CC BY
15
APPLICATION OF NEURAL NETWORKS FOR OBJECT RECOGNITION ON THEIR RADAR SPECTRA
N.V. Shestakov
The issues of application of neural network methods of information processing in the recognition of objects by their radar spectra are considered. The advantages of using neural networks for solving problems of object pattern recognition are given. An exemplary algorithm for processing radar images using a convolutional neural network is presented.
Key words: radar spectrum, neural networks.
Shestakov Nikolay Vladimirovich, postgraduate, shestakov.nikolay86@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.397.13
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-368-374
МОДЕЛЬ БОРТОВОГО МНОГОСПЕКТРАЛЬНОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО КОМПЛЕКСА МОНИТОРИНГА ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО
ПРОСТРАНСТВА
А.А. Закутаев
Проведен анализ задач, ставящихся перед низкоорбитальным космическим аппаратом мониторинга околоземного космического пространства, и особенностей его функционирования. Выполнена постановка задачи и осуществлен синтез математической модели его бортового многоспектрального оптико-электронного комплекса при решении задачи обнаружения объектов наблюдения и получения их детальных изображений.
Ключевые слова: мониторинг околоземного космического пространства, многоспектральный оптико-электронный комплекс, математическая модель.
Существующие наземные информационные средства мониторинга околоземного космического пространства при решении задач предупреждения об опасных сближениях, астеро-идно-кометной опасности, а также контроля технического состояния космической техники не обеспечивают получение информации об объектах наблюдения требуемой номенклатуры и качества [1]. В целях устранения данного недостатка в качестве одного из направлений развития указанных средств рассматривается создание космического аппарата-наблюдателя (КАН), оснащенного многоспектральным оптико-электронным комплексом (МОЭК) [2]. Одним из способов расширения возможностей КАН по получению информации о космической обстановке является увеличение параметров области наблюдения его МОЭК. Под областью наблюдения МОЭК понимается область пространства, ограниченная углом его поля зрения и соответствующей дальностью, в которой обеспечивается получение информации об объектах, наблюдения (ОН) требуемого качества. Поскольку создание широкопольных МОЭК, формирующих изображение с высоким качеством во всем поле зрения, весьма затруднительно, то в большинстве случаев увеличение параметров их области наблюдения достигается за счет повышения дальности получения информации. Большинство подходов к формированию технического облика МОЭК, позволяющих увеличивать дальность наблюдения, основаны на увеличении диаметра входного зрачка оптической системы или на снижении собственных шумов аппаратуры за счет охлаждения фотоприемного устройства (ФПУ) [3, 4]. Основным недостатком данных подходов является значительное увеличение массы МОЭК, а, следовательно, и КА в целом. В последние годы были сделаны значительные достижения в области создания криогенных систем, обладающих большим временным ресурсом непрерывной работы, высокой холодопроизводительно-стью, малой массой и энергопотреблением [5]. Указанные достижения создают предпосылки к созданию ОЭК космического базирования, оснащенного криогенной системой не только для охлаждения ФПУ, но и отдельных элементов его оптической системы. Следовательно, разработка модели МОЭК КАН, позволяющей определять параметры обеспечиваемой им области наблюдения с учетом влияния собственного теплового излучения отдельных элементов оптической системы, является актуальной задачей.
Содержательная постановка задачи. В процессе функционирования МОЭК КАН будет получать изображения ОН как в виде малоразмерных объектов, так и протяженных. Исходя из этого, область наблюдения МОЭК целесообразно рассматривать как совокупность двух составляющих: ближней и дальней зон. Зоны будут определяться соответствующими областями пространства, в которых МОЭК обеспечивает обнаружение и получение детальных изображений ОН с требуемыми показателями качества. Параметры ближней зоны могут быть описаны множеством вида:
{1изобр,w}, (i)
где /изобр - дальность получения МОЭК детального изображения ОН с разрешением, достаточным для его опознавания с заданной вероятностью; w - угол поля зрения МОЭК;
а дальней зоны - множеством вида:
{1обн,w}, (2)
где /0бн - дальность обнаружения МОЭК ОН с вероятностью не ниже заданной.
