CC BY
63
УДК 629.7
МЕТОДИКА ОЦЕНИВАНИЯ ЛИНЕЙНОГО РАЗРЕШЕНИЯ АВИАЦИОННЫХ ЦИФРОВЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ В ПРОЦЕССЕ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ
А.С. Молчанов, Е.В. Чаусов
Изложена методика оценивания соответствия линейного разрешения на местности авиационных цифровых оптико-электронных систем по результатам летных испытаний с использованием аттестованных штриховых мир произвольных размеров, в соответствии с которой оценка линейного разрешения на местности определяется на основе визуального анализа изображений штриховой миры с компенсацией влияния факторов, обусловливающих ухудшение линейного разрешения.
Ключевые слова: цифровая оптико-электронная система, испытания, линейное разрешение на местности, штриховая мира, среднеквадратическое отклонение, математическая модель.
Испытания авиационных цифровых оптико-электронных систем (ЦОЭС) является одной из главной задачей в обеспечении создания современных систем и комплексов воздушной разведки (ВР) [1, 2]. При этом испытания новых и перспективных ЦОЭС ВР требуют совершенствования методического обеспечения испытаний [3, 4].
С одной стороны специфика разработки оптико-электронных систем состоит в безусловной необходимости обеспечения испытаний специальными тест-объектами конкретного размера, что требует больших финансовых и временных затрат на изготовление и аттестацию таких тест-объектов. С другой стороны, в современных условиях рыночной экономики при выполнении работ по созданию современных образцов авиационной техники важное место уделяется финансовым аспектам, в частности сокращению затрат на материально-техническое обеспечение испытаний [3]. Одним из путей разрешения этого противоречия является разработка предложений по возможности использования при испытаниях различных авиационных ЦОЭС тест-объектов произвольных размеров из числа существующих аттестованных [5-7].
Постановка задачи. Штриховая мира - специальный стандартный тест-объект заданного контраста, представляющий собой основу, на которую нанесен рисунок в виде групп, состоящих из черных и белых штрихов с постоянной пространственной частотой (равной шириной) в пределах группы, и нарастающей/убывающей частотой штрихов от группы к группе (рис. 1) [5].
Важным условием возможности применения при испытаниях конкретной ЦОЭС штриховой миры является наличие в ней так называемой «зачетной группы», представляющей собой группу штрихов с шириной штриха, равной значению линейного разрешения на местности (ЛРМ) за-
140
данному в тактико-техническом задании (ТТЗ) на разработку этой ЦОЭС. Именно это условие становится трудно выполнимым, поскольку имеющиеся на сегодняшний день аттестованные штриховые миры для испытаний авиационных ЦОЭС (например, аттестованная и согласованная на международном уровне штриховая мира для освидетельствования авиационных ОЭС наблюдения по договору «Открытого неба» [8]) содержат ограниченный набор штрихов, не всегда располагающий требуемую «зачетную группу» для оценки конкретной ЦОЭС.
1 2 3 4 5 6 7 8
19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9
Рис. 1. Штриховая мира для оценивания ЛРМ авиационных ЦОЭС
Разработка методики оценивания ЛРМ на основе использования существующих аттестованных штриховых мир произвольных размеров, не имеющих в своем наборе «зачетной группы» для оценки конкретной авиационной ЦОЭС, является актуальной задачей. Оценка ЛРМ на основе использования штриховых мир произвольных размеров основана на методах визуального анализа изображений штриховых мир произвольных размеров и статистических методах анализа условий выполнения аэросъемки.
Допустим при проведении летных испытаний ЦОЭС используется типовая аттестованная штриховая мира, в которой отсутствует «зачетная группа» для оценки ЛРМ этой системы. В результате дешифрирования изображений со штриховой мирой, полученных исследуемой ЦОЭС, можно выполнить оценку ЛРМ по предельно различимой группе штрихов (предельно различимой является группа, в которой имеется визуальное восприятие разницы в уровне серого тона между каждой светлой полосой и соседними с ней темными полосами по всей их длине). Полученная при этом оценка ЛРМ АМзм. не всегда может считаться соответствующей ТТЗ, поскольку выполнена не по «зачетной группе», характеризуемой шириной штриха с значением Аттз (значением ЛРМ, заданным в ТТЗ).
