Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПЕЛЕНГАТОРАХ

Специальность: 05.11.07. - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Савинков Василий Владимирович

Москва 2007

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана на кафедре «Лазерные и оптико-электронные системы»

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор Мосягин Геннадий Михайлович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Сычёв Виктор Васильевич ФГУП НПО «Астрофизика»

Кандидат технических наук Ивлев Олег Александрович ФГУП НИИ «Прецизионного приборостроения»

Ведущая организация ОАО ФНЦ НПО «Геофизика-НВ», г. Москва

Защита диссертации состоится 7 ноября 2007 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.141.19 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская, д.5, Зал Учёного Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская, д. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, учёному секретарю диссертационного совета Д212.141.19.

Автореферат разослан « » октября 2007 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор технических наук Бурый Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Для решения целого ряда ряд задач хозяйственного и оборонного значения широко используются оптико-электронные (ОЭ) пеленгаторы, позволяющие с высокой точностью измерять координаты точечных и протяжённых объектов, а также селектировать различные типы объектов в условиях сложных фоновых ситуаций. Совершенствование комплексов средств пеленгации, требует проведения исследований в области разработки алгоритмов обработки сигналов.

Вопросами разработки алгоритмов обработки пеленгационных сигналов в нашей стране и за рубежом уделяется большое внимание. Им посвящены работы российских и зарубежных учёных: В.Л. Лёвшина, А.Л. Горелика, В.Я. Колючкина, Б.Р. Левина, Л.Ф. Порьфирьева, Г.М. Мосягина, В.И. Тихонова, П.С. Акимова, Ю.Г. Якушенкова, П.А. Бакута, Т. Хуанга, К. Фукунага, Г. Дейвида и др.

В тоже время вопросы, связанные с обоснованием требований к алгоритмам обработки сигналов от целей, регистрируемых на сложном пространственно неравномерном фоне, в настоящее время не решены. Поэтому тема диссертации, посвящённая разработке алгоритмов обработки сигналов в ОЭ пеленгаторах, является актуальной.

Цель исследований

Цель работы - разработка алгоритмов обработки сигналов, обеспечивающих надёжную пеленгацию малоразмерных и протяжённых целей в различных фоновых ситуациях.

Задачи исследований

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Анализ особенностей алгоритмов обработки сигналов в ОЭ пеленгаторах на основе математического моделирования излучения целей и фонов, а также математической модели информационной системы комплекса средств пеленгации.

2. Разработка методики обоснования технических требований к ОЭ пеленгаторам на основе анализа целевой функции проектирования комплекса средств пеленгации. пеленгатор сигнал оптический электронный

3. Разработка и исследование алгоритмов линейной и нелинейной обработки сигналов при пеленгации малоразмерных целей.

4. Разработка алгоритмов обработки сигналов при пеленгации протяжённых целей на пространственно-равномерном фоне и оценка эффективности статистического алгоритма селекции и распознавания целей при пеленгации протяжённых объектов.

5. Разработка алгоритмов селекции и распознавания протяжённых целей на пространственно-неравномерном фоне, инвариантных к изменяющимся условиям распределения яркости в пространстве предметов.

6. Подтверждение теоретических исследований методами математического моделирования в процессе вычислительных экспериментов с реальными изображениями целей.

7. Внедрение полученных результатов в практику проектирования ОЭ пеленгационных комплексов и в учебный процесс.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались:

-методы математического моделирования;

-методы теории оптико-электронных систем;

-математический аппарат теории вероятности, математической статистики и теории случайных процессов.

