Специфика компьютерного моделирования двух- и многодиапазонных оптико-электронных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Специфика компьютерного моделирования двух- и многодиапазонных оптико-электронных систем



1. Некоторые особенности моделирования оптико-электронных систем активного типа

Рассмотрим некоторые специфические особенности формирования компьютерных моделей двух- и многодиапазонных ОЭС.

Компьютерная модель многодиапазонной ОЭС (КМ МОЭС), как и КМ ОЭС, описывает процесс формирования сигнала на входе ОЭС, структуру системы, а также процесс её функционирования. В модели должны отображаться спектральные, пространственные, временные и др. преобразования сигналов.

В общем случае процедуры моделирования многодиапазонной и однодиапазонной ОЭС повторяются. Отличие заключается в проведении дополнительной коррекции, обобщенной КМ ОЭС (рис. 22), выполняющейся в следующей последовательности:

1. Выбор из БД (или задание) показателей эффективности (критериев качества) производится для каждого спектрального диапазона в модуле «Показатели эффективности». При этом определяется количество циклов расчета того или иного показателя эффективности для разных спектральных каналов.

2. В блоке «Коррекция обобщенной компьютерной модели ОЭС» модуля «Результат работы КМ ОЭС» производится задание (выбор из БД) операторов, воздействующих на заложенные в КМ ОЭС алгоритмы, которые учитывают многоспектральное описание сигналов в модуле «ФЦО», а также механизм работы и состав структуры, моделируемой МОЭС в модуле «Структура ОЭС».

3. При описании излучателей в модуле «ФЦО» из БД выбираются спектральные зависимости или описания, усредненные для заданных диапазонов.

4. Для каждого из спектральных каналов ОЭС задаются показатели эффективности, необходимые как для их автономной работы, так и для обеспечения показателей эффективности двух- или многодиапазонной системы в целом, например, для обеспечения зпаданного спектрального отношения.

5. Выполняется перечень работ в модуле «Результат работы КМ ОЭС», показанный на рис. 1.

Для некоторых МОЭС, работающих активным методом и использующих несколько узкополосных источников излучения или несколько полос излучения одного источника, необходимо дополнение соответствующей базы данных.

Из-за невозможности усреднения и принятия коэффициента пропускания среды распространения излучения постоянным в сравнительно широком спектральном рабочем диапазоне, что часто допустимо в моделях однодиапазонных ОЭС, например, в КМ МОЭС необходимо более тщательно учитывать спектральную селективность пропускания среды (атмосферы).

С другой стороны, при описании отдельных спектральных рабочих диапазонов (спектральных каналов) МОЭС иногда принимается допущение о постоянстве пропускания атмосферы и оптической системы в каждом из них.

Так же как при моделировании однодиапазонных ОЭС при расчете отраженной составляющей поверхности цели излучением, создаваемым внешним источником, следует учитывать зависимость коэффициента спектральной яркости отражающей поверхности не только от длины волны л, но и от ориентации этой поверхности относительно облучающего её источника, угла, под которым ведется наблюдение этой поверхности, её пространственной структуры, и поляризационных характеристик.

В базе данных оптических систем КМ МОЭС желательно иметь характеристики оптических материалов с пропусканием, охватывающим все отдельные рабочие спектральные диапазоны МОЭС, а также параметры оптических систем и элементов (призм, дифракционных решеток, наборов узкополосных светофильтров и др.), выделяющих рабочие спектральные диапазоны.

В ряде современных МОЭС успешно используются двух- и многодиапазонные (многоспектральные) приемники излучения (МПИ). Известны системы, в которых применяются матричные МПИ, реализующие одновременно способы спектральной селекции и пространственной фильтрации. Это также должно найти отображение в базах данных КМ МОЭС.

Наконец, следует учитывать наличие в составе многих МОЭС систем совмещения изображений, получаемых в разных рабочих спектральных диапазонах.

Как и в случае компьютерного моделирования однодиапазонных ОЭС, при моделировании МОЭС необходимо учитывать разнообразие собственно ОЭС и их элементной базы, разнообразие фоноцелевой обстановки и условий работы ОЭС, а также многообразие математического аппарата для описания сигналов и способов их обработки. При моделировании МОЭС требуется более детальное представление спектральных характеристик излучения и отражения целей, помех и фонов, спектрального пропускания среды распространения оптических сигналов и оптических систем, спектральной чувствительности приемников излучения. Поэтому вопрос о допущениях и упрощениях при компьютерном моделировании МОЭС для сохранения адекватности модели МОЭС должен решаться уже на начальных этапах моделирования.

