Структура обобщенной компьютерной модели оптико-электронных систем

1

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ. ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 681.78.01

СТРУКТУРА ОБОБЩЕННОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ И.П. Торшина, Ю.Г. Якушенков

Описывается структура обобщенной компьютерной модели оптико-электронных систем (КМ ОЭС). Рассматриваются некоторые особенности отдельных модулей этой модели, а также связей между ними. Ключевые слова: моделирование, оптико-электронная система, структура обобщенной компьютерной модели оптико-электронных систем.

В процессе компьютерного моделирования оптико-электронных систем (ОЭС) решается задача построения математической модели для синтеза, анализа и структурно-параметрической оптимизации системы при ее проектировании, для чего осуществляется моделирование процесса прохождения сигналов в ОЭС для различных условий ее работы. Компьютерная модель ОЭС (КМ ОЭС) должна учитывать весьма разнообразные условия, в которых работает система - среду, особенности излучателей (объектов, фонов, помех), метод работы ОЭС и ряд других исходных данных для проектирования системы. Различными могут быть и требования к этой модели.

На первых этапах моделирования часто целесообразно иметь обобщенную КМ ОЭС. Ее структура может быть представлена в виде совокупности нескольких модулей и отображать не только структуру собственно ОЭС, но и процесс формирования исходных данных для моделирования ОЭС, фоно-целевую обстановку (ФЦО), т.е. условия функционирования системы, а также результаты работы КМ ОЭС и общую базу данных (БД). Эта структура представлена на рис. 1 [1].

Модуль «Исходные данные» содержит перечень сведений, которые необходимы пользователю компьютерной программой для моделирования (КПМ) ОЭС. Перечень исходных данных формируется на основе технического задания на разработку ОЭС, в котором указываются назначение и область применения ОЭС, а также излагаются технические требования к системе. Исходные данные могут быть входными, запрашиваемыми КПМ, и могут быть использованы для расчета и получения других требуемых входных данных.

Модуль «Исходные данные» может, в частности, содержать следующую информацию:

- назначение ОЭС (обнаружение целей, слежение и т.д.);

- способ работы ОЭС (активный, пассивный);

- условия работы ОЭС (спектральные диапазоны работы, время года, время суток, состояние атмосферы, климатические и погодные условия, географические данные, системы координат и др.);

- характер помех, задаваемый, например, их энергетическими, спектральными, пространственными и другими характеристиками или общим описанием, например, видом ландшафта, на котором находится обнаруживаемая или отслеживаемая цель;

- формулировка цели разработки модели ОЭС;

Введение

Структура модели

- перечень задач, которые должны решаться в процессе моделирования;

- форма представления результатов моделирования;

- требуемое значение критерия оценки качества модели (критерия адекватности);

- информация о возможности проведения натурных испытаний модели или об использовании в испытаниях апробированных моделей аналогичных систем, разработанных ранее;

- степень универсальности модели.

Рис. 1. Структурная схема обобщенной КМ ОЭС

Перечень исходных данных должен быть необходимым и достаточным (исчерпывающим) для осуществления моделирования и при этом не содержать избыточных сведений. Он может быть окончательно определен только после формирования других модулей КМ ОЭС, когда в процессе их разработки появляется необходимость знания тех или иных данных, в частности, при формировании модулей «ФЦО» и «Структура ОЭС» [1, 2].

При разработке модуля «Исходные данные» следует различать понятия «исходные данные для моделирования ОЭС» и «входные данные отдельной субмодели КМ ОЭС». Перечень последних непостоянен и зависит от запрашивающей их субмодели, в то время как перечень исходных данных остается постоянным на протяжении всего процесса моделирования ОЭС.

Ввод исходных данных в КПМ должен запускать автоматическую работу алгоритмов, определяющих путь моделирования, перечень субмоделей, используемых в дальнейшем в других модулях КМ ОЭС, перечни элементов структурной схемы ОЭС и субъектов ФЦО, присутствующих в угловом поле системы, и многое другое.

