Лабунец Л.В.Цифровое моделирование оптических отражательных хара. Цифровое моделирование оптических отражательных характеристик целей
 Скачать 6.97 Mb.
|
|
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Л.В. Лабунец ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦЕЛЕЙ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 220400 «Управление в технических системах» Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2013 УДК 621.376.3(075.8) ББК 32.95 Л12 Рецензенты: А.С. Крюковский, И.И. Пахомов Лабунец Л. В. Л12 Цифровое моделирование оптических отражательных ха- рактеристик целей в режиме реального времени : учеб. посо- бие / Л. В. Лабунец. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. — 211, [1] с. : ил. ISBN 978-5-7038-3736-8 В пособии представлен программный комплекс цифрового мо- делирования в режиме реального времени характеристик заметности целей в лазерных и инфракрасных локационных системах. Рассмот- рены статистические, структурные и алгебраические методы, мето- дики и алгоритмы формирования цифровых моделей отражательных и излучательных характеристик 3D-объектов в системах оптической локации. На основе современных методов интеллектуального анали- за данных предложено решение важных практических задач сжатия информации, полученной в результате имитационного цифрового моделирования, а также формирования информативных признаков для распознавания и классификации целей. Комплекс гарантирует требуемую адекватность получаемых данных и позволяет заменить дорогостоящие полигонные измерения универсальным и гибким вы- числительным экспериментом. Для студентов старших курсов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 220400 «Управление в технических системах», а также для аспирантов и научных работ- ников. УДК 621.376.3(075.8) ББК 32.95 ISBN 978-5-7038-3736-8 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 3 ВВЕДЕНИЕ В учебном пособии представлен программный комплекс циф- рового моделирования в режиме реального времени отражательных характеристик объектов локации и входных сигналов в лазерных локационных системах и инфракрасных (ИК) координаторах целей. Комплекс гарантирует: • сжатие информации и компактное хранение в базе данных ре- зультатов имитационного цифрового моделирования для характе- ристик заметности объектов локации; • реконструкцию временнόго профиля импульсной эффектив- ной площади рассеяния (ЭПР) цели и расчет ее структурных со- ставляющих; • синтез тепловизионного изображения 3D-объекта с заданного ракурса по относительно небольшому набору его снимков; • статистическое моделирование отражательных характеристик целей; • возможность формирования признакового пространства, со- держащего информацию об энергетических свойствах объекта ло- кации, его размерах и форме. Необходимость решения перечисленных выше задач возникает, как правило, в процессе проектирования поверочных комплексов полунатурного моделирования систем оптической локации, а также модулей поддержки принятия решений в лазерно-телевизионных системах различного назначения. Первая глава учебного пособия посвящена краткому описанию основных понятий, определений и методик имитационного цифро- вого моделирования характеристик заметности целей в оптическом диапазоне спектра электромагнитных волн [1]. Приведены основ- ные формулы расчета переходной характеристики (ПХ), а также ЭПР и интегрального коэффициента яркости (ИКЯ) объекта в им- пульсных системах лазерной локации. Проанализированы струк- турные составляющие ПХ в виде ее непрерывной и разрывной со- ставляющих. Рассмотрен интегральный метод анализа отраженных 4 импульсов и соответствующие ему обобщенные отражательные ха- рактеристики целей. В заключение представлена параметрическая модель направленной спектральной степени черноты образца по- крытия. Во второй главе учебного пособия изложены новые методы статистического анализа для характеристик заметности объектов локации. Представлена унифицированная статистическая модель отражательных характеристик целей в локационных системах. Ее основой является процедура нелинейного преобразования форми- рующего бета-распределения. Рассмотрена методика оптимизации параметров модели на основе статистической обработки результа- тов имитационного цифрового моделирования ЭПР объекта в одно- позиционной системе лазерной локации. Проиллюстрирована уни- версальность и гибкость предложенной системы распределений на примерах статистических моделей реального времени интегральных параметров импульсных ЭПР аэродинамических целей. В рамках метода кумулянтного описания вероятностных рас- пределений А.