Научная новизна исследований

В процессе проведения исследований получены новые научные результаты теоретического и практического характера:

1) выведены математические соотношения, определяющие целевую функцию проектирования комплекса средств пеленгации как зависимость вероятности выполнения задачи, связанной с назначением комплекса, от частных показателей эффективности алгоритмов пеленгации;

2) модифицированн корреляционный алгоритм для селекции целей на пространственно-неравномерном фоне, включающий операции гистограммной обработки изображений и последующей линейной фильтрации;

3) разработана методика оценки эффективности пеленгации протяжённых объектов на основе модифицированного корреляционного алгоритма в условиях пространственно-неравномерного фона;

4) разработана методика оценки эффективности статистических алгоритмов селекции и распознавания протяжённых целей.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Методика обоснования перечня и значений показателей эффективности алгоритмов пеленгации объектов.

2. Алгоритмы первичной и вторичной обработки сигналов для пеленгации протяжённых целей на пространственно-неравномерном фоне, инвариантные к изменяющимся уровням яркости фона.

3. Методика выбора признаков для селекции и распознавания протяжённых объектов.

4. Методика оценки эффективности алгоритмов селекции и распознавания целей, позволяющая учесть не только линейные искажения, но также эффекты пространственной дискретизации оптического сигнала.

Практическая ценность работы

1. Результаты работы в теоретическом плане являются развитием элементов теории обработки сигналов применительно к ОЭ пеленгационным системам.

2. Полученные в диссертации научные результаты могут быть использованы при разработке перспективных образцов ОЭ пеленгаторов, которые должны функционировать в сложных фоно-целевых ситуациях.

Реализация и внедрение результатов

Результаты работы использованы:

в НИИ Радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н.Э. Баумана при выполнении НИР «Исток-М-РЛ», на предприятии ФГУП «КБ Точмаш им. А.Э. Нудельмана», и в учебном процессе кафедры «Лазерные и оптико-электронные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана в курсе «Оптико-электронные приборы наведения, пеленгации и ориентации».

Апробация работы

Результаты диссертации неоднократно обсуждались на семинарах кафедры «Лазерные и оптико-электронные системы» МГТУ им.Н.Э. Баумана. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях:

- НТК «Студенческая весна», МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2002.

- 5-я МНТК «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, 2004г.

Основные положения работы изложены в одной научной статье, в двух научно-технических отчётах о НИР, а также в тезисах 2-х НТК.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы, содержащего 41 библиографическое описание цитируемых источников. Диссертация изложена на 165 страницах, включает 45 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научной задачи, решаемой в диссертации. Сформулированы цель и задачи исследований. Рассмотрены методы исследований и изложены научные положения, выносимые на защиту. Проведён обзор содержания диссертации по главам.

В первой главе на основании анализа литературных источников предложена классификация оптико-электронных (ОЭ) пеленгаторов по ряду признаков:

- по назначению;

- по методу пеленгации;

- по типу целей и фоновой обстановки;

- по способу предварительной обработки сигналов.

Для обоснования требований к ОЭ пеленгатору использовалось представление этого прибора в составе комплекса средств пеленгации. Структурная схема комплекса средств пеленгации, как объекта проектирования на функционально-логическом уровне, представлена на рис.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Структурная схема комплекса средств пеленгации

- приёмники сигналов; - подсистемы первичной обработки сигналов; - подсистемы вторичной обработки сигналов; ПАИ - подсистема анализа информации; - стратегии принятия управленческих решений; - подсистемы управления; ПАУ - подсистема алгоритмов управления.

В состав структурной схемы модели комплекса входят: источник сигналов, описывающий свойства сигналов от целей и помех; информационная система, включающая как отдельные каналы пеленгаторы первого и второго эшелонов, средства навигации; система управления, включающая средства для выполнения действий, в соответствии с целевым назначением комплекса.

В диссертации разработаны математические модели сигналов от объектов, в том числе истинных и ложных целей, а также фоновых образований и помех.

Для информационной системы комплекса определены цели и задачи, выполняемые на этапе первичной и вторичной обработки сигналов в ОЭ пеленгаторах. На этапе первичной обработки сигналов это: линейная и нелинейная фильтрация с целью подавления помех, а также модуляция сигналов. На этапе вторичной обработки сигналов: 1) алгоритмы принятия решений относительно гипотез - обнаружение, селекция или распознавание; 2) оценка параметров сигналов на фоне помех.