Модуль «Исходные данные» имеет прямую связь со всеми модулями КМ ОЭС, а также прямую и обратную связь с модулями «Результат работы КМ ОЭС» и «База данных КМ ОЭС». Наличие связи с БД позволяет пользователю готовой КМ ОЭС выбирать требуемые исходные данные в нужной форме представления из соответствующих разделов БД КМ ОЭС. Обратная связь с модулем «Результат работы КМ ОЭС» установлена для оптимизации структуры ОЭС в случае, когда все возможные методы оптимизации исчерпали свои возможности и требуется произвести корректировку исходных данных.

Таким образом, разработку модуля «Исходные данные» можно свести к решению трех основных задач:

1. определение перечня исходных данных и формы их представления;

2. анализ влияния задаваемых исходных данных на результат работы КМ ОЭС и значения показателей эффективности работы ОЭС;

3. использование результатов проведенного анализа для корректировки перечня и формы представления исходных данных (см. обратные связи на рис. 1).

Модуль «Результат работы КМ ОЭС» объединяет в себе блоки, представленные на рис. 2.

Блок «Коррекция обобщенной компьютерной модели ОЭС» содержит специфические алгоритмы и операторы, позволяющие, например, осуществлять моделирование многоспектральных (многодиапазонных) ОЭС конкретного назначения [3], а также, при необходимости, вносить изменения в количество повторений тех или иных операторов, делая их циклическими.

Основой блока «Расчет показателей эффективности» являются выражения заданных в исходных данных показателей эффективности работы ОЭС. На первых этапах моделирования они представляются в общем параметрическом виде. По мере работы в модулях «ФЦО» и «Структура ОЭС» эти параметры конкретизируются, определяется область их значений, и в данном блоке производится их окончательный расчет. Если результат их расчета не удовлетворяет пользователя, то может производиться оптимизация структуры ОЭС. Для этого предусматриваются алгоритмы оптимизации структуры и обратная связь с модулями «Структура ОЭС» и «Исходные данные». Алгоритмы и способы оптимизации структуры ОЭС могут выбираться из соответствующего раздела «Оптимизация структуры ОЭС» БД КМ ОЭС. Если выбранные или заданные средства оптимизации структуры всей ОЭС или отдельных ее составных частей (СЧ), а также элементной базы этих СЧ оказались неэффективными, т.е. требуемое значение показателя эффективности моделируемой ОЭС не достигнуто, необходимо возвращаться в модуль «Исходные данные» и производить корректировку этих данных.

Рис. 2. Связь блоков в модуле «Результат работы КМ ОЭС

После получения удовлетворительных результатов расчета показателей эффективности обязательно должен проводиться контрольный расчет критерия адекватности в блоке «Расчет критерия адекватности», подтверждающий адекватность модели ОЭС по заданному в исходных данных критерию. Если модель не удовлетворяет заданному значению критерия адекватности, то производится анализ причин неадекватности и оп-

тимизация КМ ОЭС. Оптимизация может заключаться, например, в ином распределении значения общего для всей модели критерия адекватности между критериями адекватности субмоделей отдельных узлов ОЭС и субъектов ФЦО.

В блоке «Испытание модели» размещаются алгоритмы, позволяющие осуществлять испытания КМ ОЭС посредством имитационного эксперимента. В случае удовлетворительных результатов испытаний модели производится представление результатов моделирования (блок «Представление результатов моделирования»), т.е. формирование выходных данных о результатах моделирования системы в форме, заданной в исходных данных, и подготовка документации на разработанную КМ ОЭС (паспорт пригодности).

Перечень документов на модель ОЭС должен содержать описание компьютерной модели. Для пользователя могут представлять интерес следующие характеристики КМ ОЭС, которые следует включать в паспорт пригодности:

- имя модели (для соответствующих ссылок), номер версии, дата;

- назначение и область применения КМ ОЭС;

- собственник (создатель, разработчик, владелец);

- описание исходных данных с необходимыми пояснениями (размерности, масштабы, диапазоны изменения величин);

- физические основы, на которых построена ОЭС и ее модель, наличие баз данных, необходимых для моделирования;

- программа (действующее программное обеспечение самой модели);

- описание программы модели с указанием системы программирования и принятых обозначений;

- полная схема программы модели;

- полная запись компьютерной программы модели на выбранном языке программирования;

- доказательство достоверности программы модели (результаты отладки программы модели);

- оценка затрат машинного времени на один цикл моделирования;

- перечень возможных пользователей (квалификация);

- инструкция по работе с программой модели.

