«Использование ит в гиперспектральном анализе» icon

«Использование ит в гиперспектральном анализе»




Название«Использование ит в гиперспектральном анализе»
Дата конвертации12.02.2013
Размер166.88 Kb.
ТипРеферат
источник



БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ


Выпускная работа по
«Основам информационных технологий»



Магистрант

кафедры лазерной физики и спектроскопии

Костюкевич Александр Геннадьевич


Руководители:

д-р физ.-мат. наук, профессор

Гулис Игорь Михайлович

старший преподаватель

Кожич Павел Павлович


Минск – 2009 г.

Оглавление


Оглавление 3

Список обозначений ко всей выпускной работе 4

Реферат на тему «Использование ИТ в гиперспектральном анализе» 5

Введение 5

Глава 1. Гиперспектрометр с МЗМ 7

^ Глава 2. Отработка методики калибровки и режимов работы гиперспектрометра 9

Калибровка 9

Режимы работы 11

Заключение 15

Список литературы к реферату 16

Предметный указатель к реферату. 18

Интернет ресурсы в предметной области исследования 19

Действующий личный сайт 20

Граф научных интересов 21

Тестовые вопросы по Основам информационных технологий 22

Презентация магистерской диссертации 23

Список литературы к выпускной работе 24

Приложения 1. Презентация магистерской диссертации 25



^

Список обозначений ко всей выпускной работе


ЭВМ – Электронно-вычислительная машина.

ПЗС – Прибор с зарядовой связью.

ИТ – Информационные технологии.

ПМС – Пространственный модулятор света.

МЗМ – Микрозеркальная матрица.

ПО – Программное обеспечение.
^

Реферат на тему «Использование ИТ в гиперспектральном анализе»

Введение


Спектральный анализ всегда занимал и занимает первое место среди наиболее распространенных методов исследования законов и свойств микромира.

В частности, методы спектроскопии используются для определения качественного и количественного химического состава соединений, а следовательно, находят широчайшие применения во многих промышленных и научно-исследовательских процессах, начиная от контроля на химических производствах, экологического мониторинга, медицинской диагностики и заканчивая технологиями обнаружения наркотических веществ и военными применениями.

Анализируя историю развития спектрального анализа, можно заметить, что все силы исследователей в основном были потрачены на усовершенствование и разработку новых методов и соответствующих приборов с целью улучшения и достижения как можно более высоких значений таких характеристик, как спектральное разрешение и чувствительность анализа, и нахождения оптимального компромисса между ними. Причем одним из главных направлений развития являлся переход к автоматизированным системам регистрации спектроскопических приборов и привлечения ЭВМ в процесс сбора и обработки спектральной информации, что приводило к сокращению времени проведения анализа и улучшению его основных характеристик. Таким образом, на смену спектрографам постепенно приходили спектрометры, то есть происходил переход от фотографического к фотоэлектрическому методу регистрации спектра [1].

В настоящее время практически любая спектроскопическая установка автоматизирована, что подчеркивает очень важное значение ИТ в данной области. Под ИТ, в общем смысле, подразумевают процессы, использующие совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии исследуемого объекта, процесса или явления (информационного продукта). В частности, ИТ в спектральном анализе – это все процессы, отвечающие за сбор первичной спектральной информации (например, с помощью ПЗС-приемника в регистрирующем канале спектральные компоненты исследуемого излучения преобразуются в электрические заряды), передачу этой информации в компьютер и последующую ее обработку с получением нового типа информации в виде спектров исследуемого объекта, а также, например, качественного или количественного химического состава данного объекта.

В последнее десятилетие в прикладной спектроскопии четко наметилась тенденция интенсивного развития новых методов, позволяющих получать и анализировать спектроскопическую информацию об объекте исследования с разрешением по пространственным координатам. Здесь речь идет о возможности получения для каждого малого участка двумерного изображения объекта на входной апертуре прибора оптического спектра, характеризующего (с определенным пространственным и спектральным разрешением) этот участок.

