Модель Irma имеет «пассивные» каналы для синтеза изображений целей и фонов, создаваемых их собственным излучением в ультрафиолетовом, видимом, ближнем, средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах оптического спектра, а также в миллиметровом диапазоне, а также «активные» каналы для синтеза изображений, создаваемых при внешней подсветке лазерным или радио-излучением, т.е. при работе ОЭС активным методом. Удобно строить такую модель по схеме, представленной на рис. 26, в соответствии с которой ФЦО (сцена), наблюдаемая ОЭС, может описываться в едином для всех каналов блоке, т.е. с помощью единой и достаточно широкой системы параметров и характеристик (геометрические размеры, дальности, форма, физико-химические свойства поверхностей).
Версия Irma 5.0 (2000 г.) была приспособлена как для аппаратного, так и программного моделирования. Она учитывала круговую поляризацию в пассивном канале и доплеровский эффект в миллиметровом диапазоне. Модель Irma 5.0 основана на использовании оболочек и программных продуктов Windows, Linux, Solaris и SGI Irix. Она позволяет учитывать поляризационные и спекл-эффекты при работе лазерных локационных систем. В нее веден новый интерфейс пользователя для упрощения процесса моделирования ФЦО и моделирования движущихся объектов.
Модель Irma 5.1, предназначенная для синтеза сигналов, имеющих место в ИКС с высоким разрешением, совершенствуется год от года, с тем чтобы ею можно было пользоваться при моделировании самых разнообразных ОЭС. В отдельном файле определяются положение и ориентация объектов фоноцелевой обстановки. Дополнительные файлы могут быть использованы для описания перемещения объектов от кадра к кадру.
Компания Northrop Grumman в рамках программы SAMI (Sensor, Analysis, Modeling and Imaging) совершенствует модель Irma путем перехода к объектно-ориентированному языку С++, создания многоуровневого дружественного интерфейса пользователя. Общим для всех каналов в модели является описание геометрии целей и фона с помощью треугольных фасет. В пассивном и активном (лазерном) каналах возможно также использование прямоугольных фасет. В модели предусмотрен ввод данных об электромагнитных свойствах материалов, из которых состоят объекты и фоны, позволяющих учесть оптические и термические их свойства, а также структуру поверхностей объектов и фонов.
Большой объем исследований по моделированию и оценке с его помощью возможностей современных ТВС выполнен ФГУП Государственном университете прикладной оптики (ГИПО). Там же приводятся математические модели и методы прогноза эффективности современных ТВП в статическом и динамическом режимах работы, методы компьютерного моделирования (синтезирования) тепловизионных изображений.
В Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) г. Новосибирск в институте оптики и оптических технологий (ИОиОТ) разработан программно-информационный комплекс для имитационного моделирования ОЭС различного назначения. Он является интерактивным научно-исследовательским стендом, обеспечивающим виртуальное имитационное моделирование ОЭС в условиях научно-исследовательских и опытно-конструкторских подразделений. Одной из особенностей комплекса является наличие в составе пакета прикладных программ программных модулей, имитирующих работу блоков цифровой обработки изображений ОЭС (например, бортовых компьютеров). Наличие таких модулей обеспечивает предпроектную отработку на виртуальной модели сотен возможных алгоритмов цифровой обработки с визуализацией результирующих выходных картин. Это дает возможность оптимального выбора требуемых алгоритмов.
В [рассматриваются вопросы по компьютерному моделированию приборов ночного видения (ПНВ) и, в частности, процесса преобразования оптического сигнала в электрический в фотоприемной матрице прибора с зарядовой связью.
Алгоритм компьютерного моделирования работы ПНВ пассивного типа в поляризованном и неполяризованном свете приводится в работе, он содержит:
1. ввод исходных данных (параметров ПНВ и характеристик ФЦО, включая поляризационные характеристики объекта и фона);
2. формирование операторов расчета пространственно-частотных спектров яркости изображения цели и фона;
3. составление выражений для отношения сигнал/шум на экране ПВН и порогового визуального контраста;
4. формирование операторов расчета контрастов яркостей и изображения на входе и выходе ПНВ;
5. определение дальности действия ПНВ для пороговых условий.
