Анализ качества обнаружения и селекции аэродинамического объекта информационной системой с оптическим и электростатическим датчиками в условиях сигналоподобных помех Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.373.826

АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ОБНАРУЖЕНИЯ И СЕЛЕКЦИИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ С ОПТИЧЕСКИМ И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ДАТЧИКАМИ В УСЛОВИЯХ СИГНАЛОПОДОБНЫХ ПОМЕХ

С.В. Утемов

Предложен принцип построения системы обнаружения и селекции аэродинамического объекта информационной системой с оптическим и электростатическим датчиками. Разработана методика оценки эффективности и проведен анализ работы этой системы в условиях фоновых и сигналоподобных помех

Ключевые слова: оптический датчик, сигналоподобные помехи

В последнее время всё большее внимание уделяется созданию информационных систем автоматического обнаружения, распознавания и классификации объектов различного назначения. Однако разработка этих систем во многом сдерживается отсутствием надёжных и эффективных алгоритмов обработки сигналов от обнаруживаемых объектов, а также высокой частотой ложных срабатываний в условиях помех естественного и искусственного происхождения.

Одним из методов борьбы с помехами является применение траекторной селекции объекта с использованием в качестве признака распознавания величины скорости объекта [1-3]. Использование скорости объекта в качестве признака распознавания позволяет селектировать, например, наземные и аэродинамические объекты, а множество аэродинамических объектов разбить на классы, например, управляемых ракет и неуправляемых снарядов, которые по сравнению с управляемыми ракетами имеют более высокие скорости полёта [4-6].

Ранее в работе [7] проведён синтез оптимального измерителя скорости объекта информационной системой с оптическим датчиком (ОД) и определена область его применения для решения задач селекции различных объектов по их скорости. Показано, что синтезированный измеритель позволяет с достаточно высокой точностью 5... 10% распознавать низкоскоростные объекты, движущиеся со скоростью У<25...30м/с. Однако в ряде случаев возникает задача обнаружения и селекции высокоскоростных аэродинамических объектов, летящих со скоростью V> 100м/с. Анализ качества работы синтезированного в работе [8] оптимального измерителя, в котором обеспечивается согласованная обработка поступающей информации по совместной оценке величины скорости объекта информационной системой с оптическим и электростатическим датчиками (ЭД), показал, что среднеквадратические ошибки измерений такого комплексированного измерителя не превышают 2,5.5,0 м/с при скоростях объектов V > 100м/с, что делает целесообразным использование информационной системы с параллельной обра-

Утемов Сергей Владимирович - ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, тел. (4732) 209236

боткой сигналов от ОД и ЭД для измерения скоростей аэродинамических объектов.

Однако оценка потенциальных возможностей информационных систем с оптическим датчиком и комплексированным измерителем скорости объекта проводилась в [7, 8] для случая работы ОД и ЭД в условиях только фоновых помех в виде аддитивного белого шума. В то же время необходимо учитывать, что обработка и анализ сигналов при автоматическом обнаружении и селекции аэродинамических объектов, как правило, происходят в условиях не только фоновых, но и сигналоподобных помех, под которыми понимаются помехи, сравнимые с полезным сигналом по спектральным, энергетическим и временным характеристикам. Кроме того, использование скорости объекта в качестве признака распознавания и классификации не исключает ложные срабатывания информационной системы при определении момента и направления пересечения объектом контролируемой зоны, а также селекции однородных объектов (объектов, идентичных по скорости, а также спектральным, энергетическим и временным характеристикам), например, управляемых ракет, по признаку «свой-чужой».

Ранее в [9] предложена информационная система с ОД, особенностью которой является применение в датчике нескольких приёмных каналов с непересекающимися в пространстве полями зрения. Эта система позволяет классифицировать объекты по их скорости полёта.

Основным недостатком этой системы является невозможность селекции объектов по направлению их полёта при пересечении ими контролируемой зоны. Кроме того, эта система обладает низкой помехозащищенностью в условиях как естественных помех (световых вспышек различного происхождения), так и преднамеренных помех, создаваемых, например, путём сканирования контролируемой зоны оптическим лучом в направлении и со скоростью обнаруживаемых объектов.

Цель статьи - разработка принципа построения информационной системы обнаружения и селекции высокоскоростных объектов и анализ качества её функционирования в условиях сигналоподобных помех.

На основе рассмотренной в [9] оптической сис-

темы измерения скорости предлагается новый принцип построения информационной системы, способной решать задачи обнаружения и селекции высокоскоростных аэродинамических объектов по скорости и направлению их пролёта контролируемой зоны и обладающей высокой помехозащищённостью в условиях как фоновых, так и сигналоподобных помех.

