Основные модули обобщенной компьютерной модели оптико-электронных систем

Рис. 7. Зонное представление среды распространения излучения (атмосферы)

Нумерация слоев начинается от слоя n = 1, в котором находится входной зрачок объектива ОЭС. Объект наблюдения находится в слое с номером n_об. Излучатель, являющийся фоновым излучателем (фоном), находится в слое с номером n_ф.

Для энергетической субмодели, часто используемой на практике, представляет интерес составить выражения для отдельных составляющих сигнала - яркостей, приведенных ко входному зрачку объектива ОЭС. Этими составляющими являются:

- яркость излучения, собираемого внутри телесногог угла _об и обусловленного собственным и отраженным излучением объекта, а также излучением среды на трассе внутри этого угла;

- яркость фона, наблюдаемого ОЭС в пределах телесного угла _оэс - _об, не занятого объектом; эта яркость вызвана собственным и отраженным (обычно рассеянным) излучением фона, а также излучением среды на трассе внутри угла _оэс - _об.

Первую из этих составляющую L_об можно определить в виде суммы:

. (3)

Вторая составляющая яркости равна

, (4)

где L_об, L_ф и L_сn - яркости объекта, фона и n -го слоя среды, соответственно; е_об, е_ф, с_об и с_ф - коэффициенты излучения и отражения объекта и фона, соответственно; T_об, T_ф и T_с - температуры объекта, фона и среды.

Облученность входного зрачка объектива будет равна

Евх()=Lоб()об+ Lф()(оэс - об)

Здесь объект и фон принимались за ламбертовские отражатели, а излучательные способности и яркости по их поверхностям и в пределах телесных углов об и оэс - об постоянными.

Если известны не облученности Е_об() и Е_ф(), создаваемые источником «постороннего» излучения в плоскостях объекта и фона, а приведенные к этим плоскостям яркости этого источника L_ПИоб() и L_ПИф(), в первых квадратных скобках правой части (3) и (4) для изотропных отражающих объектов и фонов слагаемые и следует заменить на _об()L_ПИоб() и _ф()L_ПИф(), соответственно. (На рис.13 показана только L_ПИф). Аналогично, может быть удобнее в таких случаях для непрозрачных излучателей использовать зависимости _об() = 1 - _об() и _ф() = 1 - _ф().

Моделирование атмосферы как источника собственного излучения. Собственное излучение атмосферы обусловлено излучением газов и частиц, составляющих атмосферу. Распределение энергетической яркости собственного излучения атмосферы по спектру зависит от температуры воздуха, содержания в атмосфере паров воды, озона, углекислого газа и от угла визирования относительно горизонта. При нулевом угле визирования энергетическая яркость атмосферы такая же, как у черного тела, и описывается законом Планка при соответствующей температуре атмосферы. При увеличении угла визирования энергетическая яркость для данной длины волны уменьшается [45 ].

В соответствии с законом Кирхгофа на спектральные диапазоны, соответствующие полосам поглощения водяного пара, озона и углекислого газа, приходится максимальная мощность излучения атмосферы, расчет которой можно найти в [45, 76]. Распределение интенсивности излучения в ночное время приводится в [76].

Наличие облаков в земной атмосфере влияет как на область рассеянного солнечного излучения в ближней инфракрасной области спектра, так и на область теплового излучения [76]. Собственное излучение облаков приходится на область от 8 до 13 мкм. В модуле «ФЦО» КМ ОЭС облака иногда выделяют как отдельный субъект, который может являться источником фонового излучения или помехой. Для моделирования облачных условий, в разделе БД «ФЦО» их целесообразно классифицировать в соответствии с диапазоном высот атмосферы, в которых обычно находятся облака определенного типа. Атмосфера делится на три области, на которых облака данного вида встречаются наиболее часто. По экспериментальным исследованиям небо, затянутое сплошными низкими облаками, излучает как черное тело с температурой, равной окружающей среды с точностью до нескольких градусов.

При распространении излучения в атмосфере наблюдается не только его ослабление, но и флуктуации его параметров (интенсивности, фазы, угла прихода и т. д.), обусловленные турбулентными явлениями -- колебаниями температуры, влажности, плотности воздуха, а следовательно, и случайными изменениями его показателя преломления. Математическое описание этих явлений можно найти в [34,100, 120, 148, 160]. Статистику проявлений турбулентности можно найти в [182].

Для учета случайных изменений оптических свойств атмосферы на проходящее излучение необходимо рассчитывать оптическую передаточную функцию (ОПФ) или её модуль - функцию передачи модуляции (ФПМ), с помощью которой, в частности, можно оценить изменение контраста между объектом и фоном.

Приближенное определение передаточной функции атмосферы М_р(), учитывающей аэрозольное рассеяние, можно найти в 140, 148 и др..

4.5 Общая методология разработки модуля «Фоноцелевая обстановка»

Таким образом, разработка модуля (субмодели) «ФЦО» в КМ ОЭС может базироваться на следующих положениях [87]:

1. Субъекты ФЦО целесообразно разделить на следующие группы: «Цели», «Фоны», «Среда», «Помехи». Принадлежность к той или иной группе подразумевает специфику или особенности расчета сигналов от данного субъекта ФЦО. Например, среда, которой очень часто является атмосфера, может рассматриваться в трех качествах: как источник собственного и рассеянного излучения; как фактор, ослабляющий излучение, приходящее от всех субъектов ФЦО на вход ОЭС, а также в качестве среды, влияющей на теплообмен между отдельными субъектами ФЦО.

