Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ

Огромное разнообразие условий работы оптико-электронных систем (ОЭС), непре­рывное расширение их элементной базы, совершенствование и усложнение алгоритмов обработки получаемой информации делают компьютерные методы параметрического и схемотехнического анализа и синтеза ОЭС незаменимыми при их проектировании, ис­следованиях и испытаниях. Моделирование позволяет существенно уменьшить объем дорогостоящего и не всегда достаточно представительного эксперимента, а в ряде слу­чаев (например, при проектировании ИКС, работающих в условиях сложной фоно­целевой обстановки) и вообще отказаться от него. В полной мере это относится к соз­данию и исследованиям оптико-электронных систем визуализации (ОЭСВ), и в частно­сти инфракрасных систем (ИКС). В то же время авторы ни в коей мере не хотят ума­лить роль натурных испытаний, значимость которых трудно переоценить.

К числу основных вопросов, на которые можно ответить с помощью моделирования ИКС, относятся:

- при каких значениях параметров и характеристик отдельных звеньев можно дос­тичь поставленной перед ИКС цели;

- каково оптимальное сочетание этих параметров и характеристик;

- как будут влиять изменения условий работы ИКС (сценария, фоно-целевой обста­новки и т. п.) на показатели качества системы;

- какие алгоритмы обработки информации, обрабатываемой ИКС, наиболее рацио­нальны с точки зрения различных требований, предъявляемых к системе, в частности, для обеспечения заданных показателей качества.

Первые аналитические модели ИКС представляли собой развернутые, т. е. пред­ставленные в виде функции многих параметров системы, выражения для важнейших показателей (критериев) качества ИКС - эквивалентной шумам разности температур АТП и минимальной разрешаемой разности температур А7р. Помимо этого, к аналити-

11 Инфракрасные системы «смотрящего» типа -

Ческим моделям довольно часто относят вероятностные модели задач, решаемых с помощью ОЭС, например, по обнаружению, распознаванию, идентификации различ­ных объектов.

Одной из оценок качества той или иной модели ОЭС является степень ее адекватно­сти (или просто адекватность) реальным условиям работы системы и значениям ее кон­структивных параметров и характеристик. Это определяется многими факторами, и в первую очередь адекватностью отдельных субмоделей, т. е. полнотой и достоверностью описания полезных сигналов, фонов, помех и шумов, имеющих место в конкретных ус­ловиях работы ОЭСВ, а также допусками на разброс отдельных параметров и характе­ристик элементов и узлов ОЭС и допустимыми отклонениями показателей качества системы от их номинальных (задаваемых) значений.

Степень адекватности достаточно обобщенной компьютерной модели ОЭС, постро­енной по жесткой схеме (алгоритму), зависит от ряда факторов, к числу которых на практике чаще других относятся:

- изменение условий работы системы (сценария работы ОЭС, окружающих условий и т. д.);

- замена одного метода просмотра и анализа пространства объектов (поля обзора) другим, например оптико-механического сканирования просмотром поля с помощью двумерного МПИ;

- изменение алгоритмов (способов) фильтрации полезного сигнала на фоне помех, обнаружения, распознавания, слежения и т. п.;

- замены в элементной базе системы, например, отдельных узлов и элементов но­выми, более совершенными, но и более сложными или, напротив, менее сложными, но более дешевыми.

Сюда же можно отнести и такой субъективный фактор, как возможная недостаточ­ная опытность пользователя моделью, поскольку работа с большинством современных компьютерных моделей ОЭС происходит в диалоговом дружественном режиме.

С адекватностью компьютерной модели как показателем ее качества или требовани­ем к ней тесно связаны ее универсальность, т. е. возможность использования при реше­нии достаточно широкого круга практических задач, а также технико-экономическая эффективность, определяющая по тому или иному критерию выигрыш данного вида моделирования по сравнению, например, с физическими или натурными испытаниями макетных или опытных образцов ОЭС.

Структура типовой ОЭС и ее обобщенной компьютерной модели, а также струк­турные схемы ряда моделей конкретных видов ОЭС неоднократно рассматривались в литературе [38, 48, 116, 142, 149, 159, 168, 188, 198, 226, 227, 239, 240, 256, 262, 267 и др.].