Структурная схема построения информационной системы показана на рис. 1, а временные диаграммы, поясняющие принцип её действия, - на рис. 2.

Рис. 1. Структурная схема построения информационной системы

В основу построения этой системы положена согласованная параллельная обработка сигнала оптическим и электростатическим датчиками. При этом для селекции аэродинамических объектов по скорости оптический датчик содержит N приёмных каналов (ПР), поля зрения которых не пересекаются и делят зону обнаружения датчика на N отдельных зон. Центры этих зон располагаются в вершинах правильного ^-угольника. Решение об обнаружении сигнала в каждом приёмном канале ОД принимается в случае превышения этим сигналом порогового уровня. Для исключения ложных срабатываний при попадании в приёмные каналы ОД прямого солнечного излучения поля зрения приёмных каналов ориентированы в направлении на подстилающую поверхность. При обнаружении сигнала в одном приёмном канале в остальных каналах выставляется

стробирующий импульс (строб), длительность которого соответствует скоростям полёта аэродинамических объектов. Решение о селекции объекта принимается в случае попадания сигнала хотя бы в один из (N-1) выставленных стробов. Одновременная засветка сразу нескольких приёмных каналов не приводит к ложному (несанкционированному) срабатыванию ОД.

иси А

"Цфп

ТТстр

1^11 еды

п п

строб П П

а) Пересечение контролируемой зоны объектом- нарушителем

И,™

"Чфп

Цстр

Илии

Ж

п п

ППП

б) Пересечение контролируемой зоны своим объектом

Псд 1_0_[Ц]_[1

ХТфл

и, и„

п п

спр

п п

гс

е) Пересечение контрапируе: объектом, имеющим Воль

*

мои зоны ектом, имеющим Большую (мвньшузо) скорость

ифп ' к п п

"Цстр л 1 п п 1 1 .

ЦреЛ1 ^ к

г) Сигнапошдобные помехи Рис. 2. Временные диаграммы работы информационной системы

Для исключения срабатывания информационной системы по своим объектам производится определение направления пролёта объекта через зону действия оптического датчика путём автоматического разделения N каналов на две равные группы по уровню снимаемых с их выходов сигналов и определения очередности прихода сигналов в каналы ОД [10-12].

Автоматическое разделение N каналов датчика на две группы обеспечивается за счёт использования N оптронов, между светодиодами (СД) и фотодиодами (ФП) которых размещён светофильтр, состоящий из двух половин с различными коэффициентами пропускания излучения светодиодов и ориентированный в пространстве таким образом, чтобы линия раздела этих половин располагалась параллельно границе контролируемой зоны.. Для автоматической ориентации светофильтра в пространстве ис-

пользуется чувствительный элемент магнитного компаса [10-12].

Для исключения несанкционированного срабатывания информационной системы при воздействии на ОД преднамеренных оптическмх помех, создаваемых путём сканирования контролируемой зоны оптическим лучом в направлении и со скоростью обнаруживаемых объектов, осуществляется параллельная обработка сигналов, принимаемых электростатическим датчиком.

С учётом алгоритма обработки сигналов в информационной системе оценим возможности обнаружения и селекции объектов и обоснуем её основные технические характеристики. При этом, поскольку основные помехи создаются в канале приёма сигналов ОД, качество функционирования информационной системы будет определяться качеством обнаружения и селекции объекта с помощью оптического датчика.

Эффективность обнаружения и селекции объекта с помощью оптического датчика определяется как характеристиками ОД (радиусом обнаружения, числом приёмных каналов, отношением сигнал/шум в каждом из них, углом поля зрения приёмного канала), так и алгоритмами обработки сигналов и принятия решения в ОД. Оценим эффективность обнаружения и селекции объекта в условиях сигналоподобных помех.

Эффективность обнаружения объекта

В соответствии с принципом действия датчика для обнаружения объекта необходимо, чтобы сигнал от излучения факела его двигателя попал хотя бы в один из N/2 приёмных каналов ОД и был обнаружен в нём. Вероятность этого события зависит от размеров зон обнаружения приёмных каналов и их взаимного расположения, ширины полосы, засвечиваемой на подстилающей поверхности излучением факела двигателя объекта, и определяется из выражения:

2г +1

2г + Ь

если I < Ь, Ь > 0,

тр * *

если I > Ь,

тр

(1)

- расстояние между двумя

где Ъ = 2\ Явш—-г

V N

соседними зонами обнаружения приёмных каналов; г - радиус зоны обнаружения приёмных каналов; 1тр - ширина полосы, засвечиваемой на подстилающей поверхности излучением факела двигателя объекта; Я, Робн - радиус зоны обнаружения и вероятность обнаружения сигнала в одном приёмном канале датчика.