Такие методы получили в литературе название «гиперспектральных»; трехмерные матрицы, содержащие зависимость интенсивности света от двух пространственных и спектральной координат называют «гиперспектральными изображениями» или «гиперспектральными кубами», а соответствующие приборы называют изображающими спектрометрами или гиперспектрометрами.

Потребность в таких методах и соответствующих приборах определяется уникальными возможностями оперативного получения большого массива спектрально-пространственных данных, необходимого для глубокого высокоинформативного анализа характеристик объекта.

Из выше сказанного очевидно, что гиперспектральные измерения требуют наличия значительно более высокого уровня информацинно-технологической базы (как со стороны средств, новой аппаратуры, так и со стороны методов и программного обеспечения), в отличии от ”обычного” спектрального анализа.

В нашей лаборатории был разработан гиперспектрометр по схеме с ПМС, в качестве которого использовалась МЗМ, которая формирует электронно реконфигурируемую щель во входной фокальной плоскости традиционного дисперсионного спектрометра [2,3].

В данной работе я хочу показать, как с помощью ИТ была осуществлена наладка гиперспектрометра: отработана методика и проведена его калибровка, отработаны режимы работы гиперспектрометра (мультиобъектный и режим построения гиперкуба).
^

Глава 1. Гиперспектрометр с МЗМ


Разработанный на нашей кафедре гиперспектрометр представляет собой дисперсионный спектрометр, использующий в качестве входной апертуры МЗМ. МЗМ в свою очередь представляет собой двумерную матрицу, содержащую порядка 106 микрозеркал с размерами порядка 10 – 15 мкм каждое, которые могут независимо переключать из основного состояния в два положения (рисунок 1), вращаясь вокруг своих диагоналей на углы 10˚ - 12˚ в обе стороны относительно нормали к плоскости матрицы.



Рисунок 1 – Иллюстрация МЗМ

МЗМ позволяет оперативно управлять входным полем дисперсионного спектрометра. Такая матрица позволяет уйти от громоздких механических устройств сканирования и добиться высокой скорости и пространственного разрешения при управлении световыми потоками. Следует также отметить, что для управления динамической входной апертурой гиперспектрометра необходимо производить одновременное наблюдение данного участка исследуемого пространства. Такое наблюдение в общем случае может быть реализовано в рамках единого со спектроскопическим оптического канала, однако более удобным представляется сформировать отдельные спектроскопический и наблюдательный каналы.

Использование в качестве входной апертуры МЗМ позволяет осуществить разделение на два оптических канала за счет наличия двух устойчивых положений микрозеркал. Если при помощи предварительной оптики изобразить исследуемую пространственную область на МЗМ, то, программно управляя положением микрозеркал, можно направлять световые пучки от фрагментов исследуемой пространственной области как в наблюдательный канал (для осуществления наблюдения этих фрагментов), так и в спектроскопический канал (для проведения их спектрального анализа).

Таким образом, общая оптическая схема гиперспектрометра была реализована как совокупность относительно независимых подсистем: спектрального и наблюдательного каналов, а также системы формирования изображения на МЗМ. Такая схема построения гиперспектральной системы дает существенные преимущества, в частности:

  1. Возможность оперативной программной перенастройки прибора для работы в различных режимах;

  2. Простая реализация базового режима работы с электронно управляемым сканированием щели, формируемой ПМС;

  3. Широкий рабочий спектральный диапазон по сравнению с перестраиваемыми интерференционными или поляризационными фильтрами;

  4. Высокое спектральное разрешение по сравнению с хроматическими фильтрами;

  5. Высокая скорость и прецизионность по сравнению с «обычными» системами механического сканирования входной щели;

  6. Программное управление в широких пределах пространственным и спектральным разрешением;

  7. Возможности существенного ускорения получения гиперспектральной информации за счет работы в интерактивном режиме с выбором для сканирования только аналитически значимых участков исследуемой поверхности;

  8. Технологичность изготовления и компактность.
^

Глава 2. Отработка методики калибровки и режимов работы гиперспектрометра


После сборки и наладки гиперспектрометра следующий этап работы заключался в проведении его калибровки и отработки режимов работы.

