КОМПЛЕКС ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНЫХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к измерительной технике, конкретно к комплексам оптимизации параметров лазерных локационных систем (ЛЛС) и может быть использована в научных исследованиях и опытно-конструкторских работах при обосновании технико-экономических требований к изделиям ЛЛС.
Известны комплексы оптимизации параметров локационных систем [1-8] на различных этапах их жизненного цикла, основанные на аналоговом [6], цифровом [7] моделировании, натурных испытаниях [8], выборе оптимальных параметров образцов изделий и условий их применения по критерию «эффективность-стоимость» в радиодиапазоне электромагнитных волн (ЭМВ) [8].
Общим недостатком указанных комплексов оптимизации являются недостаточные функциональные возможности, связанные с невозможностью их прямого использования в лазерном диапазоне ЭМВ. Это связано с различием в физических процессах взаимодействия лазерного излучения с атмосферой и поверхностью лоцируемого объекта по сравнению с радиоизлучением и необходимостью учета этих особенностей при натурном и математическом моделировании изделий ЛЛС и их элементов [9]. Кроме того, сами изделия ЛЛС, их элементы резко отличаются по конструкции и функционированию от радиолокационных изделий и их элементной базы [10]. Это также затрудняет использование существующих комплексов для оптимизации параметров ЛЛС в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах ЭМВ. Отсутствие комплексов оптимизации параметров ЛЛС в указанных диапазонах ЭМВ сдерживает совершенствование существующих и разработку новых изделий ЛЛС.
Технической задачей является расширение функциональных возможностей комплекса оптимизации параметров локационных систем.
Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является измерение и оптимизация параметров ЛЛС в лазерном диапазоне, охватывающем ИК, видимый и УФ диапазоны ЭМВ.
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что согласно полезной модели комплекс оптимизации параметров лазерных локационных систем, включает соединенные между собой через ЭВМ обработки результатов оптимизации цифровую модель синтеза лазерно-локационных характеристик объектов, цифровую модель оценки детерминированных и статистических характеристик локационных полей и сигналов, натурную модель для определения отражательных характеристик объектов, их внешних покрытий и оптических характеристик локационных трас, натурную модель для испытания лазерных локационных систем с использованием имитаторов объектов и помех, причем ЭВМ обработки результатов оптимизации содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения процессор, оперативно запоминающее устройство, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, вводно-выводное устройство, съемный блок памяти исходных данных, съемный блок памяти программ расчета лазерно-локационных характеристик объектов и съемный блок памяти программ расчета локационных показателей качества лазерных локационных систем.
При этом цифровая модель синтеза лазерно-локационных характеристик объектов содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения модуль оценки характеристик рассеяния лазерного излучения на плоском элементе шероховатой поверхности, модуль синтеза индикатрис рассеяния образцов внешних покрытий объектов, модуль расчета характеристик эффективной площади рассеяния корпусов объектов с учетом задаваемого изменения их отражательных свойств, модуль расчета лазерно-локационных характеристик малоразмерных образований, окружающих объект, модуль расчета лазерно-локационных характеристик движущихся объектов с учетом влияния сопутствующих их движению физических явлений, модуль оценки лазерно-локационных характеристик объектов для когерентных лазерных локационных систем. Цифровая модель оценки детерминированных и статистических характеристик локационных полей и сигналов содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения модуль оценки статистического распределения амплитуды сигнала, отраженного от диффузно-зеркального объекта лазерно-локационного поля и модуль учета эффекта вырождения зеркального компонента в когерентный сигнал. Натурная модель для определения отражательных характеристик объектов, их внешних покрытий и оптических характеристик локационных трас содержит установку измерений лазерно-локационных характеристик объектов и их покрытий в закрытом павильоне с компенсацией активной фоновой засветки, установку для измерений лазерно-локационных характеристик объектов на открытой трассе с калибровкой сигналов с помощью адаптивных зеркально-диффузных эталонов, установку для натурных измерений лазерно-локационных характеристик объектов и оптических характеристик локационных трас лазерной измерительной системой прямого детектирования на основе калибровки сигналов с помощью стационарных эталонов и/или подвижных эталонов и/или аэроэталонов, установку для натурных измерений лазерно-локационных характеристик объектов когерентной лазерной измерительной системой на основе калибровки сигналов с помощью имитаторов движущегося объекта и/или аэроэталонов. Натурная модель для испытания лазерных локационных систем с использованием имитаторов объектов и помех содержит лазерную локационную систему для проведения натурных испытаний, комплект имитаторов объектов и комплект имитаторов помех. Съемный блок памяти исходных данных ЭВМ содержит базу данных по отражательным характеристикам внешних покрытий объектов, математическим моделям их внешней поверхности, базу данных по отражательным характеристикам световозвращающих элементов, ложных объектов и пространственно-распределенных помех, базу данных по прозрачности и турбулентности атмосферы, базу данных по элементам лазерных локационных систем и параметрам режимов их работы, включая тип модуляции сигналов, режим детектирования - прямое, гетеродинный прием, режим счета фотонов, базу данных по параметрам траекторий и кинематики движения объектов и носителей лазерных локационных систем. Съемный блок памяти программ расчета лазерно-локационных характеристик объектов содержит программу расчета лазерно-локационных характеристик первого и/или второго уровня. Съемный блок памяти информационных показателей качества лазерных локационных систем содержит программу расчета информационных показателей качества лазерных локационных систем на основе множества лазерно-локационных характеристик первого и/или второго уровня, а также баз данных по прозрачности и турбулентности атмосферы, элементам лазерных локационных систем и параметрам режимов их работы, параметрам траекторий и кинематики движения объектов и носителей лазерных локационных систем.
