Аппаратно-методический комплекс для оценки характеристик излучения фоноцелевых сцен

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Аппаратно-методический комплекс для оценки характеристик излучения фоноцелевых сцен

Специальность 05.11.13 - "Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий"

Липатов Владимир Вячеславович

Казань 2007

Работа выполнена в ФГУП «НПО «Государственный институт прикладной оптики»

Научный руководитель: кандидат технических наук

Яцык Владимир Самуилович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Алеев Рафиль Мухтарович,

доктор технических наук

Морозов Олег Геннадьевич

Ведущая организация: Казанский Государственный Энергетический Университет, г. Казань

Защита состоится «14» ноября 2007 г. в 14:00 часов

на заседании диссертационного Совета Д 212.079.04

Казанского Государственного Технического Университета

им. А.Н. Туполева по адресу: г. Казань, ул. Карла Маркса, д. 31.

Ваши отзывы, заверенные печатью, просим выслать по адресу

420111, г. Казань, ул. Карла Маркса, д. 10 на имя ученого секретаря.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ им. А.Н. Туполева

Автореферат разослан «12» октября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент Козлов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Наличие достоверной информации о спектроэнергетическом пространственном распределении сигналов, формируемых наблюдаемыми объектами и окружающими их фонами в разных спектральных диапазонах, является важным условием создания современных многоспектральных комплексированных пассивных оптико-электронных систем (ОЭС) наблюдения, слежения и контроля - интенсивно развивающихся в настоящее время. На основе таких данных уточняются основные технические характеристики ОЭС, оптимизируются операции наблюдения, слежения и контроля, разрабатываются алгоритмы обработки сигналов и тактика применения систем. Получение достоверной информации о характеристиках излучения рассматриваемых объектов возможно двумя способами - путем проведения подробных радиометрических исследований и методами математического моделирования. Создание подробных математических моделей, описывающих сигналы, поступающие на входной зрачок ОЭС от наблюдаемой фоноцелевой обстановки (ФЦО), является одним из наиболее сложных этапов в задаче информационного обеспечения разработки ОЭС. Трудности адекватного математического воспроизведения входных воздействий объясняются чрезвычайно большим числом возможных сценариев работы ОЭС, необходимостью строгого описания физических процессов возникновения, распространения и преобразования оптических сигналов, их многомерностью и рядом других факторов. Без тщательной проверки и корректировки результаты расчетных оценок сигналов входных воздействий не могут быть положены в основу технических решений. В связи с этим получение экспериментальных данных о наблюдаемых фоноцелевых сценариях остается важной научно-практической задачей информационного обеспечения разработок ОЭС.

Для решения задач информационного фоноцелевого обеспечения разработок многоспектральных комплексированных ОЭС различного назначения требуется радиометрический измерительный комплекс с развитой методической и метрологической базой его эксплуатации - способный одновременно работать в нескольких диапазонах оптического спектра от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области, обладающий гибкими возможностями современной вычислительной техники и обеспеченный средствами математического имитационного моделирования изучаемых объектов ФЦО в рассматриваемых спектральных диапазонах. Создание такого аппаратно-методического комплекса позволит использовать его для изучения характеристик излучения природной среды, состояний объектов естественного и искусственного происхождения, в том числе в интересах таких задач применения пассивных ОЭС как дистанционный контроль ответственных территорий и обнаружение нарушителей как на территории, непосредственно прилегающей к охраняемому объекту, так и аэродинамических целей в воздушном пространстве над зоной.

При разработке пассивных ОЭС обнаружения аэродинамических объектов востребованным информационным ресурсом является подробное пространственное распределение излучения верхней полусферы в виде радиометрических цифровых изображений, полученных одновременно в нескольких спектральных диапазонах. Экспериментальные исследования фонов верхней полусферы, выполненные, начиная с середины прошлого века, Кушпилем В.И. в диапазоне 0,4…1,9 мкм для дневного безоблачного неба, Смеркаловым В.А. в видимой области спектра для различных суточно-сезонных изменений, Кнестриком Г.Л. для яркости неба у горизонта в ультрафиолетовом диапазоне 300…420 нм, Фираго В.А. и Ханохом Б.Ю. в диапазоне 2…5,1 мкм для ясного неба и сплошной облачности, Мулламаа Ю.-А.Р. и Алленовым М.И. в поддиапазонах спектра 1,4…13 мкм для разнообразных по структуре атмосферных образований, а также рядом других отечественных и зарубежных исследователей, как правило, осуществлялись с помощью одноканальной радиометрической и спектрометрической аппаратуры. В силу ограниченности технических характеристик применявшейся радиометрической аппаратуры полученные ранее данные имеют вид, малопригодный для их непосредственного использования при описании ФЦО. Исключение составляет лишь данные для видимой области спектра. Получение удобных для анализа радиометрических цифровых изображений фонов верхней полусферы одновременно в нескольких спектральных диапазонах совместно с дополнительной информацией от датчиков контроля метеопараметров внешней среды оставалось долгое время нерешенной задачей.

Успешное решение задачи обнаружения объектов с помощью пассивных ОЭС зависит от эффективности выделения известных признаков этих объектов. В свою очередь, возрастающая роль индивидуальных действий бойца и совершенствование его экипировки делают целесообразным расширение исследований радиационных полей ФЦО исследованиями радиационных контрастов военнослужащих и гражданских лиц, в рамках задачи совершенствования и развития ОЭС контроля, обеспечивающих защиту объектов как с воздуха, так и с земли. Изменяющиеся условия окружающей среды затрудняют описание радиационной сцены визирования человека, поэтому задачей исследования является изучение особенностей формирования контраста радиационной температуры поверхности фигуры человека относительно окружающего фона в интересах его обнаружения с помощью пассивных ОЭС. Результаты данного исследования могут быть также использованы при разработке соответствующих средств маскировки военнослужащих.

