Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методические основы исследований, описания и оценки информативности отражательных характеристик объектов и фонов (помех) 17
1.1 Параметры и характеристики отраженного излучения как информативные признаки (сигнатуры) объектов и фонов 17
1.1.1. Назначение, обобщенная схема и уравнения сигналов и помех систем лазерной локации 17
1.1.2. Входные воздействия, структура и основные характеристики систем обнаружения объектов , 22
1.1.3. Входные воздействия, структура и основные характеристики систем измерения параметров сигнала 26
1.1.4. Входные воздействия, структура и основные характеристики систем распознавания объектов 28
1.1.5. Критерии и способы оценки информативности признаков объектов в задачах локации 35
1.2. Описание полей зондирующего и отраженного от объектов регистрируемого лазерного излучения 39
1.2.1. Структура и специфика зондирующего и отраженного от объектов регистрируемого лазерного излучения и методы его модельного описания 39
1.2.2. Статистическое описание полей зондирующего и отраженного от объектов регистрируемого лазерного излучения 41
1.2.3. Условия и границы применимости детерминистского (классически фотометрического) описания сигналов в лазерной локации 57
1.2.4. Основные виды отражательных характеристик объектов в лазерной локации и форма их записи в зависимости от эталонной базы — З —
1.3 Методы, структура средств, физические аспекты исследований и описания отражательных характеристик объектов 79
1.3.1. Методы исследований отражательных характеристик объектов 79
1.3.2. Структура средств исследований отражательных характеристик объектов 82
1.3.3. Физические аспекты исследований и описания отражательных характеристик объектов ;83
1.4. Выводы 84
Глава 2. Экспериментальные исследования и модельное описание амплитудньіх (энергетических) и поляризационных отражательных характеристик образцов покрытий объектов и подстшіающих поверхностей ... 88
2.1. Структура поляризационных матриц поверхностей при направленной подсветке .91
2.2. Методика измерений диаграмм и индикатрис коэффициентов яркостей элементов поляризационных матриц образцов покрытий объектов и подстилающих поверхностей 97
2.3. Аппаратура для измерений диаграмм и индикатрис энергетических и поляризационных отражательных характеристик образцов покрытий объектов и подстилающих поверхностей 100
2.4. Экспериментальные исследования энергетических и поляризационных отражательных характеристик образцов покрытий объектов и подстилающих поверхностей 107
2.5. Математическая модель индикатрис энергетических и поляризационных отражательных характеристик образцов покрытий объектов при направленной подсветке 139
2.6. Выводы 146
Глава 3. Физическое моделирование отражательных характеристик объектов 148
3.1. Условия физического моделирования отражательных характеристик объектов в оптической локации 148
3.2. Анализ влияния поляризации зондирующего излучения на величину амплитудных отражательных характеристик объектов при неполяризованном приеме 153
3.3. Лабораторный моделирующий комплекс для исследований отражательных характеристик объектов
3.3.1. Описание установки ИФ-106 156
3.3.2. Описание установок УС-1 иУС-2 159
3.3.3. Описание установки УС-1-Д 162
3.3.4. Описание установки УС-У 166
3.3.5. Описание установки ГОНИОФОРМ 168
3.4. Результаты физического моделирования отражательных характеристик объектов 168
3.4.1. Амплитудные отражательные характеристики (ЭОП) объектов 169
3.4.2. Яркостные и дальностно-яркостные изображения объектов и их характеристики 175
3.4.3. Оценка точности физического моделирования отражательных характеристик объектов 182
3.5. Статистическая модель ЭОП самолетов-целей в зональных углах ориентации 183
3.6. Выводы 188
Глава 4. Натурные исследования отражательных характеристик объектов и фонов 191
4.1. Средства и методы исследований отражательных характеристик объектов и фонов в натурных условиях 191
4.1.1. Описание установки СКИФ-106 и методы исследований отражательных характеристик объектов и ландшафтных образований 192
4.1.2. Описание установки МИФ-091 и метода исследований диаграмм обратного рассеяния подстилающих поверхностей с борта автолаборатории 196
4.1.3. Описание установки ФБЛ-106 и метода измерения диаграмм обратного рассеяния фонов с борта вертолета-лаборатории 199
4.2. Результаты натурных исследований отражательных характеристик объектов и фонов 202
4.2.1. Исследования эффективных отражающих площадей самолета-цели на длине волны 1,06 мкм для условий однопозиционной локации 202
4.2.2. Исследования индикатрис интегральных коэффициентов яркости танка на длине волны 1,06 мкм 204
4.2.3. Исследование отражательных характеристик объектов наземной техники и ландшафтных образований на длине волны 1,06 мкм для условий однопозиционной локации 207
4.2.4. Исследования отражательных характеристик объектов наземной техники и ландшафтных образований на длине волны 10,6 мкм для условий однопозиционной локации 213
4.2.5. Исследования диаграмм обратного рассеяния подстилающих поверхностей на длине волны 0,91 (1,06) мкм 215
4.3. Сопоставление результатов натурных исследований отражательных характеристик объектов с результатами расчетных исследований и физического моделирования 218
4.4. Выводы 219
Глава 5. Математическое имитационное моделирование отражательных характеристик объектов и фонов 222
5.1. Обобщенная структурная схема имитационной модели отражательных характеристик объектов и фонов 225
5.2. Задание системы координат и геометрии локации 227
5.3. Алгоритмы описания конфигурации (формы) поверхностей объектов и фонов
5.3.1. Описание конфигурации поверхностей объектов сложной формы 229
5.3.2. Описания рельефа подстилающих поверхностей и ландшафтных образований земли 231
5.3.3. Описание конфигурации взволнованной водной поверхности 235
5.4. Модифицированный фасетно-лучевой метод счета сигналов и процедура его реализации 238
5.5. Результаты расчетных исследований отражательных характеристик объектов и фонов 243
5.5.1. Результаты расчетных исследований отражательных характеристик самолетов-целей 243
5.5.2. Результаты расчетных исследований отражательных характеристик наземных объектов и фонов 248