Выполнение комплекса оптимизации параметров лазерных локационных систем, содержащего соединенные между собой через ЭВМ обработки результатов оптимизации цифровую модель синтеза лазерно-локационных характеристик объектов, цифровую модель оценки детерминированных и статистических характеристик локационных полей и сигналов, натурную модель для определения отражательных характеристик объектов их внешних покрытий и оптических характеристик локационных трас, натурную модель для испытания лазерных локационных систем с использованием имитаторов объектов и помех, причем ЭВМ обработки результатов оптимизации содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения процессор, оперативно запоминающее устройство, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, вводно-выводное устройство, съемный блок памяти исходных данных, съемный блок памяти программ расчета лазерно-локационных характеристик объектов и съемный блок памяти программ расчета информационных показателей качества лазерных локационных систем, позволяет учесть особенности лазерного диапазона ЭМВ по сравнению с радиодиапазоном, проводить измерение и оптимизацию параметров ЛЛС в лазерном диапазоне, охватывающем ИК, видимый и УФ диапазоны ЭМВ и, как следствие, позволяет решить поставленную техническую задачу, заключающуюся в расширении функциональных возможностей комплекса по оптимизации параметров ЛЛС.
Рациональное выполнение элементов комплекса позволяет дополнительно учесть в натурных и математических моделях комплекса задаваемые изменения отражательных свойств поверхностей объектов в ИК, видимом и УФ диапазонах, влияние сопутствующих движению объектов физических явлений, детерминированные и статистические характеристики лазерных локационных полей и сигналов, компенсировать активную фоновую засветку при измерениях ЛЛХ объектов в закрытом павильоне, обеспечить калибровку сигналов при измерениях ЛЛХ объектов на открытой трассе с помощью стационарных эталонов и/или подвижных эталонов и/или аэроэталонов, учесть особенности режимов работы ЛЛС, параметров их траекторий и кинематики движения объектов и носителей ЛЛС. Следствием этого является дополнительное расширение функциональных возможностей комплекса при одновременном повышении точности результатов оптимизации ЛЛХ ЛЛС.
На фиг.1 представлена функциональная схема комплекса оптимизации параметров лазерных локационных систем в ИК, оптическом и УФ диапазонах ЭМВ, на фиг.2 - функциональная схема цифровой модели синтеза лазерно-локационных характеристик объектов, и цифровой модели оценки детерминированных и статистических характеристик локационных полей и сигналов, на фиг.3 - функциональная схема натурной модели для определения отражательных характеристик объектов их внешних покрытий и оптических характеристик локационных трас, на фиг.4 - функциональная схема натурной модели для испытания лазерных локационных систем с использованием имитаторов объектов и помех, а на фиг.5 - функциональная схема ЭВМ для управления и обработки результатов оптимизации.
Комплекс оптимизации параметров лазерных локационных систем, включает соединенные между собой (через интерфейсные линии связи и ЭВМ 1 управления и обработки результатов оптимизации) цифровую модель (ЦМ) 2 синтеза лазерно-локационных характеристик объектов, цифровую модель (ЦМ) 3 оценки детерминированных и статистических характеристик локационных полей и сигналов, натурную модель (НМ) 4 для определения отражательных характеристик объектов их внешних покрытий и оптических характеристик локационных трас, натурную модель (НМ) 5 для испытания лазерных локационных систем с использованием имитаторов объектов и помех.