В качестве фонов могжно выделить подгруппы: «Ландшафт», «Водная поверхность», «Небосвод», различающиеся физической природой и пространственной макро- и микроструктурой и имеющие свои особенности математического описания. Введение данного разбиения позволяет также значительно упростить последующую организацию и работу с БД КМ ОЭС.

2. В обобщенной модели все излучатели можно разделить на следующие типы: точечные, протяженные (перекрывающие все угловое поле ОЭС) и площадные (занимающие часть углового поля ОЭС). Такая классификация позволяет использовать в КМ ОЭС известные формулы для расчета яркостей [100]. Поэтому для каждого субъекта ФЦО наряду с ориентацией в заданной системе координат, геометрическими размерами и формой, целесообразно определить тип излучателя.

3. Реальные излучатели имеют, как правило, сложную излучающую и отражающую поверхность. Описать и разместить в БД КМ ОЭС все возможные описания таких поверхностей - задача трудно выполнимая. По этой причине для каждого субъекта ФЦО целесообразно вначале произвести описание излучающих поверхностей субъектов ФЦО, а также привести рекомендации по возможным упрощениям этого описания.

Как отмечалось выше, сигналы, приходящие на вход ОЭС от субъектов ФЦО, могут создаваться за счет их собственного (прямого) и отраженного или рассеянного излучения. Для каждого субъекта ФЦО необходимо установить, источником каких составляющих сигнала он является. Если субъект «видим» ОЭС, т.е. попадает в угловое поле её оптической системы и его «видимости» для ОЭС не препятствуют другие субъекты ФЦО или экраны, то он является источником прямого излучения. Под экраном понимается заграждение (стена, строение и т.п.), препятствующее прохождению излучения (рис. 8). Для этого субъекта ФЦО необходимо рассчитать видимую для ОЭС площадь и выявить другие субъекты ФЦО, излучение от которых он отражает во входной зрачок ОЭС.

Рис. 8. Экранирование потоков излучения в фоноцелевой обстановке работы оптико-электронной системы

В свою очередь, субъекты ФЦО, которые не являются источниками прямого излучения, могут переотражать к другим субъектам излучение, отраженное от других источников. Для расчета этих («переотраженных») составляющих целесообразно определить видимость этих субъектов ФЦО по отношению к другим источникам.

Для излучателя, который экранируется (экранируемый субъект ФЦО), рассчитываются векторы (направления) излучения до пересечения с поверхностью экрана. Положение экрана определяется расстоянием l_э и зенитным углом _э в системе координат. Площадь экрана определяется его горизонтальными (w_лев, w_прав) и вертикальными (h_верх, h_низ) размерами, отсчитываемыми от его центра. Составляющие излучения, которым соответствуют векторы, пересекающие экран, не вводятся в энергетическую субмодель.

Первым шагом при таких расчетах является вычисление расстояния от поверхности субъекта ФЦО до экрана r [127]:

,

где _э - зенитный угол экрана; _ист, _ист - азимутальный и зенитный углы рассматриваемой составляющей излучения - соответствующего ей вектора.

Отрицательные значения указывают на то, что этот вектор не пересекает экран. Горизонтальные и вертикальные пересечения вектора с экраном находятся как

,

.

Если координаты w, h меньше горизонтальных и вертикальных размеров экрана, излучатель не учитывается в дальнейшем энергетическом расчете.

Для расчета облученности и потока излучения на входе ОЭС необходимо рассчитать видимые площади излучателей. Для этого требуется найти угол между нормалью к плоскости облучаемого субъекта сцены и направлением от источника к ОЭС.

4. Для расчета величин составляющих сигнала от субъекта ФЦО часто полезно знать его теплофизические свойства и характеристики отражения. Эти свойства и характеристики могут быть заданы или выбраны из БД КМ ОЭС в соответствии с классификацией субъектов, заложенной (предусмотренной) в БД. Здесь уместно отметить, что на основе описания фона, заданного в исходных данных, из БД можно выбрать готовую модель фона, подходящую по описанию и характеристикам источника фонового излучения («интегральное» представление фона), или смоделировать фон в виде совокупности элементарных составляющих определенной площади, обладающих известными оптическими и другими свойствами («дифференциальное» представление фона) [152]. Эта возможность должна быть предусмотрена при составлении БД.

Изложенная методология разработки модуля «ФЦО» обобщенной КМ ОЭС позволяет учесть геометрооптические и энергетические параметры и характеристики источников излучения - субъектов ФЦО, их взаимное расположение, оценить возможное влияние друг на друга и промоделировать их и рассчитать сигналы, приходящие от этих излучателей на входной зрачок ОЭС.

Схема алгоритма работы с модулем «ФЦО» и его связи с другими модулями КМ ОЭС приведена на рис. 9

Рис. 9 Схема алгоритма работы с модулем «Фоноцелевая обстановка»

5. Модуль «Структура оптико-электронной системы»

Структурой системы будем называть совокупность отдельных её структурных частей (СЧ) и взаимосвязей между ними, необходимую и достаточную для решения задач, стоящих перед ОЭС. При создании модуля «Структура ОЭС» вопросы о принципе работы ОЭС, функциональном составе структуры разрабатываемой ОЭС, о наличии тех или иных подсистем в её составе должны быть решены уже на информационно-логическом уровне проектирования. В этом модуле КМ ОЭС целесообразно иметь адаптивные СЧ и связи, обеспечивающие решение возникающих новых задач.

