники и математики на кафедре “Технологические системы электроники” при чтении лекций по курсам “САПР оборудования и технологий”, “Моделирование рабочих процессов, технологий и оборудования”, “Основы принятия технических решений”, в учебном процессе Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики на кафедре № 134 “ИК-техники и электронной оптики” при чтении лекций по курсам “Основы электронно- и ионно-лучевых приборов и устройств”, “Электронная оптика”, в учебном процессе Российском экономическом университете им. Г.В. Плеханова на кафедре “технологических инноваций” при чтении лекций по курсу “Инноватика”.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийских семинарах “Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики”; Научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов “Вакуумная наука и техника”; Международной научно-практической конференции “Техника и технологии: пути инновационного развития”; Международной конференции “Фото-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы”, Российских конференциях по электронной микроскопии и др.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 22 научных работ, в том числе 6 работ опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.
Структура и объем диссертации
