Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Критерии эффективности наблюдательных систем 11
1.1 Критерий Джонсона 11
1.2 Другие критерии различения цели 16
1.3 Факторы, влияющие на вероятность различения цели в реальных условиях 17
1.4 Обнаружительная способность тепловизионных систем 23
1.5 Критерии обнаружения и идентификации наземных целей 26
1.6 Выводы по главе 1 35
Глава 2. Мультисенсорная интеграция 37
2.1 Основы мультисенсорной интеграции 38
2.2 Уровни интеграции данных 44
2.3 Практика применения мультисенсорной интеграции в наблюдательных приборах 49
2.4 Выводы по главе 2 61
Глава 3. Оптико-электронные наблюдательные системы и их компоненты 63
3.1 Компоненты наблюдательных систем 64
3.1.1 Наблюдательные информационные каналы 64
3.1.2 Измерительные информационные каналы 72
3.2 Наблюдательные комплексы 73
3.2.1 Стационарные и мобильные наблюдательные комплексы 73
3.2.2 Портативные наблюдательные комплексы 76
3.3 Выводы по главе 3 79
Глава 4. Разработка экспериментального образца ОЭС 81
4.1 Постановка задачи 81
4.2 Оптимизация состава комплекса 83
4.3 Навигационная система 87
4.3 Создание комплекса 92
4.4 Характеристики комплекса 94
4.5 Сравнение с аналогами 96
4.6 Выводы по главе 4 101
Заключение 103
Список источников
- Факторы, влияющие на вероятность различения цели в реальных условиях
- Уровни интеграции данных
- Измерительные информационные каналы
- Навигационная система
Факторы, влияющие на вероятность различения цели в реальных условиях
Критерий Джонсона в чистом виде учитывает только одну характеристику — критический размер видимого профиля цели. Подобное упрощение, сделанное в ходе лабораторных экспериментов, неприемлемо, когда требуется оценка или предсказание поведения наблюдательных систем в реальных условиях, поскольку игнорируется ряд параметров, относящихся к контролируемой области, самой цели и наблюдателю [9, 10]: 1. Контрольная область 1.1. Размер контрольной области. 1.2. Количество, размер, распределение зон, в которых может находиться цель, в контрольной области. 1.3. Объекты в контрольной области: их количество, форма, яркостный и цветовой контраст, четкость, количество различимых деталей и т.д. 1.4. Распределение объектов по контрольной области. 1.5. Зернистость, шум. 1.6. Общий объем доступной информации. 1.7. Среднее значение яркости или освещенности изображения. 1.8. Контекстные подсказки, указывающие на расположение цели. 2. Цель 2.1. Расположение цели на изображении. 2.2. Расположение цели в контрольной области. 2.3. Форма и профиль цели. 2.4. Размер, цвет, четкость, яркость цели. 2.5. Степень отделения от фона и прочих объектов. 3. Наблюдатель 3.1. Тренированность. 3.2. Опыт. 3.3. Врожденные качества. 3.4. Инструктаж и постановка задачи. 3.5. Поисковые привычки. 3.6. Мотивация. 3.7. Компромисс между скоростью поиска и точностью. 3.8. Предположения. В 1974 году Джонсон с Уолтером Лоусоном (Walter Lawson) переработали и дополнили начальный доклад. В новой работе было проверено и в целом подтверждено выполнение критерия для целей с большим отношением короткой и длинной сторон типа кораблей и самолетов. Перечень уровней различения дополнился понятием «классификация», как отнесение цели к обширной группе объектов типа гусеничные (а не колесные) транспортные средства, которому соответствовало разрешение 2,5 пар линий, а критерий распознавания снизился с 4 до 3 пар линий [11].
Как главный фактор распознавания/идентификации объекта была указана возможность различения критических особенностей формы профиля изображения цели. Чем больше деталей удается различить на изображении, тем больше вероятность идентификации объекта. Годом ранее Rosell и Willson [12, 13] в исследовании по восприятию фотографических изображений транспортных средств установили, что для распознавания объекта необходимо различение характерных деталей, присущих данному классу целей. Также ими было установлено, что требуемая величина детализации составляет 1/8 от минимальной ширины изображения, а для идентификации требуется детализация объекта 1/13 минимальной ширины. Эти цифры практически совпадают с критерием Джонсона, требующим 8 ТВ-линий для распознавания и 12,8 для идентификации.
