Здесь можно найти учебные материалы, которые помогут вам в написании курсовых работ, дипломов, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.
ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

 
Поиск учебного материала на сайте
Поиск по названию работы
Поиск по тексту работы

Повышение оригинальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение оригинальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения оригинальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, РУКОНТЕКСТ, etxt.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии так, что на внешний вид, файл с повышенной оригинальностью не отличается от исходного.

Результат поиска


Наименование:
реферат Фурье-спетроскопия

Информация:

 Тип работы: реферат. Добавлен: 08.05.2012. Год: 2011. Страниц: 9. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, СПОРТА И СЕМЬИ УКРАИНЫ
ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ




Рефератна тему:
«Фурье-спектроскопия



Выполнил: студент 5 курса
Очной формы обучения
Группа А
Сырцов Аркадий


Проверил:








Донецк, 2011






Оглавление




Глава 1. Фурье-спектроскопия

Введение


Спектроскопия является основным источником количественной информации о квантово-механически характеристиках объектов микромира. В частности, методы молекулярной спектроскопии дают возможность изучить структуру и внутреннюю динамику молекул. Во второй половине XX века началось бурное развитие интерференционной спектроскопии с преобразованием Фурье. Столь резкий скачок произошел благодаря интенсивному развитию вычислительной техники, которая на сегодняшний день является неотъемлемым элементом современного фурье-спектрометра. Такие спектрометры обеспечили резкое повышение спектрального разрешения, информативности и скорости получения информации по сравнению с другими оптическими спектрометрами. Увеличился поток новой высокоточной спектроскопической информации, что позволяет в свою очередь более детально изучать физические процессы, происходящие в молекуле. По этим причинам спектроскопическая информация широко применяется для решения задач астрофизики, атмосферной оптики, физики полупроводников и ряда других, как научных, так и технических проблем.




§ 1. Начало фурье-спектроскопии


Началом фурье-спектроскопии считается 1880 г., когда А. А. Майкельсон изобрел свой интерферометр. Этот прибор и опыты с ним были хорошо приняты современной научной общественностью, и Майкельсон получил Нобелевскую премию за свои плодотворные идеи. Майкельсон применил интерферометр для измерения скорости света в вакууме с точностью, значительно превышающей точность предыдущих измерений. Знаменитым экспериментом Майкельсона — Морли была доказана несостоятельность теории неподвижного эфира, которую ученые того времени использовали для объяснения явления распространения света в пространстве. Эксперимент Майкельсона — Морли не лег в основу теории Эйнштейна, однако он помог последователям Эйнштейна сделать теорию относительности более наглядной.
Отсутствие ЭВМ и электронных приемников излучения, не позволило Майкельсону сколько-нибудь значительно развить фурье-спектроскопию в то время. Он мог исследовать только кривые видности, а, как показал Рэлей, спектральное распределение может быть получено однозначно только в случае симметричных профилей. Майкельсон заложил основы фурье-спектроскопии и мог бы развить эту область уже более 90 лет назад, если бы не столь безнадежное отставание экспериментальной техники того времени. Он намерял интенсивность визуально и поэтому мог сделать только грубые оценки эффекта Зеемана в спектре. Для выполнения фурье-преобразования он изобрел механический аналоговый вычислитель синуса и косинуса, который позволял вручную обрабатывать около 80 точек. По каким-то причинам он не очень широко пользовался для фурье-спектроскопии аналоговым вычислителем, который он назвал «гармоническим анализатором». Однако, используя доступную ему экспериментальную технику, Майкельсон сумел разрешить дублетную структуру ряда спектральных линий. Майкельсон заложил основу огромного многообразия интерферометров.
§ 2. Принцип работы
Принцип работы фурье-спектрометра можно понять из рисунка 1, на котором представлена схема прибора, собранного с использованием наиболее популярной схемы интерферометра Майкельсона.
Существует множество модификаций приборов, но основу их составляет один и тот же интерферометр. В некоторых из них удален компенсатор, в других добавлены какие-то элементы. Некоторые же схемы настолько сложны, что далеко не сразу можно понять, что это интерферометр.

Рисунок 1. Оптическая схема интерферометра Майкельсона.
1 — источник; 2 — модулятор; 3 — коллиматор; 4— светоделитель; 5 —подвижное зеркало; 6 — компенсатор; 7 —неподвижное зеркало; 8— фокусирующее зеркало; 9— спектральные фильтры; 10— приемник.