Входящая в формулу (1) величина г зависит от угла поля зрения приёмного канала азр и находится по формуле:

Я - к tg (aгctgЯ / к - ар)

г =■

(2)

где к - высота расположения приёмников ОД над подстилающей поверхностью.

Вероятность обнаружения сигнала в одном приёмном канале датчика Робн зависит от отношения

сигнал/ шум р. Для нормального закона распределения шумов на выходе приёмного канала ОД, что, как правило, выполняется на практике [2], взаимосвязь параметров Робн и д определяется из выражения [13]

М = ы%ф{р0бн - 0,5)+ 2п ’ (3)

где гП - пороговое значение принятия решения об

обнаружении сигнала; ф(х) = 1 Г е2/2$ - ин-

а/2П 0

теграл вероятностей; а^Ф(х) - функция, обратная интегралу вероятностей.

Порог обнаружения гП установим по среднему интервалу между ложными тревогами ТЛТ (времени, в течение которого не допускается выброс шума за пороговый уровень). Выбор этого показателя для оценки гП обусловлен тем, что величина ТЛТ является основной эксплуатационной характеристикой ОД, так как характеризует по существу время его безотказной работы.

Тогда величину 2П определим по формуле [13]

21п

- 1п ( - Рлт)

Ґ * у/2

\ ЇШШ

о_______

. І №-ій/ш

V о

(4)

где РЛТ - вероятность ложной тревоги в приёмном канале ОД; N1 - спектральная плотность мощности шума в приёмном каналеОД; /Ш - среднеквадратическое значение частоты шума в приёмном канале ОД.

Для определения величин гП и р необходимо найти спектральную плотность мощности шума N1. При этом следует иметь в виду, что различным типам приёмников излучения в разной степени присущи разные виды шума [14].

В [7] показана целесообразность применения в ОД приёмников, работающих в спектральном диапазоне 3.5 мкм. Анализ различных типов приёмников [2,15] с точки зрения надёжности, простоты конструкции и массогабаритных характеристик показал, что наиболее приемлемыми для использования в ОД являются фотодиоды, например, на базе арсенида индия 1пАб.

Основными видами шума, определяющими порог чувствительности фотодиодов, являются дробовой шум, шум Джонсона, а также токовый шум 14]. Проведённые по методике [16] расчёты спектральной плотности мощности шумов в оптическом датчике N1 показали [7], что при работе ОД в режиме ограничения фона (при постоянной фоновой засветке его приёмных каналов), доминирующими среди шумов фотодиодов являются дробовые шумы.

Значения спектральной плотности мощности этих шумов от дальности обнаружения объекта приведены в таблице.

Спектральная плотность мощности шумов в приёмных каналах оптического датчика

Ы1, В2х 2,5 •Ю'2 0,610'2 0,310'2 0,1510'2

1, м 5 10 15 20

1/2

Учитывая, что дробовые шумы являются белыми [2,14], выражение (4) согласно[13] преобразуется к виду:

=pin

T.

(5)

где тИ - время измерения (обработки) сигнала в приёмном канале ОД.

Рассчитанные по формулам (3) и (5) зависимости вероятности обнаружения объекта в одном приёмном канале от отношения сигнал/ шум при фиксированных значениях вероятности ложных тревог представлены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимости вероятности обнаружения объекта в одном приёмном канале от отношения сигнал/шум

Рассчитанные по формуле (1) с учетом (5) зависимости вероятности Ро от числа приёмных каналов датчика при фиксированных значениях радиуса его зоны обнаружения представлены на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость вероятности обнаружения ракеты от числа приёмных каналов взрывателя

Анализ приведенных на рис. 4 графиков показывает, что при увеличении радиуса зоны обнаружения датчика Я для обеспечения высоких вероятностей обнаружения объектов (Рсел > 0,95) необходимо увеличивать и число его приёмных каналов N. При этом величина N повышается с уменьшением угла поля зрения приёмных каналов азр.

Для окончательного выбора величин N и Я датчика проанализируем его работу в условиях сигналоподобных помех.

Эффективность селекции объекта в условиях сигналоподобных помех

В соответствии с принципом действия ОД одновременная засветка его приёмных каналов не приведёт к срабатыванию датчика. Однако поочередное попадание сигналоподобных помех в приёмные каналы ОД и превышение выбросами шума по-

рогового уровня сигнала могут вызвать ложные срабатывания датчика.