5.5.3. Результаты расчетных исследований отражательных характеристик надводных объектов и взволнованной водной поверхности 253
5.6. Оценка точности имитационного моделирования отражательных характеристик объектов и фонов 257
5.7. Выводы 259
Глава 6. Исследования информативности отражательных характеристик объектов в задачах обнаружения, измерения, наведения и распознавания 262
6.1. Оптимизация пространственно-временного формирования зондирующих и приема стационарно отраженных сигналов в задачах обнаружения и измерения 262
6.1.1. Общее выражение для отношения предельных дальностей действия систем при временном преобразовании сигналов 263
6.1.2. Эффективность преобразования энергетического подобия сигналов в задачах оптимального обнаружения и измерения на фоне нормальных шумов.. 265
6.1.3. Влияние формы сигналов на характеристики обнаружения и измерения
при оптимальном приеме на фоне нормальных шумов 267
6.1.4. Влияние формы сигналов на характеристики обнаружения и измерения при квазиоптимальном приеме на фоне нормальных шумов 269
6.1.5. Пороговая чувствительсноть локатора с импульсно-периодическим зондированием и дискретной обработкой (накоплением) сигналов...278
— 7 —
6.1.6. Преобразование энергетического подобия сигналов на фоне дискретных (Пуассоновских) шумов 281
6.1.7. Оптимизация пространственно-временного формирования полей и режима обзора пространства
6.2. Амплитудный (энергетический) и поляризационный контрасты объектов на подстилающих поверхностях, ландшафтных образованиях и нефтяной пленки на воде 292
6.3. Нестационарный временной отклик объектов в задаче обнаружения 298
6.4. Нестационарный временной отклик объектов в задаче дальнометрирования 308
6.5. Контраст амплитудно-временных отражательных характеристик объектов и диффузных помех в задачах обнаружения 314
6.6. Контраст пространственно-частотных отражательных характеристик объектов и диффузных помех в задачах обнаружения 323
6.7. Характеристики положения энергетического центра изображения объектов в задачах лазерно-локационного наведения. 327
6.8. Информативность признаков объектов в задаче распознавания 333
6.9. Выводы 337
Заключение 342
Сокращения 348
Список использованной литературы
- Входные воздействия, структура и основные характеристики систем обнаружения объектов
- Методика измерений диаграмм и индикатрис коэффициентов яркостей элементов поляризационных матриц образцов покрытий объектов и подстилающих поверхностей
- Результаты физического моделирования отражательных характеристик объектов
- Влияние формы сигналов на характеристики обнаружения и измерения при квазиоптимальном приеме на фоне нормальных шумов
Введение к работе
Актуальность темы
Активная оптическая (лазерная) локация является одним из важнейших направлений современной оптики и локационной техники. Суть ее заключается в получении информации об объекте локации (цели, среде) по отраженному сигналу зондирующего излучения. Интерес к оптической локации возник в связи с рядом ее достоинств по сравнению с радио- и другими видами локации и прежде всего в связи с возможностью получения более высокой направленности зондирующего излучения и пространственно-временного разрешения объекта наблюдения.
Первые в мире разработки систем активной локации были выполнены в Государственном оптическом институте (ГОИ) им. СИ. Вавилова в предвоенные годы Лебедевым А.А., Балаковым В.В., Вафиади В.Г. и в 50-е годы коллективами Эмдина С.Я., Ванюкова М.П. и Попова Ю.В. на основе газоразрядньк источников излучения. Создание оптических квантовых генераторов (лазеров), обладающих значительно более высокой пространственной и спектральной плотностью мощности излучения, простотой его модуляции (формирования) и рядом других преимуществ по сравнению с традиционными источниками, открыло значительные перспективы для развития данного напраатения. Уже в 1963-64 гг. в ГОИ под руководством Хайтуна Ф.И. и Мака А А. при участии автора был разработан один из первых отечественных лазерных импульсно-периодических дальномеров-целеуказателей, существенно пдгекрывающий по своим возможностям системы с газоразрядными источниками излучения. Последующие годы характеризуются быстрым расширением круга разработчиков, номенклатуры и областей применения лазерно-локационных систем.
Рациональное проектирование систем лазерной локации и оценка их возможностей для заданных условий применения требует:
знания закономерностей прохождения, поглощения и рассеяния оптического излучения на пути источник-среда-обьект-среда-приемник и формирования регистрируемых приемной системой локатора сигналов, создаваемых отраженным от объектов и фонов (подстилающих поверхностей, ландшафтных образований, среды) излучением;
получения данных о реализациях сигналов и помех для заданных условий локации, выявления и оценки информативности содержащихся в них отличительных признаков объектов и фонов (помех);
оптимизации формирования полей зондирующего и приема (обработки) отраженного излучения на фоне шумов и помех в обеспечение решения задач
обнаружения, измерения параметров и распознавания объектов, а также наведения системы на объект.
Для решения указанных проблем, составляющих основу теории лазерной локации, знание только положений классической оптики и фотометрии не достаточно. Необходимо привлечение ряда положений из квантовой электроники, статистической оптики, теории оптимальных статистических решений, радиотехники и радиолокации. Последней - как наиболее близкой к лазерной локации в силу единой природы электромагнитного излучения. Исследования и разработки, выполненные коллективами Хайтуна Ф.И. (в том числе автором, Лебедько Е.Г., Шемше-диповым Р.Б.), Шестова Н.С., Курикшы А.А., Бакута П.А, Устинова Н.Д., Кра-совского P.P., Мусьякова М.П., Чабдарова Ш.М., Зуева B.C. (в том числе Орловым В.М., Самохваловым И.В.. Крековым Г.М.) и др., показали, что не все положения, используемые в радиолокации, можно однозначно переносить в оптику. Требуются весьма существенные коррективы, обусловленные спецификой проявления волновой (спекл-эффекты) и корпускулярной природы оптического излучения при его распространении, рассеянии и приеме.
