Телевізійна система автоматичного супроводження

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Телевізійна система автоматичного супроводження

Русняк І.М.

Спеціальність 05.11.07 - Оптичні прилади та системи

Київ-2007

Вступ

Актуальність теми. В сучасних системах керування вогнем морських, авіаційних і сухопутних артилерійських озброєнь широкого застосування набувають оптико-електронні системи (ОЕС). Обов'язковою складовою частиною цих ОЕС стають телевізійні системи автоматичного супроводження (ТСАС), головним призначенням яких є виявлення і автоматичне супроводження цілей. В силу особливостей свого функціонального призначення ТСАС поєднують в собі функції телевізійної системи спостереження, системи обробки сигналів і системи автоматичного управління (САУ). Тому основними складовими частинами ТСАС є приймальний канал, в якому здійснюється прийом оптичного випромінювання і його перетворення в елек-тричний сигнал, і канал обробки сигналів, в якому разом з обробкою сигналів цілей здійснюється формування електронного строба супроводження цілей і керування його положенням в зображенні.

Виникнення і розвиток ТСАС історично були обумовлені, в основному, наступними факторами: а) розширенням функціональних можливостей візуальних оптичних і телевізійних систем спостереження і виявлення цілей; б) застосуванням оптико-електронних приладів, зокрема телевізійних камер (ТВК), в якості вимірювальних приладів в САУ різноманітного призначення; в) потребою в підвищенні точності і завадозахищеності спостереження за цілями і їх автоматичного супроводження радіолокаційними системами шляхом їх комплексування з системами, які працюють в оптичному діапазоні, а також в заміні радіолокаційних систем оптико-електронними.

Це призвело до того, що функціональні складові частини ТСАС, зокрема приймальний канал, алгоритми обробки сигналів, а також ТСАС як складова частина САУ, яка реалізує закон управління, що задається, розглядались окремо без взаємного узгодження між собою їх параметрів. Тому на даний час цілісний розгляд ТСАС як єдиної ОЕС відсутній, а відповідно відсутній узгоджений розрахунок її технічних параметрів і характеристик і їх оптимізація з метою підвищення максимальної відстані дії ТСАС. Цьому сприяла також складність врахування всієї сукупності процесів перетворення інформації при проходженні її від цілей і фонів в атмосфері, в приймальному каналі і в каналі обробки сигналів ТСАС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційного дослідження безпосередньо пов'язана з: 1) тематиками науково-дослідних робіт, виконаних за участю автора в рамках Договору №USE-16.1-281-D/K-05 від 30.07.2005 р. ДП НДІ "Квант" по модернізації артилерійського комплексу "Sarmat-1" - АК-630М; 2) тематиками держбюджетних науково-дослідних робіт, виконаних за участю автора в НТУУ "КПІ" ДР 0105U000928 №2636-ф "Теоретичне обґрунтування принципів створення багатоканальних оптико-електронних систем", ДР 0106U002188 №2804-ф "Теоретичне обґрунтування та дослідження оптико-електронних систем спостереження".

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - підвищення відстані дії ТСАС при заданих ймовірністних характеристиках, які ТСАС повинна забезпечити.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі наукові задачі: 1. Дослідження процесів проходження і перетворення сигналів в ТСАС. 2. Розробка математичних основ узгодженого розрахунку основних технічних параметрів і характеристик ТСАС. 3. Аналіз впливу алгоритмів обробки сигналів на основні технічні характеристики ТСАС, обґрунтування адаптивного до поточної фоноцільової обстановки (ФЦО) вибору алгоритмів обробки сигналів і їх параметрів для підвищення відстані дії ТСАС (зниження відношення сигнал/шум цілі). 4. Експериментальне визначення мінімального відношення сигнал/шум цілі, яке забезпечує макет ТСАС, побудований на основі викладених в дисертаційній роботі теоретичних положень.

Об'єкт дослідження - телевізійна система автоматичного супроводження.

Предмет дослідження - математичні моделі проходження і перетворення сигналів в ТСАС і її ймовірністні характеристики, методи аналізу впливу алгоритмів обробки сигналів і вибору їх параметрів з метою підвищення відстані дії ТСАС.

Методи дослідження: 1) аналітичне моделювання енергетичних процесів, які відбуваються в ТСАС при проходженні і перетворенні сигналів, на основі положень теорії фізичної оптики, теорії флуктуацій і шумів в сигналах і теорії проходження сигналів в електронних ланках, в тому числі аналізу проходження і перетворення сигналів в приймачах випромінювання на основі приладів з зарядовим зв'язком; 2) аналітичне дослідження ймовірністних характеристик ТСАС і їх зв'язку між собою на основі теорії ймовірності, кореляційної теорії флуктуаційних викидів, теорії випадкових імпульсних потоків і статистичної теорії виявлення сигналів; 3) аналітичне моделювання впливу базових алгоритмів обробки сигналів в ТСАС, а саме згладжування шумів в сигналі, адаптивної сегментації, виявлення цілей і визначення їх координат, на процеси перетворення сигналів в ТСАС; 4) чисельне моделювання роботи сігма-фільтра згладжування шумів в сигналі; 5) чисельне моделювання роботи сукупності алгоритмів обробки сигналів з використанням контрастного і кореляційного алгоритмів виявлення цілей; 6) експериментальна перевірка обґрунтованих в дисертаційній роботі теоретичних положень на макеті ТСАС в напівнатурних умовах і на зразку ТСАС в натурних умовах на об'єкті.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

Отримано математичну модель проходження і перетворення сигналів в ТСАС, яка на відміну від відомої моделі для телевізійних систем бачення з кінцевою ланкою прийняття рішення про виявлення цілей у вигляді дисплея і ока людини-оператора розглядає ТСАС з кінцевою ланкою прийняття рішення про виявлення цілей у вигляді автоматичного порогового пристрою. Отримана математична модель враховує фоноцільові умови виявлення і супроводження точкових (ТЦ), малорозмірних (МЦ) і протяжних (ПЦ) цілей, стан атмосфери як оптичного середовища і параметри оптико-електронного тракту ТСАС з приймачем випромінювання (ПВ) на основі приладу з зарядовим зв'язком (ПЗЗ матриці).

