Особенности компьютерного моделирования многодиапазонных оптико-электронных систем обнаружения Текст научной статьи по специальности «Физика»

Работа выполнялась в рамках НИР программы „Развитие научного потенциала высшей школы" и федеральной целевой программы „Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009—2013 гг.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Андреев А. Л., Тоткайло С. В. Комплексная модель оптико-электронной системы наблюдения за точечными объектами // Сб. тр. VII Междунар. конф. „Прикладная оптика-2006". Т. 1. Оптическое приборостроение. СПб, 2006. С. 48—52.

2. Источники и приемники излучения / Г. Г. Ишанин, Э. Д. Панков, А. Л. Андреев, Г. В. Польщиков. СПб: Политехника, 1991. 240 с.

3. Андреев А. Л., Ярышев С. Н. Методы моделирования ОЭС с многоэлементными анализаторами изображения. СПб: ИТМО, 2006. 52 с.

4. Андреев А. Л. Сравнение алгоритмов интерполяции сигнала при измерении координат объектов с помощью многоэлементного фотоприемника // Сб. тр. VII Междунар. конф. „Прикладная оптика-2006". Т. 3. Компьютерные технологии в оптике. СПб, 2006.

Сведения об авторах

Андрей Леонидович Андреев — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный уни-

верситет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: and-andr@yandex.ru Валерий Викторович Коротаев — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный

университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: korotaev@grv.ifmo.ru

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

оптико-электронных приборов и систем 19.10.09 г.

УДК 621.384

И. П. ТОРШИНА

ОСОБЕННОСТИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ

Рассмотрены особенности компьютерного моделирования многодиапазонных оптико-электронных систем обнаружения, относящиеся к отдельным модулям их обобщенной компьютерной модели. Представлена энергетическая модель фоноцелевой обстановки работы двухдиапазонной оптико-электронной системы обнаружения.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы.

Многодиапазонные оптико-электронные системы (ОЭС), работающие одновременно в двух или более оптических спектральных диапазонах, находят в настоящее время все большее распространение в самых различных областях науки и техники [1]. Такие системы успешно используются для обнаружения различных объектов (целей) в военной технике, для мониторинга экологического состояния и контроля окружающей среды, в правоохранительной и охранной аппаратуре и др. Поскольку проведение натурных испытаний очень часто сопряжено с большими технико-экономическими и временными затратами, роль

компьютерного моделирования в процессе синтеза и анализа ОЭС, особенно на первых этапах проектирования, трудно переоценить.

В подавляющем большинстве отечественных и зарубежных публикаций, посвященных компьютерному моделированию ОЭС, рассматривается моделирование однодиапазонных ОЭС, работающих в каком-либо одном спектральном диапазоне. В настоящее время возникает необходимость разработки компьютерных моделей (КМ) многодиапазонных ОЭС, обладающих рядом преимуществ перед однодиапазонными [1, 2].

При создании ОЭС, работающих в активном режиме и использующих несколько узкополосных источников излучения или несколько полос излучения одного источника, применяют те же принципы построения. Различие состоит в том, что базы данных многодиапазонных ОЭС должны дополнительно содержать следующую информацию.

— В КМ многодиапазонных ОЭС необходимо строго учитывать спектральную селективность пропускания среды (атмосферы).

— Необходимо, чтобы в базе данных оптических систем КМ таких ОЭС содержались характеристики оптических материалов с пропусканием в рабочих спектральных диапазонах, параметры диспергирующих систем (призм, дифракционных решеток, наборов узкополосных светофильтров и др.).

— Характеристики матричных многодиапазонных приемников излучения (МПИ) [1, 3], реализующих спектральную селекцию и пространственную фильтрацию в одном элементе.

— Наличие в составе многих ОЭС систем совмещения изображений, получаемых в разных рабочих спектральных диапазонах.

Как известно, характерными показателями эффективности работы двухдиапазонной ОЭС являются:

спектральный контраст

К = или К = Е 1 Е 2 , (1)

^ 1 +Г, 2 Е 1 +Е 2

разность оптических сигналов

Д, = Г - Г или Д, = Е, - Е, , (2)

АА 1» 2 »» 1» 2

Я, = г, /г, или Я, = Е» /Е» , (3)

А А 1 К г* А А 1 А ^ " \ /

спектральное отношение

= г /г или Я = Е ^

- 1 , 2 '

— логарифмические спектральные отношения

¡ВК = ¡в[гх 1/гх 2] или lg Ях = ¡в [Ех 1/Ех 2]. (4)

Здесь г, — коэффициент спектральной яркости отражающих поверхностей, Е, — спектральная плотность светового потока, приведенные к выходу системы.