При этом цифровая модель 2 синтеза лазерно-локационных характеристик объектов содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения модуль 2.1 оценки характеристик рассеяния лазерного излучения на плоском элементе шероховатой поверхности [22], модуль 2.2 синтеза индикатрис рассеяния образцов внешних покрытий объектов [11, 23], модуль 2.3 расчета характеристик эффективной площади рассеяния корпусов объектов с учетом задаваемого изменения их отражательных свойств [11, 25], модуль 2.4 расчета лазерно-локационных характеристик малоразмерных образований, окружающих объект [24], модуль 2.5 расчета лазерно-локационных характеристик движущихся объектов с учетом влияния сопутствующих их движению физических явлений [25], модуль 2.6 оценки лазерно-локационных характеристик объектов для когерентных лазерных локационных систем [9, 12]. Цифровая модель 3 оценки детерминированных и статистических характеристик локационных полей и сигналов содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения модуль 3.1 оценки статистического распределения амплитуды сигнала, отраженного от диффузно-зеркального объекта лазерно-локационного поля [11, 13] и модуль 3.2 учета эффекта вырождения зеркального компонента в когерентный сигнал [14]. Натурная модель 4 для определения отражательных характеристик объектов, их внешних покрытий и оптических характеристик локационных трас содержит установку 4.1 для измерений лазерно-локационных характеристик объектов и их покрытий в закрытом павильоне с компенсацией активной фоновой засветки, установку 4.2 для измерений ЛЛХ объектов на открытой трассе с калибровкой сигналов с помощью адаптивных зеркально-диффузных эталонов, установку 4.3 для натурных измерений лазерно-локационных характеристик объектов и оптических характеристик локационных трас лазерной измерительной системой прямого детектирования на основе калибровки сигналов с помощью стационарных эталонов и/или подвижных эталонов и/или аэроэталонов, установку 4.4 для натурных измерений лазерно-локационных характеристик объектов когерентной лазерной измерительной системой на основе калибровки сигналов с помощью имитаторов движущегося объекта и/или аэроэталонов. Натурная модель 5 для испытания лазерных локационных систем с использованием имитаторов объектов локации и помех содержит саму ЛЛС 5.1 для проведения натурных испытаний [19, 32], комплект 5.2 имитаторов объектов локации и эталонов [15,18] и комплект 5.3 имитаторов помех [9, 28]. ЭВМ 1 обработки результатов оптимизации содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения процессор 1.1, оперативно запоминающее устройство (ОЗУ) 1.2, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) 1.3, вводно-выводное устройство (ВВУ) 1.4, съемный блок 1.5 памяти исходных данных, съемный блок 1.6 памяти программ расчета ЛЛХ объектов и съемный блок 1.7 памяти программ расчета информационных показателей качества лазерных локационных систем. Съемный блок 1.5 памяти исходных данных ЭВМ содержит базу данных по отражательным характеристикам внешних покрытий объектов, математическим моделям их внешней поверхности, базу данных по отражательным характеристикам световозвращающих элементов, ложных объектов и пространственно-распределенных помех, базу данных по прозрачности и турбулентности атмосферы, базу данных по элементам лазерных локационных систем и параметрам режимов их работы, включая тип модуляции сигналов, режим детектирования - прямое, гетеродинный прием, режим счета фотонов, базу данных по параметрам траекторий и кинематики движения объектов и носителей лазерных локационных систем. Съемный блок памяти 1.6 программ расчета лазерно-локационных характеристик объектов содержит программу расчета ЛЛХ первого и/или второго уровня. Съемный блок памяти 1.7 информационных показателей качества ЛЛС содержит программу расчета информационных показателей качества ЛЛС на основе множества ЛЛХ первого и/или второго уровня, а также баз данных по прозрачности и турбулентности атмосферы, элементам ЛЛС и параметрам режимов их работы, параметрам траекторий и кинематики движения объектов и носителей ЛЛС. Для обеспечения возможности управления измерением и оптимизацией ЛЛХ ЛЛС в реальном масштабе времени элементы 1÷5 комплекса соединены между собой интерфейсными линиями связи. Цифровые модели 2 и 3 выполнены на базе промышленных компьютеров с соответствующим программным обеспечением и интерфейсом, а натурные модели 4 и 5 дополнительно оснащены соответствующими аналого-цифровыми (АЦП), цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) и/или интерфейсными вводно-выводными устройствами типа «USB-3000» для соединения с управляющей ЭВМ 1.