Одним из ключевых звеньев в решении указанных проблем является необходимость достаточно полного и адекватного реальным условиям локации описания отраженных от объектов и фонов сигналов. Отражательные характеристики (ОХ) объектов и фонов, представляющие собой в широком смысле приведенные ко входу приемной системы сигналы, а в узком смысле -инварианты сигналов, определяются рассеивающими свойствами покрытий и формы объектов (фонов), а также параметрами системы и'условиями облучения и приема, т.е. зависят от большого числа различных факторов. В зависимости от параметров зондирующего и регистрируемого излучения ОХ объектов и фонов (среды) подразделяются на амплитудные (энергетические), поляризационные, временные, пространственные и пространственно-временные и прочие одномерные и многомерные характеристики. В зависимости от условий (геометрии) облучения и наблюдения они подразделяются на одно- и двухпозицнонные (источник и приемник соответственно совмещены и разнесены), интегральные и дифференциальные (соответственно объект вписывается в поля или частично облучается и наблюдается).
Имеющиеся в литературе данные по ОХ объектов и фонов применительно к условиям лазерной локации относятся в основном к интегральным амплитудным характеристикам на длинах волн видимого и ближнего ИК-диапазона и однопозиционных условий локации. Сведений по амплитудным ОХ объектов и фонов для средней и дальней ИК-области спектра, а также поляризационным, временным, пространственным и др. ОХ объектов и фонов
для всего многообразия параметров систем и условий локации не достаточно. При этом экспериментальные данные, полученные, как правило, разработчиками систем в процессе их испытаний, не всегда методически и метрологически обоснованы. Известные математические модели не обеспечивают приемлемой точности определения ОХ объектов и фонов сложной конфигурации с направленно-рассеивающими и бликующими (зеркальными) покрытиями.
Отличительные признаки объектов и фонов, содержащиеся в реализациях регистрируемых сигналов и помех и полагаемые в основу решения локационных задач, определяют структуру, правила принятия решения и выходные характеристики систем. Естественна при этом потребность в выявлении отличительных признаков объектов и фонов в регистрируемых сигналах и оценке их информативности п обеспечение решения задач обнаружения, измерения, наведения и распознавания с максимальной эффективностью в заданных условиях применения. Следует отметить, что исследования в обеспечение решения указанных проблем, несмотря на их актуальность и практическую значимость, не нашли в литературе достаточно полного освещения.
Цель и задачи работы.
Целью настоящей работы является разработка методов и средств исследования и адекватного описания (моделирования) одномерных и многомерных ОХ объектов и фонов, оценки информативности содержащихся в них отличительных признаков и оптимизации формирования и приема отраженных сигналов в обеспечение решения задач лазерно-локационного обнаружения, измерения, наведения и распознавания.
Для достижения указанной цели требовалось решить следующие основные задачи:
-
Провести анализ физической природы и выявить основополагающие факторы математического описания структуры полей зондирующего и отраженного от объектов (фонов) регистрируемого лазерного излучения.
-
Разработать систему фотометрических величин, характеризующих одномерные и многомерные ОХ объектов и фонов как инварианты сигналов систем лазерной локации, а также методы их достоверных измерений.
-
Разработать комплекс аппаратуры для измерений ОХ материалов покрытий объектов, объектов и фонов (подстилающих поверхностей и ландшафтных образований) в стендовых (на образцах покрытий, фрагментах фонов и масштабных физических моделях объектов) и в натурных условиях.
-
Провести измерения диаграмм (обратного рассеяния) и индикатрис (коэффициентов яркости) элементов поляризационных матриц образцов ти-
повых покрытий объектов, подстилающих поверхностей и ландшафтных образований; выявить закономерности их формирования, разработать математические модели и оценить точность последних.
-
Провести измерения амплитудных, временных, поляризационных, пространственных и пространственно-временньп ОХ типовых объектов и фонов для характерных условий лазерной локации в обеспечение создания базы исходных данных по ОХ объектов и фонов как контрольных и разработки их имитационных моделей.
-
Разработать математические имитационные (алгоритмические) модели одномерных и многомерных ОХ объектов и фонов, а также объектов на фонах и формируемых на их основе сигналов в системах лазерной локации. Провести оценку точности имитационных моделей путем сопоставления результатов расчетов и экспериментов.
-
Определить критерии и разработать методы и средства (алгоритмы и программы) оценки информативности ОХ объектов и фонов, а также оптимизации на их основе параметров, структуры и алгоритмов функционирования систем лазерно-локационного обнаружения, измерения, наведения и распознавания.
-
Провести исследования информативности ОХ объектов и фонов и определить закономерности оптимизации формирования зондирующих и приема отраженных сигналов для характерных условий и задач лазерной локации.
Новые научные результаты работы, представляемые к защите:
-
Определен вид и параметры распределения интенсивности отраженного от объектов и фонов регистрируемого лазерного излучения и установлены границы применимости его детерминистского (классически фотометрического) описания в зависимости от характеристик объектов (фонов), параметров системы и условий локации.
-
Предложена и обоснована система фотометрических величин, характеризующих амплитудные, временные, поляризационные, пространственные, пространственно-временные и пр. ОХ объектов и фонов для условий активной оптической (лазерной) локации.
-
Выявлены значимые элементы поляризационных матриц диаграмм и индикатрис поверхностей объектов при направленной подсветке и определена их структура и связь с базовыми компонентами.
4. Определены условия адекватного физического моделирования ОХ
объектов в лазерной локации.
5. Разработана, создана и метрологически аттестована аппаратура для
измерения диаграмм и индикатрис элементов поляризационных матриц об
разцов покрытий объектов, а также образцов подстилающих поверхностей и
фрагментов ландшафтных образований на длинах волн 0,27; 0,49; 0,53; 0,63;
0,69; 0,91; 1,06; 1,15; 3,39; 5,0 и 10,6 мкм в лабораторных условиях.
-
Разработан и создан комплекс аппаратуры для измерения амплитудных, временных, поляризационных, пространственных и пространственно-временных ОХ объектов в стендовых условиях (на масштабных физических моделях объектов) на длинах волн по п.5 и в натурных условиях на длинах волн 0,91; 1,06 и 10,6 мкм для условий одно- и двухпозиционной локации.