Методика решения задачи по обоснованию показателей качества алгоритмов вторичной обработки сигналов иллюстрируется в диссертации на примере комплекса средств пеленгации воздушного базирования. В состав такого комплекса входят пеленгатор первого эшелона, осуществляющий предварительное обнаружение, селекцию и определение координат целей, и пеленгатор второго эшелона, предназначенный для непосредственного наведения на цель.

Для решения поставленной задачи была определена целевая функция проектирования комплекса. Основным показателем качества комплекса принята вероятность выполнения задачи, связанной с целевым назначением комплекса. Целевая функция определена на основе анализа функционирования комплекса как зависимость этого показателя от частных показателей качества алгоритмов. Вероятность выполнения поставленной задачи рассматривается как пересечение двух случайных событий:

- наведения на цель с заданной погрешностью, определяемой конечным промахом ;

- поражения цели при условии наведения на цель с заданной погрешностью.

Вероятность поражения цели определяется характеристиками управляемого оружия. В решаемой задаче можно считать, что вероятность этого события задана. Процесс наведения определяется свойствами информационных каналов комплекса и системы управления. В работе выведены математические выражения, определяющие зависимость вероятности наведения от параметров ОЭ пеленгаторов первого и второго эшелонов. Используя эти соотношения, можно определить оптимальное соотношение показателей качества пеленгаторов первого и второго эшелонов, в том числе: вероятностей обнаружения, селекции, распознавания при заданных предельных дальностях, а также погрешностей измерения угловых координат целей.

Нахождение этих значений при проектировании осуществляется методом многовариантного анализа или методом параметрической оптимизации. Если окажется, что достигнуть заданной вероятности выполнения поставленной задачи не удается на доступной элементной базе, то можно использовать принцип распараллеливания каналов пеленгации, при реализации которого существенно повышается эффективность комплекса.

На основании исследований, проведенных в главе 1, предложена классификация ОЭ пеленгаторов, развиты математические модели комплекса средств пеленгации на функционально-логическом уровне проектирования, предложена целевая функция проектирования ОЭ пеленгаторов, устанавливающая связь основного показателя качества в виде выполнения поставленной задачи с показателями эффективности алгоритмов пеленгации.

Изложенная выше методика может быть использована при обосновании требований к показателям качества алгоритмов пеленгаторов различного назначения, в том числе пеленгаторов, предназначенных для пеленгации малоразмерных и протяжённых целей.

Во второй главе разработаны алгоритмы оптимальной обработки сигналов при пеленгации малоразмерных целей. Задача пеленгации такого типа объектов решается на больших дальностях, когда угловые размеры целей малы по сравнению с угловыми размерами пятна рассеяния оптической системы. Это является существенной особенностью воздушных и космических целей, которая накладывает определенные ограничения на выбор словаря признаков при решении задачи селекции или распознавания при наличии ложных целей. Для выполнения проектных процедур при разработке комплексов пеленгации воздушных и космических целей разработаны математические модели малоразмерных целей, учитывающие свойства собственного теплового излучения объекта и отраженного излучения от внешних источников, а также параметры перемещения целей в пространстве. Сигналы от точечной цели описываются зависимостью:

, (1)

где , ,

- спектральная яркость фона.

Координаты цели с учётом движения по осям x, y:

, (2)

, (3)

Параметры , как и , в общем случае, априори точно неизвестны и являются составляющими вектора случайных параметров .