Обґрунтовано, що в математичній моделі проходження і перетворення сигналів в ТСАС, на відміну від відомих моделей для телевізійних систем бачення, необхідно враховувати вимоги до точності супроводження цілей і ймовірності зриву супроводження Рзр(tсп) за час спостереження tсп. Отримано аналітичну залежність точності супроводження цілей і ймовірності Рзр(tсп) від середнього квадратичного відхилення флуктуацій кута приходу випромінювання, обумовлених турбулентністю в атмосфері, і шумів в оптико-електронному тракті ТСАС.

Встановлено для ТСАС математичний зв'язок між ймовірністю виявлення цілей Pd, ймовірністю фальшивих тривог Pf і ймовірністю зриву супроводження Рзр(tсп), розроблено методику їх узгодженого розрахунку. На базі аналізу залежності ймовірності Pf від ймовірності Рзр(tсп) і з урахуванням вимог до ймовірності Pd визначено їх вплив на відстань дії ТСАС dц.

Дістав подальший розвиток метод аналізу впливу алгоритмів обробки сигналів на технічні характеристики ТСАС. На відміну від поширеного методу на базі аналітичного моделювання, придатного лише для аналізу перетворення сигналів в лінійних системах, новий метод поєднує аналітичне і чисельне моделювання, що дає змогу застосовувати його для аналізу перетворення сигналів в ТСАС як нелінійній системі, зокрема при використанні в ТСАС нелінійних фільтрів згладжування шумів в сигналах.

На базі аналізу впливу на відношення сигнал/шум супроводжуваної цілі сукупності алгоритмів обробки сигналів з контрастним і кореляційним алгоритмами виявлення цілей з метою досягнення максимальної відстані дії ТСАС визначено умови оптимальності застосування контрастного і кореляційного алгоритмів виявлення в залежності від поточної фоноцільової обстановки. Отримано правило адаптивного вибору алгоритмів виявлення цілей, в якому критерієм оптимальності є лише розмір зображення цілі.

Практичне значення одержаних результатів визначається тим, що:

Отримано аналітичні формули енергетичного розрахунку ТСАС для різної ФЦО, розроблено методику розрахунку відстані дії ТСАС для ТЦ, МЦ і ПЦ.

Розроблено методику комплексного розрахунку ймовірністних характеристик ТСАС, SNRц і dц.

Запропоновано методику вимірювання мінімальних значень SNRц, які може забезпечити ТСАС при заданих ймовірністних характеристиках. Для оцінки поточного значення ймовірності Pзр(tсп) запропоновано вимірювати частоту зривів і розроблено відповідну методику проведення її вимірювань. Запропоновано стендову апаратуру для проведення вимірювань.

Розроблено практичні рекомендації застосування результатів аналітичного моделювання роботи базових алгоритмів обробки сигналів в розрахунках технічних параметрів і характеристик ТСАС.

Розроблено методики аналізу впливу на SNRц алгоритмів обробки сигналів з контрастним і кореляційним алгоритмами виявлення цілей. Запропоновано правило для автоматизації вибору цих алгоритмів, адаптивного до поточної ФЦО.

Розроблені методики проектування ТСАС і методи підвищення її відстані дії використані при виконанні науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт ДП НДІ "Квант" Міністерства промислової політики України, що підтверджено актом використання.

Особистий внесок здобувача. В роботі узагальнено результати досліджень за темою дисертації, висвітлених у 3 самостійних працях [5, 7, 8] та у 5 роботах у співавторстві. Автором запропоновано метод комплексного аналізу ймовірністних характеристик ТСАС, їх впливу на відношення сигнал/шум супроводжуваних цілей і відстань дії ТСАС, методику узгодження ймовірністних характеристик при виявленні і супроводженні цілей, методи та алгоритми розрахунків впливу кута приходу випромінювання, обумовлених турбулентністю в атмосфері, і шумів в оптико-електронному тракті на точність супроводження цілей і ймовірність зриву супроводження, метод адаптивного вибору розміру електронного строба супроводження, методику аналізу впливу розміру вибірки вимірювання поточних статистичних характеристик сигналу на адаптивний поріг виявлення, методику порівняльного аналізу методів телевізійного супроводження цілей з обґрунтуванням критеріїв доцільності застосування цих методів. В роботах зі співавторством [1, 2, 4] безпосередньо здобувачу належить вибір та обґрунтування напрямків досліджень, в роботах [2, 3, 6] - методики досліджень, в роботах [2, 3, 4] - математичний апарат та алгоритми розрахунків. У всіх роботах зі співавторством здобувач брав безпосередню участь в проведенні теоретичних чи експериментальних досліджень, в аналізі одержаних результатів та формулюванні висновків.

