Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методического и стендового обеспечения определения пороговой чувствительности и параметров обнаружения сканирующих многоканальных оптико-электронных приборов обнаружения и пеленгации инфракрасного диапазона 22
1.1 Сканирующие многоканальные оптико-электронные приборы обнаружения и пеленгации ИК диапазона, основные фотоэлектрические параметры и характеристики 22
1.2 Традиционные методы и средства определения пороговой чувствительности 25
1.3 Параметры обнаружения ОЭП 32
1.4 Направления совершенствования методического и стендового обеспечения определения пороговой чувствительности и параметров обнаружения сканирующих оптико-электронных приборов обнаружения и пеленгации ИК диапазона 38
1.5 Выводы по главе 39
2 Исследование и разработка методов определения пороговой чувствительности многоканальных сканирующих оэп обнаружения и пеленгации ик диапазона 42
2.1 Метод выборочной оценки 42
2.2 Метод щелевого источника.. 45
2.3 Математическая модель для расчетной оценки вероятностной характеристики пороговой чувствительности 53
2.4 Влияние вероятностной характеристики пороговой чувствительности и излучения внешнего фона на параметры обнаружения ОЭП 75
2.5 Метод экспериментальной оценки вероятностной характеристики пороговой чувствительности 81
2.6 Выводы по главе 86
3 Разработка средств и создание экспериментального стенда определения вероятностных характеристик пороговой чувствительности сканирующих многоканальных оэп обнаружения и пеленгации икдиапазона 89
3.1 Средства для проведения экспериментальной оценки вероятностной характеристики пороговой чувствительности и параметров обнаружения сканирующих многоканальных ОЭП ИК диапазона 89
3.2 Макет сканирующего многоканального оптико-электронного прибора обнаружения и пеленгации 107
3.3 Экспериментальный стенд для оценок характеристик пороговой чувствительности 111
3.4 Тест-объект для проведения оценок вероятностных характеристик пороговой чувствительности 114
3.5 Выводы по главе 122
4 Экспериментальные исследования вероятностных характеристик пороговой чувствительностисканирующего многоканального оэп обнаружения и пеленгации ик диапазона 125
4.1 Оценка пеленгационных характеристик 125
4.2 Оценка плотности вероятности пороговой чувствительности 136
4.3 Оценка влияния фоновой помехи на плотность вероятности пороговой чувствительности 144
4.4 Результаты экспериментальных исследований вероятностных характеристик пороговой чувствительности 149
4.5 Выводы по главе 152
Заключение 154
Список сокращений и условных обозначений 158
Список литературы 159
Список иллюстративного материала 1
- Традиционные методы и средства определения пороговой чувствительности
- Математическая модель для расчетной оценки вероятностной характеристики пороговой чувствительности
- Макет сканирующего многоканального оптико-электронного прибора обнаружения и пеленгации
- Оценка влияния фоновой помехи на плотность вероятности пороговой чувствительности
Традиционные методы и средства определения пороговой чувствительности
Отдельной группой оптико-электронных приборов наблюдения являются приборы, предназначенные для решения задач поиска и идентификации объектов с заданными геометрическими, энергетическими и динамическими характеристиками (обнаружения целевых объектов) и определения их пространственного положения в поле обзора (пеленга) [1]. Оптико-электронные приборы обнаружения и пеленгации реализуют технико-конструктивные решения, направленные на выделение целевых объектов (ЦО) из множества объектов регистрируемых в поле обзора, выбор применяемых решений производится на основе априорной информации о различиях геометрических, динамических, спектральных и энергетических характеристик целевых объектов и прочих объектов, называемых фоновыми объектами (ФО) [2,3]. При штатной работе ОЭП должны обеспечиваться требуемые уровни параметров обнаружения для определенных целевых объектов, в их числе высокая вероятность обнаружения при нахождении ЦО в поле обзора прибора (правильное обнаружение) и малая вероятность ложного обнаружения ЦО при его отсутствии в поле обзора прибора (ложная тревога) [4]. Выходной информацией ОЭП являются данные о количестве, пространственном положении и характеристиках целевых объектов, при этом данные о фоновых объектах могут отсутствовать [5]. Проводимые в настоящей работе исследования выполнены в интересах разработки и создания сканирующих многоканальных оптико-электронных приборов ИК диапазона космического базирования, предназначенные для обнаружения и пеленгации малоразмерных высокотемпературных объектов природного и искусственного происхождения, оценки их сигнатурных характеристик. Данные изделия, называемые также сканирующими многоканальными теплопеленгаторами, обычно выполнены на основе ФПУ ИК диапазона в виде линеек ФЧЭ (фоторезисторы PbS) [6,7], в перспективных образцах изделий применяются ФПУ ИК диапазона в виде гибридных субматричных линеек ФЧЭ (фотодиоды КРТ), реализующих при работе режим временной задержки и накопления сигнала [8,9].