Предложены математические модели системы первичной обработки сигналов в ОЭ пеленгационных приборах. Разработана обобщённая структурная схема пеленгационного ОЭП, как объекта проектирования, показанная на рис. 2. При синтезе данной схемы предполагается, что оптическая система (ОС) изопланатична, а ПИ представляет собой фокальную матрицу, работающую в режиме накопления зарядов. В линейном приближении проведён анализ преобразования сигналов в ОЭ пеленгаторе с матричным ПИ. Выведены соотношения для сигнальной функции и дисперсии аддитивной помехи на выходе оптимального приёмника.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Обобщенная структурная схема пеленгационного ОЭП, как объекта проектирования: 1 - источник сигнала от цели; 2 - оптическая система; 3 - оптический фильтр; 4 - пространственный фильтр (смаза изображения); 5 - пространственный фильтр; 6 - приемник излучения; 7 - модулятор; 8 - оптимальный фильтр; 9 - декодер; 10 - источник сигнала от фона; 11- оптическая система преобразования фонового сигнала; 12 - генератор шума

В работе проведён анализ влияния значений координат и цели на амплитуду полезного сигнала и дисперсию шумовой составляющей реализации на выходе оптимального фильтра. На рис.3 представлены графики сечений зависимости дисперсии шума на выходе оптимального фильтра от координат цели и при отношении сигнал/шум, в нулевом приближении, равном =1 и различных сочетаний параметров , , где -радиус функции рассеяния оптической системы, аппроксимируемой двумерной гауссоидой, = =50мкм, а- размер квадратного ЧЭ матричного ПИ.

D

D

D₁ D₁

а) б)

Рис. 3 График зависимости дисперсии шума на выходе оптимального фильтра при и а) k_пи=0,75, б) k_пи=0,5: - k_oc=0,2; - k_oc=0,4; - k_oc=0,6.

Из приведённых графиков следует, что случайно измеряемые параметры и являются энергетическими, так как их изменение приводит к изменению отношения сигнала к шуму. При относительно большом пятне рассеяния ОС этой зависимостью можно пренебречь.

Проанализированы алгоритмы вторичной обработки сигналов в пеленгационных ОЭП, связанных с выполнением процедур обнаружения, селекции или распознавания целей, а также с измерением координат объектов.

Рассмотрены алгоритмы обнаружения на основе принятия решений по критерию Байеса, по критерию идеального наблюдателя, по критерию Неймана-Пирсона и минимаксному критерию. Основной проблемой при использовании указанных критериев является преодоление статической неопределённости, связанной с априорными вероятностями отсутствия или присутствия цели в поле обзора. Рассмотренные алгоритмы обнаружения целей могут быть реализованы в виде одношаговых и многошаговых процедур анализа сигнала, но при априори известном объёме выборки. Для пеленгационных ОЭС с фокальными МПИ имеется принципиальная возможность реализации более эффективных алгоритмов последовательного обнаружения (процедура Вальда), так как в них осуществляется покадровое считывание реализаций сигнала. В последовательных алгоритмах к основным показателям эффективности относятся вероятности и и среднее значение - объёма выборки. Приведённые математические выражения могут использоваться для определения целевых функций проектирования пеленгационных ОЭП в режиме обнаружения малоразмерных целей.

Проведён анализ алгоритмов измерения координат малоразмерных целей, при этом он формулируется в рамках теории статистических оценок, в виде задачи оценки случайных параметров. Как и в задаче обнаружения, выбор критерия и алгоритма обработки сигналов зависит от объёма априорной информации. При измерении координат целей пеленгаторами первого эшелона априорная информация о координатах целей практически отсутствует, поэтому следует использовать оптимальный алгоритм оценки координат по критерию максимального правдоподобия. В работе получены математические выражения для целевой функции проектирования по критерию максимального правдоподобия. Для пеленгаторов второго эшелона, когда имеется целеуказание, наиболее удобен алгоритм определения координат цели по критерию Байеса. В работе получены математически соотношения для алгоритма обработки сигнала по критерию Байеса, которые могут использоваться для получения частной целевой функции.