Апробація результатів дисертації. Головні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались за період з 2004 р. по 2006 р. на 3 міжнародних науково-технічних конференціях "Приладобудування: стан і перспективи", м. Київ.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 праць, в тому числі 4 статті у фахових наукових журналах, 1 стаття у збірнику праць конференції "Instrument-making-2006" (25-26 April 2006), 3 тези доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях "Приладобудування: стан і перспективи", м. Київ.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів основного змісту, висновків, списку використаних джерел і додатків. Обсяг роботи: 142 сторінки основного тексту, 26 рисунків на 22 сторінках, 13 таблиць на 12 сторінках, список використаних джерел із 112 найменувань на 10 сторінках, 3 додатки на 17 сторінках. Загальний обсяг роботи складає 181 сторінку.

1. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, наведено дані щодо їх апробації і впровадження.

В першому розділі розглянуто узагальнену модель спостереження за цілями і їх супроводження, наведено визначення ТСАС як системи, основне призначення якої полягає в вимірюванні кутової неузгодженості між напрямком на ціль і оптичною віссю телевізійної камери (ТВК), а на підставі виміряної кутової неузгодженості - автоматичне супроводження цілі електронним стробом супроводження, здійснюване в прямокутній системі координат розгортки телевізійного зображення, центр якої співпадає з положенням оптичної осі ТВК в зображенні. Розглянуто узагальнену модель супроводження цілі електронним стробом супроводження.

Наведено узагальнену структурну схему ТСАС як ОЕС, основними складовими частинами якої є приймальний канал і канал обробки сигналів, які складають оптико-електронний тракт ТСАС і зазвичай конструктивно виконуються у вигляді двох пристроїв - ТВК і пристрою обробки сигналів. До основних технічних характеристик ТСАС, які визначають її здатність задовольняти вимогам виявлення і автоматичного супроводження цілей, є максимальна відстань дії dц, ймовірність правильного виявлення цілей Pd, ймовірність зриву супроводження Pзр(tсп) за час супроводження tсп і точність супроводження цілей, яка в системі координат зображення характеризується максимальною похибкою супроводження {Дx, Дy} і дисперсією {уДx2, уДy2}. Показано, що забезпечення цих характеристик вимагає сукупного аналізу процесів проходження і перетворення сигналів в приймальному каналі і каналі обробки сигналів ТСАС. Такий сукупний аналіз необхідний також для розробки принципів побудови ТСАС, адаптивної до поточної ФЦО.

Аналіз стану досліджень і розробок телевізійних систем різного призначення показав, що на даний час детально розроблено методи аналізу енергетичних процесів, які відбуваються при проходженні і перетворенні сигналів в телевізійних системах бачення. Ряд робіт присвячено дослідженню систем супроводження рухомих об'єктів з використанням ОЕС, в тому числі ТВК. В цих роботах ОЕС розглядаються як складові частини САУ, а саме дискримінатори, тому аналіз енергетичних процесів в них не проводиться. В ряді робіт розглядаються питання функціональної побудови інформаційно-вимірювальних ОЕС, в тому числі з використанням ТВК. Оскільки ці роботи присвячені аналізу основ функціональної побудови ТСАС, то аналіз енергетичних процесів в них також не проводиться. Таким чином, на даний час в відомій літературі відсутній цілісний розгляд ТСАС як ОЕС з функціями автоматичного виявлення і супроводження цілей, а відповідно відсутні аналіз енергетичних процесів в ТСАС, дослідження і методики розрахунків сукупності технічних параметрів і характеристик ТСАС в їх взаємозв'язку між собою.

Аналіз стану досліджень і розробок алгоритмів обробки сигналів показав, що базовими алгоритмами обробки сигналів в ТСАС є згладжування шумів в сигналі, адаптивна сегментація зображення з виявленням сигналів цілей, визначення координат цілей. Історично алгоритми обробки сигналів і методи їх досліджень розвивались незалежно від розгляду ТСАС як цілісної ОЕС з функціями САУ. Відсутність цілісного розгляду ТСАС, а в ньому - аналізу впливу алгоритмів обробки сигналів на процеси перетворення сигналів, не дозволяє, крім узгодження сукупності параметрів і характеристик ТСАС, будувати ТСАС як систему, максимально адап-тивну до поточної ФЦО. Адаптивність зазвичай обмежується встановленням порога виявлення цілей по результатам вимірювання поточних статистичних характеристик сигналу, а саме середнього значення сигналу і середнього квадратичного відхилення (СКВ) шуму в сигналі.

Другий розділ присвячено дослідженню і створенню узагальненої математичної моделі енергетичних процесів в сигналах на всьому шляху їх проходження, починаючи з поширення оптичного випромінювання від цілей і фонів в атмосфері і продовжуючи їх подальшим проходженням і перетворенням в приймальному каналі і каналі обробки сигналів ТСАС. При цьому розглядається виявлення і супроводження ТЦ, МЦ і ПЦ в нічних і денних умовах. Основні положення для конструювання моделей ФЦО і проходження оптичних сигналів в атмосфері наступні:

1. При роботі ТСАС в нічних умовах випромінювання фону відсутнє, а виявлення і супроводження цілей здійснюється по їх власному випромінюванню (габаритні вогні, нагріті фрагменти поверхні цілі, що випромінюють в діапазоні чутливості ТВК, факел двигуна і т.ін.) із спектральною силою світла Iц(л).

2. В денних умовах роботи ТСАС виявлення і супроводження цілей здійснюється по відбитому від них сонячному випромінюванню, спектральна яскравість якого для ламбертівської моделі відбиття рівна Lц(л) = сц(л)/р·Ец(л), де сц(л) - спектральний коефіцієнт відбиття поверхні цілі, Ец(л) - освітленість поверхні цілі.

Аналогічно визначається спектральна яскравість оточуючого ціль фону, а саме

Lф(л) = =сф(л)/р·Еф(л),

де сф(л) - спектральний коефіцієнт відбиття поверхні фону, Еф(л) - освітленість поверхні фону.

3. Вплив атмосфери на поширення випромінювання характеризується спектральним коефіцієнтом пропускання

фа(л) = ехр(-k0(л)·dц),

де k0(л) - спектральний показник ослаблення випромінювання в атмосфері.

4. Ослаблення випромінювання, обумовлене аерозольним розсіюванням в димках (метеорологічна відстань видимості dv ? 3 км) і туманних димках (1 км < dv < 3 км), є характерним, оскільки приземний шар атмосфери знаходиться в цьому стані до 90% часу. Спектральний показник аерозольного ослаблення складає

kpa(л) = 3,91/dv?(0,55/л)1,3

Для туманів і хмар

в діапазоні довжин хвиль л = 0,35…1,4 мкм. Для опадів у вигляді дощу і снігу емпірична залежність показника ослаблення випромінювання від інтенсивності дощу Iд і снігу Іс (мм/год) складає відповідно kрд = 0,21?Ід0,74 і kрс = 3,16?Іс0,91.

5. Вплив турбулентності в атмосфері на поширення оптичного випромінювання проявляється в флуктуаціях інтенсивності і кута приходу випромінювання. Дисперсія флуктуацій інтенсивності випромінювання для слабкої і сильної турбулентностей складає відповідно

у02 = =1,23?Сn2 (2р/л)7/6 dц11/6 і у2 = 1 + 0,87 у0-4/5,

де Сn2 - структурна постійна показника заломлення повітря. Дисперсія флуктуацій кута приходу випромінювання обчислюється за наступною формулою:

ув2 = 1,46 Dопт-1/3 Сn2 dц, (1)

де Dопт - діаметр вхідної зіниці оптичної системи ТСАС.

При визначенні потоку випромінювання від цілі на вході ПВ після проходження цього потоку через атмосферу і оптичну систему ТСАС необхідно розрізняти два випадки:

1. Випадок ТЦ, коли тілесний кут Щц, під яким видно ТЦ з центра вхідної зіниці оптичної системи ТСАС, менший миттєвого кута Щел поля зору світлочутливого елемента (СЕ) ПВ. Тоді спектральний потік випромінювання цілі на вході ПВ складає

Фц(л) = Lц(л) фа(л) фоб(л) Щц Авх.зн,

де фоб(л) - спектральний коефіцієнт пропускання об'єктива ТСАС, Авх.зн - площа вхідної зіниці об'єктива ТСАС.

2. Випадок МЦ і ПЦ, коли Щц > Щел. У цьому випадку потік випромінювання цілі на вході ПВ рівний

Фц(л) = Lц(л) фа(л) фоб(л) бел вел Авх.зн,

де бел, вел - миттєвий кут поля зору СЕ ПВ вздовж координат Х і Y відповідно. Спектральний потік випромінювання фону аналогічно складає

Фф(л)= = Lф(л) фа(л) фоб(л) бел вел Авх.зн.

Потік випромінювання на СЕ ПЗЗ матриці, еквівалентний шуму в електронному тракті ТСАС при відсутності випромінювання, є пороговим потоком ФПЗЗпор(л). СКВ шуму в сигналі з урахуванням порогового потоку ФПЗЗпор(л) визначається за формулою

,

де tн - тривалість періоду накопичення заряду в комірці СЕ ПЗЗ матриці, зазвичай tн = 20 мс; ССЕ - ємність комірки СЕ ПЗЗ матриці; SПЗЗ(л) - спектральна чутливість СЕ ПЗЗ матриці.

Виявленню в ТСАС підлягає така різниця ДФцmin(л) потоків випромінювання цілі і фону, яка задовольняє умові ДФцmin(л) = ФПЗЗпор(л) SNRц, а SNRц визначається за формулою

.

Одержаний таким чином математичний опис проходження і перетворення сигналів в оптико-електронному тракті ТСАС дає можливість визначити відстань дії ТСАС для трьох випадків ФЦО:

1. Відсутність фонового випромінювання (нічні умови роботи ТСАС). У цьому випадку різниця потоку ДФцmin(л) рівна всьому потокові Фц(л). Тоді відстань дії ТСАС визначається за наступною формулою:

. (2)

2. Наявність фонового випромінювання, Щц < Щел. У цьому випадку відстань дії ТСАС визначається наступним чином:

, (3)

де Езп(л) - освітленість земної поверхні.

3. Наявність фонового випромінювання, Щц > Щел. Відстань дії ТСАС наступна:

, (4)

де Аел - площа, яку спостерігає СЕ ПВ на відстані dц.

Таким чином, формули (2) - (4) встановлюють залежність між відстанню дії dц ТСАС, конструктивними параметрами оптико-електронного тракту ТСАС і поточним станом ФЦО. Один з параметрів, від яких залежить відстань dц, а саме SNRц, визначається вимогами до ТСАС по забезпеченню заданих ймовірностей Pd і Pзр(tсп).

При аналізі ймовірністних характеристик спочатку розглядається ймовірність зриву супроводження Pзр(tсп) і вплив на неї флуктуаційно-шумових процесів в оптико-електронному тракті ТСАС, які обумовлені двома факторами:

флуктуаціями кута приходу випромінювання цілі, викликаними турбулентністю атмосфери, дисперсія ув2 яких визначається формулою (1);

шумами в оптико-електронному тракті ТСАС з СКВ уш.

Дисперсія флуктуацій положення центра цілі вздовж координати Х (розглядається одномірний випадок в припущенні незалежності і ізотропності в просторі флуктуацій координат), виражена в елементах розкладу зображення (ЕЗ) і обумовлена флуктуаціями кута приходу випромінювання цілі, складає

у012 = ув2/бел2.

Дисперсія флуктуацій положення центра цілі, обумовлена шумами в оптико-електронному тракті ТСАС, рівна

у022 = Хц2/(SNRц2?Кц),

де Хц - розмір цілі, Кц - коефіцієнт, який враховує тип супроводжуваної цілі, а саме для ТЦ і МЦ Кц = 2,8, для ПЦ Кц = 12. Сумарна дисперсія флуктуацій положення центра цілі рівна

у02 = у012 + у022.

Для ТСАС як системи зі статичним регулюванням СКВ уДх похибки супроводження Дх визначається за відомою формулою

,

де Т0 - найбільша постійна часу процесу регулювання в ТСАС; Т - інтервал дискретизації вхідного сигналу хц, для ТСАС Т = 20 мс; ф - час затримки на обробку сигналів в ТСАС; ТУ - сума допустимих малих постійних часу системи, зокрема ТУ ? 20 мс; М - показник коливальності, зазвичай М = 1…1,7. Максимальне значення Дхmax похибки супроводження складає Дхmax = К0 хцmax, де хцmax - максимальне значення вхідного сигналу хц ТСАС як системи регулювання. В режимі автоматичного супроводження абсолютне значення величини похибки супроводження Дх має бути меншим за порогове значення г. В разі перевищення величиною Дх порогового значення г наступає зрив автоматичного супроводження. Ймовірність Pзр(tсп) при умові ізотропності флуктуацій в просторі уДх = уДу = уД складає

,

де

r(t) = уД2exp(-¦t¦/фкор)

- функція кореляції флуктуацій координат, при цьому

,

фкор - інтервал кореляції.

При заданій ймовірності Рзр(tсп) поріг

.

Допустиме значення координат цілі хцmax, яке ще не призводить до зриву супроводження, рівне

хцmax = 1/К0?(Дхmax + г).

Для спрощення аналізу розглянуто випадок, коли розміри цілі Хц = Yц. Тоді розмір електронного строба супроводження складає

Хстр = Yстр = Хц + 2хцmax.

Вимоги до ймовірності Рзр(tсп) визначають в електронному стробі супроводження {Xстр; Yстр} вікно розмірами {xдоп; удоп} допустимих флуктуацій координат центра цілі {xц; уц}, при цьому

xдоп = удоп = 2 г / К0.

Сукупність параметрів {xдоп; удоп}, {Xстр; Yстр} разом з розмірами цілі {Xц; Yц} накладають обмеження на допустиму кількість фальшивих тривог nлт, а саме має бути не більше nлт фальшивих тривог за час супроводження tсп в вікні площею

S1 = Xстр Yстр - (Xц + хдоп)(Yц + удоп) (в ЕЗ).

Ймовірність такого процесу Р1 за час одного напівкадра Т в вікні площею S1 складає

Р1 ? nлт T/tсп.

Тоді ймовірність Pf фальшивих тривог в одному ЕЗ визначається наступним чином:

. (5)

Зазвичай nлт = 1, що має головне практичне значення для ОЕС, в тому числі і ТСАС. Отримана таким чином ймовірність фальшивих тривог Pf дає можливість оцінити поріг виявлення цілей Uпор в каналі обробки сигналів ТСАС. Згідно з критерієм Неймана-Пірсона ймовірність Pf складає

, (6)

де - середня амплітуда сигналу фону;

- інтеграл ймовірності;

- порогове відношення сигнал/шум.

Поріг виявлення встановлюється наступним чином:

(7)

Ймовірність виявлення цілі визначається за формулою

, (8)

де

ДSNRц = SNRц - SNRпор.

Таким чином, отримана узагальнена математична модель проходження і перетворення сигналів в ТСАС враховує особливості функціонування ТСАС як автоматичної системи виявлення і супроводження цілей, вимоги до фоноцільових умов функціонування і до ймовірністних характеристик ТСАС. SNRц як параметр системи має особливе значення, оскільки з його допомогою встановлюється зв'язок між енергетичними процесами в сигналах в ТСАС і вимогами до ймовірністних характеристик, які ТСАС має забезпечити. Отримана математична модель дає можливість узгодити конструктивні параметри оптико-електронного тракту для забезпечення заданої відстані дії ТСАС.

В третьому розділі досліджено вплив алгоритмів обробки сигналів на функціонування ТСАС і її технічні характеристики. Було розглянуто наступні алгоритми обробки сигналів: згладжування шумів в сигналі, формування адаптивного порога виявлення цілей, підтвердження виявлення цілей згідно з "правилом k з p" на етапі їх взяття на автоматичне супроводження, контрастний і кореляційний алгоритми виявлення цілей. Головним параметром оцінки ефективності застосування алгоритмів обробки сигналів є SNRц, який здатна забезпечити ТСАС.

Проаналізовано ефективність застосування в ТСАС фільтрів згладжування шумів в сигналі, які реалізують наступні оператори обробки: 1) оператори локального усереднення сигналу в околі заданого ЕЗ по всім оточуючим ЕЗ; 2) оператори локального усереднення сигналу в околі заданого ЕЗ по оточуючим ЕЗ, сигнали яких задовольняють заданій моделі однорідності; 3) локальні оператори рангової статистики. Встановлено, що для застосування в ТСАС найбільш ефективними з точки зору адаптації до характеру зображення і поточних статистичних характеристик сигналу в зображенні, збереження або навіть і підкреслення країв всіх типів супроводжуваних цілей являються фільтри, які реалізують оператори другої групи. Оскільки такі фільтри належать до класу нелінійних фільтрів, оптимізація їх параметрів аналітичним шляхом неможлива і для цього необхідно застосовувати математичне моделювання роботи цих фільтрів, а ще краще - напівнатурне моделювання їх роботи по різним типам цілей. В якості прикладу проведено математичне моделювання роботи сігма-фільтра з апертурою {2m+1; 2n+1} ЕЗ і вихідний сигнал центрального ЕЗ апертури якого рівний

, (9)

,

де U(k,l) - сигнал поточного ЕЗ апертури фільтра, kф1 - коефіцієнт фільтрації.

Результати математичного моделювання роботи сігма-фільтра продемонстрували значне зменшення ймовірності фальшивих тривог Pf, особливо в області малих значень коефіцієнта SNRпор (SNRпор = 2...4), де ймовірність Pf зменшується підбором коефіцієнта фільтрації kф1 на 1,5...2 порядки і більше.

При аналізі формування адаптивного до поточної ФЦО порога виявлення цілей досліджено вплив вибірки формування порога на ймовірністні характеристики ТСАС і пов'язаний з ними SNRц. Вибіркове середнє значення сигналу фону і вибіркове СКВ уш(Nвиб) шуму в сигналі, по яким формується поріг виявлення цілей

,

визначаються з урахуванням впливу розміру вибірки Nвиб і довірчої ймовірності г наступним чином:

; (10)

k3 уш ? уш(Nвиб) ? k4 уш, (11)

де

,

,

,

tг - коефіцієнт Стьюдента,

- коефіцієнт ч2 - розподілу.

Розроблено методику розрахунку порога Uпор(Nвиб) з урахуванням впливу розміру вибірки Nвиб і довірчої ймовірності г. Наведено приклад такого розрахунку, з якого слідує, що врахування Nвиб і г призводить до збільшення SNRц, яке в наведеному прикладі в залежності від значень Nвиб і г складає 11...23 % від значення SNRц, розрахованого без врахування впливу Nвиб і г.

Розглянуто принципи узгодження ймовірністних характеристик ТСАС на етапі початкового виявлення цілі під час її допошуку і взятті на автоматичне супроводження і на етапі автоматичного супроводження цілі. Узгодження досягається шляхом застосування відомого в радіолокації і оптичній локації алгоритму підтвердження виявлення цілі згідно з "правилом k з р", а саме виявлення цілі на етапі її взяття на автоматичне супроводження вважається дійсним, якщо воно відбулось не менше ніж в k з р послідовних напівкадрах ТВ зображення, починаючи з моменту першого виявлення включно. Розроблено методику уточненого розрахунку ймовірністних характеристик ТСАС на базі обмеження допустимого темпу фальшивих виявлень Ff, пов'язаного з ймовірністю Pf формулою

,

де Nc - кількість напівкадрів спостережень, MЧN - розмір вікна допошуку, Cpi - число сполучень з р елементів по і. Розроблена методика дає можливість оптимізувати параметри k і р "правила k з р". Застосування методики продемонстровано на прикладі "правила k з 3" для

Ff = 1 с-1 і MЧN = 100Ч100 ЕЗ.

Розрахунок показав, що відношення ймовірності Pf у випадку застосування правила до ймовірності Pf без його застосування складає 7,5 разів для "правила 2 з 3" і 19,5 разів для "правила 3 з 3".

Досліджено сукупний вплив алгоритмів обробки сигналів на SNRц супроводжуваних цілей. На базі одержаної в розділі 2 моделі проходження і перетворення сигналів в ТСАС і наведеного вище аналізу роботи алгоритмів обробки сигналів розроблено методики аналізу впливу на SNRц алгоритмів обробки сигналів з контрастним і кореляційним алгоритмами виявлення цілей. Кінцева формула розрахунку SNRц для контрастного алгоритму виявлення цілей має наступний вигляд:

, (12)

де SNRпор визначається допустимою ймовірністю Pf за формулою (6), а ДSNRц - заданою ймовірністю Pd за формулою (8).

Кінцева формула розрахунку SNRц для кореляційного алгоритму виявлення ТЦ і МЦ наступна:

; (13)

kц = (kпор + 1) k42/k32 + Дkц - 1,

де kпор - пороговий коефіцієнт, який по аналогії з SNRпор визначається допустимою ймовірністю Pf; Дkц - коефіцієнт, який по аналогії з ДSNRц визначається заданою ймовірністю Pd.

Кінцева формула розрахунку SNRц для кореляційного алгоритму виявлення ПЦ наступна:

. (14)

Розроблені методики дозволяють провести розрахунки SNRц для конкретних умов функціонування ТСАС, технічних параметрів оптико-електронного тракту і ймовірністних характеристик ТСАС. Розрахунки згідно з розробленими методиками дають можливість визначити умови застосування контрастного чи кореляційного алгоритмів виявлення цілей, оптимальні з точки зору досягнення мінімальних значень SNRц, а відповідно, максимальної відстані дії ТСАС dц. Наведено приклади таких розрахунків для типових умов функціонування ТСАС і вимог до неї. Порівняльний аналіз результатів розрахунків показав, що для досягнення мінімальних SNRц, при яких задовольняються задані для ТСАС ймовірністні характеристики, при автоматичному супроводженні ТЦ і МЦ доцільно застосовувати контрастний алгоритм виявлення цілей, а при автоматичному супроводженні ПЦ - кореляційний.

Проведений аналіз впливу алгоритмів виявлення цілей на SNRц показав, що розмір зображення цілі є головним критерієм, який дозволяє визначити доцільність застосування контрастного чи кореляційного алгоритмів виявлення. На підставі цього сформульовано правило прийняття рішення про застосування того чи іншого алгоритму виявлення, яке дає змогу автоматизувати процес вибору цих алгоритмів. Пороговий розмір цілі Хцпор, який використовується в цьому правилі як критерій прийняття рішення, розраховується за допомогою зазначених вище методик аналізу впливу алгоритмів обробки сигналів на SNRц з контрастним чи кореляційним алгоритмом виявлення і залежить від конкретних умов функціонування ТСАС і вимог до неї.

В четвертому розділі представлено результати експериментального дослідження в стендових умовах макета ТСАС, побудованого на базі розглянутих в даній роботі теоретичних положень і розроблених на їх основі методик аналізу впливу алгоритмів обробки сигналів на функціонування ТСАС. В розділі також розглядаються результати випробовувань зразків ТСАС, які експлуатуються на об'єктах. Мета - експериментальна перевірка теоретичних положень, розроблених в попередніх розділах.

Метою експериментального дослідження макета ТСАС, який конструктивно представляє собою ТВК і пристій обробки сигналів, було встановлення мінімальних значень SNRц в сигналі на вході каналу обробки сигналів і їх порівняння з розрахованими згідно з отриманими в дисертації методиками. Дослідження проводились на спеціально створеному для цього стенді (рис.1).

Результати вимірювань мінімальних значень SNRц, які здатний забезпечити макет ТСАС, показані в табл. 1. В табл. 2 наведено результати розрахунків SNRц для макета ТСАС. Вплив на SNRц застосованого в макеті ТСАС для згладжування шумів в сигналі сігма-фільтра описується наступною емпіричною формулою:

Розбіжність між виміряними і розрахованими значеннями SNRц не перевищує 8%, що дає змогу зробити висновок про експериментальне підт вердження в стендових умовах наведених в даній дисер-тації теоретичних досліджень.

Прикладом застосування ТСАС, побудованої на базі теоретичних положень і досліджень даної дисертації, на об'єкті є її використання в модернізованому артиле-рійському комплексі "Sarmat-1" - АК-630М в складі ОЕС керування артилерійським вогнем "Sarmat-1" (рис. 2). Особливістю даного зразка ТСАС є використання в якості джерела інформації ТВК і тепловізійної камери (ТПК) і єдиного пристрою обробки сигналів (рис. 3).

Проведено натурні випробовування ОЕС "Sarmat-1" на військово-морському полігоні в денних і нічних умовах, в тому числі і при практичній стрільбі, в яких ТСАС забезпечила стійке автоматичне супроводження ТЦ, МЦ і ПЦ в усьому діапазоні відстаней ефективної стрільби корабельної гармати АК-630М.

енергетичний телевізійний автоматичний сигнал

Висновки

У дисертації наведено вирішення наукової задачі вдосконалення математичної моделі проходження і перетворення сигналів в ТСАС на базі розгляду ТСАС як цілісної оптико-електронної системи з функціями автоматичного виявлення і супроводження цілей з урахуванням вимог до ймовірністних характеристик ТСАС і впливу на сигнали алгоритмів їх обробки, що дозволяє здійснювати узгоджений розрахунок технічних параметрів оптико-електронного тракту системи і оптимізацію цих параметрів з метою підвищення відстані дії ТСАС.

Проведено дослідження енергетичних процесів, які відбуваються при проходженні і перетворенні сигналів в ТСАС, для всіх практичних фоноцільових умов її функціонування, а саме автоматичне виявлення і супроводження ТЦ, МЦ і ПЦ в нічних умовах по власному випромінюванню цілей при відсутності випромінювання фону і в денних умовах, коли виявлення і супроводження цілей здійснюється по відбитому від цілей сонячному випромінюванню при наявності випромінювання фону. Розглянуто випадки, коли кутові розміри цілі менші і більші за миттєвий кут поля зору світлочутливого елемента приймача випромінювання ТСАС. Для зазначених фоноцільових умов роботи ТСАС розроблено методики розрахунку відстані дії ТСАС dц.

Встановлено, що при розрахунку відстані дії dц необхідно враховувати вимоги до ймовірності виявлення цілей Pd і ймовірності зриву супроводження цілей Pзр(tсп) за час супроводження tсп, які має забезпечувати ТСАС. Розроблено методику комплексного аналізу ймовірністних характеристик, відстані дії dц і параметрів оптико-електронного тракту ТСАС, в основу якої покладено узгодження процесів проходження і перетворення сигналів в ТСАС і вимог до її ймовірністних харак-теристик за допомогою параметра SNRц. Цей параметр являється також критерієм вибору і оцінки ефективності застосування в ТСАС алгоритмів обробки сигналів.

На основі комплексного аналізу процесів проходження і перетворення сигналів і ймовірністних характеристик ТСАС обґрунтовано методику вибору адаптивних до поточних умов спостереження цілей розмірів електронного строба супроводження. Встановлено, що наявність електронного строба супроводження, а в ньому вікна допустимих флуктуацій координат цілей, визначає допустиму ймовірність фальшивих тривог Pf і відповідне їй згідно з критерієм Неймана-Пірсона порогове відношення сигнал/шум SNRпор. З врахуванням вимог до ймовірності Pd це визначає SNRц, а відповідно і максимальну відстань дії dц, яку здатна забезпечити ТСАС.