Калибровка


Калибровка спектрального прибора по длине волны заключается в установлении взаимнооднозначного соответствия между длиной волны λ и интенсивностью регистрируемого излучения. Например, для дисперсионного спектрометра с регистрацией на основе ПЗС-матрицы необходимо устанавливать взаимное соответствие между длиной волны и номером пикселя фотоприемника, в котором хранится информация о интенсивности излучения, т.е. длина волны является функцией одной переменной.

В случае гиперспектральных измерений в функциональной зависимости λ появляются новые переменные – пространственные координаты исследуемого объекта. В нашем случае для простейшего режима работы гиперспектрометра - режима «сканирующей щели» - калибровочная кривая представляет собой поверхность в трехмерном пространстве, по координатным осям которого отложены длина волны и номера пикселей КМОП-приемника и МЗМ (рисунок.2.1).



Рисунок 2.1 – Калибровочная поверхность в пространстве гиперкуба, построенная в MathCAD

Таким образом, калибровка гиперспектрометра осуществлялась путем равномерного освещения всей поверхности его входного поля (то есть всей поверхности МЗМ) излучением источника с известным спектром. Причем на МЗМ формировалась щель (размером 1 пиксель МЗМ), излучение от которой пройдя дисперсионную систему гиперспектрометра спектрально разлагалось и регистрировалось на КМОП-приемнике спектрального канала. Сканируя, таким образом, эту щель вдоль всей МЗМ (с интервалом, например, в 20 пикселей МЗМ), получали набор спектров, соответствующий набору положений сканирующей щели.

Из полученных экспериментальных точек в соответствующем трехмерном пространстве гиперкуба калибровочная поверхность строилась методом наименьших квадратов с помощью полинома 3-ой степени (с помощью MathCAD). В результате этого данная поверхность представляла собой плоскость. Поэтому для упрощения расчетов целесообразно было использовать аппроксимацию полиномом 1-ой степени с сохранением высокой точности. В результате такой аппроксимации максимальное отклонение отдельных экспериментальных точек от полученной калибровочной поверхности не превышало 1,7 нм, причем среднеквадратичное отклонение оценивалось в 0,5 нм. Следует заметить, что высокая степень линейности калибровочной поверхности обусловлена работой гиперспектрометра с малыми углами отклонения, что в свою очередь определяется малыми линейными размерами МЗМ (т.е. входного поля) по сравнению с расстояниями между оптическими узлами системы.
^

Режимы работы


Путем разработки специального программного обеспечения в гиперспектрометре были реализованы два режима работы.

Первый из них – это режим «сканирующей щели» с получением гиперкуба (то есть зависимости I(x,y,λ)). Этот режим программно реализуется, предварительно задав время экспозиции одного кадра (положения щели) в миллисекундах и ширину щели в пикселях МЗМ, путем пошагового сканирования этой щелью входной апертуры гиперспектрометра с одновременной регистрацией соответствующей спектроскопической информации и последующей ее обработкой и построением гиперспектрального изображения всей исследуемой поверхности.

Таким образом, с помощью этого режима работы можно получать двумерные изображения пространственных областей в различных спектральных диапазонах, не выходящих за границы рабочего диапазона гиперспектрометра (400 – 900 нм), причем центральную длину волны и ширину этих диапазонов (в нанометрах) можно задавать в рамках соответствующего программного обеспечения.

Однако, несмотря на выше перечисленные преимущества режима «сканирующей щели», он обладает некоторыми недостатками, к которым относятся большие времена, необходимые для получения гиперкуба (≈2минут), а также большие объемы получаемой информации, которые в ряде случаев оказываются в значительной мере избыточными.

Действительно, на «практике» зачастую нет необходимости в получении спектроскопической информации для всего входного поля гиперспектрометра (следовательно, для построения «полного» гиперкуба), а только для некоторого определенного количества отдельных интересующих его участков, что дает возможность сэкономить время, как при регистрации, так и при обработке этой информации. В связи с этим был разработан второй режим работы гиперспектрометра – мультиобъектный.

