ОСОБЕННОСТИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ
75
УДК 621.384
И. П. ТОРШИНА
ОСОБЕННОСТИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ
Рассмотрены особенности компьютерного моделирования многодиапазонных оптико-электронных систем обнаружения, относящиеся к отдельным модулям их обобщенной компьютерной модели. Представлена энергетическая модель фоноцелевой обстановки работы двухдиапазонной оптико-электронной системы обнаружения. Ключевые слова: компьютерное моделирование, двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы.
Многодиапазонные оптико-электронные системы (ОЭС), работающие одновременно в двух или более оптических спектральных диапазонах, находят в настоящее время все большее распространение в самых различных областях науки и техники [1]. Такие системы успешно используются для обнаружения различных объектов (целей) в военной технике, для мониторинга экологического состояния и контроля окружающей среды, в правоохранительной и охранной аппаратуре и др. Поскольку проведение натурных испытаний очень часто сопряжено с большими технико-экономическими и временным́ и затратами, роль
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
76 И. П. Торшина
компьютерного моделирования в процессе синтеза и анализа ОЭС, особенно на первых эта-
пах проектирования, трудно переоценить.
В подавляющем большинстве отечественных и зарубежных публикаций, посвященных
компьютерному моделированию ОЭС, рассматривается моделирование однодиапазонных
ОЭС, работающих в каком-либо одном спектральном диапазоне. В настоящее время возникает
необходимость разработки компьютерных моделей (КМ) многодиапазонных ОЭС, обладаю-
щих рядом преимуществ перед однодиапазонными [1, 2].
При создании ОЭС, работающих в активном режиме и использующих несколько
узкополосных источников излучения или несколько полос излучения одного источника,
применяют те же принципы построения. Различие состоит в том, что базы данных многодиа-
пазонных ОЭС должны дополнительно содержать следующую информацию.
— В КМ многодиапазонных ОЭС необходимо строго учитывать спектральную селек-
тивность пропускания среды (атмосферы).
— Необходимо, чтобы в базе данных оптических систем КМ таких ОЭС содержались
характеристики оптических материалов с пропусканием в рабочих спектральных диапазонах,
параметры диспергирующих систем (призм, дифракционных решеток, наборов узкополосных
светофильтров и др.).
— Характеристики матричных многодиапазонных приемников излучения (МПИ) [1, 3],
реализующих спектральную селекцию и пространственную фильтрацию в одном элементе.
— Наличие в составе многих ОЭС систем совмещения изображений, получаемых в раз-
ных рабочих спектральных диапазонах.
Как известно, характерными показателями эффективности работы двухдиапазонной
ОЭС являются:
— спектральный контраст
Kλ
=
rλ rλ
1 1
−rλ +rλ
2 2
или
K
λ
=
Еλ Еλ
1 1
−Еλ + Еλ
2 2
,
— разность оптических сигналов
(1)
∆λ = rλ 1 − rλ 2 или ∆λ = Eλ 1 − Eλ 2 ,
(2)
— спектральное отношение
Rλ = rλ 1 /rλ 2 или Rλ = Eλ 1 /Eλ 2 ,
(3)
— логарифмические спектральные отношения
lg
Rλ
= lg [rλ
1
/ rλ
]
2
или
lg
Rλ
= lg [Eλ
1
/ Eλ
2 ].
(4)
Здесь rλ — коэффициент спектральной яркости отражающих поверхностей, Eλ — спектральная плотность светового потока, приведенные к выходу системы.