Указанные выше ОЭП обнаружения и пеленгации обеспечивают регистрацию изображения заданного участка поверхности Земли или околоземного пространства в полосах поглощения атмосферы ближнего (SWIR) и среднего (MWIR) ИК диапазонов с высоким пространственно-энергетическим разрешением [10,11]. В данных спектральных диапазонах наблюдается наиболее значимая разница характеристик излучения целевых и фоновых объектов. Так как целевые объекты находятся на значительном удалении от прибора, то они имеют малый угловой размер по сравнению с полем зрения канала, вследствие чего распределение энергии в изображении целевых объектов в плоскости ФЧЭ информационных каналов будет иметь форму, совпадающую с пятном рассеяния оптической системы в данной точке поля обзора. При отсутствии аберраций размер и форма пятна рассеяния оптической системы определяются дифракцией, ограничивающей пространственное разрешение оптической системы и прибора в целом. Разработчики ОЭП стремятся к согласованию размера пятна рассеяния с размером ФЧЭ ФПУ для увеличения доли потока излучения падающего от целевого объекта на ФЧЭ, одновременно уменьшая угловой размер ФЧЭ для снижения потока излучения от фоновых объектов, имеющих большие геометрические размеры изображений [12]. Высокое энергетическое разрешение ОЭП обеспечивается применением в его составе охлаждаемого многоэлементного ФПУ ИК диапазона. Современные образцы МФПУ [13] имеют энергетическое разрешение, близкое к предельному значению и реализуют режим работы, при котором их энергетическое разрешение определяется фоновым потоком фотонов (ОФ-режим). Для сохранности параметров таких ФПУ при их применении в составе ОЭП используются решения по снижению собственного приборного потока фотонов от элементов конструкции прибора, расположенных в поле зрения ФЧЭ ФПУ, в т.ч. нанесение широкополосных просветляющих покрытий и охлаждение оптических элементов, установка охлаждаемых диафрагм, ограничивающих рабочее поле зрения ФЧЭ ФПУ [14,15].
Большое поле обзора и сохранность высокого пространственно-энергетического разрешения в наблюдаемом ОЭП изображении обеспечивается большим числом ФЧЭ в линейках и соответствующим размеру ФЧЭ шагу сканирования [16], например, формат информационного кадра перспективного ОЭП достигает 12000 12000 отсчетов при этом объм выдаваемой выходной информации в кадре доходит до 4 Гбит [17]. Большое число информационных каналов ОЭП и значительный объм информации в каждом кадре в сочетании с малой пропускной способностью спутниковых информационных каналов связи вынуждают разработчиков ОЭП включать в состав приборов блоки бортовой обработки информации (БОИ), которые в автоматическом режиме выполняют обработку выходной информации прибора с применением специальных алгоритмов обработки выходной информации. После выполнения обработки с БОИ поступает информация только о ЦО, объм которой обеспечивает е передачу по существующим линиям связи [18,19].
Математическая модель для расчетной оценки вероятностной характеристики пороговой чувствительности
Различие коэффициентов концентрации энергии не остается величиной постоянной для всех элементов ФПУ в силу различия аберраций объектива для разных площадок, разброса геометрических размеров чувствительных площадок, неравномерности чувствительности в пределах площадки и многих других факторов. В этом заключается один из недостатков метода щелевого источника излучения.