Энергетическая модель, в которой учитываются собственное и отраженное излучение объекта, фона и среды, находящихся в угловом поле ОЭС (в телесном угле 0ОЭС), а также отраженное от них или рассеянное ими излучение, создаваемое посторонним источником или окружающей средой, находящимися вне углового поля 0ОЭС, представлена на рисунке (Ьоб, Ьф и Ь — яркость объекта, фона и 1-го слоя (г = 1,1) среды соответственно; Ьотр — яркость „постороннего" излучения в плоскости фона).

Чтобы учесть неоднородность среды распространения, разделим ее на отдельные зоны (слои), находящиеся в термодинамическом равновесии. Внутри каждого 1-го слоя значения его температуры Тг, спектральных коэффициентов излучения вг(^) и пропускания т г(Х) приняты постоянными. В первом слое находится входной зрачок объектива ОЭС, объект находится в слое с номером /=иоб, фоновый излучатель — в слое с номером г=Пф.

Приведем соотношения для

— яркости излучения, собираемого внутри телесного угла Ооб и представляющего собой сумму собственного и отраженного излучения объекта, а также излучения среды на трассе внутри этого угла

" 1 ] "об "об —

Ьоб (Л) = боб (Л)Цоб (Л, Т>б ) + — Роб №об (Л) П Т.- А) + Е 4(Т)П Ту Ф) [!"Ту (Л)] ; (5) I- п J .=1 .-=1 у=1

— яркости фона, наблюдаемого ОЭС в пределах телесного угла (Ооэс -^об), не занятого объектом; эта яркость вызвана собственным и отраженным (обычно рассеянным) излучением фона, а также излучением среды на трассе внутри угла (0ОЭС -Ооб):

"Ф "ф .--1

Lф(Л)=

1

;ф (Л) Цф (Л Тф )+- Рф (Л) Еф (Л)

п

П Т. (Л)+Х Ц (Т )П Ту (Л) [1-Ту (Л)

.=1 .=1 у=1

(6)

где боб, бф, роб и рф — коэффициенты излучения и отражения объекта и фона соответственно; Тоб, Тф и Т — температура объекта, фона и среды; т(^) — спектральное пропускание среды.

.' . Посторонний . источник'

Входной зрачок ОЭС

Среда (атмосфера) на трассе прохождения излучения

Облученность входного зрачка объектива будет равна

Евх(Л) = Цоб(Л)Дйоб + Цф(Л) (Ооэс -^об). Примем отражения от объекта и фона ламбертовскими, излучательные способности и значения яркости по их поверхностям и в пределах телесных углов Ооб и (Ооэс - Ооб) будем считать постоянными.

Если известны не значения облученности Еоб(^) и Еф(^), создаваемые источником „постороннего" излучения в плоскостях объекта и фона, а приведенные к этим плоскостям яркости этого источника Цех об(^) и Цех ф(^), в первых квадратных скобках правой части (5) и (6)

для изотропно отражающих объектов и фонов слагаемые 1 роб (Л)Еоб (Л) и 1 рф (Л)Еф (Л) слеп п

дует заменить на роб(^)Цех об(^) и рф(^)Цех ф(^) соответственно (в таких случаях для непрозрачных излучателей использовать зависимости роб(^) = 1 - воб(^) и рф(^) = 1 - Бф(Я,)).

Часто в качестве аргумента функций г, или Е,, описывающих оптический сигнал, используется не отдельная длина волны ,1 и ,2, а спектральные диапазоны Д, 1 и Д,2, порой достаточно протяженные, например окна прозрачности атмосферы 3—5 и 8—14 мкм. Для определения величин сигналов в рабочих спектральных диапазонах Д, 1 и Д,2 можно выражения (5) и (6) проинтегрировать по , в пределах Д,.

Сигнал на выходе приемника излучения можно представить в следующем виде:

У(,) = Евх(,) Авх Тоб(,) ад,

где Авх — площадь входного зрачка объектива ОЭС, тоб(,) — спектральное пропускание объектива, S(А) — спектральная чувствительность приемника.

При нахождении в угловом поле ОЭС обнаруживаемого объекта и ряда помех сигналы в рабочих спектральных диапазонах Д 1 и Д 2 равны

I I

УДХ! УпДХ11 + УцД, УД,2 УпДХ2г + 2 , г=1 г=1

где индексы Д, 1и Д,2 обозначают принадлежность сигналов от цели Уц и от помех Уп к первому или второму спектральному диапазону.

