Методология компьютерного моделирования оптико-электронных систем (01.03.2010)

Автор: Торшина Ирина Павловна

Рис. 1. Этапы разработки компьютерной модели ОЭС

Математическая модель ОЭС и алгоритм её реализации позволяют представить структуру модели в виде совокупности отдельных частей (модулей, субмоделей, блоков, разделов и т.п.) и взаимосвязей между ними, необходимых для обеспечения решения задач моделирования, включая описание ОЭС и исследование его свойств.

Компьютерная модель ОЭС, как правило, должна учитывать весьма разнообразные условия, в которых она работает - среду, особенности излучателей (объектов, фонов, помех), метод работы ОЭС и т.д. Поэтому целесообразно иметь обобщенную компьютерную модель оптико-электронной системы (КМ ОЭС), в которой учитываются самые различные условия функционирования системы, а также возможные изменения её структуры и элементной базы.

Структура обобщенной КМ ОЭС может быть представлена в виде совокупности нескольких модулей и отображать не только структуру собственно ОЭС, но и процесс формирования исходных данных на моделирование ОЭС, фоноцелевую обстановку (ФЦО), называемую также сценарием работы ОЭС, т.е. условия функционирования системы, а также результаты работы КМ ОЭС и общую базу данных (БД), которые представлены на рис. 2.

В модуле «Исходные данные» формируются и вводятся требования к моделируемой ОЭС, среди которых, как правило, содержатся показатели эффективности её работы, а также входные параметры и характеристики, необходимые для осуществления моделирования.

Рис. 2. Структура обобщенной КМ ОЭС

Разработка модуля «Исходные данные» является итерационным процессом и его окончательное формирование производится после составления всей КМ ОЭС, определения результатов вычисления показателей эффективности работы ОЭС, оценки адекватности модели, и сводится к решению следующих основных задач:

1. Определение перечня исходных данных и формы их представления;

2. Анализ влияния задаваемых исходных данных на результат работы КМ ОЭС и значения показателей эффективности работы ОЭС;

3. Использование результатов проведенного анализа (п. 2) для корректировки перечня и формы представления исходных данных в соответствии с обратными связями, приведенными на рис. 2.

Результаты решения задач синтеза и анализа системы, процесса структурной и параметрической оптимизации (как всей системы, так и локальной оптимизации отдельных её структурных частей) оценивается с помощью определяемых в результате моделирования показателей эффективности работы системы или отдельных её структурных частей (СЧ), которые должны сравниваться с заданными или выбранными априорно критериями, обычно с их числовыми значениями, содержащимися в исходных данных на проектирование ОЭС и её моделирование. Поэтому в структуру КМ ОЭС введен отдельный модуль «Показатели эффективности», в котором производится формирование массива показателей эффективности, то есть выбор (или задание) и расчет требуемых показателей (критериев качества) ОЭС и её структурных частей.

Показатели эффективности в общем случае представляются в виде:

)], (2)

) элементы массивов, содержащиеся в (1).

Схема алгоритма работы с модулем «Показатели эффективности» приводится на рис. 3.

В модуле «Фоноцелевая обстановка» описываются источники излучения - субъекты ФЦО, сигналы от которых попадают на входной зрачок ОЭС, а также среда распространения излучения. Излучателями могут быть объекты наблюдения (цели), фоны и помехи, которыми, например, могут являться распространенные естественные излучатели - подстилающая поверхность (ландшафт), небо, облачность, Солнце, среда работы ОЭС и другие источники. Модуль также должен содержать зависимости, описывающие параметры и характеристики нестационарных субъектов ФЦО, например, подвижные фоны и объекты, их перемещения и взаимодействие, изменения теплофизических свойств излучателей во времени, а также изменяющиеся освещенности наблюдаемой ФЦО и т.п.

Рис. 3. Схема алгоритма работы с модулем «Показатели эффективности»

Разработка модуля (субмодели) «Фоноцелевая обстановка» в КМ ОЭС базируется на следующих положениях:

Субъекты ФЦО разделяются на следующие группы: «Цели», «Фоны», «Среда», «Помехи».

В обобщенной модели ОЭС все излучатели делятся на следующие типы: точечные, протяженные (перекрывающие все угловое поле ОЭС) и площадные (занимающие часть углового поля ОЭС).

Реальные излучатели имеют, как правило, сложную излучающую и отражающую поверхность. Описать и разместить в БД КМ ОЭС все возможные описания таких поверхностей - задача трудно выполнимая. По этой причине для каждого субъекта ФЦО целесообразно вначале рассмотреть возможности упрощения этого описания.

Для расчета величин составляющих сигнала от субъекта ФЦО часто полезно знать его теплофизические свойства и характеристики отражения. Эти свойства и характеристики могут быть заданы или выбраны из БД КМ ОЭС в соответствии с классификацией субъектов ФЦО, заложенной (предусмотренной) в БД.

5. Сигналы, приходящие на вход ОЭС от субъектов ФЦО, могут создаваться за счет их собственного (прямого) и отраженного или рассеянного излучения. Для каждого субъекта ФЦО необходимо установить, источником каких составляющих сигнала он является.

Для упрощения процесса моделирования ФЦО целесообразно провести ранжирование отдельных составляющих сигнала, образующегося на входе ОЭС. Поскольку вклад излучения различных субъектов ФЦО в общий сигнал на входе ОЭС не равнозначен, то целесообразно определить те из них, которые вносят наибольший вклад в этот сигнал, и напротив, определить, какими составляющими можно пренебречь при моделировании ОЭС.