Чтобы понять конструкцию интерферометра, начнем с источника, требования к которому обычно определяются спектральным диапазоном: ртутные лампы для длинноволновой инфракрасной области, нить накаливания для ближней инфракрасной области и различного типа лампы для видимой области спектра. Модулятор создает переменный поток инфракрасного излучения, что позволяет применить метод синхронного детектирования и схему сравнения для исключения радиационного шума, а также дрейфа и флуктуации в электронике. Затем пучок излучения коллимируется зеркалом или линзами, а светоделителем делится на два пучка — прошедший и отраженный. Часть излучения, прошедшая светоделитель, попадает на пластину компенсатора и неподвижное зеркало, которое отражает излучение обратно в сторону пластины компенсатора. Затем часть этого пучка отражается светоделителем в направлении фокусирующего зеркала, а вторая часть посылается на подвижное зеркало, отразившись от которого, возвращается на светоделитель. Часть этого пучка, прошедшая через светоделитель, также посылается в направлении фокусирующего зеркала. Пластина компенсатора вводится для достижения компенсации оптической разности хода, вносимой материалом светоделителя, т. е. для обеспечения равенства оптических путей в обоих плечах интерферометра, включая толщину светоделителя. Смешанные таким образом пучки излучения посылаются фокусирующим зеркалом на приемник. Спектральные фильтры предназначены для исключения нежелательной коротковолновой части излучения.
Для различных длин волн при одной и той же разности хода в плечах интерферометра возникают различные порядки интерференции. Разность хода равна удвоенному смещению каретки подвижного зеркала от точки нулевой разности хода. Точка, в которой оптическая разность хода пучков сбалансирована в обоих плечах, называется «началом отсчета», точкой нулевой разности хода, «точкой белого света», или «основным максимумом». Каретка может перемещаться в любую сторону от точки нулевой разности хода.
Майкельсон понимал, что каждой длине волны соответствует определенная интерференционная кривая, получаемая в интерферометре при перемещении подвижного зеркала. В случае монохроматического источника на приемник попадает поток, изменяющийся по косинусоидальному закону. Период этой функции определяется только длиной волны. Каждому элементу определенной длины волны отвечает своя косинусоидальная функция с определенной амплитудой. Сигнал, регистрируемый в зависимости от изменения оптической разности хода, и есть интерферограмма. В случае источника с множеством частот интерферограмма представляет собой сумму (“суперпозицию”) кривых, соответствующих каждой из присутствующих в спектре источника частот. Фурье-анализ позволяет преобразовать интерферограмму в спектр, т. е. представить сигнал как функцию частоты. Фурье-анализ интерферограммы выделяет каждую частоту и определяет величину потока на этой частоте, т. е. коэффициент Фурье.












§ 3. Преимущества фурье-спектроскопии


Преимущества фурье-спектрометров по существу, вытекают из двух основных понятий, известных как «выигрыши» Фелжета и Жакино.
Выигрыш Жакино, или преимущество в геометрическом факторе, означает, что в оптической системе без потерь яркость объекта равна яркости изображения, следовательно, поток и яркость могут сохраняться в любой точке такой оптической системы. Справедливость этого утверждения можно проиллюстрировать на следующем примере. Вначале рассмотрим поток (в ед. системы МКС) излучения точечного источника, который собирается частью оптического элемента (зеркало) с элементарной площадкой , расположенного на расстоянии от источника. Обозначим через угол между нормалью к зеркалу и осью падающего пучка (рисунок 2). Падающий на оптический элемент поток пропорционален площади проекции оптического элемента и обратно пропорционален квадрату расстояния до источника. Теперь перейдем от точечного источника к протяженному с площадкой , нормаль к которой образует с оптической осью угол . Поток излучается конечным источником, который наклонен на угол . Источник подчиняется закону Ламберта, если он излучает поток, пропорциональный .
Таким образом, получаем выражение для потока, излучаемого наклонным источником конечных размеров и падающего на наклонный оптический элемент, расположенный на расстоянии от источника:
, (1.1)
где — яркость источника (размерность в системе МКС- ). Выражение (1.1) применяется к любой обобщенной паре оптических элементов.