В общем случае схема функционирования ОЭС может быть представлена как замкнутая динамическая система, к особенностям которой можно отнести нестационарность внешних возмущений и, как следствие, нестационарность процессов функционирования ОЭС, наличие в системе разнородных по физической природе связей, необходимость работы в реальном масштабе времени с необходимым быстродействием. В то же время систему первичной обработки информации большинства ОЭС можно рассматривать в реальном масштабе времени как статическую.

В БД КМ ОЭС должны быть представлены как базовые структуры ОЭС, так и параметры и характеристики этих систем и их СЧ, например, представленных на рис. 10. Кроме того, в этом же разделе БД могут находиться программы (алгоритмы) расчета и выбора параметров и характеристик отдельных СЧ ОЭС.

Ряд таких БД, достаточно объемных, уже создан. Например, известны базы данных оптических систем (ОС), разработанные в Государственном оптическом институте (ГОИ) им. С.И. Вавилова, а также на Красногорском заводе им. С.А. Зверева.



Рис. 10. Пример перечня основных узлов, а также их параметров и характеристик, помещаемых в раздел «Структура и элементная база ОЭС» БД КМ ОЭС

x()=F₁(u(),v (),а())

y()=F₂(u(),v(),x(),а()) (5)

w()=F₃(u(),v(),x(),y(),а())

где u(), x(), y(), v(), а(), w() - элементы массивов A, U, V, X, Y, W (на области функционирования ОЭС, определяемой параметрами: ; F₁(.), F₂(.), F₃(.) - операторы (аналитические, алгоритмические выражения), описывающие изменения зависимых и независимых переменных и показателей эффективности по области функционирования.

Как отмечалось в п. 2., ОЭС может быть описана законами её функционирования и операторными соотношениями, описывающими состояния системы и её выходные параметры, например, показатели эффективности работы системы. Полная модель системы есть:

При принятии некоторых допущений и ограничений на функционирование системы, например при ограничении условий её работы, в законе функционирования может быть отражена зависимость выходных параметров и показателей эффективности системы от её начального состояния. Тогда закон функционирования в этом случае может быть представлен в следующем виде:

x()=F(х(0), u(), v(), а())

y()=G₁(x()) (6),

w()=G₂(x())

где х(0) - начальное состояние системы; F(.), G₁(.), G₂(.) - операторы.

Таким образом, обобщенной математической моделью системы являются выражения (5),(6), а также множества переменных A, U, V, X, Y, W.

Число параметров,описывающих любую систему, целесообразно иметь минимальным. Эффективным способом минимизации числа констант является выбор размерности величин, которые используются в модели [29].

Если размерность и порядок модели становятся чрезмерно большими, возможно осуществить упрощения, например, представив модель системы без учета внутренних параметров , т.е. как

x()=F₁(u(), v ())

y()=F₂(u(), v(), x()) (7)

w()=F₃(u(), v(), x(), y())

При этом (5) и (7) относятся друг к другу как модели одной системы, но разных иерархических уровней.

Модель структуры ОЭС можно представлять также в виде совокупности определенным образом связанных межу собой каталогов (массивов, матриц), содержащих информацию о параметрах и характеристиках вариантов входящих в него различных модулей СЧ. В этом случае задача моделирования структурной схемы ОЭС сводится к формализации процедуры выбора сочетания СЧ из множества возможных вариантов [9, 10] .

Параметры и характеристики отдельных СЧ удобно представлять в виде функций с разделяющимися переменными. Например, в частотном представлении связать выходную информацию в виде спектра сигнала на выходе ОЭС со спектром входного сигнала для линейной системы можно с помощью произведения частотных характеристик отдельных звеньев ОЭС, т.е. передаточной функции всей системы [68, 100, 138]. При этом часто следует учитывать переход от двух- и трехмерных спектров сигналов на входе ОЭС и в первых ее звеньях - функций двух пространственных координат и времени к спектрам одномерных видеосигналов в электронном тракте и на выходе системы как функций временной частоты [100]. В ОЭС визуализации, например в тепловизионных системах, необходим и обратный переход, т.е. преобразование одномерного электрического видеосигнала к пространственному его представлению на выходе системы отображения - дисплея или монитора.

Критерием отбора связей этих каталогов является целевое назначение системы и существенность той или иной связи по отношению к поставленной цели. Поэтому необходимо составить выражения, связывающие цель со средствами - целевую функцию системы. Как уже говорилось, это могут быть критерии функционирования, показатели эффективности и т.д., которые могут быть представлены математическими выражениями.

Отдельные элементы, находящиеся на одном иерархическом уровне должны сопрягаться между собой. Параметры сопряжения - это совокупность параметров, характеризующих пару СЧ системы и обеспечивающие их совместное функционирование. Параметрами сопряжения могут являться параметры и характеристики элементов: энергетические, геометрические, оптические, электрические и др., их величины могут задаваться системами логических условий (условий сопряжения). Один из этапов разработки структуры должен заключаться в определении этих параметров сопряжения. Полный перечень параметров сопряжения формируется в процессе моделирования структуры ОЭС на разных ИУ. На системотехническом уровне проектирования их можно получить из энергетического расчета.

