Публикуемые в открытой печати сведения о КМ ОЭС часто относятся к системам строго определенного, конкретного, назначения и не позволяют читателю воспользоваться ими для решения интересующей его новой задачи. И все же изучение многочисленных публикаций позволяет выявить ряд общих положений, полезных для создания КМ ОЭС и сделать вывод о необходимости, актуальности и перспективности дальнейшего развития компьютерного моделирования ОЭС.
Моделирование сложных систем различного назначения неотрывно связано с развитием программного обеспечения, информационных технологий, и возможностями использования новейших технических средств. Первые модели, разработанные до 1990-х годов, не имели столь мощных программного обеспечения и аппаратных средств, как это наблюдается сегодня, и это во многом объясняет ограниченные возможности использования ряда моделей. Первые аналитические модели представляли собой развернутые, т.е. представленные в виде функции многих параметров системы, выражения для описания важнейших показателей качества ОЭС, например, для тепловизионных систем (ТВС) - эквивалентной шумам обнаруживаемой или минимальной разрешаемой разностям температур. Такие модели обычно строились в виде совокупности отдельных составляющих - параметрических или феноменологических субмоделей, например, субмоделей типа «Пропускание атмосферы», «Входной сигнал», «Помехи и шумы», «Передаточные функции отдельных звеньев ОЭС».
В конце 1980-х г.г. в Израиле была разработана модель, предназначенная для построения изображений наземных объектов при наблюдении их “сверху вниз”, например, с борта самолета. Модель получила название GASIEL (General Approach to System Imaging Evaluation). Она позволяет быстро учитывать изменяющиеся в процессе полета носителя ОЭС условия её работы. База данных модели включает параметры и характеристики возможных целей - наблюдаемых объектов и фонов, а также ОЭС. Структура модели представлена на рис. 24. Рабочий сценарий определяется геометрооптическими и энергетическими параметрами и характеристиками целей и фонов.
Командование сухопутных ракетных войск США использовало модели ТВС, названные FCSS (Fire Control Sensor Simulator) и MIISPM (Missile Command Infrared Imaging System Performance Model) [6, 11]. Первая из этих моделей (рис. 3) более полно описывает ФЦО, т.е. объекты, фоны и помехи, а вторая более детально описывает параметры конструкции ТВС. Обе модели в качестве показателей эффективности работы ТВС используют вероятности обнаружения, распознавания и идентификации объектов как функции дальности.
Модель FCSS включает в себя два основных вида объектов - воздушные и наземные цели. Излучение воздушных целей рассматривается состоящим из излучения корпуса (обшивки) цели, излучения нагретых частей (в первую очередь двигателя) и излучения шлейфа (истекающих продуктов сгорания топлива).
Модель MIISPM построена на использовании основных файлов, описывающих субмодели “Цель”, “Атмосфера”, “Датчик” и “Выходная информация”. Работа пользователя идет в интерактивном режиме. Пользователь может изменять один из этих файлов, оставляя два других постоянными.
В 1990-х г.г. для предварительной оценки возможностей ТВС при решении многих практических задач за рубежом широко использовалась модель FLIR-92, которая стала очень распространенной аналитической моделью.
Модели TTIM (The Tank-Automotive Command Thermal Image Model), EOIRTA и ряд других [146], разработанных для армии США, предназначены для моделирования тепловых изображений наземных и воздушных военных объектов. Поверхность объекта разбивается на отдельные изотермические площадки. Основными критериями качества ОЭС в этих моделях являются эквивалентные шуму обнаруживаемые или разрешаемые разности температур в сочетании с известными критериями Джонсона [16].
При использовании этих моделей средствами компьютерной графики строятся изображения моделируемых объектов, в первую очередь, танков; затем задаются температуры отдельных частей этих объектов, их размеры, ориентация, теплопроводность, масса, излучательная способность, теплоемкость, а также параметры излучающего фона. Полученная субмодель является первым блоком в модели всей системы, включающей субмодели: «Атмосфера», «Оптическая система», «Приемник излучения», «Электронный тракт», «Система отображения». Атмосферные условия задаются в форме таблиц коэффициентов пропускания и собственной яркости атмосферы для различных выбираемых дальностей до объекта. Эти таблицы составлены на основе модели атмосферы LOWTRAN 6. Информация о возможных объектах (целях), состояниях атмосферы хранится в отдельных файлах, составляющих БД атмосферных условий работы ОЭС. Функциональная схема этой модели представлена на рис. 5.
