Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОВЕДЕНИЯ РАДИО- 14
МЕТРИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ФОНОЦЕЛЕВОЙ ОБСТАНОВКИ
Основные закономерности формирования излучения объектов 14 фоноцелевой обстановки
Обоснование экспериментальных исследований 26
Планирование экспериментальных исследований 29
Подтверждение точности экспериментальных данных. Метроло- 34 гическая аттестация радиометрической аппаратуры
1.4.1. Программа аттестации радиометра РФ4М и тепловизора - 35
радиометра AGA-780
Элементарное поле зрения 3 6
Определение относительной спектральной характе- 38 ристики чувствительности
Определение эффективной чувствительности к энер- 40 гетической яркости
Оценка границ погрешностей результатов измере- 43 ний метрологических характеристик
1.5. Требования автоматизации аппаратуры измерительного комплек- 45
са
Выводы по главе 46
ГЛАВА 2. МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ АППА- 48
РАТУРЫ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
2.1 Назначение и состав измерительного оборудования для фоноце- 48
левых исследований.
Радиометр РФ4М 48
Радиометр ТОР 53
Единый подход к модернизации приборного комплекса 57
Разработка программных средств регистрации 67
Метрологическая поверка радиометрической аппаратуры 69
Методика и программы обработки экспериментальных данных. 71
Методика перевода приборных значений видеосигнала 71 радиометра РФ4М в яркостные величины
Методика перевода приборных значений видеосигнала 74 радиометра ТОР в яркостные величины
Программные средства обработки экспериментальных 75 данных
Выводы по главе 77
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИА- 78 ЦИОННЫХ ПОЛЕЙ ВЕРХНЕЙ ПОЛУСФЕРЫ И ПОЛУЭМПИРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕТОВ
3.1. Постановка эксперимента 78
Геометрия съема панорамы верхней полусферы 79
Методика проведения измерений 80
Объем и содержание полученных экспериментальных дан- 81 ных
Статистические характеристики излучения небосвода 81
Сравнение контрастных характеристик и определение межка- 85 нальных коэффициентов корреляции радиационной яркости натурных моделей аэродинамических целей
Формирование радиационных изображений аэродинамических 92 целей на реальном фоне по расчетным и экспериментальным данным
Модель собственного излучения планера 94
Модель излучения сопла 96
Модель излучения струи 99
Методика компоновки энергетических составляющих в изо- 104 бражении аэродинамической цели
Алгоритм пересчета для УФ области спектра 107
Программа моделирования радиационного изображения аэ- 109 родинамической цели на реальном фоне
Выводы по главе 114
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФИГУР 116
ВОЕННОСЛУЖАЩИХ И ГРАЖДАНСКИХ ЛИЦ В ОБЛАСТИ
СПЕКТРА 3...5И8...12 МКМ
Постановка эксперимента 116
Суточный ход контрастных характеристик фигур военнослужа- 119 щего и гражданского лица
Математический расчет радиационной температуры поверхности 134 человека
Выводы по главе 152
Заключение 153
Список литературы 156
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 168
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 169
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 170
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 172
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 173
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 182
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 187
ПРИЛОЖЕНИЕ 8 198
ПРИЛОЖЕНИЕ 9 202
Список условных сокращений встречающихся в работе
ОЭС - оптико-электронные системы
УФ - ультрафиолетовый
ИК - инфракрасный
ФЦО - фоноцелевая обстановка
АЧТ - абсолютно черное тело
СПЭЯ - спектральная плотность энергетической яркости
ОСХЧ - относительная спектральная характеристика чувствительности
СКО - среднеквадратическое отклонение
МДВ - метрологическая дальность видимости
ОМБ - оптико-механический блок
Введение к работе
Наличие достоверной информации о спектроэнергетическом пространственном распределении сигналов, формируемых наблюдаемыми объектами и окружающими их фонами в разных спектральных диапазонах, является важным условием создания современных многоспектральных комплексированных пассивных оптико-электронных систем (ОЭС) наблюдения, слежения и контроля - интенсивно развивающихся в настоящее время [1-4]. На основе таких данных уточняются основные технические характеристики ОЭС, оптимизируются операции наблюдения, слежения и контроля, разрабатываются алгоритмы обработки сигналов и тактика применения систем [5-12]. Получение достоверной информации о характеристиках излучения рассматриваемых объектов возможно двумя способами - путем проведения подробных радиометрических исследований и методами математического моделирования [13-22]. Создание подробных математических моделей, описывающих сигналы, поступающие на входной зрачок ОЭС от наблюдаемой фоноцелевой обстановки (ФЦО), является одним из наиболее сложных этапов в задаче информационного обеспечения разработки ОЭС. Трудности адекватного математического воспроизведения входных воздействий объясняются чрезвычайно большим числом возможных сценариев работы ОЭС, необходимостью строгого описания физических процессов возникновения, распространения и преобразования оптических сигналов, их многомерностью и рядом других факторов [23-24]. Без тщательной проверки и корректировки результаты расчетных оценок сигналов входных воздействий не могут быть положены в основу технических решений [25-26]. В связи с этим получение экспериментальных данных о наблюдаемых фоноцелевых сценариях остается важной научно-практической задачей информационного обеспечения разработок ОЭС [27-28].