Таким образом, создание аппаратно-методического комплекса с современными средствами регистрации и обработки данных, работающего одновременно в нескольких спектральных диапазонах, и программно-имитационных моделей в структуре информационного фоноцелевого обеспечения разработок современных наземных пассивных ОЭС остается на сегодняшний день актуальной задачей.

Объект исследования - радиационные поля верхней полусферы и масштабные модели аэродинамических целей, визируемые на фоне небосвода, а также гражданские лица и военнослужащие в различной экипировке в условиях суточно-сезонных вариаций окружающей среды.

Предмет исследования - радиометрический многоспектральный аппаратно-методический комплекс, обеспеченный средствами математического имитационного моделирования, предназначенный для исследования характеристик излучения наблюдаемых фоноцелевых сцен.

Цель исследования - повышение информационной и метрологической надежности радиометрического многоспектрального аппаратно-методического комплекса на основе совершенствования его программно-технического обеспечения и получение с его помощью исходных данных в интересах разработки и проектирования пассивных оптико-электронных систем защиты зон ограниченного доступа.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Формулирование основных требований, предъявляемых к радиометрической измерительной аппаратуре и специализированным приборам контроля окружающей среды с учетом характера исследуемого объекта. Доработка существующей аппаратуры до уровня современных информационно-измерительных комплексов с метрологическим подтверждением достигнутых радиометрических характеристик.

2. Разработка программных средств регистрации и обработки информации формируемых баз экспериментальных данных.

3. Проведение комплексных экспериментальных исследований пространственного распределения радиационных характеристик объектов и окружающих их фонов одновременно в различных областях спектра с целью формирования банка экспериментальных данных в виде совокупности изображений типовых фоноцелевых сцен в величинах энергетической яркости для решения задач оптимальной селекции целей.

4. Разработка математической и полуэмпирической имитационных моделей и проведение математического моделирования сценариев фоноцелевых воздействий, создаваемых на входном зрачке разрабатываемых ОЭС, для ситуаций, не охваченных экспериментальными исследованиями.

Методы исследования

Теоретические и экспериментальные исследования: анализ литературных источников, проведение натурного эксперимента, математическое и полуэмпирическое имитационное моделирование фоноцелевых сценариев.

Достоверность и обоснованность полученных результатов

Обоснованность основных результатов, изложенных в диссертационной работе, обеспечивается комплексным подходом к задаче исследования рассматриваемых в работе объектов путем их имитационного моделирования и непосредственного натурного наблюдения этих объектов и их масштабных моделей (с характеристиками близкими к оригиналу) в широком диапазоне реальных условий, сравнением теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными автором, и сопоставлением их с работами других авторов. Достоверность результатов экспериментальных исследований обоснована использованием метрологически аттестованного оборудования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Аппаратно-методический радиометрический комплекс с современными средствами регистрации и обработки информации, предназначенный для проведения экспериментальных исследований радиационных полей верхней полусферы и радиационных характеристик человека и окружающего его фона.

2. Полуэмпирическая модель излучения аэродинамических целей на фоне ясного и облачного неба в спектральных диапазонах 0,3…0,36; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм, предназначенная для построения радиационного изображения цели, летящей в приземном слое воздуха. Математическая модель теплового контраста поверхности человека в одежде при его наблюдении на различных фонах в спектральных диапазонах 3…5 и 8…14 мкм, позволяющая учесть влияние внешних условий теплообмена и характеристик одежды на результирующий контраст относительно выбранных для анализа фоновых образований.

3. Теоретические и экспериментальные зависимости, характеризующие возможность обнаружения объектов исследования с помощью пассивных ОЭС контроля, обеспечивающих защиту как с воздуха, так и с земли: статистические зависимости, описывающие суточно-сезонное пространственное распределение яркости небосвода для ситуаций ясного неба и сплошной облачности, и характеристики радиационных контрастов масштабных моделей аэродинамических целей, визируемые на фоне неба одновременно в спектральных диапазонах 0,3…0,36; 1,1…2,0; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм, а также зависимости суточного распределения контрастов радиационных температур поверхности фигур человека в различных типах экипировки в спектральных диапазонах 2,1…5,5 и 7,6…11,8 мкм для условий летне-осеннего и зимне-весеннего периодов наблюдений на фоне открытой местности и внутри различных строений,.

4. Банк радиометрических цифровых изображений фонов верхней полусферы и сцен визирования масштабных моделей аэродинамических целей с реальными защитными покрытиями одновременно в четырех спектральных диапазонах 0,3…0,36; 1,1…2,0; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм и радиометрических изображений военнослужащих и гражданских лиц относительно близлежащего фона в спектральных диапазонах 2,1…5,5 и 7,6…11,8 мкм, предназначенный для решения задач совершенствования методов проектирования и расчета пассивных ОЭС.

Научная новизна работы:

1. Разработан аппаратно-методический радиометрический комплекс, позволяющий проводить совместную регистрацию излучения радиационных полей верхней полусферы и аэродинамических целей в диапазонах оптического спектра 0,3…0,36; 1,1…2,0; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм, и радиационных характеристик человека и окружающего его фона в диапазонах 2,1…5,5 и 7,6…11,8 мкм.

