Инфракрасные системы «смотрящего» типа
КРАТКИЙ ОБЗОР КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
В конце 80-х — начале 90-х годов в печати появилось большое число публикаций, посвященных различным компьютерным моделям ИКС. В большинстве из них описывалась работа систем военного назначения. К настоящему времени некоторые из этих моделей морально устарели, однако ряд принципов их построения и целые блоки с успехом используются при разработке новых компьютерных моделей ИКС «смотрящего» типа. К таким моделям относятся созданные по заказу командования сухопутных ракетных войск США модели FCSS (Fire Control Sensor Simulator) и MIISPM (Missile Command Infrared Imaging System Performance Model), в которых в качестве критериев качества работы ИКС используются вероятности обнаружения, распознавания и инден - тификации целей как функции дальности до них.
В модели FCSS излучение воздушных целей рассматривается как совокупность излучений корпуса (обшивка), двигателя и шлейфа истекающих продуктов сгорания топлива. Первая составляющая зависит от окружающей температуры и скорости движения цели и рассчитывается с учетом аэродинамического нагрева и коэффициента излучения обшивки. Вторая составляющая определяется по известным температуре и коэффициенту излучения, а третья учитывает состав окружающей среды, т. е. линии поглощения основных компонентов атмосферы. В этой модели наземные цели представляются в виде прямоугольных параллелепипедов с определенным соотношением ребер, стороны которых характеризуются постоянными по площадям граней температурами и коэффициентами излучения, а наиболее распространенные фоны (наземный ландшафт и небо) - в виде однородных, неструктурированных излучателей, характеризуемых некоторыми усредненными значениями температуры и коэффициента излучения.
Модель MIISPM содержит в качестве основных субмодели «Цель», «Атмосфера», «Датчик» и «Выходная информация». В ее модернизированном варианте заложена возможность изменять параметры МПИ и электронного тракта. При вычислении ДТп учитываются искажения, возникающие при превышении частоты Найквиста. Модель может автоматически вычислять зависимость между вероятностью обнаружения цели и дальностью до нее.
Компьютерные модели ИКС разрабатывались и разрабатываются не только в США, но и в других странах. Так, Агенство по оборонным научным исследованиям Великобритании для моделирования различных ИКС создало программу Infracal. С ее помощью определяются контрасты между целью и фоном, температуры целей и другие параметры фоно-целевой обстановки.
В конце 80-х годов в Израиле была создана компьютерная модель ОЭС, предназначенных для построения изображений наземных объектов при наблюдении их сверху, например с борта вертолета или самолета. Модель, получившая название GASIEL (General Approach to System Imaging Evaluation) [240], позволяет быстро учитывать изменяющиеся в процессе полета носителя ОЭС условия ее работы. База данных включает параметры и характеристики возможных целей, фонов и ОЭС. Отношение сигнал - шум как основной выходной параметр модели представляется в виде функции пространственного разрешения, приведенного к земной поверхности, где находятся наблюдаемые или обнаруживаемые цели.
В отличие от модели GASIEL модель CiNeRaMa [256] учитывает пространственную неоднородность излучения фона, на котором наблюдается цель. При этом сценарий и атмосферные условия заданы с помощью модели LOWTRAN 7 [178], в которой принимаются во внимание взаимное положение цели и ОЭС, координаты Солнца, температура и излучательные свойства целей и фонов, метеорологические условия на трассе, пропускание атмосферы и ее яркость (путевая яркость).
Среди моделей ИКС «смотрящего» типа следует выделить часто используемые на практике модели ACQUIRE [196] и ЕСОМ-7043 [116, 227]. С помощью первой, в базе данных которой содержатся таблицы площадей и критических размеров ряда тактических военных целей, а также в аналитическом виде кривые для расчета вероятностных характеристик ИКС, можно вычислять сигналы от различных целей с учетом пропускания атмосферы и других условий работы ИКС.