Для решения задач информационного фоноцелевого обеспечения разработок многоспектральных комплексированных ОЭС различного назначения требуется радиометрический измерительный комплекс с развитой методической и мет-
рологической базой его эксплуатации - способный одновременно работать в нескольких диапазонах оптического спектра от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области, обладающий гибкими возможностями современной вычислительной техники и обеспеченный средствами математического имитационного моделирования изучаемых объектов ФЦО в рассматриваемых спектральных диапазонах. Создание такого аппаратно-методического комплекса позволит использовать его для изучения характеристик излучения природной среды, состояний объектов естественного и искусственного происхождения, в том числе в интересах таких задач применения пассивных ОЭС как дистанционный контроль ответственных территорий и обнаружение нарушителей как на территории, непосредственно прилегающей к охраняемому объекту, так и аэродинамических целей в воздушном пространстве над зоной.
Перспективность использования пассивных ОЭС для обнаружения подлетов аэродинамических целей к контролируемой зоне объясняется тем, что помимо скрытности работы самой ОЭС, задача дистанционного обнаружения низколетящей цели распространенными активными средствами локации затруднена в силу помехового отражения зондирующих радиоимпульсов от наземных элементов различного происхождения [29]. При разработке пассивных ОЭС обнаружения аэродинамических объектов востребованным информационным ресурсом является подробное пространственное распределение излучения верхней полусферы в виде радиометрических цифровых изображений, полученных одновременно в нескольких спектральных диапазонах. Экспериментальные исследования фонов верхней полусферы, выполненные, начиная с середины прошлого века, Кушпи-лем В.И. в диапазоне 0,4...1,9 мкм для дневного безоблачного неба, Смеркало-вым В.А. в видимой области спектра для различных суточно-сезонных изменений, Кнестриком Г.Л. для яркости неба у горизонта в ультрафиолетовом диапазоне 300...420 нм, Фираго В.А. и Ханохом Б.Ю. в диапазоне 2...5,1 мкм для ясного неба и сплошной облачности, Мулламаа Ю.-А.Р. и Алленовым М.И. в поддиапазонах спектра 1,4...13 мкм для разнообразных по структуре атмосферных образований, а также рядом других отечественных и зарубежных исследователей, как
правило, осуществлялись с помощью одноканальной радиометрической и спектрометрической аппаратуры [30-43]. В силу ограниченности технических характеристик применявшейся радиометрической аппаратуры полученные ранее данные имеют вид, малопригодный для их непосредственного использования при описании ФЦО. Исключение составляет лишь данные для видимой области спектра. Получение удобных для анализа радиометрических цифровых изображений фонов верхней полусферы одновременно в нескольких спектральных диапазонах совместно с дополнительной информацией от датчиков контроля метеопараметров внешней среды оставалось долгое время нерешенной задачей.
Успешное решение задачи обнаружения объектов с помощью пассивных ОЭС зависит от эффективности выделения известных признаков этих объектов. В свою очередь, малый набор репрезентативных данных [44-45], возрастающая роль индивидуальных действий бойца и совершенствование его экипировки делают целесообразным расширение исследований радиационных полей ФЦО исследованиями радиационных контрастов военнослужащих и гражданских лиц, в рамках задачи совершенствования и развития ОЭС контроля, обеспечивающих защиту объектов как с воздуха, так и с земли. Изменяющиеся условия окружающей среды затрудняют описание радиационной сцены визирования человека [46], поэтому задачей исследования является изучение особенностей формирования контраста радиационной температуры поверхности фигуры человека относительно окружающего фона в интересах его обнаружения с помощью пассивных ОЭС. Результаты данного исследования могут быть также использованы при разработке соответствующих средств маскировки военнослужащих.
