CC BY
134
УДК 621.397: 621.391.8
И.А. Вшивкова, Е.В. Грицкевич, В.В. Малинин,
А.В. Фалеев, З.М. Цепиногова СГГ А, Новосибирск
ПРЕДПОСЫЛКИ К ОПТИМИЗАЦИИ ОЭП НАБЛЮДЕНИЯ
Постановка задачи
Классическая постановка задачи оптимизации состоит в следующем: разработать математическую модель объекта оптимизации, на основе этой модели разработать целевую функцию, одним из известных методов (например, градиентным) найти такие значения параметров объекта оптимизации, при которых выполняется условие оптимума. Сравнительно легкои быстро таким методом можно оптимизировать объекты с несложной и статической структурой. Однако ОЭП наблюдения является сложным объектом, работа которого нелинейно зависит от большого количества внутренних и внешних параметров. Поэтому здесь рассмотрены некоторые предпосылки к оптимизации ОЭП наблюдения.
1. Критерии оптимизации оптико-электронных приборов наблюдения и ориентации
Прибор ночного видения
Главный критерий оптимизации - вероятность различения глазом изображения объекта на заданном уровне дешифрации последнего (обнаружение или распознавание). Поэтому дальность действия, выбранная в качестве оценочного критерия, будет определяться относительно заданного значения вероятности решения наблюдательной задачи. Это не исключает возможность оценки эффективности различных вариантов систем непосредственно по значению вероятности при условии неизменности расстояния до объекта.
Для многозвенных систем в качестве основной проектной процедуры, выполняемой с помощью вычислительной модели, целесообразно использовать анализ системы методом имитационного моделирования.
Взаимодействие моделей звеньев между собой реализуется путем передачи от одного программного модуля к другому параметров сигнала, характеризующих информационное и физическое состояние тракта. Совокупность этих параметров называется вектором фазовых переменных (ВФП). Состав компонент вектора выбирается, во-первых, исходя из необходимости вычисления расчетного критерия, а, во-вторых, с целью обеспечения возможности оценки вклада каждого звена в качество выводимой информации. В этой связи в вектор включены: частота основной гармонической составляющей полезного сигнала (пространственная или временная), уровни сигналов от объекта и фона, коэффициент модуляции полезного сигнала, отношение полезного сигнала к шуму. Под полезным сигналом здесь и далее будет пониматься разность между уровнями сигналов от объекта и фона. Сначала ВФП генерируется модулем объектно-фоновой
ситуации, а затем моделируется процесс последовательного преобразования фазовых переменных каждым звеном прибора.
Наборы входных и выходных параметров всех модулей одинаковы. Это позволяет применить единый методологический подход к построению математической модели каждого звена и определить набор требуемых для всех модулей алгоритмов. Математическая модель должна представлять собой ненормированную передаточную функцию реализуемого звена и включать следующие процедуры: моделирование процессов преобразования уровней сигналов с входа на выход с учетом частотной характеристики звена (ЧКХ и АЧХ), пересчет отношения полезного сигнала к шуму с входа на выход с учетом собственных шумов звена, преобразование частоты полезного сигнала.
Оптико-электронный блок системы ориентации по звездному полю
Главный критерий оптимизации - достоверность распознавания объектов наблюдения. Для выполнения этого критерия нужно подобрать соответствующие значения таких параметров прибора, как угол поля зрения, диаметр входного зрачка и фокусное расстояние, в зависимости от угловой погрешности системы ориентации, выбранного алгоритма опознавания и выбранной матрицы ПЗС.
Требования к прибору. Угловая погрешность прибора должна быть достаточной для того, чтобы идентифицировать каждое угловое расстояние между звездами как уникальное. Диаметр входного зрачка должен обеспечить регистрацию звезд заданной звездной величины. Угол поля зрения должен обеспечить одновременную регистрацию необходимого количества звезд, используемых для опознавания.
Первый этап оптимизации. На основании численных экспериментов с каталогом звездного неба строится зависимость угловой погрешности системы ориентации от величины видимого блеска звезд, фиксируемых прибором. При этом можно выбрать такую звездную величину, при которой погрешность не больше допустимой, либо так изменить параметры прибора, чтобы при заданной звездной величине погрешность не превышала допустимую. То есть на первом этапе вычисляется величина видимого блеска звезд, используемых для опознавания.