Досліджено вплив на функціонування ТСАС і її технічні характеристики алгоритмів обробки сигналів, а саме згладжування шумів в сигналі, формування адаптивного порога виявлення цілей, підтвердження виявлення цілей згідно з "правилом k з p" на етапі виявлення цілей і їх взяття на автоматичне супроводження. Проведено аналіз впливу на SNRц сукупності алгоритмів обробки сигналів з контрастним і кореляційним алгоритмами виявлення цілей, який показав, що з метою зниження SNRц, а відповідно підвищення відстані дії ТСАС, для ТЦ і МЦ доцільно застосовувати контрастний алгоритм виявлення цілей, а для ПЦ - кореляційний. Встановлено, що в якості критерію вибору того чи іншого алгоритму виявлення достатньо використовувати лише розмір цілі в зображенні. Тим самим, обґрунтовано два шляхи підвищення відстані дії ТСАС: а) застосування відповідних алгоритмів обробки сигналів з узгодженням їх параметрів і параметрів оптико-електронного тракту системи; б) адаптивний до поточної ФЦО вибір розмірів електронного строба супроводження, порога виявлення цілей, контрастного чи кореляційного алгоритму виявлення цілей.

Експериментальне дослідження макета ТСАС в стендових умовах шляхом вимірювання SNRц, які макет ТСАС здатний забезпечити, показало, що виміряні мінімальні значення лежать в межах від 1,25 для ПЦ розмірами 32Ч32 ЕЗ до 4,35 для МЦ розмірами 2Ч2 ЕЗ, що становить значно кращі показники, ніж для відомих аналогічних систем, в яких для ПЦ і МЦ зазвичай складають 4 і 6 відповідно. Тим самим, збільшення відстані дії ТСАС складає 1,2...1,8 разів. Розбіжність між виміряними і розрахованими значеннями не перевищує 8%, що дає можливість зробити висновок про експериментальне підтвердження розглянутих в даній роботі теоретичних положень і розроблених на їх основі методик розрахунку технічних характеристик ТСАС і методик аналізу впливу на ці характеристики алгоритмів обробки сигналів. Практичне використання розроблених методів аналізу функціонування ТСАС забезпечило успішну роботу зразка ТСАС в складі розробленої в ДП НДІ "Квант" ОЕС керування артилерійським вогнем "Sarmat-1" під час натурних випробувань ОЕС на військово-морському полігоні, в тому числі з проведенням практичної стрільби керованої ОЕС корабельної гармати АК-630М.

Подальше дослідження процесів проходження і перетворення сигналів в ТСАС, зокрема алгоритмів обробки сигналів, потребує: 1) уточнень тактико-технічних вимог до функціонування ТСАС, зокрема при її розміщенні на конкретному носії; 2) аналізу функціонування ТСАС при виявленні і супроводженні цілей довільної, в тому числі змінної, форми в умовах їх маскування і впливу змінних фонів; 3) досліджень методів цифрової обробки сигналів в реальному часі з метою розширення їх алгоритмічної гнучкості при використанні в ТСАС.

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

1. Демченко Л.И., Русняк И.Н., Стефанович В.Т., Колобродов В.Г. Оптико-электронные системы с телевизионными автоматами сопровождения в системах обнаружения и прицеливания бронетанковой техники // Артиллерийское и стрелковое вооружение: Междунар. науч.-техн. сб. - Киев: НТЦ АСВ. - 2005. - №1 - С. 22-27.

2. Колобродов В.Г., Русняк І.М. Вплив розміру вибірки на формування порогів виявлення в телевізійних та тепловізійних системах автоматичного виявлення та супроводження // Вісник НТУУ "КПІ". Серія приладобудування. - 2005. - №29. - С. 37-43.

3. Колобродов В.Г., Молодик А.В., Русняк І.М. Флуктуації координат об'єкта в телевізійних системах автоматичного супроводження // Вісник НТУУ "КПІ". Серія приладобудування. - 2006. - Вип. 31. - С. 13-17.

4. Колобродов В.Г., Русняк И.Н. Вероятностные характеристики телевизионных систем автоматического сопровождения // Артиллерийское и стрелковое вооружение: Междунар. науч.-техн. сб. - Киев: НТЦ АСВ. - 2006. - №1 - С. 39-44.

I. Rusnyak. Input signal fluctuation and noise effect on tracking loss probability in TV automatic tracking system // SPIE, Optical Instruments and Systems, International Conference "Instrument-making-2006". - 2006. - P. 6.

5. Демченко Л.І., Колобродов В.Г., Русняк І.М., Стефанович В.Т. Методи телевізійного супроводження об'єктів // Збірник тез доповідей III науково-технічної конференції "ПРИЛАДОБУДУВАННЯ 2004: стан і перспективи", 20-21 квітня 2004 р. - Київ: ПБФ НТУУ "КПІ". - 2004. - С. 39-40.

6. Русняк І.М. Уточнений розрахунок порогу виявлення в телевізійних автоматичних системах виявлення та супроводження // Збірник тез доповідей ІV науково-технічної конференції "ПРИЛАДОБУДУВАННЯ 2005: стан і перспективи", 26-27 квітня 2005 р. - Київ: ПБФ НТУУ "КПІ". - 2005. - С. 65-66.

7. Русняк І.М. Вплив флуктуацій та шумів у вхідному сигналі телевізійної системи автоматичного супроводження на ймовірність зриву супроводження // Збірник тез доповідей V науково-технічної конференції "ПРИЛАДОБУДУВАННЯ 2006: стан і перспективи", 25-26 квітня 2006 р. - Київ: ПБФ НТУУ "КПІ". - 2006. - С. 61-62.

Размещено на Allbest.ru

...