2. Получены зависимости распределения контрастов радиационных температур поверхности человека от времени суток, условий наблюдения, типа экипировки, позволяющие связать возможное состояние наблюдаемого объекта с его тепловым излучением и используемые в интересах совершенствования способов обнаружения человека с помощью пассивных ОЭС контроля и защиты ответственных объектов.

3. Многоспектральные радиометрические данные, сформированные в виде банка цифровых изображений фонов верхней полусферы, масштабных моделей аэродинамических целей, военнослужащих и гражданских лиц, и предназначенные для оптимизации методов расчета и проектирования пассивных ОЭС.

4. Разработаны полуэмпирическая модель излучения низколетящих аэродинамических целей и математическая модель теплового контраста поверхности человека в одежде в различных диапазонах оптического спектра, позволяющие значительно повысить эффективность проектирования ОЭС и ускорить процесс разработки алгоритмов селекции целей для ситуаций, не охваченных прямыми экспериментальными исследованиями при значительном снижении материальных затрат на разработку. Отдельные положения имитационных моделей не новы, однако они с достаточной степенью точности отражают реальные физические процессы излучения рассматриваемых объектов.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

Создан аппаратно-методический комплекс с современными средствами регистрации и обработки информации. Комплекс предназначен для проведения экспериментальных исследований радиационных полей ФЦО и реализован на основе усовершенствованной радиометрической аппаратуры РФ4М и ТОР с аттестованными метрологической службой параметрами.

Полученная экспериментальная база данных цифровых радиометрических изображений и созданные программно-имитационные модели по фоноцелевому обеспечению наблюдаемой сцены является востребованным разработчиками ОЭС информационным ресурсом, который может использоваться при решении таких актуальных практических задач, как:

- оптимизация тактико-технических требований, предъявляемых к перспективным разработкам многоспектральных (комплексированных) пассивных ОЭС гражданского и военного назначения;

- отработка и верификация различных алгоритмов обнаружения, распознавания и сопровождения целей, необходимых при создании полностью автоматизированных ОЭС различного назначения;

- возможность оценки основных оптических параметров объектов для выделения их демаскирующих признаков и учет этих признаков при разработке соответствующих средств маскировки;

- возможность совершенствования работы комплексов ОЭС, в том числе при их испытаниях, при снижении материальных затрат.

Реализация и внедрение результатов исследований

Настоящая диссертационная работа содержит решение ряда важных задач, непосредственно связанных с проблемой информационной обеспеченности данными о ФЦО, востребованными в структуре разработки и применения современных пассивных ОЭС различного класса и назначения.

Полученные сведения о характеристиках излучения фоноцелевой обстановки вошли в разделы отчетов НИР «Банк».

Положения диссертации нашли отражение в рекомендациях по выделению демаскирующих признаков военнослужащих и использованы в работе по исследованию путей построения базовой конструкции малогабаритного тепловизионного модуля на основе матричного фотоприемника для создания тепловизионных биноклей и прицелов средств ближнего боя (НИЭР «ОКО»).

Технические наработки при создании системы регистрации радиометрических комплексов были использованы в работах «Вереск-ЛТ», «Водопад-2000», при разработке системы регистрации данных с беспилотного авиационного комплекса многофункционального назначения на базе БПЛА «Дань» (ОАО «ОКБ «Сокол»).

Личный вклад автора

Автор участвовал в создании современного аппаратно-методического измерительного комплекса. Лично разработал программные средства регистрации и обработки данных. Принял непосредственное участие во всех экспериментальных исследованиях, описанных в работе. Лично проводил обработку и анализ полученных результатов, формирование банка радиометрических цифровых изображений, разработку имитационных моделей.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях: XVII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (Казань, 2004г.); XVIII Международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2004г.); VI Международной конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, 2004г.); I Международном оптическом форуме «Оптика-2005» (Москва, 2005г.)

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 8 печатных работах и в 6 научно-технических отчетах.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 120 наименований, и 9 приложений. Основная часть диссертации изложена на 155 страницах и иллюстрируется 53 рисунками и 21 таблицей.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении содержится обоснование актуальности темы исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, основные положения, выносимые на защиту, дана общая характеристика работы и показана научная новизна полученных результатов.

В первой главе приводится краткое изложение основных закономерностей формирования радиационных полей ФЦО в различных спектральных диапазонах. Обосновывается необходимость экспериментальных исследований фонов верхней полусферы и оптических характеристик военнослужащих.

Уточняются требования к измерительной аппаратуре, ее спектральным диапазонам чувствительности, к формату регистрируемых данных. Описывается методика метрологической аттестации измерительной аппаратуры, выбранной на основе сформулированных требований.

Исходя из задачи исследования указанных объектов, были сформулированы требования к виду измерительной аппаратуры и ее основным параметрам.

Требованиям к аппаратуре для исследования излучения фонов верхней полусферы наиболее соответствовал радиометр РФ4М, работающий одновременно в спектральных диапазонах 0,3…0,36; 1,1…2,0; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм, а требованиям к аппаратуре для исследования радиационных характеристик военнослужащих и гражданских лиц соответствовал радиометр ТОР, созданный на базе тепловизора-радиометра AGA-780 и работающий в спектральных диапазонах 3…5 и 8…12 мкм.

Радиометры РФ4М и ТОР не отвечали современным требованиям в части автоматизации процесса измерений, поэтому при сохранении оптико-механических блоков аппаратуры возникла задача модернизации систем регистрации радиометров.