Второй этап оптимизации. На основе численных экспериментов с каталогом звездного неба строится зависимость диаметра входного зрачка прибора от видимого блеска звезд, используемых для опознавания, и их спектрального класса. Другими словами: выполняется габаритно-
энергетический расчет ОЭП системы ориентации, исходя из условия регистрации звезд заданной звездной величины.
Третий этап оптимизации. Для работы алгоритма опознавания требуется, что бы в поле зрения прибора попало необходимое для опознавания количество звезд. Причем разные алгоритмы используют для опознавания разное количество звезд, но всегда большее или равное 3. На основе численных экспериментов с каталогом звездного неба строится
зависимость минимально допустимого угла поля зрения от количества звезд, используемых для опознавания.
Четвертый этап оптимизации. По угловой погрешности прибора и размерам ячейки ФПМ рассчитывается фокусное расстояние. Поскольку геометрические размеры ячейки ФПМ должны соответствовать линейной погрешности прибора в плоскости наилучшего видения, то фокусное расстояние будет оптимальным.
2. Обобщенный метод проектирования функциональной схемы ОЭП наблюдения
Для разработки схемы алгоритма проектирования ОЭП наблюдения предлагается использовать две таблицы кодов.
В таблице «ОЭП наблюдения» приведен перечень всевозможных параметров объекта наблюдения, метеорологической обстановки, объектнофоновой обстановки, функций ОЭП наблюдения, которые могут использоваться в техническом задании на проектирование ОЭП наблюдения.
В таблице «Структура ОЭП наблюдения» приведен перечень всевозможных узлов, входящих в состав ОЭП наблюдения, с их параметрами.
В каждой таблице каждой строке соответствует код, который используется в схеме алгоритма. В основу схемы алгоритма проектирования ОЭП наблюдения заложен условный оператор if (код строки табл. 1) then (код строки табл. 2) else (переход к следующей строке табл. 1).
Этот оператор повторяется столько раз, сколько строк содержится в табл. 1. Наполнение оператора является результатом экспертных оценок. В итоге получается набор узлов функциональной схемы, соответствующий ТЗ. В принципе, можно разработать программу автоматического построения функциональной схемы.__________________________________________________
Таблица 1 Таблица 2
Параметры ТЗ на разработку ОЭП Код Узлы ОЭП и их параметры Код
Объект наблюдения 1 Объектив приемный дневной T01
Одиночный 101 Фокусное расстояние T0101
Групповой 102 Относительное отверстие T0102
и так далее Объектив приемный ночной T02
Метеорологическая обстановка 2 и так далее
День ясный солнечный 201
День пасмурный 202
и так далее
3. Простая математическая модель ФПМ ПЗС
Математическая модель ФПМ ПЗС устанавливает количественные зависимости между внутренними параметрами матрицы, входным оптическим сигналом и выходным электрическим сигналом. При этом учитываются факторы снижения коэффициента модуляции на выходе
матрицы по сравнению с входом. Рассмотрим соотношения, учитывающие эти факторы.
Если рассматривать видеосигнал на выходе ФПМ ПЗС, то контраст формируемого изображения можно характеризовать коэффициентом модуляции Km:
Km = (Umax - Umin) / (Umax + Umin),
где Umax, Umin максимальное и минимальное значения выходного сигнала.
Ниже рекуррентно находятся значения Umax и Umin с учетом различных факторов так, что в последнем выражении учитываются все рассматриваемые здесь факторы.
Спектральный фактор состоит в несоответствии между спектральными характеристиками источника, приёмника и глаза и учитывается в следующих формулах:
Uminl = (Emin*Sэ*Кпр*Кгэ)/(Кпэ*Kгp);
Umaxl = (Emax*Sэ*Kпp*Кгэ)/(Кпэ*Kгp),
где Uminl, Umaxl - максимальное и минимальное значения выходного сигнала с учетом спектрального фактора; Emin, Emax - максимальное и минимальное значения освещенности ФПМ, Sэ - интегральная эталонная чувствительность, В/лк; Кпэ - коэффициент использования приёмником эталонного источника; Кпр - коэффициент использования приёмником рабочего источника; Кгэ - коэффициент использования глазом эталонного источника; Кгр - коэффициент использования глазом рабочего источника.
Геометрический фактор состоит в том, что элементы матрицы имеют конечные размеры. Они не могут обнаруживать колебания входной освещенности при высоких пространственных частотах. Если на один элемент попадает несколько штрихов, то сигналы от всех штрихов интегрируются, и результирующий сигнал будет соответствовать средней освещённости элемента. Геометрический фактор Тг рассчитывается следующим образом:
Тг = sin (п*Vm*Aв)/(п*Vm*Aв),
где Vm - пространственная частота; Ав - размер фоточувствиткльной площадки ФПМ по вертикали. Здесь рассматривается случай, когда штрихи испытательной миры расположены поперёк фоточувствительной площадки.
Тогда:
Umin2 = (Umax1*(1 - Тг) + Umin1(1 + Тг))/2;
Umax2 = (Umax1*(1 + Тг) + Umin1(1 - Тг))/2,
где Umin2, Umax2 - максимальное и минимальное значения выходного сигнала с учетом геометрического фактора.
Термогенерация приводит к формированию на выходе матрицы темнового сигнала. Если закрыть объектив видеокамеры чёрной крышкой, на выходе камеры всё равно можно обнаружить темновой сигнал в виде шума. Количество темновых зарядов Ntt определяется так:
Ntt = ^*Тн*Ав*Аг*10-8)^эл,
где Jt - плотность темнового тока; Тн - время накопления; Ав, Аг -размеры фоточувствительной площадки ФПМ по вертикали и горизонтали.
1 Я
Qэл - заряд электрона (1.6*10- К).
Тогда:
Umin3 = Umin2 + Ut;
Umax3 = Umax2 + Ut,
где Ut - темновое напряжение при комнатной температуре; Ut = Ntt*K, К - коэффициент преобразования зарядов в напряжение.
Диффузионный фактор состоит в том, что часть зарядов диффундирует, т. е. теряется из одного пакета и добавляется в другой пакет либо рекомбинируется. Диффузионный фактор Тп находится так:
Тп = exp(-Nn* £ *(1 - cos^^l))) ,
где Nn = 1.5*Мв*Nф; Nф - количество фаз; К1 = л*№*Ав; £ -эффективность переноса. Тогда:
Umin4 = (Umax3 * (1 - Tn) + Umin3(1 + Тп)) / 2;
Umax4 = (Umax3 * (1 + Tn) + Umin3(1 - Тп)) / 2.
В результате коэффициент модуляции Km с учетом влияния всех рассмотренных факторов находится так:
Km = (Umax4 - Umin4) / (Umax4 + Umin4),
Разработанная модель позволяет сравнительно быстро оценивать контраст формируемого изображения и находить зависимости контраста от значения заданного параметра в заданном диапазоне.
Заключение
Рассмотренные предпосылки дают представление о сложности решения задачи оптимизации ОЭП наблюдения. Решение этой задачи потребует еще немало усилий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Малинин В .В. Методика имитационного компьютерного моделирования оптикоэлектронных приборов наблюдения / В.В. Малинин // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы 7-й междунар. конф. АПЭП-2004. - Новосибирск: Изд. НГТУ, 2004. - Т. 6.
2. Малинин В.В., Математическое обеспечение системы ориентации КЛА по звездному полю / В.В. Малинин, А.В. Фалеев // Спутниковые системы связи и навигации. Тр. междунар. научно-техн. конф., 30 сент. 3 окт. 1997. Т. 1. - Красноярск: КГТУ. 1997.
3. Selected Papers on CCD and CMOS Imagers / Moon Gi Kang, Editor / SPIE Milestone Series MS177. - Bellingham: SPIE Press, 2003.
© И.А. Вшивкова, Е.В. Грицкевич, В.В. Малинин, А.В. Фалеев, З.М. Цепиногова, 2007
