CC BY
39
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
УДК 623.465.757
ВЛИЯНИЕ РАЗРЕШЕНИЯ МАТРИЦЫ ФОТОПРИЁМНОГО УСТРОЙСТВА НА ВЕРОЯТНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ И СЕЛЕКЦИИ ЦЕЛЕЙ
А.Р. Санникова
Рассмотрены некоторые положения методики оценки эффективности применения комплексов управляемого вооружения, обеспечивающие моделирование фоно-целевых сюжетов. Исследовано влияние числа элементов разрешения матрицы фотоприёмного устройства на вероятности обнаружения и селекции типовых целей для инфракрасной головки самонаведения боеприпаса.
Ключевые слова: вероятность обнаружения, вероятность селекции, фоно-целевой сюжет, фотоприёмное устройство.
Для успешного поражения с высокой вероятностью целей, ненаблюдаемых из передовых боевых порядков, боеприпасами ракетных и артиллерийских комплексов, ведутся разработки автономных головок самонаведения, отвечающих принципу «выстрелил-забыл». Одно из перспективных направлений в данной области - создание инфракрасных головок самонаведения (ИК ГСН). Данные головки должны эффективно выделять различные цели на неоднородном подстилающем фоне в широком диапазоне погодных и климатических условий и в различных тактических ситуациях, что обуславливает необходимость реализации в ГСН алгоритмов, позволяющих гарантировать высокие вероятности обнаружения и селекции целей на неоднородном подстилающем фоне.
В инфракрасных устройствах самонаведения в качестве приёмника энергии, излучаемой целью, используется матрица, состоящая из чувствительных к тепловому излучению элементов. От числа данных элементов, то есть от разрешения матрицы фотоприёмного устройства (ФПУ), напрямую зависят не только сложность и стоимость самого устройства, но и вероятности обнаружения и селекции. В связи с чем, необходимым условием обеспечения требуемых значений указанных характеристик является оптимизация количества элементов разрешения матрицы ФПУ.
Фотоприёмным устройством воспринимается энергия от слоя воздуха между боеприпасом и наблюдаемым участком фоно-целевого сюжета (ФЦС) и отражённое излучение небесной полусферы, интенсивность которых определяется температурой и влажностью воздуха, с учётом высоты нижней границы облачности и её балльности. Также в состав энергии, регистрируемой ФПУ ГСН, входят отражённое от цели или подстилающей поверхности излучение Солнца.
Температурная картина поверхности цели формируется под влиянием метеорологических явлений, а также в зависимости от воздействия источников тепла, расположенных внутри, предыстории их функционирования и других различных факторов. Элементы фона изменяют степень своего нагрева только под действием внешних источников, но стоит заметить, что даже при однородной структуре его покрытия температурная картина фона может быть сопоставима по сложности с картиной цели. На неё влияют множество факторов: порывы ветра разной направленности, наличие росы, неровности рельефа, растительный покров различной высоты и, как следствие, затенённость некоторых участков [1].
Основными факторами, формирующими тепловую картину, являются следующие характеристики:
1) климатическая зона и район, в котором ведутся наблюдения;
2) сезон года и текущий момент времени;
3) погодные условия: температура и влажность воздуха, направление и скорость ветра, наличие и интенсивность осадков, состояние облачности; высота Солнца над горизонтом; метеорологическая дальность видимости;
4) тип и состояние фона и цели.
Проведено исследование влияния разрешения матрицы ФПУ на вероятности обнаружения и селекции, основанное на использовании положений методики оценки эффективности применения комплексов управляемого вооружения [2], включающей алгоритм расчёта сигнала, воспринимаемого матрицей ФПУ. Данный алгоритм представляет собой комбинацию двух составляющих:
геометрической модели тепловой локационной системы;
математической модели вычисления яркости в отдельной точке фо-но-целевого сюжета, соответствующих каждому элементу разрешения ФПУ.
