Инфракрасные системы «смотрящего» типа

КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ КОМОС

Для компьютерного моделирования оптико-электронных систем, в частности ИКС «смотрящего» типа, в Московском государственном университете геодезии и карто­графии (МИИГАиК) были разработаны алгоритмы и программы, позволяющие при за­данных или выбранных условиях функционирования конкретной ИКС получать число­вые оценки ее качества и вести параметрический анализ и синтез [38]. Программно - моделирующий комплекс КОМОС представляет собой взаимосвязанные субмодели, объединенные общей оболочкой (рис. 13.3).

Модель КОМОС является аналитической, поскольку позволяет определять соотно­шения между входом и выходом каждого блока ИКС с помощью его математической модели. Благодаря этому можно четко проследить пути совершенствования ИКС при ее проектировании, связь параметров и характеристик отдельных блоков ИКС с показателями

(критериями) качества всей системы, аналитически решить проблему оптимизации сис­темы. В модели КОМОС за основные моделируемые и рассчитываемые показатели ка­чества разнообразных ОЭС приняты:

- отношение сигнал-шум на выходе системы или какого-либо ее блока;

- средняя квадратическая погрешность измерения или слежения, приведенная ко входу системы;

- минимальная разрешаемая разность температур наблюдаемого объекта и фона, на котором находится этот объект (для ИКС).

На основе этих показателей по известным алгоритмам могут быть вычислены и дру­гие критерии, например вероятности обнаружения и ложных тревог или дальность до объекта.

На первом этапе работы с моделью пользователь в соответствии с техническим зада­нием составляет общий сценарий работы ИКС, задавая типы объекта (объектов), помех, фонов, среды распространения оптических сигналов или выбирая их из соответствующих баз данных, а также их параметры и характеристики (температуры; спектральные харак­теристики излучения, поглощения, пропускания, рассеяния и отражения; геометрическую структуру и размеры; взаимное расположение и др.). Кроме того, при этом может выби­раться или задаваться угловое поле ИКС (поле обзора, мгновенное поле).

Геометрические соотношения, характеризующие наблюдаемые объекты, помехи и фоны, определяются, прежде всего, размерами этих излучателей по отношению к угло­вому полю ИКС и ее пространственному разрешению (точечные, площадные и протя­женные излучатели) [61]. Многие излучатели могут быть представлены в виде участка плоскости или совокупности таких участков, не перекрывающих угловое поле ИКС и характеризующихся своими размерами и направлениями векторов-нормалей к ним. Для этого используется субмодель «Энергетическая», которая для заданного или выбранно­го сценария обеспечивает вычисление суммарной (для объектов, помех и фонов) ярко­сти или освещенности на входе ИКС, если пользователь задает:

- координаты излучателей, представляемых в виде отдельных поверхностей и ИКС в трехмерной ортогональной системе или высоты расположения излучателей и дально­сти до них;

- площади поверхностей излучателей и их оптические характеристики (температу­ры, коэффициенты излучения, отражения и др.);

- ориентацию излучающих поверхностей в азимутальном направлении (по азимуту, отсчитываемому от направления на север) и относительно горизонта;

- время суток, географические, климатические и другие условия работы ИКС.

Установив геометрические (геометрооптические) соотношения между излучателями

(объекты, помехи, фоны), расстояния между ними и трассы прохождения излучения, можно учитывать влияние среды распространения оптического сигнала по этим трас­сам на потоки излучения, приходящие на вход ИКС, выбирая из базы внешних данных сведения (в виде числовых массивов, графиков и т. д.) о коэффициенте пропускания среды и о ее собственной яркости, а также рассчитывая эти величины. Часто в составе базы внешних данных или вне ее рассматривают отдельные субмодели среды распро­странения. В общем случае они могут быть достаточно сложными, как, например, из­вестные модели атмосферы ЬСЖТКАИ и МОБТКАМ, модель ГИПО, а иногда - упро­щенными, но достаточно адекватными. В одном из упрощенных вариантов модели КОМОС параметры атмосферы для расчета ее пропускания и излучения задаются в со­ответствии с двухпараметрической моделью [196], описываемой модернизированным законом Бугера-Бира, где входными параметрами являются спектральный диапазон длин волн и табличные коэффициенты - показатели степени при экспоненте и дально­сти до объекта (помехи, фона).

После составления сценария, описываемого основным энергетическим уравнением ИКС [61], с помощью подпрограммы численного интегрирования методом Гаусса реа­лизуют алгоритмы расчета эффективных значений сигналов от наблюдаемого объекта, помех и фонов на выходе приемника излучения.

Вся требуемая информация сохраняется в виде отдельного файла, который при не­обходимости можно просмотреть или отредактировать. Затем этот файл обрабатывает­ся, для того чтобы установить, какие из эффективных значений составляющих входно­го сигнала превалируют, а какие могут быть «отброшены». При такой обработке каж­дая составляющая сигнала рассматривается как не зависящая от других. Решение о пренебрежении малыми по значению составляющими («отбрасывание») принимает пользователь. Результаты такого отбора записывают в отдельный файл.