С учетом особенностей функционирования задействованной аппаратуры конкретизировалась методика проведения измерений, обосновывалась методология метрологической аттестации радиометров РФ4М и ТОР и методика оценки границ погрешностей определения основных параметров: элементарных полей зрения радиометра, относительной спектральной характеристики чувствительности, эффективной чувствительности к энергетической яркости, разности энергетических яркостей эквивалентной шуму.

Вторая глава посвящена вопросам модернизации радиометрического комплекса, разработке методики первичной обработки экспериментальных данных и созданию соответствующего программного обеспечения, выполняющего основные функции анализа регистрируемых радиационных изображений.

Основные требования по модернизации радиометра РФ4М определяются тем, что в аппаратуре регистрация сигналов осуществлялась на магнитную ленту, а это означает: невозможность зарегистрировать сигналы на максимальной частоте строчной развертки в силу ограниченной скорости записи на ленту бортового магнитофона; необходимость организации хранилища магнитофонных лент; трудность оперативного доступа к экспериментальным данным; отсутствие развитых программных средств обработки данных; отсутствие автоматической регистрации сопроводительной информации.

Основные требования по модернизации системы регистрации аппаратуры ТОР определяются теми же причинами, что и для РФ4М.

При постановке задачи модернизации было решено из всех блоков AGA-780 оставить только сканер тепловизора, а все электронные блоки регистрации и обработки перенести на базу персонального компьютера.

Схожесть задач модернизации приборного комплекса позволила реализовать единый подход к разработке системы регистрации. Единый подход доработки комплекса базируется на использовании универсальных устройств для обоих радиометрических приборов - платы сопряжения и платы сбора данных, обеспечивающих ввод аналогово-цифровых данных с заданной скоростью в память компьютера. На основании анализа требуемой скорости оцифровки, разрядности данных и числа измерительных каналов была выбрана специализированная плата сбора данных L-783 (фирма L-Card), работающая с интерфейсом PCI. Разработанная плата сопряжения стыкуется напрямую с входами платы сбора L-783, она предназначена для предварительного преобразования аналоговых и цифровых сигналов с автоматически опрашиваемых датчиков, их коммутации и стабилизирования частоты синхроимпульсов, поступающих от сканеров радиометров ТОР и РФ4М.

При разработке систем регистрации для каждого прибора была разработана своя управляющая программа, взаимодействующая с низкоуровневым модулем, написанным для сигнального процессора, и обеспечивающая вывод данных по мере их поступления.

На рисунках 1 и 2 изображены функциональные схемы и внешний вид модернизированных радиометров РФ4М и ТОР.

Первоначальной задачей обработки экспериментальных измерений является перевод полученных изображений из величин приборных единиц в эффективные величины абсолютной энергетической яркости. Данный перевод возможен при наличии данных, полученных в ходе метрологической аттестации измерительного комплекса, и данных, полученных при градуировке радиометров по опорным источникам излучения (градуировочные лампы, АЧТ). По полученным кадрам яркостных полей производятся дальнейшие этапы обработки исследуемой сцены. Для этих целей было создано программное обеспечение (разработанное в среде BuilderC++5.0) обработки и анализа экспериментальных данных с развитыми алгоритмическими средствами обработки радиометрических изображений и возможностью сохранения результатов обработки в таблицах электронной базы данных (Paradox 7.0).

Рис.1. Модернизированный радиометр РФ4М



Рис.2. Модернизированный радиометр ТОР

В результате доработки радиометрической аппаратуры РФ4М и ТОР были получены следующие результаты:

- за счет более полного использования формата кадров, формируемых системами развертки сканеров радиометров, увеличена информативность получаемых экспериментальных изображений. При этом скорость регистрации и оцифровки данных возросла по сравнению со скоростью регистрации до модернизации - для РФ4М в 2,6 раза, а для ТОР - в 20 раз;

- автоматизация процесса регистрации сопроводительной информации уменьшила общее время работы оператора в процессе измерений и снизила влияние субъективных факторов на результат измерений;

- визуализация процесса получения результатов сразу с нескольких измерительных каналов практически в реальном масштабе времени позволяет оператору контролировать ход процесса измерения и отслеживать его нарушения;

- обеспечение перезаписи данных ранее полученных результатов экспериментов с магнитофонных лент в память компьютера позволило сохранить уникальный экспериментальный материал, накопленный за многие годы;

- разработанные программные средства обработки экспериментальных данных позволяют сохранять результаты обработки в таблицах электронных баз - наиболее удобной для дальнейшего анализа форме; оптика электронный слежение

- перенос функций оперативного анализа и обработки данных на компьютер существенно уменьшило вес оборудования.

Модернизированный комплекс прошел метрологическую аттестацию и был признан пригодным и допущенным к применению в качестве средства измерений пространственного распределения энергетической яркости природных образований в диапазонах длин волн от 0,3 до 15 мкм.

Погрешности результатов экспериментальных измерений энергетической яркости объектов (складывающиеся из величин случайных погрешностей и не исключенных систематических погрешностей: неточности определения ОСХЧ и чувствительности 1 и 2-го каналов РФ4М, погрешности определения температуры АЧТ, выбора начального уровня, погрешности оцифровки, погрешности интегрирования и ряда других) при доверительной вероятности 95% составляют для УФ и ближнего ИК каналов радиометра РФ4М менее 20%, а для ИК каналов РФ4М и ТОР чуть более 7%, что следует считать приемлемым с учетом диапазона вариаций ФЦО в динамике реальных условий.

