Факультет компьютерных технологий и управления, оптико

Лосев Сергей Владимирович
Год рождения: 1990
Факультет компьютерных технологий и управления, оптикоцифровых систем и технологий, группа 6122
Направление подготовки:
200400 «Оптотехника»
e-mail: [email protected]
УДК 535.31+53.072+62.51
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ
ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЦЕЛИ В ИК– ДИАПАЗОНЕ
С.В. Лосев
Научный руководитель – д.т.н., профессор А.В. Демин
В магистерской диссертации рассматривается возможность реализации алгоритма
повышения обнаружительной эффективности авиационного теплопеленгатора путем
адаптивной схемы управления коэффициентом правдоподобия в системе приема и
преобразования информации на основе редуцированной характеристической функции
спектрально- характеристической модели летательного аппарата (ЛА).
Наиболее перспективными системами поиска и обнаружения летательных
аппаратов являются пассивные инфракрасные оптико-цифровые теплопеленгаторы (ОЦТ).
Основными режимами работы авиационных ОЦТ являются:
•
режим пассивного сканирования окружающего самолет пространства IRST;
•
режим пассивного сканирования в фиксированной зоне FLIR.
В общем случае вероятность обнаружения объекта (об) определяется значением
«сигнал/шум» () на входе системы приема оптической информации (объектив и
фотоприемное устройство) и выбранным критерием принятия решения () [1,2].
Вероятность обнаружения объекта теплопеленгатором на равномерном фоне определяется
соотношением
1

Pоб  2 1     ;

 0,64 hl

 2

1,25 TR  a rn
 q0
 
;n  

T0
 hl

q

 0
(1)
При реальном ограничении на T0 возможно два пути повышения
обнаружительной эффективности теплопеленгатора это либо за счет увеличения
физической светосилы, либо за счет реализации адаптивной схемы обработки оптической
информации. Увеличение физической светосилы фактически приводит к изменению
массогабаритных параметров теплопеленгатора, а реализация в обнаружителе адаптивной
обработки оптической информации может быть выполнена без изменения физической
светосилы. Одной из возможных схем адаптивной обработки оптической информации это
реализация в обнаружителе теплопеленгатора алгоритма управления коэффициентом
правдоподобия.
Основная цель работы заключается в построении адаптивной схемы управления
коэффициентом правдоподобия в обнаружителе на основе редуцированной
характеристической функции спектрально- характеристической модели ЛА.
Определим спектрально- характеристическую модель ЛА как зависимость силы
излучения, спектрального диапазона излучения, температуры тела ЛА, скорости полета и
координаты его центра тяжести и симметрии энергетической светимости.
Поскольку любой ЛА, в соответствии с законом Планка, можно представить в виде
тела, обладающего определённой индикатрисой энергетической силы излучения, вид и
значение которой зависят от габаритов, типа двигателя и скорости перемещения, то
термооптическую модель ЛА можно определить следующим функционалом
G  F(T, V)  G() . где F(T, V)  теоретическая «индикатриса» интегральной силы
излучения ЛА, G()  прогнозная функция параметров термооптической модели ЛА. Для
того, чтобы G () была инвариантна по отношению к любому типу ЛА она должна быть
редуцированной характеристической функцией, которая может приведена к конкретному
типу ЛА через показатель, характеризующий его, размерностью « Вт / ср  К ».
Источником излучения для ЛА является его двигатель, мощность которого помимо
параметров топлива определяется и его сечением, а соответственно температура факела
( Т Ф ), может быть определена следующим соотношением [3], в котором приняты
следующие обозначения: k – значение адиабаты, которая зависит от типа топлива,
используемого в двигателе. T0 – температура продуктов сгорания за турбиной, p 2 –
давление окружающей среды у сопла, принято считать атмосферным, p1 – давление в
камере сгорания.
p
TФ  T0   2
 p1



k 1
k
(3)
Для нахождения значения облученности на входном зрачке теплопеленгатора
необходимо учесть прохождение излучения через атмосферу. Облученность на входном
зрачке теплопеленгатора с учетом потерь в атмосфере будет:


2
2
I ВхЗр  IL exp  k  L  IL exp  k   h 

 
      Т 4
  28, 4  H  p  
 
ЛА
T
 
 S     exp k   h  
(6)
 

T 




 
a  
 
 


 

     S   4  2 
  28, 4  H  p  
T
 
 Т L exp k   h  
Î ВхЗр  ÎL2 exp  k L  с

T 


Ф





 
a




где kλ – массовый коэффициент поглощения, L– длина трассы вещества, паров
воды осажденных с определенного участка атмосферы; h– расстояние от ЛА до входного
зрачка пеленгатора [км], ω - количество осажденной воды [см/км]; Нт– относительная
влажность воздуха; p– парциальное давление паров воды (мм. рт. ст.) Та– температура
окружающей среды [К].
Опытным путем установлено, что для средней полосы осаждаемый слой воды близ
поверхности Земли приблизительно равен ω=1 см/км летом и 0,6 см/км зимой.
В соответствии с теорией обнаружения сигналов соотношение для ожидаемой
величины потерь () при заданных априорных переходных вероятностей для Н 0 / Н1 и
 


