Системы ближней оптической локации с шумовой синхронизацией излучения Серикова, Мария Геннадьевна

Введение к работе

Актуальность работы

Под системами ближней оптической локации (СБОЛ) будем понимать такие системы, для которых временная протяженность до цели сопоставима или несколько больше длительности излучаемого сигнала (порядка 100 - 200 нс). К этому классу систем относятся, например, неконтактные импульсные оптические взрыватели, датчики препятствий, системы ближней навигации робототехнических комплексов. СБОЛ - бортовые приборы, к которым предъявляются жесткие требования по энергопотреблению при минимальных габаритно-весовых характеристиках. Эти приборы должны работать в сложных атмосферных условиях (туман, дождь, задымление, вхождение в облачность), когда необходимо бороться с помехами обратного рассеяния при отсутствии априорной информации о характеристиках этих помех. При этом на рабочей дистанции СБОЛ (порядка 10 - 15 м) невозможно использовать временное стробирование, поскольку максимум помехи обратного рассеяния приходится на момент детектирования полезного сигнала. Кроме этого в процессе работы в широких пределах может изменяться фоноцелевая обстановка.

Известно, что вследствие инерционности приема, свойственного СБОЛ, в условиях оптимальной обработки принимаемой смеси сигнала с шумом не удается каким-либо способом получить энергетический выигрыш, используя классическую процедуру принятия решений. Использование процедуры последовательного анализа, в определенной степени, может снизить требуемую мощность излучения, но увеличит вероятность непринятия решения, что опасно, например, для оптических взрывателей.

Применение принципа шумовой синхронизации излучения дает возможность получить существенный энергетический выигрыш, позволяющий минимизировать энергетические или габаритно-весовые характеристики систем (уменьшение площади входного зрачка приемного объектива). Поэтому исследование СБОЛ с шумовой синхронизацией и обоснование возможности получения энергетического выигрыша в указанных системах является актуальной проблемой.

Подтверждением актуальности работы является согласованность тематики с интересами технологической платформы «Фотоника», в рамках которой

совершенствуются рассматриваемые в работе разнообразные оптико-электронные системы специальных применений, например, дальномеры, бортовые системы управления движением беспилотных летательных аппаратов, планетоходов и др.

Указанные обстоятельства определяют актуальность выбора в качестве объекта исследования системы ближней оптической локации, а в качестве предмета исследования - оптимизацию энергетических характеристик системы посредством применения принципа шумовой синхронизацией излучения.

Целью работы является обоснование возможности получения энергетического выигрыша в системах ближней оптической локации посредством применения принципа шумовой синхронизации излучения и разработка системотехнических решений для его реализации в сложных метеорологических условиях.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Получение плотностей вероятности длительности интервалов между выбросами случайного процесса для нескольких уровней пересечения при различных энергетических спектрах процесса.

2. Вывод аналитических соотношений для расчета вероятностей ложной тревоги а и пропуска цели в в СБОЛ, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения.

3. Разработка методики энергетического расчета СБОЛ, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения, для определения минимальной величины сигнала, требуемой для обеспечения заданных вероятностных характеристик обнаружения.

4. Разработка системотехнических решений, реализующих принцип шумовой синхронизации излучения в СБОЛ.

5. Разработка способов борьбы с помехой обратного рассеяния, в том числе, при сложных метеорологических условиях.

Методы исследования

Диссертация выполнена на основе теории оптико-электронных приборов, линейной фильтрации, теории случайных процессов и прикладной теории статистических решений. Экспериментальные исследования проведены методом имитационного компьютерного моделирования на основе пакетов MATLAB и Mathcad.

Научная новизна работы

5. 1. Разработан метод обнаружения сигналов в системах ближней оптической локации, обеспечивающий более чем 2-х кратное сокращение требуемой энергии излучения по сравнению с классической методикой обнаружения.

   2. Получены кривые плотностей вероятностей длительностей интервалов между выбросами случайного процесса на выходе фильтров при пересечении различных уровней с положительной и отрицательной производными для белых и окрашенных входных шумов, требуемые для расчета вероятности ложной тревоги в системах ближней оптической локации, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения.

   3. Разработаны методы и схемы борьбы с помехой обратного рассеяния и дробовым эффектом, вызванным этой помехой, в системах оптической локации при сложных метеорологических условиях посредством дифференциального приема и пространственной селекции.

   Основные результаты, выносимые на защиту

   5. 3. 1. Метод обнаружения сигналов в системах ближней оптической локации, применение которого позволяет снизить требуемую энергию излучения более чем в два раза по сравнению с классической методикой обнаружения.

         2. Методика энергетического расчета СБОЛ, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения, для определения минимальной величины сигнала, необходимой для обеспечения заданных вероятностных характеристик обнаружения.

