CC BY
134
ROBUST ALGORITHM FOR ADAPTIVE IDENTIFICA TION OF NARX PROCESSES
N.R. Antropov, E.D. Agafonov
Adaptive identification of nonlinear autoregressive processes with exogenous inputs and outliers in observations is considered. A new robust kernel adaptive identification algorithm is proposed. Proposed algorithm is tested using a series of computational experiments. Training and test samples were generated by solution of nonlinear discrete difference equations for various training sample sizes, noise and outlier levels in observations.
Key words: modeling, identification, robust algorithm, outliers filter.
Antropov Nikita Romanovich, postgraduate, nikita. antropov. 92@mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology,
Agafonov Evgeniy Dmitrievich, doctor of technical sciences, docent, agafonov@gmx. de, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University
УДК 681.7
ОБЗОР КОРОТКОВОЛНОВЫХ ИНФРАКРАСНЫХ МАТРИЧНЫХ ПРИЁМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
И. А. Киль, А. А. Шилин, М.Г. Погорелов
В статье проведён обзор современных матричных приёмников излучения коротковолнового инфракрасного диапазона и их параметров, определены преимущества КВИК-диапазона для его применения в составе оптико-электронных систем, осуществляющих обзор и разведку местности.
Ключевые слова: оптико-электронные системы, матричный приёмник излучения, коротковолновый ИК-диапазон.
В последнее несколько лет наблюдается повышенный интерес к коротковолновому инфракрасному (КВИК) диапазону длин волн среди разработчиков оптико-электронных систем (ОЭС), назначением которых является разведка местности как в военных, так и в гражданских целях.
Работа в коротковолновом ИК-диапазоне возможна из-за следующих факторов:
1. Свечения ночного неба, вызванного различными процессами в верхних слоях атмосферы, в частности, люминесценцией компонентов воздуха под действием космических лучей, метеоритов, атмосферных электрических разрядов и естественной радиации, а также хемилюминесценцией, связанной в основном с реакциями, идущими между атомами кислорода, водорода, натрия, углекислого газа, озона, воды, окислов азота и гидроксильными радикалами [1].
2. Свечения сильно нагретых тел (согласно распределению энергии по закону Планка).
Это позволяет ОЭС на базе матричных модулей КВИК-диапазона работать круглосуточно, а меньшая длина волны увеличивает их дифракционный предел разрешения (по сравнению со средне- и длинноволновыми ИК-диапазонами).
В решении гражданских задач такие системы используются, например, для определения влажности, что позволяет узнать степень увлажнённости материала; выявление гнилых или испорченных посевов, овощей, ягод и фруктов; относительное содержание влаги в растениях. Помимо этого, службы МЧС применяют камеры с КВИК-диапазоном, чтобы найти очаг возгорания в лесной местности, или человека в условиях
200
затруднённой видимости, например, из-за сильной задымлённости (см. рис. 1, 2). В военных целях КВИК-канал позволяет регистрировать лазерные сигналы от дальномеров-целеуказателей, рабочие длины волн которых лежат преимущественно в этом диапазоне, а также повысить помехозащищённость работы автомата сопровождения и селекции цели ОЭС.
а б
Рис. 1. Пример применения КВИК-канала: а — видимый диапазон; б — КВИК-диапазон
а б
Рис. 2. Пример применения КВИК-канала: а — видимый диапазон; б — КВИК-диапазон
Таким образом, практический интерес разработчиков обусловлен несколькими факторами:
1) Преимуществами КВИК-диапазона:
возможность наблюдения в условиях пониженной видимости - пыли, тумана, дыма, дождя;
возможность обнаруживать лазерные сигналы для задач целеуказания объектов и измерения дальности до них;
возможность наблюдения фоно-целевой обстановки в тёмное время суток;
уменьшение влияния солнечных бликов от водных поверхностей;
повышение помехозащищённости работы ОЭС - в качестве дополнительного информационного канала.