Рассмотрены алгоритмы селекции малоразмерных объектов. Показано, что задачи селекции заключаются в принятии решения об истинности обнаружения целей, т.е. задача решается после предварительного обнаружения сигналов от объектов, находящихся в поле анализа пеленгатора. Минимально необходимой информацией для селекции является: количество целей в поле анализа, в том числе количество истинных целей, вид и параметры функции распределения вероятностей значений признаков истинных и ложных целей. При селекции объекты разбиваются на два класса: класс истинных целей и класс ложных целей, которым в признаковом пространстве ставятся в соответствие области, разделённые решающими границами в соответствии с критерием максимального правдоподобия. Решение о селекции принимается на основе анализа признаков всех объектов, находящихся в поле анализа, поэтому для оценки эффективности селекции истинных целей используется теория порядковых статистик. Для селекции малоразмерных целей дополнительно могут использоваться поля спектральных (по длинам волн) признаков и траекторных (кинематических) признаков. Для фильтрации сигналов могут использоваться Винеровские и Калмановские фильтры.

Проведён анализ алгоритмов нелинейной обработки сигналов для предварительной фильтрации сигналов целей на неравномерном фоне. К ним относятся: фильтрация с вычитанием, медианная фильтрация, гистограммная обработка, сегментация изображений.

Таким образом, во 2-ой главе получены следующие результаты: разработаны математические модели сигналов малоразмерных целей и ОЭ пеленгатора с матричным ПИ, позволяющие проводить анализ преобразования сигнала в соответствии с оптимальным алгоритмом приёма сигнала от цели; проведён анализ алгоритмов вторичной обработки сигналов при пеленгации малоразмерных целей, на основе которого определены математические соотношения для формулировки частных целевых функций проектирования при обнаружении, селекции и оценке координат целей; выполнен обзор методов нелинейной обработки сигналов с рекомендациями по использованию этих методов.

В третьей главе рассматриваются алгоритмы обработки сигналов при пеленгации протяжённых целей на пространственно равномерном фоне. Сформулирована задача обработки сигналов при пеленгации протяжённых целей. Для представления сигналов от ограниченных по размерам протяжённых объектов и формирования их пространственно-энергетических признаков в задачах распознавания и селекции, используется базис финитных гармонических функций. Сигналы от целей описываются как квазидетерминированные случайные процессы при заданном изменении случайных параметров. Проведён обзор методов селекции и распознавания протяжённых целей.

Разработана методика синтеза алгоритмов и оценки эффективности алгоритмов селекции и распознавания целей. Известно, что самыми сложными задачами при синтезе алгоритмов распознавания являются задачи выбора эффективного словаря признаков, а также решающих границ в признаковом пространстве. В качестве словаря признаков предложено использовать коэффициенты разложения изображения объектов в базисе финитных гармонических функций, которые содержат в себе информацию об отличиях образов протяжённых двухмерных объектов. Если сигнал от объекта, ограниченного габаритными размерами , описывается интегральным по длинам волн излучения распределением яркости , где максимальное значение яркости, нормированное распределение яркости, то распределение яркости можно выразить через обратное преобразование Фурье в следующем виде:

(4)

Таким образом, изображение любого ограниченного в пространстве объекта можно однозначно выразить через комплексные коэффициенты членов разложения Фурье, на пространственных частотах, кратных значениям и . Эти коэффициенты используются в работе в качестве признаков распознавании протяжённых объектов. Их основным достоинством является инвариантность к изменению масштаба изображения объекта. В работе сформулированы принципы, которыми следует руководствоваться на этапе предварительного выбора словаря признаков:

1) признаки должны обладать достаточными разделительными свойствами, оцениваемые параметром ;

. (5)

, - математические ожидания го признака, соответственно, го и го классов;

, среднеквадратические отклонение (СКО) го признака, соответственно, го и го классов.

2) размерность признакового пространства должна быть минимальной,

3) необходимо использовать признаки, которые обладают максимальной энергией.