Очевидно, что при наличии в МОЭК каналов инфракрасного диапазона, перечень его параметров, оказывающих влияние, как на дальность получения детальных изображений, так и на дальность обнаружения ОН, будет отличаться от канала видимого диапазона. Исходя из этого, множества (1) и (2) примут вид:
{1изобр VIS,lизобр IR,w}, (3)
{1обн VIS,/обнIR,w}, (4)
где /г ш и /jIR - значения соответствующих дальностей в видимом и инфракрасном диапазонах.
Тогда на основе гипотезы о существовании функции, определяющих зависимость области наблюдения МОЭК от его параметров, характеристик ОН и подстилающего фона, модель МОЭК может быть представлена в следующем виде:
гизобр VIS, 1изобр IR,
w} = { fi (X, Y ,Z, V ), f ( X, Y ,Z, V ), f3 ( X )}; (5)
11обн VIS,/обн IR, w} = {f3 (X, Y,Z, V), f4 (X, Y,Z, V), f3 (X)}, (6)
где X = (xi,...,xh} - множество параметров МОЭК; Y = {yi,...,yn} - множество характеристик ОН; Z = (zi,...,zm} - множество характеристик фоновой обстановки; V = (Vi,...,v } - множество требований, предъявляемых к МОЭК.
Синтез модели многоспектрального оптико-электронного комплекса при получении детальных изображений объекта наблюдения.
Одной из основных целей получения детальных изображений КО является их опознавание. Требования к МОЭК получения детальных изображений чаще всего задаются в виде ограничений, предъявляемых к соответствующей вероятности опознавания ОН Роп. Выражение для расчета Роп имеет вид [6]:
-I blРО 2
Роп = Cexp
LPÜ
(7)
где С - коэффициент, учитывающий влияние на качество распознавания взаимного положения элементов сложного объекта (для простых объектов принимается равным 1 [2]); В - коэффициент опознавания формы; Lpo - линейное разрешение на поверхности ОН; А - критический линейный размер ОН.
Значение коэффициента опознавания формы объекта определяется в соответствии с выражением [6]:
B =
пг
5
где П - периметр фигуры, соответствующей контуру объекта; 5 - площадь объекта; Гор - среднее между радиусами окружностей, вписанной в контур и описанной вокруг контура объекта:
Г = ГВ + Г0
2
где гв и го - радиус вписанной и описанной окружности, соответственно.
Выражение для расчета линейного разрешения на объекте имеет вид [7]:
Lpo = /изобр , (8)
2уКМОЭК
где f - фокусное расстояние МОЭК; Rмoэc - разрешающая способность МОЭК.
Поскольку значение Lpo может быть использовано для оценки качества получаемых МОЭК изображений, то можно утверждать, что выражения (7) и (8) устанавливают полную взаимосвязь между требованиями, предъявляемыми к МОЭК, и характеристиками получаемой им информации.
Разрешающая способность МОЭК численно равна предельной пространственной частоте Удр, которая определяется решением уравнения [8]:
КТ (у)- М ( v ) = 0, (9)
где К - входной контраст, рассчитываемый в соответствии с выражением:
К =
иоб и
ф •
и
(10)
об
иоб, иф - яркость ОН и подстилающего фона, соответственно; Т^) - функция передачи модуляции (ФПМ) МОЭК; М^) - пороговая модуляционная характеристика.
Выражение для расчета ФПМ МОЭК имеет вид [8]:
Т (у) = Т трассы (у)ТОС (у)ТСФ (у)Твибр (у)ТФПУ (у), (11)
где Ттрассы(v) - ФПМ трассы наблюдения; Тос^) - ФПМ оптической системы (ОС) МОЭК; ТСФ^) - ФПМ системы фокусировки; Твибр^) - ФПМ вибрационного воздействия на МОЭК; Тфпу^) - ФПМ модуля ФПУ.
Особенности технической реализации современных МОЭК космического базирования позволяют пренебречь значениями ФПМ системы фокусировки и вибрационного воздействия на МОЭК. Поскольку наблюдение МОЭК за ОН предполагается на трассе «космос - космос», то значением ФПМ трассы наблюдения также можно пренебречь.