Рассмотрим два возможных случая при оценке ЦОЭС с использованием штриховой миры произвольных размеров:
1 Аизм. ^ АТТЗ;
2 Аизм. > АТТЗ .
В первом случае делается вывод о соответствии ЦОЭС требованиям ТТЗ. Однако наиболее частым является условие, когда Аизм > Аттз . Говорить в этом случае о несоответствии исследуемой ЦОЭС требованиям ТТЗ нельзя, поскольку такой вывод можно сделать исключительно по результатам оценки ЦОЭС по «зачетной группе». Это обстоятельство позволяет предположить, что значение реального ЛРМ (по «зачетной группе») Ареал. будет меньше значения полученной оценки ЛРМ Аизм. на величину некоторой ошибки:
Ареал. = Аизм. — ААпред.,
где Ареал. - реальное ЛРМ по штриховой мире с «зачетной группой» для данной ЦОЭС, м; Аизм. - измеренное ЛРМ по типовой аттестованной штриховой мире не содержащей «зачетной группы» для данной ЦОЭС, м; ААпред. - предельно допустимая ошибка определения ЛРМ, м.
В этом случае критерий соответствия ЦОЭС требованиям ТТЗ можно представить в виде:
Аттз > Ареал. = Аизм. - ААпред. или АТТЗ > Аизм
где Аттз - значение ЛРМ, заданное в ТТЗ.
За счет того, что описанный метод предполагает интервальную оценку количество «зачетных групп» увеличивается, что обеспечивает смягчения требований к размерам штрихов миры, используемой для оценки ЦОЭС, и позволяет использовать миры со штрихами произвольных размеров.
Таким образом, определив требования к допустимой ошибке ААпред, можно выполнить оценку ЛРМ авиационных ЦОЭС по существующим штриховым мирам произвольных размеров.
Требования к предельно допустимой ошибке определения ЛРМ при проведении испытаний авиационных ЦОЭС с использованием штриховых мир произвольных размеров. Поскольку по множеству наблюдений условия наблюдения представляют собой случайные величины, то и результат измерения ЛРМ представляет собой случайную величину [9, 10]. Опыт показывает, что ошибки измерения ЛРМ распределены по нормальному закону. Следовательно, их исчерпывающими вероятностными характеристиками являются математическое ожидание и среднеквадра-тическое (стандартное) отклонение (СКО) [10]. Величина ошибки определения ЛРМ ААпред. определяет степень допустимого отклонения значения Аизм., вследствие влияния условий аэросъемки, и поэтому может быть охарактеризовано величиной СКО а. Ввиду того, что для рассматриваемого случая интерес представляет отрезок [Аизм - ААпред ; Аизм ], а СКО характеризует отрезок [Аизм, -ААпред.;Аизм. + Мпред.I то можно записать:
ААппред. = 0,5° .
Известно [11], что линейное разрешение на местности зависит как от характеристик самой системы, так и от высоты аэросъемки, что можно описать следующим выражением:
f cos в f '
где 5 - линейный размер элемента разрешения ЦОЭС (размер пиксела), мм; f - фокусное расстояние оптической системы ЦОЭС, мм; в - угол отклонения линии визирования оптической системы ЦОЭС от местной вертикали, град; Н - высота полета летательного аппарата (ЛА)-носителя
H
ЦОЭС, м; D =--дальность объекта наблюдения, м.
cos в
Ошибка о определяет степень ухудшения ЛРМ вследствие влияния различных факторов, обусловленных условиями аэросъемки. К числу таких факторов относятся погрешности измерения дальности D вносимые атмосферой и вызванные ошибками в определении координат объекта наблюдения (штриховой миры). С учетом этого СКО линейного разрешения на местности о определяется формулой
Я = +GDu ,
где odu - СКО ЛРМ, обусловленное погрешностями измерения дальности, вызванными ошибками в определении координат объекта наблюдения, м; odci - СКО ЛРМ, обусловленное погрешностями измерения дальности вследствие влияния атмосферы, м.
