Методика разработки обобщенной компьютерной модели оптико-электронной системы

УДК 681.78.01

И. П. ТОРШИНА

Московский государственный университет геодезии и картографии

МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ ОБОБЩЕННОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ

Рассматриваются обобщенная компьютерная модель оптико-электронной системы (ОЭС) и методы моделирования фоно-целевой обстановки работы ОЭС.

При проектировании систем отдельного класса компьютерное моделирование обеспечивает общий подход к описанию условий работы и особенностей оптико-электронных систем (ОЭС), а также позволяет вносить различные коррективы практически на любых этапах проектирования. Под компьютерной моделью ОЭС (КМОЭС) понимается математическое описание структуры и процесса функционирования ОЭС на каком-либо языке программирования для персонального компьютера. Обобщенная для отдельного класса или группы оптико-электронных систем компьютерная модель должна отражать самые важные особенности функционирования и описывать их наиболее общие конструктивные признаки.

Методика составления обобщенной КМОЭС базируется на основе блочно-иерархического подхода [1, 2], который заключается в разделении представлений об объекте моделирования на несколько иерархических уровней, различающихся степенью детализации представлений об ОЭС и ее функционировании, а также ряде допущений. Структура обобщенной КМОЭС представлена в виде отдельных функциональных модулей на рис. 1 [3, 4 и др.].

Рис. 1

В модуле „Фоно-целевая обстановка" (ФЦО) описываются излучатели (субъекты ФЦО), участвующие в формировании сигнала, приходящего на входной зрачок ОЭС, и условия работы системы, в частности, среда распространения оптических сигналов, которой часто является атмосфера. Излучателями могут быть объекты наблюдения (цели), источники подсветки этих объектов, например прожекторы или лазеры, а также фоны и помехи, например естественные излучатели — подстилающая поверхность (ландшафт), небо, облачность, Солнце, атмосфера и др. В модуле учитывается взаимное расположение источников излучения.

В модуле „Структура ОЭС" (рис. 2) представлен процесс преобразования сигнала, проходящего от входного зрачка системы до выходного блока, которым, например, может являться система отображения информации (дисплей). Такой подход к описанию определяется функциональной связью между отдельными звеньями ОЭС в предположении, что все звенья системы работают в линейном режиме, а общая частотная характеристика ОЭС является произведением передаточных функций ее отдельных звеньев [3, 5, 6].

Результат решения задач, стоящих перед КМОЭС, а именно синтеза и анализа ОЭС, процесса оптимизации как всей системы, так и отдельных структурных элементов ОЭС, оценивается с помощью различных критериев качества, поэтому в структуру КМОЭС (см. рис. 1) введен отдельный модуль „Критерии качества".

Рис. 2

Вид и форма представления результата работы КМОЭС формируются алгоритмами модуля „Результат работы КМОЭС".

Структура КМОЭС должна также включать в себя базу данных (БД) [3, 7], в которой систематизированы сведения о параметрах и характеристиках отдельных звеньев и элементов системы, субъектов ФЦО, а также возможные алгоритмы функционирования системы и математический аппарат описания процессов преобразования сигнала в структуре ОЭС.

Кроме того, модель ОЭС не может состоять из полностью детерминированных процедур (алгоритмов). В ней должны предусматриваться эвристические процедуры, т.е. КМОЭС должна прежде всего, позволить вычленять эти процедуры. Эту возможность работы с моделью обеспечивает интерактивный, диалоговый режим работы пользователя системы с компьютером. Программа КМОЭС, построенная по такому принципу, позволяет „вручную" выбирать соответствующую структуру отдельных блоков ОЭС и т.п. Необходимые процедуры управления работой КМОЭС сосредоточены в отдельном модуле „Интерфейс пользователя".

Рассмотрим методологию составления модуля КМОЭС „Фоно-целевая обстановка", поскольку другим модулям посвящено достаточно много публикаций, в частности [4—8].

Как известно, источники излучения могут быть описаны спектральными, энергетическими, геометрическими, динамическими и другими параметрами и характеристиками. При формировании КМОЭС и субмодели ФЦО, в частности, целесообразно сначала сформулировать соотношения, которые связывали бы воедино основные геометрические параметры и взаимное расположение источников излучения и ОЭС, прежде всего, ее оптической системы. Знание этих соотношений уже на первых этапах моделирования помогает оценить вклад отдельных составляющих оптического сигнала, приходящего на вход ОЭС от различных излучателей, т.е. провести их ранжирование. Это позволяет исключить из дальнейшего энергетического расчета те составляющие, вклад которых в общий сигнал незначителен, что заметно упрощает дальнейшую работу с КМОЭС.

