CC BY
123
УДК 681.78.01
И. П. Торшина
Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК)
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
Рассматриваются особенности компьютерного моделирования многодиапазонных (многоспектральных) оптико-электронных систем, основанного на использовании обобщенной компьютерной модели ОЭС.
Ключевые слова: моделирование, многодиапазонная оптико-электронная система, фоноцелевая обстановка, структура, коррекция обобщенной компьютерной модели ОЭС.
Методы и средства компьютерного моделирования широко используются для сравнительного анализа оптико-электронных систем и алгоритмов их функционирования [1—4]. Компьютерное моделирование снижает риски на начальных этапах проектирования, уменьшает его общую продолжительность и стоимость.
Применение многодиапазонных (многоспектральных) оптико-электронных систем (МОЭС) позволяет повысить эффективность решения многих практических задач, улучшить показатели качества работы таких систем, например, увеличить скорость принятия решений при распознавании объектов, повысить вероятности обнаружения, распознавания и идентификации целей [5].
Компьютерная модель многодиапазонной ОЭС (КМ МОЭС) может быть построена на основе обобщенной компьютерной модели ОЭС (КМ ОЭС) [6—8] с добавлением модуля „Коррекция обобщенной компьютерной модели ОЭС", включая коррекцию баз данных модели (рис. 1).
Рис. 1. Схема формирования компьютерной модели многодиапазонной ОЭС
Рассмотрим специфику формирования КМ МОЭС.
Для некоторых МОЭС, работающих активным методом и использующих несколько узкополосных источников излучения или несколько полос излучения одного источника, необходимо дополнение соответствующей базы данных.
Вследствие невозможности усреднения и принятия постоянным коэффициента пропускания среды распространения излучения в сравнительно широком спектральном рабочем диапазоне, что допустимо в моделях однодиапазонных ОЭС (см., например, [9]), в КМ МОЭС следует более детально учитывать спектральную селективность пропускания среды (атмосферы).
В базе данных оптических систем КМ МОЭС желательно иметь характеристики оптических материалов с коэффициентом пропускания, охватывающим все рабочие спектральные диапазоны системы, а также параметры диспергирующих систем (призм, дифракционных решеток, наборов узкополосных светофильтров и др.).
В ряде современных МОЭС используются двух- и многодиапазонные (многоспектральные) приемники излучения (МПИ) [5]. Известны системы, в которых применяются матричные МПИ, реализующие одновременно способы спектральной селекции и пространственной фильтрации в одном элементе. Это также должно найти отражение в базах данных КМ МОЭС.
Наконец, следует учитывать наличие в составе многих МОЭС систем совмещения изображений, получаемых в разных рабочих спектральных диапазонах.
Компьютерная модель многодиапазонной ОЭС, как и КМ ОЭС, описывает процесс формирования сигнала на входе системы, ее структуру и процесс функционирования. Модули, входящие в состав КМ, могут отражать спектральные, пространственные и временные преобразования.
Модули „Фоноцелевая обстановка" и „Структура ОЭС" содержат перечни операторов (зависимостей, математических моделей и др.), представляющих физические процессы (например, формирование сигналов от целей, помех и фонов на входе ОЭС), и операторов, воздействующих в определенной последовательности на входной сигнал.
Как известно, источники излучения и сигналы от них могут быть описаны спектральными, энергетическими, геометрическими, динамическими и другими характеристиками. Целесообразно разбить совокупность используемых операторов на отдельные группы. Следует отметить, что некоторые операторы могут использоваться только один раз в процессе моделирования ОЭС, в то время как другие, зависящие, например, от спектрального диапазона работы системы или времени прохождения процессов в динамических системах, могут использоваться неоднократно. Введение в КМ МОЭС модуля „Коррекция обобщенной компьютерной модели ОЭС" позволит производить необходимые расчеты при моделировании систем конкретного назначения, а также изменять количество повторений при выполнении тех или иных операторов.
На рис. 2 приведены некоторые из циклических операторов, входящих в отдельные блоки модуля „Коррекция обобщенной компьютерной модели ОЭС" (на рисунке: ПИ — приемник излучения).
В общем случае процедуру моделирования МОЭС можно свести к следующим этапам.
1. Выбор (или задание) критериев качества (показателей эффективности) для каждого спектрального диапазона. При этом уравнения для их расчета могут быть заложены в обобщенной КМ ОЭС с использованием отдельных параметров и характеристик всей системы, отображающих физическую природу сигналов и механизм ее работы.
2. Составление системы уравнений выбранных критериев.
3. Решение системы уравнений в целях определения параметров МОЭС (или диапазона их изменений) для синтеза системы или расчета показателей ее эффективности при анализе работы МОЭС (с известными параметрами).
4. Оптимизация МОЭС в случае неудовлетворительного результата выполнения 3-го этапа. Алгоритмы оптимизации закладываются в модуль „Структура ОЭС".