Первая из составляющих для определённых условий подхода бое-припаса, оснащённого ИК ГСН, к цели и некоторых параметров ФПУ при решении уравнений аналитической геометрии позволяет находить пространственные координаты точки ФЦС, которая соответствует конкретному элементу ФПУ в текущем его положении и не затенена другими плоскостями фона или объекта. Затем устанавливается конкретная принадлежность этой точки фону либо объекту, ее температура и тип покрытия.
Вторая составляющая алгоритма даёт возможность получить спектральную яркость, приходящую из найденной точки на элемент ФПУ при сканировании ИК ГСН подстилающей поверхности, при этом учитывается:
собственное излучение объекта и фона; отраженное солнечное излучение; отраженное излучение небесной полусферы; излучение слоя воздуха между точкой и ГСН; ослабление сигнала на участке между точкой и ГСН. От спектральной яркости зависит вероятность обнаружения, которая рассчитывается как интеграл Лапласа:
2 Р
робн ■ I ехР / 2) Ж;
>/2п 0
где р - отношение сигнал/шум,
ЖХ
Б ■ / ■ С 12
р = вх2 Vк I °(Х)-т0 (Х)■ Ь (Х)-Ьф (Х) / ■ Бвх - площадь входного зрачка ФПУ ИК ГСН, см2; /э - размер одного элемента ФПУ, мм; Ск - частотно-контрастная характеристика; / - фокусное расстояние ФПУ, мм; и - шумовая полоса, Гц; 1 - длина волны излучения, мкм; 1! ...12- спектральный диапазон работы системы (ИК ГСН); Б(1) - удельная обнаружительная способность ФПУ, Вт-1смТц12; То (Х) - спектральная характеристика пропускания оптического тракта; Ьц (Х) и Ьф (Х) - спектральные яркости излучения соответственно объекта и
подстилающего фона с учетом ослабления в атмосфере.
Вероятность селекции (распознавания) Рсел находится в зависимости от числа элементов разложения поля обзора - К, укладывающихся на ширине цели - типового объекта бронетанковой техники [3]:
Рсел = 1 - ехр(-С ■ (N +1)2), где С - эмпирический коэффициент.
С помощью упомянутого выше алгоритма построен ряд тепловых образов ФЦС, которые приведены на рис. 1. Модели данных сюжетов созданы на основании следующих исходных данных:
1) регион - центральный район России;
2) сезон года - весна;
3) погодные условия: температура воздуха - 24°С; влажность воздуха - 70%; высота нижней границы облачности - 1,5 км; скорость ветра - 4 м/с; зенитный угол Солнца - 45°; азимутный угол Солнца - 45°;
5) условия подхода боеприпаса к цели: угол - 90°; дальность до цели - 1250 м;
6) параметры ФПУ: разрешение матрицы - от 32х32 до 256х256; угол поля обзора - 6°; рабочий диапазон 8... 14 мкм;
7) фоновая обстановка - однородное травяное покрытие с температурой 22°С;
8) целевая обстановка - одна самоходная гаубица после 1,5 часового пробега.
На рис. 1 красным цветом отражены самые яркие (горячие) точки, а самые тусклые (холодные) точки выделяются фиолетовым. Шкала распределения цветов на полученных кадрах строится на основании вычисления минимального и максимального значений яркости всего ФЦС.
а) 32x32 элементов б) 64x64 элементов
в) 128x128 элементов г) 256x256 элементов
Рис. 1. Фоно-целевые сюжеты при различных разрешениях матрицы
фотоприёмного устройства
Из полученных кадров ФЦС видно, что при уменьшении количества элементов разрешения матрицы сигнал от цели «размывается», то есть происходит его осреднение с сигналом фона, когда элемент ФПУ попадает на границу фона и объекта. В связи с этим возрастает вероятность того, что в качестве цели могут быть приняты любые другие объекты на фоне, границы покрытий или ложные цели, имеющие равную или большую температуру. Следовательно, эффективность стрельбы может существенно снизиться.
Чтобы сделать вывод о влиянии числа элементов разрешения ФПУ на вероятности обнаружения и селекции, недостаточно построения ФЦС при одном варианте заданных условий. Необходимо многократно моделировать ФЦС при варьирующихся метеоусловиях в разное время года.
