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 "неповторяющихся" 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" и "наказаниями". 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;