-
Получена базовая совокупность экспериментальных данных по ОХ покрытий объектов, объектов и фонов, представительная по видам ОХ, типам покрытий, формам объектов, типам подстилающих поверхностей и ландшафтных образований, длинам волн излучения лазеров и направлений облучения и наблюдения. Вьивлены закономерности формирования диаграмм и индикатрис ОХ объектов и фонов от ряда физических и рефлектометрических параметров их покрытий, а также формы поверхностей и условий локации.
-
Разработана математическая модель индикатрис энергетических и поляризационных ОХ материалов покрытий объектов на основе ряда их экспериментально получаемых рефлектометрических параметров.
-
Разработаны оригинальные математические имитационные модели одномерных и многомерных ОХ объектов сложной формы с произвольным покрытием (от диффузного до зеркального) и фонов (подстилающих поверхностей и ландшафтных образований), а также объектов на фонах для одно- и двухпозиционных условий лазерной локации квадратичного приема.
-
Определены критерии, разработаны методы и средства количественной оценки информативности ОХ объектов и фонов, а также оптимизации на их основе параметров, структуры и алгоритмов функционирования лазер-но-локационных систем обнаружения, измерения, наведения и распознавания.
-
Проведены исследования информативности амплитудных, временных, поляризованных, пространственных и пространственно-временных ОХ объектов и фонов для характерных задач обнаружения, дальнометрии, наведения и распознавания в лазерной локации и на их основе установлен ряд принципиальных положений (методов и схемных решений) оптимального и квазиоптималыюго пространственно-временного формирования полей зондирующего и приема (обработки) отраженного излучения (сигналов) на фоне шумов и помех, в том числе диффузных.
Практическая ценность работы состоит:
в создании методов и средств (аппаратуры, алгоритмов, программ) измерений и расчетных исследований ОХ объектов и фонов, а также формируемых на их основе сигналов практически для всего многообразия условий лазерной локации квадратичного приема;
в разработке методов и средств оценки информативности ОХ объектов и фонов и оптимизации на их основе параметров, структуры, правил принятия решений и выходных характеристик систем;
в результатах исследований амплитудных, временных, поляризационных, пространственных и пространственно-временных ОХ большого разнообразия объектов и фонов, оценки их информативности, а также выводах и рекомендациях по оптимальному формированию и приему сигналов и их использовании в разработках ряда современных систем лазерной локации.
Практическая ценность полученных результатов подтверждается более, чем 70 актами их использования в разработках УОМЗа (г. Свердловск), КБП (г. Тула), КБМ (г. Коломна), НПО "Астрофизика", ЦКБ "Геофизика", ВИАМ (г. Москва), ЦНИИ им. Н.И. Крылова, ЛОМО (г. Санкт-Петербург), з-да "Арсенал" (г. Киев) и др.
Личным вклад автора.
Настоящая диссертация представляет собой обобщение многолетних исследований автора в области активной оптической локации, выполненных лично и в соавторстве с коллегами и учениками. В опубликованных работах автору принадлежит постановка задач, разработка критериев и методов исследований, разработка структуры и ряда принципиальных узлов приборных средств, разработка теоретических моделей и алгоритмов математических имитационных моделей, выводы. Автор принимал непосредственное участие в измерениях и расчегах с использованием моделей, проводил анализ результатов и их обобщение.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались на:
V, VI, VIII, IX, X и XIII Всесоюзном семинаре "Импульсная фотометрия" (г. Москва, 1974, 1976, 1980,1982, 1984, 1990 гг.);
Всесоюзной научно-технической конференции "Применение лазеров в науке и технике" (г. Ленинград, 1980 г.);
- III отраслевом семинаре "Состояние и перспективы развития исследований
и разработок в области оптических покрытий" (г. Казань, 1981 г.);
IV и VIII Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия к ее метрологическое обеспечение" (г. Москва, 1982 и 1990 гг.);
IV Всесоюзной научно-технической конференции "Оптика лазеров" (г. Ленинград, 1984 г.);
Межведомственном научно-техническом координационном совете (МНТКС) по объектам и фонам при ГОИ им. СИ. Вавилова (г. Ленинград, 1978,1980,1985,1990,1993 гг.).
"Статистическая модель ЭПР самолетов-целей в лазерной локации", разработанная автором с сотрудниками, утверждена МНТКС в 1982 г.
Результаты работы представлены в 27 отчетах по научно-исследовательским работам, заданным государственными программами и по заказам предприятий и организаций, выполненным под научным руководством автора.
Публнкащбн по работе.
Результаты работы нашли отражение в 72 статьях и 13 тезисах докладов, опубликованных в отечественных научных хурналал и тематических сборниках. Оригинальные технические решения подтверждены 11 авторскими свидетельствами.
Структура и объем работы^
Входные воздействия, структура и основные характеристики систем обнаружения объектов
Лазерно-локационные системы предназначены для получения информации об удаленном объекте (цели). Такой информацией может служить наличие объекта в поле зрения локатора, его координаты, характеристики движения, энергетические, геометрические (метрические, структурные, топологические) и текстурные характеристики (признаки) объекта или его образа (изображения). Носителями указанной локационной информации являются параметры (характеристики) отраженного от объекта зондирующего излучения, основными из которых, в зависимости от типа системы и ее назначения, служат длина волны (частота), амплитуда, фаза (время задержки), длительность импульса, состояние поляризации и когерентные свойства излучения.
Полезная информация об объекте содержится в отраженном от него излучении локатора, поступающем на вход приемной системы, называемом излучением сигнала, несущим след передаточной характеристики объекта на рабочих параметрах зондирующего излучения. При этом под передаточной характеристикой объекта понимается определенным образом нормированная реакция объекта на те или иные (по отдельности или в некоторой связи) параметры (характеристики) зондирующего излучения. Извлечение полезной информации об объекте из входной реализации, содержащей сигнал и помеху или только помеху, осуществляется путем ее специальной обработки. Вид и количество извлекаемой информации существенно зависит от типа решаемой задачи, функционального назначения, структуры и условий применения системы. Под условиями применения могут пониматься также наличие или отсутствие той или иной априорной информации об объекте и помехах. Локационные системы подразделяются: - по дальности - на системы ближней и дальней локации; - по типу излучения - на непрерывные, импульсные и импульсно- периодические; - по методу приема - на системы прямого усиления (квадратичные энергетические) и гетеродинные (гомодинные); - по наличию угла между направлениями облучения и приема - на однопози-ционные (безбазовые) и двухпозиционные; - по пространственному разрешению цели - на узкопольные и широкополь-ные; - по способу обзора пространства - на сканирующие и не сканирующие; - по информационному назначению - на системы обнаружения, измерения и распознавания целей; - по специальному целевому назначению в едином комплексе с системой управления и другими средствами - на системы целеуказания, наведения и др.