Таким образом, формализованный синтез ОЭС сводится к созданию каталогов СЧ ОЭС для моделирования на разных ИУ и нахождению параметров сопряжения каталогов в единой структуре ОЭС [70].

Такой подход с использованием матриц позволяет проводить перебор возможных вариантов структурных схем в комбинациях отношений «структура - целевая функция», или, например, «структура - показатель эффективности - целевая функция». В качестве элементов каталога могут выступать математические модели СЧ ОЭС для определенного ИУ.

Пример такого подхода к формальному описанию процедуры моделирования приведен на рис. 18 в виде ориентированного графа с одной вершиной, в качестве которой выступает каталог (массив) оптических систем. Приведенный граф представляет варианты структурной схемы ОЭС, определяемые принципиальными возможностями сочетания функциональных узлов ОЭС между собой. Параметры сопряжения подразумевают информацию об элементах массива (каталога), необходимую и достаточную для выбора элемента из массива и постановки ему в соответствие элементов из других каталогов структуры ОЭС. Дуга графа «>» показывает возможность совместного использования в структуре ОЭС указанных вариантов элементов каталогов.

Рис. 11. Граф возможных вариантов структурной схемы ОЭС: ОС - оптическая система; ФПУ- фотоприемное устройство; ЭТ-электронный тракт; ВБ-выходной блок.

Формально возможности объединения СЧ в единую ОЭС, например для рис. 18, могут быть описаны следующей системой отношений:

(8)

где «х» означает декартово произведение соответствующих множеств элементов массива; М₁, М₂ ……М₄ - каталоги (массивы) структурных частей ОЭС - элементов массива.

Обозначим дугу (m_is, m_jk), где s - номер элемента в каталоге M_i , k - номер элемента каталога M_j, i,j [1; N] номера каталогов (для рис. 17 - i,j [1; 4]).

Для представления системы отношений (8) введем совокупность матриц С_ij, где i, j - индексы матриц. Для матрицы С₁₂, С₂₃, С₃₄, i(1, 2, 3), j (2, 3, 4). Элементы с каждой из этих матриц имеют следующие значения:



Выбор каждого элемента каталога должен проводиться с учетом принципиальных возможностей совместного функционирования с другими элементами, задаваемыми с помощью введенных выше матриц С_ij, и из каждого каталога М_N должен быть выбран только один элемент.

Для записи этого условия можно использовать функции F_is, которые могут принимать следующие значения:

Условие единственного выбора будет иметь вид:

Тогда формальное описание структуры системы функционирования для примера, показанногго на рис. 12, можно записать в виде:

Таким образом, общую методологию процесса создания модуля «Структура ОЭС» можно представить в виде совокупности следующих этапов:

1. Анализ этапов проектирования ОЭС, а именно определение целей и задач, решаемых на этих этапах. Выявление свойств моделируемого объекта - структуры ОЭС, подлежащих отображению в рассматриваемом модуле. Определение перечня требуемых выходных параметров моделируемого объекта и соответствующий им перечень необходимых входных параметров. Одновременно ведется выбор управляемых и неуправляемых переменных для задачи моделирования.

2. Выбор показателей эффективности и (или) целевой функции, наилучшим образом отображающих требования к структуре ОЭС. При этом учитываются только те требования, которые соответствуют уровню проектирования, на котором используется модель: системотехническому, схемотехническому и т.д.

3. Представление структуры ОЭС в виде СЧ разных ИУ, отображающих уровни абстрагирования системы. На основании эмпирических исследований и опыта выявляется перечень параметров сопряжения отдельных СЧ ОЭС данного ИУ и задаются условия сопряжения.

4. Разработка для каждого ИУ математического аппарата, связывающего в параметрическом виде показатель эффективности работы всей ОЭС с параметрами отдельных СЧ.

Формализация методов получения и анализа математических моделей СЧ ОЭС разных ИУ с возможным обращением к БД с указанием допущения их использования и границ их адекватности. Установление правил формализации.

При разработке этого модуля необходимо учитывать следующие возможные пути формирования структуры ОЭС: выбор готового варианта структуры из БД; возможные упрощения структуры ОЭС путем исключения избыточных элементов из обобщенной структуры, находящейся в БД; перебор комбинаций СЧ, из которых формируется структура ОЭС; последовательное наращивание структуры из СЧ с оценкой промежуточных решений, если это необходимо. На рис. 12 приводится схема алгоритма работы с модулем «Структура ОЭС».

Рис. 12. Схема алгоритма работы с модулем «Структура ОЭС»

компьютерный геометрооптический излучение электронный

6. Модуль «Результат работы компьютерной модели оптико-электронных систем»

Модуль «Результат работы КМ ОЭС» объединяет в себе блоки: «Коррекция обобщенной компьютерной модели ОЭС», «Расчет показателей эффективности», «Расчет критерия адекватности», «Испытание модели» и «Представление результатов моделирования» (рис. 13).

Рис. 13. Схема алгоритма работы в модуле «Результат работы КМ ОЭС»

Блок «Коррекция обобщенной компьютерной модели ОЭС» содержит специфические алгоритмы и операторы, позволяющие, например, осуществлять моделирование многоспектральных (многодиапазонных) ОЭС (МОЭС) конкретного назначения, а также, при необходимости, вносить изменения в количество повторений тех или иных операторов, делая их циклическими. На рис. 14 приведены некоторые из циклических операторов, которые могут входить в отдельные группы этого блока.