На следующем этапе работы с моделью выбирают структуру и алгоритмы функцио­нирования ИКС в целом и отдельных ее звеньев. Субмодель «Структура ОЭС» включа­ет блоки «Оптическая система», «Приемник излучения», «Электронный тракт». Сюда могут входить и другие блоки, например «Система стабилизации изображения» или «Система отображения информации». Здесь же может использоваться база внутренних данных, т. е. данных об элементной базе современных ИКС (оптическая система, при­емник излучения, электронный тракт и др.) и типовых алгоритмах обработки сигналов в звеньях системы (усиление, фильтрация, аналого-цифровое преобразование, кванто­вание, корреляция и др.).

Частотные характеристики объектов, помех, фонов, оптической системы, анализато­ра, приемника излучения, электронного тракта, системы отображения, глаза наблюда­теля можно выбрать из баз данных, а также вычислить для известных сценария и пара­метров отдельных звеньев системы (субмодель «Частотная»), После просмотра графи­ков частотных характеристик производится возврат в меню частотных баз данных и управление передается блоку «Расчет передаточной функции». Субмодель «Частотная» обеспечивает, в первую очередь, расчет и «высвечивание» графической зависимости передаточной функции (частотной характеристики) всей ИКС в предположении, что ее звенья работают в линейном режиме. Зная общую передаточную функцию ИКС, кото­рая определяется как произведение передаточных функций ее отдельных звеньев, мож­но рассчитать критерии качества ИКС, в частности минимальную разрешаемую раз­ность температур.

Устанавливая критерий качества функционирования ИКС в виде определенного числа, можно решить рабочее уравнение системы, связывающее сигналы на входе и выходе ИКС через параметры и характеристики ее отдельных звеньев, для одного из параметров (или нескольких), входящих в это уравнение. При параметрическом анали­зе с помощью модели можно установить зависимость того или иного критерия качества (выходного параметра) ИКС от изменяемого в процессе работы с моделью конструк­тивного или иного параметра, входящего в рабочее уравнение.

В общем виде модель представляет собой интегрированный пакет программ раз­ных уровней. Программное обеспечение, имеющее диалоговый режим для работы с банками субмоделей и базами данных, благодаря большому числу обратных связей позволяет:

- создавать базы данных для решения поставленных задач;

- формировать различные варианты решаемых задач;

- управлять процессом решения задач;

- проводить многопараметрический анализ моделируемой ИКС.

В основу разработанного программного обеспечения были положены следующие принципы:

- «древовидная» (разрастающаяся) структура модели, позволяющая подключать внутри одного уровня новые субмодели, базы данных, каталоги и др.;

- многоуровневость модели, т. е. использование иерархических ниспадающих (вер­тикальных) меню для задания и уточнения необходимых характеристик и параметров;

- гибкость связей отдельных уровней, т. е. возможность объединять базы данных разных уровней с помощью одного из них, например критерия качества или сценария, что технически реализуется с помощью общих операторов и блоков;

- вложенность отдельных уровней в виде оконных меню, число которых практиче­ски не ограничено, что достаточно легко реализуется внутри оболочки WINDOWS с помощью объектно-ориентированных языков Visual Basic и Delphi;

- адаптивность к другим компьютерным средам как внутри модели, так и в базах данных;

- параллельно-последовательная работа основных взаимосвязанных субмоделей «Энергетическая» и «Частотная» при их одновременном использовании и возврат в субмодель «Энергетическая» на требуемый уровень без повторения первоначального входа;

- длительное хранение вновь созданных файлов с данными, например, спектраль­ных характеристик приемника излучения не только внутри одного сеанса работы, но и при многократном повторении, властности для оптимизации критерия качества работы ИКС с помощью файлов с расширением;

- использование режимов компьютерной графики для синтеза изображений сцена­риев работы ИКС и изображений оконных меню баз данных. Реализация компьютерной статической и динамической (подвижной) графики основана на применении графиче­ских режимов SCREEN 7, SCREEN 9, SCREEN 12 с максимальным разрешением до 680><480 пикселов по полю экрана и использовании 16-цветной гаммы;

- обеспечение не только визуального высвечивания данных, например, спектраль­ных характеристик объектов, помех, фонов, коэффициентов излучения, но и их считы­вания и запоминания;

- проверка правильности работы пользователя с моделью; так, при правильном за­дании всех исходных данных (географических условий, сценария, объектно-фоновой обстановки, температуры объекта) должна высвечиваться визуальная графическая сце­на (картина), отражающая выбранный сценарий и условия работы ИКС.

Перечисленные принципы построения программы реализуются при использовании системной оболочки WINDOWS. С учетом присущей ей относительной сложности обеспечения взаимосвязей различных уровней меню и параметров внутри них один из вариантов модели был разработан на алгоритмическом языке Turbo Basic для персо­нальной ЭВМ с объемом оперативной памяти не менее 40 Мбайт и внешней памяти - не менее 1 Гбайт. Для устранения такого недостатка среды Turbo Basic, как невозмож­ность обеспечить вложенность составляющих модель подпрограмм, был разработан имитационный метод вложенности отдельных уровней.