 
решений «да»/«нет» имеет вид (7), где приняты следующие обозначения: Н1 (Ti ) 
решение объект обнаружен
(«да»); Н 0 (Ti ) решение ЛА не обнаружен («нет»);
P0 (Ti ) / P1 (Ti ) 
распределения
априорные
вероятности
присутствие/отсутствие
(«да»/«нет») ЛА в зоне чувствительности обнаружителя; p r H1 (Ti ) / p r H0 (Ti )  значение
плотности вероятности «да»/«нет»; R  множество точек в пространстве наблюдений
(поточечная переменная по факту регистрации каждого «да»/«нет»); С10 , C00 , C01, C11 
назначаемые коэффициенты риска в соответствии с критерием Байеса (возможен и другой
критерий) на период времени Ti ;  (R ) - отношение правдоподобия;  - порог испытания;
 (R )
H1


 критерий отношения правдоподобия;  - порог испытания [4,5].
H0
  C00P0 B0dR  C10P0 B0dR  C11P1 B1dR  C01P1 B1dR





Z0
Z1
Z1
Z1

B0  p r H 0 R H 0 ; B1  p r H1 R H1 

H1
H1







(
R
)

;...
ln

(
R
)
ln( )




H0
H0

 P0 (C10  C00 )

P1 (C01  C11 )


С10  C00 , С01  C11
(7)
Из соотношения (7) следует, что выбор значения коэффициентов
риска C00 , С10 , C11, С01 влияет на эффективность работы обнаружителя по показателю вероятность обнаружения без изменения его оптико-физических параметров, что
практически возможно не мене чем на 12%. Таким образом, если корректировать значения
C00 , С10 , C11, С01 согласно заложенной априорной прогнозной функции G () в процессе
работы обнаружителя, то достоверность принимаемого решения об обнаружении при
реальном отношении «сигнал/шум» на входе обнаружителя будет выше, чем без
коррекции,
что равносильно повышению обнаружительной эффективности
теплопеленгатора в режимах IRST или FLIR.
4
k 1


k


p
I ВхЗр




2
2898
(9)
С01  1 
 1 
  T0    

Î ВхЗр
max 

p1 



На рисунке 1 представлен предлагаемый алгоритм адаптивной схемы управления
коэффициентом отношения правдоподобия при обработке информации
Практический интерес вызывает построение прогнозных функций объектов
наблюдения для корректировки работы решающего устройства теплопеленгатора в
зависимости от условий наблюдения и характера обнаруживаемой цели, за счет чего
достигается увеличение обнаружительной эффективности теплопеленгатора.
Летательный аппарат можно рассматривать как максимум протяженный объект с
угловым размером не более 1/8 поля зрения приемной оптической системы, возможно,
построить редуцированную функцию спектрально- характеристической модели ЛА.
Получаемый прибором сигнал от точечного объекта сводится к параметру энергетической
силы света. В базах данных [6, 7, 8] приведена энергетическая сила света объектов или
газов, которая получается на входном зрачке принимающего устройства, в нескольких
спектральных диапазонах на разной высоте.
Рассмотрим ракеты на твердотельном топливе, диаметр 0,65 м, топливо
перхлорат– аммония p=1,13, нормальные условия, температура факела Т0=3642 [К], εс=1.
Практические данные взяты из баз [6, 7, 8]. Анализируемые спектральные интервалы
λ1-2 =3,5-5,5 мкм, λ3-4 = 8,0-14,0 мкм. Результаты получившихся расчетов приведены на
рисунке 2.
4
Рисунок 1 Адаптивный алгоритм обнаружения высокоскоростных ЛА.
HС
01
[км]
Рис. 2 Получившиеся данные зависимость С01 для спектральных диапазонов
3-5 [мкм] и 8-14 [мкм].
Введение прогнозной функции G () в систему обработки данных позволит
повысить реальную обнаружительную эффективность теплопеленгатора, и создаст
возможность создания единой базы классов объектов обнаружения.
В магистерской диссертации был предложен алгоритм влияния на коэффициенты
риска C00 , С10 , C11, С01 в процессе работы пеленгатора на задании. Был предложен алгоритм
обработки практической, накопленной информации для нахождения прогнозной функции
G () , которая будет использоваться при назначении коэффициентов риска в зависимости
от обстановки ведения наблюдения. Данный алгоритм имеет возможность работы, как с
пеленгаторами типа FLIR, так и с пеленгаторами типа IRST.
Литература
1. Р.М.
Алеев, В.П. Иванов, В.А. Овсянников, Основы теории анализа и синтеза
воздушной тепловизионной аппаратуры. Казань: Изд-во Казанского ун-та. 2000г.
2. А.В. Демин, С.И. Жуков, Алгоритм пассивного детектирования высокоскоростных
объектов, Изд.: Mеждународный конгресс по интеллектуальным системам и
информационным технологиям, Геленджик 2013г.
3. М.В. Мурашов, С.Д Панин., Распознавание объектов в инфракрасном диапазоне /
Учеб. пособие – М.: Изд- во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2008 г.
4. Г. Ван Трис, Теория обнаружения, оценок модуляции, М.1975г.
Подпись участника__________________________________
Подпись научного руководителя______________________