С другой стороны, дисперсия этих поправочных коэффициентов не столь велика, и его можно использовать средним значением. При расчете математического ожидания пороговой чувствительности ОЭП в целом ошибка от использования среднего значения коэффициента будет мало заметной.
Оба рассмотренных метода экспериментальной оценки пороговой чувствительности ОЭП существенно снижают трудоемкость процедур оценок и нашли широкое использование на этапе сборки, юстировки и настройки ОЭП.
Однако увеличение трудомкости процедур оценок многоканальных ОЭП не единственная проблема традиционных методов. Информация, полученная с использованием этих методов, ограничена пороговыми значениями облученности при центральном положении изображения малоразмерного объекта относительно чувствительной площадки канала. Данное ограничение не позволяет, например, на этапе стендовой отработки прибора определять вероятностные характеристики пороговой чувствительности каналов ОЭП, связанные со случайным положением изображения малоразмерного объекта относительно центра чувствительной площадки канала, что существенно, увеличивает продолжительность и стоимость летно-конструкторских испытаний, затягивает сроки внедрения новых образцов.
Естественным желанием конструкторов многоканальных ОЭП обнаружения и пеленгации является разработка характеристики, описывающей свойства каналов с высокой информативностью и применимой для оценки параметров обнаружения при различных фоновых нагрузках и применяемых алгоритмах обработки информации.
Такой характеристикой являются вероятностные характеристики пороговой чувствительности многоканальных ОЭП, полученные для отдельных каналов и прибора в целом при равновероятном размещении изображения малоразмерного объекта в поле зрения каналов ОЭП, учитывающие разброс энергетических и пеленгационных характеристик каналов. Как уже упоминалось, величина сигнала от малоразмерного объекта излучения на выходе канала ОЭП зависит от положения энергетического центра изображения малоразмерного объекта относительно центра чувствительной площадки в направлении, перпендикулярном направлению сканирования. При совпадении энергетического центра изображения и центра чувствительной площадки величина сигнала максимальная. При смещении изображения относительно центра чувствительной площадки сигнал уменьшается и достигает своего минимума при расположении центра изображения малоразмерного объекта в зазоре между двумя площадками соседних каналов, причем оптический сигнал примерно равномерно распределяется между двумя чувствительными площадками и частично теряется в зазоре и за счет краевых эффектов чувствительных площадок [51-54 ]. Поэтому на практике сигнал с каждой из двух площадок составляет не пятьдесят процентов от максимального значения сигнала, а двадцать – тридцать процентов, и в значительной степени определяется коэффициентом концентрации энергии от точечного источника излучения, т.е. соотношением между размерами чувствительной площадки и пятном рассеяния изображения точечного источника определяемого аберрациями объектива и дифракцией [57-59].
Зависимость сигнала на выходе канала ОЭП от величины смещения энергетического центра изображения малоразмерного объекта в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, называется пеленгационной характеристикой.
Значение пороговой чувствительности, которое имеет место при совпадении энергетического центра изображения малоразмерного объекта и центра чувствительной площадки канала учитывает только разброс энергетических характеристик каналов ОЭП, что не позволяет в дальнейшем определять вероятностные характеристики пороговой чувствительности и параметры обнаружения каналов ОЭП, а свидетельствует лишь о качестве сборки, юстировки и настройки ОЭП.
Для расчета параметров обнаружения ОЭП необходим учет зависимости пороговой чувствительности от пеленгационных характеристик и случайного расположения малоразмерного объекта в поле зрения ОЭП, что позволяет определить плотности вероятности пороговой чувствительности отдельных каналов и ОЭП в целом [50, 55].
Таким образом, пороговая чувствительность канала ОЭП является величиной случайной и изменяется в некоторых пределах от Eпор_min (x=0) до Eпор_max(x=a/2)с определенной степенью вероятности, где а- шаг ФЧЭ в линейке.