Величина odu зависит от следующих основных факторов:
погрешностей определения координат ЛА-носителя ЦОЭС с помощью бортового комплекса навигации;
погрешностей определения координат объекта наблюдения с помощью ЦОЭС;
рельефа подстилающей поверхности, на которой находится интересующий нас объект.
В результате можно записать
_2 _2 + ^2 + ^ 2 аDu = аЦОЭС + ®коорд. + аР ,
где оцоэс - СКО координат объекта наблюдения, определенных с помощью ЦОЭС, м; ор - СКО высоты рельефа местности, м; Окоорд. - СКО координат ЛА-носителя ЦОЭС, определенных с помощью бортового комплекса навигации, м.
Определение координат объекта наблюдения с помощью ЦОЭС осуществляется на основе информации о высоте аэросъемки Н, а также углах ^ и v отклонения линии визирования оптической системы в поперечном (направление, перпендикулярное линии пути ЛА) и продольном (направление, параллельное линии пути ЛА) каналах соответственно.
Связь между угловыми координатами ^, V и линейной координатой Н объекта съемки и его линейными координатами XI, у1, ц в связанной системе ОХ1У121 (рис. 2) определяется формулами:
ц = -аг, V = агс^— = -arctg—cosц, Н = -у1. У1 & У1
Рис. 2. Ориентация линии визирования оптической системы ЦОЭС
Преобразуем записанные выражения к следующему виду: У1 sin Ц = -Zi cos Ц , У1 sin V = -x cos v cos ц. где ^ - угол отклонения линии визирования оптической системы ЦОЭС в поперечном канале; v - угол отклонения линии визирования оптической системы ЦОЭС в продольном канале.
Воспользуемся формулами перехода от подвижной горизонтиро-ванной системы координат OXYZ к связанной системе координат ЛА OX1Y1Z1 (рис. 3):
X = x cos Ф + y sin Ф, У1 =-x sin Фcos y + y cos Фcos y + z sin y, z\ = -x sin Фsin 7- y cos -dsin y + z cos Y,
где Ф - угол тангажа; у - угол крена.
С учетом преобразований выражения для координат объекта съемки имеют вид:
cos $(sin у - cos у ^ц) sin ytgv
x = - H
cos y+ sin y ^Ц
sin Ф cos ц + cos Ф cos Y tgv
sin Ф^т y - cos y tg^ sin y tgv
cos y+ sin y tgц
+ sin Ф cos Y tgv - cos Ф cos ц
2 = ■
(х sin Ф + Н cos у - cos у cos у + sin у tg2
У
Н.
Рис. 3. Переход от горизонтированной к связанной системе координат
Из математической статистики известно, что ошибка измерения величины, являющейся функцией общего вида 8=/(у,г,.,ц) от многих независимых переменных, имеет вид [10, 12]:
а,
1
(IГ а 2 + (| )2 а 2 +... + (Щ )2 а2.
Тогда выражение для расчета оценки СКО координат объекта, определенных с помощью ЦОЭС ,имеет вид:
а ЦОЭС =а х +а У +а 2 =
а х =
(Н ) аН + (Ц ) 4 + Г ЭХ Т а 2+ Г Э2 Т а2 + & ) ^
V ду) Ч V д^) 2 дУ'
а
У
1
1т)2аН аф + (£1 а|2 + а2 ,
' Vд2) 2 1
а
1аН
где он - СКО высоты полета ЛА-носителя ЦОЭС, м; оф - СКО угла тангажа ЛА-носителя ЦОЭС, м; оу - СКО угла отклонения линии визирования оптической системы ЦОЭС в поперечном канале, м; оу - СКО угла отклонения линии визирования оптической системы ЦОЭС в продольном канале, м.
