CC BY
206
УДК 623.562
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ БОРТОВОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ
АППАРАТУРЫ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ
А.В. Андреев, А.И. Кальной, К. А. Хомяков
Проведен анализ оптико-электронных обзорно-прицельных систем беспилотных летательных аппаратов (БЛА), их состава и требований к ним. Предложена методика оценки показателей эффективности бортовой телевизионной аппаратуры разведки БЛА, позволяющая учесть параметры фоноцелевой обстановки (ФЦО), датчика и других параметров аппаратуры, возможность расчёта параметра детальности в граничных условиях наблюдения (пониженная освещённость, ненастная погода и т. д.).
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, эффективность, оптико-электронная обзорно-прицельная система, информационный канал, фоноцелевая обстановка.
В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БЛА), оснащенные оптико-электронными (ОЭ) обзорно-прицельными системами (ОПС), используются, в основном, для целей разведки. Они обеспечивают поиск, обнаружение, опознавание целей, применение высокоточного управляемого оружия «воздух-поверхность» для борьбы с малоразмерными целями. Во многом эти системы оказывают значительное влияние на боевую эффективность БЛА.
На основании анализа тактико-технических требований, предъявляемых к БЛА можно выделить следующие основные требования к оптико-электронным системам [1-10]:
- многоканальность;
- дистанционное управление работой системы;
- интеграция (оптическая, механическая, электронная) отдельных подсистем и каналов;
- автоматизация процессов взаимной юстировки каналов, встроенного контроля и диагностики неисправностей;
- автоматическое слежение за выбранной целью;
- стабилизация линии визирования;
- модульность исполнения прибора;
- сопряжение с бортовым радиоэлектронным оборудованием БЛА (навигационной системой, РЛС, системой передачи информации и другими бортовыми системами);
- высокая степень использования цифровых методов обработки информации.
Функционально связанные информационные каналы и подсистемы образуют интегрированную комбинированную цифровую многофункциональную ОПС для решения задач поиска, обнаружения, опознавания целей и применения авиационных средств поражения.
Для разработки ОЭ ОПС целесообразно использовать оптико-электронные информационные каналы на базе телевизионных (ТВ) и теп-ловизионных (ТпВ) каналов, которые обеспечивают многоканальность в обзорно-прицельных системах. Создание комбинированных информационных каналов на базе телевизионных низкоуровневых и ТпВ каналов позволит разработать унифицированную оптико-электронную обзорно-прицельную систему, пригодную для работы в любое время суток, при различных погодных условиях и в условиях активных помех.
В качестве показателя эффективности таких каналов принимается дальность распознавания объекта с заданным уровнем детализации при определённой вероятности [1,2]. Возможен и обратный пересчёт - т.е. определение вероятности распознавания объекта с заданным уровнем детализации на определённой дальности [3,4].
В основу методики положен частотно-энергетический подход. Цель заменяется эквивалентной штриховой мирой, количество тёмных и белых штрихов в которой определяется на основе критерия Джонсона [6], а контраст между тёмным и белым штрихами равен контрасту цели с фоном в плоскости цели.
Методика состоит из следующих шагов.
1. Выбор из справочных данных размеры фотоприёмной секции ПЗС-матрицы или линейки.
2. Расчёт коэффициента ослабления излучения атмосферой а в спектральном диапазоне работы ПЗС-датчика по модели, изложенной в [6].
3. Расчёт идеальной дальности действия ТВ канала Оид, т.е. геометрической дальность действия:
Яд = А /о6 ■ Пэг / 1фкг , (1)
где А - детальность, м/стр.; /об - фокусное расстояние объектива, мм; 1фкг - размер фотоприёмной секции в горизонтальном направлении, мм; пэг- число чувствительных элементов по горизонтали.
4. Расчёт контрастной чувствительности зрения в реальных условиях ТВ наблюдения [7,8]:
¿ = ¿0 П/, (2)
1=1
где ¿0 = ^-1--контрастная чувствительность зрения в нормальных
1 - К пор
условиях; Кпор - пороговый контраст зрительной системы, Кпор»0.017; / - нормировочные функции [2, 7, 8].
46
5. Расчёт контраста на входе оптической системы АГ'по формуле Кошмидера:
к' =-^-, (3)
7 + — (ехрсЮ-1)
ГФ
где К0 -контраст в плоскости цели; м? - коэффициент погоды; Гф - коэффициент яркости фона.