Рисунок 2. Оптическая схема точечного источника и собирающего оптического
элемента.
1 — точечный источник; 2— оптическая ось; 3—оптический элемент с площадью ;
4 — проекция площади .

Из (1.1) можно выделить выражения для телесного угла, стягивающего источник:
, (1.2)
и проекции площади коллиматора:
. (1.3)
Выражение для потока излучения теперь принимает вид
. (1.4)
Для последовательности оптических элементов в отсутствие потерь между ними на основании тех же соображений, из которых было получено соотношение (1.1), получаем последовательность выражений для геометрического фактора:
. (1.5)
При выводе выражения (1.5) первый оптический элемент считался источником для второго, второй — для третьего и т. д. В выражении (1.5) индекс означает источник, а индекс — приемник. Если в оптической системе потери потока отсутствуют, то .
Жакино обратил внимание на то, что для интерферометра произведение является величиной постоянной на всем пути излучения от источника до приемника. Он указал, что в этом случае можно использовать большую величину произведения и реализовать высокое разрешение фактически независимо от величины и . Произведение было названо «etendue», или «throughput», а в русском языке принят термин «геометрический фактор».
Для сравнения геометрических факторов дифракционного спектрометра и интерферометра предположим, что они освещаются источником с яркостью и что энергия, проходящая сквозь прибор, пропорциональна геометрическому фактору источников и их яркостям. Рассмотрим вначале геометрический фактор интерферометра Майкельсона .Телесный угол коллиматорного зеркала, стягиваемый источником,
, (1.6)
где — диаметр круглого источника, — фокусное расстояние коллиматорного зеркала. Разрешающая способность интерферометра Майкельсона дается выражением
, (1.7)
отсюда для произведения телесного угла на разрешающую способность получим
. (1.8)
Подставив это в выражение (1.5), получаем геометрический фактор интерферометра Майкельсона
, (1.9)
где — площадь освещенной поверхности коллиматорного зеркала, — разрешающая способность интерферометра. Отметим, что дифференциальные параметры в выражении (1.5) в полученном выражении (1.9) заменены их интегральными значениями.
В дифракционном спектрометре энергия, прошедшая в прибор, ограничивается размером входной щели, так что эффективная площадь источника определяется площадью щели, а телесный угол коллиматорного зеркала стягивается щелью. При размещении щели в фокальной плоскости коллиматора телесный угол дифракционной решетки имеет вид
, (1.10)
где — ширина щели, — высота щели, — фокусное расстояние коллиматора.
Для дифракционного спектрометра имеем
, (1.11)
где — порядок дифракции, — постоянная решетки, — половина величины угла между направлениями падающего и дифрагированного решеткой пучков, 0 — угол поворота решетки. Продифференцировав выражение (1.11), получаем выражение разрешающей силы через дифференциал угла , т. е. через тот угол, на который должна повернуться решетка, чтобы на выходную щель прибора был направлен очередной спектральный элемент . Поскольку величина угла мала, то его можно представить в виде .
Таким образом, получаем выражение для разрешающей силы дифракционного спектрометра
. (1.12)
Подставив величину из (1.12) в выражение (1.10) и используя определение геометрического фактора (1.5), получим
. (1.13)
Для дифракционных приборов максимальная эффективность достигается тогда, когда угол 0 близок к величине угла блеска решетки. Если угол блеска решетки порядка , получаем значение порядка единицы. Геометрический фактор дифракционного спектрометра в этом приближении становится равным
. (1.14)
Предположив равными площади и фокусные расстояния коллиматоров, а также их разрешающие силы, находим величину отношения геометрических факторов интерферометра и дифракционного прибора:
. (1.15)
В наилучших дифракционных спектрометрах величина не больше чем 30, поэтому отношение , даже в случае лучших дифракционных приборов, порядка 190. Это означает, что через интерферометр можно пропустить почти в 200 раз больше энергии, чем через дифракционные спектрометры. К тому же оптическая система интерферометра может быть значительно компактнее, чем у дифракционного спектрометра.
Фелжет, который первым применил численное преобразование интерферограмм, высказал свои идеи вскоре после того, как Жакино сформулировал соображения относительно выигрыша в геометрическом факторе.
Принцип мультиплексности выдвинутый Фелжетом можно объяснить следующим образом: предположим, необходимо измерить широкий спектральный интервал между, волновыми числами и с разрешением . Число спектральных элементов в широкой полосе
. (1.16)
Если используется дифракционный или призменный прибор, каждая малая полоса шириной может наблюдаться за время , где — общее время, необходимое для сканирования спектра от до .