Таким образом, создание аппаратно-методического комплекса с современными средствами регистрации и обработки данных, работающего одновременно в нескольких спектральных диапазонах, и программно-имитационных моделей в структуре информационного фоноцелевого обеспечения разработок современных наземных пассивных ОЭС остается на сегодняшний день актуальной задачей.
Цель и задачи работы.
Целью работы является повышение информационной и метрологической надежности радиометрического многоспектрального аппаратно-методического комплекса на основе совершенствования его программно-технического обеспечения и получение с его помощью исходных данных в интересах разработки и проектирования пассивных оптико-электронных систем защиты зон ограниченного доступа.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Формулирование основных требований, предъявляемых к радиометрической измерительной аппаратуре и специализированным приборам контроля окружающей среды с учетом характера исследуемого объекта. Доработка существующей аппаратуры до уровня современных информационно-измерительных комплексов с метрологическим подтверждением достигнутых радиометрических характеристик.
Разработка программных средств регистрации и обработки информации формируемых баз экспериментальных данных.
Г'
Проведение комплексных экспериментальных исследований пространственного распределения радиационных характеристик объектов и окружающих их фонов одновременно в различных областях спектра с целью формирования банка экспериментальных данных в виде совокупности изображений типовых фоноцелевых сцен в величинах энергетической яркости для решения задач оптимальной селекции целей.
Разработка математической и полуэмпирической имитационных моделей и проведение математического моделирования сценариев фоноцелевых воздействий, создаваемых на входном зрачке разрабатываемых ОЭС, для ситуаций, не охваченных экспериментальными исследованиями.
Объект и предмет исследования.
Объектом исследования являются радиационные поля верхней полусферы и масштабных моделей аэродинамических целей, визируемые на фоне небосвода,
а также гражданских лиц и военнослужащих в различной экипировке в условиях суточно-сезонных вариаций окружающей среды. Предметом исследования являются радиометрический многоспектральный аппаратно-методическии комплекс, обеспеченный средствами математического имитационного моделирования, предназначенный для исследования характеристик излучения наблюдаемых фо-ноцелевых сцен.
Научная новизна работы.
Разработан аппаратно-методическии радиометрический комплекс, позволяющий проводить совместную регистрацию излучения радиационных полей верхней полусферы и аэродинамических целей в диапазонах оптического спектра 0,3...0,36; 1,1...2,0; 3,8...5,8; 8,0...13,7 мкм, и радиационных характеристик человека и окружающего его фона в диапазонах 2,1...5,5 и 7,6...11,8 мкм.
Получены зависимости распределения контрастов радиационных температур поверхности человека от времени суток, условий наблюдения, типа экипировки, позволяющие связать возможное состояние наблюдаемого объекта с его тепловым излучением и используемые в интересах совершенствования способов обнаружения человека с помощью пассивных ОЭС контроля и защиты ответственных объектов.
Многоспектральные радиометрические данные, сформированные в виде банка цифровых изображений фонов верхней полусферы, масштабных моделей аэродинамических целей, военнослужащих и гражданских лиц, и предназначенные для оптимизации методов расчета и проектирования пассивных ОЭС.
Разработаны полуэмпирическая модель излучения низколетящих аэродинамических целей и математическая модель теплового контраста поверхности человека в одежде в различных диапазонах оптического спектра, позволяющие значительно повысить эффективность проектирования ОЭС и ускорить процесс разработки алгоритмов селекции целей для ситуаций, не охваченных прямыми экспериментальными исследованиями при значи-
тельном снижении материальных затрат на разработку. Отдельные положения имитационных моделей не новы, однако они с достаточной степенью точности отражают реальные физические процессы излучения рассматриваемых объектов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Аппаратно-методический радиометрический комплекс с современными средствами регистрации и обработки информации, предназначенный для проведения экспериментальных исследований радиационных полей верхней полусферы и радиационных характеристик человека и окружающего его фона.