Построены зависимости вероятности обнаружения и вероятности селекции от числа элементов разрешения на основе осреднённых результатов, полученных при 100 реализациях с варьирующимися метеоусловиями для центрального района России (рис. 2).
Рис. 2. Зависимости вероятности обнаружения (Робн) и вероятности селекции (Рсел) от числа элементов разрешения (пэл)
На графике зависимости вероятности обнаружения от количества элементов разрешения матрицы ФПУ наблюдается резкий рост вероятности обнаружения при числе элементов разрешения до 100. При числе элементов разрешения более 100 значения вероятности почти не изменяются и близки к единице. Данный характер изменения вероятности обнаружения обусловлен тем, что при увеличении числа элементов разрешения уменьшается погрешность определения входящего сигнала от ФЦС и увеличивается разность излучений фона и цели, то есть их контраст, а обнаружение происходит по наиболее нагретой точке.
Вероятность селекции растёт с увеличением количества чувствительных элементов, характер зависимости близок к линейному. С увеличением числа элементов разрешения «размытие» сигнала уменьшается, цель воспринимается более чётко, различаются её отдельные элементы с разной степенью прогрева, поэтому появляется возможность отсеивания ложных целей и фрагментов фона.
В результате проведенных исследований построены зависимости вероятностей обнаружения и селекции от количества элементов разрешения матрицы ФПУ при стрельбе по одиночной цели, находящейся на однородном фоне, которые в дальнейшем могут быть использованы при разработке автономных тепловых головок самонаведения.
Список литературы
1. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Советское радио, 1978. 400 с.
2. Алябьев С. А., Игнатов А.В., Русин В.В. Эффективность комплексов управляемого ракетно-артиллерийского вооружения / под ред. А.Г. Шипунова. Тула: Издательство ТулГУ, 2011. 151 с.
3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы смотрящего типа. М.: Логос, 2004. 443 с.
Санникова Анастасия Романовна, инженер, khkedratula.net, Россия, Тула, АО «Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова»
44
EFFECT OF PHOTODETECTOR ARRAY RESOLUTION ON TARGET DETECTION
AND SELECTION PROBABILITIES
A.R. Sannikova
Some theses of the method of evaluating the effectiveness of using guided weapons systems, which provide modeling of target-ground plots, are considered. The effect of the number of resolution elements of the photodetector array on detection and selection probabilities for infrared seeker has been investigated.
Key words: detection probability, selection probability, target-ground plot, photode-tector array.
Sannikova Anastasia Romanovna, engineer, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, JSC «Instrument Design Bureau named after academician A.G. Shipunova»
УДК 534.7
ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ
АУСКУЛЬТАЦИИ
А.О. Макалов, В.С. Соболенкова, В. А. Смирнов
Произведен обзор средств электронной аускультации, приведены основные преимущества по сравнению с классическим методом. Выделены проблемы в области электронной аускультации. Предложены задачи, которые требуется решить для ускорения развития рассматриваемой области. Особое внимание уделено проблеме стандартизации и метрологических измерений для средств электронной аускульта-ции.
Ключевые слова: электронная аускультация, электронный стетоскоп.
В первичной диагностике респираторных заболеваний распространен метод аускультации. Данный метод используется 200 лет и основан на выслушивании дыхательных шумов при помощи стетоскопа. Классическое выслушивание дыхательных шумов имеет недостатки, связанные с акустикой человеческого уха и конструкцией стетоскопов. При классической аускультации ухо врача воспринимает сигнал, формируемый грудной клеткой пациента в зоне контакта с головкой стетоскопа, с искажениями, связанными с акустическими свойствами головки стетоскопа, с передаточной функцией гибкого звуковода, параметры которой зависят от его длины, толщины стенок, внутреннего диаметра и свойств материала звуковода. Гибкость стенок звуковода приводит к тому, что собственная частота системы «головка-звуковод-ухо» мала и может находиться в начале рабочего диапазона частот (50.100 Гц), в результате чего ожидаемо наблюдение явной интерференционной картины на приемной части системы. Для демонстрации описанного выше произведены измерения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) стетоскопа (рис. 1).