Для расчета параметров каналов обнаружения ОЭП можно предположить равновероятное расположение малоразмерного объекта в поле зрения ОЭП, хотя на практике этот закон соблюдается не всегда. Например, в системах ОЭП, работающих в режимах самонаведения, центральное расположение изображения источника более вероятно, чем крайнее его расположение, т.е. вероятность p(Eпор_min) выше, чем вероятность p(Eпор_max). Кроме того, вероятность появления малоразмерного объекта в различных частях поля обзора ОЭП так же может быть не одинаковой.
Для иллюстрации метода определения вероятностных характеристик пороговой чувствительности далее представлены аналитические исследования с использованием пеленгационных характеристик, полученных путем аппроксимации экспериментальных пеленгационных характеристик каналов ОЭП простыми аналитическими функциями [60].
Для определения аппроксимирующих формул на стендовой установке, описание которой приведено в следующей главе настоящей работы, были измерены с последующим усреднением пеленгационные характеристики каналов макета сканирующего многоканального ОЭП, состоящего из объектива с диаметром входного зрачка 500 мм, ФПУ с 200 чувствительными площадками и зеркальной системой внутреннего сканирования (схема макета приведена в описании экспериментальной установки).
При подборе формулы аппроксимации необходимо иметь в виду, что максимальный диаметр кружка рассеяния объектива равен размеру чувствительной площадки канала. Следовательно, этот случай характеризуется плавной кривой закона набегания при сканировании поля зрения.
Конкретный вид этой функции U(x) зависит от распределения энергии в кружке рассеяния объектива и распределения чувствительности по фоточувствительной площадке канала (мгновенного поля зрения), т.е. от пеленгационной характеристики ОЭП. Достаточно удобно и точно можно аппроксимировать эту функцию косинус-квадратным законом набегания, формула которого имеет вид: /(x) = /n-cos2 приЫ а/2 (2.4) U(x) = 0 при а/2 , где и0 -значение сигнала на выходе канала ОЭП при нахождении изображения малоразмерного объекта в центре площадки (х=0), В; х-смещение изображения малоразмерного объекта от центра площадки в направлении перпендикулярном сканированию, мкм; а - расстояние между центрами площадок соседних каналов ОЭП в направлении перпендикулярном сканированию (шаг ФЧЭ в линейке), мкм; А- постоянная, мкм. Или в нормированном виде: U (x) = l = C0J E ) приЫ а/2 (2.5) U (x) = 0 прих а/2.
Макет сканирующего многоканального оптико-электронного прибора обнаружения и пеленгации
Проведенный анализ зависимости пороговой чувствительности сканирующего многоканального ОЭП от пеленгационных характеристик показывает, что для практической реализации экспериментальной оценки вероятностной характеристики пороговой чувствительности необходимо обеспечить измерение зависимости выходных сигналов каналов от смещения энергетических центров изображений малоразмерного объекта излучения относительно центров площадок для всех каналов ОЭП. Практически это означает, что необходимо создать метод экспериментальной оценки пеленгационной характеристики каждого канала ОЭП. Учитывая, что число каналов в современных сканирующих ОЭП достигает нескольких тысяч и в перспективе имеет устойчивую тенденцию их дальнейшего роста, реализация этих оценок с помощью традиционных методов поканальных оценок практически невозможна.
Представленные в настоящей работе и описанные выше методы выборочной оценки и щелевого источника излучения хотя и существенно сокращают время экспериментальных оценок, но не могут обеспечить оценки пеленгационных характеристик всех каналов. Автором настоящей работы совместно с Гридиным А.С., Дмитриевым И.Ю., Вороничем В.Б. разработан принципиально новый метод измерения вероятностных характеристик пороговой чувствительности каждого канала в отдельности и сканирующего многоканального ОЭП в целом [64, 65]. В этом методе информация о вероятностных характеристиках пороговой чувствительности каждого канала содержится в общих результатах оценок лишь как частный случай. Как и во всех других, рассмотренных выше методах определения пороговой чувствительности, оценки осуществляются с помощью длиннофокусных высокоточных коллиматорных объективов, в фокальной плоскости которых размещаются источники излучения. Новым является то, что облученность на входном зрачке ОЭП формируют совокупностью размещенных в поле его обзора малоразмерных объектов (излучающих диафрагм) в виде матрицы с регулярной структурой столбцов и строк. В матрице малоразмерных объектов направление столбцов совпадает с направлением линейки площадок каналов ОЭП, а размещение малоразмерных объектов в столбце и строке обеспечивает при сканировании в направлении, перпендикулярном направлению столбцов, регистрацию каналами ОЭП распределения пороговой чувствительности для всех положений энергетических центров изображений точечных источников излучений относительно центров соответствующих площадок каналов ОЭП.