В качестве целей выступают как правило искусственные объекты: космические, воздушные, наземные, надводные и подводные. В ряде приложений (в частности навигации) в качестве объектов локации могут выступать характерные участки (сцены) местности, включающие естественные ландшафтные образования. В качестве фонов выступают подстилающие поверхности Земли и ее ландшафтные образования, поверхность моря, облака, т.е. протяженные образования. Ложными целями являются естественные (облака пыли, дыма, отдельные деревья, кусты и т.д.) и искусственные (катафоты, ДОСы, ДОФы и т.п.), образования и объекты, соизмеримые с целью. Среда, фон, ложные цели являются источниками образования помех, обусловленных рассеянием собственного излучения локатора и других излучателей.
Обобщенная схема лазерно-локационного "наблюдения" объектов представлена на рис. 1.1. Под термином "наблюдение" в данном случае по аналогии с [61] понимается извлечение полезной информации из входной реализации и принятие решения об объекте в задаче обнаружения, измерения, наведения и распознавания. Схема состоит из двух основных частей: локатора и пространства наблюдения (обзора). Локатор включает излучающее устройство - лазер (1) и передающий объектив (2), приемное устройство - приемный объектив (3) и фотоприемное устройство (4), устройство обработки сигнала (5), решающее устройство (6), систему управления (7) и опорный канал (8). Пространство обзора включает среду распространения излучения (атмосферу, воду, безвоздушное пространство) и может включать объект (цель), фон, помехи в той или иной комбинации, определяемой условиями наблюдения. Передающее устройство Система7 УПРОВ-Я
Излучение лазера (1) Ga(v„), характеризующееся параметрами vn, сформированное определенным образом передающей оптической системой (2) с передаточной характеристикой Жт(\к), посылается в виде зондирующего излучения G3(v„ J, являющегося сверткой векторов G„(v„) и Жт (vk). Это излучение проходит через среду
(атмосферу, дым и т.п.), ослабляется и рассеивается ею в соответствии с передаточными характеристиками (v,) и AL(vg) на пути источник-цель (LJ. Часть ослабленного средой зондирующего излучения G3(v„м) = Аи(v,) G3(vnк) попадает на цель, отражается от нее в направлении на приемник в соответствии с передаточной характеристикой \{ут) и, проходя через среду на пути цель-приемник (l2), попадает на приемный объектив (3) локатора. Излучение сигнала от цели в этом случае записывается в виде
Методика измерений диаграмм и индикатрис коэффициентов яркостей элементов поляризационных матриц образцов покрытий объектов и подстилающих поверхностей
Система распознавания состоит из четырех основных блоков. Блок I представляет собой комплекс измерительных и вычислительных средств получения априорной базы знаний об условиях локации, структуре и входных воздействиях локатора, характеристиках и признаках распознаваемых объектов (целей), фонов и помех. Блок II представляет собой блок априорной базы знаний, реализуемой на основе программно-вычислительных средств и средств памяти, и включает: библиотеку исходных данных об объектах распознавания, фоновой и помеховой обстановке (их образах, моделях, информативности); алгоритмы (принципы) классификации объектов в зависимости от содержательной интерпретации задачи, объема априорных исходных данных и структуры системы; алфавит(-ы) классов объектов для различных принципов классификации; словарь(-и) признаков объектов; априорное описание классов объектов на языке признаков; решающие правила (алгоритмы) распознавания объектов для различных наборов априорных исходных данных, принципов и алгоритмов их классификации и описания. Блок III представляет собой собственно локатор, включающий приемно-пе-редающее устройство БІІІ-1, устройство предварительной обработки сигналов БШ-2, устройство выявления рабочих признаков БШ-3, устройство хранения и переработки априорной базы знаний БШ-4, решающее устройство БШ-5. При этом приемно-пере-дающее устройство осуществляет зондирование рабочего пространства и преобразование отраженного лазерного излучения от целей, фонов и помех в реализации сигнал-помеха или только помеха, представляющих в задаче лазерно-локационного распознавания, как правило, многомерные изображения фоноцелевой обстановки, искаженные помехами, которые вместе с шумами аппаратуры поступают на устройство предварительной обработки сигналов. Последнее осуществляет такое преобразование входной реализации сигнал-помеха (помеха), которое обеспечивает повышение надежности или качества выявления рабочих признаков целей на фоне мешающих воздействий и соответственно повышения эффективности распознавания целей. Устройство выявления рабочих признаков обеспечивает путем прямых измерений или сравнением с эталоном (эталонным изображением), поступающим с устройства БШ-4, получение параметров и характеристик сигналов и изображений, несущих информацию о цели. Устройство хранения и переработки оперативной базы знаний содержит необходимый для функционирования локатора на траектории объем эталонных изображений, их параметров, характеристик и программ распознавания, заводимых в него из априорной базы знаний в соответствии с предполетным заданием. Выбор рабочих эталонов и программы распознавания в устройстве БШ-4 осуществляется в общем случае по специальной программе, учитывающей апостериорную информацию о признаках цели, поступающую с устройства БШ-З. Решающее устройство БШ-5 локатора на основе информации с устройств БШ-З и БШ-4 принимает решение об обнаружении цели и то к какому классу распознаваемых объектов данная цель относится. Функции устройств БШ-4, БШ-5, а также значительная часть функций устройств БШ-2 и БШ-З в связи с большим объемом хранимой и перерабатываемой в реальном масштабе времени информации реализуется в современных системах распознавания с помощью бортовых специализированных ЭВМ.