Разработанная методика применена к задаче выбора рабочего словаря признаков распознавания целей в виде танков и грузовых автомобилей. Анализ пространственно-частотных спектров (ПЧС) изображения целей показал, что спектр фаз оказывается крайне неустойчивым к вариациям ракурсов, при которых зарегистрированы изображения. Поэтому в качестве признаков использованы модули гармоник ПЧС. В соответствии с разработанной методикой проведён анализ признаков на устойчивость к изменению ракурсов танка и грузового автомобиля, а также по их разделительным и энергетическим свойствам. Наибольшими разделительными свойствами для указанных объектов обладают признаки: , , и . Из этих признаков по условию обеспечения максимальной энергией более эффективными являются признаки , . Окончательная оценка эффективности выбранного словаря признаков может быть произведена на основе расчёта значений вероятностей правильного и ошибочного распознавания.

Разработана методика предварительной оценки эффективности статистического алгоритма селекции и распознавания целей. В статистических алгоритмах распознавания описание классов объектов задаётся функциями правдоподобия , которые в общем случае представляют собой многомерные плотности вероятностей. Выбранные признаки представляют собой компоненты ортогонального базиса в виде финитных гармонических функций. Поэтому можно представить функциями с разделяющимися переменными, при этом принято, что плотность вероятности значений признаков описывается законом Гаусса. Оценка эффективности системы распознавания производится исходя из определения минимума среднего риска. Уравнение для нахождения решающих границ выражается через отношение правдоподобия. В работе проведены расчёты, позволяющие для классов бронетанковой техники (класс 1) и грузовых автомобилей (класс 2) найти решающие границы в признаковом пространстве, и оценить ошибки распознавания. Ошибки в распознавании оцениваются условными вероятностями ошибочного отнесения объектов класса 1 к классу 2 и объектов класса 2 к классу 1.

При разработке пеленгационных ОЭС, используемых для наведения на протяжённые объекты, важной задачей является оценка предельных дальностей, на которых возможно обнаружение, селекция и распознавание целей. Эта задача рассмотрена на примере наведения управляемого оружия на цели в виде орбитальных космических аппаратов (ОКА). При наведении на такие объекты должны приниматься решения, которые зависят от априори выбранной стратегии относительно типа ОКА. Поэтому на конечном участке наведения пеленгатор должен выполнять задачи распознавания типов объектов. Рассмотрены четыре типа ОКА, для которых на основе разработанных математических моделей излучения, проведён анализ признаков распознавания. Показано, что наиболее существенными являются признаки, которые содержатся в видимом диапазоне длин волн излучения. В качестве признаков распознавания предложено использовать нормированные коэффициенты разложения функции, описывающей пространственное распределение яркости таких объектов, в базисе финитных гармонических функций, определённых в пределах габаритных размеров этих изображений. Значение этих признаков определяются соотношением:

. (6)

Для определения рабочего словаря признаков проведен анализ этих коэффициентов и выявлены те из них, которые имеют наибольшие отличия для различных классов объектов. Чем больше размерность признакового пространства, тем более высокая эффективность распознавания может быть достигнута. Но, с другой стороны, при увеличении размерности признакового пространства возрастает сложность алгоритмов анализа признаков. Поэтому нужен компромисс между требуемой эффективностью распознавания и размерностью признакового пространства. Амплитуда спектральных составляющих разложения (6) может быстро убывать при увеличении номера гармоник, поэтому использование в качестве признаков высокочастотных составляющих может быть эффективным на относительно небольших дальностях до целей. В работе проведён анализ признаков распознавания 4-х ОКА с учётом эффектов пространственной дискретизации изображений этих объектов. Определены значения дальностей до целей, при которых изображения каждого из 4-х объектов вписывались в пределах пикселей, пикселей и пикселей матричного ПИ. Рассчитаны сечения ПЧХ 4-х объектов для различных дальностей, из анализа которых определен диапазон дальностей до объектов, при котором признаки распознавания в виде коэффициентов разложения становятся устойчивыми, т.е. обладают достаточными разделительными свойствами в условиях дискретизации оптических сигналов. Выведены математические соотношения, позволяющие рассчитать функции правдоподобия при наличии аддитивного шума приёмного тракта и помех пространственной дискретизации изображения в матричном ПИ. Получены также математические выражения для сигнала и помех. В качестве примера приведены результаты расчёта вероятностей правильного распознавания 4-х ОКА на границе освещённой и теневой области траектории.