2) Серийной доступностью. За последние 15 лет стали коммерчески доступны матричные приёмники излучения (МПИ) для КВИК-диапазона на базе соединений ар-сенида галлия и индия (1пОаАв), а также антимонида индия (1п8Ь). Первые не требуют охлаждения до низких температур, поэтому получили большую распространённость. В табл.1 представлены параметры серийно выпускаемых МПИ и модулей на их основе, пример внешнего вида МПИ КВИК-диапазона представлен на рис. 3.
В состав современных матричных модулей коротковолнового инфракрасного диапазона длин волн обычно входят:
матрица фоточувствительных элементов, которая преобразует принятое излучение фоно-целевой обстановки в электрические сигналы;
мультиплексор, который считывает электрические сигналы с матрицы с требуемой частотой и производит их первичную обработку;
электронные платы, обеспечивающие обработку сигналов с мультиплексора, которые реализуют алгоритмы улучшения изображения и формируют видеосигнал, поступающий в аппаратуру управления объекта, а также принимают и обрабатывают команды, приходящие от аппаратуры объекта.
\
Рис. 3. Пример внешнего вида МПИ (Lynred, SNAKE)
Таблица 1
Характеристики серийно^ выпускаемых КВИК-модулей _
Наименова-ние, производи-тель Формат МПИ, пкс (размер пикселя, мкм) Спектральный диапазон (материал) Частота смены кадра, Гц Напряжение питания, В Квантовая эффективность, % Диапазон рабочих температур, °С Габарит-ные размеры, мм
Cardinal 1280 HD, SCD 1280x1024 10 0,6-1,7 InGaAs 60 - 80 Минус 54 °С... +80 °С 34х34х10
Mini Blackbird, SCD 1280x1024 10 1-4.2 InAsSb* 90 2,5 80 Минус 40 °С... +60° С 80х50х50
1280JSX, Sensors Unlimited 1280x1024 12,5 0,5-1,7 InGaAs 60 8-16 65 Минус 40 °С... +71 °С 50,8x50,8x 61,7
ISC1202 SWIR, FLIR 640x512 15 0,9-1,7 InGaAs 240 4,9-5,5 65 Минус 40 °С... +60° С 27,8x25,4x9,42
ISC1202 Vis-SWIR, FLIR 640x512 15 0,6-1,7 InGaAs 240 4,9-5,5 80 Минус 40 °С... +60° С 27,8x25,4x9,42
Owl 640 S, Raptor photonics 640x512 15 0,9-1,7 InGaAs 100-300 12 80 Минус 30 °С... +60° С 74,2х50х50
Snake SW, Lynred 640x512 15 0,9-1,7 InGaAs 100-300 3,6 70 Минус 40 °С... +71 °С 42x30x9
Snake SW, Lynred 640x512 15 0,9-1,7 InGaAs 100-300 3,6 70 Минус 20 °С... +60 °С 16,5x16,5x 2,8
SWIR Imager, SCD 640x512 15 0,6-1,7 InGaAs 30 5 70 Минус 40 °С... +71 °С 31x31x32
WiDy NaNo 640V-S, Pembroke instruments 640x512 15 0,9-1,7 InGaAs 120 4-6 70 0 °С... +65 °С 25x25x29
SW640, Ghopto 640x512 15 0,9-1,7 InGaAs 60-240 1,8-3,3 70 Минус 40 °С... +71 °С 36x25,4x7,2
Kinglet, SCD 640х512 15 1-4.2 InAsSb* 100 3,5 80 Минус 40 °С... +60° С 78х36х30
ООО «КОС» 640х512 15 0,9-1,7 InGaAs 180 10-30 65 Минус 50 °С... +50° С 36х25,4х6,3
АО «НПО «Орион» 640х512 15 0,9-1,7 InGaAs 90 3,6 80 Минус 50 °С... +50° С 62х56х60
VSM640, АО «НПК Фотоника» 640х512 15 0,9-1,7 InGaAs 30 10-30 70 Минус 50 °С... +50° С 65х65х72
XSW 640 CL, Xenics 640x512 20 0,9-1,7 InGaAs - 12 80 Минус 45 °С... +85 °С 45x45x56
Flamingo, SCD 640x512 20 1-5.4 InSb* 107 13 50 Минус 40 °С... +60° С 28,15х 28,15х56.5
FPA-640x512, ANDANTA 640x512, 25 0,9-1,7 InGaAs 100 2-5,5 70 Минус 20 °С... +70 °С 18х18х1,45
Falcon, SCD 640x512 25 1-5.4 InSb* 107 13 50 Минус 40 °С... +60° С 28,15х 28,15х56.5
* - отмеченные МПИ требуют охлаждения до отрицательных температур.