Используя современные модели, можно вычислять вероятности обнаружения (распознавания, классификации, индентификации) в виде функции дальности до цели. Для определения вероятности решения задачи, поставленной перед ИКС (обнаружение, ориентация, распознавание, классификация), разность температур АТ между объектом и окружающим его фоном или между отдельными частями объекта следует привести ко входному зрачку ИКС, умножив АТ на коэффициент пропускания тс среды на трассе между объектом и ИКС (рис. 13.2). Следует отметить, что при этом игнорируется собственное излучение среды («путевая яркость» атмосферы). При работе в диапазоне
8.. . 14 мкм это допущение часто не может считаться приемлемым, и оценка изменения контраста должна вестись более строго (см. §3.4). Затем учитываются шумы, имеющие место в системе, и вычисляется АТП, а также передаточная функция всей ИКС, что позволяет определить АТР как функцию пространственной частоты fxy, т. е. построить кривую ATp=f(fx>) и по ней найти значение разрешаемой частоты, соответствующее Д7тс.
1/2
Число разрешаемых ИКС градаций рассчитывается как Np=fXy(hKpxhKpy) //. Из эмпирической зависимости вероятности решения поставленной задачи от числа Np можно найти связь заданной вероятности с дальностью / до объекта, поскольку Np - функция /.
Одна из наиболее известных компьютерных моделей FLIR 92, работающая по описанному алгоритму, разработана Лабораторией ночного видения и электронных датчиков (NVESD) Армии США [112, 142, 144, 226, 227] и вошла в более общую модель ACQUIRE. Она предназначена для определения эквивалентной шуму разности температур АТП, функции передачи модуляции, минимальных разрешаемых и обнаруживаемых разностей температур ДГР применительно к ИКС различного типа - как «смотрящего», так и сканирующего. Предполагалось, что в ИКС не происходит наложения спектров при выборке, т. е. верхние граничные пространственные частоты не превышают частоту Найквиста. Исходными данными для расчетов с помощью такой модели обычно считаются параметры и характеристики оптической системы и МПИ, включая составляющие трехмерного шума МПИ (см. §7.3), а также передаточные функции отдельных звеньев ИКС, в том числе и зрительного аппарата человека-оператора.
Программа расчетов по модели FLIR 92 написана на алгоритмическом языке С и реализуется на персональных компьютерах IBM в системе MS-DOS в интерактивном режиме. Формат используемых файлов достаточно гибок, хотя они должны редактироваться с помощью текстового редактора ASCIL. Содержащиеся во многих зарубежных публикациях результаты сравнения расчетов, проведенных с помощью модели FLIR 92, и экспериментальных данных, полученных при испытаниях ИКС, в целом подтвердили
I См. формулу 4.8 |
I |
Рис. 13.2. Схема определения зависимости вероятности Р обнаружения (классификации, распознавания, идентификации) цели от дальности I до нее
Эффективность и адекватность этой модели, т. е. показали хорошую сходимость расчета и эксперимента.
Подобная модели ТЧУЕБО концепция была положена в основу модели фирмы <^е81п^Ьои8е» [226]. В ней вероятность решения задачи, стоящей перед ИКС, определяется путем вычисления отношения сигнала-помеха, представляющего собой отношение сигнала от объекта, прошедшего среду, к уровйю шума системы. Эффективная разность температур Д7тс сравнивается со значением ДГР для пространственной частоты, соответствующей числу Джонсона Д^, необходимому для решения поставленной задачи. Требуемая вероятность сопоставляется с рабочей характеристикой, т. е. с зависимостью вероятности правильного решения от отношения сигнал-помеха.
Модернизированная модель ЕСОМ-7043 позволяет пользователю в интерактивном режиме вводить итерации размера углового поля, диаметра входного зрачка и относительного отверстия объектива ИКС для одного и того же установленного в начале вычислений отношения ДГр к. Кикс ~ передаточной функции ИКС. Для этого экстраполируется новое значение ДГР, связанное с. Кикс через указанные изменяемые конструктивные параметры, а затем строятся зависимости вероятностей обнаружения, распознавания и идентификации от дальности до цели. С помощью модели определяются, а затем легко наглядно анализируются зависимости этой дальности от размера углового
поля и относительного отверстия объектива, высоты системы стабилизации оптической оси ИКС и других параметров. Используя лишь один набор входных данных, можно получить выходные характеристики для разных комбинаций, этих параметров. Модернизированная модель ЕСОМ-7043 позволяет учесть не только поглощение и рассеяние излучения в атмосфере, но и дымовые помехи (с помощью отдельной субмодели EOSAEL-82).