Полуэмпирическая модель излучения аэродинамических целей на фоне ясного и облачного неба в спектральных диапазонах 0,3...0,36; 3,8...5,8; 8,0...13,7 мкм, предназначенная для построения радиационного изображения цели, летящей в приземном слое воздуха. Математическая модель теплового контраста поверхности человека в одежде при его наблюдении на различных фонах в спектральных диапазонах 3...5 и 8...14 мкм, позволяющая учесть влияние внешних условий теплообмена и характеристик одежды на результирующий контраст относительно выбранных для анализа фоновых образований.
Теоретические и экспериментальные зависимости, характеризующие возможность обнаружения объектов исследования с помощью пассивных ОЭС контроля, обеспечивающих защиту как с воздуха, так и с земли: статистические зависимости, описывающие суточно-сезонное пространственное распределение яркости небосвода для ситуаций ясного неба и сплошной облачности, и характеристики радиационных контрастов масштабных моделей аэродинамических целей, визируемые на фоне неба одновременно в спектральных диапазонах 0,3...0,36; 1,1...2,0; 3,8...5,8; 8,0...13,7 мкм, а также зависимости суточного распределения контрастов радиационных температур поверхности фигур человека в различных типах экипировки в спектральных диапазонах 2,1...5,5 и 7,6...11,8 мкм для условий летне-
осеннего и зимне-весеннего периодов наблюдений на фоне открытой местности и внутри различных строений,. 4. Банк радиометрических цифровых изображений фонов верхней полусферы и сцен визирования масштабных моделей аэродинамических целей с реальными защитными покрытиями одновременно в четырех спектральных диапазонах 0,3...0,36; 1,1...2,0; 3,8...5,8; 8,0...13,7 мкм и радиометрических изображений военнослужащих и гражданских лиц относительно близлежащего фона в спектральных диапазонах 2,1...5,5 и 7,6...11,8 мкм, предназначенный для решения задач совершенствования методов проектирования и расчета пассивных ОЭС.
Практическая значимость и внедрение результатов исследования. Создан аппаратно-методический комплекс с современными средствами регистрации и обработки информации. Комплекс предназначен для проведения экспериментальных исследований радиационных полей ФЦО и реализован на основе усовершенствованной радиометрической аппаратуры РФ4М и ТОР [47-48] с аттестованными метрологической службой параметрами.
Полученная экспериментальная база данных цифровых радиометрических изображений и созданные программно-имитационные модели по фоноцелевому обеспечению наблюдаемой сцены является востребованным разработчиками ОЭС информационным ресурсом, который может использоваться при решении таких актуальных практических задач как: оптимизация тактико-технических требований, предъявляемых к перспективным разработкам многоспектральных (комплексированных) пассивных оптико-электронных систем гражданского и военного назначения; отработка и верификация различных алгоритмов обнаружения, распознавания и сопровождения целей, необходимых при создании полностью автоматизированных ОЭС различного назначения; возможность оценки основных оптических параметров объектов для выделения их демаскирующих признаков и учет этих признаков при разработке соответствующих средств маскировки; возможность совершенствования работы комплексов ОЭС, в том числе при их испытаниях, при снижении материальных затрат.
Настоящая диссертационная работа содержит решение ряда важных задач, непосредственно связанных с проблемой информационной обеспеченности данными о ФЦО, востребованными в структуре разработки и применения современных пассивных ОЭС различного класса и назначения.
Полученные сведения о характеристиках излучения фоноцелевой обстановки вошли в разделы отчетов НИР «Банк».
Отдельные положения работы нашли отражение в рекомендациях по выделению демаскирующих признаков военнослужащих и использованы в работе по исследованию путей построения базовой конструкции малогабаритного теплови-зионного модуля на основе матричного фотоприемника для создания тепловизи-онных биноклей и прицелов средств ближнего боя (НИЭР «ОКО»).
Наработки при создании системы регистрации комплексов были использованы в работах «Вереск-ЛТ», «Водопад-2000», при разработке системы регистрации данных с беспилотного авиационного комплекса многофункционального назначения на базе БПЛА «Дань» (ОАО «ОКБ «Сокол»).
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: XVII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (Казань, 2004 г.); XVIII Международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2004 г.); VI Международной конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, 2004 г.); I Международном оптическом форуме «Оптика-2005» (Москва, 2005 г.).
Список опубликованных работ по теме диссертации.
Основное содержание работы опубликовано в 8 печатных работах и в 6 научно-технических отчетах.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 120 наименований, и 9 приложений. Основная часть диссертации изложена на 155 страницах и содержит 21 таблицу и 53 рисунка.