За достаточно обобщенную модель ОЭС можно принять структуру, представленную на рис. 13.1. Компьютерную оболочку этой модели определяют ее главные компоненты - файлы (субмодели) «Сценарий работы ОЭС», «Энергетическая модель», «Структура и алгоритмы работы ОЭС», «Критерии качества работы ОЭС», включая базы данных, разделенные на две большие группы:

- сценарий и энергетическая модель;

- отдельные узлы и элементы (их схемы, параметры и характеристики), а также ти­повые алгоритмы обработки информации, используемые в современных ОЭС.

На том же рис. 13.1 указаны некоторые возможные использования компьютерной модели ОЭС на различных этапах проектирования системы [48]. В принципе, отдель­ные и даже все базы данных могут отсутствовать в модели, однако в этих случаях рабо­та пользователя с моделью заметно усложняется.

Феноменологические субмодели и соответствующие им базы данных описывают сигналы, поступающие на вход ОЭС от наблюдаемых или контролируемых объектов (целей), фонов и помех, а также преобразования этих сигналов в среде их распростра­нения от источника сигнала до входа ОЭС. Эти субмодели и базы («Сценарий работы ОЭС», «Энергетическая модель», «Атмосфера», «Фоны» и др.), пожалуй, наиболее сложные, поскольку чрезвычайно большое число возможных сценариев работы ОЭС, достаточно строгое описание физических процессов возникновения и распространения оптических сигналов, многомерность оптических сигналов и ряд других факторов

И*

Весьма затрудняют их адекватное математическое воспроизведение и могут заметно ус­ложнять компьютерную модель.

Одним из вариантов модели исследуемого и используемого сценария может быть геометрооптическая схема, представляющая совокупность излучателей (объекта, по­мех, фонов, среды распространения оптического сигнала), имеющих место в конкрет­ной ситуации, а также их взаимное расположение (дальность, высоты, углы). Другим вариантом модели может быть синтезированное или получаемое каким-либо другим путем изображение сцены (углового поля ОЭС).

В качестве выбираемых или задаваемых параметров и характеристик излучателей, входящих в модель, можно использовать температуры, излучательные и отражательные способности, геометрические размеры излучающих или отражающих поверхностей и их ориентацию относительно ОЭС и относительно друг друга, спектральные характе­ристики и др. Сигнатуры сигналов от объектов, фонов и помех часто описываются хо­рошо известными зависимостями типа закона Планка, однако сложный, а порой и не­предсказуемый характер собственного излучения, отражательной способности и про­цессов теплообмена в многофакторном пространстве объектов очень затрудняет их адекватное математическое отображение.

На первых этапах создания модели (выбор и анализ рабочего сценария) приходится выбирать и учитывать размер углового поля или площади, просматриваемых ОЭС, ди­намику платформы-носителя системы, а также временные изменения условий ее экс­плуатации. Последнее включает учет времени года и суток, возможные изменения кли­матических и метеоусловий, например уровня солнечной освещенности, скорости ветра и других подобных факторов.

Синтез необходимого изображения может начинаться с выбора одного из изображе­ний (сцены), содержащихся в базе данных. Для геометрической коррекции базового изо­бражения используют различные процедуры, которые позволяют изменять взаимное гео­метрическое положение ОЭС, объекта, фонов и помех, например положение оптической оси ОЭС и линии визирования относительно объекта или фона, на котором наблюдается объект. Кроме того, можно изменять яркость отдельных участков сцены, например объ­ектов или помех, в соответствии с различиями в их коэффициентах отражения и излуче­ния, вводить в сцену дополнительные объекты или помехи, учитывать переход к новому, отличному от исходного (для базового изображения) спектральному диапазону и т. д.

В начале моделирования задают географические, климатические и другие условия, в которых работает ОЭС. Географическая база данных обычно содержит сведения о ко­ординатах ОЭС и наблюдаемого объекта (широта, долгота, высота), о типе территории, на которой работает ОЭС, и топографических признаках этой территории (тип местно­сти, растительность, водоемы и т. п.). Здесь же следует учитывать погодные условия, которые определяют наличие фоновых и помеховых излучателей типа атмосферы и об­лачности, а также условия прохождения сигналов на трассах от излучателей (объектов, фонов, помех) до ОЭС. Во многих случаях это необходимо для оценки энергетических характеристик, например излучательной способности, не только фонов и помех, но и наблюдаемых или контролируемых объектов.