Такими допущениями и приближениями могут быть: принятие гипотез о представлении случайных полей гауссовскими и марковскими, описание рассматриваемой фоноцелевой обстановки функциями с разделяющимися переменными, принятие всех материалов и поверхностей источников излучения непрозрачными и ламбертовскими. Последнее позволяет учитывать только их отражательные и излучательные свойства и разделить расчеты геометрооптических и спектральных параметров излучателей, что заметно уменьшает объем необходимых вычислений. Например, такие предположения для моделирования ИК МОЭС с помощью известной модели NVTherm сделано.

Полезная информация, которая получается с помощью МОЭС, часто может быть разделена на две составляющих - пространственную, определяемую пространственным разрешением, и спектральную, зависящую от спектрального разрешения, например, от числа отдельных спектральных каналов МОЭС.

Напомним, что показателями эффективности таких систем является спектральный контраст, разность оптических сигналов, логарифмические спектральные отношения.

В ряде современных КМ ОЭС используются раздельные каналы для моделирования систем пассивного и активного типа, часто объединенных в единую конструкцию.

На рис. 2 представлена возможная схема построения первых модулей обобщенной КМ ОЭС. К «пассивным» излучателям могут относиться источники собственного и отраженного излучения (цели, помехи, фоны), рассмотренные выше.



К «активным» излучателям относятся источники, параметрами и характеристиками которых можно управлять в процессе работы ОЭС. В состав активных излучателей может входить не только собственно источник (лампа, светодиод, лазер и др.), но и передающая оптическая система, формирующая пространственную и спектральную структуру излучения и направляющая его на облучаемую цель или непосредственно в приемную оптическую систему. Соответственно в модуле «ФЦО» КМ ОЭС можно выделить «пассивные» и «активные» каналы. С помощью интерфейса пользователя выбирается любой из спектральных «пассивных» или «активных» каналов и соответственно ему моделируется изображение, поступающее на вход модуля «Структура ОЭС».

В большинстве современных ОЭС, предназначенных для получения изображений объектов, находящихся в их угловом поле, и работающих активным методом (ОЭС активного типа - ОЭС АТ), в качестве источника подсветки используются когерентные или частично когерентные излучатели - лазеры или светодиоды. Это, во многом, определяет специфику их работы и моделирования, при котором следует учитывать, например, спекл-структуру изображения, образованного оптической системой, а также более заметное влияние атмосферной турбулентности, по сравнению с некогерентными ОЭС, работающими пассивным методом, т.е. по собственному некогерентному излучению наблюдаемых объектов.

Во многие ОЭС АТ входят системы управления параметрами и характеристиками (спектральными, геометрическими, временными) диаграммы излучения лазера или другого источника, которым в модулях «ФЦО» и «Структура ОЭС» КМ ОЭС должны соответствовать отдельные блоки, а также системы наведения или сканирования в модуле «Структура ОЭС».

В модуль «Структура ОЭС» могут быть включены блоки, моделирующие дальномер, часто входящий в состав ОЭС АТ, а также блок, моделирующий подсистему регистрации и учета изменений интенсивности и других параметров излучения в среде распространения излучения.

В блоке, вводимом в состав модуля «ФЦО» моделируются зависимость яркости различных элементов (фасетов) цели от их пространственной ориентации, а также фазовые соотношения между сигналами, отраженными от различных элементов цели. Здесь же может учитываться соотношение между зеркально-отражаемым и рассеянным излучением каждого элемента, а также взаимодействие сигналов, создаваемых на отдельных элементах поверхности цели.

Этот же блок или соответствующие ему разделы БД КМ ОЭС активного типа могут включать в себя алгоритмы, учитывающие:

- спекл-эффекты, свойственные когерентному лазерному излучению;

- эффекты, описывающие поляризацию и деполяризацию на элементах целей и фонов;

- процессы разрушения когерентности излучения в атмосфере и ряд других.

Иногда при формировании этих блоков или разделов возможно принять следующие допущения, заметно упрощающие модель:

1. поток лазерного излучения Ф_л постоянен по интенсивности и состоянию поляризации;

2. площадь сечения лазерного пучка в плоскости цели равна или меньше площади цели и линейного в этой площади мгновенного углового поля приемной оптической системы, т.е. диафрагмирование и связанные с ним потери сигнала не существуют;

3. величину оптического сигнала, поступающего от отдельного элемента цели или фона, полностью определяют угол падения лучей на этот элемент и коэффициент его двунаправленного отражения с.

Ухудшение разрешающей способности и контраста между объектом и фоном, на котором он наблюдается, при прохождении когерентного излучения через турбулентную атмосферу при малых экспозициях принимаемого сигнала учитывается с помощью передаточной функции атмосферы.