Энергетическая модель, в которой учитываются собственное и отраженное излучение
объекта, фона и среды, находящихся в угловом поле ОЭС (в телесном угле ΩОЭС), а также отраженное от них или рассеянное ими излучение, создаваемое посторонним источником или
окружающей средой, находящимися вне углового поля ΩОЭС, представлена на рисунке (Lоб, Lф
и Li — яркость объекта, фона и i-го слоя ( i = 1, I ) среды соответственно; Lотр — яркость „по-
стороннего“ излучения в плоскости фона). Чтобы учесть неоднородность среды распространения, разделим ее на отдельные зоны
(слои), находящиеся в термодинамическом равновесии. Внутри каждого i-го слоя значения
его температуры Тi, спектральных коэффициентов излучения εi(λ) и пропускания τ i(λ) приняты постоянными. В первом слое находится входной зрачок объектива ОЭС, объект находится в слое с номером i=nоб, фоновый излучатель — в слое с номером i=nф.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
Особенности компьютерного моделирования многодиапазонных ОЭС обнаружения
77
Приведем соотношения для
— яркости излучения, собираемого внутри телесного угла Ωоб и представляющего собой сумму собственного и отраженного излучения объекта, а также излучения среды на трассе
внутри этого угла
∏ ∑ ∏Lоб
(λ)
=
⎡⎣⎢εоб
(λ)
Lоб
(λ,
Tоб
)
+
1 π
ρоб
(λ)Еоб
(λ)⎤⎥⎦
nоб i=1
τi
(λ)+
nоб i=1
Li
(Ti
)
i−1 j=1
τ
j
(λ)
⎣⎡1−
τ
j
(λ)⎦⎤
;
(5)
— яркости фона, наблюдаемого ОЭС в пределах телесного угла (ΩОЭС –Ωоб), не занятого объектом; эта яркость вызвана собственным и отраженным (обычно рассеянным) излучением
фона, а также излучением среды на трассе внутри угла (ΩОЭС –Ωоб):
∏ ∑ ∏Lф (λ) = ⎡⎣⎢εф (λ)Lф (λ,Tф )+
1 π
ρф (λ)Еф (λ)⎥⎤⎦
nф i=1
τi (λ)+
nф i=1
Li (Ti )
i−1 j=1
τ
j
(λ)
⎣⎡1− τ
j
(λ)⎤⎦
,
(6)
где εоб, εф, ρоб и ρф — коэффициенты излучения и отражения объекта и фона соответственно; Tоб, Tф и T — температура объекта, фона и среды; τ(λ) — спектральное пропускание среды.
Посторонний источник
ΩОЭС
Lф
Lотр
Lоб
Li
Ωоб
Входной зрачок ОЭС
Объект (цель) Фон
Среда (атмосфера) на трассе прохождения излучения
Облученность входного зрачка объектива будет равна
Евх(λ) = Lоб(λ)∆Ωоб + Lф(λ) (ΩОЭС –Ωоб). Примем отражения от объекта и фона ламбертовскими, излучательные способности и
значения яркости по их поверхностям и в пределах телесных углов Ωоб и (ΩОЭС – Ωоб) будем считать постоянными.
Если известны не значения облученности Еоб(λ) и Еф(λ), создаваемые источником „постороннего“ излучения в плоскостях объекта и фона, а приведенные к этим плоскостям ярко-
сти этого источника Lех об(λ) и Lех ф(λ), в первых квадратных скобках правой части (5) и (6)
для изотропно отражающих объектов и фонов слагаемые
1 π
ρоб
(λ)
Eоб
(λ)
и
1 π
ρф
(λ)
Еф
(λ)
сле-
дует заменить на ρоб(λ)Lех об(λ) и ρф(λ)Lех ф(λ) соответственно (в таких случаях для непрозрачных излучателей использовать зависимости ρоб(λ) = 1 – εоб(λ) и ρф(λ) = 1 – εф(λ)).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
78 И. П. Торшина
Часто в качестве аргумента функций rλ или Еλ, описывающих оптический сигнал, используется не отдельная длина волны λ1 и λ2, а спектральные диапазоны ∆λ1 и ∆λ2, порой достаточно протяженные, например окна прозрачности атмосферы 3—5 и 8—14 мкм. Для определения величин сигналов в рабочих спектральных диапазонах ∆λ1 и ∆λ2 можно выражения (5) и (6) проинтегрировать по λ в пределах ∆λ.
Сигнал на выходе приемника излучения можно представить в следующем виде:
V(λ) = Евх(λ) Авх τоб(λ) Ѕ(λ),
где Авх — площадь входного зрачка объектива ОЭС, τоб(λ) — спектральное пропускание объектива, Ѕ(λ) — спектральная чувствительность приемника.
При нахождении в угловом поле ОЭС обнаруживаемого объекта и ряда помех сигналы в рабочих спектральных диапазонах ∆λ1 и ∆λ2 равны
II
∑ ∑V∆λ1 = Vп∆λ1i +Vц∆λ1 , V∆λ2 = Vп∆λ2i +Vц∆λ2 , i=1 i=1
где индексы ∆λ1и ∆λ2 обозначают принадлежность сигналов от цели Vц и от помех Vп к первому или второму спектральному диапазону.
Спектральные соотношения для цели и помех могут иметь следующий вид: Rц∆λ1∆λ2 =Vц∆λ1 /Vц∆λ2 ,
I
∑Rп∆λ1∆λ2 = Vп∆λ1i /Vп∆λ2i , i=1 I
∑Rц+п∆λ1∆λ2 = Vц+п∆λ1i /Vц+п∆λ2i . i=1
Если в процессе работы ОЭС значения излучательной способности и температуры цели и помех, а также коэффициенты пропускания среды распространения сигналов не изменяются, первые два ее соотношения остаются постоянными.