Следует отметить наличие возможности исключения некоторых операторов при текущей реализации программы КМ МОЭС для последующей оценки их влияния на результат работы системы.
Рис. 2. Схема модуля „Коррекция обобщенной компьютерной модели ОЭС"
Обычно критерии качества конкретной МОЭС задаются или выбираются на основе накопленного опыта проектирования и эксплуатации подобных систем. Так, например, в программе моделирования тепловизионных систем ГОЛ^ГМ [10] предусмотрено прогнозирование и оценка минимальной разрешаемой разности температур, отношений сигнал/шум и сигнал/помеха, контраста цели, чувствительности и пространственного разрешения.
Как и при компьютерном моделировании однодиапазонных ОЭС, при моделировании МОЭС необходимо учитывать разнообразие собственно ОЭС и их элементной базы, фоноце-левой обстановки и условий работы системы, а также множество математических методов описания сигналов и способов их обработки. Выше уже отмечалось, что при моделировании МОЭС требуется более детальное представление спектральных характеристик излучения и отражения целей, помех и фонов, сред распространения оптических сигналов, спектральных характеристик оптических систем и приемников излучения. Поэтому вопрос о допущениях и упрощениях при компьютерном моделировании МОЭС при сохранении адекватности модели МОЭС объекту-оригиналу должен решаться уже на начальных этапах.
Для упрощения расчета спектральной яркости допускается использование ряда предположений об описании фоноцелевой обстановки функциями с разделяющимися переменными.
Среди фоновых образований можно выделить типы, различающиеся физической природой и пространственной макро- и микроструктурой. Выделенные типовые случайные поля
с некоторой степенью приближения можно считать гауссовыми и марковскими. Введение такого разбиения позволяет упростить последующую работу с базой данных.
В работе [11] предполагается, что в модели NVTherm все материалы и поверхности источников излучения непрозрачные и ламбертовские. Это позволяет учитывать только их отражательные и излучательные свойства. Использование неламбертовских поверхностей заметно усложняет модель. Предположение о ламбертовском характере поверхностей позволяет осуществлять расчеты геометрооптических и спектральных параметров раздельно, что заметно сокращает объем вычислений.
При формировании математической модели теплообмена между целью и окружающей средой могут быть приняты следующие общие допущения: при исследовании одномерных температурных полей толщина поверхности цели принимается постоянной, и в начальный момент времени температура поверхности по всей толщине одинакова; теплофизические параметры поверхности цели постоянны и равны средним значениям в рабочем температурном интервале; внутренние источники тепла отсутствуют.
Подводя итог вышеизложенному, можно сделать следующий вывод: пользователь обобщенной КМ ОЭС с помощью операторов, содержащихся в модуле „Коррекция обобщенной компьютерной модели ОЭС", включая коррекцию баз данных КМ ОЭС и применяя ряд допущений при моделировании конкретной МОЭС, может сформировать компьютерную модель многодиапазонной (многоспектральной) ОЭС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bushlin Y., Baum G., Engel M. Y. FPA sensor performance study using computer simulation // Proc. SPIE. 1996. Vol. 2743. P. 252—263.
2. Simmons O. D., Jayner T. W., Weppner M. B. et al. Infrared sensor stimulator (IRSS) installation in the ACETEF, NAWC-AD // Pros. SPIE. 2001. Vol. 4366. P. 331—340.
3. Maurer T., Driggers R. G., Vollmerhausen R., Friedman M. M. 2002 NVTherm improvements // Proc. SPIE. 2002. Vol. 4719. P. 15—23.
4. McKee D. C., Simmons O. D., Makar R. J. et al. Real-time IR/EO scene simulator (RISS) product improvements // Proc. SPIE. 2003. Vol. 5092. P. 259—267.
5. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Логос, 2007. 192 с.
6. 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.
7. Максимова Н. Ф., Сагитов К. И., Якушенков Ю. Г. Компьютерная модель тепловизионной системы // Оптико-электронные системы визуализации и обработки оптических изображений: Сб. Вып. 1. М.: ЦНИИ „Циклон", 2001. С. 133—138.
8. Торшина И. П. Формирование баз данных для компьютерной модели оптико-электронной системы // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2002. № 3. С. 149—155.
9. Jaggi S. ATTIRE (Analytical Tools for Thermal Infrared Engineering) - A thermal sensor simulation pockage // Proc. SPIE. 1992. Vol. 1689. P. 285—296.
10. Guissin R., Lavi E, PalatnikA. IRISIM: Infrared Imaging Simulator // Proc. SPIE. 2005. Vol. 5784. P. 190—203.
11. Franning J., Halford C., Jacobs E. et al. Multispectral imager modeling // Proc. SPIE. 2005. vol. 5784. P. 136—145.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
оптико-электронных приборов 14.01.08 г.