Основой блока «Расчет показателей эффективности» являются выражения заданных в исходных данных показателей эффективности. На первых этапах моделирования они представляются в общем параметрическом виде. По мере работы в модулях «ФЦО» и «Структура ОЭС» параметры конкретизируются, определяется область их значений, и в данном блоке производится их окончательный расчет.

Рис. 14. Операторы коррекции обобщенной компьютерной модели ОЭС

Если результат их расчета не удовлетворяет пользователя, то производится оптимизация структуры ОЭС. Для этого предусматриваются алгоритмы оптимизации структуры и обратная связь с модулями «Структура ОЭС» и «Исходные данные». Алгоритмы и способы оптимизации структуры ОЭС могут выбираться из соответствующего раздела «Оптимизация структуры ОЭС» БД КМ ОЭС. Если выбранные или заданные средства оптимизации структуры всей ОЭС или отдельных её СЧ, а также элементной базы этих СЧ оказались неэффективными, т.е. требуемое значение показателя эффективности моделируемой ОЭС не достигнуто, необходимо возвращаться в модуль «Исходные данные» и производить корректировку этих данных.

После получения удовлетворительных результатов расчета показателей эффективности ОЭС обязательно должен проводиться контрольный расчет КА в блоке «Расчет критерия адекватности», подтверждающий адекватность модели ОЭС по заданному в исходных данных критерию. Методика учета критерия адекватности (КА) в КМ ОЭС описана в п. 4.

Если модель не удовлетворяет заданному значению КА, то производится анализ причин неадекватности и оптимизация КМ ОЭС. Оптимизация может заключаться, например, в ином распределение значения КА между КА субмоделей отдельных узлов ОЭС и субъектов ФЦО.

В блоке «Испытание модели» размещаются алгоритмы, позволяющие осуществлять испытания КМ ОЭС посредством имитационного эксперимента. Более подробно этот вопрос рассмотрен в п. 4.

В случае удовлетворительных результатов испытаний модели производится представление результатов моделирования (блок «Представление результатов моделирования»), т.е. формирование выходных данных о результатах моделирования системы в форме представления, заданной в исходных данных, и подготовка документации на разработанную КМ ОЭС - паспорт пригодности (см. п. 2).

Перечень документов на модель ОЭС должен содержать: описание компьютерной модели. Для пользователя могут представлять интерес следующие характеристики КМ ОЭС, которые следует включать в паспорт пригодности:

- имя модели (для соответствующих ссылок), номер версии, дата;

- назначение и область применения КМ ОЭС;

- собственник (создатель, разработчик, владелец);

- описание исходных данных с необходимыми пояснениями (размерности, масштабы, диапазоны изменения величин);

- физические основы, на которых построена ОЭС и её модель, наличие баз данных, необходимых для моделирования;

- программа (действующее программное обеспечение самой модели);

- описание программы модели с указанием системы программирования и принятых обозначений;

- полную схему программы модели;

- полную запись компьютерной программы модели на выбранном языке программирования;

- доказательство достоверности программы модели (результаты отладки программы модели);

- оценку затрат машинного времени на один цикл моделирования;

- перечень возможных пользователей (квалификация);

- инструкцию по работе с программой модели.

7. Модуль «База данных обобщенной компьютерной модели оптико-электронных систем»

Состав базы данных (БД) обобщенной КМ ОЭС показан на рис. 19. При её формировании и использовании необходимо учитывать следующие факторы:

- необходимость описания большого объема разнородной по характеру информации;

- возможность обеспечения работы разными способами: диалоговый и автоматический режимы поиска и считывания данных по запросам из других модулей программы;

- обеспечение возможностей выбора формы представления данных без дополнительной их подготовки для исключения увеличения занимаемого объема памяти внутри БД, исключения усложнения КМ ОЭС и временных затрат;

- необходимость перевода данных из одной формы представления в другую с сохранением адекватности информации;

- соответствие условий выбора данных из БД их размещению в структуре БД независимо от используемой формы представления.

В составе БД КМ ОЭС целесообразно иметь ряд разделов и подразделов, показанных на рис. 15 и содержащих параметры и характеристики, используемые в отдельных модулях КМ ОЭС. Кроме того, необходимы разделы и подразделы, содержащие алгоритмы, используемые при расчетах показателей эффективности работы ОЭС и отображающие результаты работы КМ ОЭС.

Состав БД во многом можно определить исходя из анализа показателей эффективности ОЭС, которые характеризуют степень реализации цели, стоящей перед системой (см. п. 2), и зависят от параметров и характеристик как ФЦО, так и структурных частей моделируемой ОЭС [83, 84, 85].



Рис. 19. Состав базы данных обобщенной КМ ОЭС

Так, для моделирования и расчета ряда важнейших показателей функционирования работы ОЭС, таких как пространственное разрешение, точность измерения или слежения, минимальная разрешаемая разность температур и др., необходимо знание передаточной функции (частотной характеристики) ОЭС, которая , по-сути, является частотной моделью ОЭС. По этой причине разделы БД должны содержать сведения о частотных характеристиках субъектов ФЦО и структуры ОЭС.