При использовании подсветки цели из-за атмосферной турбулентности имеет место неоднородность яркости в облучающем объект пучке - как вдоль оси подсветки (диаграммы направленности), так и в перпендикулярном ей сечении - в плоскости объекта, т.е. на его поверхности (спекл-структура освещенности).

В системах активного типа спеклы и сцинтилляции из-за турбулентности можно рассматривать как шумы в изображении и соответственно их моделировать. Считая отдельные виды шума аддитивными, можно записать следующее выражение для суммарного шума в изображении:

,

где у²_внутр - спектр внутренних шумов ОЭС, определяемых шумами ее отдельных звеньев (приемника, электронного тракта, дисплея, глаза наблюдателя); у²_турб - спектр шумов из-за турбулентности атмосферы как на пути от источника подсветки до объекта, так и на трассе «объект - приемная система»; у²_спекл - спектр шумов из-за спекл-структуры.

Специфичные для ОЭС АТ шумы из-за спекл-структуры, усредняемой по q выборкам за время формирования изображения, на выходе ОЭС, могут описываться спектром вида

,

где W_спекл(н) - спектральная плотность мощности спеклов; К_э(н) - частотная характеристика звеньев ОЭС, расположенных после точки «приложения» спеклов (приемник излучения, электронный тракт, дисплей); выражения для отдельных составляющих К_э(н) можно найти; К_гл(н) - пространственно-частотная характеристика глаза наблюдателя, воспринимающего изображения с дисплея.

Спектральная плотность мощности спеклов полностью когерентного изображения имеет вид:

,

где - среднее значение яркости изображения, наблюдаемого на дисплее; G_опт(н) - оптическая передаточная функция приемной оптической системы.

Статистические свойства спеклов в случае частично-когерентного излучения описываются автокорреляционной функцией вида:

,



где W_л(л) - спектральная плотность мощности излучения как функция длины волны л; с(?) -функция взаимной корреляции амплитуды поля; б и в - углы по отношению к исходной точке на поверхности; о и з - пространственные координаты в плоскости изображения.

Для когерентного излучения увеличения числа независимых выборок q снижает дисперсию спекл-структуры и ее контраст, который обратно пропорционален q. Эффективное число q_эфф для полностью сформированной спекл-структуры с контрастом близким к единице определяется как

q_эфф = [R(0,0)/²]^-1.

Подставляя это выражение вместо q в формулу для у²_спекл, приведенную выше, можно учесть частичную когерентность освещения.

При неполной когерентности излучения, создаваемого источником подсветки, имеет место снижение контраста спекл-структуры, которое зависит от ширины полосы излучения источника (лазера или светодиода), свойств поверхности объекта, геометрических параметров подсвечивающего пучка, диаметра входного зрачка ОЭСВ и времени накопления сигнала. Это снижение аналогично получению большого числа независимых выборок спеклов.

2. Некоторые современные компьютерные модели оптико-электронных систем

Публикуемые в открытой печати сведения о КМ ОЭС часто относятся к системам строго определенного, конкретного, назначения и не позволяют читателю воспользоваться ими для решения интересующей его новой задачи. И все же изучение многочисленных публикаций позволяет выявить ряд общих положений, полезных для создания КМ ОЭС и сделать вывод о необходимости, актуальности и перспективности дальнейшего развития компьютерного моделирования ОЭС.

Моделирование сложных систем различного назначения неотрывно связано с развитием программного обеспечения, информационных технологий, и возможностями использования новейших технических средств. Первые модели, разработанные до 1990-х годов, не имели столь мощных программного обеспечения и аппаратных средств, как это наблюдается сегодня, и это во многом объясняет ограниченные возможности использования ряда моделей. Первые аналитические модели представляли собой развернутые, т.е. представленные в виде функции многих параметров системы, выражения для описания важнейших показателей качества ОЭС, например, для тепловизионных систем (ТВС) - эквивалентной шумам обнаруживаемой или минимальной разрешаемой разностям температур. Такие модели обычно строились в виде совокупности отдельных составляющих - параметрических или феноменологических субмоделей, например, субмоделей типа «Пропускание атмосферы», «Входной сигнал», «Помехи и шумы», «Передаточные функции отдельных звеньев ОЭС».

В конце 1980-х г.г. в Израиле была разработана модель, предназначенная для построения изображений наземных объектов при наблюдении их “сверху вниз”, например, с борта самолета. Модель получила название GASIEL (General Approach to System Imaging Evaluation). Она позволяет быстро учитывать изменяющиеся в процессе полета носителя ОЭС условия её работы. База данных модели включает параметры и характеристики возможных целей - наблюдаемых объектов и фонов, а также ОЭС. Структура модели представлена на рис. 24. Рабочий сценарий определяется геометрооптическими и энергетическими параметрами и характеристиками целей и фонов.