Для измерения величины сигналов первоначально совмещают площадки четных каналов ОЭП центрично относительно первого столбца матрицы малоразмерных объектов тестового объекта, снимают и заносят в память ЭВМ сигналы с нечетных каналов ОЭП. После этого совмещают площадки чувствительных элементов нечетных каналов ОЭП центрично относительно первого столбца матрицы малоразмерных объектов тестового объекта и заносят в память ЭВМ сигналы с четных каналов ОЭП.
Топология матрицы малоразмерных объектов, описание которой приведено в следующей главе, обеспечивает то, что величины этих сигналов характеризуют пороговую чувствительность всех каналов ОЭП для всего диапазона взаимных положений изображения малоразмерного объекта относительно центра площадки, т.е. характер распределения пороговой чувствительности с учетом пеленгационных характеристик ОЭП.
С помощью совокупности регистрируемых сигналов рассчитываются вероятностные характеристики пороговой чувствительности ОЭП, включая: - среднее значение сигнала за N сканов для каждого канала ОЭП и для каждого положения изображения малоразмерного объекта относительно центра площадки ФЧЭ U(k,s) рассчитывается по формуле: U(k,s) N 1=1 N (2.38) где / - номер скана, / =1;2 ... N; N - число периодов сканирования; к- номер столбца (номер точечного источника в строке), к =1;2 ... п; п - количество столбцов в матрице источников; s - номер канала ОЭП; s = 1;2 ... т; т - количество каналов ОЭП. - значение энергетической пороговой чувствительности для каждого канала ОЭП в условиях совмещения изображения малоразмерного объекта с центром площадки канала по формуле: Е -ЧМ.Е., (2.39) где Е - облученность на входном зрачке ОЭП от точечного источника 2 излучения, Вт/см2; и о) - напряжение шума S-ого канала ОЭП, В; й (5) - максимальное значение сигнала для S-ого канала ОЭП, соответствующее условиям совмещения точечного источника излучения с е центром u0(S) = max(U(k,s)) ,B . пороговую чувствительность для каждого канала ОЭП для всех заданных тестовым объектом положений малоразмерного объекта относительно центра площадки канала по формуле: р U(k,s) - математическое ожидание пороговой чувствительности для каждого канала ОЭП при условии равновероятного расположения изображения малоразмерного объекта относительно центра площадки канала по формуле: n Eпор(s) k=1 n (2.41) - математическое ожидание пороговой чувствительности ОЭП для условия равновероятного расположения малоразмерного объекта в поле зрения ОЭП по формуле: т 2\, пор(S) _ 1 (2.42) да = пор дисперсию пороговой чувствительности ОЭП для условия равновероятного расположения малоразмерного объекта в поле зрения ОЭП по формуле: ЕЕ (Eпор(k,s)-Eпор 2 s=1 к=1 Е = (2.43). (да -1) (п -1) - плотность вероятности распределения пороговой чувствительности ОЭП с учетом пеленгационных характеристик и разброса чувствительности p(Eпор).
Для учета влияния внешнего фонового излучения на пороговую чувствительность каналов ОЭП предлагается использование комбинированной методики определения пороговой чувствительности, представляющей собой сочетание методов близко расположенного протяженного и коллимированного (удаленного) источников излучения.