Согласно принятой классификации [10] рельеф земной поверхности может быть разделен на три группы (табл.). Форма рельефа для каждой группы может быть описана как функция со случайным распределением с равномерным законом.
Характеристики типовых форм рельефа местности
Типовые формы рельефа местности Характеристики рельефа
Абсолютные высоты над уровнем моря, м Относительные превышения, м ОР, м
Равнинная местность до 300 до 25 7,2
Холмистая местность до 500 25 - 200 50,5
Гористая местность: низкогорная среднегорная высокогорная 500.. .1000 1000.. .2000 свыше 2000 200.500 500.1000 1000 и более 86,6 144,3 866,0
Для определения ошибки измерения ЛРМ, обусловленной влиянием атмосферы ODa, необходимо определить максимальное значение ЛРМ с учетом влияния атмосферы. Для этого можно воспользоваться частотным методом представлением ЦОЭС с использованием критерия Шадэ, успешно применяемым в системах телевидения. В этом случае ЦОЭС представляется в виде последовательного линейного соединения отдельных передаточных звеньев, каждое из которых характеризуется функцией передачи модуляции (ФПМ), представляющей зависимость коэффициента передачи модуляции от пространственной частоты. Такое представление позволяет построить математическую модель ЦОЭС, которая описывается следующим выражением [11, 12, 14, 15]:
WW3C (V) = WamM. (V) • WQ3C (v) ■ Wm (v) ■ Wгл. (v), (23)
где WamM.(v) - ФПМ атмосферы; ФПМ ОЭС:
W03C (v) = Wcde.(v) • Wo6.(v) • W^.(v) • WСФ (V) • WПИ (v);
Wcóe.(v) - ФПМ сдвига и вибраций на фотоустановке; Wo6.(v) - ФПМ объектива; Wóu4>.(v) - ФПМ дифракционных искажений объектива; WcФ(v) - ФПМ системы фокусировки; WnH(v) - ФПМ приемника оптического излучения; Wco(v) - ФПМ системы отображения; W^.(v) - ФПМ глаза дешифровщика; v - пространственная частота.
В соответствии с критерием Шадэ максимальное значение ЛРМ в этом случае может быть найдено следующим образом [5, 14]:
А ==_I
2у ^ |2
экб. 2|\Жцоэс (V) ¿v 0
где Уже. - эквивалентная полоса пропускания ЦОЭС.
Ухудшение ЛРМ вследствие влияния атмосферы может быть представлено следующим соотношением:
А
^ _ ^шах а Ба = з .
Методика исследований. Таким образом, общий алгоритм определения линейного разрешения на местности в процессе летных испытаний авиационных ЦОЭС на основе использования штриховых мир произвольных размеров можно представить в следующем виде:
1. Разместить на земной поверхности типовую штриховую миру с расположением штрихов вдоль и поперек полета ЛА. Основным условием к набору штрихов такой миры является нахождение значения линейного разрешения, заданного в ТТЗ, в диапазоне изменения ширины штрихов миры.
2. Выполнить в ясную безоблачную погоду аэросъемку штриховой миры с помощью исследуемой ЦОЭС при заданных условиях полета ЛА (высота и скорость полета, углы курса, крена, тангажа ЛА). При выполнении полетов обеспечивать заданное боковое удаление, расположенной на земной поверхности штриховой миры от линии пути ЛА, или такое удаление, чтобы изображения штриховой миры попадали в центр и по краям кадра. Для контроля ошибок навигационного комплекса ЛА (ошибок определения координат, высоты полета, углов курса, крена, тангажа ЛА) и ошибок углов отклонения линии визирования в продольном и поперечном каналах производить запись параметров полета ЛА и параметров работы ЦОЭС с помощью системы бортовых измерений (СБИ). Все параметры должны быть привязаны к единому времени.
