CC BY
2
УДК 681.7.013
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-7-224-225
МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ
А.А. Закутаев, Д.М. Хетчиков, А.В. Емельянов
Проведен анализ особенностей выполнения задачи получения координатной и/или некоординатной информации об объектах наблюдения оптико-электронными средствами дистанционного зондирования требуемого качества и составлен граф, описывающий процесс их функционирования. Осуществлена формализованная постановка задачи и разработана модель функционирования указанных средств в условиях воздействия внешних факторов, позволяющая оценивать вероятность успешного решения задачи при наблюдении за заданными объектами.
Ключевые слова: модель, оптико-электронное средство, теория графов, Марковские процессы, вероятностно-временные характеристики.
Одним из способов повышения эффективности мониторинга различных процессов или объектов является использование средств дистанционного зондирования (ДЗ) [1]. Для решения указанных задач в настоящее время широкое применение нашли оптико-электронные системы (ОЭС) информационно-измерительного типа [2]. Очевидно, что их функционирование осуществляется в условиях воздействия антагонистических факторов как естественного, так и искусственного происхождения. Наибольшее влияние на эффективность ОЭС ДЗ оказывают искусственные источники когерентного оптического излучения [3]. При этом результаты подобного воздействия могут варьироваться в широких пределах и зависят от большого количества условий. Таким образом, разработка модели функционирования информационно-измерительной ОЭС ДЗ, учитывающей воздействие внешних факторов, в том числе искусственного происхождения, является актуальной задачей.
Особенности влияния помехового сигнала на процесс функционирования информационно-измерительных оптико-электронных систем дистанционного зондирования. Информационно-измерительные ОЭС, используемые для ДЗ, в общем случае предназначены для решения задач получения координатной и/или некоординатной информации (КИ и НКИ) о наблюдаемых объектах [4]. Указанная информация является результатом тематической обработки единичных изображений области пространства, находящейся в поле зрения ОЭС, или их последовательности. Основными характеристиками ОЭС информационно-измерительного типа, определяющими качество получаемых с их помощью изображений, является обеспечиваемое отношение сигнал/шум при наблюдении точечных (малоразмерных) объектов и частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) или функция передачи модуляции (ФПМ) - для протяженных объектов [5]. Снижение указанных характеристик в результате воздействия различных источников излучения как естественного, так и искусственного происхождения может приводить к невозможности получения КИ и НКИ требуемого качества.
На основе технических характеристик конкретной ОЭС ДЗ могут быть установлены минимальные пороговые значения ЧКХ (ФПМ), ниже которых качество получаемых изображений не позволяет решать целевую задачу с требуемой эффективностью, например, вероятностью распознавания или обнаружения объекта наблюдения.
В случае, когда излучение сторонних объектов является достаточно мощным, его энергия может не только снижать качество получаемых ОЭС ДЗ изображений, но и оказывать деструктивное воздействие на ее отдельные элементы, прежде всего фотоприемные устройства (ФПУ) [6]. Одним из способов повышения живучести ОЭС ДЗ в условиях воздействия мощного помехового излучения является их оснащение специализированными системами защиты, включающими датчиковую аппаратуру и устройства экстренного экранирования входного зрачка оптической системы [7].
Процесс функционирования оптико-электронной системы дистанционного зондирования. Процесс функционирования ОЭС ДЗ при получении ею изображений наблюдаемой области пространства с учетом воздействия излучения сторонних источников может быть представлен в виде графа состояний, показанного на рисунке 1. Поскольку информационно-измерительные ОЭС в большинстве случаев выступают в роли специальной аппаратуры какого-либо средства (стационарного, мобильного и т.д.), в работе под ОЭС ДЗ понимается в том числе и носитель, обладающий возможностями информационного взаимодействия, перемещения в пространстве и т.д. В качестве прототипа при разработке представленной модели использовались результаты исследований, представленные в работе [8, 9].