Н. Малахова получено ковариационное приближение многомерных плотностей и интегралов вероятностей в виде степен- ного ряда по элементам ковариационной матрицы случайных вели- чин и производным их одномерных интегральных функций распре- деления. Исследованы необходимые и достаточные условия, при которых характеристическая функция ковариационного приближе- ния положительно определена. Показано, что эти условия рацио- нально формулировать в терминах поиска области допустимых зна- чений для параметров сужения одномерных плотностей распреде- ления вероятностей. Представлена практическая методика кумулянтного описания негауссовских распределений. Ее информационной основой явля- ются выборочные оценки одномерных плотностей вероятностей и ковариационной матрицы исходных данных. Такая модель есте- ственным образом согласуется с непараметрическими, параметри- ческими и полупараметрическими оценками многомерных распре- делений. Кроме того, ковариационное представление позволяет ми- нимизировать вычислительные затраты при решении задач статистического моделирования входных сигналов локационных систем. Универсальность и гибкость предложенных методов описания вероятностных распределений проиллюстрирована на примере ста- 5 тистической модели реального времени интегральных параметров импульсной ЭПР аэрокосмического корабля Space Shuttle. В част- ности, получены нелинейные регрессионные зависимости основ- ных статистик интегральных параметров временного профиля ЭПР объекта локации от длительности зондирующего импульса. Эти результаты позволили, в конечном итоге, реализовать статистиче- скую модель реального времени в виде ковариационного прибли- жения двумерной функции распределения обобщенной амплитуды импульсной ЭПР и ее значения для стационарных условий облуче- ния цели. В заключение представлен альтернативный пример статистиче- ской модели реального времени в виде унифицированного вероят- ностного распределения амплитуды импульсного ИКЯ объекта ло- кации в двухпозиционной лазерной системе наведения. В третьей главе учебного пособия исследованы структурные модели отражательных характеристик целей в однопозиционной лазерной локации. Введено понятие дальностного портрета 3D-объекта в виде диаграммы рассеяния в координатах глубина сцены — яркость дифференциально малого элемента поверхности цели. С помощью экспоненциально взвешенных оценок характери- стик положения и масштаба, а также анализа гистограммы, сгла- женной сдвигом, для выборки яркостей фацетов на поверхности 3D- объекта выделены непрерывная и разрывная компоненты времен- ных профилей импульсной ЭПР. Получено эффективное решение задачи статистического моделирования в режиме реального време- ни профилей импульсов, отраженных объектами локации. Представлена методика интеллектуального анализа отража- тельных характеристик 3D-объектов в однопозиционных системах оптической локации. Методом обращения свертки реализована кор- рекция профиля импульсной ЭПР цели. На основе оценок времен- ного положения точек перегиба импульсной ЭПР выделены ее не- прерывная и разрывная компоненты. С помощью EM-алгоритма идентифицированы параметры полигауссовской модели разрывной части переходной характеристики объекта локации. На основе соче- тания метода главных компонент с релаксационными алгоритмами решения систем линейных неравенств предложено эффективное решение задач моделирования в режиме реального времени непре- рывной компоненты ПХ, а также сжатия признаков и их компакт- 6 ного хранения в базе данных. Показано, что формирование инфор- мативного признакового пространства малой размерности для клас- сификации целей рационально выполнять на основе кратно-мас- штабного анализа разрывной составляющей ПХ в базисе вейвлетов Хаара. В четвертой главе учебного пособия рассмотрено решение за- дачи моделирования тепловизионных изображений целей в пас- сивных ИК-локационных системах. Математическая модель изоб- ражения 3D-объекта реализована в виде системы нелинейных уравнений энергетического баланса. Такой подход позволил учесть как собственную тепловую, так и отражаемую части оптического излучения элемента поверхности цели. Предложена методика ли- неаризации подобного рода системы уравнений. В рамках принци- па реализуемости исследована эффективность алгебраических ал- горитмов вычислительной томографии для реконструкции тепло- физических параметров объекта локации. Это, в свою очередь, обеспечило возможность восстановления изображения цели по от- носительно малому набору экспериментально измеренных ракурс- ных снимков. Алгоритмы обеспечили разумный компромисс меж- ду относительно низкими вычислительными затратами цифрового моделирования входных сигналов ИК-координаторов цели и адек- ватность модели реального времени экспериментальным изобра- жениям. 