Мультиобъектный режим – это интерактивный режим работы с выбором для сканирования только аналитически значимых участков исследуемого неоднородного объекта (рисунок 2.2). В этом режиме работы спектроскопические измерения проводятся для заранее подготовленного списка объектов (например, минищелей, сформированных МЗМ в интересующих участках изображения исследуемого объекта). Причем создание списка объектов (минищелей) осуществляется в так называемом интерактивном режиме.



Рисунок 2.2 – Иллюстрация реализации мультиобъектного режима гиперспектрометра

Так что в окне наблюдательного канала (рисунок 2.3), куда выводятся данные с КМОП-приемника, можно осуществлять видеосъемку изображения объекта на МЗМ (причем перед ее началом необходимо задать время экспозиции одного кадра в миллисекундах, а также установить, непрерывны или по кадровый режим съемки). А в окне «поиск объекта» можно осуществлять (например, в режиме непрерывной съемки) поиск аналитически значимых участков для составление списка, задавая при этом размеры и положения минищелей, при этом выделенные области в окне наблюдательного канала темнеют (на рисунке 2.3 изображены заданная в окне «поиск объекта» минищель и сопряженная ей темная полоса в окне наблюдательного канала).

На рисунке 2.4 приведены спектральные изображения (соответствующие спектральным линиям ртути) различных минищелей, полученные на КМОП-приемнике спектрального канала, а также развертка спектра для одной из них (внизу).



Рисунок 2.3 – “Скриншот” окна программы для реализации мультиобъектного режима, где в качестве источника использовалась ртутная лампа, изображен наблюдательный канал



Рисунок 2.4 – “Скриншот” окна программы для реализации мультиобъектного режима, где в качестве источника использовалась ртутная лампа, изображен спектральный канал

Таким образом, реализация мультиобъектного режима работы гиперспектрометра дает следующие дополнительные преимущества:

  1. Отсутствие необходимости обработки избыточной спектроскопической информации.

  2. Быстрое получение спектров от различных интересующих областей объекта (≈0,3 с).

Для опробования работы гиперспектрометра в мультиобъектном режиме проведены измерения тестового объекта.

Объект представлял собой участок бумаги с нанесенными него точками размерами порядка 0,5 мм, содержащими люминесцирующий индотрикарбоцианиновый краситель. Люминесценция возбуждалась излучением полупроводниковых лазеров (λ=685 нм, P=50 мВт).

На рисунке 2.5 представлен вид объекта в диалоговом окне наблюдательного канала.



Рисунок 2.5 – Изображение объекта в окне наблюдательного канала

По этим трем пятнам сформированы минищели и получены спектры от локальных участков.

Спектр средней по высоте минищели приведен на рисунке 2.6.



Рисунок 2.6 – Спектр люминесценции индотрикарбоцианинового красителя

Приведенный спектр сглажен с усреднением по числу пикселей в пределах ширины щели. Положение максимума и ширина спектра соответствуют значением этих параметров для данного индотрикарбоцианинового красителя.

Заключение


В данной работе было показано, как с помощью ИТ была осуществлена наладка гиперспектрометра: отработана методика и проведена его калибровка, отработаны режимы работы гиперспектрометра (мультиобъектный и режим построения гиперкуба).

В настоящее время ИТ играют первостепенную роль в научно-исследовательской деятельности, в особенности это относиться к гиперспектральному анализу, где, в отличие от “обычного” спектрального анализа, требуется, как правило, автоматизация не только регистрирующей системы, но также изображающей (например, использование системы с МЗМ, как в случае нашего гиперспектрометра) и оптико-диспергирующей систем. Например, в нашем гиперспектрометре для обеспечения более широкого рабочего спектрального диапазона с сохранением требуемых значений всех оптико-аналитических характеристик прибора была разработана программно-управляемая система поворота дисперсионной решетки.