Комплекс оптимизации параметров лазерных локационных систем работает следующим образом.
Перед началом работы комплекса оптимизации параметров ЛЛС на натурную модель 4 устанавливают объекты локации для исследования их отражательных характеристик, а на натурную модель 5 ЛЛС, например лазерный локатор, для оценки качества его функционирования в условиях, приближенных к условиям полигона с использованием имитаторов объектов локации и помех. Одновременно к ВВУ 1.4 ЭВМ 1 подключают съемные блок 1.5 памяти исходных данных, блок 1.6 памяти программ расчета ЛЛХ объектов и блок 1.7 памяти программ расчета информационных показателей качества лазерных локационных систем. Затем подают электропитание на элементы 1-5 комплекса. При выходе комплекса на рабочий режим данные съемных блоков 1.5÷1.7 памяти вводятся в ППЗУ 1.3 и ОЗУ 1.2 соответственно по программам и исходным данным оптимизации ЛЛС. Далее по введенной программе и под наблюдением оператора ЭВМ 1 процессор 1.1 в текущем масштабе времени выдает текущие исходные данные и команды управления для каждой модели 2÷5 о режимах испытаний и пространственного изменения положения ЛЛС и его локационного объекта относительно друг друга. При этом в натурной модели 4 производится высокоточное измерение пространственно-временных индикатрис рассеяния объектов локации на основе сравнения их с ЭПР эталонных образцов в ИК, оптическом и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитных волн. Одновременно в натурной модели 5 производится исследование ЛЛС с использованием имитаторов объектов локации и помех. Данные исследований моделей 2 и 5 в текущем режиме времени передаются в ЭВМ 1 для расчета лазерно-локационных характеристик первого (ЛЛХ 1) и второго (ЛЛХ 2) уровня и информационных показателей качества (ИПК) ЛЛС. Рассчитанные текущие значения величин ЛЛХ 1, ЛЛХ 2, ИПК ЛЛС передаются в реальном масштабе времени на модель 2 синтеза ЛЛХ. Модель 2 по локальной поисковой программе, например с использованием градиентного метода, проводит поиск сочетаний (вектора) значений ЛЛХ объектов локации, лучших (условно оптимальных) по отношению к обобщенному показателю качества ИПК ЛЛС при ограничениях на стоимость ЛЛС. Далее условно оптимальный вектор значений ЛЛХ и направление (градиент движения) в направлении улучшения ИПК ЛЛС передается с модели 2 на ЭВМ 1 непосредственно для уточнения расчета ЛЛХ объекта локации и через модель 3 оценки детерминированных и статистических характеристик результатов синтеза на ЭВМ 1 для ограничения объема поиска ЛЛХ и уточнения численных значений ИПК ЛЛС на очередном шаге итерации и движения к глобальному минимуму ЛЛХ объекта локации и/или максимуму ИПК ЛЛС при заданных технических и экономических ограничениях на разработку ЛЛС.
opt
opt
opt,
opt
При достижений глобального ЛЛХ минимума ЛЛХ объекта локации и/или ИПК максимума ИПК ЛЛС при заданных технических и экономических ограничениях на разработку ЛЛС процесс измерений и оптимизации завершается. Данные результатов оптимизации ЛЛХ ИПК выводятся на монитор ЭВМ 1 и через ВВУ 1.4 на съемный блок 1.7 памяти результатов оптимизации.
Полезная модель разработана на уровне технического предложения, натурного и математического моделирования. Результаты моделирования показали техническую осуществимость полезной модели и достижение заявленного технического результата.
Источники информации:
1. RU 2329475, кл. G01J1/00, 2007.
2. RU 2305852, кл G01S7/40, G01R29/08, 2007.
3. RU 95110342, кл. G01R29/08, 1997.
4. RU 2326400, кл. G01S13/00, 2008.
5. WO 2005109253, МПК: G06F 17/50, 2005
6. RU 2275685, МПК: G06F 17/00, 2006.
7. RU 2295759, МПК: G06F 17/00, 2007.
8. RU 2326431, МПК: G06F 17/00, 2008.
9. Сигналы и помехи в лазерной локации / В.М. Орлов, И.В. Самохвалов, Г.М. Креков и др.; Под редакцией В.Е. Зуева. - М.: Радио и связи, 1985, - 264 с.
10. Протопопов В.В., Устинов Н.Д. Инфракрасные лазерные локационные системы. - М.: Воениздат, 1987.. - 175 с.