Третья глава посвящена вопросам экспериментального исследования радиационных полей верхней полусферы и характеристик излучения масштабных моделей аэродинамических целей с реальными покрытиями, визируемых на фоне неба, в спектральных диапазонах 0,3…0,36; 1,1…2,0; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм, а также полуэмпирическому моделированию радиационных изображений низколетящих аэродинамических целей в наиболее интересных для разработчиков ОЭС диапазонах 0,3…0,36; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм.

Экспериментальные исследования радиационных полей верхней полусферы, проводившиеся с помощью радиометрической аппаратуры РФ4М, охватили все основные сезоны, соответствующие климату центральной части европейской территории России. Сезонные измерения проводились регулярно в течение нескольких суток в фиксируемые часы со стационарной площадки в пределах города Казани. Период проведения эксперимента: июнь 2002 - октябрь 2003 - апрель 2004 - февраль 2005 - май 2005 гг. В ходе выполненных экспериментов в разные сезоны было получено более 1000 радиометрических изображений в каждом спектральном диапазоне чувствительности радиометра. Регистрация излучения фонов всей панорамы верхней полусферы осуществлялась последовательными измерениями 8-ми кадров, снятых радиометром через каждые 45^о по азимуту. Угловой размер одного кадра радиометра составляет 45х105^о.

Параллельно с исследованием фонов проводились исследования излучательных и отражательных характеристик ряда аэродинамических целей на фоне небосвода в спектральном диапазоне 0,3…14,0 мкм. Для этого были изготовлены уменьшенные макетные копии аэродинамических целей с реальными покрытиями: самолетов «Ту-16» и «МиГ-17», ракеты «Hound Dog» (AGM - 28) (США) и противокорабельной ракеты «Гарпун» (AGM - 84) (США) в варианте для пуска с самолета. Покрытия моделей были выполнены на Казанском авиационном производственном объединении им. С.П.Горбунова. Данные по отраженной составляющей излучения моделей можно использовать только при моделировании реальных целей на пригоризонтных трассах, поскольку модели при измерениях закреплялись на небольшой высоте и визировались на фоне небосклона с превышением над горизонтом не более 16 градусов.

Результаты экспериментального исследования позволили сформировать банк радиометрических цифровых изображений фонов и ряда масштабных моделей аэродинамических целей с реальными покрытиями (ракеты «Гарпун» и «Hound Dog», самолеты «МиГ-17» и «Ту-16»), регистрируемых одновременно в четырех спектральных диапазонах 0,3…0,36; 1,1…2,0; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм. Примеры радиометрических изображений, полученных в ходе экспериментальных исследований, приведены на рисунке 3.

Проведен статистический анализ радиационных характеристик участков небосвода малых угловых размеров при изменении азимутальных и зенитных углов линии визирования для условий наблюдения, соответствующих безоблачному небу и небосводу при сплошной облачности. Результаты анализа представлены в работе в виде отдельных таблиц. Показано, что с изменением азимутального угла энергетическая яркость небосвода изменяется в пределах 25…30%, а величина СКО флуктуаций яркости фона в рассматриваемых зонах увеличивается с ростом среднего значения, но не превышает этой величины. Исключения составляют данные для угловых координат, близких к направлению на Солнце и области переменной облачности, что особенно проявляется в диапазоне 1,1…2,0 мкм, где влияние рассеяния на видимых наблюдателю краях облачных образований наиболее сильно. Получены сравнительные статистические характеристики излучения небосвода в различных спектральных диапазонах 0,3…0,36; 1,1…2,0; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм.



Рис.3. Примеры радиометрических изображений, полученных в ходе экспериментальных исследований

Проведена оценка влияния ореольной части Солнца. В диапазоне 8,0…13,7 мкм солнечный ореол в сравнении с остальными диапазонами минимален и составляет угловую величину порядка 0,9 градусов, близкую к угловому диаметру Солнца; в диапазоне 3,8…5,8 мкм ореол Солнца изменялся в пределах 4…13 градусов в зависимости от степени закрытости Солнца облаками; в спектральных диапазонах 0,3…0,36 и 1,1…2,0 мкм угол наблюдаемого рассеяния составляет величину порядка 13 градусов.

На примере экспериментальных изображений, соответствующих условиям ясного неба и сплошной облачности, проведена оценка контрастов эффективных энергетических яркостей масштабных моделей аэродинамических целей относительно наблюдаемого фона небосвода. Также проведена сравнительная оценка степени близости характера радиационного излучения моделей в разных спектральных диапазонах путем вычисления соответствующих коэффициентов взаимной корреляции эффективной энергетической яркости рассматриваемых объектов. Анализ контрастов показал, что: в диапазоне 0,3…0,36 мкм контраст всех объектов отрицателен, кроме отдельных случаев возникновения солнечных бликов; в диапазоне 1,1…2,0 мкм контраст имеет знакопеременный характер (преимущественно отрицателен при сплошной облачности и положителен при ясном небе); в областях спектра 3,8…5,8 и 8,0…13,7 мкм детали макетов выглядят более однородными в различных условиях солнечного освещения, а контраст преимущественно положителен, но в ночные и утренние часы контраст имеет наименьшую величину с возможными переходами через нулевые величины в область отрицательных значений. Для диапазонов 3,8…5,8 и 8,0…13,7 мкм наблюдается высокая корреляция (0,8…1,0) значений энергетических яркостей рассматриваемых объектов в условиях ясного неба с возможным снижением ее при пасмурном небе и в ночные часы.