В модуле целесообразно выделить отдельные, более простые структурные единицы — субмодели ФЦО: „Условия работы" и „Субъект ФЦО". В субмодели „Условия работы" могут задаваться спектральные диапазоны работы ОЭС, время года, время суток, состояние атмосферы, климатические и погодные условия, географические данные, системы координат и др. Данные, с которыми работает моделируемая ОЭС, могут содержать сведения о координатах ОЭС и наблюдаемого объекта (широта, долгота, высота), о топографических признаках территории (тип местности, растительность, наличие водоемов и т.п.). Задаваемые климатические и метеоусловия определяют наличие тех или иных фоновых и помеховых излучателей, состояние атмосферы, типы облачности. Во многих случаях учет этих особенностей необходим для оценки излучательных способностей субъектов ФЦО и условий прохождения сигналов на трассах от них до ОЭС, а также выбора источника излучения для подсветки объекта при активном методе работы ОЭС.

Для описания пространства субъектов ФЦО в субмодели „Условия работы" на начальных этапах расчета, когда динамика процессов обнаружения цели, слежения за ней и др. может не рассматриваться, а излучение цели, фона, помех принимается аддитивным и статиче-

ским, удобна так называемая объектная система координат — трехмерная, сформированная таким образом, чтобы объект наблюдения находился в начале системы координат, а оси системы совпадали бы с осями объекта. Субъекты ФЦО описываются геометрическими размерами, а их расположение задается зенитными и азимутальными углами, а также расстояниями. При использовании объектной системы координат требуется сравнительно небольшое число входных данных, алгоритмы расчета на последующих этапах проектирования ОЭС достаточно просты. Это объясняется тем, что области работы системы и по времени, и по территориально-климатическому расположению для большинства практических применений модели в достаточной степени конкретизированы.

В субмодели „Субъект ФЦО" описываются источники излучения, участвующие в формировании сигнала на входе ОЭС. Разработка этой субмодели может базироваться на следующих положениях.

1. Субъекты ФЦО целесообразно разделить на следующие группы: „Объекты", „Фон", „Атмосфера", „Помехи", „Источник подсветки". Принадлежность к той или иной группе подразумевает специфику или особенности расчета сигналов от данного субъекта ФЦО. Например, „Атмосфера" может рассматриваться как источник собственного и рассеянного излучения, как фактор, снижающий скорость потоков, приходящих от всех субъектов сцены на вход ОЭС, а также в качестве среды, влияющей на теплообмен между отдельными субъектами ФЦО. В качестве фона могут выступать, например, группы „Ландшафт", „Водная поверхность", „Небосвод", различающиеся физической природой и пространственной макро- и микроструктурой и имеющие особенности математического описания. Введение данной классификации позволяет также значительно упростить последующую работу с БД КМОЭС.

2. Излучатели, как правило, имеют сложные излучающую и отражающую поверхности. Многие излучатели, в том числе и наблюдаемые объекты (цели), с той или иной степенью приближения могут быть представлены в виде ограниченного числа упрощенных геометрических структур правильной формы — прямоугольников, треугольников, кругов, многогранников и т.д. [9,10]. По этой причине для каждого субъекта ФЦО целесообразно сначала произвести фасетирование субъекта ФЦО, т.е. разбить поверхность субъекта ФЦО на множество плоских геометрических фигур правильной формы — фасетов, а затем задать их расположение в системе координат для субмодели „Условия работы".

3. В обобщенной модели излучатели можно разделить на группы: точечные, протяженные (перекрывающие все угловое поле ОЭС) и площадные. Такая классификация позволяет использовать в КМОЭС известные формулы для расчета яркости [5, 8], поэтому для каждого фасета наряду с ориентацией в заданной системе координат, геометрическими размерами и формой должен быть определен тип излучателя.

4. Сигналы, приходящие на вход ОЭС от субъектов ФЦО, могут создаваться за счет их собственного (прямого) и отраженного излучения. Для каждого фасета необходимо установить, источником каких составляющих сигнала он является. Если фасет попадает в угловое поле оптической системы ОЭС и ее „видимости" для ОЭС не препятствуют другие фасеты, то он является источником прямого излучения. Для этого фасета необходимо рассчитать видимую для ОЭС площадь и определить фасеты других субъектов ФЦО, излучение от которых он отражает во входной зрачок ОЭС. В свою очередь фасеты, которые не являются источниками прямого излучения, могут отражать на видимый для ОЭС фасет излучение, отраженное от других фасетов. Для расчета этих („переотраженных") составляющих целесообразно рассчитать видимость фасетов по отношению к другим.