Командование сухопутных ракетных войск США использовало модели ТВС, названные FCSS (Fire Control Sensor Simulator) и MIISPM (Missile Command Infrared Imaging System Performance Model) [6, 11]. Первая из этих моделей (рис. 3) более полно описывает ФЦО, т.е. объекты, фоны и помехи, а вторая более детально описывает параметры конструкции ТВС. Обе модели в качестве показателей эффективности работы ТВС используют вероятности обнаружения, распознавания и идентификации объектов как функции дальности.

Модель FCSS включает в себя два основных вида объектов - воздушные и наземные цели. Излучение воздушных целей рассматривается состоящим из излучения корпуса (обшивки) цели, излучения нагретых частей (в первую очередь двигателя) и излучения шлейфа (истекающих продуктов сгорания топлива).

Модель MIISPM построена на использовании основных файлов, описывающих субмодели “Цель”, “Атмосфера”, “Датчик” и “Выходная информация”. Работа пользователя идет в интерактивном режиме. Пользователь может изменять один из этих файлов, оставляя два других постоянными.

В 1990-х г.г. для предварительной оценки возможностей ТВС при решении многих практических задач за рубежом широко использовалась модель FLIR-92, которая стала очень распространенной аналитической моделью.

Модели TTIM (The Tank-Automotive Command Thermal Image Model), EOIRTA и ряд других [146], разработанных для армии США, предназначены для моделирования тепловых изображений наземных и воздушных военных объектов. Поверхность объекта разбивается на отдельные изотермические площадки. Основными критериями качества ОЭС в этих моделях являются эквивалентные шуму обнаруживаемые или разрешаемые разности температур в сочетании с известными критериями Джонсона [16].



При использовании этих моделей средствами компьютерной графики строятся изображения моделируемых объектов, в первую очередь, танков; затем задаются температуры отдельных частей этих объектов, их размеры, ориентация, теплопроводность, масса, излучательная способность, теплоемкость, а также параметры излучающего фона. Полученная субмодель является первым блоком в модели всей системы, включающей субмодели: «Атмосфера», «Оптическая система», «Приемник излучения», «Электронный тракт», «Система отображения». Атмосферные условия задаются в форме таблиц коэффициентов пропускания и собственной яркости атмосферы для различных выбираемых дальностей до объекта. Эти таблицы составлены на основе модели атмосферы LOWTRAN 6. Информация о возможных объектах (целях), состояниях атмосферы хранится в отдельных файлах, составляющих БД атмосферных условий работы ОЭС. Функциональная схема этой модели представлена на рис. 5.

Модель служит для тренировки операторов систем управления путем создания средствами компьютерной графики изображений различных объектов военной техники, создаваемых различными ТВС.

Среди моделей инфракрасных ТВС третьего поколения, работающих в «смотрящем» режиме благодаря использованию многоэлементных приемников излучения, следует выделить модель ECOM-7043, разработанную Лабораторией ночного видения и оптико-электронных систем армии США. На рис. 6 приведена блок-схема программы для моделирования ТВС, работающей в режиме временной задержки и интегрирования.

Первая ступень этой схемы содержит обобщенную энергетическую субмодель (субмодель входных сигналов), субмодели отдельных звеньев приемной ОЭС и их передаточных функций.

Для нужд Национального аэрокосмического агентства (NASA) США была разработана аналитическая модель ATTIRE (Analytical Tools for Thermal Infrared Engineering), позволяющая вести параметрический анализ ОЭС, работающих в инфракрасной области спектра. Структура этой модели представлена на рис. 7, где приведены её основные блоки, а также параметры, определяющие такие критерии качества ОЭС как отношение сигнал/шум, пороговая облученность, эквивалентная шуму разность температур и др.

Часто используется атмосферная модель MODTRAN, с помощью которой вычисляются спектральные характеристики интенсивности прямого солнечного излучения, спектральная плотность энергетической яркости неба совместно с рассеянием солнечного излучения, а также пропускание атмосферы. Параметры модели включают: широту, долготу, время дня, время года, условия облачности, углы обзора (наблюдения), расстояние, температуру воздуха.

Фирмой Хонтек (Xon Tech) была разработана модель SPACE (Sun, Precipitation, Atmosphere, Clouds, Earth), предназначенная для описания сигналов, создаваемых наземными, воздушными и космическими целями, а также атмосферой и естественными фонами в диапазонах 3…5 и 8…12 мкм. Эта модель, по сути своей является базой данных для более развитых моделей ОЭС. Она учитывает, главным образом, отраженную от целей составляющую оптического сигнала, поступающего на вход ОЭС. Модель использует базу данных о 128 видах типовых элементов различных целей и фонов. Она может быть использована для синтеза поля температур на входе ОЭС, однако, она не позволяет проводить параметрический анализ системы. Для оценки собственного теплового излучения целей необходимо дополнять модель результатами экспериментальных измерений.