В последнее десятилетие для описания различных ИКС, в том числе и «смотрящего» типа, вместо FLIR 92 все чаще применяется созданная на ее базе модель NVTherm [83, 144, 266], в которой учитывается нелинейность процесса пространственной выборки. Когда предельные пространственные частоты в спектре изображения превышают частоту Найквиста т. е. 0,5 частоты пространственной выборки, после реконструкции подвергнутого выборке сигнала возникают побочные гармоники, приводящие к искажениям получаемого на выходе ИКС изображения. Как было показано в гл. 9, этот эффект носит нелинейный характер и не может быть строго описан в линейном приближении. При использовании модели NVTherm предполагается, что такие искажения ухудшают качество распознавания целей. Чтобы учесть это явление при оценке возможностей конкретной ИКС по идентификации и распознаванию целей, предложено уменьшать в определенное число раз значения функции передачи модуляции ФПМ (частотной характеристики) системы на высоких частотах, т. е. «сжимать» ее на частотах, больших /n [113]. К сожалению, до сих пор нет возможности экспериментально измерить значения АТр при идентификации и распознавании целей в случае превышения /ы, поскольку параметры выборки в реальных системах не могут быть изменены «сжатием» ФПМ.
В 2002 г. появились сведения об улучшенной версии модели NVTherm - так называемой Windows-версии, учитывающей эффект размытия изображения из-за атмосферной турбулентности, а также возможность работы ИКС на наклонных трассах [199]. Пропускание атмосферы на таких трассах рассчитывается с помощью субмодели MODTRAN [151]. Кроме того, в модели NVTherm 2002 для оценки дальности действия ИКС (дальности обнаружения, распознавания и т. д.) используется Национальная шкала оценок интерпретации изображений NIIRS (см. §4.4). Модель позволяет рассчитывать зависимость NIIRS (баллы оценок), а также вероятностей Р обнаружения, распознавания и идентификации наземных объектов от дальности / до них, в том числе и для ОЭС, работающих в составе комплексов «воздух - земля», и представлять зависимости NIIRS = /(/) и/> = (/)в виде графиков.
Совершенно другая методология используется в модели, основанной на определении критерия TOD (см. §4.2), который, по мнению его разработчиков, более объективен для оценки качества распознавания, чем АТр [83, 85, 200]. Это объясняется рядом факторов. Во-первых, тест-объект в виде совокупности четырех различно ориентированных треугольников (см. рис. 4.4) часто ближе к форме реальных целей, чем семиполосная мира, используемая при определении АТр. Во-вторых, процедура определения АГР далеко не всегда совпадает с процедурой распознавания целей в реальных условиях работы ИКС и не отображает субъективных особенностей конкретного человека - наблюдателя. В [200] сообщается о совершенствовании модели TOD в целях учета нелинейных операций при выборке и реконструкции изображения. Для этого субмодель системы (датчика) создает изображения набора тест-объектов, которые передаются в субмодель зрительного аппарата, где решается задача определения наиболее вероятной ориентации тест-объекта, подобная той, что решает человек-наблюдатель в реальных условиях работы ИКС. Указанные субмодели могут работать независимо друг от друга, что позволяет, например, достаточно достоверно определить критерий TOD с помощью входных файлов, полученных или используемых в модели NVTherm. В [191] указывается, что программное обеспечение модели TOD хорошо вписывается в качестве отдельного блока оболочки IRWindows™, о которой говорилось в гл. 12.
Модель TRM 3 была создана на базе традиционного метода получения ДГр в лабораторных условиях, в рамках которого допускается оптимизация наблюдателем взаимного положения тест-объекта (семиполосной или четырехпериодной миры) и растра МПИ, выполняющего пространственную выборку, т. е. их согласование по фазе. Кроме того, для частот, превышающих^ , возможно различение в изображении миры не четырех ярких, а трех или даже двух полос. Модель TRM 3 нелинейна и в качестве определяемого критерия использует минимальную обнаруживаемую разность температур [83, 278].