Третье соотношение определяет сигнал, когда в угловом поле системы могут находиться одновременно цель и помехи. Оно изменяется во времени, если относительные величины сигналов от цели и помех непостоянны в течение работы системы, например за время одного периода сканирования поля обзора. В случае, если сигнал от цели в каком-либо спектральном диапазоне, например в ∆λ2, гораздо слабее других сигналов, относительные величины Rц∆λ1∆λ2 , Rп∆λ1∆λ2 и Rц+п∆λ1∆λ2 подчиняются неравенству Rп∆λ1∆λ2 < Rц+п∆λ1∆λ2 < Rц∆λ1∆λ2 .
Следует учитывать различные значения пространственного разрешения, свойственного ОЭС, работающим в тех или иных участках оптического спектра. Так, в ОЭС УФ-диапазона пространственное разрешение обычно определяется размером одного пиксела МПИ. В ОЭС видимого диапазона это разрешение в плоскости МПИ может составлять долю пиксела МПИ, а в ОЭС длинноволнового ИК-диапазона оно может соответствовать дифракционному пределу [3].
Компьютерная модель двухдиапазонной ОЭС обнаружения может помочь при выборе положения и ширины рабочих спектральных диапазонов, что часто является одной из важных задач на начальном этапе проектирования таких ОЭС. Так, например, при разработке ряда ОЭС важно сопоставить целесообразность выбора рабочих спектральных диапазонов в ультрафиолетовой или в инфракрасной областях спектра. При работе в УФ-области можно почти полностью пренебречь влиянием фона, например, подстилающей наземной или водной поверхности. Однако пропускание среды распространения оптических сигналов — атмосферы — в УФ-диапазоне хуже, чем в окнах прозрачности ИК-диапазона. При этом уровни сигналов, создаваемых обнаруживаемыми или наблюдаемыми объектами (целями и помехами), также заметно разнятся в этих областях.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
Особенности компьютерного моделирования многодиапазонных ОЭС обнаружения
79
Для оценки эффективности спектральной селекции цели можно использовать величины спектральных отношений, определенные для различных задаваемых значений дальности обнаружения.
Поскольку при выборе определенных рабочих спектральных диапазонов ∆λ могут заметно уменьшаться величины сигналов от цели, несмотря на увеличение спектрального отношения, на практике при использовании такой „двухцветовой“ спектральной селекции необходимо стремиться одновременно к оптимизации (увеличению) спектрального отношения и обеспечению требуемого для надежной работы ОЭС уровня сигнала от цели в диапазонах ∆λ1 и ∆λ2, т.е. в рабочих спектральных каналах системы.
Поэтому уже на первых этапах компьютерного моделирования двух- и многодиапазонной ОЭС обнаружения целесообразно в соответствии с заданной вероятностью ложных тревог выбрать порог обнаружения [4, 5], а затем с помощью характеристик обнаружения (рабочих характеристик) для различных законов распределения вероятностей [6] определить зависимость вероятности правильного обнаружения от величины порога обнаружения для различных вероятностей ложных тревог. После этого, изменяя положения и ширину ∆λ1 и ∆λ2 для различных дальностей, задаваемых техническим заданием, можно вычислить спектральные отношения, приведенные к выходу системы.
Настоящая работа поддерживалась грантом Минобрнауки РФ по программе „Развитие научного потенциала высшей школы (2009—2010 гг.)“, проект № 4163.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Логос, 2007. 192 с.
2. Торшина И. П. Компьютерное моделирование многодиапазонных оптико-электронных систем // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 9. С. 37—41.
3. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы „смотрящего“ типа. М.: Логос, 2004. 444 с.
4. Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Логос, 2004. 472 с.
5. Джемисон Дж. Э., Мак-Фи Р. Х., Пласс Дж. Н. и др. Физика и техника инфракрасного излучения / Пер. с англ.; под ред. Н. В. Васильченко. М.: Сов. радио, 1965. 642 с.
6. Каценбоген М. С. Характеристики обнаружения. М.: Сов. радио, 1965. 104 с.
Ирина Павловна Торшина
Сведения об авторе — д-р техн. наук, доцент; Московский государственный университет
геодезии и картографии, кафедра оптико-электронных приборов; E-mail: torshinai@yandex.ru
Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов
Поступила в редакцию 10.03.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
УДК 621.384
И. П. ТОРШИНА
ОСОБЕННОСТИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ
Рассмотрены особенности компьютерного моделирования многодиапазонных оптико-электронных систем обнаружения, относящиеся к отдельным модулям их обобщенной компьютерной модели. Представлена энергетическая модель фоноцелевой обстановки работы двухдиапазонной оптико-электронной системы обнаружения. Ключевые слова: компьютерное моделирование, двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы.