Фирмой Aerospace Corporation была разработана модель инфракрасной системы VISTAS (Visible and Infrared Sensor Trade, Analysis and Simulation), используемая для исследования систем как сканирующего, так и смотрящего типа, а также для их сравнения между собой при одинаковых сценариях работы. Пространство объектов (сцена) с высоким пространственным разрешением или непосредственно вводилось в модель, или синтезировалось в виде «машинного» изображения. В эту сцену помещается (вводится) цель.

Учитывая многообразие условий работы ОЭС, в первую очередь, разнообразие метеорологических и климатических факторов, влияющих на пропускание и излучение атмосферы, предпринимаются попытки создать упрощенные субмодели отдельных блоков компьютерных моделей ОЭС. Это позволяет существенно уменьшить объем баз данных, входящих в эту модель.

Одной из таких моделей является модель IRSTAT (Infrared Statistical Analysis Tool), созданная на основе многолетних наблюдений и измерений усредненных метеорологических данных в 14 - ти географических зонах Мирового океана.

Модель NVTherm используется для определения показателей эффективности ТВС, работающих в одном спектральном диапазоне. Она неоднократно совершенствовалвсь для повышения точности и достоверности расчетов. Модель позволяет быстро выдавать и использовать прогнозируемые данные о спектральной плотности энергетической яркости цели.

При оценке ожидаемого функционирования систем с помощью модели NVTherm большую роль играет частота проявления турбулентностей атмосферы. Она относится к различным климатическим зонам (засушливой, пустынной, центрально-европейской и субарктической).

Модель NVThermIP используется для прогноза дальности распознавания цели. Для этих же целей используется программа TRM3.

Для имитации обнаружения минных полей с помощью ТВС применяется модель NVTherm, использующая язык программирования С++. В ней применено объектно-ориентированное программирование, что позволяет использовать модель для исследования различных ОЭС и сценариев. Предшествующие выборке процессы размытия изображения из-за дрожания линии визирования, дифракции, аберрации, влияния атмосферы описываются функцией передачи модуляции (ФПМ) в соответствии с моделью NVTherm. Для вертикального и горизонтального направлений ФПМ предполагаются независимыми и вычисляются раздельно. Возможно менять установки на одномерное (горизонтальное, вертикальное) преобразование Фурье или выбирать двумерное преобразование Фурье. Геометрическое размытие вследствие аберраций может быть описано Гауссовым пятном. Каждая ФПМ подвергается преобразованию Фурье, масштабируется и сдвигается, образуя элементы ядер свертки, описывающей изображение. Затем моделируются чувствительность приемника излучения (ПИ), шумы и аналого-цифровое преобразование (АЦП). Главными блоками субмодели «ОЭС» являются: «Выборка и реконструкция изображения», «Свертка и восстановление дискретизированного изображения (устранение результатов выборки)», «Напряжение на выходе ПИ», «АЦП». Модель позволяет использовать мировую систему координат, реконструировать и восстановить дискретизированное оптическое изображение в выбранной плоскости, используя низкочастотный фильтр; преобразовать значения яркости на пикселях в плоскости ПИ в напряжение, ввести напряжение шума, определяемое из паспорта ПИ; приводить выходное напряжение матрицы ПИ к цифровой форме.

Известен ряд моделей, описывающих не всю схему работы ОЭС, а лишь отдельные ее части, чаще всего, энергетические (радиометрические) соотношения на входе ОЭС. К ним относится, например, модель DIRSIG (Digital Imaging and Remote Sensing Image Generation), позволяющая синтезировать изображение поля, содержащего излучающие объект, фон и помехи, т.е. ФЦО для спектрального диапазона 0.4…20 мкм. Структура модели приведена на рис. 8. Ее программа предназначена для моделирования широкополосных много- и гиперспектральных изображений, она базируется на использовании функции двунаправленного отражения (BRDF) и программ, описывающих свойства атмосферы MODTRAN и FASCOD.

Объекты сцены представляются в виде совокупности отдельных фасет (их число достигает несколько десятков тысяч). При этом посредством программы Bulldozer, входящей в DIRSIG, каждая фасета характеризуется оптическими и термодинамическими свойствами ее материала. В этой модели также учитывается переотраженное излучение от соседних объектов, геометрия и длина трассы наблюдения, рассеяние атмосферы, падающее на сцену, и уходящее от нее излучение.

Функция BRDF позволяет с учетом различной ориентации поверхностей объектов (их фасет) рассчитать их температуры и собственное тепловое излучение, а также поглощение ими солнечного излучения. При этом учитываются геометрооптические соотношения между излучением, падающим на каждую фасету и отраженным от нее.