Модель служит для тренировки операторов систем управления путем создания средствами компьютерной графики изображений различных объектов военной техники, создаваемых различными ТВС.
Среди моделей инфракрасных ТВС третьего поколения, работающих в «смотрящем» режиме благодаря использованию многоэлементных приемников излучения, следует выделить модель ECOM-7043, разработанную Лабораторией ночного видения и оптико-электронных систем армии США. На рис. 6 приведена блок-схема программы для моделирования ТВС, работающей в режиме временной задержки и интегрирования.
Первая ступень этой схемы содержит обобщенную энергетическую субмодель (субмодель входных сигналов), субмодели отдельных звеньев приемной ОЭС и их передаточных функций.
Для нужд Национального аэрокосмического агентства (NASA) США была разработана аналитическая модель ATTIRE (Analytical Tools for Thermal Infrared Engineering), позволяющая вести параметрический анализ ОЭС, работающих в инфракрасной области спектра. Структура этой модели представлена на рис. 7, где приведены её основные блоки, а также параметры, определяющие такие критерии качества ОЭС как отношение сигнал/шум, пороговая облученность, эквивалентная шуму разность температур и др.
Часто используется атмосферная модель MODTRAN, с помощью которой вычисляются спектральные характеристики интенсивности прямого солнечного излучения, спектральная плотность энергетической яркости неба совместно с рассеянием солнечного излучения, а также пропускание атмосферы. Параметры модели включают: широту, долготу, время дня, время года, условия облачности, углы обзора (наблюдения), расстояние, температуру воздуха.
Фирмой Хонтек (Xon Tech) была разработана модель SPACE (Sun, Precipitation, Atmosphere, Clouds, Earth), предназначенная для описания сигналов, создаваемых наземными, воздушными и космическими целями, а также атмосферой и естественными фонами в диапазонах 3…5 и 8…12 мкм. Эта модель, по сути своей является базой данных для более развитых моделей ОЭС. Она учитывает, главным образом, отраженную от целей составляющую оптического сигнала, поступающего на вход ОЭС. Модель использует базу данных о 128 видах типовых элементов различных целей и фонов. Она может быть использована для синтеза поля температур на входе ОЭС, однако, она не позволяет проводить параметрический анализ системы. Для оценки собственного теплового излучения целей необходимо дополнять модель результатами экспериментальных измерений.
Фирмой Aerospace Corporation была разработана модель инфракрасной системы VISTAS (Visible and Infrared Sensor Trade, Analysis and Simulation), используемая для исследования систем как сканирующего, так и смотрящего типа, а также для их сравнения между собой при одинаковых сценариях работы. Пространство объектов (сцена) с высоким пространственным разрешением или непосредственно вводилось в модель, или синтезировалось в виде «машинного» изображения. В эту сцену помещается (вводится) цель.
Учитывая многообразие условий работы ОЭС, в первую очередь, разнообразие метеорологических и климатических факторов, влияющих на пропускание и излучение атмосферы, предпринимаются попытки создать упрощенные субмодели отдельных блоков компьютерных моделей ОЭС. Это позволяет существенно уменьшить объем баз данных, входящих в эту модель.
Одной из таких моделей является модель IRSTAT (Infrared Statistical Analysis Tool), созданная на основе многолетних наблюдений и измерений усредненных метеорологических данных в 14 - ти географических зонах Мирового океана.
Модель NVTherm используется для определения показателей эффективности ТВС, работающих в одном спектральном диапазоне. Она неоднократно совершенствовалвсь для повышения точности и достоверности расчетов. Модель позволяет быстро выдавать и использовать прогнозируемые данные о спектральной плотности энергетической яркости цели.
При оценке ожидаемого функционирования систем с помощью модели NVTherm большую роль играет частота проявления турбулентностей атмосферы. Она относится к различным климатическим зонам (засушливой, пустынной, центрально-европейской и субарктической).
Модель NVThermIP используется для прогноза дальности распознавания цели. Для этих же целей используется программа TRM3.