Выражение для расчета ФПМ дифракционноограниченной ОС видимого диапазона имеет вид [8]:
тос(^> = -
к
агссо&
х¥1Б ср у у у авх.зр )
хУ1Б ср у у
а
вх.зр
1 -
у авх.зр )
Л
(12)
где Хпб ср - длина волны, соответствующая середине видимого диапазона; авх.зр - диаметр входного зрачка МОЭК.
ФПМ дифракционноограниченной ОС ИК диапазона может быть определена в соответствии с выражением [8]:
I
ТОС^)=-
(
агссо8
хжу у
у авх.зр )
хжу у
а
вх.зр
'Ж
(13)
С
1 х
'Ж
ехр
с с с2
УТОСХ1К )
ах
'Ж
где ^1, ^2 - длины волн, соответствующие границами рассматриваемого спектрального диапазона; С и С2 - постоянные формулы Планка; Тос - температура ОС. Выражение для расчета ФПМ ФПУ имеет вид [8]:
Т ФПУ IМ = Т ФЧЭI (v)ТВУ I(v)Т эл.тр IМ, (14)
где Тфчэ^) - ФПМ фоточувствительного элемента (ФЧЭ) ФПУ:
х
х
sin (%aiv) ТФЧЭ i (v) = v i ) , %üiV
где a - линейный размер ФЧЭ ФПУ рассматриваемого спектрального диапазона; Гву(г) - ФПМ входного усилителя ФПУ:
ТВУ i (v) = ,
1-
( 2 Л2
2л fnimifK i
H
v у
где n, m - количество ФЧЭ по горизонтали и вертикали матричного ФПУ, соответственно; / -частота кадров ФПУ, которая определяется исходя из времени накопления ФЧЭ U в соответствии с выражением:
/к -
'н
А/ - полоса пропускания предварительного усилителя ФПУ.
Для матричного ФПУ смотрящего типа влиянием, возникающем при прохождении сигнала в электронном тракте, на ФПМ можно пренебречь. Порядок расчета ФПМ электронного тракта ОЭК, оснащенного МФПУ с режимом временной задержки и накопления, подробно представлен в работе [9].
На основе исследований, проведенных в работе [8], значение пороговой модуляционной характеристики для предельной пространственной частоты можно принять равным 0,02. Преобразуя выражения (7) и (8), имеем
1изобр - 2/КМОЭКLPO - '//*М(°)Г)К у]-lnРрасп ■ (15)
Выражение (15) с учетом соотношений (10) - (14) дает полное представление о зависимости дальности получения МОЭК детальных изображений ОН с качеством, достаточным для решения его опознавания, от параметров МОЭК, требований предъявляемых к нему, характеристик ОН и фоновой обстановки.
Выражение для расчета угла поля зрения ОЭК имеет вид [7]:
d''
w - 2arctg—, (16)
2/
где d" - линейный размер диагонали ФПУ рассматриваемого спектрального диапазона, определяемый для матричного ФПУ квадратной формы в соответствии с выражением:
d'' - V2n(a + Aa),
Aa - расстояние между ФЧЭ матричного ФПУ рассматриваемого спектрального диапазона.
Таким образом, исходя из анализа выражений (15) и (16), модель МОЭК КАН при решении задач получения детальных изображений ОН (5) может быть представлена в следующем обобщенном виде:
/1({^вх.зр '/'tn A/VIS 'A^VIS ,aVIS ,bVIS ,nVIS ,mVIS },{А,В^обт },{L$VIS },{роп}) /2 ({^вх.зр '/'tn ТОС A/IR 'A^IR ,aIR bIR ,nIR ,mIR }, {А>В^обIR }, {АфIR },{Prn})
/ /, n,m, a,b, Aa, Ab)
Синтез модели многоспектрального оптико-электронного комплекса при обнаружении объекта наблюдения.