В функционал таких модулей уже заложено большинство требований, предъявляемых к оптико-электронному прибору в целом, среди которых особо стоит отметить:
функционирование в реальном масштабе времени;
автоматическая коррекция неоднородности изображений, вызванной геометрическим шумом матрицы фоточувствительных элементов и нелинейностью их передаточной функции;
замещение дефектных элементов матрицы фоточувствительных элементов; изменение увеличения, масштаба и формата изображения; повышение качества изображения путём увеличения его резкости и «подчёркивания» границ изображений отдельных объектов сцены;
автоматическая регулировка контраста и яркости как в изображении всей сцены, так и в локальных её частях;
стабилизация изображения (поля наблюдения);
устранение дискретности изображения при помощи алгоритмов интерполяции; подавление нежелательных мощных сигналов, например, орудийных вспышек; выдача управляющих команд для автофокусировки;
отображение требуемых данных и символов - текущего времени, прицельных сеток, и т.д.
Однако на данный момент, не смотря на большое количество ОЭС, различающихся по своим характеристикам и массогабаритным параметрам в зависимости от назначения применения, уровня развития техники и технологии производителя, типа носителя ОЭС и т.п., лишь небольшое их число из серийно выпускаемых изделий имеет в своём составе КВИК-канал. Основные модели таких ОЭС представлены в табл. 2, пример внешнего вида такой ОЭС представлен на рис. 4.
Рис. 4. Пример внешнего вида ОЭС (FLIR Star SAFIRE 380-HD)
Оценка представленных данных позволяет сделать следующие выводы:
- Современные ОЭС способы работать в нескольких спектральных диапазонах, за счёт чего имеют повышенную помехозащищённость. При подавлении информации с одного канала технического зрения оператор или автомат селекции цели имеет возможность переключиться на другой, работающий в ином спектральном диапазоне. Кроме того, при комплексировании видеоинформации с различных каналов можно добиться повышения вероятности опознавания цели.
- Современные МПИ КВИК-диапазона имеют формат от 640х512 и более пикселей, благодаря чему обеспечивается хорошее разрешение изображения.
- Для обработки видеосигнала применяют интерфейсы высокого разрешения, что позволяет оператору наблюдать детализированное изображение.
- Рабочие длины волн, на которых работают большинство современных лазерных дальномеров и целеуказателей, принадлежат КВИК-диапазону. Таким образом, применение КВИК-канала позволяет обнаруживать цель, по которой работает в данный момент лазерный прибор, что упрощает работу оператора - виден конкретный объект, до которого измеряется дальность или который подсвечивается целеуказателем.
Таблица 2
Параметры современных ОЭС, включающих в себя КВИК-канал_
^""^^^.Наименование Параметр EUROFLIR410 MX-20 Star SAFIRE 380-HD 0ЭЦН-350
Производитель Safran Wescam FLIR АО «Циклон»
Телевизионный канал Спектральный диапазон, мкм 0,4-0,95 0,4-0,9 0,4-0,9 0,35-0,75
Формат МПИ - 1920x1080 1280x720 1920х1080
Диапазон углов поля зрения, град - 30-1,9 29-0,25 40-2,7
ИК - канал Спектральный диапазон, мкм 3-5/ 0,9-1,7 3-5/ 0,9-1,7 3-5/ 0,9-1,7 3-5/ 0,9-1,7
Формат МПИ - 640x512/ 640х512/ 1280-1024 640х512/ 640х512
Диапазон углов поля зрения, град - 18.2-0,24/ 30-0,25/ 28-0,25 40-4/ 22-2
Длина волны лазерного дальномера, мкм 1,06/1,54 1,54 1,54 1,54
Длина волны лазерного маркера, мкм 0,83 0,83 0,8 1,06
Диаметр ОЭС, мм 410 533 380 350
Масса ОЭС, кг 45 91 45 30
Редкое применение КВИК-канала в составе ОЭС, по результатам анализа представленных данных, обусловлено следующими факторами:
существующий размер пикселя в 10-15 раз превосходит рабочую длину волны. Это не позволяет создать конструкцию КВИК-канала ОЭС с разрешением телевизионных (ТВ) систем, равную последним по массогабаритным параметрам;
свечение ночного неба обладает невысокой энергетикой, и для работы ОЭС в тёмное время суток требуется применение светосильной оптики, что дополнительно увеличивает массогабаритные параметры, сложность, а, следовательно, и стоимость КВИК-канала.