Следует также отметить, что сам процесс построения “спектрального гиперкуба” исследуемой поверхности представляет собой информационно-технологический процесс. Поскольку при гиперспектральных измерениях с помощью сканирующей системы происходит последовательная регистрация спектров от отдельных участков исследуемого объекта, а затем с помощью ПО эта первичная информация обрабатывается таким образом, что на мониторе компьютера можно получать монохроматические изображения всего данного объекта исследования.

В заключении следует отметить, что научно-исследовательский прогресс в любой области науки полностью сопряжен с уровнем развития информационно-технологической базы данной отрасли. Например, появление микроэлектромеханических систем (например, МЗМ), а также новых ЭВМ, способных быстро обрабатывать большие объемы информации, позволило осуществлять в области спектрального анализа гиперспектральные измерения.
^

Список литературы к реферату


  1. Тарасов К. И. Спектральные приборы – Ленинград: издательство “Машиностроение”, 1968.

  2. Воропай Е. С., Гулис И. М., Купреев А. Г., Каплевский К. Н., Костюкевич А. Г., Радько А. Е., Шевченко К. А. Дисперсионный гиперспектрометр с реконфигурируемой входной апертурой на основе микрозеркальной матрицы // “Вестник БГУ” №3, 2009, с. 31-35.

  3. Воропай Е. С., Гулис И. М., Купреев А. Г., Каплевский К. Н., Костюкевич А. Г., Радько А. Е., Шевченко К. А. Мультиобъектный спектрометр с микрозеркальной матрицей // “Ж. прикл. спектроскопии”.
^

Предметный указатель к реферату.


а

апертуры 7, 8, 11

г

гиперкуб 7, 10, 11, 12, 16

гиперспектральный куб 6

гиперспектрометр 7, 17

гиперспектроскопия 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 15, 16

д

дисперсионный спектрометр 7

И

ИТ 4, 5, 7, 15, 16

К

Калибровка 9

М

МЗМ 4, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 16

м

микрозеркало 7, 8

н

наблюдательный канал 8, 13

о

оптический канал 8

С

Спектральный анализ 5

с

спектроскопический канал 8

спектроскопия 1, 5, 6, 17, 19

Э

ЭВМ 4, 5, 16



^

Интернет ресурсы в предметной области исследования


http://www.vak.org.by - Сайт Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь. Тут размещены материалы, касающиеся подготовки научных кадров, присуждения ученых степеней и званий, краткие паспорта специальностей и программы-минимумы кандидатских экзаменов по специальности. Организован поиск по сайту и в сети Интернет.

http://www.arxiv.org - Один из архивов электронных принтеров статей по физике, математики, нелинейным наукам, информатики, количественной биологии и статики, главное преимущество которого это возможность свободно скачивать статьи необходимые для научной работы.

http://ebdb.ru - Специальная поисковая система в области электронных книг. На данный момент система обладает следующими полезными функциональными возможностями (помимо базового поиска): возможность поиска книг внутри конкретной библиотеки, возможность поиска книг по нескольким библиотекам, возможность поиска, как отдельных слов, так и точных фраз, возможность просмотра всех проиндексированных книг.

http://www.google.com - Всемирно известная поисковая система Google занимает, несомненно, первые позиции по качеству поиска. Она позволяет производить простой поиск по ключевым словам, возможен вариант расширенного поиска по группам (среди книг, музыкальных файлов или видеофайлов, новостей и т.д.), особым признакам (определение, тип файла) и т.д. Поиск информации в сети Интернет обычно начинается с этого сайта.

http://imaph.bas-net.by/JAS/rus - Основной научный журнал в Белоруси по лазерной физике и спектроскопии. Просматривание аннотаций к статьям, опубликованным в этом журнале, дает наиболее полную информацию о новейших научных разработках и путях дальнейшей работы в этой области.

^

Действующий личный сайт


Адрес моего сайта:

http://akoct2009.narod.ru/

Граф научных интересов


Магистранта Костюкевича А.Г. физического факультета

Специальность: Оптика


Смежные специальности

01.04.07 – физика конденсированного состояния

  1. Химическая связь и кристаллическая структура материалов.