Для имитации обнаружения минных полей с помощью ТВС применяется модель NVTherm, использующая язык программирования С++. В ней применено объектно-ориентированное программирование, что позволяет использовать модель для исследования различных ОЭС и сценариев. Предшествующие выборке процессы размытия изображения из-за дрожания линии визирования, дифракции, аберрации, влияния атмосферы описываются функцией передачи модуляции (ФПМ) в соответствии с моделью NVTherm. Для вертикального и горизонтального направлений ФПМ предполагаются независимыми и вычисляются раздельно. Возможно менять установки на одномерное (горизонтальное, вертикальное) преобразование Фурье или выбирать двумерное преобразование Фурье. Геометрическое размытие вследствие аберраций может быть описано Гауссовым пятном. Каждая ФПМ подвергается преобразованию Фурье, масштабируется и сдвигается, образуя элементы ядер свертки, описывающей изображение. Затем моделируются чувствительность приемника излучения (ПИ), шумы и аналого-цифровое преобразование (АЦП). Главными блоками субмодели «ОЭС» являются: «Выборка и реконструкция изображения», «Свертка и восстановление дискретизированного изображения (устранение результатов выборки)», «Напряжение на выходе ПИ», «АЦП». Модель позволяет использовать мировую систему координат, реконструировать и восстановить дискретизированное оптическое изображение в выбранной плоскости, используя низкочастотный фильтр; преобразовать значения яркости на пикселях в плоскости ПИ в напряжение, ввести напряжение шума, определяемое из паспорта ПИ; приводить выходное напряжение матрицы ПИ к цифровой форме.
Известен ряд моделей, описывающих не всю схему работы ОЭС, а лишь отдельные ее части, чаще всего, энергетические (радиометрические) соотношения на входе ОЭС. К ним относится, например, модель DIRSIG (Digital Imaging and Remote Sensing Image Generation), позволяющая синтезировать изображение поля, содержащего излучающие объект, фон и помехи, т.е. ФЦО для спектрального диапазона 0.4…20 мкм. Структура модели приведена на рис. 8. Ее программа предназначена для моделирования широкополосных много- и гиперспектральных изображений, она базируется на использовании функции двунаправленного отражения (BRDF) и программ, описывающих свойства атмосферы MODTRAN и FASCOD.
Объекты сцены представляются в виде совокупности отдельных фасет (их число достигает несколько десятков тысяч). При этом посредством программы Bulldozer, входящей в DIRSIG, каждая фасета характеризуется оптическими и термодинамическими свойствами ее материала. В этой модели также учитывается переотраженное излучение от соседних объектов, геометрия и длина трассы наблюдения, рассеяние атмосферы, падающее на сцену, и уходящее от нее излучение.
Функция BRDF позволяет с учетом различной ориентации поверхностей объектов (их фасет) рассчитать их температуры и собственное тепловое излучение, а также поглощение ими солнечного излучения. При этом учитываются геометрооптические соотношения между излучением, падающим на каждую фасету и отраженным от нее.
Модель также содержит базу данных о характере отражения различных материалов и поверхностей. В последние годы в программное обеспечение модели были введены субмодель для спектрополяриметрического описания объектов, а также субмодель для моделирования активного метода работы ОЭС лидаром, заметно увеличившие возможности модели DIRSIG.
Программа моделирования ИК-визуализаторов компании DVP (IRISIM) позволяет моделировать весь процесс формирования ИК-изображений, включая моделирование многоспектральных ОЭС визуализации. Модель IRISIМ разработана как самостоятельное программное приложение в операционной среде РС Windows. для физического моделирования ТВС и процессов восприятия изображений. Она вычисляет ФПМ до выборки, учитывает дифракцию, аберрации в оптической системе, вибрации, форму ПИ. С ее помощью можно производить прогнозирование и оценку таких параметров ОЭС как минимальная разрешаемая разность температур, отношения «сигнал - шум» и «сигнал - помеха», контраст цели, чувствительность, разрешение и др.
Если ранее с ее помощью было возможным моделировать ОЭС, работающие активным методом с использованием лазерного канала, то затем в ее состав был включен имитатор сцены, осуществляющий межкадровую корреляцию изображений. Модель, получившая наименование Irma 4.0, включает в себя пассивный ИК-канал, активный (лазерный) канал и канал миллиметрового излучения.