Блок IV представляет собой систему управления, получающую информацию с локационной системы распознавания и выдающую информацию на объект управления. Система управления по результатам ее функционирования после первого цикла принятия решения системой распознавания может потребовать проведения нового цикла с учетом априорной информации и корректировки его процедуры (распознавание с обучением и самообучением).
Таким образом, как следует из выше изложенного, в задачу распознавания на начальном этапе входят задачи обнаружения (селекции цели из помех) и измерения параметров (характеристик) и только на последующем этапе - собственно распознавание одного объекта от другого. Для этого системам распознавания необходима не только информация о целях, но также о фонах, помехах и условиях локации. В зависимости от назначения и условий применения систем в качестве исходных данных по входным воздействиям могут использоваться как одномерные характеристики (параметры) отраженных сигналов и помех, так и многомерные, формирующие двух-, трех- и более -мерные изображения фоноцелевой и помеховой обстановки.
Комплекс измерительных и вычислительных средств получения априорной базы знаний должен обеспечивать получение указанных исходных данных в требуемом объеме и с требуемым качеством и представление их в удобной форме для дальнейшей обработки и хранения. В соответствии с [68] представление изображений может быть разделено на следующие виды: прямое представление на основе матриц отсчетов яркостей, дальностей и т.д.; представление на основе ортогональных преобразований в спектральной области; представление на основе пирамидальных структур элементов или групп элементов изображений в виде некоторых наборов на разных уровнях иерархии; синтаксические (структурные) представления, описывающие изображения при помощи некоторых стандартных элементов и связей или отношений между ними.
В качестве методов предварительной обработки изображений в целях решения задачи фильтрации от помех, сжатия информации и других могут быть использованы: методы наращивания областей, центроидного связывания, сложения и расщепления пирамидальных иерархических структур; методы релаксационной решетки, формирования и обработки гистограмм яркостей (дальностей), выделения и обработки контуров; методы пространственного дифференцирования (линейные и нелинейные); методы низкочастотной линейной и нелинейной фильтрации, такие, например, как усредненной и медианой фильтрации; методы высокочастотной фильтрации (быстрых преобразований Фурье, Уолша-Адамара и др.); методы пороговой обработки скалярного поля и др., в том числе являющиеся комбинацией перечисленных выше.
Выбор метода представления и обработки изображений вытекает из того, ка- кие признаки положены в основу алгоритма распознавания и каков этот алгоритм. Перечисленные в разделе 1.1.1 признаки объектов, как основа классификации алгоритмов распознавания и структуры систем, подразделяются на детерминированные, вероятностные (статистические), логические и лингвистические (структурные) [19].
Детерминированными признаками объекта являются признаки, принимающие конкретные значения и характеризуемые каждый одной точкой в признаковом пространстве. Среди энергетических признаков к ним относятся такие, например, как среднее значение, разность минимального и максимального значения, мода (наиболее часто встречающееся значение) яркости изображения объекта и т.д.; среди геометрических - площадь проекции, периметр, диаметр, ширина и т.д. изображений.
К вероятностным признакам относятся признаки, случайные значения которых распределены по всем классам объектов, характеризуемые плотностями распределения вероятностей или их гистограммами.
Результаты физического моделирования отражательных характеристик объектов
Гониофотометр ГФЛ предназначен для исследований диаграмм и индикатрис энергетических и поляризационных ОХ образцов покрытий объектов и ПП при направленной подсветке на лазерных длинах волн излучения видимого и ближнего ИК диапазона спектра [161-163]. Общий вид и структурная схема гониофотометра ГФЛ, являющегося по кинематике аналогом установок, описанных в работах [164-166], приведены соответственно на рис. 2.2 и 2.3. В данном приборе излучение лазера 1 проходит через модулятор 2, перестраиваемую коллимирующую систему зеркал 3 и 4, поворотную систему осветителя 5, 6, 7 и попадает на исследуемый образец 11, располагаемым горизонтально на юстировочном столике 12. Диаметр пятна на образце может изменяться диафрагмой 8 от 4 до 40 мм. Рассеянное образцом излучение попадает в приемную поворотную систему зеркал 13,14, 15. Апертура приемной системы определяется размером диафрагмы 17 и может изменяться от 2 до 50 мм. Линзовый коллиматор 18 направляет излучение через Турель с ослабителями 19, интерференционный фильтр 20 и фокальную регулируемую диафрагму 21 на чувствительную площадку фотоприемника 22. При этом поле зрения приемной системы изменяется от 4 до 1. С целью уменьшения влияния нестабильности лазерного излучения прибор имеет канал сравнения. Он формируется с помощью параллельной пластины 10, расположенной под углом для s- и р-компонент излучения можно считать практически одинаковым. Канал сравнения жестко связан с поворотной системой зеркал осветителя и включает в себя зеркало 23, ослабители излучения 24, собирающую линзу 25, матированную пластину 26, интерференционный фильтр 27 и фотоприемник 28. В приемную поворотную систему зеркал введена пластина 16, обеспечивающая путем ее определенной ориентации, зависящей от длины волны, компенсацию различия пропускания поворотной системы зеркал для s- и р-компонент излучения, составляющего, например, для 3-х зеркал на Х= 0,63 около 15 % [167, 168]. Сигналы с фотоприемников 22 и 28 поступают на уси 5 к падающему пучку, так что ее про 102 — пускание и отражение лители 29 и 30 и далее в блок измерения отношений 31 цифрового вольтметра. Штанги поворотных систем зеркал осветителя и приемника, имеющие размеры 0,8 и 1,2 м соответственно, приводятся во вращение вокруг горизонтальных осей, проходящих через центр образца с помощью электродвигателей с редукторами 32 и 33. Углы облучения 91 и приема 02 изменяются в пределах 0ч-90 и отсчитываются с точностью 10 .