3. Выполнить анализ информации, записанной СБИ. С использованием данных о значениях ошибок, а также о рельефе местности, на которой расположена штриховая мира, определить величину обы.
4. Составить математическую модель исследуемой ЦОЭС и определить значения Ашах и ОБа.
5. Определить величину о и предельно допустимую ошибку определения ЛРМ ААпред.
6. Определить ЛРМ Аызм. визуальным методом, предусматривающим дешифрирование изображений штриховой миры, полученных исследуемой ЦОЭС. В качестве значения Аызм. принять ширину штриха в изображении штриховой миры, в котором дешифровщик различает все штрихи в группе раздельно по всей их длине (имеется визуальное восприятие разницы в уровне серого тона между каждой светлой полосой и соседними с ней темными полосами по всей их длине).
7. Построить интервал [aU3m. — ЛАпред,; AU3m. ] допустимого отклонения величины Аизм, вследствие влияния условий аэросъемки, и сделать вывод о соответствии исследуемой ЦОЭС требованиям ТТЗ при выполнении критерия соответствия ЦОЭС требованиям ТТЗ.
Заключение. Предложенная методика может быть эффективно применена для оценивания характеристик качества авиационных ЦОЭС в процессе летных испытаний в условиях отсутствия штриховых мир требуемых размеров на основе методов визуального анализа изображений типовых штриховых мир произвольных размеров и статистического анализа условий выполнения аэросъемки. Использование разработанной методики позволит снизить затраты на материально-техническое обеспечение испытаний в части обеспечения испытаний требуемыми тест-объектами и тем самым повысить экономическую эффективность испытаний не менее чем на 12 %.
Список литературы
1. Веселов Ю.Г., Гулевич С.П., Еруков О.П., Сельвесюк Н.И. Современное состояние и перспективы развития оптико-электронных систем воздушной разведки // Вестник академии военных наук. 2011. № 3 (36). С. 124-128.
2. Веселов Ю.Г., Данилин А.А., Сельвесюк Н.И. Современные технологии и материалы для оценки пространственного разрешения инфракрасных систем авиационного наблюдения // Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского. 2018. № 6. С. 387-392.
3. Коломиец Л.В., Федоров М.В., Богомолов А.В., Мережко А.Н., Солдатов А.С., Есев А.А. Метод поддержки принятия решений по управлению ресурсами при испытаниях авиационной техники // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2010. Т. 8. № 5. С. 38-40.
4. Веселов Ю.Г., Гулевич С.П., Карпиков И.В., Островский А.С. Математическая модель цифровой инфракрасной системы дистанционного зондирования Земли // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 6. С. 10.
5. Молчанов А.С. Иконические системы воздушной разведки: основы построения, оценка качества и их применение в комплексах с беспилотными летательными аппаратами. Волгоград: Панорама, 2017. 216 с.
6. Веселов Ю.Г., Данилин А.А., Тихонычев В.В. Выбор тест-объекта для оценки разрешающей способности цифровых оптико-элетронных систем мониторинга земной поверхности // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 4. С. 12.
148
7. Гулевич С.П., Веселов Ю.Г., Прядкин С.П. Описание изображений сложных наземных объектов в задаче распознавания образов // Наука и образование. 2012. № 11. С. 18.
8. Молчанов А.С., Чаусов Е.В., Баснин В.Г., Абрамов Д.В. Анализ процесса дешифрирования изображений штриховых мир видимого диапазона при проведении испытаний аэрофотосистем дистанционного зондирования Земли. М., 2017. 75 с.
9. Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В., Ушаков И.Б. Математическое обеспечение оценивания состояния материальных систем // Информационные технологии. 2004. № 7 (приложение). 32 с.
10. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 576 с.
11. Ребрин Ю.К. Оптико-электронное разведывательное оборудование летательных аппаратов. Киев: КВВАИУ, 1988. 449 с.