Проведенный анализ радиометрических изображений небосвода и масштабных моделей выявил информационные возможности каждого из спектральных диапазонов, облегчающие решение задач обнаружения и распознавания аэродинамических целей в различных условиях наблюдения.

На основе сформированного банка радиометрических изображений построена модель, позволяющая проводить полуэмпирическое моделирование радиационной сцены наблюдения низколетящей аэродинамической цели в условиях ясного и облачного неба в наиболее интересных для разработчиков пассивных ОЭС спектральных диапазонах: 0,3…0,36; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм.

Полуэмпирический метод моделирования предполагает замену наиболее сложного для математического описания фонового распределения сцены и ряда оптических характеристик аэродинамических целей на их реальное физическое описание, полученное в ходе прямого эксперимента. Например, отраженное излучение планера состоит из переотраженного излучения обшивки корпуса при подсветке его рассеянным излучением неба, подстилающей поверхностью и направленным излучением Солнца. Поскольку эта составляющая существенно зависит как от свойств самой цели, так и от сложного характера излучения окружающего пространства, то моделирование этой составляющей является наиболее сложной задачей. Использование полуэмпирического моделирования позволяет определять отраженное излучение планера непосредственно по экспериментальным радиационным изображениям. Таким образом, излучение фона, отраженная и рассеянная составляющие излучения аэродинамической цели, находящейся в натурных условиях освещения, выбираются из экспериментальных данных, а составляющие излучения, обусловленные аэродинамическим нагревом фюзеляжа, излучением сопла и струи двигательной установки, и пропускание атмосферы на заданной дальности до цели находятся расчетным путем.

Этап моделирования можно свести к следующему: экспериментальное радиометрическое изображение разделяется на изображение естественного фона и изображение объекта, содержащее только составляющие отраженного солнечного излучения и собственного излучения цели. Затем формируются два расчетных изображения с составляющими, обусловленными аэродинамическим нагревом и излучением струи двигателя. После этого создается единое изображение, которое пересчитывается на заданную дальность и масштабируется в соответствии с масштабом модели. Результатом работы моделирующей программы является изображение цели на требуемой дальности. Пример смоделированного радиационного изображения показан на рисунке 4.



Рис.4. Смоделированное радиационное изображение ракеты «Гарпун» на расстоянии 60 и 500 метров

В работе рассматривается идеализированный случай аэродинамического нагрева, для условий, когда теплообмен можно считать постоянным во времени, при скорости полета не превышающей скорости звука. Делалось допущение, что температура обшивки достигает равновесного значения при достаточно длительном установившемся полете с постоянной скоростью на неизменной высоте. Приведенный численный расчет аэродинамического нагрева обшивки показал хорошее совпадение с результатами полученными другими авторами.

Приведенный численный расчет излучения струи самолета базируется на экспериментальных исследованиях выполненных в ФГУП «НПО «ГИПО» на рубеже 70-х и 80-х годов. Расчетные соотношения приведены в соответствие с зависимостями распределения яркости излучения вдоль и поперек оси струи. Погрешность экспериментальных измерений энергетических яркостей составляла порядка 10%.

При определении энергетической яркости сопла излучение от составляющих поверхности его полости принимается за излучение АЧТ с известными термодинамическими температурами. В основе расчета лежат простые геометрические соотношения, учитывающие экранировку сопла элементами фюзеляжа, не вносящие существенных искажений в рассчитываемые величины.

Расчет пропускания атмосферы проводится по эмпирическим зависимостям, обобщенным за многолетний период наблюдений.

Для оговоренных условий с учетом приведенных выше особенностей расчета составляющих излучения аэродинамической цели и погрешностей получения исходных экспериментальных изображений - погрешность полуэмпирического моделирования рассматриваемых аэродинамических объектов не превышала 20%.

Четвертая глава посвящена вопросам исследования оптических характеристик фигур военнослужащих и гражданских лиц, находящихся в различных условиях размещения относительно наблюдателя, в спектральных диапазонах 3…5 и 8...12 мкм.

Экспериментальные исследования оптических характеристик фигур военнослужащих и гражданских лиц были проведены в два этапа: в условиях осенне-летнего сезона - в сентябре 2001 г. на полигоне учебного центра Общероссийской военной академии (г. Солнечногорск, Московская область); в весенне-зимний период - в марте 2003 г. на полигоне Казанского высшего артиллерийского командного училища. В качестве регистрирующей аппаратуры был использован радиометр ТОР. Теплокадры регистрировались в спектральных диапазонах 2,1…5,5 и 7,6…11,8 мкм. В результате получен банк радиометрических цифровых изображений сцен визирования фигур военнослужащих в соответствующей сезону экипировке в различных позициях размещения относительно окружающих фоновых образований в спектральных диапазонах 2,1…5,5 и 7,6…11,8 мкм. По результатам летне-осенних экспериментов было получено более 246 радиометрических изображений и 202 изображения по результатам зимне-весенних экспериментов. Ряд экспериментальных изображений приведен на рисунке 5.

Рис.5. Примеры радиометрических изображений, полученных в ходе экспериментальных исследований

Выполнен анализ суточного хода контрастов радиационных температур отдельных видимых фрагментов (голова, туловище, вся видимая проекция) военнослужащих и гражданских лиц относительно близлежащего фона в ИК диапазонах спектра 2,1…5,5 и 7,6…11,8 мкм. Пример суточного хода контрастов ряда объектов показан на рисунке 6.

Анализ показал, что для объектов, расположенных внутри разного рода закрытых строений, можно ожидать знакопеременный характер изменения средних радиационных контрастов (положительный контраст в ночное и отрицательный в дневное время суток), в общем случае зависящий от типа строения, видимых открытых частей тела, температуры внутри и прогрева внешних конструкций строения.

Характер изменения радиационных контрастов фрагментов (головы, туловища и объекта целиком) для объектов вне помещений в спектральных диапазонах 2,1…5,5 и 7,6…11,8 мкм сходен.

Существенного различия средних радиационных контрастов фигур гражданских лиц и военнослужащих не наблюдается. Однако при более детальном анализе радиометрического изображения можно обнаружить характерные различия в их экипировке.

Дополнительные эксперименты по влиянию динамических нагрузок - пробега военнослужащими дистанции около 800 метров в полном обмундировании - не выявили значительного изменения радиационного контраста.

Рис.6. Суточный ход контрастов радиационных температур фигуры военнослужащего, находящегося: а) на фоне леса (азимут 45є), в металлическом балке (азимут 180є) и в замаскированном окопе (азимут 45є) в летне-осенний период, в) в бушлате (азимут 90є) в весенне-зимний период. 7,6…11,8 мкм

В дополнение к экспериментальным исследованиям радиационных контрастов военнослужащих была разработана математическая модель, позволяющая проводить расчет радиационной температуры внешней поверхности фигуры человека, находящегося в стационарных условиях теплообмена, в спектральных диапазонах 3…5 и 8…14 мкм. Модель учитывает особенности теплового излучения человека, теплофизические характеристики одежды и условия теплообмена с окружающей средой. При моделировании составные части поверхности фигуры человека в одежде рассматривались в виде набора многослойных пластин с заданными теплофизическими характеристиками и коэффициентами излучения внешнего слоя. Для стационарных условий теплообмена делалось допущение о том, что поверхность принимает вследствие теплообмена с окружающей средой некую равновесную температуру, при этом считается что:

1) температура на границе внутренней поверхности известна;

2) тепловой поток на границе внешней поверхности может быть задан;

3) на границе поверхность-воздух может быть поставлено условие, связывающее тепловой поток с разностью температур поверхности и воздуха.

Такое допущение позволило применять простые аналитические выражения при проведении расчета равновесной температуры поверхности объекта. По найденному значению равновесной температуры поверхности объекта в заданный момент наблюдений, зная спектральный коэффициент излучения поверхности, относительную спектральную характеристику пропускания измерительного канала, рассчитывалась эффективная энергетическая яркость поверхности рассматриваемой пластины для заданного диапазона чувствительности измерительной системы. Радиационная температура определялась по известной для АЧТ зависимости энергетической яркости от температуры. Входными для модели являются теплофизические и метеорологические параметры: толщина слоя одежды, теплоемкость и теплопроводность одежды и окружающих образований, на фоне которых наблюдается человек; коэффициент энергообмена, спектральный коэффициент излучения поверхности объекта и фона, спектральный состав альбедо поверхности объекта и фона, средняя упругость водяного пара, временной ход температуры и влажности воздуха, скорости и направления ветра, балльности облачности, энергетической освещенности горизонтальной поверхности, создаваемой прямой и рассеянной солнечной радиацией. Для наклонных поверхностей необходимо указывать угол их наклона к горизонту и азимут. При отсутствии необходимых актинометрических данных они могут быть рассчитаны при указании широты места наблюдения и склонения Солнца в данное время года. Модель выгодно отличает возможность произвольного задания исходных параметров и рассмотрения ситуаций, не охваченных экспериментальными исследованиями.

Результатом моделирования является временной ход (с произвольной дискретизацией по времени) контрастов радиационных температур поверхности фигуры человека как для условий его наблюдения на открытой местности, так и при его расположении внутри разного рода закрытых строений относительно выбранных для анализа окружающих фоновых образований (на фоне снега, леса, зеленой и желтой травы, бетонного сооружения). При расчетном моделировании теплового излучения выбор одежды человека и ее параметров осуществлялся согласно требованиям надлежащей теплозащиты и необходимости поддержания комфортной температуры тела. В качестве материала для одежды рассматривалась шерстяная ткань.

Пример моделирования для широты места 56 градусов в условиях ясного неба при ориентации человека лицом к наблюдателю показан на рисунке 7. Временной ход смоделированных контрастов приведен относительно экспериментальных значений, полученных при сходных условиях. Экспериментальные значения средних контрастов показаны совместно с величинами среднеквадратического отклонения (основной вклад в разброс контраста дает распределение температуры по телу, в то время как фоновая составляющая более однородна). Сопоставляя результаты, можно отметить близкий характер изменения суточной зависимости контраста рассматриваемых объектов, полученных экспериментально и в ходе моделирования, - именно для тех периодов, когда условия теплообмена были близки к стационарным.

Рис.7. Суточный ход средних значений контрастов радиационных температур поверхности фигуры человека относительно близлежащих фоновых образований

В конце диссертации приведено заключение и список использованных источников.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Сформулированы основные требования, предъявляемые к радиометрической измерительной аппаратуре и специализированным приборам контроля окружающей среды, предназначенные для выполнения систематизированных экспериментальных исследований радиационных полей верхней полусферы и радиационных характеристик человека и окружающего его фона. На основе этих требований осуществлен выбор соответствующей аппаратуры и проведена ее доработка до современного аппаратно-методического измерительного комплекса, обладающего повышенными (в 2-20 раз) характеристиками быстродействия, способного работать одновременно в нескольких спектральных диапазонах. Комплекс радиометрической аппаратуры прошел метрологическую аттестацию и был признан пригодным и допущенным к применению в качестве средства измерений пространственного распределения энергетической яркости природных образований в диапазонах длин волн от 0,3 до 15 мкм.