6. Расчёт модуляционного контраста С на входе оптической системы:
С = К'-(2-К'). (4)
7. Расчёт модуляционного контраста на экране индикатора С':
С' = С- Н(у), (5)
Н(у) = Нопт (V). Нпр (V). Нвсу (V). н„ (V). Я_ (V). Нш (V), где Я(у),Яш(у), Я>), Нвсу(г), ЯЭ7(у), Я,» - модуляцион-
ная передаточная функция (МПФ) [6] информационного канала, оптической системы, ПЗС, индикатора, электронного тракта, атмосферы, и МПФ, учитывающая инерционность приёмника соответственно;!/- пространственная частота, мрад" .
8. Расчёт (или задание) перечисленных в п.7 МПФ:
^опт д (V) ^опт а (V),
(6)
где Нопт ¿(у), Нопт а(у) - МПФ оптической системы, с учётом дифракции и аберраций.
НаптМ =
2_ к
V V
агссоз---
V V
г 112"
Г \ 2
V
1 —
V
\ с У -
> при V < ус ;
(7)
О, при
где частота среза, ус = Д»/Ли ? мрад'1; ДвХ- диаметр входного зрачка оптической системы, = 0/0б , мм; Лщ - длина волны максимума спектральной характеристики ПЗС, мкм; О - относительное отверстие объектива.
Яопта (V) = ехр(-2тс202г2 ),
(8)
где в зависимости от радиуса кружка рассеяния р и доли энергии Р, сосредоточенной в кружке, величину а определяют:
о =
Р
1 1
21п
47
(9)
Если в кружке сосредоточено 85 % всей энергии, поступающей от постоянного источника, то о=0,5\ р,р = г/, г - радиус кружка рассеяния, мкм. Для дифракции г = 1.22-1/0.
(V) = а^СЬО, (10)
жа жру
где а, Р- элементарные поля зрения по горизонтали и вертикали, мрад.
Нвсу (V) = еХР
4ж2е2У
м
А
2 \
2 \ т 2
1 У
(11)
где X - угол между серединами соседних строк растра, рад; ом - СКО яркости пятна рассеяния на экране ЭЛТ, мрад; N - число строк растра.
МПФ электронного тракта рассчитывается по выражению [9]:
н эп (V) =
1 +
' я V2
\гй/в у
-1 / 2
(12)
где /- верхняя граничная частота эквивалентной шумовой полосы пропускания, МГц; г - время считывания с элемента разложения, мкс.
арЛск
Ъ =
А • е л • /
Iперэк ^ к
(13)
где ]]ск— к.п.д. сканирования (0.7...0.8); ]]перэк - коэффициент переналожения соседних строк растра; / - частота кадров, Гц.
Нин (V)
1 +
г2 жру ггЛ г.
1/2
где гп-постоянная времени приёмника, мкс.
Нтм = ехр(-4.68 - 1012С1
12/^2 1-1 / 3 -5 / 3
к
Вг)
(14)
(15)
.-2/3.
где Сп2 - структурная постоянная коэффициента преломления, см-
1 - длина волны, мкм; к- радиальная пространственная частота, мрад-1; ВТ - длина турбулентной трассы, км.
9. Расчёт яркостного контраста К" на экране индикатора:
К" = 2 - С /(1 + С) (16)
10. Дальность В считается дальностью действия, если К"» Кпор . При К"< Кп выбирается следующая дальность В1> В, при
К" < К'тр выбирается В1< В и осуществляется переход к п.5 методики, где Кп = (105 -1) -105 - пороговый контраст, соответствующий 5
Для определения вероятности распознавания на определённой дальности (эшелоне высот) выполняется аналогичный расчёт, при котором величина В неизменной, а вычисляется [1] геометрический размер элемента разрешения Аид на местности только из геометрических соображений:
48
Аид = Н - 1фК2 / /об - пэг, (17)
Затем с учётом МПФ всего тракта, контраста объект-фон и других перечисленных выше параметров получаем «эквивалентный» размер элемента разрешения на местности А.
Детальность А считается найденной, если К" » К'пор . При К" > К'пор
выбирается следующая детальность А1<А, при К" < К'пор выбирается А1>А
и осуществляется переход к п.4.