Вершины графа, представленного на рисунке 1, соответствуют следующим состояниям ОЭС ДЗ:
- С1 - исходное состояние, в котором находится ОЭС ДЗ. При этом она исправна и готова к выполнению задач по предназначению. Состояние может быть интерпретировано как дежурный режим;
- С2 - ОЭС ДЗ получено задание на проведение наблюдения. Успешно выполнены все мероприятия по переходу в рабочий режим. Ось визирования ОЭС выставлена в требуемую область пространства или сориентирована с учетом траектории движения носителя;
Системный анализ, управление и обработка информации
- Сз - ОЭС ДЗ входит в зону воздействия сторонних источников излучения;
- Сз.1 - на ОЭС ДЗ оказывается помеховое воздействие, мощность которого превышает пороговое значение срабатывания датчикового устройства комплекса защиты;
- Сз.2 - на ОЭС ДЗ оказывается помеховое воздействие, мощность которого не превышает пороговое значение срабатывания датчикового устройства комплекса защиты;
- С4.1 - мощность помехового воздействия приводит к снижению ЧКХ (ФПМ) ниже порогового значения, при котором качество получаемых изображений не позволяет решать целевую задачу с требуемой эффективностью;
- С4.2 - мощность помехового воздействия не приводит к снижению ЧКХ (ФПМ) ниже порогового значения, при котором качество получаемых изображений не позволяет решать целевую задачу с требуемой эффективностью;
- С 5 - ОЭС ДЗ входит в зону доступности наблюдения заданного объекта или момент времени соответствует расчетному времени вхождения объекта наблюдения в поле зрения ОЭС
- С5.1 - характеристики трассы распространения оптического излучения (низкий коэффициент пропускания, наличие метеообразований) приводят к снижению качества получаемых изображений, уровень которого не позволяет решать целевую задачу с требуемой эффективностью;
- С5.2 - степень влияния трассы распространения оптического излучения не приводит к снижению качества получаемых изображений и позволяет решать целевую задачу с требуемой эффективностью;
- Сб - поглощающее состояние, характеризующееся невозможностью получения ОЭС ДЗ изображения наблюдаемой области пространства с качеством, требуемым для решения целевой задачи;
- С7 - поглощающее состояние, характеризующееся получением ОЭС ДЗ изображения наблюдаемой области пространства с качеством, требуемым для решения целевой задачи.
При разработке модели были введены следующие допущения:
- сторонний источник располагается в пределах зоны, в которой направление распространения излучения обеспечивает внеполевое или полевое воздействие;
- при нахождении ОЭС ДЗ в состоянии С 5 ей не требуется осуществлять поиск объекта наблюдения. Указанный объект гарантировано находится в поле зрения ОЭС;
- аддитивные свойства излучения стороннего источника и влияния трассы его распространения при оценивании степени их влияния на качество получаемой ОЭС ДЗ КИ и/или НКИ не учитывались.
Анализ графа, представленного на рисунке 3, показывает, что процесс функционирования ОЭС ДЗ может развиваться по трем возможным вариантам:
1) изображения заданного объекта, полученные в ходе наблюдения, позволяют решить задачу получения КИ и/или НКИ требуемого качества - С1 ^ С2 ^ С3.2 ^ С4.2 ^ С5.2 ^ С7;
2) мощность излучения стороннего источника превысила пороговое значение, что вызвало срабатывание системы защиты ОЭС ДЗ. Как следствие, изображения ею получены не были, задача наблюдения не решена: С1 ^ С2 ^ С3.1 ^ Сб;
3) излучение стороннего источника вызывает такое снижение качества полученных ОЭС ДЗ изображений, которое не позволяет решать целевую задачу с требуемой эффективностью: С1 ^ С2 ^ С3.2 ^ С4.1 ^ Сб;
4) наличие в поле зрения стороннего источника излучения не вызывает критического снижения качества полученных ОЭС ДЗ изображений, однако характеристики трассы распространения оптического излучения не позволяют решать целевую задачу с требуемой эффективностью: С1 ^ С2 ^ С3.2 ^ С4.2 ^ С5.1 ^ Сб.
Постановка задачи. Очевидно, что каждое из возможных состояний, в котором может находиться ОЭС ДЗ, будет характеризоваться вероятностью перехода из i-ого состояния в j-ое - Pi-j, а время нахождения в i-ом состоянии - плотностью вероятности фг(Г). Таким образом, процесс функционирования ОЭС ДЗ может быть представлен аналогично [8] как полумарковский случайный процесс. Поскольку получение информации наблюдения, осуществляемое ОЭС ДЗ, и помеховое воздействие в масштабе решения задачи являются непрерывными во времени, то полумарковский процесс преобразуется в Марковский процесс с непрерывным временем, распределение которого будет описываться экспоненциальным законом [10]:
ф(г) = ^expl-Д , (1)
Ti- j l Ti- j J
где Tt-j - среднее время перехода ОЭС ДЗ из одного состояния в другое.
Одним из ключевых показателей эффективности процесса функционирования ОЭС ДЗ при наблюдении заданной области пространства в условиях воздействия излучения сторонних источников является вероятность решения задачи получения изображений, характеристики которых позволяют получить КИ и/или НКИ об объекте интереса требуемого качества.
С учетом принятых допущений и выбранного показателя эффективности модель может быть представлена в виде функциональной зависимости:
РОЭС ДЗ = P1-7 = f (P1-2, P2-3.2, P3.2-4.2, P4.2-5.2, P5.2-7,......T1-2,T2-3.2,T3.2-4.2,T4.2-5.2,T5.2-7 ). (2)
Описание модели. Для решения подобной задачи в работе [8] каждый переход графа состояний был представлен передаточной функцией Hij(s) вида:
H-j(s) = Ls Pj.(t)}= P^Xs), (3)
где Ls {...} - символ преобразования Лапласа; s - оператор Лапласа.