В 1990-х г.г. в МИИГА и К на кафедре оптико-электронных приборов была разработана компьютерная модель ОЭС «КОМОС», с помощью которой производился анализ функционирования ОЭС обнаружения. Она позволяла моделировать ФЦО работы ОЭС классов «земля-воздух», «воздух-земля», «воздух-водная поверхность». При этом в ФЦО была предусмотрена возможность варьирования составляющими излучения, включая помехи, на входном зрачке системы.
Модель была написана среде Turbo Baisic. В ней имелись базы данных оптических систем, приемников излучения, анализаторов изображения и некоторых элементов электронного тракта, написанные в Microsoft Exel.
В энергетической субмодели «КОМОС» для расчета пропускания атмосферы использовалась двухпараметрическая модель Бера. В качестве показателя функционирования моделируемой ОЭС использовались отношение сигнал/шум и минимальная разрешаемая разность температур.
Модель «КОМОС» прошла апробацию и показала хорошую адекватность и сходимость с проводимыми натурными испытаниями.
В последние годы на базе модели «КОМОС» была разработана новая компьютерная программа для моделирования оптико-электронных систем 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.
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. 9. приведен вид интерфейса при вводе исходных данных в модель.
Возможные составляющие излучения на входном зрачке ОС, задаваемые как входные параметры для модуля «ФЦО» и используемые в энергетической субмодели «КМ ОЭС» представлены на рис. 9.
Рис. 9. Окно задания составляющих излучения на входном зрачке ОС в «КМ ОЭС»
Модель «КМ ОЭС» содержит два спектральных диапазона (канала) - инфракрасный, разбиваемый на отдельные поддиапазоны, и визуальный. С ее помощью, например, можно проводить оценку эффективности камуфляжа и маскировки различных объектов, наблюдаемых на фоне естественных помех.
С использованием этой модели, зная тактико-технические параметры и характеристики современных ОЭС обнаружения или задаваясь ими, возможно рассчитать пороговые значения контрастов температур, излучательных и отражательных способностей, регистрируемых этими системами, а следовательно, установить необходимый уровень снижения этих контрастов с целью повысить эффективность средств камуфляжа и маскировки.
Рис. 10. Вид окна интерфейса при задании отражательных характеристик объекта
Рис. 11. Вид окна интерфейса при задании отражательных характеристик фона (подстилающей поверхности)
Алгоритм, введенный в модуль «Результат работы КМ ОЭС», позволяет рассчитать зависимости обнаружения, распознавания и идентификации цели от дальности до нее, а также от различных конструктивных параметров ОЭС. На рис. 12 приводится окно выбора рассчитываемых критериев качества моделируемой ОЭС обнаружения.
прибор автоматизация цифровой компьютерный
Рис. 12. Вид интерфейса для выбора критериев качества ОЭС
Библиография
1. ГОСТ 25645.153-90. Излучение атмосферы Земли рассеянное. Модель пространственного распределения. -М.: Изд-во стандартов, 1991. -69 с.
2. ГОСТ 8.009-84 «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений» - М.: Изд-во стандартов, 1984. - 42 с.
3. ГОСТ 8.508-84 «Метрологические характеристики средств измерений и точностные характеристики средств автоматизации ГСП». - М.: Изд-во стандартов, 1984. - 40 с.
4. Автоматизация проектирования аналого-цифровых устройств / Под ред. Э.И. Гитиса. -М.: Энергоатомиздат, 1987. -184 с.
5. Автоматизация проектирования оптико-электронных приборов: Учеб. пособие для вузов / Л.П.Лазарев, В.Я. Колючкин, А.Н. Метелкин и др. - М.: Машиностроение, 1986. -216 с.
6. Алеев Р. М., Иванов В. П., Овсянников В. А. Основы теории анализа и синтеза воздушной тепловизионной аппаратуры. - Казань: Казанский ун-т, 2000. - 252 с.