Следует отметить, что к настоящему времени нельзя отдать абсолютного предпочтения какой-либо одной компьютерной модели ИКС «смотрящего» типа. В [83] приводятся результаты аналитического сопоставления (расчетного эксперимента) моделей NVTherm, TOD и TRM 3, используемых для оценки качества распознавания целей такими системами. Эти результаты во многом весьма противоречивы для каждой из моделей и даже неожиданны. Так, использование модели TRM 3 привело к выводу, что микросканирование увеличивает информативность получаемого на выходе ИКС изображения, но уменьшает качество распознавания целей. Модель NVTherm предсказывает, что в области частот, больших эффективность распознавания определяется функцией рассеяния до и после фильтрации изображения, а модель TOD указывает, что эта эффективность зависит в первую очередь от частоты выборки. В области низких пространственных частот критерии модели TRM 3 и TOD (но не АТР) одинаково характеризуют качество различных ИКС. Авторы [83] делают вывод, что выбор той или иной модели заметно сказывается на решениях, принимаемых на этапе разработки системы, а также на ее технико-экономических параметрах.
В [114] приводятся результаты сравнительного моделирования систем второго и третьего поколений, выполненного с помощью модели NVTherm. Было показано, что ИКС третьего поколения обеспечивает увеличение дальности на 20...60% по сравнению с эквивалентной ИКС второго поколения. Кроме того, так как ФПУ нового поколения имеют меньший уровень шумов, улучшается восстановление изображения.
Увеличение дальности действия ИКС третьего поколения на 60% сопровождается увеличением вероятности обнаружения и распознавания до 50%, причем это достигается для меньших входных зрачков (165 мм вместо 200 мм). Для ИКС, используемых совместно со стрелковым вооружением, при ФПУ формата 320x240 на базе неохлаждае - мых ферроэлектрических болометров модель системы третьего поколения указывает на возможность увеличения дальности на 50% по сравнению с системой второго поколения. Это сочетается с большим угловым полем, лучшим качеством изображения, что позволяет вдвое сократить время обнаружения и отслеживания.
Ряд моделей был разработан применительно к ИКС воздушного и космического базирования. Так, для нужд Национального аэрокосмического агенства (NASA) США была разработана модель ATTIRE (Analytical Tools for Thermal Infrared Engineering), позволяющая вести параметрический анализ ИКС [159]. Модель, реализуемая в среде PC-DOS, имеет субмодели «Поток источника излучения», «Атмосфера», «Оптическая система», «Параметры элемента разрешения» и др., каждая из которых занимает отдельное окно. Работа с моделью идет в интерактивном режиме. Возможно графическое представление зависимостей критериев качества ИКС от параметров отдельных ее звеньев. Модель функционирует в многоканальном режиме, т. е. вычисления могут проводиться одновременно в большом числе спектральных каналов (до 50). В каждом канале могут вводиться параметры, соответствующие отдельным субмоделям. В пределах каждого спектрального канала излучательная и отражательная способности, коэффициенты пропускания атмосферы и оптической системы принимаются постоянными
При проектировании и исследованиях современных ИКС все чаще используются методы компьютерной графики, позволяющие синтезировать изображения различных объектов и фонов, на которых эти объекты наблюдаются. При этом поверхность объектов обычно разбивается на отдельные изометрические площадки, т. е. представляется в виде совокупности большого числа (порой десятков тысяч) плоских элементов простейших форм — прямоугольников, треугольников, трапеций и др., различным образом ориентированных в трехмерном пространстве. Затем задаются температуры отдельных частей этих объектов, коэффициенты излучения и отражения, теплопроводность, масса и другие физические свойства, а также аналогичные параметры и характеристики фона. За основные критерии качества ИКС в этих моделях часто принимают Д7'п и АТР в сочетании с числами Джонсона Np (см. § 4.3).