Алгоритм ранжирования составляющих сигнала на входе ОЭС заключается в следующем: сначала рассчитывается допуск на ранжирование, т.е. величина изменения входного сигнала, при которой обеспечивается допустимое изменение заданного показателя эффективности работы ОЭС; затем определяются составляющие сигнала, сумма значений которых обеспечивает этот допуск (рис. 4).

Ранжирование позволяет не только упростить расчет входных сигналов и решение задач моделирования ОЭС, но и сократить перечень входных данных, используемых в КМ ОЭС, а также исключить из дальнейшего моделирования субъекты ФЦО, вклад которых в общий сигнал мал. Основным показателем целесообразности проведения ранжирования является выполнение заданных показателей эффективности (критериев качества) работы ОЭС.

Среда, которой очень часто является атмосфера, может рассматриваться в трех качествах: как источник собственного и рассеянного излучения; как фактор, ослабляющий излучение, приходящее от всех субъектов ФЦО на вход ОЭС, а также в качестве среды, влияющей на теплообмен между отдельными субъектами ФЦО.

8. Модели фонов в соответствии с их физической природой и пространственной макро- и микроструктурой целесообразно разделить на отдельные подгруппы («Ландшафт», «Водная поверхность», «Небосвод» и т.д.), что позволяет значительно упростить их описание и последующую организацию и работу с БД КМ ОЭС.

Рис. 4. Алгоритм «Ранжирование составляющих яркости на входе ОЭС»: Lmin(N) – минимальное значение яркости; ?L? – допуск на суммарную яркость; ?L – суммарная яркость излучения от всех субъектов ФЦО на входном зрачке ОЭС; Lранж – яркость после ранжирования, не учитывающая малые составляющие; N – порядковый номер составляющей яркости в ряду, упорядоченному по убывающей; S, K – промежуточные переменные

Схема алгоритма работы с модулем «Фоноцелевая обстановка» и его связи с другими модулями КМ ОЭС приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема алгоритма работы с модулем «Фоноцелевая обстановка»

Модуль «Структура ОЭС» отображает структуру системы как совокупность отдельных узлов и элементов – структурных частей (СЧ), представляемых через их параметры и характеристики, а также описывает процесс преобразования сигналов, идущих от входного зрачка системы до выходного блока ОЭС.

При структурировании и разбиении структуры на иерархические уровни (ИУ) целесообразно руководствоваться возможной мотивацией обращения проектировщика ОЭС к КМ ОЭС. При этом возможно производить разбиение структуры ОЭС по степени детализации конструктивных особенностей, по характеру отображаемых свойств отдельных элементов ОЭС (физической их природе), т.е. производить структурирование ОЭС на физически однородные системы. Процесс разбиения продолжается до тех пор, пока ОЭС и его модель не будут представлены в виде структур, представляющих собой совокупность СЧ: подсистем, узлов, элементов.

На каждом ИУ модель структуры ОЭС можно представить в виде субмоделей структурных частей ОЭС и связей между ними, как показано на рис. 6.

Субмодели СЧ описывают параметры и характеристики СЧ, которые являются внутренними параметрами, фазовыми переменными и выходными параметрами ОЭС. Связи представляют собой операторы (математические выражения), описывающие последовательный процесс преобразования сигнала, идущего от одной структурной части к другой. Эта совокупность субмоделей СЧ ОЭС и связей между ними должна удовлетворять условию выполнения целевой функции или показателям эффективности системы, заданных на начальном этапе моделирования в модуле «Показатели эффективности».

Рис. 6. Модуль «Структура ОЭС», представленный как совокупность субмоделей СЧ ОЭС и связей между ними

Для этого в БД КМ ОЭС должны быть представлены каталоги как базовых структур ОЭС и их спецификаций, так и субмодели отдельных СЧ ОЭС, например, широко известные модели и программы для расчета оптических систем (САРО, ОПАЛ, «ОПТИКА», «ПРИЗМА», «ВЫПУСК», «ФОТОЗЕНИТ», WinDemos, ZEMAX и др.), выражения для описания параметров и характеристик фотоприемных устройств, электронного тракта, систем отображения и других типовых СЧ ОЭС, содержащиеся в работах Г.Г.Ишанина и Э.Д.Панкова, М.М.Мирошникова, Л.Ф.Порфирьева, Ю.Г.Якушенкова, L.C.Biberman, G.C.Holst и мн. др. и являющиеся аналитическими субмоделями этих СЧ.

Задача моделирования структурной схемы ОЭС сводится к формализации процедуры выбора субмоделей СЧ из множества возможных вариантов. При этом возможны следующие пути формирования структуры ОЭС: выбор готового варианта обобщенной структуры ОЭС из БД; возможные упрощения структуры ОЭС путем исключения избыточных или добавления требуемых СЧ из обобщенной структуры, находящейся в БД; перебор комбинаций элементов каталогов СЧ, из которых формируется структура ОЭС и последовательное наращивание структуры из элементов каталогов СЧ.

Использование каталогов БД позволяет проводить перебор возможных вариантов структуры ОЭС в комбинациях отношений «структура – показатель эффективности – целевая функция».

Одним из этапов формирования структуры ОЭС с помощью ее моделирования является оптимизация – выбор свойств системы, обеспечивающих заданное качество функционирования ОЭС при заданных ограничениях, или локальная оптимизация, которая подразумевает оптимизацию структурных частей ОЭС.


загрузка...