Поскольку фотоприёмники работают в режиме ограничения фона (при постоянной фоновой засветке), а мощность помеховых импульсов значительно превышает внутренние шумы фотоприёмников [ ], при анализе ложных срабатываний ОД ограничимся рассмотрением случая обнаружения помехового импульса в стробе, запуск которого произвёл другой помеховый импульс.

Вывод аналитических соотношений для определения вероятности Рл.ср проведём при следующих несущественных с точки зрения анализа помех допущениях:

- частота следования помеховых импульсов есть случайная величина со средним значением /п;

- приёмные каналы ОД идентичны.

Для ложного срабатывания ОД необходимо появление хотя бы одного помехового импульса в одном из приёмных каналов и обнаружение этого импульса (запуск строба в оставшихся (N-1) приёмных каналах). Другой помеховый импульс при этом должен попасть хотя бы в один из N/2 образованных стробов и быть обнаружен в нём.

Исходя из этого вероятность ложного срабатывания ОД определяется по формуле Р = Р Р , (6)

л.ср. зап поп

где Рзап - вероятность запуска строба помеховым импульсом; Р о - вероятность попадания помехово-го импульса в строб хотя бы одного из N/2 приёмных каналов.

Вероятность Рзап определяется вероятностями появления хотя бы одного импульса в одном из N приёмных каналов датчика и обнаружения этого импульса

р = Рп Р (7)

зап появ обн ’ 4 '

где Рпояе - вероятность появления хотя бы одного

помехового импульса в одном из N каналов ОД.

Вероятность появления к помеховых импульсов в одном из приёмных каналов ОД может считаться подчиненной закону Пуассона [17]

pL(к )=“^Гехр(- ш)

(8)

где ш=/пТлт - среднее число помеховых импульсов, попадающих в приемные каналы ОД за время Тлт.

Тогда вероятность появления хотя бы одного помехового импульса в приёмном канале датчика будет равна

PL = 1 - Р ояв (k = 0) = 1 - exp (- /Тлт ) • (9)

С учетом формулы (9) выражение (7) примет

вид

Рзап = Робн [1 - exp(- /Тлт )] . (10)

Входящая в выражение (10) вероятность Робн определяется из графиков, приведенных на рис. 4.

Вероятность попадания помехового импульса в строб Рпоп с учетом алгоритма обработки сигналов в ОД определяется по формуле

(11)

Рпоп = 1 -(1 - РщРобн /2,

1/2

где Рп1 - вероятность попадания помехового импульса в строб только одного приёмного канала.

Учитывая, что поступление помеховых импульсов в приёмные каналы ОД независимо друг от друга, а попадание помехового импульса в строб зависит лишь от положения предыдущего импульса на временной оси и определяется только длительностью строба, поток помеховых импульсов может быть описан как экспоненциальный [17]. Тогда плотность распределения длительности интервала между моментами появления смежных (соседних) импульсов экспоненциального потока помех имеет вид:

W(x)= fn exP(- fnx), (12)

где х - интервал между появлениями смежных помеховых импульсов.

С учетом выражения (12) вероятность Рп1 определим по формуле:

!2

Р1 = jW(x)dx = eXP(- tJ„ )-eXP(- t2/„ ), (13)

2I D ' ІЖ

2I R sin--------r

N

V

= 2 (R - r ), V ■

(14)

где (2-(1 - длительность стробирующего импульса, Vmax-Vmin - диапазон изменения скоростей обнаруживаемых объектов.

После подстановки выражения (13) в формулу (11) получим:

(

Р =1- поп 1-Роб, exp-

RSln2n-r

N

V

-exp

2j-r)]

V_,

(15).

Результаты расчетов вероятности ложного срабатывания Рл.ср. по формуле (6) с учетом выражений (10) и (15) представлены на рис. 5 в виде зависимости величины Рл.ср. от количества приёмных каналов датчика N при фиксированных значениях радиуса зоны обнаружения Я и частоте появления помех /П=(2,4...2,6)-10-2 Гц.

О 3 6 9 N

Рис. 5. Зависимость вероятности ложного срабатывания датчика от числа его приёмных каналов

Из представленных на рис. 5 зависимостей видно, что величина Рл.ср. увеличивается по мере увеличения радиуса зоны обнаружения ОД и числа его приёмных каналов.

Основным показателем, характеризующим

возможность селекции объектов на траектории, является вероятность ложного срабатывания датчика Рл.ср. за время Тлт.