7 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАМЕТНОСТИ 3D-ОБЪЕКТОВ В СИСТЕМАХ ОПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ В однопозиционной лазерной локации для оценки отражатель- ных свойств в дальней зоне, когда размеры поперечного сечения зондирующего пучка превышают размеры объекта, применяют по- нятие эффективной площади рассеяния (ЭПР) цели. Наряду с ЭПР объекта в лазерной локации для оценки отражающих свойств целей используют понятие переходной характеристики (ПХ) цели. Под переходной характеристикой обычно понимают сигнал, отражен- ный объектом при его облучении функцией включения (функцией Хевисайда). Указанная характеристика содержит информацию об энергетических свойствах цели, ее размерах и форме и поэтому весьма полезна для решения ряда задач заметности и классифика- ции объектов. Проведение натурных измерений указанных характеристик за- метности для отдельных целей даже при небольшом числе случаев их ориентации относительно направления визирования представля- ет собой дорогостоящую, а в ряде случаев технически нереализуе- мую задачу. В последнее время широкое распространение получили взаимодополняющие методы физического и математического мо- делирования отражательных свойств объектов. Переходная характеристика является удобным инструментом для исследования отражающих свойств антропогенных объектов в двухпозиционных лазерных системах наведения. Дополнительной особенностью таких систем является наличие динамических оши- бок слежения за объектом, в результате которых луч подсвета со- вершает случайные угловые колебания. При этом пучок захватыва- ет различные участки цели и подстилающей поверхности (ПП). Пятно подсвета при скользящих углах падения растягивается по ПП до размеров, бóльших, чем пространственная протяженность зонди- рующих импульсов. Эти факторы приводят к искажению временнό- го профиля принимаемого импульса относительно зондирующего импульса, котор ое трудно учесть при физическом моделировании. 8 Исследование излучательных характеристик объектов локации является одним из наиболее трудоемких этапов проектирования ИК-координаторов цели. Эффективное решение этой задачи осно- вано на рациональном сочетании экспериментальных измерений и математического моделирования тепловизионных изображений 3D-объектов. Математические модели характеристик оптического излучения покрытиями конструкционных материалов позволяют создавать аппаратно-программные комплексы имитационного циф- рового моделирования тепловизионных изображений целей и вход- ных сигналов ИК-систем наведения. Основное требование, предъ- являемое к таким комплексам, — это адекватное воспроизведение в вычислительном эксперименте физических закономерностей фор- мирования объектами локации отраженного и собственного оптиче- ского излучения. Имитационные цифровые модели изображений и характеристик заметности объектов локации приобретают ведущую роль при обосновании рациональной структуры и оптимизации параметров лазерно-телевизионных и ИК-систем различного назначения. Вы- числительный эксперимент, адекватный полигонным измерениям, позволяет сформировать представительную базу данных отража- тельных и излучательных свойств целей. 1.1. ПЕРЕХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ИМПУЛЬСНАЯ ЭФФЕКТИВНАЯ ПЛОЩАДЬ РАССЕЯНИЯ ЦЕЛИ В ОДНОПОЗИЦИОННЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ В оптическом диапазоне спектра зондирующего излучения расчет сигнала, отраженного целью, как правило, выполняют мето- дами геометрической оптики, поскольку минимальные радиусы кривизны поверхности объекта значительно превышают длину волны оптического излучения. В частности, применяют принцип суперпозиции потока лучистой энергии по множеству дифферен- циально малых участков поверхности цели. Геометрическая схема однопозиционной локации представлена на рис. 1.1. Ориентацию целевой системы координат O t X t Y t Z t , начало которой совмещено 9 с условным