После этого можно учесть различия в параметрах и характеристиках среды распро­странения излучения для базового и синтезируемого изображений, которые обусловле­ны изменениями спектральных диапазонов работы, протяженности трасс. Для учета влияния среды — атмосферы часто можно воспользоваться моделями стандартной атмо­сферы типа моделей ГИПО, LOWTRAN, MODTRAN и др. [25, 151, 178, 196 и др.].

Нужно сказать, что даже эти хорошо освоенные и широко используемые субмодели, описывающие возникновение и распространение оптических сигналов в атмосфере и основанные на сочетании теоретических и эмпирических зависимостей, хотя и занима­ют большой объем памяти в базах данных компьютерных моделей, не всегда достаточ­но адекватно отражают возможные ситуации, возникающие при работе ОЭС.

Следует отметить, что реализация идеальной модели, учитывающей все энергетиче­ские, спектральные, геометрооптические, временные параметры и характеристики трехмерного пространства (просматриваемой сцены) с точным выполнением всех фи­зических законов, требует практически отсутствующих времени моделирования и объ­ема памяти компьютера. Поэтому часто имеет смысл перейти к упрощенным субмоде­лям «Сценарий работы ОЭС» и «Энергетическая модель», в основном, сохраняющим адекватность, но позволяющим разрешить указанную проблему. Учитывая весьма большое многообразие возможных ситуаций (сцен, сценариев, фоно-целевых обстано­вок), в которых могут работать ОЭС, целесообразно и допустимо для решения основ­ных задач с помощью моделирования ОЭС, например, для параметрического анализа системы совмещать расчет параметров и характеристик излучателей и сред распро­странения оптических сигналов на основе достаточно строгих физических закономер­ностей с использованием баз данных, полученных эмпирическим путем.

Несколько более простыми представляются параметрические субмодели, описы­вающие отдельные звенья ОЭС и процесс обработки в них сигналов («Оптическая сис­тема», «Приемник излучения», «Электронный тракт», «Система отображения» и др.). При их построении необходимо принимать во внимание большой объем и непрерывное обновление баз данных, в которых сосредоточены сведения о параметрах и характери­стиках отдельных звеньев ОЭС, а также трудность учета возможных разбросов значе­ний этих параметров и характеристик.

Передаточные функции (частотные характеристики) отдельных звеньев и всей ОЭС, входящие в выражения для оценки важнейших параметров качества системы, напри­мер, в формулу для Д7р, характеризующую качество работы ИКС (см. гл. 4), обычно определяют в предположении, что все звенья системы работают в линейном режиме, а общую передаточную функцию ОЭС G03c находят как произведение передаточных функций ее отдельных звеньев. Таким образом,

Go3c(fx)=G0MdGMGmGMx)Grn(f^GOCH(fxl (13-1)

Где Gom(fx), Gnil(fx), G3(fx), GJfx Gm(fx), G0CH(fx) - передаточные функции (частотные характеристики) оптической системы, приемника излучения, электронного тракта, сис­темы отображения, глаза наблюдателя, движения основания соответственно; fx - про­странственная частота, которая может быть одномерной, характеризующей одномер­

Ную структуру или меру повторяемости вдоль одной координаты, а также двумерной (£, /у) или векторной Ор) величиной. Эти функции являются Фурье-преобразованиями соответствующих импульсных реакций перечисленных звеньев ИКС.

При моделировании ИКС «смотрящего» типа необходимо учитывать особенности обработки сигналов (изображений в аналоговой и цифровой форме), отмеченные вы­ше (см. § 9.1) и состоящие в размытии изображения до выборки, выборке отдельных значений сигнала, размытии дискретизированного после выборки сигнала, т. е. его ре­конструкции к аналоговой форме. Первый из этих процессов (размытие изображения до выборки) обычно описывается гауссовской функцией (импульсной реакцией) и со­ответствующей передаточной функцией, второй - совокупностью отдельных значе­ний дискретизированной функции (сотЬ-функцией), третий - типом звеньев, исполь­зуемых при реконструкции изображения. При использовании для размытия реконст­руируемого изображения системы отображения на базе катодно-лучевых трубок им­пульсная реакция этой системы принимается гауссовской, а системы отображения на базе дискретных электролюминесцентных или светодиодных панелей - прямоуголь­ной. (Более подробно передаточные функции отдельных звеньев ИКС будут рассмот­рены в § 13.4.)