  2. Физические свойства конденсированного состояния (механические, тепловые, электромагнитные и др.), установление их связи с химическим составом и структурой, в том числе при внешних воздействиях.

  3. Техническое и технологическое приложения результатов исследований физики конденсированных состояний.




Основная специальность

^ 01.04.05 – оптика

  1. Разработка основ новых технологий регистрации и обработки изображений, передачи информации и энергии, диагностики природных и техногенных объектов и процессов, изучения фундаментальных свойств материи.

  2. Методы оптических и спектральных измерений, фотометрия.




Сопутствующие специальности

^ 01.01.07 – вычислительная математика

  1. Численные методы и алгоритмы решения прикладных задач, возникающих при математическом моделировании естественнонаучных, научно-технических, социальных и других проблем



^

Тестовые вопросы по Основам информационных технологий




Костюкевич: 01 Тег BR используется для



создания нового абзаца

перехода на новую строчку без создания абзаца

перехода на новую строчку с созданием абзаца

перехода к прописной букве







Костюкевич: 02 Параметр элемента TITLE отвечает за



текст подсказки, который будет появляться при наведении мышки на гиперссылку

название ссылки

указывает адрес странички

нет правильного ответа




^

Презентация магистерской диссертации


Посмотреть презентацию моей магистерской работы можно:

  1. в приложении 1. данной работы,

  2. на моем сайте (
    http://akoct2009.narod.ru/).
^

Список литературы к выпускной работе


    1. http://www.vak.org.by

    2. Павел Минько «Microsoft Office PowerPoint 2007», издательство «ЭКСМО», 2007 г.

    3. Хольцшлаг М. Языки НТМL и CSS: для создания Web-сайтов: [учеб. пособие] / М. Хольцшлаг, Е. Молли. – М.: ТРИУМФ, 2007. – 304 с.

    4. Иванов В. Microsoft Office System 2003: рус. версия: учеб. курс / В. Иванов. – М. [и др.]: Питер: ВНV, 2004. – 636 с.

Приложения 1. Презентация магистерской диссертации















Похожие:

«Использование ит в гиперспектральном анализе» icon«Применение современных информационных технологий в анализе монетарных операций нб рб»
Использование информационных технологий при анализе монетарных операций 9
«Использование ит в гиперспектральном анализе» icon«Применение информационных технологий в анализе эффективности арендных отношений»
Реферат на тему «Применение информационных технологий в анализе эффективности арендных отношений» 4
«Использование ит в гиперспектральном анализе» iconПрограмма Элективного курса "Грамматико-страноведческий курс" по английскому языку в 8 классе
...
«Использование ит в гиперспектральном анализе» iconИспользование интерактивной доски на уроках информатики
Использование электронных интерактивных досок может сделать образовательный процесс более увлекательным, приносящим ученикам истинное...
«Использование ит в гиперспектральном анализе» iconДокументы
...
«Использование ит в гиперспектральном анализе» iconМетодическая тема: Использование икт как фактор совершенствования учебно-воспитательного процесса в школе
Цель: Использование возможностей современной школы и научно-педагогического опыта для саморазвития в условиях функционирования на...
«Использование ит в гиперспектральном анализе» iconИспользование икт в обучении математике
И всё чаще и больше учителя используют на уроках новые информационные технологии. Это и обучающие компьютерные программы, и презентации,...
«Использование ит в гиперспектральном анализе» iconВыпускная работа по«Основам информационных технологий» Аспиранта
Роль информационных технологий при анализе и характеристке гена лошадиного интерферона-альфа
«Использование ит в гиперспектральном анализе» iconИспользование икт на уроках математики
Использование информационно-коммуникационных технологий на уроках математики становится обычным явлением и позволяет расширить информационное...
«Использование ит в гиперспектральном анализе» iconАнглийские артикли, предлоги, местоимения, словообразование
Английский язык в помощь математикам. Арушанян О. Б. (Скомпилированный html-документ; 353 Кб) хорошо представлены разделы Использование...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©sov.opredelim.com 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы