Специфика компьютерного моделирования двух- и многодиапазонных оптико-электронных систем
1. Некоторые особенности моделирования оптико-электронных систем активного типа
Рассмотрим некоторые специфические особенности формирования компьютерных моделей двух- и многодиапазонных ОЭС.
Компьютерная модель многодиапазонной ОЭС (КМ МОЭС), как и КМ ОЭС, описывает процесс формирования сигнала на входе ОЭС, структуру системы, а также процесс её функционирования. В модели должны отображаться спектральные, пространственные, временные и др. преобразования сигналов.
В общем случае процедуры моделирования многодиапазонной и однодиапазонной ОЭС повторяются. Отличие заключается в проведении дополнительной коррекции, обобщенной КМ ОЭС (рис. 22), выполняющейся в следующей последовательности:
1. Выбор из БД (или задание) показателей эффективности (критериев качества) производится для каждого спектрального диапазона в модуле «Показатели эффективности». При этом определяется количество циклов расчета того или иного показателя эффективности для разных спектральных каналов.
2. В блоке «Коррекция обобщенной компьютерной модели ОЭС» модуля «Результат работы КМ ОЭС» производится задание (выбор из БД) операторов, воздействующих на заложенные в КМ ОЭС алгоритмы, которые учитывают многоспектральное описание сигналов в модуле «ФЦО», а также механизм работы и состав структуры, моделируемой МОЭС в модуле «Структура ОЭС».
3. При описании излучателей в модуле «ФЦО» из БД выбираются спектральные зависимости или описания, усредненные для заданных диапазонов.
4. Для каждого из спектральных каналов ОЭС задаются показатели эффективности, необходимые как для их автономной работы, так и для обеспечения показателей эффективности двух- или многодиапазонной системы в целом, например, для обеспечения зпаданного спектрального отношения.
5. Выполняется перечень работ в модуле «Результат работы КМ ОЭС», показанный на рис. 1.
Для некоторых МОЭС, работающих активным методом и использующих несколько узкополосных источников излучения или несколько полос излучения одного источника, необходимо дополнение соответствующей базы данных.
Из-за невозможности усреднения и принятия коэффициента пропускания среды распространения излучения постоянным в сравнительно широком спектральном рабочем диапазоне, что часто допустимо в моделях однодиапазонных ОЭС, например, в КМ МОЭС необходимо более тщательно учитывать спектральную селективность пропускания среды (атмосферы).
С другой стороны, при описании отдельных спектральных рабочих диапазонов (спектральных каналов) МОЭС иногда принимается допущение о постоянстве пропускания атмосферы и оптической системы в каждом из них.
Так же как при моделировании однодиапазонных ОЭС при расчете отраженной составляющей поверхности цели излучением, создаваемым внешним источником, следует учитывать зависимость коэффициента спектральной яркости отражающей поверхности не только от длины волны л, но и от ориентации этой поверхности относительно облучающего её источника, угла, под которым ведется наблюдение этой поверхности, её пространственной структуры, и поляризационных характеристик.
В базе данных оптических систем КМ МОЭС желательно иметь характеристики оптических материалов с пропусканием, охватывающим все отдельные рабочие спектральные диапазоны МОЭС, а также параметры оптических систем и элементов (призм, дифракционных решеток, наборов узкополосных светофильтров и др.), выделяющих рабочие спектральные диапазоны.
В ряде современных МОЭС успешно используются двух- и многодиапазонные (многоспектральные) приемники излучения (МПИ). Известны системы, в которых применяются матричные МПИ, реализующие одновременно способы спектральной селекции и пространственной фильтрации. Это также должно найти отображение в базах данных КМ МОЭС.
Наконец, следует учитывать наличие в составе многих МОЭС систем совмещения изображений, получаемых в разных рабочих спектральных диапазонах.
Как и в случае компьютерного моделирования однодиапазонных ОЭС, при моделировании МОЭС необходимо учитывать разнообразие собственно ОЭС и их элементной базы, разнообразие фоноцелевой обстановки и условий работы ОЭС, а также многообразие математического аппарата для описания сигналов и способов их обработки. При моделировании МОЭС требуется более детальное представление спектральных характеристик излучения и отражения целей, помех и фонов, спектрального пропускания среды распространения оптических сигналов и оптических систем, спектральной чувствительности приемников излучения. Поэтому вопрос о допущениях и упрощениях при компьютерном моделировании МОЭС для сохранения адекватности модели МОЭС должен решаться уже на начальных этапах моделирования.
Такими допущениями и приближениями могут быть: принятие гипотез о представлении случайных полей гауссовскими и марковскими, описание рассматриваемой фоноцелевой обстановки функциями с разделяющимися переменными, принятие всех материалов и поверхностей источников излучения непрозрачными и ламбертовскими. Последнее позволяет учитывать только их отражательные и излучательные свойства и разделить расчеты геометрооптических и спектральных параметров излучателей, что заметно уменьшает объем необходимых вычислений. Например, такие предположения для моделирования ИК МОЭС с помощью известной модели NVTherm сделано.
Полезная информация, которая получается с помощью МОЭС, часто может быть разделена на две составляющих - пространственную, определяемую пространственным разрешением, и спектральную, зависящую от спектрального разрешения, например, от числа отдельных спектральных каналов МОЭС.
Напомним, что показателями эффективности таких систем является спектральный контраст, разность оптических сигналов, логарифмические спектральные отношения.
В ряде современных КМ ОЭС используются раздельные каналы для моделирования систем пассивного и активного типа, часто объединенных в единую конструкцию.
На рис. 2 представлена возможная схема построения первых модулей обобщенной КМ ОЭС. К «пассивным» излучателям могут относиться источники собственного и отраженного излучения (цели, помехи, фоны), рассмотренные выше.
К «активным» излучателям относятся источники, параметрами и характеристиками которых можно управлять в процессе работы ОЭС. В состав активных излучателей может входить не только собственно источник (лампа, светодиод, лазер и др.), но и передающая оптическая система, формирующая пространственную и спектральную структуру излучения и направляющая его на облучаемую цель или непосредственно в приемную оптическую систему. Соответственно в модуле «ФЦО» КМ ОЭС можно выделить «пассивные» и «активные» каналы. С помощью интерфейса пользователя выбирается любой из спектральных «пассивных» или «активных» каналов и соответственно ему моделируется изображение, поступающее на вход модуля «Структура ОЭС».
В большинстве современных ОЭС, предназначенных для получения изображений объектов, находящихся в их угловом поле, и работающих активным методом (ОЭС активного типа - ОЭС АТ), в качестве источника подсветки используются когерентные или частично когерентные излучатели - лазеры или светодиоды. Это, во многом, определяет специфику их работы и моделирования, при котором следует учитывать, например, спекл-структуру изображения, образованного оптической системой, а также более заметное влияние атмосферной турбулентности, по сравнению с некогерентными ОЭС, работающими пассивным методом, т.е. по собственному некогерентному излучению наблюдаемых объектов.
Во многие ОЭС АТ входят системы управления параметрами и характеристиками (спектральными, геометрическими, временными) диаграммы излучения лазера или другого источника, которым в модулях «ФЦО» и «Структура ОЭС» КМ ОЭС должны соответствовать отдельные блоки, а также системы наведения или сканирования в модуле «Структура ОЭС».
В модуль «Структура ОЭС» могут быть включены блоки, моделирующие дальномер, часто входящий в состав ОЭС АТ, а также блок, моделирующий подсистему регистрации и учета изменений интенсивности и других параметров излучения в среде распространения излучения.
В блоке, вводимом в состав модуля «ФЦО» моделируются зависимость яркости различных элементов (фасетов) цели от их пространственной ориентации, а также фазовые соотношения между сигналами, отраженными от различных элементов цели. Здесь же может учитываться соотношение между зеркально-отражаемым и рассеянным излучением каждого элемента, а также взаимодействие сигналов, создаваемых на отдельных элементах поверхности цели.
Этот же блок или соответствующие ему разделы БД КМ ОЭС активного типа могут включать в себя алгоритмы, учитывающие:
- спекл-эффекты, свойственные когерентному лазерному излучению;
- эффекты, описывающие поляризацию и деполяризацию на элементах целей и фонов;
- процессы разрушения когерентности излучения в атмосфере и ряд других.
Иногда при формировании этих блоков или разделов возможно принять следующие допущения, заметно упрощающие модель:
1. поток лазерного излучения Фл постоянен по интенсивности и состоянию поляризации;
2. площадь сечения лазерного пучка в плоскости цели равна или меньше площади цели и линейного в этой площади мгновенного углового поля приемной оптической системы, т.е. диафрагмирование и связанные с ним потери сигнала не существуют;
3. величину оптического сигнала, поступающего от отдельного элемента цели или фона, полностью определяют угол падения лучей на этот элемент и коэффициент его двунаправленного отражения с.
Ухудшение разрешающей способности и контраста между объектом и фоном, на котором он наблюдается, при прохождении когерентного излучения через турбулентную атмосферу при малых экспозициях принимаемого сигнала учитывается с помощью передаточной функции атмосферы.
При использовании подсветки цели из-за атмосферной турбулентности имеет место неоднородность яркости в облучающем объект пучке - как вдоль оси подсветки (диаграммы направленности), так и в перпендикулярном ей сечении - в плоскости объекта, т.е. на его поверхности (спекл-структура освещенности).
В системах активного типа спеклы и сцинтилляции из-за турбулентности можно рассматривать как шумы в изображении и соответственно их моделировать. Считая отдельные виды шума аддитивными, можно записать следующее выражение для суммарного шума в изображении:
,
где у2внутр - спектр внутренних шумов ОЭС, определяемых шумами ее отдельных звеньев (приемника, электронного тракта, дисплея, глаза наблюдателя); у2турб - спектр шумов из-за турбулентности атмосферы как на пути от источника подсветки до объекта, так и на трассе «объект - приемная система»; у2спекл - спектр шумов из-за спекл-структуры.
Специфичные для ОЭС АТ шумы из-за спекл-структуры, усредняемой по q выборкам за время формирования изображения, на выходе ОЭС, могут описываться спектром вида
,
где Wспекл(н) - спектральная плотность мощности спеклов; Кэ(н) - частотная характеристика звеньев ОЭС, расположенных после точки «приложения» спеклов (приемник излучения, электронный тракт, дисплей); выражения для отдельных составляющих Кэ(н) можно найти; Кгл(н) - пространственно-частотная характеристика глаза наблюдателя, воспринимающего изображения с дисплея.
Спектральная плотность мощности спеклов полностью когерентного изображения имеет вид:
,
где - среднее значение яркости изображения, наблюдаемого на дисплее; Gопт(н) - оптическая передаточная функция приемной оптической системы.
Статистические свойства спеклов в случае частично-когерентного излучения описываются автокорреляционной функцией вида:
,
где Wл(л) - спектральная плотность мощности излучения как функция длины волны л; с(?) -функция взаимной корреляции амплитуды поля; б и в - углы по отношению к исходной точке на поверхности; о и з - пространственные координаты в плоскости изображения.
Для когерентного излучения увеличения числа независимых выборок q снижает дисперсию спекл-структуры и ее контраст, который обратно пропорционален q. Эффективное число qэфф для полностью сформированной спекл-структуры с контрастом близким к единице определяется как
qэфф = [R(0,0)/2]-1.
Подставляя это выражение вместо q в формулу для у2спекл, приведенную выше, можно учесть частичную когерентность освещения.
При неполной когерентности излучения, создаваемого источником подсветки, имеет место снижение контраста спекл-структуры, которое зависит от ширины полосы излучения источника (лазера или светодиода), свойств поверхности объекта, геометрических параметров подсвечивающего пучка, диаметра входного зрачка ОЭСВ и времени накопления сигнала. Это снижение аналогично получению большого числа независимых выборок спеклов.
2. Некоторые современные компьютерные модели оптико-электронных систем