Теперь можно сказать, что проинтегрированный сигнал от узкой полосы пропорционален . Если шум случаен и не зависит от уровня сигнала, то уровень шума будет пропорционален . Таким образом, для дифракционного прибора отношение сигнала к шуму будет
. (1.17)
В случае интерферометра ситуация иная — все спектральные, элементы в широкой полосе с разрешением регистрируются все это время. Таким образом, проинтегрированный сигнал малой полосы пропорционален времени . Если шум случаен и не зависит от уровня сигнала, то уровень шума пропорционален . Таким образом, для интерферометра отношение сигнала к шуму будет представлено выражением
, (1.18)
с тем же коэффициентом пропорциональности, что и в выражении (1.17). Из соотношений (1.17) и (1.18) получаем отношение для интерферометров к для дифракционных приборов:
. (1.19)
Здесь — все то же число спектральных элементов шириной в широкой полосе . Выражение (1.19) показывает, что интерферометр имеет величину отношения сигнала к шуму более высокого порядка, чем дифракционный или призменный прибор.
Если спектральный интервал имеет порядок волнового числа , соответствующего его середине, то из выражений (1.7) и (1.16) следует, что будет составлять величину порядка величины разрешающей силы . Таким образом, при реализации высокой разрешающей силы, скажем порядка 104—106, величина отношения сигнала к шуму для интерферометра будет выше, чем для дифракционного спектрометра в , т. е. в 102—103 раз.
При выводе выражения (1.19) было сделано допущение, что шум не зависит от величины сигнала, т. е. зависит только от времени измерения. Для инфракрасной области спектра шум обычно определяется шумами приемника, которые не зависят от величины сигнала. Таким образом, для инфракрасной области выражение (2.19) справедливо.
Для видимой области спектра приемники значительно лучше, чем для инфракрасной области: могут быть зарегистрированы даже отдельные фотоны. Шум определяется статистическими флуктуациями числа фотонов, излучаемых источником в течение периода измерения. Поскольку величина флуктуации числа фотонов пропорциональна общему числу фотонов (статистическое излучение), то уровень шума пропорционален корню квадратному из интенсивности источника.
Рассмотрим дифракционный прибор, в котором фотонный шум является определяющим. Если — интенсивность в узкой спектральной полосе , то регистрируемый сигнал этой узкой полосы будет пропорционален , а шум — пропорционален . Таким образом, для дифракционных приборов отношение сигнала к шуму для узкой спектральной полосы
. (1.20)
Для интерферометров, в которых шум пропорционален корню квадратному из интенсивности источника, отношение сигнала к шуму отлично от отношения, получаемого из выражений (1.18) и (1.19). Для узкой спектральной полосы в этом случае сигнал также пропорционален . При определенном положении подвижного зеркала интерферометра может регистрироваться сложный сигнал, содержащий вклад от всех волновых чисел в полосе от до . Этот сигнал в интерферограмме пропорционален , где — число всех полос шириной и с одинаковой интенсивностью . Шум в таком случае пропорционален .
Шум в спектре, полученном после фурье-преобразования зарегистрированного сигнала, остается примерно тем же, что и в сложном регистрируемом сигнале. Вычисленный шум одинаков для каждой элементарной полосы, при этом сигнал в одной полосе равен . Таким образом, в случае интерферометра отношение сигнала к шуму для элементарной спектральной полосы пропорционально
. (1.21)
Очевидно, что если шум пропорционален корню квадратному из интенсивности источника, то выигрыша Фелжета нет, так как выражения (1.20) и (1.21) одинаковы. Таким образом, в видимой области спектра, где определяющим является фотонный шум, выигрыш Фелжета теряет силу. Но выигрыш Жакино остается, а, следовательно, интерферометры в видимой области спектра все же имеют преимущество в геометрическом факторе.
Также одним из преимуществ метода является отсутствие ограничений в спектральном разрешении за счет размеров оптических элементов. Очевидно, что размеры дифракционных решеток или тем более призм не могут быть больше 50 см. Таким образом, естественным пределом разрешения приборов, использующих пространственную дисперсию, является величина . Уже сейчас существуют приборы с разрешением до , производство которых ведется в промышленных масштабах .
Упрощению создания оптических схем без аберраций, способствует нетребовательность фурье-спектрометров к ширине входных и выходных щелей. Как следствие становится возможным создание оптических схем с большим отношением диаметра объектива к его фокусу, что делает такие приборы более компактными по сравнению со щелевыми. Такое преимущество позволяет упростить процесс построения безаберационных схем при использовании линз, вместо зеркальной оптики.
