В условиях неравномерного фона факт обнаружения цели уже включает в себя определенный уровень ее распознавания, необходимый для различения цели от артефактов изображения. То есть, при неравномерном фоне и наличии шумов для установления факта обнаружения объекта требуется более высокое разрешение, чем при равномерном фоне [14, 15].
Для учета влияния неравномерности фона на возможность обнаружения объекта рассчитывается обобщенная характеристика неравномерности изображения, учитывающая яркостные и пространственные характеристики артефактов изображения [16-18]: (1.1) где, i - стандартное отклонение яркости i-й ячейки и N — количество смежных ячеек в области, ячейка определена как квадрат со стороной равной двум критическим размерам цели.
Формула дает большие значения неравномерности (clutter) для субъективно более сложных и неравномерных сцен. Здесь учитывается яркость артефактов фона, их пространственные характеристики и схожесть размеров с размером цели, что соответствует интуитивному представлению о сложности выделения цели среди артефактов схожих размеров и хорошо согласуется с экспериментальными данными [19].
Уровни интеграции данных
Исследования, проведенные в порядке оценки эффективности различных вариантов интеграции данных с тепловизионного и видео- каналов при обнаружении воздушной цели, показали преимущество гибридной схемы интеграции перед интеграцией второго уровня (на уровне особенностей) на 11%, перед интеграцией третьего уровня с логикой «ИЛИ» - на 20% и перед интеграцией третьего уровня с логикой «И» - на 66% [48].
Гибридная схема интеграции реализует следующий алгоритм работы: если хотя бы на одном из сенсоров появляется сигнал об обнаружении цели (логика «ИЛИ»), то управляющий сигнал с процессора поступает на второй сенсор, направляя его на область интереса и повышая его чувствительность (повышая отношение сигнал/шум за счет накопления кадров, увеличивая разрешение и т.п.) до тех пор, пока оба сенсора не покажут обнаружение цели (логика «И»). После обнаружения цели обоими сенсорами поступающая с них информация обрабатывается совместно, интегрируясь на уровне особенностей, обеспечивая классификацию цели по совокупности данных.
Объединение данных с пространственно разнесенных наблюдательных приборов дает еще ряд преимуществ, например возможность непрерывного слежения за движущейся целью, невзирая на возможные преграды на местности, снижение влияния случайных ошибок за счет независимости сенсоров, повышение вероятности верной идентификации за счет анализа изображения цели в разных проекциях с разных точек наблюдения.
Для оценки и сравнения эффективности интегрированных систем существует три группы критериев: характеристики систем — набор объективных физических характеристик технических систем; критерии продуктивности, характеризующие взаимодействие систем и целей; критерии эффективности или мера вклада системы в успех миссии, характеризующие особенности практического применения наблюдательной системы в реальных условиях [48]. В плане практической эффективности систем наиболее важны вторая и третья группа критериев. К критериям продуктивности, характеризующим взаимодействие наблюдательной системы и цели относятся: 1. Вероятность обнаружения цели. 2. Среднее время до обнаружения цели. 3. Частота ложных тревог. 4. Вероятность идентификации. 5. Дистанция идентификации. 6. Точность идентификации цели. 7. Точность определения координат цели. К критериям эффективности, характеризующим взаимодействие наблюдательных систем и целей в реальных условиях относятся: 1. Скорость опознавания (идентификации) цели. 2. Своевременность информации. 3. Время предупреждения. 4. Процент пропущенных целей. 5. Устойчивость к подавлению средствами противодействия противника. За счет интеграции нескольких информационных каналов в единую систему удается получить следующие преимущества по сравнению с использованием отдельных одноканальных наблюдательных приборов или их комбинации [34, 49]: 1. Улучшенные способности к обнаружению и идентификации цели за счет получения большего количества разноплановой информации о наблюдаемом объекте. 2. Снижение стоимости и массо-габаритных показателей за счет совместного использования обязательных общих элементов (источников питания, дисплеев, корпуса и т.п.) и в некоторых случаях более низких требований к характеристикам отдельных каналов. 3. Снижение нагрузки на оператора за счет автоматизации части функций по обработке информации. 4. Повышение работоспособности системы за счет объединения каналов с дополняющими функциями, в условиях когда некоторые из сенсоров оказываются неработоспособны (например, в темное время суток или при сложных метеоусловиях). 5. Сохранение работоспособности системы в целом при отказе отдельных сенсоров. 6. Повышение гибкости системы и возможности подстроиться под внешние ограничения. 2.3 Практика применения мультисенсорной интеграции в наблюдательных приборах
Многоканальные ОЭС наблюдения и разведки обычно представляют собой системы второй степени интеграции в терминах таблицы 2.1 — физическую интеграцию. Различные сенсоры объединены механически в одном корпусе, они в той или иной степени согласованы по областям наблюдения, используют общие ресурсы (источник питания, органы управления, средства визуализации и т.п.).