Приемная система размещена на поворотной платформе, позволяющей изменять азимутальный угол ф в пределах ± 130 с точностью 10 . Для исследования поляризационных ОХ поверхностей в каждом из каналов за зеркалом 8 в канале осветителя и перед зеркалом 13 в приемном канале устанавливаются поляризационные насадки, содержащие соответствующие рабочей длине волны лазера поляризаторы и АУ4-пла-стины. К достоинствам прибора ГФЛ относится горизонтальное расположение образцов, что позволяет измерять диаграммы и индикатрисы ОХ сыпучих и жидких поверхностей, к недостаткам - невысокая точность измерения бликующих составляющих, обусловленная люфтами и прогибом штанг поворотных систем при больших углах их наклона к плоскости образца, достигающая 100 и более %.
Фотометр АИР-М
Более точным, а также простым в настройке и эксплуатации является фотометр АИР-М [169]. В нем осветитель неподвижен, а приемная система установлена на крепленным подшипником качения перемещается по полированной горизонтальной поверхности обода диаметром 1,0 м. Угол разворота штанги % отсчитывается от направления облучения. Общий вид (фото) и структурная схема установки приведены соответственно на рис. 2.4 и 2.5. Излучение от лазера 1 проходит через модулятор 2 (f = 250 Гц), коллиматор 3, диафрагму 4 и отражаясь от зеркал 5 и 6 попадает на исследуемый образец 7, устанавливаемый в поворотной рамке 8, с возможностью разворота его нормали в горизонтальной (ці{) и вертикальной (\/2) плоскостях. Отраженное излучение попадает в расположенную на поворотной штанге приемную систему 9, содержащую апертурную диафрагму 10, интерференционный фильтр 11,штанге, один конец которой закреплен на конусе с возможностью разворота вокруг вертикальной оси, проходящей через центр рамки образца. Штанга длиной 1,5 м с за объектив 12 и фотоприемник 13 с непосредственно расположенной перед ним фокальной диафрагмой, определяющей поле зрения приемной системы. Сигналы с фотоприемника поступают на усилитель У5-10, преобразователь переменного напряжения в постоянное В9-1 и далее на цифровой вольтметр В7-23. В качестве источников излучения использовались промышленные лазеры, в том числе, ЛТН-402 (X = 0,53 и 1,06 мкм), ЛГ-74 ( X = 10,6 мкм), ЛГН (X = 0,63, 1,15 и 3,39 мкм). Приемниками служат ФЭУ-83 (X = 1,06 мкм) и ФЭУ-84 (X = 0,53 и 0,63 мкм) и МГ-30 (X = 3,39 и 10,6 мкм). Пози7 цией 14 обозначены их блоки питания. В состав поляризационных насадок 15 и 16 входят поляризаторы и А/4-пластины. На длине волны 1,06 мкм, например, в качестве поляризатора использовался куб, склеенный из двух призм, на диагональную грань одной из которых нанесено многослойное покрытие (при этом степень поляризации р = 0,99), а Х/4-пластиной служит призма Френеля. На длине волны 10,6 мкм исполь зуется решетка-поляризатор на подложке из фтористого бария (р = 0,99), а в качестве
Для разворота приемной системы и рамки образца вокруг вертикальной оси используются шаговые двигатели 17 и 18 типа ЩД-4М-УЗ, управляемые от микро-ЭВМ "Электроника ДЗ-28", входящей в со став комплекса 15ИПГ. Поворот рамки вокруг горизонтальной оси производится вручную. Полярные углы облучения 9i и приема 02 связаны с отсчитываемыми углами ціь щ и % соотношениями: CosGi = Cosij/i Cosvj/2, Cos62 = Cos(x - щ)- Cos\/2. В процессе измерения на установке АИР-М устройство связи с объектом 20 осуществляет ввод информации с вольтметра в микро-ЭВМ и формирование управляющих сигналов, поступающих на шаговые двигатели через усилители мощности типа УМШД. Обработанные ЭВМ результаты измерений записываются на магнитную ленту и выводятся на печать.
Влияние формы сигналов на характеристики обнаружения и измерения при квазиоптимальном приеме на фоне нормальных шумов
Лабораторный моделирующий комплекс (ЛМК) для исследований ОХ объектов на их масштабных физических моделях применительно к условиям лазерной локации был разработан и создан под руководством автора в ГИПО в соответствии с государственной программой (комплексной НИР "Зеркало") в период с 1975-1980 гг. ЛМК представляет собой стенд размерами 60x11x5,5 м3 с размещенными на нем измерительными моделирующими установками, эталонными средствами, контрольно-измерительными приборами, средствами управления экспериментом, сбора и обработки информации. Структурная схема ЛМК представлена на рис. 3.1. ЛМК включает описанные в разделе 2.3 установки для измерения диаграмм и индикатрис энергетических и поляризационных ОХ образцов покрытий объектов и подстилающих поверхностей, установку ИФ-106 для измерения ЭПР моделей объектов в дальней зоне для однопозиционных условий локации, установки УС-1 и УС-2 для измерения двумерных функций яркости (ДФЯ) моделей объектов в дальней зоне для одно- и двух-позиционных условий локации соответственно, установку УС-1-Д для измерения дальностно-яркостных изображений (ДЯИ) моделей объектов в дальней зоне и одно-позиционных условий локации, установку УС-У для измерения ДФЯ моделей объектов в ближней зоне, а также установку ГОНИОФОРМ для измерения формы моделей объектов. Установки для измерений ОХ объектов реализуют относительный способ измерения - сравнение сигнала от объекта с сигналом от эталона (образца сравнения). В большинстве своих функций они автоматизированы и управляются от управляющего вычислительного комплекса (УВК) типа "Электроника-100И". Обработка экспериментальных данных осуществлялась на ЭВМ СМ-4 и ЕС-1033. После 1989 года функции УВК и ЭВМ осуществлялись с помощью компьютера типа РС-386 с буферным устройством СЭТУ-10.