§ 4. Конструкция фурье-спектрометра


Рисунок 3 Общая схема фурье-спектрометра
Типичная оптическая схема фурье-спектрометра использует интерферометр Майкельсона (рисунок 3). Прошедший через входную диафрагму свет падает на коллиматорное зеркало и параллельным пучком направляется на светоделитель. Светоделитель обычно представляет собой прозрачную плоскопараллельную пластину с покрытием.
Идеальный светоделитель должен отражать и пропускать ровно 50% света и не иметь поглощения во всей спектральной области работы прибора. Отклонение от этого требования снижает эффективность его работы. Однако реализовать такое требование очень трудно особенно в инфракрасной области спектра, где длина волны меняется в десятки раз. Поэтому в фурье-спектрометрах используют сменные светоделители. Область работы каждого свтоделителя бывает достаточно широкой: она обычно допускает пятикртаное изменение длины волны, что гораздо больше, чем для призм или дифракционных решёток. В области низких частот, когда длина волны, что гораздо больше, чем для призм или дифракционных решеток. В области низких частот, когда длина волны превышает 25мкм (микроволновая область), в качестве светоделителей используют полимерные плёнки.
После светоделителя прошедший и отраженный пучки попадают на отражающие зеркала, требования к качетсву и стабильности которых в интерферометрах очень высоки: их поверхность не должна отклоняться от идеальной более чем на 1/20 длины волны, отвечающей коротковолновой границе работы прибора. В последнее время вместо плоских пластин стали использовать тетраэдрические отражатели, составленные из трех взаимно перпендекулярных пластин. Такая конструкция позволила снизить требование к стабильности, поскольку для тетраэдрического отражателя падающий и отраженный лучи остаются параллельными при его наклонах.
Выходящее из интерферометра излучение фокусируется зеркальным объективом в месте, куда помещается образец, если исследуются спектры поглощения. После этого свет фокусируется на приемнике излучения.
Важным элементом оптической схемы является система измерения разности хода между зеркалами интерферометра (на рисунке 3 обозначена красным цветом). Для этой цели в него вводится излучение одномодового лазера (обычно это лазер He-Ne), которое в прецизионных приборах дополнительно стабилизируется. После прохождения через интерферометр монохроматический пучок генерирует при движении зеркала синусоидальный сигнал на специальном приёмнике. Период синусоиды равен длине волны лазерного излучения или кратное этой величине. Благодаря такой системе фурье-спектрометр становится прибором с высокой точностью измерений частот спектральных линий, причем точность определяется точностью определения частоты генерации опорного лазера.
Иногда в схему встраивается ещё один интерферометр – интерферометр белого света (обозначен на рисунке 3 зелёным). Он используется для определения нулевой разности хода между зеркалами. Дело в том, что для излучения с широким спектральным составом при нулевой разности хода между зеркалами. Дело в том, что для излучения с широким спектральным составом при нулевой разности хода световые колебания всех частот при сложении пучков на выходе интерферометра будут иметь одну и ту же фразу в разных пучках и в этом случае будут складываться амплитуды световых колебаний. Если разность хода велика, разности фаз колебаний для разных частот будут практически случайными и тогда складываются энергии волн с разными частотами, что даёт вдвое меньшую освещенность на приемнике излучения, чем в случае сложения амплитуд. По этой причине при перемещении подвижного зеркала в сигнале с приемника интерферометра белого света при нулевой разности хода возникает резкий пик, по максимуму которого положение нулевой разности хода определяется очень точно.