По такой схеме в общих чертах построен ряд моделей, созданных по заказу Армии США: TTIM (The Tank-Automotive Command Thermal Image Model), DIRSIG (Digital Imaging and Remote Sensing Scene Generator), MuSES (Multi-Service Electro-optic Signature) и ряд других [245, 246, 254], предназначенных для моделирования ИК - изображений наземных и воздушных целей и фонов. Первые версии модели TTIM были созданы в середине 80-х годов. Модель позволяет имитировать работу как визуальных средств наблюдения, так и различных ИКС-JB субмодели «Атмосфера», построенной на базе LOWTRAN [178], учитываются не только пропускание, поглощение и рассеяние естественной атмосферы, но и эффекты, возникающие в реальной боевой обстановке (дымовые помехи, видимое перекрытие объектов в угловом поле ИКС и др.). Для субмодели фоно-целевой обстановки в модели TTIM используются шесть входных файлов (объект, погодные условия, сценарий работы ИКС и др.). В модель ИКС входят также субмодели «Атмосфера», «Оптическая система», «Приемник излучения», «Электронный тракт», «Система отображения».
Большинство моделей позволяет имитировать работу ИКС в достаточно широком спектральном диапазоне. Так, модель DIRSIG в сочетании с моделью атмосферы MODTRAN позволяет оценивать собственное и отраженное излучение самых разнообразных объектов и фонов естественного и искусственного происхождения в диапазоне 0,3...20,0 мкм и анализировать работу ИКС в достаточно сложных фоно-целевых обстановках. Эта же модель, как отмечается в [245], хорошо сочетается с моделями MuSES и SIRIM, обеспечивающими высокое пространственное разрешение при синтезе оптических изображений.
Представляет интерес разработанная фирмой «Grumman Aerospace Corporation and Analytics, Ins.» модель Irma (Infra-Red Modeling and Analysis)», имеющая несколько модификаций [219, 275]. Она базируется на данных, полученных Лабораторией ВВС США в большом числе экспериментов по изучению характера различных целей. Этот принцип использования в компьютерной модели для задания входных параметров баз данных, полученных в результате натурных экспериментов, а не аналитических зависимостей, получает все большее распространение на практике, хотя методы синтеза изображений целей и фонов средствами компьютерной графики также непрерывно развиваются.
Последняя модификация модели Irma 5,0 [275] предназначена для синтеза изображений различных объектов в радио-, видимом и ИК-диапазонах спектра. Модель позволяет синтезировать изображения объектов в виде совокупности (до десятков тысяч) различным образом ориентированных в пространстве треугольных и прямоугольных фасетов (плоских элементов), а также фонов, на которых находятся объекты. С ее помощью учитываются различия в температурах, излучательных и отражательных способностях объектов и фонов, а с использованием дополнительных по отношению к основной оболочке файлов — изменение положения объекта от кадра к кадру, т. е. его перемещение. В структуру модели в качестве отдельных блоков входят файлы «Атмосфера» («Пропускание», «Путевая яркость»), «Солнечное освещение», «Метеорологические данные» и ряд других, информация с которых вместе с информацией о геометрической структуре и оптических свойствах объектов (фасетов) поступает на блок синтеза двумерных изображений, создающий изображение объекта как излучателя. Затем в модель вводятся параметры ИКС, а на выходе появляется электронное цифровое изображение. В модели Irma 5,0 имеются два канала: один для моделирования сигналов с учетом поляризации, а другой — для моделирования неполяризованного излучения. Пользователь взаимодействует с моделью через графический интерфейс в дружественном интерактивном режиме.
Компанией «Martin Marietta Astro Space» разработана модель PACEOS ОЭС дистанционного зондирования поверхности Земли из космоса, в основу которой положена программа коррекции базовых изображений земной поверхности применительно к конкретным условиям работы ОЭС. Модель включает типовые субмодели: «Геометрическая схема работы ОЭС»; «Энергетическая субмодель взаимодействия наблюдаемого объекта, атмосферы, помех, фонов и собственно ОЭС», «Система первичной обработки информации, включающая в себя оптическую систему и приемник излучения», «Электронный тракт обработки информации». В качестве базовых изображений, хранящихся в банке данных, используются аэрокосмические многоспектральные (в видимой и ИК - области спектра) фотоснимки земной поверхности. Эти изображения корректируются с учетом изменения углов визирования, длин трасс, спектральных рабочих диапазонов, атмосферных условий и др. Программное обеспечение модели предусматривает изменения пространственного разрешения в 26 различных спектральных диапазонах, а также ввод изображения цели в отображаемую сцену. Атмосферные условия моделируются с помощью программ MODTRAN (при умеренных требованиях к спектральному разрешению) и FASCODE (при высоком спектральном разрешении). При использовании разложения отображаемой сцены на 512x512 пикселов для синтеза базового изображения с помощью PACEOS требуется около 5 мин.