Наиболее часто встречающееся сочетание информационных каналов в наблюдательных приборах — это комбинация тепловизионного приемника и видеокамеры. Эти каналы, являясь по многим параметрам взаимодополняющими (табл. 2.4), при объединении в согласованную наблюдательную систему позволяют повысить ее эффективность и расширить границы применимости [50].
Измерительные информационные каналы
Основные параметры видеокамер, влияющие на обнаружительную способность — формат, динамический диапазон и чувствительность приемника.
Формат — количество приемных элементов приемника излучения — ключевой параметр для определения пространственного разрешения камеры и, соответственно, обнаружительной способности. Стандартным разрешением камер с аналоговым видеовыходом являются значения 640х480 и 720х576 элементов для стандартов NTSC и PAL соответственно [57]. Цифровые камеры могут обладать в разы большим разрешением, но практическое применение их ограничивается способностями передающего тракта и средств отображения информации. Большинство существующих дисплеев, особенно малогабаритных, применяемых в носимых наблюдательных приборах, обладает относительно малым разрешением, что делает нецелесообразным применение в таких приборах видеокамер высокого разрешения.
Минимальная чувствительность определяется соотношением сигнал/шум при низкой освещенности и задает нижнюю рабочую границу освещенности наблюдаемых объектов. Этот параметр у цветных камер хуже, чем у монохромных в среднем на порядок из-за технологических особенностей. Типичные значения составляют 1 лк для цветных видеокамер, 0,1 лк для камер день/ночь с цветным сенсором, работающим в монохромном режиме (SONY FCB-EX985E [58]) и доходит до 0,0001 лк для монохромных камер (WAT-903H2 [59]).
Динамический диапазон представляет собой разность между максимальным и минимальным регистрируемыми сигналами. От него зависит, во-первых, попадает ли сигнал цели в регистрируемый интервал освещенности, а также величина контраста цели по отношению к фону. Часто в видеокамерах отсутствует возможность ручной регулировки динамического диапазона, подстройка камеры осуществляется автоматически по встроенному алгоритму в зависимости от интегральных и амплитудных значений сигнала на определенных участках сенсора. Достоинства:
Тепловизоры, как круглосуточное всепогодное наблюдательное средство, в настоящее время широко распространены и как отдельные наблюдательные приборы и в составе наблюдательных комплексов благодаря основным достоинствам, среди которых низкое влияние на качество изображения различных атмосферных помех, возможность работы в полной темноте, сложность тепловой маскировки людей и техники.
Основные параметры тепловизоров, влияющие на обнаружительную способность — формат, динамический диапазон и температурная чувствительность приемника.
В настоящее время наиболее распространены три формата: 160х120 элементов, обычно используемый в миниатюрных одноканальных наблюдательных тепловизорах, 320х240 (384х288) элементов, являющийся фактическим стандартом для большинства наблюдательных систем, и 640х480 элементов, постепенно заменяющий матрицы среднего формата в полнофункциональных стационарных и носимых наблюдательных приборах.
Температурная чувствительность, обозначаемая как МРТ — минимальная различимая температура или в англоязычных источниках MRT — Minimum Resolvable Temperature, определяется как пороговое значение разницы температур между объектом и фоном, которое может быть обнаружено по изменению выходного сигнала. Типичное значение МРТ для современных неохлаждаемых микроболометрических приемников [60], которые наиболее часто используются в наблюдательных тепловизионных системах, составляет 0,05С.
Прохождение SWIR излучения сквозь атмосферную дымку [65]. Камеры, работающие в коротковолновой инфракрасной области (SWIR — Short wave infrared) с рабочим диапазоном в диапазоне 0,9 — 1,7 мкм, являясь промежуточным звеном между обычными видеокамерами и тепловизорами, дают изображение близкое к обычному видимому и при этом менее восприимчивы к атмосферным помехам (рис. 3.2). Кроме того, из-за различия свойств искусственных красителей в видимом и коротковолновом инфракрасном диапазоне, ИК камеры позволяют выявлять некоторые маскировочные средства, в частности камуфляжную раскраску замаскированных объектов (рис. 3.3) . За счет высокой чувствительности сенсоров и относительно высокой в этом диапазоне светимости ночного неба, данные камеры могут использоваться в режиме пассивного ПНВ (рис. 3.4) [61-64].