Вместе с тем, исследования в этом направлении обладают значительной актуальностью, так как выигрыш по энергетике КВИК-канала над телевизионным может достигать от одного до нескольких раз в зависимости от метеорологических условий.
Рассмотрим ситуацию с наблюдением объекта, освещённого солнцем, на расстоянии L = 1 км, c коэффициентом отражения р0 = 0,35 и площадью S = 1 м2 в тропической атмосфере на фоне c коэффициентом отражения рф = 0,3 двумя каналами -КВИК и ТВ, параметры которых приведены в табл. 3.
Таблица 3
Параметры КВИК- и ТВ-каналов__
Параметр ТВ КВИК
Тип МПИ КМОП InGaAs
Формат МПИ, эл-тов 1280х1024 640х512
Размер пикселя, мкм 5,5 15
Фокусное расстояние, мм 100 100
Диаметр входного зрачка, мм 30 30
Коэффициент пропускания объектива 0,85 0,85
Графики квантовой эффективности матриц представлены на рис. 5. Графики пропускания атмосферы для метеорологической дальности видимости представлены на рис. 6 [2].
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
Длина волны, мкм Длина волны, мкм
и j
WAVELENGTH (microns)
а б
Рис. 5. Квантовая эффективности матриц: а—КМОП; б — ¡пСшАь
a -,
о os
год
о :
WAVELENGTH (microns)
а б
Рис. 6. Коэффициент пропускания атмосферы на дальности 1 км в тропической атмосфере
Для описанных условий по методике, представленной в [3], был выполнен расчёт отношения сигнал/шум (рис. 7).
сги — А0 /¿2 ?7(;1){Рц(;1)-Рф(;1))-Ес№-То№-СИнт"Гатм(М)£гЯ
ЬСН — —- ■-
4-^2
где Ав - площадь цели; Б - диафрагменное число системы; г;(Я) - квантовая эффективность МПИ; рц(Я) и Рф(Я) - коэффициенты отражения цели и фона соответственно; ЕС(Я) - спектральная плотность энергетической освещённости земной поверхности вблизи верхней границы атмосферы; т0(Я) - спектральный коэффициент пропускания объектива; татм(Я, V) - спектральный коэффициент пропускания атмосферы; £инт - время интегрирования МПИ; - шумовая составляющая системы.
При расчётах принято допущение, что обозреватель находится на дистанции наилучшего наблюдения изображения перед монитором, а параметры самого монитора подобраны таким образом, что не приводят к деградации изображения, полученного с МПИ.
Как следует из представленных данных, отношение сигнал/шум в КВИК-канале превосходит отношение сигнал/шум в ТВ-канале примерно в четыре раза и с увеличением дальности наблюдения объекта — это значение возрастает.
Стоит также отметить, что полученное отношение в полезных сигналах сильно зависит от параметров самих каналов. В рассмотренном примере взяты одинаковые по
габаритам оптические системы, но разные приёмники излучения. Следовательно, и разрешение таких каналов будет разным, что необходимо учитывать при комплексной оценке возможности размещения того или иного типа канала в ОЭС.