§ 5. Разрешающая способность фурье-спектрометра


Разрешение фурье-спектрометра обратно пропорционально максимальной оптической разности хода, использованной для регистрации интерферограммы. Разность хода можно делать сколь угодно большой только при достаточномалом входном отверстии. При конечном размере входной диафрагмы после отражения от коллиматора возникают пучки, непараллельные строго оптической оси прибора. Из-за разного наклона разность хода для таких пучков оказывается немного различной, что приводит к уширению аппаратной функции прибора.
Чтобы ослабить этот эффект, приходится уменьшать входную диафрагму, однако уменьшение диафрагмы приводит к уменьшению сигнала и, следовательно, к ухудшению отношения сигнал/шум в спектре. На практике часто именно минимально возможная диафрагма и определяет спектральное разрешение.
Таким образом, реальное предельное разрешение фурье-спектрометров очень часто определяется энергетическими условиями: яркостью источника излучения, светосилой, чувствительностью приёмника излучения и т.п. В современных приборах высокого класса, снабженных стандартными источниками излучения для измерения спектров поглощения, предельное разрешение составляет около .





§ 6. Использование фурье-спектроскопии


С помощью фурье-спектроскопии в ближней ИК-области были успешно предсказаны количественные и качественные характеристики множества образцов пива, произведенного в Чешской республике. Исследование проводилось с помощью БИК анализатора Antaris, время сбора данных для одного образца составило 20 секунд. Были верно предсказаны четыре характеристики: содержание алкоголя, начальная плотность пива, действительное и видимое содержание экстрактивных веществ. Проведенное исследование продемонстрировало такие преимущества метода БИК для анализа пива, как высокая скорость и простая процедура подготовки образца.
Спектры в ближней ИК области некоторых планет были зарегистрированы в течение нескольких часов, а для регистрации их спектров прибором с диспергирующим элементом потребовалось бы неск. месяцев. Малогабаритные ФС были использованы при исследовании из космоса околоземного пространства и земной поверхности в средней ИК области.
Лабораторные ФС для дальней ИК области нашли применение в химии. Качественный и количественный анализ сырья, промежуточных и конечных продуктов синтеза. Фракционный и структурно-групповой состав нефтепродуктов. Анализ топлив: эфиры, спирты, ароматика, октановое число. Фурье-спектрометры могут быть использованы для экспресс-анализ нефтей, газоконденсатов, природного газа и продуктов их переработки.
Также без методов фурье-спектроскопии не обходится криминалистический, судебно-медицинский и биоклинический анализ. Качественный и количественный анализ природных веществ и продуктов синтеза. Идентификация наркотиков, ОВ и ВВ. Анализ следовых остатков веществ.

Глава 2. Распознавание образов

§ 1. Определение


Распознавание образов (объектов, сигналов, ситуаций, явлений или процессов) - задача идентификации объекта или определения каких-либо его свойств по его изображению (оптическое распознавание) или аудиозаписи (акустическое распознавание) и другим характеристикам.
Одним из базовых является не имеющее конкретной формулировки понятие множества. В компьютере множество представляется набором неповторяющихся однотипных элементов. Слово "неповторяющихс " означает, что какой-то элемент в множестве либо есть, либо его там нет. Универсальное множество включает все возможные для решаемой задачи элементы, пустое не содержит ни одного.
Образ - классификационная группировка в системе классификации, объединяющая (выделяющая) определенную группу объектов по некоторому признаку. Образы обладают характерным свойством, проявляющимся в том, что ознакомление с конечным числом явлений из одного и того же множества дает возможность узнавать сколь угодно большое число его представителей. Образы обладают характерными объективными свойствами в том смысле, что разные люди, обучающиеся на различном материале наблюдений, большей частью одинаково и независимо друг от друга классифицируют одни и те же объекты. В классической постановке задачи распознавания универсальное множество разбивается на части-образы. Каждое отображение какого-либо объекта на воспринимающие органы распознающей системы, независимо от его положения относительно этих органов, принято называть изображением объекта, а множества таких изображений, объединенные какими-либо общими свойствами, представляют собой образы.
Методика отнесения элемента к какому-либо образу называется решающим правилом. Еще одно важное понятие - метрика, способ определения расстояния между элементами универсального множества. Чем меньше это расстояние, тем более похожими являются объекты (символы, звуки и др.) - то, что мы распознаем. Обычно элементы задаются в виде набора чисел, а метрика - в виде функции. От выбора представления образов и реализации метрики зависит эффективность программы, один алгоритм распознавания с разными метриками будет ошибаться с разной частотой.
Обучением обычно называют процесс выработки в некоторой системе той или иной реакции на группы внешних идентичных сигналов путем многократного воздействия на систему внешней корректировки. Такую внешнюю корректировку в обучении принято называть "поощрениями&quo ; и "наказаниями&q ot;. Механизм генерации этой корректировки практически полностью определяет алгоритм обучения. Самообучение отличается от обучения тем, что здесь дополнительная информация о верности реакции системе не сообщается.
Адаптация - это процесс изменения параметров и структуры системы, а возможно - и управляющих воздействий, на основе текущей информации с целью достижения определенного состояния системы при начальной неопределенности и изменяющихся условиях работы.
Обучение - это процесс, в результате которого система постепенно приобретает способность отвечать нужными реакциями на определенные совокупности внешних воздействий, а адаптация - это подстройка параметров и структуры системы с целью достижения требуемого качества управления в условиях непрерывных изменений внешних условий.