Для определения величин N и Я, требуемых для обеспечения заданных уровней вероятностей ложного срабатывания и обнаружения сигнала от пролетающего объекта через зону действия ОД, на рисунке 6 представлены зависимости ЩЯ), полученные с учётом приведенных на рис. 4, 5 графиков Ра(Ю и Рл.ср(Ю.

О 5 10 К, м

Рис. 6. Зависимость числа приёмных каналов от радиуса зоны обнаружения ОД

Из графиков рис. 6 видно, что для селекции объектов с вероятностью Рсел=0,9...0,95 среди непреднамеренных световых помех радиус зоны обнаружения датчика должен быть равен Я=10 м, а число его приёмных каналов - N=9.10. При этом вероятность ложных срабатываний ОД не будет превышать Р < 10-2.

л.ср. —

Таким образом, предложен новый принцип построения информационной системы обнаружения и селекции высокоскоростных аэродинамических объектов. Разработана методика и проведена оценка эффективности функционирования этой системы в условиях как фоновых, так и сигналоподобных помех. Показано, что применение в информационной системе оптического и электростатического датчиков с параллельной обработкой сигналов позволит практически полностью исключить ложные несанкционированные срабатывания системы даже в условиях преднамеренных оптических помех, создаваемых путём сканирования контролируемой зоны оптическим лучом в направлении и со скоростью обнаруживаемых объектов.

Литература

1. Харкевич А. А. Борьба с помехами. - М.: Издательство физико-математической литературы, 1963. -275 с.

2. Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. - М.: Радио и связь, 1981. - 180 с.

3. Куликов Е.И Вопросы оценок параметров сигналов при наличии помех. - М.: Сов. радио, 1969. - 244 с.

4. Конструкторское бюро приборостроения / Под общ. ред. А.Г. Шипунова. - М.: Военный парад, 2002. -382 с.

5. Основы устройства и функционирования артил-

t1 ~

лерийских управляемых снарядов: Учеб. пособие / В.И. Бабичев, В.В. Ветров, А.В. Игнатов А.Р. Орлов / Под ред. А.Г. Шипунова. - Тула. - Изд-во КБП, 2003. - 178 с.

6. Системы управления ПТУРС и перспективы их развития / Под ред. С.П. Непобедимого. - М.: Машиностроение, 1978. - 343 с.

7. Утемов С.В. Синтез оптимального измерителя скорости объекта информационной системой с оптическим датчиком // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2008.- №5. - С.25-28.

8. Утемов С.В. Синтез комплексированного оптимального измерителя скорости объекта информационной системой с параллельной обработкой сигналов от оптического и электростатического датчиков// Вестник ВГТУ. -2009.- № 9. - С.130-133.

9.Система измерения скорости снаряда// International defense review. - 1980. - Т. 13. - №8. - Р. 1309-1310.

10.Утёмов С.В., Гельмандинов В.В., Шедогубов Ю.Н. Неконтактный пассивный оптический взрыватель для мины// Авторское свидетельство СССР №188256 с приор. от 24.08.82.

11.Утёмов С.В., Шедогубов Ю.Н. Неконтактный пассивный оптический взрыватель для мины// Авторское свидетельство СССР №209257 с приор. от 21.11.83.

12. Утёмов С.В., Тимохин В.Н. Неконтактный пассивный оптический взрыватель // Авторское свидетельство. СССР №228998 с приор. от 28.01.85.

13. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов.- Л.: Машиностроение, 1983. -696 с.

14. Солдатов В.П. Расчёт сигналов и шумов в оптико-электронных приборах с многоэлементными приёмниками излучения// Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2005. - №6. - С. 117-125.

15. Курбатов Л.Н. Оптоэлектроника видимого и инфракрасного диапазонов спектра.- М.: Издательство МФТИ, 1999.. - 320 с.

16. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. - М.: Сов. радио, 1978. - 400 с.

17. Седякин Н.М. Элементы теории случайных импульсных потоков. - М.: Сов. радио, 1965. - 273 с.

Федеральный государственный научно-исследовательский испытательный центр радиоэлектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности Минобороны России

THE ANALYSIS OF QUALITY OF DETECTION AND SELECTION OF AN AERODYNAMIC OBJECT BY THE INFORMATION SYSTEM WITH OPTICAL AND ELECTROSTATIC SENSORS UNDER CONDITIONS OF SIGNAL-LIKE INTERFERENCE

S.V. Utyomov

The principle of construction of the system of detection and selection of an aerodynamic object by the information system with optical and electrostatic sensors is proposed. The procedure of estimation of effectiveness is developed and the analysis of operation of this system under conditions of background signal-like interference is made

Key words: an optical sensor, signal-like interference