7. Алеев Р. М., Иванов В. П., Овсянников В. А. Несканирующие тепловизионные приборы. - Казань: Казанский ун-т, 2000. - 228 с.
8. База данных обобщенной компьютерной модели оптико-электронной системы / Н.Ф.Максимова, К.И.Сагитов, И.П.Торшина, Ю.Г.Якушенков. - Свидетельство об официальной регистрации Роспатента РФ, № 2003620073 от 10.04.2003 г.
9. Балоев В.А., Горбунов Д.А., Моисеев В.С. Распределенная САПР тепловизионных приборов // Вестник Казанского гос. техн. ун-та - 2000. - №3. - С. 21-26.
10. Балоев В.А., Моисеев В.С., Клочков С.А. Синтез оптимальной структурной схемы тепловизионного прибора // Оптический журнал. - 2002. - № 4. - С.38-41.
11. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1988. - 128 с.
12. Батанов Л.А. Автоматизация проектирования цифровых вычислительных систем. - М.: Энергия, 1978. -80 с.
13. Белова Д.А., Кузин Р.Е. Применение ЭВМ для анализа и синтеза автоматических систем управления. - М.: Энергия, 1979. - 264 с.
14. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. - М.: Госэнергоиздат, 1962. - 331 с.
15. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, 1986. - 544 с.
16. Бугаенко А.Г. Аппаратура для оценки характеристик тепловизионных систем // Оптич. журнал. - 2002. - №4. - С. 19-25.
17. Бугаенко А.Г., Михайлов Е.Н. Тепловая заметность военнослужащих в различной экипировке // Оборонная техника. - 2007. - № 1-2. - С. 44-47
18. Бусленко Н.П. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. - М.: Наука, 1977. -239 с.
19. Валиахметов И.Р., Тымкул Л.В. Компьютерное моделирование работы приборов ночного видения в поляризованном и неполяризованном свете // Сб. материалов IV Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2008», Новосибирск. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч.2. -Новосибирск: СГГА, 2008. - С. 161-164.
20. Вафиади А.В. Аналитические модели сканирующих тепловизионных приборов // Оптич. журнал. - 1997. -№1. - С. 32-36.
21. Волков Н.Н., Мухин С.В., Снегов К.Г., Торшина И.П., Якушенков Ю.Г. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем 3-го поколения // Барнаул: Ползуновский альманах. -2007. - №3. С. 34-35.
22. Галиакберов Д.Ш. Критерий качества приемников излучения для тепловизионных приборов // Оптико-механическая промышленность. - 1979. - № 8. - С. 12-14.
23. Ган М.А. Вычислительная оптика в ГОИ // Оптический вестник. -2008. - № 12. -С. 16-18.
24. Городецкий А.Е., Тарасова И.Л., Артеменко Ю.Н. Интерференционно-кодовые преобразователи. - С. -Пб.: Наука, 2005. - 472 с.
25. Грицкевич Е.В., Малинин В.В. Вычислительная модель объектно-фоновой ситуации для автоматизированного анализа ОЭП наблюдения // Сб. «Вопросы повышения точности и автоматизации аэрофотосъемочных и фотограмметрических работ». - Новосибирск: НИИГАиК, 198826. Грицкевич Е.В., Малинин В.В. Разработка программного обеспечения вычислительной модели ОЭП наблюдения // Межвуз. сб «Автоматизация проектирования оптических приборов». - Новосибирск: НИИГА иК, 1991.
27. Гудмен Дж. Статистическая оптика. - М.: Мир, 1988. -528 с.
28. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. - М.: Мир, 1971. -166 с.
29. Демин А.В., Копорский Н.С. Имитационное моделирование информационно-измерительных и управляющих систем. - С. -Пб.: С. -ПбГУ ИТМО, 2007. - 139 с.
30. Демин А.В., Копорский Н.С. Имитационное моделирование систем наведения // Изв.вузов. Приборостроение. -2006. -№6. - С. 30-34.