Методология компьютерного моделирования оптико-электронных систем (01.03.2010)

Автор: Торшина Ирина Павловна

- в сравнении результатов экспериментов, промоделированных с помощью рассматриваемой КМ ОЭС, и экспериментов, проведенных с помощью эталонной компьютерной модели исследуемой ОЭС - модели с заданными и полностью определенными параметрами и характеристиками, без учета их вариаций, неопределенностей статистического характера и т.д. При этом используется идеализация, т.е. замещение реального эмпирического явления или объекта идеализированной схемой. В эталонной компьютерной модели могут использоваться математические модели, заведомо более точные, чем в испытуемой.

в моделировании частных случаев, для которых заранее известны решения или результаты,

путем проверки адекватности отдельных субмоделей КМ ОЭС.

Экспериментальная проверка адекватности КМ ОЭС может проводиться путем проверки устойчивости модели при изменяющихся условиях работы ОЭС, имитируемых в процессе эксперимента. Только в последнее время в зарубежной периодике появились сведения об экспериментальной проверке адекватности КМ ОЭС. Однако, эта проверка проводилась для моделей ОЭС, решающих сугубо конкретные (частные) задачи. Она базировалась на сложном, объемном и поэтому дорогостоящем натурном эксперименте.

Основные этапы экспериментальной проверки адекватности КМ ОЭС могут состоять в следующем.

Первым этапом может быть отбор наиболее часто встречающихся ФЦО - сценариев работы ОЭС. Поскольку для многих ОЭС число возможных сценариев огромно, следует отобрать наиболее типичные и важные для оценки адекватности КМ ОЭС. При этом важно отобрать из большого числа параметров и характеристик излучателей (целей, фонов, помех) и других субъектов ФЦО наиболее существенные, например геометрические размеры и пространственную структуру, яркость, контраст, а также установить или сформулировать требования к статистическим характеристикам наблюдаемой ФЦО (сцены).

Вторым этапом может быть выбор показателей эффективности работы ОЭС, модели которых проверяются в процессе эксперимента. Аналитические выражения для вычисления этих показателей, представленные в виде функций параметров и характеристик собственно ОЭС, а также ФЦО, в которой работает система, часто принимаются за модель ОЭС.

Следующим этапом может быть собственно эксперимент по определению заданного или выбранного показателя или показателей эффективности работы ОЭС. Здесь целесообразно проведение испытаний или измерений как для идеализированных (эталонных) условий, соответствующих выбранной математической модели ОЭС, как основы ее компьютерного моделирования, так и для возможных изменяющихся условий работы системы, вызываемых, обычно, изменениями ФЦО, например изменением дальности до цели, изменением ее контраста на фоне, изменением структуры фона и т.д.

Например, ухудшение качества изображения, создаваемого ОЭС, можно имитировать вводом гауссовской функции рассеяния вида exp[- ((x/b)2] в передаточную функцию ОЭС – ее функцию передачи модуляции (ФПМ). Здесь параметр b определяет размытие изображения. Для ОЭС с матричными приемниками целесообразно выражать b числом пикселов, занимаемых размытым изображением. При увеличении b ФПМ «сжимается», снижая информативность изображения.

Для каждого неразмытого (эталонного) изображения целесообразно проводить сегментацию цели на фоне путем создания маски цели с весами пикселов, перекрывающих площадь цели, равными 1, и равными 0 для всей площади фона. Контраст можно определять как

– дисперсия числа пикселов, занимаемых изображением цели; ncп - усредненное число пикселов, занимаемых целью и локальным фоном.

Локальный фон определяется как площадь сцены, смежная с целью, но не включающая ее.

На заключительном этапе ведется проверка устойчивости (адекватности) модели при изменяющихся условиях работы ОЭС, имитируемых в процессе эксперимента.

Сопоставление рассчитанных с помощью КМ показателей эффективности работы ОЭС со значениями, полученными в результате эксперимента, позволяет судить об адекватности КМ.

Глава 4 посвящена особенностям компьютерного моделирования некоторых современных ОЭС: двух- и многодиапазонных, т.е. работающих в двух и более спектральных диапазонах; систем, работающих активным методом; систем дистанционного зондирования.

Компьютерная модель многодиапазонной ОЭС (КМ МОЭС), может быть построена на основе обобщенной КМ ОЭС. Для моделирования МОЭС необходимо иметь субмодели отдельных узлов МОЭС, алгоритмы обработки сигналов, учитывающие их специфику, параметры и характеристики отдельных узлов МОЭС и т.п. Они могут задаваться в исходных данных, размещаться в соответствующих модулях, но более целесообразным является их размещение в отдельном разделе БД «Двух- и многодиапазонные ОЭС» модуля «База данных обобщенной КМ ОЭС». В этом разделе данные (алгоритмы, субмодели, параметры и характеристики и др.) должны быть систематизированы по подразделам, соответствующим отдельным модулям КМ ОЭС. При моделировании МОЭС эти подразделы могут быть активизированы при непосредственном обращении к ним пользователя или при установлении автоматических считываний из запрашиваемых модулей КМ ОЭС.