Компьютерное моделирование применяется и для оценки эффективности борьбы с ИК-средствами обнаружения и распознавания целей, т. е. эффективности средств маскировки и постановки помех [86]. Модель CAMEO-SIM, предназначенная для исследования этой эффективности и описываемая в [148], обеспечивает достаточно хорошее качество синтезированного изображения наземных фонов в спектральном диапазоне 0,4... 14,0 мкм. Она учитывает движение цели и неоднородность излучения отдельных ее частей, например корпуса и двигателя. Расширенная версия этой модели позволяет воспроизвести трехцветную картину фона. Экспериментальные исследования яркости ряда фонов подтвердили достаточную для многих применений адекватность модели.
Известен ряд моделей, описывающих не всю схему работы ИКС, а лишь часть ее, чаще всего энергетические соотношения на входе системы. Некоторые из таких моделей, например одна из версий упомянутой модели TTIM, служат для тренировки операторов систем управления различными объектами военной техники средствами компьютерной графики. Атмосферные условия задаются в форме таблиц коэффициентов пропускания и собственной яркости атмосферы для различных дальностей до цели. Пользователь выбирает тип ИКС, сезон работы и состояние атмосферы, тип цели и дальность, после чего на экране возникает синтезированное изображение обнаруживаемой или распознаваемой цели, сопоставляемое (на том же или соседнем экране) с эталонным изображением, не искаженным из-за влияния атмосферы и самой ИКС.
С 1990 г. для обучения персонала ВВС США и других ведомств, работающего с ИКС, системами переднего обзора (FLIR), лазерными системами, используется модель AIRSIM (Air Force Infrared Simulated Image Model). Для тренировки операторов этих систем используется система TISP (Target Identification Sensor Performance), разработанная корпорацией DCS (США).
Другим примером компьютерной имитации фоно-целевой обстановки и таких важных параметров и характеристик ИКС, как шумы и неоднородность чувствительности, формат и геометрия МПИ, передаточные функции отдельных звеньев системы, является модель RTSIG [68]. Синтезатор изображений, создавая кадр форматом 512x512, представляет возможность изменять уровень сигнала в диапазоне до 8 бит. Изображение записывается на магнитную пленку, а затем через жидкокристаллический дисплей
Демонстрируется оператору-наблюдателю. Работа с имитатором идет с частотой 30 кадр/с, хотя кадры могут предъявляться оператору и через 2 с.
Фирма «Coleman Research Corporation» (США) разработала модель PSW, предназначенную для исследований ИКС пассивного типа, как сканирующих, так и «смотрящих». Эта модель базируется на разработанных ранее субмоделях целей, фонов, отдельных узлов ИКС.
Корпорация «AET Inc.» (США) при финансовой поддержке Лаборатории ночного видения и электронных датчиков Армии США создала компьютерную программную модель приемника излучения на базе KPT — IRSIM, позволяющую анализировать влияние геометрии и состава материала двумерных МГ1И на выходные параметры приемника (чувствительность, выходной ток и др.). Задавая изменение концентрации легирующих примесей, с помощью такой модели можно с высокой степенью достоверности предсказывать значения этих параметров [139].
Для моделей ИКС третьего поколения с весьма малыми (сравнимыми с длиной волны оптического излучения) размерами отдельных чувствительных элементов матричного приемника важно учитывать влияние дифракции и рассеяния излучения на этих элементах, а также геометрического (когерентного) шума на качество изображения. При реализации способов неоднократной в пределах одного элемента выборки изображения могут возникнуть трудности оценки изображения.
В [157] описываются три метода моделирования трехмерного шума МПИ и ФПУ: инверсии параметров шума, подбора модели спектральной плотности мощности шума и физический. Предварительный анализ этих методов показал, что с их помощью можно успешно определять минимальную разрешаемую разность температур АТ’р как функцию пространственной частоты.
Таким образом, с учетом тенденций развития и усложнения ИКС их моделирование (прежде всего компьютерное) подтверждает свою значимость как эффективного средства проектирования столь сложных оптико-электронных комплексов.