Для решения задачи определения технического состояния КА МОЭК КАН должен обеспечивать получение отражательно-излучательных характеристик и детальных изображений ОН одновременно в видимом, среднем и дальнем инфракрасном диапазонах длин волн в широком угле поля зрения [1]. Данное требование, с учетом необходимости снижения мас-согабаритных характеристик МОЭК, формирует ряд жестких ограничений к ОС МОЭК. Исследования различных вариантов ОС для МОЭК КАН, проведенные в работе [10], показали, что одним из рациональных типов ОС является модифицированная схема Корша. В рамках разработки модели будет рассматриваться ОС данного типа.
Выражение для расчета отношения сигнал/шум при наблюдении МОЭК ОН в виде малоразмерного объекта имеет вид [11]:
4зобр VIS
^изобр IR
w
у2 = , (17)
ЯОН + NШ
где ЯОН и - значение полезной и шумовой составляющих регистрируемого сигнала.
Известно, что величина регистрируемого сигнала от точечного объекта обратно пропорциональна квадрату расстояния до него [7]. Исходя из этого, выражение для расчета предельной дальности обнаружения точечного объекта МОЭК с учетом (17) может быть представлено в следующем виде:
/обн = 1 I ЯоН . (18)
Ж>/ ЯОН +
Результаты исследований, представленных в работе [12], позволяют ввести допущение о том, что МОЭК КАН при обнаружении ОН будет работать в режиме ограничения внутренним шумом, а шумовой составляющей внешнего фона можно пренебречь. В каналах ИК диапазона внутренний шум МОЭК будет формироваться не только из паразитного сигнала, возникающего в ФПУ, но и за счет собственного теплового излучения элементов МОЭК.
В рамках предлагаемой модели, расчёт собственного теплового излучения от элементов модуля ФПУ проводится на основе его приведения к плоскости диафрагмы в светоизолирующем экране. К основным элементам модуля ФПУ относится непосредственного светоизолирующий экран, входное окно, светофильтр и светоделительный элемент. Порядок расчета излучения от указанных элементов подробно представлен в работе [13]. Наибольший интерес представляет собственное тепловое излучение основных оптических элементов ОС. При разработке настоящей модели МОЭК КАН, построенного на базе модифицированной схемы Корша, в качестве основных элементов ОС были рассмотрены главное, вторичное и третичное зеркала. Выражения для расчета сигнала, формируемого в ФЧЭ ФПУ, за счет их собственного теплового излучения имеют вид [14]:
- для главного зеркала (ГЗ):
ЯГЗ (п,тАх)=^ ^ФПУ (АХ)тВЗ (АХ)тТЗ (АХ)тСД (АХ)тВО (АХ)тСФ (АХ)х, (19)
хтПЗ(АХКнАпАт[аВЗ/(/ВЗ-ТЗ + /тз-мфпу)] £гз(ах'ТГЗ>МГЗ(АХ>Тгз) где п(АЛ) - квантовая эффективность ФПУ; к - постоянная Планка; с - скорость света; -время накопления; тВЗ (АЛ), тТЗ (АЛ.), тПЗ (АЛ) - коэффициенты отражения вторичного, третичного и плоского зеркал, соответственно; 8гз (АЛ, Тгз) - коэффициент излучения главного зеркала; /вз-тз - расстояние между вторичным и третичным зеркалами; /тз-мфпу - расстояние между третичным зеркалом и плоскостью МФПУ; Тгз - температура ГЗ; п, т, Ап, Ат - количество и линейные размеры ФЧЭ в матричном ФПУ по горизонтали и вертикали, соответственно;
- для вторичного зеркала (ВЗ):
кх
ЯВЗ(п,т,АХ)=4кСЛФПУ(АХ)тТЗ(АХ)тСД(АХ)тВО(АХ)тСФ(АХ)тПЗ(АХ)х, (20)
хн АпАт[соЯ апз ООпз /(/ТЗ-МФПУ + /ПЗ-ТЗ )]2ВВЗ (Ах ,ТВЗ )МВЗ (Ах ,ТВЗ ) где 8вз (АЛ, Твз) - коэффициент излучения вторичного зеркала; Бпз - диаметр плоского зеркала; «пз - угол поворота плоского зеркала; Твз - температура ВЗ;
- для третичного зеркала (ТЗ):
кх
ЯТЗ (n,m, Ах)=—•ПФПУ (АХ)тСД (АХ)тВО (АХ)тСФ (АХ)еТЗ (Ах,ТТЗ) х _ 4кс п2 , (21)
^ п /тз-мфпусолапз/)пз/2
авз' 'тз-мфпу--;-;-
_ 'тз-мфпу -'пз-тз _
где 8тз (АЛ, Ттз) - коэффициент излучения третичного зеркала; Бтз - диаметр третичного зеркала; Опз - диаметр плоского зеркала; /пз-гз - расстояние между плоским и главным зеркалом; Ттз - температура ТЗ.
