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 метрологической 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:
1. 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.
2. Разработка программных средств регистрации и обработки информации формируемых баз экспериментальных данных.
Г'.
3. 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.
4. 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, 9 а также гражданских лиц и военнослужащих в различной экипировке в условиях суточно-сезонных вариаций окружающей среды. Предметом исследования являются радиометрический многоспектральный аппаратно-методический комплекс, обеспеченный средствами математического имитационного моделирования, предназначенный для исследования характеристик излучения наблюдаемых фо-ноцелевых сцен.
Научная новизна работы.
1. Разработан аппаратно-методический 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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 значительном 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.
1. 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.
2. Полу эмпирическая 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.
3. 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 летнеосеннего 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 назначенияотработка и верификация различных алгоритмов обнаружения, распознавания и сопровождения целей, необходимых при создании полностью автоматизированных ОЭС различного назначениявозможность оценки основных оптических параметров объектов для выделения их демаскирующих признаков и учет этих признаков при разработке соответствующих средств маскировкивозможность 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 «0птика-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 н 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.
Основные результаты исследования сводятся к следующему:
1. Сформулированы основные требования, предъявляемые к радиометрической измерительной аппаратуре и специализированным приборам контроля окружающей среды, предназначенные для выполнения систематизированных экспериментальных исследований радиационных полей верхней полусферы и радиационных характеристик человека и окружающего его фона. На основе этих требований осуществлен выбор соответствующей аппаратуры и проведена ее доработка до современного аппаратно-методического измерительного комплекса, обладающего повышенными (в 2−20 раз) характеристиками быстродействия, способного работать одновременно в нескольких спектральных диапазонах. Комплекс радиометрической аппаратуры прошел метрологическую аттестацию и был признан пригодным и допущенным к применению в качестве средства измерений пространственного распределения энергетической яркости природных образований в диапазонах длин волн от 0,3 до 15 мкм.
2. Разработаны программные средства регистрации и обработки экспериментальных радиометрических цифровых изображений с обеспечением возможности сохранения результатов обработки в электронных таблицах базы данных.
3. Проведены комплексные экспериментальные исследования пространственного распределения радиационных характеристик фоновых образований атмосферы и сцен визирования масштабных моделей аэродинамических целей с реальными защитными покрытиями в спектральных диапазонах.
0,3.0,36- 1,1.2,0- 3,8.5,8- 8,0.13,7 мкм для суточно-сезонных условий наблюдения, соответствующих климату центральной части европейской территории России, а также экспериментальные исследования радиационных характеристик военнослужащих и гражданских лиц в диапазонах спектра 2,1.5,5 и 7,6.11,8 мкм, охватывающие летне-осенний и весенне-зимний суточно-сезонные периоды наблюдений. В результате проведенных экспериментальных исследований сформирован банк данных в виде цифровых радиометрических изображений.
На основе полученного банка данных проведен статистический анализ суточно-сезонной изменчивости энергетической яркости фонов верхней полусферы в условиях ясного неба и сплошной облачности с оценкой контрастных характеристик излучения масштабных моделей аэродинамических целей относительно окружающего фона неба в различных комбинациях спектральных диапазонов 0,3.0,36- 1,1.2,0- 3,8.5,8- 8,0.13,7 мкм. Экспериментально подтверждена целесообразность совместной регистрации излучения аэродинамических целей в диапазонах 0,3.0,36- 3,8.5,8- 8,0. 13,7 мкм, позволяющая повысить вероятность обнаружения целей благодаря устойчивости характеристик радиационных контрастов при значительных вариациях метеоусловий.
Получены зависимости распределения контрастов радиационных температур поверхности фигур военнослужащих и гражданских лиц в спектральных диапазонах 2,1.5,5 и 7,6.11,8 мкм для летне-осеннего и зимне-весеннего периодов наблюдений на фоне открытой местности и внутри различных строений от времени суток, условий наблюдения, типа экипировки, позволяющие связать состояние наблюдаемого объекта с его тепловым излучением и характеризующие возможность обнаружения наблюдаемых объектов с помощью пассивных ОЭС.
4. Разработаны математическая и полуэмпирическая имитационные модели воспроизведения ФЦО, позволяющие ускорить процесс проектирования.
ОЭС и разработку алгоритмов селекции целей для ситуаций, не охваченных прямыми экспериментальными исследованиями: имитационная модель воспроизведения радиационной сцены наблюдения низколетящей аэродинамической цели в условиях ясного и облачного неба в наиболее интересных для разработчиков пассивных ОЭС спектральных диапазонах: 0,3.0,36- 3,8.5,8- 8,0.13,7 мкмматематическая модель суточного хода контраста радиационных температур внешней поверхности фигуры человека, находящегося в стационарных условиях теплообмена, относительно выбранных для анализа окружающих фоновых образований, позволяющая прогнозировать эти контрасты в спектральных диапазонах 3.5 и 8.14 мкм.
В заключение автор искренне благодарит руководителя работы к.т.н. Яцыка B.C. — за ценные советы и помощь при ее выполнении, д.ф.-м.н. Непогодина И. А. — за полезные советы и важные замечания при обсуждении материалов исследования, Каплана В. Г., Степанова В. А — за всестороннюю поддержку и совместную работу при проведении экспериментальных исследований, коллектив Сунцова В. В., Сюняева JI.3., Алексеева Ю. В. за помощь в модернизации радиометрической аппаратуры, коллег к.ф.-м.н. Танта-шева М.В. и к.т.н. Куке Т. М. за помощь при построении полуэмпирической имитационной модели формирования радиационных изображений аэродинамических целей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертации решен комплекс актуальных научно-технических задач в области разработки и проектирования ОЭС — информационного фоноцелевого обеспечения описывающего сигналы от наблюдаемых сцен поступающие на вход ОЭС при обнаружении и распознавании фигуры человека и аэродинамических объектов в контролируемой зоне.