Краткое описание состава указанных моделирующих установок и принципа их действия приведено ниже. Установка ИФ-106 обеспечивает измерение ЭПР (ЭОП) целей на их масштабных моделях для условий однопозиционной локации интегральным способом, т.е. когда модель вписывается в равномерные диаграммы полей излучения и приема, а длительность зондирующего импульса при отражении не изменяется, т.е. выполняется условие квазистационарного отражения [184]. Фото и структурная схема установки ИФ-106 приведены на рис. 3.2 и 3.3 соответственно. Установка включает импульсный фотометр ИФ-106 ЛТИ (1-17), построенный по безбазовой схеме; систему оборачивающих зеркал (4-1ч-4-4), обеспечивающих расстояние от источника (приемника) излучения до модели цели, равное 285 300 м, что с учетом масштабов моделей локации (5); эталонный щит (6). В состав импульсного фотометра входят: излучатель (ОКГ) 1 типа ЛТИ-5 (ИЗ-4) на длине волны 1,06 мкм с длительностью импульсов излучения 15 не, оптические системы формирования диаграмм направленности излучения 2 и приема 7, фотоприемное устройство 8 на основе ФЭУ-83, перед которым установлены ослабляющие и интерференционные светофильтры, зеркало 3 для совмещения оптических осей излучателя и приемника, тракт регистрации интенсивности отраженного в направлении на приемник излучения.
Оптическая система фотометра совместно с системой зеркал 4-1-н4-4 обеспечивает диаграммы- направленности излучения-приема в плоскости цели с неравномерностью ± 1 дБ. При этом диаметр пятна облучения составляет 0,8 м, угол излучения 2,9 мрад, апертурный угол приемной системы 0,35 мрад.
Тракт регистрации фотометра выделяет отраженный импульс от модели из импульсов помехи, отраженных от зеркал и стен лабораторного помещения, измеряет пиковую мощность рабочего импульса, обрабатывает полученную информацию и выдает результаты измерения в величинах ЭОП. Чтобы выделить рабочий импульс из помех, в тракт регистрации введена временная блокировка ФЭУ. Узел блокировки 11 управляется от генератора 10 типа Г5-54. Так как ФЭУ-83 имеет постоянную времени по управляющему сигналу порядка 60 не, то на выходе ФЭУ могут присутствовать кроме рабочего импульса, импульсы от расположенного за целью "фона". "Фоновые" импульсы отсекаются с помощью электронного ключа 13, управляемого генератором 12 типа Г5-48. Запуск генераторов осуществляется от схемы запуска ОКГ 9. Выделенный таким образом рабочий импульс поступает на блок преобразования сигнала 14 [207], который формирует из него положительный импульс длительностью 5 мке с сохранением амплитуды рабочего импульса дфя согласования с анализатором импульсов 15 типа АИ-256-6. Блок амплитудного преобразования АИ-256-6 преобразует каждый входной импульс в пачку импульсов, число которых в ней пропорционально амплитуде рабочего импульса. Цифровой код с АИ-256-6 поступает на счетчик 16, в качестве которого используется частотомер 43-36. Он позволяет измерять амплитуду не только одиночного, но и среднее значение распределения 10, 102, 103, 104 рабочих импульсов. Информация с частотомера поступает на ЭВМ.
В качестве эталонного щита используется щит размерами 1x1 м2, полностью перекрывающий поле излучения в месте расположения модели. Щит имеет покрытие АК-512 (белое) с р =0,75, при этом Э0 = 0,396 м2. Порог чувствительности установки в величинах ЭОП равен 1,5-10"4 м2, динамический диапазон установки 80 дБ. Установка позволяет измерять ЭОП моделей размерами до 0,8 м с покрытием от диффузного до направленно-рассеивающего с полушириной ДОР до 5 мрад, при этом погрешность измерения ЭОП не превышает ±5%.
Установки УС-1 и УС-2 предназначены для измерений ДФЯ моделей объектов в дальней зоне соответственно для условий одно- и двухпозиционной лазерной локации на длинах волн 0,27; 0,39; 0,53; 0,63; 0,69; 1,06; 1,15; 3,39; 5,0 и 10,6 мкм. ДФЯ объектов данного ракурса относительно направлений облучения и приема определяется в виде дискретной функции рзф(хі,у:і), где xL, y.j - координаты точек отсчета изо — 160 — бражения в плоскости XOY, перпендикулярной направлению наблюдения, измеренной с шагом Ах, Ду [183, 185, 188, 191].
Фото и структурная схема установки УС-1 приведены соответственно на рис. 3.4 и 3.5. Луч ОКГ через формирующий телескоп Э1 попадает на модель, которая закреплена на каретке К под определенным ракурсом относительно направления излучения и приема. Каретка К передвигается поступательно по направляющей HI, параллельной оси ОХ и перпендикулярной направлению облучения и приема, причем когда она доходит до конца направляющей, последняя вместе с кареткой К и моделью поднимается на один шаг (Ду) направляющей Н2, параллельной оси OY. Поднявшись на один шаг каретка начинает движение по направляющей НІ в противоположном направлении. Так осуществляется последовательно-параллельное строчно-кадровое сканирование модели лучом ОКГ. Отраженный от подсвеченного элемента поверхности модели поток излучения попадает на полупрозрачную пластину (клин) Э2 и через приемный коллиматор ЭЗ, формирующий поле приема, поступает на приемник ПР1 основного канала. Одновременно часть отраженного сигнала попадает на приемник ПР2 опорного канала. При выходе модели в процессе движения каретки из луча последний попадает на полупрозрачное зеркало Э5 и на эталонный отражатель Э4. В эти моменты происходит калибровка измерений. Через Э5 излучение попадает на датчик проекции модели ДПМ, позволяющий регистрировать форму и размеры (площадь) проекции модели цели на направление наблюдения. Электрические сигналы опорного и основного каналов поступают синхронно на интеграторы И, время интегрирования которых согласовано с временем между соседними отсчетами ДФЯ, примерно равными размерам пятна излучения на модели, причем Ах = Ду. Сигналы с интеграторов поступают на многоканальный аналого-цифровой преобразователь АЦП М-1 и далее через блок согласования уровней БСУ в центральный процессор ЦП ЭВМ. Сигналы с ДНК и ДПМ через блок управления коммутаторами БУК также поступают в ЦП ЭВМ, который соединен с устройством ввода-вывода информации УВВИ. Оптическая схема установки УС-1 обеспечивает получение равносигнальной зоны по глубине модели в пределах 800 мм.