Таким образом, в третьей главе предложено в качестве признаков селекции и распознавания протяжённых целей использовать коэффициенты разложения изображения в базисе финитных гармонических функций. Разработана методика выбора рабочего словаря признаков для селекции и распознавания протяжённых целей на пространственно равномерном фоне. Предложена методика предварительной оценки эффективности статистических алгоритмов селекции и распознавания протяжённых целей. Разработана методика оценки предельных дальностей пеленгации протяжённых целей.

Четвёртая глава посвящена рассмотрению алгоритмов селекции и распознавания целей на сложном пространственно неравномерном фоне. Изложена постановка задачи селекции и распознавания на сложном фоне. Подход к разработке математических моделей сигналов от протяжённых целей и фонов зависит от объёма имеющейся априорной информации о реальных характеристиках излучения.

В качестве основы для синтеза алгоритмов, обеспечивающих надёжную селекцию протяжённых целей, был использован, так называемый, корреляционно-экстремальный метод. В диссертации выведены математические соотношения, описывающие реализацию этого алгоритма селекции, и выполнены исследования. Известно, что основным недостатком корреляционного метода является необходимость большого объёма памяти для хранения эталонного образа объекта и значительные ресурсы для реализации вычисления корреляционного интеграла. Для исключения этого недостатка требуется создать некоторый образ цели - эталон, который бы содержал в себе минимально необходимую информацию, но не требовал бы для своего описания большого объёма памяти. Было предложено использовать процедуру сжатия эталонных изображений, которая заключается в представлении этих изображений в виде разложения в базисе финитных гармонических функций и ограничении описания некоторым конечным числом ряда. Задача сжатия эталонного изображения заключается в выборе таких коэффициентов разложения , , , при использовании которых будет эффективно работать корреляционный алгоритм. Для определения достаточной размерности признакового пространства можно варьировать значениями шага дискретизации и . Показано, что при уменьшении размерности массива изображения примерно в 20 раз эффективность селекции практически не ухудшалась.

Для синтеза алгоритмов пеленгации целей в условиях пространственно неравномерного фона в работе использован многовариантный анализ на основе математического моделирования процесса преобразования сигналов в оптико-электронном тракте пеленгатора. Проведён анализ эффективности алгоритмов пеленгации объектов на конкретном примере наведения ЛА на опоры моста, наблюдаемого на некотором пейзаже городского типа. Размерность исходного двухмерного массива изображения, которое регистрировалось в ОЭС, составляла пикселей при числе уровней квантования, равном 256. В процессе исследования были использованы различные способы предварительной линейной фильтрации изображения, высокочастотной и низкочастотной. Ни один из этих методов не дал положительного результата. Поэтому был проведён анализ нелинейных методов обработки сигналов. Предложено на этапе предварительной обработки изображения использовать метод гистограммной обработки, с последующей линейной фильтрацией. Полученные в процессе анализа результаты свидетельствуют о том, что использование на этапе предварительной обработки изображений гистограммного метода позволяет обеспечить надёжную селекцию целей на пространственно неравномерном фоне.