Порядок расчета шумовой составляющей сигнала, возникающей в ФПУ, подробно описан в работе [15].
Выражение для расчета сигнала от ОН также представлено в [14] и имеет вид:
гнАпАшМТз (Ах ,ТТз)
1обнга
1обн IR
w
noh (nm AX) = J J J тгз (а^вз (а^тз (а^сд (ах)х , (22)
An Am AX
хтВо (ах)тСФ (ах)^ФПу (АХ)/он (ах) ® PSF(ax)dXdndm / (4hc) где /он - сила излучения ОН; PSF - функция рассеяния точки ОС МОЭК.
Таким образом, задаваясь значением отношения сигнал/шум, получаемого исходя из требований к вероятности обнаружения ОН, с использованием выражений (19) - (22), а также математических моделей, представленных в работах [13, 15], при помощи выражения (18) может быть рассчитано соответствующей значение дальности его обнаружения.
Исходя из этого, модель МОЭК КАН при решении задач обнаружения ОН может быть представлена в следующем обобщенном виде:
^ФПУ /н ,Nmax ,Ппер ,г,«усил , AXVIS ,aVIS ,bVIS ,nVIS ,mVIS },{I0HVIS } ,{робн }) I f ({Di ,Ti ,si ,Ti ,li ,f,tn ,1диаф ,^ФПУ ,tn ,Nmax ,ппер ,^,сусил ,AXIR ,aIR ,bIR ,nIR ,mIR К {/ОНIR }, {р>бн }) f/3 / ,n,m,a,b,Aa,Ab)
Заключение. На основе анализа задача мониторинга околоземного космического пространства, ставящихся перед низкоорбитальным КАН, была выполнена постановка задачи на разработку модели его бортового МОЭК и осуществлен ее синтез с учетом особенностей решения основных задач КАН: обнаружение ОН и получения их детальных изображений. В процессе разработки модели были учтены особенности функционирования каналов различных спектральных диапазонов. Новизна представленной модели заключается в возможности учета и оценки влияния собственного теплового излучения основных элементов ОС МОЭК, построенного на основе модифицированной схемы Корша, на характеристики области наблюдения МОЭК, в которой обеспечивается получение информации об ОН требуемого качества.
Список литературы
1. Анисимов В.Д., Батырь Г.С., Меньшиков A.B., Шилин В.Д. Система контроля космического пространства // Корпорация «Вымпел». Системы ракетно-космической обороны. М.: Изд. дом «Оружие и технология», 2004. 371 с.
2. Люхин А.В., Умбиталиев A.A. Задачи космических оборонных видеоинформационных систем // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. СПб.: НИИТ. 2013. Вып. 2. С. 3-14.
3. Умбиталиев A.A., Цыцулин А.К., Кузичкин А.В., Левко Г.В. Достижения и перспективы отечественного космического телевидения // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. СПб.: НИИТ. 2016. Вып. 2. С. 3-17.
4. Гаршин A.C Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. «Исследование и разработка многоспектральных оптических систем с одновременной работой каналов». СПб.: Университет «ИТМО». 2016. 150 с.
5. Микрокриогенная система на базе газовой криогенной машины Стирлинга с охладителем с пульсационной трубой МСМГ-15Г-3,0/70КВ0.0758.000. [Электронный ресурс] URL: http://www.cryontk.ru/media/files/2017 kvo-0758-000.pdf(дата обращения: 15.08.2019).
