Методология компьютерного моделирования оптико-электронных систем (01.03.2010)

Автор: Торшина Ирина Павловна

Структура «КМ ОЭС» построена с учетом принципа модульности, иерархичности и вложенности модулей друг в друга. Основными модулями «КМ ОЭС» являются: «Исходные данные», «Показатели эффективности», «Фоноцелевая обстановка», «Структура ОЭС», «База данных КМ ОЭС» и

«Результат работы КМ ОЭС».

На рис. 16 приведен вид интерфейса при вводе исходных данных в модель.

Возможные составляющие излучения на входном зрачке ОС, задаваемые как входные параметры для модуля «Фоноцелевая обстановка» модели, представлены на рис. 17.

Рис. 16. Вид интерфейса ввода исходных данных в модели «КМ ОЭС»

Модель «КМ ОЭС» содержит два канала (спектральных диапазона) –тепловизионный, разбиваемый на отдельные поддиапазоны, и визуальный. С ее помощью по заданию ЦНИИ Точмаш проводилась оценка эффективности камуфляжа и маскировки различных объектов, наблюдаемых на фоне естественных помех.

С использованием этой модели, зная тактико-технические параметры и характеристики современных ОЭС или задаваясь ими, оказалось возможным рассчитать пороговые значения контрастов температур, излучательных и отражательных способностей объектов, регистрируемых этими системами, а следовательно, установить необходимый уровень снижения этих контрастов с целью повысить эффективность средств камуфляжа и маскировки.

В модель введены алгоритмы расчета минимальной разрешаемой разности температур, отношения сигнал-шум и зависимостей вероятностей обнаружения, распознавания и идентификации цели от дальности до нее, а также от различных конструктивных параметров ОЭС. На рис. 18 и 19 приводятся вид интерфейса и диаграммы зависимостей вероятностей обнаружения, распознавания и идентификации от дальности в тепловизионном канале и в визуальном канале, полученные в результате моделирования.

Рис. 17. Окно задания составляющих излучения на входном зрачке оптической системы в «КМ ОЭС»

Рис. 18. Диаграммы зависимостей вероятностей обнаружения, распознавания и идентификации от дальности в тепловизионном канале

Рис. 19. Диаграммы зависимостей вероятностей обнаружения и распознавания от дальности в визуальном канале

Предлагаемая методология позволяет проводить дальнейшее развитие разрабатываемой модели «КМ ОЭС» вводом дополнительных модулей, описанных в методологии, установления связей между ними, и реализации в системе MatLab.

Проведенные эксперименты с «КМ ОЭС», в частности, при выполнении НИР «Разработка компьютерной модели для оценки эффективности средств маскировки в оптическом диапазоне спектра», подтверждают ее гибкость и возможность использования ее для решения новых задач моделирования.

В приложении приводятся рекомендации по выбору программных средств для компьютерной модели оптико-электронных систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемая методология компьютерного моделирования позволяет использовать её при проектировании и исследовании разнообразных ОЭС на начальных этапах их проектирования. Проведенные исследования и разработки, результаты которых изложены в настоящей диссертации, позволяют сделать следующие основные выводы.

1. Предложенная структура обобщенной компьютерной модели оптико-электронных систем (КМ ОЭС), включающая в себя в качестве основных модулей «Исходные данные», «Показатели эффективности», «Фоноцелевая обстановка», «Структура ОЭС», «База данных КМ ОЭС», «Результат работы КМ ОЭС», является основой для начального этапа моделирования вновь разрабатываемых ОЭС.