В реальных условиях пеленгации уровень яркости объектов и фона может меняться в больших пределах, поэтому в работе проведён синтез алгоритмов пеленгации целей инвариантных к уровням яркости пространства предметов. Предложен алгоритм, заключающийся в нормализации гистограмм изображений. Нормализация заключается в приведении гистограмм зарегистрированных изображений к некоторому стандартному, нормализованному виду. Минимально необходимым условием такой нормализации является одинаковое значение оценок математических ожиданий этих гистограмм изображений, зарегистрированных при различных условиях освещённости. В процессе гистограммной обработки решалось две задачи: смещение гистограмм изображений пейзажей для исключения вариаций освещённости объектов при их регистрации, вторая - в уменьшении диапазона градаций для исключения резких перепадов в фоновых областях пейзажа.

Разработана методика оценки эффективности модифицированного корреляционного алгоритма пеленгации, которая характеризуется такими показателями, как вероятность правильной селекции цели и СКО погрешностей оценки её координат. Приведены результаты математического моделирования значений показателей эффективности пеленгации, которые подтверждают надёжность предложенного алгоритма пеленгации цели на сложном пространственно неравномерном фоне и изменяющихся условиях регистрации изображения.

Таким образом, в четвёртой главе предложен модифицированный корреляционный алгоритм для селекции целей на пространственно неравномерном фоне, и разработана методика оценки эффективности пеленгации целей на основе модифицированного корреляционного алгоритма.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

На основании обобщения трудов отечественных и зарубежных авторов, а также исследований, проведённых в диссертации, решена важна научно-техническая задача - разработаны алгоритмы обработки сигналов, обеспечивающие надёжную пеленгацию малоразмерных и протяжённых целей в различных фоновых ситуациях, позволяющие использовать их при проектировании оптико-электронных пеленгаторов нового поколения.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Определена целевая функция проектирования комплекса средств пеленгации, устанавливающая связь основного показателя качества комплекса в виде вероятности выполнения поставленной задачи с частными показателями эффективности алгоритмов пеленгации. Эта целевая функция позволяет в процессе проектирования комплекса на функционально-логическом уровне определить оптимальное соотношение значений показателей эффективности алгоритмов обнаружения, селекции и оценки координат целей.

2. Предложен модифицированный корреляционный алгоритм для селекции целей на пространственно неравномерном фоне, включающий операции гистограммной обработки изображений и последующей линейной фильтрации. Алгоритм позволяет минимизировать объём информации для хранения эталонного образа объекта и обеспечить эффективную селекцию целей в условиях изменяющегося уровня яркости в пространстве предметов.

3. Разработана методика оценки эффективности пеленгации протяжённых целей на основе модифицированного корреляционного алгоритма в условиях изменяющегося пространственно неравномерного фона.

4. Разработана методика оценки эффективности статистических алгоритмов селекции и распознавания протяжённых целей на основе рабочего словаря признаков в виде коэффициентов разложения в базисе финитных гармонических функций.

5. Разработана методика оценки предельных дальностей пеленгации протяжённых целей с использованием признаков, инвариантных к масштабу, позволяющая учесть влияние эффектов пространственной дискретизации изображений.

6. На основании обзора литературных источников и проведённых исследований предложена классификация ОЭ пеленгаторов.

7. Полученные теоретические результаты подтверждены методами математического моделирования в процессе вычислительных экспериментов с реальными изображениями.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах

Савинков В.В. Алгоритм обработки сигналов при селекции объектов на сложном пространственно неравномерном фоне // Студенческая научная конференция-2002: Материалы докладов студенческой научной конференции. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002 г. С. 223-224.

Колючкин В.Я., Савинков В.В. Алгоритмы обработки сигналов при селекции объектов на пространственно неравномерном фоне // Вестник МГТУ. Приборостроение. 2004. №3(56). C. 12-20.

Колючкин В.Я., Савинков В.В. Алгоритмы селекции объектов на пространственно неравномерном фоне // VI Международная конференция «Прикладная оптика»: Сборник трудов, Оптическое приборостроение. С.-Петербург, 2004, т. 3. С. 282-286.

Размещено на Allbest.ru