2. Разработаны программные средства регистрации и обработки экспериментальных радиометрических цифровых изображений с обеспечением возможности сохранения результатов обработки в электронных таблицах базы данных.

3. Проведены комплексные экспериментальные исследования пространственного распределения радиационных характеристик фоновых образований атмосферы и сцен визирования масштабных моделей аэродинамических целей с реальными защитными покрытиями в спектральных диапазонах 0,3…0,36; 1,1…2,0; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм для суточно-сезонных условий наблюдения, соответствующих климату центральной части европейской территории России, а также экспериментальные исследования радиационных характеристик военнослужащих и гражданских лиц в диапазонах спектра 2,1…5,5 и 7,6…11,8 мкм, охватывающие летне-осенний и весенне-зимний суточно-сезонные периоды наблюдений. В результате проведенных экспериментальных исследований сформирован банк данных в виде цифровых радиометрических изображений. На основе полученных данных проведен статистический анализ суточно-сезонной изменчивости энергетической яркости фонов верхней полусферы в условиях ясного неба и сплошной облачности с оценкой контрастных характеристик излучения масштабных моделей аэродинамических целей относительно окружающего фона неба в различных комбинациях спектральных диапазонов 0,3…0,36; 1,1…2,0; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм. Экспериментально подтверждена целесообразность совместной регистрации излучения аэродинамических целей в диапазонах 0,3…0,36; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм, позволяющая повысить вероятность обнаружения целей благодаря устойчивости характеристик радиационных контрастов при значительных вариациях метеоусловий.

Получены зависимости распределения контрастов радиационных температур фигур военнослужащих и гражданских лиц в спектральных диапазонах 2,1…5,5 и 7,6…11,8 мкм для летне-осеннего и зимне-весеннего периодов наблюдений на фоне открытой местности и внутри различных строений от времени суток, условий наблюдения, типа экипировки, позволяющие связать состояние наблюдаемого объекта с его тепловым излучением и характеризующие возможность обнаружения наблюдаемых объектов с помощью пассивных ОЭС.

4. Разработаны математическая и полуэмпирическая имитационные модели воспроизведения ФЦО, позволяющие ускорить процесс проектирования ОЭС и разработку алгоритмов селекции целей для ситуаций, не охваченных прямыми экспериментальными исследованиями:

- имитационная модель воспроизведения радиационной сцены наблюдения низколетящей аэродинамической цели в условиях ясного и облачного неба в наиболее интересных для разработчиков пассивных ОЭС спектральных диапазонах: 0,3…0,36; 3,8…5,8; 8,0…13,7 мкм;

- математическая модель суточного хода контраста радиационных температур поверхности фигуры человека, находящегося в стационарных условиях теплообмена, относительно выбранных для анализа окружающих фоновых образований, позволяющая прогнозировать эти контрасты в спектральных диапазонах 3…5 и 8…14 мкм.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Каплан В. Г., Липатов В. В., Яцык В. С. Суточная изменчивость радиационных контрастов военнослужащих в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах по результатам экспериментальных исследований. //Оборонная техника. - 2004.- №6. - С. 16-20.

Липатов В.В., Степанов В.А., Яцык В.С. Исследование флуктуаций излучения фонов небесной полусферы при различных суточно-сезонных изменениях. // VI Международная конференция «Прикладная оптика». Санкт-Петербург. - октябрь 2004 г. - Сборник трудов. - Том 1. - С. 49-54.

Каплан В. Г., Липатов В. В., Яцык В. С. Экспериментальные исследования оптических характеристик военнослужащего РФ в зимнем обмундировании в весенне-зимний период в ИК области спектра. // Сборник материалов XVII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. - Казань. - 18-20 мая 2004 г. - Часть 1. - С. 134-135.

Каплан В. Г., Липатов В. В., Яцык В. С. Экспериментальные исследования радиационных контрастов военнослужащих в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах электромагнитного спектра. // Прикладная физика. -2006. - №5 - С. 108-113.

Kaplan V.G., Lipatov V.V., Yatsyk V.S. Experimental investigations of the soldier MWIR and SWIR radiation contrasts. // 18^th International Conference on Photoelectronics and Night Vision Devices. SPIE. 2005. - Volume 5834. - pp.28-33.

Берман А.М., Липатов В.В., Митякин А.С., Хисамов Р.Ш., Яцык В.С. Разработка 2-х цветных источников-имитаторов излучения аэродинамических целей и «Солнца» в диапазоне 3,0…5,0 мкм. // Международный оптический форум «Оптика-2005». - Научно-практическая конференция «Оптика ХХI века». - Стендовый доклад.

Кадерова Г.Н., Каплан В. Г., Липатов В. В., Непогодин И.А., Семин В.А., Степанов В.А., Яцык В.С. Оптико-электронная активно-пассивная система РФ-ЛЛК формирования яркостно-дальностных изображений фоноцелевой обстановки. // Оптический журнал. - 2007. - №1 - С. 28-32.

Яцык В.С., Непогодин И.А., Липатов В.В., Каплан В.Г., Степанов В.А., Тиранов Д.Т., Матвеев А.Г. Экспериментальные исследования информативности яркостных и дальностно-яркостных изображений объектов в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. // Оборонная техника. - 2007.- № 1-2. - С. 56-60.

Размещено на Allbest.ru

...