Для оценки эффективности функционирования МОЭС используются специальные показатели, которые должны быть размещены в БД. Ими могут быть, например, спектральный контраст, разность оптических сигналов, спектральное отношение, логарифмические спектральные отношения на входе системы, приведенные к её выходу или выходу ПИ.

В достаточно общем виде сигнал на выходе приемника излучения, со спектральной чувствительностью S?i на длине волны ?i, определяемый только собственным излучением объекта, описывается как

- спектральная излучательная способность и яркость объекта, соответственно; ?0?i – коэффициент пропускания оптической системы на длине волны ?i.

Соответствующее R(( отношение сигналов на выходе ПИ Ru=U1/U2 для двух рабочих спектральных диапазонов равно

где ??1 и ??2 - рабочие спектральные диапазоны.

Здесь используется упрощенная форма закона Планка

где c1и с2 – постоянные закона Планка; Т – температура объекта.

Схемы алгоритмов работы с модулями «Показатели эффективности», «Фоноцелевая обстановка», «Структура МОЭС», «Результат работы КМ ОЭС» при моделировании МОЭС приведены на рис. 11-14.

При моделировании ОЭС, работающих активным методом, в обобщенную КМ ОЭС целесообразно добавить субмодели (разделы отдельных модулей и базы данных обобщенной КМ ОЭС), описывающие передающую оптическую систему, включая источник подсветки и отображающие особенности распространения оптического сигнала на пути от передающей системы к приемной.

Удобно строить модель такой системы по схеме, представленной на рис. 15, в соответствии с которой ФЦО может описываться в едином для всех каналов модуле «Фоноцелевая обстановка», т.е. с помощью единой и достаточно широкой системы параметров и характеристик (геометрические размеры, дальности, форма, физико-химические свойства поверхностей и мн. др.), а с помощью интерфейса пользователя выбирается любой из спектральных «пассивных» или «активных» каналов и соответственно ему синтезируется (строится) сигнал, поступающий на вход субмодели «Структура ОЭС».

Компьютерная модель многих ОЭС дистанционного зондирования, предназначенных для обнаружения различных объектов на случайно-неоднородном («пестром») фоне, также может базироваться на обобщенной КМ ОЭС, в модуль «Исходные данные» которой следует ввести такие показатели эффективности, как вероятности правильного обнаружения и ложных тревог, а также геометрооптические параметры схемы работы ОЭС.

Рис. 11. Схема алгоритма работы с модулем «Показатели эффективности» при моделировании МОЭС

Рис. 13. Схема алгоритма работы с модулем «Структура МОЭС» при моделировании МОЭС

Рис. 15. Обобщенная схема моделирования многоканальной ОЭС

Пользуясь основными положениями изложенной методологии компьютерного моделирования, в процессе работы над диссертацией была создана КМ дистанционного зондирования для оценки дальности обнаружения объекта на случайном неоднородном фоне при условии обеспечения заданной вероятности обнаружения объекта.

В этом случае зависимость отношения сигнал-шум ? от дальности l, являющаяся аналитической моделью ОЭС, имеет вид:

где l0 – некоторая номинальная или нормирующая дальность обнаружения, при которой ?=1; Sоб – видимый размер объекта; ?s – размер кружка рассеяния, вызванного влиянием дифракции и аберраций, атмосферными явлениями (рассеянием, турбулентностью), вибрациями основания и другими факторами; ?ср – среднее значение показателя ослабления среды, в которой проходит трасса «объект-ОЭС».

Глава 5 посвящена краткому описанию компьютерных моделей ОЭС «КОМОС» и «КМ ОЭС», разработанных в МИИГА и К на кафедре оптико-электронных приборов.

Модель «КОМОС» позволяет моделировать ФЦО работы ОЭС классов «земля-земля», «земля-воздух», «воздух-земля», «воздух-водная поверхность».

Модель написана в среде Turbo Baisic. В ней имеются базы данных оптических систем, приемников излучения, анализаторов изображения и некоторых элементов электронного тракта.

Компьютерная модель «КОМОС», разработанная в соответствии с изложенной в предыдущих главах методологией, подтвердила свою адекватность путем сравнения результатов проведенных численных экспериментов на модели и натурных экспериментов с рядом тепловизионных систем.

Рассчитанные с помощью модели значения отношения сигнал-шум порядка 2,1 обеспечивают надежное распознавание тест-объекта на дальности до 2 км, а при отношении сигнал-шум порядка 10 его идентификацию на дальностях до 5 км.

Дальности распознавания и идентификации объекта, полученные экспериментальным путем, отличались от рассчитанных не более чем на 12…15%, что свидетельствовало о хорошей адекватности модели.

В последние годы на базе модели «КОМОС» была разработана новая компьютерная программа для моделирования ОЭС первичной обработки информации, названная «КМ ОЭС». Последняя версия модели разработана средствами MatLab и позволяет осуществлять моделирование ОЭС, работающих в нескольких спектральных диапазонах, для различных фоноцелевых ситуаций. В ней имеется возможность описания многомерных систем, а также достаточно простая перестройка решения поставленных задач.


загрузка...