4.4 4.35
Р ос
и 4 3
(Л •—
¡É
J 4.25 и
(Л
4.2 4.15
О 200 400 600 800 1000 Дальность до объекта, м -КВИК/ТВ МДВ15 -КВИК/ТВ МДВЗ
Рис. 7. Разница в рассчитанных отношениях сигнал/шум для КВИК и ТВ диапазонов
Прямое сравнение, по мнению авторов, не представляется возможным, так как КВИК-матрицы ещё не достигли больших форматов и небольших размеров пикселей, как ТВ-матрицы, и расчёт шумовых характеристик был бы предположением с многими неизвестными. С другой стороны, брать специально разработанные для решения узких задач или устаревшие ТВ-матрицы с размером пикселя 12-15 мкм не представляется логически обоснованным.
В статье был проведён обзор современных матричных приёмников излучения коротковолнового инфракрасного диапазона и их параметров, определены преимущества КВИК-диапазона для его применения в составе оптико-электронных систем, осуществляющих обзор и разведку местности. Выполнена сравнительная оценка значения отношения сигнал/шум, полученного при помощи ТВ- и КВИК-канала.
Отмечено, что на данный момент КВИК-канал в сравнении с ТВ-каналом, при выигрыше по значению отношения сигнал/шум, обеспечивает меньшую разрешающую способность при фиксированных параметрах объектива, либо большие габариты оптической системы при фиксированной разрешающей способности.
Список литературы
1. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Современные проблемы инфракрасной техники. М.: Изд. МИИГА и К, 2011. 84 с.
2. Официальный сайт компании Spectral. [Электронный ресурс] URL: www.spectral.com (дата обращения: 07.10.2020).
3. Holst G.C. Electro-optical imaging system performance. JCD Publishing and SPIE, 2017. 408 p.
4. Lynred infrared detectors bring your thermal cameras to life [Электронный ресурс] URL: www.lynred.com (дата обращения: 15.10.2020).
5. Semi Conductor. [Электронный ресурс] URL: www.scd.co.il (дата обращения: 15.10.2020).
6. Scd.usa offers tailored infrared imaging solutions. [Электронный ресурс] URL: www.scdusa-ir.com (дата обращения: 16.10.2020).
7. Официальный сайт Ghopto. [Электронный ресурс] URL: www.ghopto.com (дата обращения: 16.10.2020).
8. Официальный сайт Andanta. [Электронный ресурс] URL: www.andanta.de (дата обращения: 17.10.2020).
9. Официальный сайт Xenics. [Электронный ресурс] URL: www.xenics.com (дата обращения: 17.10.2020).
10. Официальный сайт Sensorsinc. [Электронный ресурс] URL: www. sensorsinc. com (дата обращения: 17.10.2020).
11. Официальный сайт Flir. [Электронный ресурс] URL: www.flir.com (дата обращения: 17.10.2020).
12. Официальный сайт Raptorphotonics. [Электронный ресурс] URL: www. rap-torphotonics.com (дата обращения: 18.10.2020).
13. Официальный сайт Swir. [Электронный ресурс] URL: www.swir.ru (дата обращения: 18.10.2020).
14. Официальный сайт Pembrokeinstruments. [Электронный ресурс] URL: www. pembrokeinstruments.com (дата обращения: 18.10.2020).
Киль Иван Андреевич, аспирант, johnnykia@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шилин Аркадий Александрович, канд. техн. наук, преподаватель, arkadiy.shilinamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Погорелов Максим Георгиевич, канд. техн. наук, доцент, mgpogore-loff@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
FEA TURES OF IMPLEMENTING SHORT WA VE INFRARED FOCAL PLANE ARRAYS
OVERVIEW
I.A. Kil, A.A. Shilin, M.G. Pogorelov
Article contains overview of modern short wave infrared focal plane arrays including their characteristic, determination of benefits using SWIR into configuration of electro-optical system, that perform area observation or reconnaissance.
Key words: electro-optical system, focal plane array, short wave infrared
Kil Ivan Andreevich, postgraduate, johnnykiaayandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Shilin Arkadiy Alexandrovich, candidate of technical sciences, teacher, arkadiy. shilina mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pogorelov Maxim Georgievich, candidate of technical sciences, docent, mgpogore-lofayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