Для выявления данных об излучателях (целях, помехах, фонах) и средах распространения оптического сигнала, образующих ФЦО, целесообразно проанализировать выражения для величин потоков излучения, приходящих на входной зрачок ОЭС [100]. Эти подразделы БД должны содержать сведения о геометрооптических (форма, размеры, структура) и энергетических (температура, яркость, излучательная и отражательная способность и др.) параметрах и характеристиках.

При этом данные о спектральных характеристиках различных излучателей важно оценивать с точки зрения их адекватности реальным условиям работы моделируемой ОЭС с учетом того факта, что эти условия могут отличаться от тех, в которых были получены эти данные. Например, изменение взаимного расположения излучателя и приемной оптической системы при сборе данных для БД и при работе моделируемой ОЭС, может привести к неадекватности, поскольку характер отражения, рассеяния или поглощения излучения может меняться в этих двух случаях и различие в оценках величин отражательной способности одних и тех же материалов может превышать 30 % [104, 161, 169].

В настоящее время имеются достаточно емкие базы данных [50, 57, 59, 90, 92, 98, 130, 152, 157, 169, 173 и др.]

Необходимость наличия тех или иных данных в одном разделе БД может выявиться в ходе работы с другими разделами БД. Так например, при обращении к ряду субмоделей фонов, требуется знание структурной постоянной турбулентности показателя преломления C²_n, которая зависит от времени суток, метеорологических условий, высоты над землей и характеризует влияние неоднородностей атмосферы на распространение оптического излучения [34]. Эти зависимости необходимо иметь в подразделе БД «Среда распространения оптического сигнала (атмосфера)».

При моделировании обычно требуется иметь формулы и зависимости, описывающие законы излучения, отражения, поглощения, рассеяния, геометрооптические и физические связи между отдельными субъектами ФЦО и др.). По этой причине БД обобщенной КМ ОЭС должна содержать раздел «Типовой математический аппарат», а именно, формулы для определения геометрооптического типа излучателей (точечный, площадной, протяженный), формулы для расчета всех составляющих яркости, формулы для расчета эффективных значение освещенностей и др.

Взаимосвязь между отдельными СЧ ОЭС описывается с помощью аналитических зависимостей, лежащих в основе моделирования как всей ОЭС, так и её СЧ. Поэтому этот раздел должен содержать также сводку законов, типовых зависимостей, функций распределения, а также формул (операторов), описывающих связь между отдельными элементами ОЭС.

Поскольку объектом описания в модуле «ФЦО» является сигнал и его преобразования, классификацию в разделе «Типовой математический аппарат» полезно привязать к характеристикам сигнала, а также физической природе описываемых процессов.

Нередко данные, подлежащие отображению в БД, имеют разную форму представления. Они могут быть представлены в виде числовых массивов, аналитических зависимостей, графиков, текстовой информации и их сочетаний.

База данных КМ ОЭС является не только хранилищем информации, но и необходимой областью для проведения дополнительной работы с данными, и в этом заключается особенность и специфика работы с ней. Разнообразные по характеру и разнородные по форме представления данные обуславливают способы работы с БД.

Только хранилищем БД является для данных, которые не требуют каких-либо преобразований и не нуждаются в дополнительной обработке, например, «Типовой математический аппарат». Зачастую, приведенные в подразделах БД параметры и характеристики отдельных узлов ОЭС не являются данными для их выбора, а используются лишь для расчетов других отсутствующих параметров и характеристик. Иногда представленные в БД характеристики узлов ОЭС имеют недостаточно малый шаг дискретизации и требуют дополнительной градации данных.

Наиболее удобной для использования в БД КМ ОЭС является форма представления данных, организованная в виде таблиц аналитических зависимостей с графами, содержащими условия выбора данных. Эта форма представления наряду с небольшим объемом памяти, занимаемой в компьютере, информативна, обеспечивает возможности изменения шага выборки данных и перевода в другие формы представления, например, в массив или график, который удобно использовать при оформлении расчетов и промежуточных результатов. Она также не предъявляет особых требований к возможностям программного обеспечения КМ и к квалификации пользователя. Данные, представленные в БД в виде аналитических зависимостей, могут быть представлены в виде формул, которые после выбора в интерактивном режиме требуется ввести в запрашиваемый модуль КМ ОЭС и там их активизировать. Расчеты по этим формулам производятся в этом модуле. В этом случае БД является только хранилищем формул. При невозможности приведения имеющихся данных к такой форме представления целесообразно представлять данные в виде числовых массивов.

Использование массива, как для анализа, так и для выборки требует дополнительной работы с данными: перевод в график в первом случае или изменение шага дискретизации представления данных в другом.

Более рационально использовать аналитические зависимости, представленные в виде подпрограмм со своими входными данными. Результаты расчетов получаются в этом случае в модуле БД и в требуемой запрашиваемым модулем КМ ОЭС форме представления вводятся в неё для дальнейшей работы. Этими действиями исключается неоправданное усложнение КМ ОЭС.

Вышеперечисленные возможности использования БД могут быть реализованы как при интерактивном способе работы с БД, так и при установлении автоматических связей между модулями КМ ОЭС и БД. Следует учитывать, что наряду с высоким быстродействием и минимальной вероятностью возникновения ошибки на этапе выбора данных из БД, автоматический способ работы не может предусмотреть всех нюансов условий выбора данных, особенно в случае внесения изменений в БД. Условия выбора данных из структуры БД могут быть представлены как в виде математических неравенств, так и в виде текстовых формулировок.