2. Основными этапами компьютерного моделирования ОЭС являются:

– представление показателей эффективности работы системы, содержащихся в техническом задании на разработку, в общем параметрическом виде путем обращения к субмоделям модулей «Фоноцелевая обстановка», «Структура ОЭС», «База данных КМ ОЭС»;

– расчет показателей эффективности в модуле «Результат работы КМ ОЭС»;

– сопоставление результатов расчета с заданными значениями;

– проведение параметрической или структурной оптимизации ОЭС в случае, если полученные результаты не удовлетворяют пользователя. Для этого используются алгоритмы оптимизации и обратная связь с модулями «Структура ОЭС» и «Исходные данные», содержащаяся в обобщенной КМ ОЭС;

– проведение контрольного расчета критерия адекватности в соответствующем блоке модуля «Результат работы КМ ОЭС» при получении удовлетворительных результатов расчета показателей эффективности.

3. Общую методологию процесса создания отдельных модулей можно представить в виде совокупности следующих этапов:

– выбор показателей эффективности и (или) целевой функции, наилучшим образом отображающих требования к модулю;

– выбор управляемых и неуправляемых переменных для задачи моделирования;

– определение перечня требуемых выходных параметров модуля и соответствующего им перечня необходимых входных параметров;

– составление общего алгоритма функционирования модуля.

При формировании отдельных модулей КМ ОЭС, возможно обращение к БД обобщенной модели, а также упрощение выбранного варианта.

С целью упрощения модели без потери её адекватности необходимо произвести ранжирование составляющих входного сигнала, создаваемых субъектами фоноцелевой обстановки на входе ОЭС.

Предложенный метод аналитической оценки адекватности компьютерных моделей ОЭС в случае отсутствия реально существующего объекта-оригинала (ОЭС), с которым можно было бы сравнивать модель, позволяет оценить область применения этой модели, а в ряде случаев отказаться от дорогостоящего физического (натурного) эксперимента при проектировании и исследованиях сложных ОЭС. На начальных уровнях проектирования критерий адекватности и области адекватности модели целесообразно оценивать по отклонению показателя эффективности работы ОЭС от заданного или требуемого его значения.

Особенности компьютерного моделирования двух- и многодиапазонных ОЭС 3-го поколения (МОЭС), а также ОЭС, работающих активным методом, наиболее часто могут быть учтены путем ввода в базу данных обобщенной структурной схемы КМ ОЭС специальных подразделов, содержащих субмодели, отображающие специфику этих систем, дополнительные показатели эффективности их работы, используемые в них алгоритмы обработки сигналов, параметры и характеристики отдельных СЧ и т.п.

Предложенная в настоящей диссертации методология позволила разработать компьютерные модели ряда ОЭС конкретного назначения, которые показали целесообразные пути совершенствования этих систем и области их эффективного применения. Эти работы были выполнены в рамках НИР «Разработка компьютерной модели для оценки эффективности средств маскировки в оптическом диапазоне спектра» (тема №1-Э/ПР) и «Компьютерная модель тепловизионной системы» (тема №1011-хд), а также контракта (трудового соглашения) с НПО «Комета». Проведенные эксперименты с разработанными на кафедре ОЭП МИИГА и К моделями «КОМОС» и «КМ ОЭС», в частности, при выполнении эти НИР, подтверждают гибкость предложенной методологии и возможность использования ее для решения новых задач моделирования.

Проведенные исследования легли в основу работы по гранту № 2.1.2/4163 Минобрнауки РФ «Методология компьютерного моделирования оптико-электронных систем третьего поколения» в рамках аналитической ведомственной целевой программы “Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)”, подраздел 2.1.2 «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» (номер государственной регистрации 01200904617).

Использование разработанной методологии позволит с требуемой адекватностью моделировать перспективные ОЭС 3-го поколения, определять показатели качества их работы в различных ситуациях, оценивать эффективность использования элементной базы этих систем, что значительно сократит средства на их разработку.

Основные положения предложенной методологии включены в учебную программу дисциплины «Компьютерное моделирование оптико-электронных систем», используемую при подготовке магистров по направлению «Оптотехника» в МИИГАиК.

список опубликованных научных работ по теме диссертации

Монография

Торшина И.П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации –М.: Университетская книга; Логос, 2009. - 248 с.

Статьи в изданиях, вошедших в перечень ВАК РФ


загрузка...