Как уже неоднократно отмечалось, выборка изображения, осуществляемая в ИКС «смотрящего» типа, - нелинейная операция, что необходимо учитывать при определе­нии передаточных функций таких систем. Для линеаризации передаточной функции (функции передачи модуляции) можно использовать ее «сжатие» в области частот, близких к частоте Найквиста (см. гл. 9). Такой путь избран, например, в моделях ПЛЯ92 и ЫУТЬегт (см. § 13.2, а также [113, 265, 266]). К другим источникам нелиней­ностей, которые обычно приходится учитывать при моделировании ИКС, относятся не­линейность систем отображения, а также зрительного аппарата человека-наблюдателя.

Отдельным блоком структурной схемы обобщенной компьютерной модели ОЭС яв­ляется субмодель «Критерии качества ОЭС». Учитывая многофункциональный харак­тер многих ОЭС, например приборов, служащих для поиска, обнаружения, распознава­ния, слежения и определения координат объектов, часто приходится рассчитывать зна­чение не только какого-либо одного критерия качества, например, отношения сигнал - шум на выходе ОЭС, но и целую совокупность их (выходных параметров), например, характеристики обнаружения, погрешности слежения и др.

Показателями (критериями) качества ИКС визуализации чаще всего считают мини­мальную разрешаемую разность температур АТр и эквивалентную шуму минимальную обнаруживаемую разность температур АТП, хотя их использование подразумевает ряд условий и ограничений: пространственное и энергетическое разрешение оценивается по тест-объекту определенной конфигурации, время наблюдения не ограничено, зри­тельный аппарат наблюдателя - идеальное интегрирующее звено, наблюдатель знает о расположении объекта и др. [34, 144]. При этом часто не учитывается реальный харак­тер шумов, имеющих место в системе, а принимается априорно гипотеза о нормальном распределении спектра шума. Предполагается, что все звенья ИКС, включая глаз на­блюдателя, работают в линейном режиме.

В модели ИКС третьего поколения нужно учитывать все эти факторы, действующие для конкретной системы в пределах полосы пропускания частот, а не в пределах неко­торой стандартной полосы пропускания, что имело место при определении эквивалент­ной шумам разности температур для ИКС первых поколений. В последнее время в свя­зи с тенденциями использовать двумерные МПИ, т. е. переходить к «смотрящему» ре­жиму работы ИКС, когда особое значение приобретают процессы пространственной и пространственно-временной выборки оптических сигналов, возник ряд особенностей моделирования таких систем, связанных, например, с аналого-цифровым преобразова­нием сигналов, их квантованием и реконструкцией, с ограничениями спектров переда­ваемых сигналов частотой Найквиста, с корреляцией сигналов, получаемых с разных элементов МПИ, с увеличением влияния неоднородностей параметров отдельных эле­ментов приемника (геометрического шума) и др. Предпосылки для их учета рассматри­ваются в публикациях, посвященных ОЭС [83, 111, 112, 142, 199, 265], а также в этой книге.

Еще одна принципиальная особенность модели ИКС третьего поколения связана с определением или использованием пространственного разрешения не по одной коор­динате (вдоль критического размера объекта), а по двум ортогональным. Как уже отме­чалось в гл. 4, в настоящее время АТр предлагается определять для пространственной частоты, вычисляемой как квадратный корень из произведения пространственных час­тот, соответствующих АТр, измеренных для горизонтального и вертикального направ­лений.

Если в моделях ИКС первого и второго поколений качество системы ограничива­лось шумами отдельных звеньев, то уже сейчас отмечается, что в ряде современных ИКС это качество лимитируется недостаточным контрастом изображения на экране выходного дисплея, что приводит к необходимости работы человека-оператора (на­блюдателя) в затемненных условиях, т. е. пороговое отношение сигнал-помеха не оста­ется постоянным, а изменяется в зависимости от условий работы наблюдателя. Нако­нец, предлагается учитывать пространственный предел интегрирования изображения глазом (4 мрд), в то время как в известных ранних моделях предполагалось, что интег­рирование идет по всему изображению объекта (цели). Последнее позволит уточнить определяемое с помощью модели пространственно-температурное разрешение ИКС АТр в области низких пространственных частот.