Модель также содержит базу данных о характере отражения различных материалов и поверхностей. В последние годы в программное обеспечение модели были введены субмодель для спектрополяриметрического описания объектов, а также субмодель для моделирования активного метода работы ОЭС лидаром, заметно увеличившие возможности модели DIRSIG.

Программа моделирования ИК-визуализаторов компании DVP (IRISIM) позволяет моделировать весь процесс формирования ИК-изображений, включая моделирование многоспектральных ОЭС визуализации. Модель IRISIМ разработана как самостоятельное программное приложение в операционной среде РС Windows. для физического моделирования ТВС и процессов восприятия изображений. Она вычисляет ФПМ до выборки, учитывает дифракцию, аберрации в оптической системе, вибрации, форму ПИ. С ее помощью можно производить прогнозирование и оценку таких параметров ОЭС как минимальная разрешаемая разность температур, отношения «сигнал - шум» и «сигнал - помеха», контраст цели, чувствительность, разрешение и др.

Если ранее с ее помощью было возможным моделировать ОЭС, работающие активным методом с использованием лазерного канала, то затем в ее состав был включен имитатор сцены, осуществляющий межкадровую корреляцию изображений. Модель, получившая наименование Irma 4.0, включает в себя пассивный ИК-канал, активный (лазерный) канал и канал миллиметрового излучения.

Модель Irma имеет «пассивные» каналы для синтеза изображений целей и фонов, создаваемых их собственным излучением в ультрафиолетовом, видимом, ближнем, средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах оптического спектра, а также в миллиметровом диапазоне, а также «активные» каналы для синтеза изображений, создаваемых при внешней подсветке лазерным или радио-излучением, т.е. при работе ОЭС активным методом. Удобно строить такую модель по схеме, представленной на рис. 26, в соответствии с которой ФЦО (сцена), наблюдаемая ОЭС, может описываться в едином для всех каналов блоке, т.е. с помощью единой и достаточно широкой системы параметров и характеристик (геометрические размеры, дальности, форма, физико-химические свойства поверхностей).

Версия Irma 5.0 (2000 г.) была приспособлена как для аппаратного, так и программного моделирования. Она учитывала круговую поляризацию в пассивном канале и доплеровский эффект в миллиметровом диапазоне. Модель Irma 5.0 основана на использовании оболочек и программных продуктов Windows, Linux, Solaris и SGI Irix. Она позволяет учитывать поляризационные и спекл-эффекты при работе лазерных локационных систем. В нее веден новый интерфейс пользователя для упрощения процесса моделирования ФЦО и моделирования движущихся объектов.

Модель Irma 5.1, предназначенная для синтеза сигналов, имеющих место в ИКС с высоким разрешением, совершенствуется год от года, с тем чтобы ею можно было пользоваться при моделировании самых разнообразных ОЭС. В отдельном файле определяются положение и ориентация объектов фоноцелевой обстановки. Дополнительные файлы могут быть использованы для описания перемещения объектов от кадра к кадру.

Компания Northrop Grumman в рамках программы SAMI (Sensor, Analysis, Modeling and Imaging) совершенствует модель Irma путем перехода к объектно-ориентированному языку С⁺⁺, создания многоуровневого дружественного интерфейса пользователя. Общим для всех каналов в модели является описание геометрии целей и фона с помощью треугольных фасет. В пассивном и активном (лазерном) каналах возможно также использование прямоугольных фасет. В модели предусмотрен ввод данных об электромагнитных свойствах материалов, из которых состоят объекты и фоны, позволяющих учесть оптические и термические их свойства, а также структуру поверхностей объектов и фонов.

Большой объем исследований по моделированию и оценке с его помощью возможностей современных ТВС выполнен ФГУП Государственном университете прикладной оптики (ГИПО). Там же приводятся математические модели и методы прогноза эффективности современных ТВП в статическом и динамическом режимах работы, методы компьютерного моделирования (синтезирования) тепловизионных изображений.

В Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) г. Новосибирск в институте оптики и оптических технологий (ИОиОТ) разработан программно-информационный комплекс для имитационного моделирования ОЭС различного назначения. Он является интерактивным научно-исследовательским стендом, обеспечивающим виртуальное имитационное моделирование ОЭС в условиях научно-исследовательских и опытно-конструкторских подразделений. Одной из особенностей комплекса является наличие в составе пакета прикладных программ программных модулей, имитирующих работу блоков цифровой обработки изображений ОЭС (например, бортовых компьютеров). Наличие таких модулей обеспечивает предпроектную отработку на виртуальной модели сотен возможных алгоритмов цифровой обработки с визуализацией результирующих выходных картин. Это дает возможность оптимального выбора требуемых алгоритмов.