Интерактивный способ работы, несмотря на его низкое быстродействие, обеспечивает гибкость выбора данных и возможность учета дополнительных условий этого выбора. Он также позволяет проводить анализ данных с учетом рекомендаций, которые могут быть отражены в БД. Такой способ работы позволяет изменять формы представления данных, производить необходимые расчеты в модуле База данных», а при необходимости анализировать результаты этих расчетов. Интерактивный поиск предпочтителен при работе с разделами БД, где преобладают текстовое описание условий выбора данных, и сами данные носят описательный характер, например, подразделом «Фоны».

Таким образом, возможности рационального использования БД можно обеспечить, применяя комбинированный способ работы, заключающийся в следующем: интерактивный поиск файла с данными в структуре БД, оценка возможного варианта использования данных с учетом характера данных, их формы представления, требований к данным (например, в дискретной форме), оценка возможностей программного обеспечения для установления автоматических связей между модулями КМ ОЭС и модулем «База данных КМ ОЭС». Необходимо отметить, что комбинированный способ работы, накладывает особые требования к квалификации пользователя, но при этом позволяет обеспечивать гибкость конструкции программы КМ ОЭС.

Учитывая большое разнообразие информации, подлежащей отображению в разделах БД, для её организации удобна детерминированная форма - иерархическая модель, ориентированная на предварительную классификацию данных, на установление свойств и связей, которые будут фиксироваться в БД, а также на предварительное определение форматов для хранения данных. Выбранная логическая структура позволяет достаточно легко программировать и формировать запросы и эффективно в дальнейшем их реализовывать.

Можно предложить разбить БД обобщенной КМ ОЭС на пять разделов (рис. 19), которые являются корневым сегментом дерева для выбранной структуры БД. Построенная таким образом БД обеспечивает оптимальность (необходимый минимум) её содержания, поскольку устанавливается жесткая связь между исходными данными на моделирование ОЭС и составом БД.

Для «наращивания» дерева необходимо: выбрать метод сбора информации, классифицировать данные, подлежащие отображению в БД, установить свойства и связи для размещения и дальнейшего поиска данных в БД.

В зависимости от содержания исходной информации, положенной в основу составления БД, различают методы «от предметной области» и «от запроса». Метод «от предметной области» означает описание объектов и связей между ними безотносительно к потребностям пользователя. При использовании метода «от запроса» основным источником информации о предметной области являются запросы пользователей (функциональные задачи).

Преимуществами метода «от предметной области» является его объективность, системное отображение предметной области и, как следствие, устойчивость информационной модели, а также возможность реализации большого числа приложений (разработок) на созданной БД, в том числе и заранее не запланированных. Недостатком метода является трудность отбора информации, подлежащей фиксации в БД.

Метод «от запроса» ориентирован на реализацию текущих запросов пользователей и не учитывает перспектив развития системы. При его использовании могут возникнуть трудности в объединении взглядов различных пользователей, что может ограничить возможности пользования базой данных. Однако, учет запросов позволяет улучшить характеристики функционирования БД.

Например, в БД для «интегрального» представления фона (§4.5), когда ландшафы возможно разбить на территориальные географические зоны - типы, характеризуемые составом и преобладающим видом растительности, необходимы данные для подбора моделей, описывающих подходящие (или близкие по характеристикам) ландшафтные зоны. Наряду с этим в БД должны быть также данные для «дифференциального» представления фона, когда типы фонов разбиваются на более мелкие разновидности по одному из доминирующих признаков. Например, ландшафты по физической природе источника излучения можно разделить на следующие разновидности: почва, растительность, горная порода и др. Внутри каждой разновидности производится разделение на виды по какому-либо признаку. Например, по характеру преобладающей растительности в разновидности «Лес» можно выделить хвойный лес, лиственный, смешанный и т.п. При размещении этих данных в БД следует учитывать, что дальнейшее разделение на подвиды производится при наличии у отдельно взятого вида внутренних отличительных признаков, учет которых может существенно облегчить поиск данных в БД.

Ни один из указанных методов не является оптимальным для разработки рациональной БД. Целесообразно совместить применение обоих методов при составлении этого модуля.

Последовательность основных этапов составления БД и размещения в ней данных может быть следующей:

1. Выделение основных признаков, характеризующих и однозначно определяющих данные в разделах БД. На основе этого данные в БД классифицируются на типы и разновидности, а результаты такой классификации отражаются в отдельных таблицах - подменю, имеющих дополнительные графы, где указаны признаки классификации и условия выбора необходимых данных.

2. Ввод в таблицу - подменю дополнительных граф для данных, необходимость наличия которых в БД была определена. Для исключения загромождения этих таблиц - подменю, рационально для отдельных данных организовать свои позиции размещения (отдельная таблица, отдельно расположенный график и т.п.), указав при этом в подменю место расположения и путь поиска этих данных.

3. Изучение источников информации с целью поиска и сбора данных для заполнения таблиц. При этом необходимо придерживаться принципа минимальной избыточности информации - ограничения избыточности данных там, где это выгодно, и осуществления контроля за противоречиями, вызванного наличием избыточных данных.

4. Непосредственный ввод данных в логическую структуру БД, пример которой приведен на рис. 19.