центром объекта O t , выбирают так, чтобы координат- ные плоскости X t O t Y t , X t O t Z t и Z t O t Y t являлись плоскостями тан- гажа, курса и крена соответственно. Ось O t X лучевой системы ко- ординат O t X Y Z направлена на источник. Лучевую систему полу- чают из целевой при ее последовательных поворотах вокруг осей O t Y t и O t Z t на углы и , задающие ракурс цели. Источник и при- емник оптического излучения совмещены в пространстве и нахо- дятся в точке O S Рис. 1.1. Геометрическая схема однопозиционной локации При некогерентном приеме в приближении малых углов, когда объект облучается полностью, а его размеры значительно меньше расстояния до источника и приемника L 0 , переходная характеристи- ка имеет вид [1] 0 ( , ) ( | , ) ( , ) 2 , R R R R L x y z h t f y z u t dydz c (1.1) где f ( y, z) ( y, z) ( | y, z) cos — распределение яркости цели в картинной плоскости YO t Z; ( y, z) — индикаторная функция, рав- 10 ная единице, если точка картинной плоскости с координатами ( y, z) принадлежит проекции цели, и нулю в противном случае; ( | y, z) — коэффициент яркости элемента поверхности цели dS dy dz cos при отражении назад; — угол падения излучения на элемент dS; u(t) — функция включения Хевисайда; x ( y, z) — абс- цисса облученного элемента dS в лучевой системе координат; c — скорость света; R — наибольший полярный радиус проекции цели на картинную плоскость. Интеграл Дюамеля относительно переходной характеристики и зондирующего импульса заданной формы i S (t) и конечной длитель- ности t S формирует временной профиль i R (t | , ) импульса, отра- женного объектом с заданного ракурса. При нестационарном облу- чении цели, когда выполняется условие max min 2 ( , ) ( , ) ( , ) , S x y z x y z t T c получим max min ( | , ) ( ) ( | , ) . V t R S V t i t i t v d h v (1.2) Здесь интеграл понимается в смысле Стильтьеса [2], а пределы ин- тегрирования варьируются в зависимости от значения отсчета вре- мени: min max 0 0 , ( ) ( , ) ; для 0 < ( , ), ( ) ( , ) для ( , ) ( , ) S S S S S t t V t t t t t T t t t T V t T T t T t для для В общем случае переходная характеристика объекта представ- ляет собой сумму двух функций (рис. 1.2): cont disc ( | , ) ( | , ) ( | , ). h t h t h t 11 Рис. 1.2. Переходная характеристика самолета МиГ-23 Первая функция cont ( | , ) h t — это непрерывная дифференци- руемая структурная компонента. Ее производная по времени — им- пульсная характеристика цели cont cont ( | , ) ( | , ) , d h t d t dt т. е. ее реакция на зондирующий импульс в виде дельта-функции. Вторая составляющая — это разрывная функция, состоящая из хро- нологической последовательности перепадов ( ) ( , ) S n A переходной характеристики: ( , ) ( ) ( ) disc 1 ( ) ( ) ( ) 1 2 ( , ) ( | , ) ( , ) ( , ) ; ( , ) ( , ) ( , ). N S S n n n S S S N h t A u t T T T T Физически элемент последовательности ( ) ( , ) S n A представля- ет собой ЭПР локального участка интенсивного отражения (так 12 называем ой блестящей точки) поверхности цели, расположенного на относительном удалении ( ) ( , ) 2 S n cT для заданного ракурса ( , ). Подстановка структурных компонент ПХ в выражение (1.2) и преобразование этого выражения в соответствии с фильтрующим свойством интеграла Стильтьеса дает max min ( ) cont ( ) ( , ) ( ) ( ) 1 ( | , ) ( | , ) ( ) ( , ) ( , ) . V t R S V t N S S n S n n i t d v i t v dt A i t T (1.3) Пусть зондирующий импульс конечной длительности t S удовле- творяет условию нормировки max ( ) 1 S t i t . В этом случае при ста- ционарном облучении цели, т. е. при ( , ), S t T справедливо ра- венство max ( | , ) ( , ) max ( ) ( , ) ( , ) R R R S t t R R i t A i t A f y z dydz Иными словами, временные отсчеты отраженного импульса ( | , ) R i t измеряются в квадратных метрах, т. е. имеют смысл ЭПР. По этой причине отражательную характеристику (1.3) для указан- ного правила нормировки зондирующего сигнала называют им- пульсной ЭПР объекта [1] и обозначают ( | , ) S t A t (рис. 1.3). Важ- но отметить, что эта характеристика не инвариантна к длительности зондирующего импульса t S и его форме. Альтернативное правило нормировки зондирующего сигнала по площади дает ( , ) 0 0 ( ) 1 ( | , ) ( , ), S S t t T S R i t dt i t dt A 13 т. е. временные отсчеты отраженного импульса ( | , ) R i t в этом случае измеряются в квадратных метрах на секунду, а его пло- щадь — это ЭПР. Ясно, что в этом случае 0 lim{ ( | , )} S S t t A t есть им- пульсная характеристика цели. |