Заключение

Структура КМ ОЭС, сформированная в модульном виде, позволяет легко наращивать модель и дополнять ее необходимыми блоками и модулями при моделировании системы конкретного назначения, предназначенной для решения какой-либо частной задачи. Исследования, описанные в настоящей статье, проводятся при поддержке ведомственной целевой программы Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010 годы по мероприятию 2, грант 2.1.2/4163).

Литература

1. Торшина И.П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации / И.П. Торшина. - М.: Университетская книга; Логос, 2009. - 248 с.

2. Торшина И.П. Методика разработки обобщенной компьютерной модели оптико-электронной системы // Изв. вузов. Приборостроение. - 2008. - № 3. - С. 61-65.

3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. - М.: Логос, 2007. - 192 с.

С.М. Латыев, Е.В. Смирнова

4. Торшина И.П. Формирование компьютерной модели функционирования многодиапазонной оптико-электронной системы // В сб. трудов VII Международной конференции «Прикладная оптика-2006». Т.3. «Компьютерные технологии в оптике». - СПб, 2006. - С. 343-349.

Торошина Ирина Павловна - Московский государственный университет геодезии и кар-

тографии (МИИГАиК), кандидат технических наук, доцент, torshinai@yandex.ru

Якушенков Юрий Григорьевич - Московский государственный университет геодезии и кар-

тографии (МИИГАиК), доктор технических наук, профессор, декан, yakush@miigaik.ru

УДК 535.8

ИЗУЧЕНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ СОВМЕЩЕНИЯ МАРОК ПРИ ПОПЕРЕЧНЫХ НАВОДКАХ С.М. Латыев, Е.В. Смирнова

В работе приведены зависимости погрешностей поперечных наводок от условий наблюдений: типа светофильтров, освещенности, аберраций оптической системы, направления совмещений. По проведенным исследованиям сделаны некоторые выводы и даны рекомендации для уменьшения погрешности. Ключевые слова: поперечная наводка, би-штрих, погрешность наведения, полигон рассеяния, аберрация, контраст, освещенность, позиционно-чувствительный приемник.

Введение

В основу функционирования многих оптических приборов (теодолитов, автоколлиматоров, измерительных микроскопов) положена операция совмещения изображения и марки, наблюдаемых оператором, с последующим снятием отсчета по шкалам. При этом из-за ряда причин (остроты зрения, параллакса и др.) оператор не может абсолютно правильно расположить изображение относительно марки и оценить на глаз расстояние от штриха до индекса (долю деления шкалы). Так возникают погрешности наведения, влияющие на точность работы приборов. Погрешность наведения зависит от ряда факторов: видов совмещаемых марок, типа светофильтров, освещенности экрана, контраста изображения, аберраций оптической системы, психофизических данных оператора.

Для некоторых современных оптических приборов погрешности наведения являются доминирующими составляющими характеристик точности, что обусловлено уменьшением других составляющих благодаря автоматизации процесса работы при помощи фотоэлектрических преобразователей, позиционно-чувствительных приемников и микропроцессорных устройств.

Настоящая работа направлена на исследование погрешности совмещения марок при поперечных наводках би-штриха экрана относительно изображения штриха сетки.

Лабораторный стенд

Исследования проводились на экспериментальной установке (рис. 1), разработанной для исследования погрешности совмещаемых марок на экране проекционной установки от факторов различной природы. Для определения числовых характеристик, а также законов рассеяния погрешности производили по 200-300 совмещений, выполняемых оператором на расстоянии наилучшего видения. Экспериментальная установка помещена в светозащитный кожух с целью устранения посторонних засветок.