Спектральные соотношения для цели и помех могут иметь следующий вид:

ЯцД, 1Д, 2 =УцД,! /УцДА 2 , I

^Д,^,2 =^УпДХ 1г/УпДА2г , г=1 I

^ФиЛ,^2 = Уц+пД,^^ц+пД,2г . г=1

Если в процессе работы ОЭС значения излучательной способности и температуры цели и помех, а также коэффициенты пропускания среды распространения сигналов не изменяются, первые два ее соотношения остаются постоянными.

Третье соотношение определяет сигнал, когда в угловом поле системы могут находиться одновременно цель и помехи. Оно изменяется во времени, если относительные величины сигналов от цели и помех непостоянны в течение работы системы, например за время одного периода сканирования поля обзора. В случае, если сигнал от цели в каком-либо спектральном диапазоне, например в Д 2, гораздо слабее других сигналов, относительные величины

ЯцДХ1ДХ^ ^Д^Д,2 и ^Д^Д!2 подчиняются неравенству ^д^д,2 <^Д^Д,2 <ЯцДА1ДА2 .

Следует учитывать различные значения пространственного разрешения, свойственного ОЭС, работающим в тех или иных участках оптического спектра. Так, в ОЭС УФ-диапазона пространственное разрешение обычно определяется размером одного пиксела МПИ. В ОЭС видимого диапазона это разрешение в плоскости МПИ может составлять долю пиксела МПИ, а в ОЭС длинноволнового ИК-диапазона оно может соответствовать дифракционному пределу [3].

Компьютерная модель двухдиапазонной ОЭС обнаружения может помочь при выборе положения и ширины рабочих спектральных диапазонов, что часто является одной из важных задач на начальном этапе проектирования таких ОЭС. Так, например, при разработке ряда ОЭС важно сопоставить целесообразность выбора рабочих спектральных диапазонов в ультрафиолетовой или в инфракрасной областях спектра. При работе в УФ-области можно почти полностью пренебречь влиянием фона, например, подстилающей наземной или водной поверхности. Однако пропускание среды распространения оптических сигналов — атмосферы — в УФ-диапазоне хуже, чем в окнах прозрачности ИК-диапазона. При этом уровни сигналов, создаваемых обнаруживаемыми или наблюдаемыми объектами (целями и помехами), также заметно разнятся в этих областях.

Для оценки эффективности спектральной селекции цели можно использовать величины спектральных отношений, определенные для различных задаваемых значений дальности обнаружения.

Поскольку при выборе определенных рабочих спектральных диапазонов Д могут заметно уменьшаться величины сигналов от цели, несмотря на увеличение спектрального отношения, на практике при использовании такой „двухцветовой" спектральной селекции необходимо стремиться одновременно к оптимизации (увеличению) спектрального отношения и обеспечению требуемого для надежной работы ОЭС уровня сигнала от цели в диапазонах Д 1 и Д 2, т. е. в рабочих спектральных каналах системы.

Поэтому уже на первых этапах компьютерного моделирования двух- и многодиапазонной ОЭС обнаружения целесообразно в соответствии с заданной вероятностью ложных тревог выбрать порог обнаружения [4, 5], а затем с помощью характеристик обнаружения (рабочих характеристик) для различных законов распределения вероятностей [6] определить зависимость вероятности правильного обнаружения от величины порога обнаружения для различных вероятностей ложных тревог. После этого, изменяя положения и ширину Д 1 и Д 2 для различных дальностей, задаваемых техническим заданием, можно вычислить спектральные отношения, приведенные к выходу системы.

Настоящая работа поддерживалась грантом Минобрнауки РФ по программе „Развитие научного потенциала высшей школы (2009—2010 гг.)", проект № 4163.

1. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Логос, 2007. 192 с.

2. Торшина И. П. Компьютерное моделирование многодиапазонных оптико-электронных систем // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 9. С. 37—41.

3. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы „смотрящего" типа. М.: Логос, 2004. 444 с.

4. Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Логос, 2004. 472 с.

5. Джемисон Дж. Э., Мак-Фи Р. Х., Пласс Дж. Н. и др. Физика и техника инфракрасного излучения / Пер. с англ.; под ред. Н. В. Васильченко. М.: Сов. радио, 1965. 642 с.

6. Каценбоген М. С. Характеристики обнаружения. М.: Сов. радио, 1965. 104 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ирина Павловна Торшина

Сведения об авторе д-р техн. наук, доцент; Московский государственный университет геодезии и картографии, кафедра оптико-электронных приборов; E-mail: torshinai@yandex.ru

Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов

Поступила в редакцию 10.03.09 г.