Оценка влияния фоновой помехи на плотность вероятности пороговой чувствительности
Пороговая чувствительность канала ОЭП зависит от величины смещения энергетического центра изображения малоразмерного объекта относительно центра площадки канала ОЭП в направлении, перпендикулярном направлению сканирования. Минимальное значение пороговой чувствительности достигается при совмещении центров изображения ЦО и площадки ФЧЭ, максимальное значение пороговой чувствительности имеет место тогда, когда энергетический центр изображения смещается в зазор между площадками ФЧЭ соседних каналов ОЭП.
В реальных условиях при обнаружении ЦО его изображение располагается случайным образом относительно центра чувствительного элемента, поэтому величина пороговой чувствительности носит случайный характер и может изменяться в некоторых пределах.
Так как пороговая чувствительность является величиной случайной, то она характеризуется вероятностными параметрами, плотностью вероятности распределения пороговой чувствительности, математическим ожиданием, дисперсией. Плотность вероятности пороговой чувствительности зависит от плотности вероятности попадания изображения источника в ту или иную точку между двумя чувствительными площадками ФПУ.
Далее будем считать, что размещение центра изображения относительно центра чувствительной площадки носит равновероятностный характер, т. е. плотность вероятности сигнала от точечного источника является величиной постоянной величиной K, причем K =1/a.
Обычно при измерении пороговой чувствительности одноканального ОЭП принимается, что энергетический центр изображения малоразмерного (целевого) объекта совмещается с центром чувствительной площадки. В этом случае плотность вероятности пороговой чувствительности может быть описана дельта-функцией. Для многоканального ОЭП при сохранении условия совмещения центров изображения и площадок, разброс чувствительности каналов является 7 величиной переменной и описывается нормальным законом распределения, поэтому плотность вероятности пороговой чувствительности также может быть представлена нормальным законом.
В данной работе представлен общий случай, при котором разброс чувствительности каналов ОЭП является величиной случайной и описывается нормальным законом распределения, и принимается условие равновероятного положения изображения малоразмерного объекта в поле зрения каналов ОЭП.
Определим плотность вероятности пороговой чувствительности каналов ОЭП с учетом пеленгационных характеристик при условии равенства чувствительности каналов.
Для этого аналогично процедуре измерений (см. п.4.1) с каждого канала ОЭП снимаются и записываются в память ЭВМ сигналы при сканировании линейки ФЧЭ изображением матрицы точечных источников излучения. Для устранения случайных ошибок измерения сигналов с каждого канала ОЭП усреднялись по большому числу периодов сканирования (не менее 10 периодов), т. е. измерение проводилось в режиме накопления и вычисления среднего значения. Далее для каждого канала ОЭП измерялись и записывались в память ЭВМ значения напряжения шума.
По полученным выходным сигналам от малоразмерного источника и напряжения шума вычисляются значения пороговой чувствительности для каждого канала при известном положении малоразмерного источника в поле зрения канала.
Для устранения влияния разброса чувствительности каналов ОЭП (с целью получения зависимости пороговой чувствительности только от пеленгационных характеристик) для каждого канала значение пороговой чувствительности нормировалось по е минимальной величине (см. таблицу 4.3), после чего проводилось вычисление плотности вероятности усредненной пороговой чувствительности P(E n).
На рисунке 4.6 представлены экспериментальная и расчетные (для двух законов аппроксимации пеленгационных характеристик) графики нормированной пороговой чувствительности каналов ОЭП. Рисунок 4.6 - Плотность вероятности значения нормированной пороговой чувствительности каналов ОЭП с учетом пеленгационных характеристик P(E n)
Как видно из таблицы 4.4 и графиков на рисунке 4.6 экспериментальные и расчетные по двум законам аппроксимации пеленгационных характеристик значения плотности вероятности каналов ОЭП практически совпадают. Далее будем учитывать при определении плотности вероятности пороговой чувствительности не только пеленгационные характеристики, но и разброс чувствительности каналов ОЭП. Для этого воспользуемся вычисленными значениями пороговой чувствительности для каждого из положений малоразмерного источника в поле зрения каналов ОЭП. В качестве примера в таблице 4.5 приведены вычисленные значения пороговой чувствительности для положений малоразмерного источника в поле зрения первых 20-ти каналов ОЭП (всего в макете ОЭП 200 каналов). 1