12. Веселов Ю.Г., Глушко В.А., Молчанов А.С. Математическая модель аэрофотосистемы, построенной на основе фоточувствительных приборов с переносом заряда // Наука и образование. 2013. № 10. С. 259 -268.
13. Ларкин Е.В., Богомолов А.В., Горбачев Д.В., Привалов А.Н. Исследование критериев соответствия потока событий пуассоновскому потоку // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2019. № 1. С. 3-11.
14. Молчанов А.С. Оценка качества аэрофотосистем методом математического моделирования с использованием критерия Шадэ // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2018. Том 61. №1. С. 28 - 33.
15. Holst G.C. Electro-optical imaging system performance. Vol. PM278. SPIE, 2017. 407 p.
Молчанов Андрей Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, заместитель начальника отдела - начальник отделения (старший инженер-испытатель) войсковой части, andryoe@yandex. ru, Россия, Ахтубинск, Войсковая часть 15650,
Чаусов Евгений Викторович, старший инженер-испытатель войсковой части, ewhenig@yandex.ru, Россия, Ахтубинск, Войсковая часть 15650
METHOD OF ESTIMATING A LINEAR SOLUTION AVIATION DIGITAL
OPTICO-ELECTRONIC SYSTEMS DURING FLIGHT TESTING PROCESS
A.S. Molchanov, E.V. Chausov
The method of assessing the compliance of the linear resolution on the ground of aviation digital optical-electronic systems based on the results of flight tests using certified stroke world of arbitrary sizes is presented, according to which the assessment of the linear resolution on the ground is determined based on the visual analysis of images of the stroke worlds with compensation for the factors causing deterioration linear resolution.
Key words: digital optoelectronic system, tests, linear resolution on the ground, dashed world, standard deviation, mathematical model.
149
Molchanov Andrey Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, deputy head of department - head of department (senior test engineer) of military unit, andryoe@yandex.ru, Russia, Akhtubinsk, Military unit 15650,
Chausov Evgeny Viktorovich, senior test engineer of military unit, ewhenig@yandex.ru, Russia, Akhtubinsk, Military unit 15650
УДК 621.396
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИГРАНИЧНЫХ ПЛАСТИНЧАТЫХ АНТЕНН
О.Ю. Перфилов, Д.А. Антропов
Показана актуальность разработки новых конструкций широкополосных пластинчатых антенн декаметрового и метрового диапазона длин волн, размещенных у границы раздела разнородных сред, и предложены технические решения, позволяющие улучшить электрические характеристики и защищенность пластинчатых антенн, применяемых в экстремальных условиях эксплуатации.
Ключевые слова: пластинчатые антенны, коэффициент усиления антенны, коэффициент бегущей волны, диапазонные свойства антенны, ромбическая антенна, электромагнитная совместимость.
В современных условиях большое внимание уделяется развитию труднодоступных районов (зон) страны, что требует совершенствования существующих и разработки новых информационно-телекоммуникационных технологий управления множеством удаленных объектов различного назначения [1]. Очевидно, что в экстремальных природно-климатических условиях Арктики и других приморских регионов значительная часть каналов связи систем управления объектами, размещенных на этих территориях, будут реализованы на каналах радиосвязи различных диапазонов длин волн [2-5].
При этом весьма актуальными становятся задачи обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) множества радиоэлектронных средств (РЭС) различного назначения, эффективного использования выделенного радиочастотного ресурса и высокой степени физической защиты используемых антенно-фидерных устройств.
Целью проведенного исследования являлась разработка и исследование новых защищенных конструкций коротковолновых широкополосных пластинчатых одношлейфовых «дублет-антенн» (ДА) и двухшлейфо-вых «бидублет-антенн» (БИДА), размещенных у границы материальных сред «воздух-земля» в регионах со сложными природно-климатическими условиями эксплуатации [1, 5].
Общая задача синтеза новых конструкций антенн будет заключаться во взаимоувязанном решении двух частных задач:
150