Таким образом, БД КМ ОЭС представляет собой иерархическую модель, ориентированную на предварительную классификацию объектов, на установление свойств и связей, которые будут фиксироваться в БД, а также на предварительное определение форматов для хранения данных.

Библиография

1.ГОСТ 25645.153-90. Излучение атмосферы Земли рассеянное. Модель пространственного распределения. -М.: Изд-во стандартов, 1991.-69 с.

2.ГОСТ 8.009-84 «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений» - М.: Изд-во стандартов, 1984.- 42 с.

3. ГОСТ 8.508-84 «Метрологические характеристики средств измерений и точностные характеристики средств автоматизации ГСП». - М.: Изд-во стандартов, 1984.- 40 с.

4.Автоматизация проектирования аналого -цифровых устройств / Под ред. Э.И. Гитиса.-М.: Энергоатомиздат, 1987.-184 с.

5.Автоматизация проектирования оптико-электронных приборов: Учеб. пособие для вузов / Л.П.Лазарев, В.Я. Колючкин, А.Н. Метелкин и др.- М.: Машиностроение, 1986.-216 с.

6.Алеев Р.М., Иванов В.П., Овсянников В.А. Основы теории анализа и синтеза воздушной тепловизионной аппаратуры. - Казань: Казанский ун-т, 2000.- 252 с.

7.Алеев Р.М., Иванов В.П., Овсянников В.А. Несканирующие тепловизионные приборы . - Казань: Казанский ун-т, 2000.- 228 с.

8.База данных обобщенной компьютерной модели оптико-электронной системы / Н.Ф. Максимова, К.И. Сагитов, И.П. Торшина, Ю.Г. Якушенков. - Свидетельство об официальной регистрации Роспатента РФ, № 2003620073 от 10.04.2003 г.

9.Балоев В.А., Горбунов Д.А., Моисеев В.С. Распределенная САПР тепловизионных приборов // Вестник Казанского гос. техн. ун-та - 2000. - №3. - С. 21-26.

10.Балоев В.А., Моисеев В.С., Клочков С.А. Синтез оптимальной структурной схемы тепловизионного прибора // Оптический журнал. - 2002. - № 4.- С.38-41.

11.Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1988.- 128 с.

12.Батанов Л.А. Автоматизация проектирования цифровых вычислительных систем.- М.: Энергия, 1978.-80 с.

13.Белова Д.А., Кузин Р.Е. Применение ЭВМ для анализа и синтеза автоматических систем управления. - М.: Энергия, 1979.- 264 с.

14.Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. - М.: Госэнергоиздат, 1962. - 331 с.

15.Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.- М.: Наука, 1986. - 544 с.

16.Бугаенко А.Г. Аппаратура для оценки характеристик тепловизионных систем // Оптич. журнал. - 2002.- №4. - С. 19-25.

17.Бугаенко А.Г., Михайлов Е.Н. Тепловая заметность военнослужащих в различной экипировке // Оборонная техника. - 2007. - № 1-2. - С. 44-47

18.Бусленко Н.П. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем.- М.: Наука, 1977.-239 с.

19.Валиахметов И.Р., Тымкул Л.В. Компьютерное моделирование работы приборов ночного видения в поляризованном и неполяризованном свете // Сб. материалов IV Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2008», Новосибирск. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч.2.-Новосибирск: СГГА, 2008. - С. 161-164.

20.Вафиади А.В. Аналитические модели сканирующих тепловизионных приборов // Оптич. журнал.- 1997.-№1. - С. 32-36.

21.Волков Н.Н., Мухин С.В., Снегов К.Г., Торшина И.П., Якушенков Ю.Г. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем 3-го поколения // Барнаул: Ползуновский альманах. -2007.- №3. С. 34-35.

22.Галиакберов Д.Ш. Критерий качества приемников излучения для тепловизионных приборов // Оптико-механическая промышленность. - 1979. - № 8. - С. 12-14.

23.Ган М.А. Вычислительная оптика в ГОИ // Оптический вестник.-2008.- № 12.-С. 16-18.

24.Городецкий А.Е., Тарасова И.Л., Артеменко Ю.Н. Интерференционно-кодовые преобразователи.-С.-Пб.: Наука, 2005.- 472 с.

25.Грицкевич Е.В., Малинин В.В. Вычислительная модель объектно-фоновой ситуации для автоматизированного анализа ОЭП наблюдения // Сб. «Вопросы повышения точности и автоматизации аэрофотосъемочных и фотограмметрических работ». - Новосибирск: НИИГАиК, 1988

26.Грицкевич Е.В., Малинин В.В. Разработка программного обеспечения вычислительной модели ОЭП наблюдения // Межвуз. сб «Автоматизация проектирования оптических приборов».- Новосибирск: НИИГА иК, 1991.

27.Гудмен Дж. Статистическая оптика. - М.: Мир, 1988. -528 с.

28.Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами.- М.: Мир, 1971.-166 с.

29.Демин А.В., Копорский Н.С. Имитационное моделирование информационно-измерительных и управляющих систем .- С.-Пб.: С.-ПбГУ ИТМО, 2007.- 139 с.

30.Демин А.В., Копорский Н.С. Имитационное моделирование систем наведения // Изв.вузов. Приборостроение.-2006.-№6.- С. 30-34.

Размещено на Allbest.ru

...