С учетом (3) переход из состояния С1 в Сб может быть представлен выражением вида:
H1-7 (s) = H1-2 (s)H2-3.2 (s)H3.2-4.2 (s)H4.2-5.2 (s)H5.2-7 (s) . (4)
Переход к функции распределения времени функционирования ОЭС ДЗ для случая успешного решения задачи получения КИ и/или НКИ об объекте интереса требуемого качества выполняется в соответствии с выражением [8]:
H1-7 (t ) = L-'{/ H1-7 (s)}, (5)
где L-1{...} - символ обратного преобразования Лапласа; 1/s - интегратор, при помощи которого можно перейти от
плотности вероятности к функции распределения.
Поскольку функция распределения (3) представляет собой вероятностно-временную зависимость процесса функционирования ОЭС ДЗ от времени, то выражение (2) с учетом (4) и (5) может быть представлено в виде:
^оэсдз (tH_7 (t). (6)
Заключение. На основе анализа особенностей выполнения задачи получения КИ и/или НКИ об объектах интереса ОЭС ДЗ требуемого качества был сформирован граф процесса их функционирования. Показано, что указанный процесс с учетом имеющихся ограничений и обоснованных допущений может быть представлен в виде Марковского с непрерывным временем. Осуществлена формализованная постановка задачи и разработана модель функционирования ОЭС ДЗ в условия воздействия внешних факторов. Указанная модель позволяет оценивать вероятность успешного решения задачи ОЭС ДЗ при наблюдении за объектами интереса.
Список литературы
1. Заичко В.А., Селин В.А., Аракчеев А.Н., Никитин И.А., Сизов О.С., Григорец Е.А., Цымбарович П.Р. Анализ результатов использования государственными потребителями данных ДЗЗ из космоса, получаемых с российских космических аппаратов // Сборник информационных материалов (научно-практический журнал) «Дистанционное зондирование земли из космоса в России», 2020. № 1. С. 33-47.
2. Чугуй Ю.В. Трёхмерные оптико-электронные измерительные системы и лазерные технологии для научных и промышленных применений // Автометрия, 2015. Т. 51. № 4. С. 76-91.
3. Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Радио и связь, 1981. 180 с.
4. Жуков А.О., Гладышев А.И., Прохоров М.Е., Заверзаев А.А. Обработка и анализ оптической некоординатной информации о наблюдаемых объектах // Автометрия, 2022. Т. 58. № 3. С. 88-97.
5. Иванов В.Г., Каменев А.А. Применение широкоформатных инфракрасных матричных фотоприемных устройств в оптико-электронных средствах наблюдения за космической обстановкой: монография. СПб.: ВКА имени А.Ф.Можайского, 2015. 227 с.
6. Судьенков Ю.В. Откол в стекле К8 при субмикросекундном ударном нагружении / Письма в ЖТФ, 2001. Т. № 27. Вып. № 11. С. 30-34.
7. Славкин И.Е., Пронин А.В. Датчиковая аппаратура для измерения характеристик космического пространства // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль, 2018. № 3 (25). С. 37-42.
8. Хильченко Р.Г., Неугомонов С.Р. Компьютерная имитационная модель процесса функционирования малогабаритных разведывательных беспилотных летательных аппаратов с учетом возможного радиоэлектронного противодействия, 2021.
9. Козирацкий Ю.Л. Модели информационного конфликта средств поиска и обнаружения: монография. М.: Радиотехника, 2013. 232 с.
10. Алиев Т.И. Основы моделирования дискретных систем. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. 363 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,
Хетчиков Дмитрий Михайлович, заместитель главного конструктора, д-р техн. наук, d. [email protected]. ru, Россия, Санкт-Петербург, АО «Научно-инженерный центр Санкт-Петербургского электротехнического университета»,
Емельянов Александр Владимирович, начальник 561 лаборатории военного института (научно-исследовательского), канд. техн. наук, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.ФМожайского
MODEL OF THE FUNCTIONING OF AN OPTOELECTRONIC REMOTE SENSING SYSTEM UNDER THE INFLUENCE OF EXTERNAL FACTORS
A.A. Zakutaev, D.M. Hetchikov, A.V. Emelyanov
The analysis of the features of the task of obtaining coordinate and/or non-coordinate information about objects of observation by optoelectronic remote sensing of the required quality has been carried out and a graph describing the process of their functioning has been compiled. A formalized formulation of the problem has been carried out and a model of the functioning of these tools under the influence of external factors has been developed. This model allows to estimate the probability of successful solution of the problem when observing specified objects.
Key words: model, optical-electronic system, graph theory, Markov processes, probabilistic-temporal characteristics.
Zakutaev Alexander Alexandrovich, head of laboratory of military institute (research), zakutaev.a@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military space academy of Mozhaisky,
Hetchikov Dmitry Mikhailovich, deputy chief designer, doctor of technical sciences, [email protected], Russia, St. Petersburg, JSC "Scientific and Engineering Center of St. Petersburg Electrotechnical University",
Emelyanov Alexander Vladimirovich, head of the 561 laboratory of the Military Institute (Scientific Research), Candidate of Technical Sciences, slash1@inbox. ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F.Mozhaisky