Навигационная система
Определение собственных координат наблюдателя осуществляется с помощью входящего в состав комплекса модуля ГеоС-1, работающего с сигналами систем глобального позиционирования GPS и Глонасс. Точность определения координат с доверительной вероятностью 0,67 составляет ±6 метров. [85]
Определение направления наблюдения осуществляется с помощью трехосевого интегрального магнитного компаса HMC5843 и трехосевого интегрального акселерометра LIS331DL. [86, 87] Акселерометр измеряет углы наклона комплекса по трем осям. Эти данные используются для определения положения цели относительно линии горизонта, а также для преобразования координат при вычислении азимута по показаниям магнитного компаса.
Система целеуказания комплекса состоит из дальномера, магнитного компаса, акселерометра и модуля глобального позиционирования, а также вычислительного процессора, осуществляющего обработку данных и вычисление координат цели.
Дистанция до цели определяется непосредственно лазерным дальномером, сориентированным строго параллельно оптическим осям наблюдательных каналов и направленным в центр наблюдаемой зоны. Таким образом дальномер всегда измеряет дистанцию до объекта, находящегося в центре изображения тепловизионного и видимого каналов. Для упрощения ориентирования комплекса на изображениях обозначается центр посредством квадратной рамки или перекрестия.
Азимут направления на цель вычисляется по показаниям трехосевого магнитного компаса с учетом поправок на наклон компаса и значение магнитного склонения в данной местности. Наклон компаса определяется по показаниям акселерометра и учитывается по формулам поворота координат (4.1) и (4.2) [88].
Значение магнитного склонения — величина непостоянная, зависит как от географического положения наблюдателя, так и от времени. В настоящее время значение магнитного склонения в Москве составляет 10,4 и изменяется на величину 0,11 в год. Простейший способ учета магнитного склонения заключается в ручном вводе величины для данной местности. Если при эксплуатации системы не предполагается ее активное перемещение на значительные расстояния, то такой способ обеспечит приемлемую точность и простоту реализации. При режиме использования, связанном со значительными перемещениями в различные регионы страны возможно использование карты магнитных склонений (рис. 4.4), хранящейся в памяти системы с определением требуемой величины поправок в зависимости от текущих координат комплекса, в свою очередь определяемых с помощью встроенного модуля глобального позиционирования. [89]
Карта магнитных склонений [90] Определение собственных координат наблюдательно осуществляется непосредственно двухдиапазонным GPS/ГЛОНАСС приемником с аппаратной точностью позиционирования 6 метров. Вычисление координат цели производится прибавлением к координатам наблюдателя вектора цели, задаваемого показаниями лазерного дальномера и значением географического азимута направления на цель. Значение азимута вычисляется с точностью до целого знака, то есть с погрешностью ±0,5, что эквивалентно погрешности ±4,3 метра на предельной рабочей дистанции комплекса 500 метров. С учетом погрешности измерения дистанции лазерным дальномером, равной ±1 метр, суммарная погрешность определения относительных координат цели даже на максимальной дистанции оказывается значительно меньше погрешности определения собственных координат наблюдателя.
Комплекс содержит минимально необходимый набор сенсоров для обеспечения обнаружения активных наземных целей типа «человек» и «транспортное средство» в любое время суток, в том числе при наличии атмосферных помех, на дистанции до 500 метров, а также определения относительных и абсолютных координат обнаруженных целей. Структурно-функциональная схема комплекса представлена на рисунке 4.3.
Видеоизображения с наложенной информацией (Vт, Vв) выводятся на дисплеи (Д1, Д2) контрольного пункта (КП), с которого также осуществляется управление режимами работы ОЭС посредством интерфейса RS485.
Многофункциональный наблюдательный комплекс реализован в виде макетного (МО) и опытного (ОО) образцов. Макетный образец, шифр «Омар», создан для проверки функциональных возможностей и отладки алгоритмов работы различных узлов без учета требований по стойкости к внешним воздействиям. МО собран на единой платформе, смонтированной в пластиковом корпусе, изображения с тепловизионного и видимого каналов выводятся на два отдельных дисплея с наложением на каждое изображение в графическом и текстовом виде информации с измерительных каналов системы целеуказания.