В [рассматриваются вопросы по компьютерному моделированию приборов ночного видения (ПНВ) и, в частности, процесса преобразования оптического сигнала в электрический в фотоприемной матрице прибора с зарядовой связью.

Алгоритм компьютерного моделирования работы ПНВ пассивного типа в поляризованном и неполяризованном свете приводится в работе, он содержит:

1. ввод исходных данных (параметров ПНВ и характеристик ФЦО, включая поляризационные характеристики объекта и фона);

2. формирование операторов расчета пространственно-частотных спектров яркости изображения цели и фона;

3. составление выражений для отношения сигнал/шум на экране ПВН и порогового визуального контраста;

4. формирование операторов расчета контрастов яркостей и изображения на входе и выходе ПНВ;

5. определение дальности действия ПНВ для пороговых условий.

В 1990-х г.г. в МИИГА и К на кафедре оптико-электронных приборов была разработана компьютерная модель ОЭС «КОМОС», с помощью которой производился анализ функционирования ОЭС обнаружения. Она позволяла моделировать ФЦО работы ОЭС классов «земля-воздух», «воздух-земля», «воздух-водная поверхность». При этом в ФЦО была предусмотрена возможность варьирования составляющими излучения, включая помехи, на входном зрачке системы.

Модель была написана среде Turbo Baisic. В ней имелись базы данных оптических систем, приемников излучения, анализаторов изображения и некоторых элементов электронного тракта, написанные в Microsoft Exel.

В энергетической субмодели «КОМОС» для расчета пропускания атмосферы использовалась двухпараметрическая модель Бера. В качестве показателя функционирования моделируемой ОЭС использовались отношение сигнал/шум и минимальная разрешаемая разность температур.

Модель «КОМОС» прошла апробацию и показала хорошую адекватность и сходимость с проводимыми натурными испытаниями.

В последние годы на базе модели «КОМОС» была разработана новая компьютерная программа для моделирования оптико-электронных систем первичной обработки информации, названная «КМ ОЭС». Последняя версия модели разработана средствами MatLab и позволяет осуществлять моделирование ОЭС, работающих в нескольких спектральных диапазонах, для различных фоноцелевых ситуаций. В ней имеется возможность описания многомерных систем, а также достаточно простая перестройка решения поставленных задач.

Структура «КМ ОЭС» построена с учетом принципа модульности, иерархичности и вложенности модулей друг в друга. Основными модулями «КМ ОЭС» являются: «Исходные данные», «Показатели эффективности», «Фоноцелевая обстановка», «Структура ОЭС», «База данных КМ ОЭС» и «Результат работы КМ ОЭС». На рис. 9. приведен вид интерфейса при вводе исходных данных в модель.

Возможные составляющие излучения на входном зрачке ОС, задаваемые как входные параметры для модуля «ФЦО» и используемые в энергетической субмодели «КМ ОЭС» представлены на рис. 9.

Рис. 9. Окно задания составляющих излучения на входном зрачке ОС в «КМ ОЭС»

Модель «КМ ОЭС» содержит два спектральных диапазона (канала) - инфракрасный, разбиваемый на отдельные поддиапазоны, и визуальный. С ее помощью, например, можно проводить оценку эффективности камуфляжа и маскировки различных объектов, наблюдаемых на фоне естественных помех.

С использованием этой модели, зная тактико-технические параметры и характеристики современных ОЭС обнаружения или задаваясь ими, возможно рассчитать пороговые значения контрастов температур, излучательных и отражательных способностей, регистрируемых этими системами, а следовательно, установить необходимый уровень снижения этих контрастов с целью повысить эффективность средств камуфляжа и маскировки.

Рис. 10. Вид окна интерфейса при задании отражательных характеристик объекта

Рис. 11. Вид окна интерфейса при задании отражательных характеристик фона (подстилающей поверхности)



Алгоритм, введенный в модуль «Результат работы КМ ОЭС», позволяет рассчитать зависимости обнаружения, распознавания и идентификации цели от дальности до нее, а также от различных конструктивных параметров ОЭС. На рис. 12 приводится окно выбора рассчитываемых критериев качества моделируемой ОЭС обнаружения.

прибор автоматизация цифровой компьютерный

Рис. 12. Вид интерфейса для выбора критериев качества ОЭС



Библиография

1. ГОСТ 25645.153-90. Излучение атмосферы Земли рассеянное. Модель пространственного распределения. -М.: Изд-во стандартов, 1991. -69 с.

2. ГОСТ 8.009-84 «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений» - М.: Изд-во стандартов, 1984. - 42 с.