5. Для расчета составляющих сигнала от фасета необходимо знать теплофизические свойства последнего и характеристики отражения. Эти свойства и характеристики могут быть заданы или выбраны из БД КМОЭС в соответствии с группой субъекта ФЦО.

6. Очевидно, что вклад различных субъектов ФЦО (их фасетов) в общий сигнал неравнозначен. Целесообразно определить отдельные составляющие, которые вносят наибольший вклад в сигнал на входе ОЭС и, напротив, определить, какими составляющими можно пренебречь при моделировании ОЭС, т.е. провести ранжирование (распределение по приоритету) составляющих входного сигнала. Эта процедура позволяет не только упростить расчет входных сигналов и решение задач синтеза и анализа ОЭС, но и сократить перечень исходных данных, используемых в КМОЭС, а также исключить из дальнейших расчетов источники излучения, вклад которых в общий сигнал незначителен. Основным показателем правомерности проведения ранжирования является выполнение критериев качества, предъявляемых к системе. Используемые для ОЭС критерии качества (отношение сигнал/шум, разность температур, вероятности обнаружения, распознавания и др.) в различной степени зависят от изменения входного сигнала. Для проведения ранжирования необходимо оценить эти зависимости, например, методом полного дифференциала. Результатом дифференцирования является определение зависимости допуска на ранжирование от допуска на критерий качества системы.

Алгоритм ранжирования составляющих сигнала на входе ОЭС может быть следующим. Рассчитывается допуск на ранжирование в зависимости от допуска на критерий качества, затем определяются составляющие сигнала, сумма значений которых „попадает в этот допуск". Для этого в алгоритме ранжирования все составляющие сигнала, приходящего на входной зрачок ОЭС, сортируются по убывающей. Затем, начиная с минимального значения, производится суммирование составляющих до того момента, пока сумма будет меньшей или равной допуску на ранжирование. Как только она превысит этот допуск, процедура ранжирования останавливается, и выдается перечень составляющих сигнала, исключение которых из дальнейших расчетов не повлечет за собой изменений в заданном критерии качества работы ОЭС. Следом за этими данными выдаются оставшиеся составляющие входного сигнала, пересчитанные в процентном отношении к результирующему полезному сигналу, что позволяет пользователю при дальнейшем выборе структуры ОЭС обосновать необходимость выбора ряда конструктивных элементов системы.

Представленная методика разработки первого модуля обобщенной КМОЭС (см. рис. 1) позволяет рассчитать сигналы, приходящие на вход ОЭС, и перейти к следующим этапам моделирования КМОЭС — сформировать модули „Структура ОЭС", „Критерии качества" и „Результат работы КМОЭС".

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Автоматизация проектирования оптико-электронных приборов: Уч. пособие для вузов / Л. П. Лазарев, В. Я. Колючкин, А. Н. Метелкин и др. М.: Машиностроение, 1986. 216 с.

2. Системы автоматизации проектирования в радиоэлектронике: Справочник / Е. В. Авдеев, А. Т. Еремин, И. П. Норенков, М. И. Песков. М.: Радио и связь, 1986. 368 с.

3. Проектирование оптико-электронных приборов / Ю. Б. Парвулюсов, С. А. Родионов, В. П. Солдатов и др. Под ред. Ю. Г. Якушенкова. М.: Логос, 2000. 488 с.

4. Максимова Н. Ф., Сагитов К. И., Якушенков Ю. Г. Компьютерная модель тепловизионной системы // Оптико-электронные системы визуализации и обработки оптических изображений. Вып. 1. М.: ЦНИИ „Циклон", 2001. С. 133—138.

5. Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Логос, 2004. 472 с.

6. Holst G. С. Electro-optical imaging system performance // Proc. SPIE. Vol. PM-84. Winter Park, FL: JCD Publishing, 2000. 438 p.

7. Торшина И. П. Формирование баз данных для компьютерной модели оптико-электронной системы // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2002. № 3. С. 149—155.

8. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы „смотрящего" типа. М.: Логос, 2004. 444 с.

9. Moulton J. R. and Fink C. E. Ray-tracing approach for realistic hyperspectral forest canopies // Proc. SPIE. 2002. Vol. 4718. P. 46—64.

10. Owens M., Wellfa M., Forster J., Watson J. Irma 5.0. Multi-Sensor Signature Prediction Model // Proc. SPIE. 1999. Vol. 3699. P. 249—266.

Рекомендована университетом Поступила в редакцию

19.03.07 г.