         3. Системотехнические решения для систем ближней оптической локации, реализующие разработанный метод обнаружения.

         4. Методы борьбы с помехой обратного рассеяния и дробовым эффектом, вызванным этой помехой, в системах как ближней, так и дальней оптической локации и системотехнические решения для их реализации.

         Практическая ценность результатов работы состоит в том, что

         5. 3. 4. 1. Разработанный метод обнаружения сигналов, адаптивный к действию шумов на выходе приемно-усилительного тракта, позволяет реализовывать системы ближней оптической локации, в которых преодолены критические требования по энергопотреблению и габаритно-весовым характеристикам.

                  2. Разработанная имитационная компьютерная модель является гибким средством для изучения шумовых процессов при разработке оптико-электронных систем различного назначения.

                  3. Разработанная методика расчета величины сигнала в системах ближней оптической локации позволяет определить величину энергетического выигрыша от применения принципа шумовой синхронизации излучения.

                  4. Системотехнические решения для реализации систем ближней оптической локации могут быть использованы в качестве основы при проектировании оптико-электронных приборов различного назначения.

                  5. Разработанные методы борьбы с помехой обратного рассеяния позволяют эффективно устранять указанную помеху даже в сложных метеорологических условиях.

                  Практическая реализация результатов работы

                  Результаты работы отражены в 7 отчетах по НИР, проводимых коллективом Научно-образовательного центра оптико-электронного приборостроения НИУ ИТМО, что подтверждено актами использования материалов при выполнении НИР, а также в учебном процессе кафедры оптико-электронных приборов и систем НИУ ИТМО.

                  Развитие исследований в рамках диссертационной работы поддержано премиями SPIE Scholarship 2011 и SPIE D.J. Lovell Scholarship 2012, грантом правительства г. Санкт-Петербурга 2011 г.. Вклад автора в развитие указанной тематики был отмечен дипломом 15 Всероссийского конкурса магистерских диссертаций по «Приборостроению, Оптотехнике, Фотонике и Оптоинформатике».

                  Апробация работы

                  Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9 конференциях, 4 из которых международные: XXXIX, XL , XLI научные конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2010, 2011, 2012 гг.); VII, VIII Всероссийские межвузовские конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2010, 2011 гг.), IX, X Международные конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2010, 2012 гг.); XX Международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, Россия, 2010 г.), Международная конференция SPIE Optics+Photonics (г. Сан Диего, США, 2011 г.).

                  Выступления с положениями диссертации отмечены двумя дипломами за лучшие доклады:

                  - «Анализ распределения интервалов между выбросами случайного процесса и возможность построения систем ближней локации с шумовой синхронизацией» в рамках VII Всероссийской Межвузовской конференции молодых ученых;

                  - «Шумовая синхронизация в системах ближней лазерной локации» в рамках VIII Всероссийской Межвузовской конференции молодых ученых.

                  Публикации

                  По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях из перечня ВАК (из них 1 статья в издании, включенном в систему цитирования Scopus), 4 - в трудах международных конференций.

                  Структура и объем работы

                  Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 85 наименований. Общий объем работы составляет 117 страниц, включая 62 рисунка, 1 таблицу, 1 приложение.

                  Похожие диссертации на Системы ближней оптической локации с шумовой синхронизацией излучения

                  

                  Разработка схем и методов расчета оптических систем преобразования излучения в световую трубкуСанталина, Ирина Юрьевна

                  

                  Разработка и исследование системы оптико-электронной обработки сигналов в тепловизорах с матричными приемниками излученияКремис, Игорь Иванович

                  

                  Разработка оптоэлектронных систем для измерения 3D геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излученияДвойнишников Сергей Владимирович

                  

                  Оптимизация параметров системы распознавания объектов по дальностным портретам в импульсной лазерной локацииСмирнова Юлия Леонидовна

                  

                  Разработка технических средств снижения шумовых излучений системы газообмена двигателя легкового автомобиляМалкин Илья Владимирович

                  Анализ влияния на радиомаячную систему посадки излучения радиотехнических средств. Расположенных в зоне аэроузлаПечинкин, Александр Васильевич

                  Численное моделирование сложных лазерных резонаторов и систем формирования излучения на основе методов лучевой и дифракционной оптикиВоронов, Виктор Иванович

                  

                  Методы и средства температурной градуировки бортовых ИК радиометров теплового излучения в системах дистанционного зондированияТолстых Геннадий Николаевич

                  Моделирование распространения электромагнитного излучения в системах, содержащих дифракционные оптические элементы, методом разностного решения уравнений МаксвеллаГоловашкин, Димитрий Львович

                  Математическое моделирование переноса солнечного излучения в системе атмосфера-океанКуликов, Алексей Константинович