Багаторівневі методи оброблення електронно-дифракційних та Х-променевих сигналів у комп’ютеризованих інформаційно-вимірювальних системах

Abstract

Запропоновано концепцію багаторівневого підходу до оброблення експериментальних сигналів, яка полягає в обчисленні й аналізі додаткових рівнів сигналів, комплексному їх обробленні множиною взаємопов’язаних методів, що забезпечує підвищення швидкодії або точності вищевказаних методів на порядок. Створено комплекс методів для поетапного оброблення електронно- дифракційних зображень у комп’ютеризованих інформаційно-вимірювальних системах (КІВС) на базі електронного мікроскопу, комплекси методів для оброблення Х-променевих сигналів у КІВС на базі Х-променевих дифрактометрів. Розроблено структуру, апаратне і програмне забезпечення КІВС на базі електронного мікроскопу «Zeiss EVO 50» та КІВС на базі Х- променевих дифрактометрів ДРОН-3М та ДРОН-4.

Диссертационная работа посвящена теоретическому обобщению многоуровневых методов анализа сигналов в компьютеризованных информационно-измерительных системах (КИИС), что позволило получить новое решение важной научно-технической проблемы повышения точности и быстродействия обработки электронно-дифракционных и рентгеновских сигналов. Предложено концепцию многоуровневого подхода к обработке экспериментальных сигналов, которая заключается в вычислении и анализе дополнительных уровней сигналов, комплексной их обработке множеством взаимосвязанных методов, что обеспечивает повышение быстродействия или точности вышеуказанных методов на порядок. Создан комплекс методов для поэтапной обработки электронно- дифракционных изображений (изображений полос Кикучи) в КИИС на базе электронного микроскопа, комплекс методов для обработки рентгеновских сигналов в КИИС на базе рентгеновских дифрактометров; разработано структуру, аппаратное и программное обеспечение КИИС на базе электронного микроскопа «Zeiss EVO 50» и КИИС на базе рентгеновских дифрактометров ДРОН-3М и ДРОН-4. Разработано теоретические основы и метод для анализа и синтеза профилей распределения интенсивности экспериментальных изображений, который основан на использовании конических сечений как огибающих серии профилей и вычислении усредненных профилей на основе их серии, что позволяет на порядок повысить точность вычисления геометрических параметров для усредненных профилей. Предложены методы многоуровневой интерполяции одномерных и двумерных сигналов, в которых интерполированные сигналы состоят из суммы корректируемой и согласовывающей функций. Разработанные методы позволяют в среднем на 16% уменьшить погрешность интерполяции при повышении разрешающей способности экспериментальных сигналов. Разработан новый быстродействующий метод повышения локального контраста и удаления неоднородного фона изображений, который использует значения огибающих минимальных и максимальных значений сигнала в пределах локальных окон, где огибающие вычисляются путем аппроксимации при использовании кубических полиномиальных функций. Предложено математическую модель и метод адаптивной ориентированной фильтрации изображений в пространственной области, который в качестве ядра фильтра использует ориентированное двумерное распределение Гаусса. В случае фильтрации изображений полос Кикучи предложенный метод позволяет до 5 раз повысить точность вычисления их ширины. Получили последующее развитие: высокоточный многоуровневый метод автоматического определения уровня гауссового шума на изображениях; квазиоптимальный метод фильтрации импульсного и гауссового шумов на изображениях; метод вейвлет-фильтрации с использованием семейства биортогональних вейвлетов; быстродействующий многомасштабный метод использования искусственных нейронных сетей для решения обратных задач восстановления структурных параметров образцов на основе экспериментальных рентгеновских сигналов; высокоточный метод деконволюции изображений с использованием ориентированного двумерного распределения Гаусса как функции рассеивания точки. На основе полученных теоретических положений разработаны программные средства для КИИС, которые отличаются высокой точностью и быстродействием. Компьютерное моделирование, экспериментальные исследования и внедрение разработанных средств в КИИС подтвердили адекватность разработанных теоретических основ и эффективность предложенных методов.

The conception of multilevel approach to the processing of experimental signals is proposed, which consists in the calculation and analysis of additional levels of signals, their complex processing by a set of interrelated methods. It provides the increase of speed or accuracy of the mentioned methods in order. The complex of methods for the staged processing of electron diffraction images in computerized information-measuring systems (CIMS) was created on the basis of an electron microscope, while complexes of methods for processing X-ray signals in CIMS were worked out on the basis of X-ray diffractometers. The structure, hardware and software for CIMS on the basis of electron microscope «Zeiss EVO 50» and CIMS on the basis of X-ray diffractometers DRON-3M and DRON-4 were developed.