Получив искомую детальность, А находим число периодов И, укладывающихся на критический размер объекта 1об:
N = 1об /(2А), (18)
По значению Иопределяем значение вероятности распознавания Р = /И) для различной степени детализации объекта. Таким образом, получена методика оценки эффективности телевизионного канала ОПС.
Достоинствами предлагаемой методики являются максимально полный учёт параметров фоноцелевой обстановки, датчика, и других параметров аппаратуры, возможность расчёта параметра детальности в граничных условиях наблюдения (пониженная освещённость, ненастная погода и т.д.). Сходимость расчётных параметров с полученными в натурных испытаниях составляет 15.35% [1,2,5]. К недостаткам методики можно отнести необходимость знания большого объёма исходных данных.
Список литературы
1. Кальной А.И. Математическая модель процесса поиска военных объектов// Научно-технический сборник ФГУ «40 ГНИИ МО РФ». Вып. 11 (5). Ломоносов: 40 ГНИИ МО РФ, 2011. С. 32 -40.
2. Кальной А.И. Оценка повреждений оптико-электронных средств лазерным излучением // Сб. научных трудов НТО РЭС им. А.С.Попова. Тула: ТулГУ, 2010. С.116-118.
3. Кальной А.И. Оценка эффективности оптико-электронных средств при воздействии лазерного излучения // Научно-технический сборник ФГУ «40 ГНИИ МО РФ». Вып. 11(5). Ломоносов: 40 ГНИИ МО РФ, 2011. С. 32 -40.
4. Кальной А.И., Хомяков А.В. Болдин А.В. Обнаружение радиолокационного сигнала в условиях многолучевости // Журнал радиоэлектроники, 2011. № 9. [Электронный ресурс] ЦЕЬ: http://jre.cplire.ru/ ]ге/щп11/ 1Ztext.htm1 (дата обращения: 05.09.2016).
5. Кальной А.И. Оценка характеристик обнаружения радиолокационного датчика // Сб. научных трудов НТО РЭС им. А.С.Попова. Тула: ТулГУ, 2010. С. 118-120.
6. Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения: учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 352 с.
49
7. Грязин Г.Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства: системы телевидения. Л.: Машиностроение, 1988. 224 с.
8. Грязин Г.Н. Системы прикладного телевидения: учебное пособие для вузов. СПб.: Политехника, 2000. 277 с.
9. Макаров А.С., Омелаев А.И, Филиппов В.Л. Введение в технику разработки и оценки сканирующих тепловизионных систем. Научно-техническое издание. Казань: Унипресс, 1998. 320 с.
10. Козар А.Н., Моисеев В.С. Информационные технологии оптимального применения управляемых артиллерийских снарядов: монография. Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева, 2012. 346 с.
Андреев Андрей Владимирович, заместитель директора, sokol-atsainhox.ru, Россия, Белгород, ЗАО «Сокол-АТС»,
Кальной Александр Игоревич, адъюнкт, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военная академия материально-технического обеспечения,
Хомяков Константин Александрович, ведущий инженер, rtsacdhae.ru, Россия, Тула, АО Центрального конструкторского бюро аппаратостроения
DEVELOPMENT OF METHODS OF AN ESTIMATION OF INDICATORS OF EFFICIENCY OF THE ONBOARD TELEVISION EQUIPMENT FOR RECONNAISSANCE DRONES
A. V. Andreev, A.I. Kalnoy, K.A. Khomyakov
The analysis of optical-electronic surveillance and targeting systems, unmanned aerial vehicles, their composition and requirements. The proposed method of evaluation key performance indicators on-Board television equipment intelligence unmanned aerial vehicles to take into account the situation of the flight parameters, sensor, and other parameters of the equipment, the possibility of calculating the parameter of detail in the boundary conditions of supervision (reduced illumination, inclement weather, etc.).
Key words: unmanned aerial vehicle, efficiency, optical-electronic surveillance and targeting system, information channel, phono-target situation.
Andreev Andrey Vladimirivich, Deputy Director, sokol-atsa inhox. ru, Russia, Belgorod, ZAO "Sokol-ATS",
Kalnoy Alexander Igorevich, adjunct, [email protected], Russia, Saint-Petershurg, Military Academy of logistics,
Khomyakov Konstantin Aleksandrovich, leading engineer, rtsacdhae.ru, Russia, Tula, JSC Central Design Bureau of Apparatus Engineering