§ 2. Методы распознавания образов


В целом, можно выделить три метода распознавания образов: Метод перебора. В этом случае производится сравнение с базой данных, где для каждого вида объектов представлены всевозможные модификации отображения. Для оптического распознавания образов можно применить метод перебора вида объекта под различными углами, масштабами, смещениями, деформациями и т. д. Для букв нужно перебирать шрифт, свойства шрифта и т. д. В случае распознавания звуковых образов, соответственно, происходит сравнение с некоторыми известными шаблонами (например, слово, произнесенное несколькими людьми).
Второй подход - производится более глубокий анализ характеристик образа. В случае оптического распознавания это может быть определение различных геометрических характеристик. Звуковой образец в этом случае подвергается частотному, амплитудному анализу и т. д.
Следующий метод - использование искусственных нейронных сетей (ИНС). Этот метод требует либо большого количества примеров задачи распознавания при обучении, либо специальной структуры нейронной сети, учитывающей специфику данной задачи. Тем не менее, его отличает более высокая эффективность и производительность.







§ 3. Общая характеристика задач распознавания образов и их типы


Общая структура системы распознавания и этапы в процессе ее разработки показаны на рис. 5.


Рисунок 5 Структура распознавания образов

Задачи распознавания состоят из двух этапов:
- преобразование исходных данных к виду, удобному для распознавания;
- собственно распознавание (указание принадлежности объекта определенному классу).
В этих задачах можно вводить понятие аналогии или подобия объектов и формулировать правила, на основании которых объект зачисляется в один и тот же класс или в разные классы.
Также в этих задачах можно оперировать набором прецедентов-примеро , классификация которых известна и которые в виде формализованных описаний могут быть предъявлены алгоритму распознавания для настройки на задачу в процессе обучения.
Для этих задач трудно строить формальные теории и применять классические математические методы (часто недоступна информация для точной математической модели или выигрыш от использования модели и математических методов несоизмерим с затратами).
Выделяют следующие типы задач распознавания: - Задача распознавания - отнесение предъявленного объекта по его описанию к одному из заданных классов (обучение с учителем);
      Задача автоматической классификации - разбиение множества объектов, ситуаций, явлений по их описаниям на систему непересекающихся классов (таксономия, кластерный анализ, самообучение);
      Задача выбора информативного набора признаков при распознавании;
      Задача приведения исходных данных к виду, удобному для распознавания;
      Динамическое распознавание и динамическая классификация - задачи 1 и 2 для динамических объектов;
      Задача прогнозирования - суть предыдущий тип, в котором решение должно относиться к некоторому моменту в будущем.

Глава 3. Фурье-спектроскопия и распознавание образов в методах оптической обработки информации


В настоящее время развитие методов и средств оптической обработки информации идет по пути создания специализированных аналоговых оптических вычислительных устройств, для решения достаточно широкого круга прикладных задач.
Можно выделить следующие 4 группы таких устройств в зависимости от выполняемых операций и их структуры:
      Специализированные оптические процессоры, предназначенные для двумерного спектрального анализа изображений или многоканального спектрального а
      и т.д.................

Смотреть работу подробнее



Скачать работу


Скачать работу с онлайн повышением оригинальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.
© 2009...2024
WEBKURSOVIK.RU – ЭФФЕКТИВНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТУ
webkursovik@yandex.ru