6. Живичин A.H., Соколов В.С. Дешифрирование изображений. М.: Недра, 1980. 326 с.
7. Мельканович A^. Фотографические средства и их эксплуатация. М.: Министерство обороны, 1992. 576 с.
8. Веселов Ю.Г., Гулевич С.П., Карпиков И.В. и др. Математическая модель цифровой инфракрасной системы дистанционного зондирования Земли // Электр. научн.-техн. журнал «Наука и образование». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумена, 2012. Вып. 6. С. 149 - 180.
9. Козлов К.В., Соляков В.Н., Кузнецов n.A. и др. Исследование частотных характеристик многоразрядного МФПУ с режимом ВЗН // научн. техн. журн. «Успехи прикладной физики». М.: НПО «Орион», 2014. Т. 2. Вып. 5. C. 528 - 538.
10. Иванов В.Г., Каменев A.A. Оценивание дальности обнаружения космических объектов бортовой многоспектральной оптико-электронной аппаратурой с матричными фотоприемными устройствами смотрящего типа // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. СПб.: НИИТ. 2016. Вып. 3. С 14-22.
11. Цыцулин A.K Телевидение и космос: учебное пособие. СПб: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003.228 с.
12. Колбанев М.О., Рогачев В.А., Закутаев А.А. Неравномерность чувствительности фотоприёмника и её компенсация при обнаружении в инфракрасных системах // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения,2015. Вып. 5. СПб.: НИИТ. 2015. С. 79-88.
13. Патрашин А.И., Бурлаков И.Д., Корнеева М.Д. и др. Прогнозирование параметров матричных фотоприемных устройств // Успехи прикладной оптики. Фотоэлектроника. 2014. Т. 2. № 1. С. 50-58.
14. Каменев А.А., Закутаев А.А. Модель каналов формирования реалистичных изображений космических объектов многоспектральной оптико-электронной системой малого низкоорбитального космического аппарата // Вопросы радиоэлектроники. Серия: техника телевидения, вып. 3. - СПб.: НИИТ, 2018. С. 19-26.
15. Квантово-оптические устройства. Физические основы функционирования и принципы построения приемников излучения: уч. пособие / Иванов В.Г., Каменев А.А., Гусаков В.М., Найшулер Д.В., под общ. ред. Иванова В.Г. СПб: ВКА им. А.Ф.Можайского, 2017. 286 с.
Закутаев Александр Александрович, начальник 562 лаборатории военного института (научно-исследовательского), zakutaev. a@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
ONBOARD MULTI-SPECTRAL MODEL OPTICAL-ELECTRONIC COMPLEX MONITORING
NEAR-EARTH SPACE
А.А. Zakutaev
The analysis of the tasks posed to the low-orbit spacecraft for monitoring near-Earth space, and the features of its functioning. The statement of the problem is carried out and the mathematical model of its onboard multispectral optical-electronic complex is synthesized when solving the problem of detecting objects of observation and obtaining their detailed images.
Key words: near-Earth space monitoring, multispectral optoelectronic complex, mathematical model.
Zakutaev Alexander Alexandrovich, head of laboratory of military institute (research), zakutaev.a@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy of Mozhaisky
УДК 621.317
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-374-378
ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ КОНТРОЛЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ СЕТИ СВЯЗИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В.Е. Писковитин
В статье предложен подход к моделированию интенсивности заявок в системах массового обслуживания с отказами. Подобный подход может существенно упростить задачу мультиплексирования измерительной информации на дальнейших этапах контроля параметров телекоммуникационного оборудования сетей связи специального назначения.
Ключевые слова: система массового обслуживания, интенсивность, телекоммуникационное оборудование, эффективность.
Представим процесс контроля параметров телекоммуникационного оборудования (ТКО) сети связи специального назначения посредством опроса датчиков как систему массового обслуживания (СМО) с отказами. Датчики, в свою очередь - каналами обслуживания. Информация, поступающая с датчиков, будет представлять собой случайный поток заявок (требований). Случайный характер потока заявок и времени обслуживания приводит к тому, что СМО оказывается загруженной неравномерно: в какие-то периоды времени заявка, поступившая