3. ГОСТ 8.508-84 «Метрологические характеристики средств измерений и точностные характеристики средств автоматизации ГСП». - М.: Изд-во стандартов, 1984. - 40 с.

4. Автоматизация проектирования аналого-цифровых устройств / Под ред. Э.И. Гитиса. -М.: Энергоатомиздат, 1987. -184 с.

5. Автоматизация проектирования оптико-электронных приборов: Учеб. пособие для вузов / Л.П.Лазарев, В.Я. Колючкин, А.Н. Метелкин и др. - М.: Машиностроение, 1986. -216 с.

6. Алеев Р. М., Иванов В. П., Овсянников В. А. Основы теории анализа и синтеза воздушной тепловизионной аппаратуры. - Казань: Казанский ун-т, 2000. - 252 с.

7. Алеев Р. М., Иванов В. П., Овсянников В. А. Несканирующие тепловизионные приборы. - Казань: Казанский ун-т, 2000. - 228 с.

8. База данных обобщенной компьютерной модели оптико-электронной системы / Н.Ф.Максимова, К.И.Сагитов, И.П.Торшина, Ю.Г.Якушенков. - Свидетельство об официальной регистрации Роспатента РФ, № 2003620073 от 10.04.2003 г.

9. Балоев В.А., Горбунов Д.А., Моисеев В.С. Распределенная САПР тепловизионных приборов // Вестник Казанского гос. техн. ун-та - 2000. - №3. - С. 21-26.

10. Балоев В.А., Моисеев В.С., Клочков С.А. Синтез оптимальной структурной схемы тепловизионного прибора // Оптический журнал. - 2002. - № 4. - С.38-41.

11. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1988. - 128 с.

12. Батанов Л.А. Автоматизация проектирования цифровых вычислительных систем. - М.: Энергия, 1978. -80 с.

13. Белова Д.А., Кузин Р.Е. Применение ЭВМ для анализа и синтеза автоматических систем управления. - М.: Энергия, 1979. - 264 с.

14. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. - М.: Госэнергоиздат, 1962. - 331 с.

15. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, 1986. - 544 с.

16. Бугаенко А.Г. Аппаратура для оценки характеристик тепловизионных систем // Оптич. журнал. - 2002. - №4. - С. 19-25.

17. Бугаенко А.Г., Михайлов Е.Н. Тепловая заметность военнослужащих в различной экипировке // Оборонная техника. - 2007. - № 1-2. - С. 44-47

18. Бусленко Н.П. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. - М.: Наука, 1977. -239 с.

19. Валиахметов И.Р., Тымкул Л.В. Компьютерное моделирование работы приборов ночного видения в поляризованном и неполяризованном свете // Сб. материалов IV Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2008», Новосибирск. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч.2. -Новосибирск: СГГА, 2008. - С. 161-164.

20. Вафиади А.В. Аналитические модели сканирующих тепловизионных приборов // Оптич. журнал. - 1997. -№1. - С. 32-36.

21. Волков Н.Н., Мухин С.В., Снегов К.Г., Торшина И.П., Якушенков Ю.Г. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем 3-го поколения // Барнаул: Ползуновский альманах. -2007. - №3. С. 34-35.

22. Галиакберов Д.Ш. Критерий качества приемников излучения для тепловизионных приборов // Оптико-механическая промышленность. - 1979. - № 8. - С. 12-14.

23. Ган М.А. Вычислительная оптика в ГОИ // Оптический вестник. -2008. - № 12. -С. 16-18.

24. Городецкий А.Е., Тарасова И.Л., Артеменко Ю.Н. Интерференционно-кодовые преобразователи. - С. -Пб.: Наука, 2005. - 472 с.

25. Грицкевич Е.В., Малинин В.В. Вычислительная модель объектно-фоновой ситуации для автоматизированного анализа ОЭП наблюдения // Сб. «Вопросы повышения точности и автоматизации аэрофотосъемочных и фотограмметрических работ». - Новосибирск: НИИГАиК, 198826. Грицкевич Е.В., Малинин В.В. Разработка программного обеспечения вычислительной модели ОЭП наблюдения // Межвуз. сб «Автоматизация проектирования оптических приборов». - Новосибирск: НИИГА иК, 1991.

27. Гудмен Дж. Статистическая оптика. - М.: Мир, 1988. -528 с.

28. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. - М.: Мир, 1971. -166 с.

29. Демин А.В., Копорский Н.С. Имитационное моделирование информационно-измерительных и управляющих систем. - С. -Пб.: С. -ПбГУ ИТМО, 2007. - 139 с.

30. Демин А.В., Копорский Н.С. Имитационное моделирование систем наведения // Изв.вузов. Приборостроение. -2006. -№6. - С. 30-34.

Размещено на Allbest.ru