11. Хмаров И.М., Прохоров В.А., Прохоров А.В. Информационно-расчетная система "Рапира" для определения широкого набора лазерно-локационных и сигнальных характеристик объектов. //Сборник трудов Всероссийской научно-технической школы-семинара "Передача, обработка и отображение информации при быстропротекающих процессах", РАРАН, Москва, 2007 г., стр.288-291.
12. Хмаров И.М., Храмичев А.А., Канивец В.Ю. Определение эффективной площади рассеяния летательных аппаратов в широком диапазоне длин волн лазерного излучения. // Сборник статей ЦАГИ, Москва. 2002, вып.2657.
13. Устинов Н.Д., Матвеев И.Н., Протопопов В.В. Методы обработки оптических полей в лазерной локации. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983, - 272 с.
14. Хмаров И.М., Мелихов Ю.Н., Шевченко Л.Ф. Уточненное статистическое описание отраженного от объекта лазерно-локационного поля /Радиотехника, №7, 2008, стр.111-113.
15. Pack R.Т., Swaseyb J., Fullmer R. Eye-Safe LADAR Test-Bed with Coaxial Color Imager /Proc. of SPIE Vol.7323, (732303), 2009 p.1-9.
16. Jafollaa J., Reynoldsb W. Bidirectional reflectance measurements for high resolution signature modeling /Proceedings of SPIE,Vol.5431, 2004,p.l84-197.
17. Шереметьев А.Г. Статистическая теория лазерной связи. - М.: Связь. 1971,-264 с.
18. Основы импульсной лазерной локации: Учебное пособие для вузов / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.М. Орлов и др.; под редакцией В.Н. Рождествина. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 512 с.
19. Redman В.С., Stann В., Lawler W., Chirped AM Ladar for Anti-ship Missile Tracking and Force Protection 3D Imaging: Update/ Proc. of SPIE Vol.6214, 62140O, 2006,p.1-15.
20. Savage 1 J., Coker C., Thai B. Irma 5.2 multi-sensor signature prediction model/Proc. of SPIE Vol.6564, 656403, 2007,p.1-12.
21. Хмаров И.М., Канивец В.Ю., Кондрашов Н.Г. Методика выбора основных технических параметров бортовых лазерных локационных средств при локации малозаметных наземных целей.// Сборник трудов Всероссийской научно-технической школы-семинара "Передача, обработка и отображение информации при быстропротекающих процессах", РАРАН, Москва, 2007 г., стр.283-287.
22. Beecroft M.T., Neu J.T., Jafolla J. Bidirectional reflectance data to support paint development and signature calculations /SPIE Vol.1753 Stray Radiation in Optical Systems 11(1992)p.304-316.
23. Jafollaa J.C., Stokesa J.A., Sullivanb R.J. Phenomenological BRDF Modeling for Engineering Applications /SPIE Vol.3141, 1971,p.281-292.
24. Rabarijaona E., Reed R.A. Impact of Condensation Upon LIDAR Observabies from Aluminized Solid Propellant Rocket Contrails/Proc. Of SPIE Vol.6214,p.1-4.
25 Savage1 J., Coker C., Thai B. Irma 5.2 multi-sensor signature prediction model /Proc. of SPIE Vol.6965, 69650A, 2008,p.1-9.
26. Протопопов В.В., Устинов Н.Д. Лазерное гетеродинирование. / Под редакцией Н.Д. Устинова. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1985. - 228 с.
27. Непогодин И.А. Отражательные характеристики и информативность признаков (сигнатур) объектов и фонов в лазерной локации.//«Научно-производственное объединение «Государственный институт оптики» (1957-1997 г.г.)»/ под редакцией С.Д. Мирумянца, Часть II, - Казань «Дом печати», 1997. Стр. 428-457.
28. Хмаров И.М., Храмичев А.А., Вишняков А.С., Зайцев А.С. Тепловые имитаторы для испытаний инфракрасных обзорных и следящих систем и оценки заметности аэродинамических объектов. // Сборник статей ЦАГИ, Москва, 2002, вып.2657.
29. Зарубин B.C. Математическое моделирование в технике: Учебное пособие для вузов / Под редакцией B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 496 с.
30. Попело В.Д., Мордвинова Ю.А. Модель процесса лазерной локации произвольного малоразмерного отражателя в случайно-неоднородной среде // Радиотехника. - 1997, №6.
31. Малашин М.С., Каминский П.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем: Учебное пособие для радиотехнических спец. Вузов - М.: Высшая школа, 1983. - 207 с.
32. Хохлов В.К. Обнаружение, распознавание и пеленгация объектов в ближней локации: Учебное пособие. - М: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 336 с.