Многодиапазонные оптико-электронные системы (ОЭС), работающие одновременно в двух или более оптических спектральных диапазонах, находят в настоящее время все большее распространение в самых различных областях науки и техники [1]. Такие системы успешно используются для обнаружения различных объектов (целей) в военной технике, для мониторинга экологического состояния и контроля окружающей среды, в правоохранительной и охранной аппаратуре и др. Поскольку проведение натурных испытаний очень часто сопряжено с большими технико-экономическими и временным́ и затратами, роль
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
76 И. П. Торшина
компьютерного моделирования в процессе синтеза и анализа ОЭС, особенно на первых эта-
пах проектирования, трудно переоценить.
В подавляющем большинстве отечественных и зарубежных публикаций, посвященных
компьютерному моделированию ОЭС, рассматривается моделирование однодиапазонных
ОЭС, работающих в каком-либо одном спектральном диапазоне. В настоящее время возникает
необходимость разработки компьютерных моделей (КМ) многодиапазонных ОЭС, обладаю-
щих рядом преимуществ перед однодиапазонными [1, 2].
При создании ОЭС, работающих в активном режиме и использующих несколько
узкополосных источников излучения или несколько полос излучения одного источника,
применяют те же принципы построения. Различие состоит в том, что базы данных многодиа-
пазонных ОЭС должны дополнительно содержать следующую информацию.
— В КМ многодиапазонных ОЭС необходимо строго учитывать спектральную селек-
тивность пропускания среды (атмосферы).
— Необходимо, чтобы в базе данных оптических систем КМ таких ОЭС содержались
характеристики оптических материалов с пропусканием в рабочих спектральных диапазонах,
параметры диспергирующих систем (призм, дифракционных решеток, наборов узкополосных
светофильтров и др.).
— Характеристики матричных многодиапазонных приемников излучения (МПИ) [1, 3],
реализующих спектральную селекцию и пространственную фильтрацию в одном элементе.
— Наличие в составе многих ОЭС систем совмещения изображений, получаемых в раз-
ных рабочих спектральных диапазонах.
Как известно, характерными показателями эффективности работы двухдиапазонной
ОЭС являются:
— спектральный контраст
Kλ
=
rλ rλ
1 1
−rλ +rλ
2 2
или
K
λ
=
Еλ Еλ
1 1
−Еλ + Еλ
2 2
,
— разность оптических сигналов
(1)
∆λ = rλ 1 − rλ 2 или ∆λ = Eλ 1 − Eλ 2 ,
(2)
— спектральное отношение
Rλ = rλ 1 /rλ 2 или Rλ = Eλ 1 /Eλ 2 ,
(3)
— логарифмические спектральные отношения
lg
Rλ
= lg [rλ
1
/ rλ
]
2
или
lg
Rλ
= lg [Eλ
1
/ Eλ
2 ].
(4)
Здесь rλ — коэффициент спектральной яркости отражающих поверхностей, Eλ — спектральная плотность светового потока, приведенные к выходу системы.
Энергетическая модель, в которой учитываются собственное и отраженное излучение
объекта, фона и среды, находящихся в угловом поле ОЭС (в телесном угле ΩОЭС), а также отраженное от них или рассеянное ими излучение, создаваемое посторонним источником или
окружающей средой, находящимися вне углового поля ΩОЭС, представлена на рисунке (Lоб, Lф
и Li — яркость объекта, фона и i-го слоя ( i = 1, I ) среды соответственно; Lотр — яркость „по-
стороннего“ излучения в плоскости фона). Чтобы учесть неоднородность среды распространения, разделим ее на отдельные зоны
(слои), находящиеся в термодинамическом равновесии. Внутри каждого i-го слоя значения
его температуры Тi, спектральных коэффициентов излучения εi(λ) и пропускания τ i(λ) приняты постоянными. В первом слое находится входной зрачок объектива ОЭС, объект находится в слое с номером i=nоб, фоновый излучатель — в слое с номером i=nф.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
Особенности компьютерного моделирования многодиапазонных ОЭС обнаружения
77
Приведем соотношения для
— яркости излучения, собираемого внутри телесного угла Ωоб и представляющего собой сумму собственного и отраженного излучения объекта, а также излучения среды на трассе
внутри этого угла
∏ ∑ ∏Lоб
(λ)
=
⎡⎣⎢εоб
(λ)
Lоб
(λ,
Tоб
)
+
1 π
ρоб
(λ)Еоб
(λ)⎤⎥⎦
nоб i=1
τi
(λ)+
nоб i=1
Li
(Ti
)
i−1 j=1
τ
j
(λ)
⎣⎡1−
τ
j
(λ)⎦⎤
;
(5)
— яркости фона, наблюдаемого ОЭС в пределах телесного угла (ΩОЭС –Ωоб), не занятого объектом; эта яркость вызвана собственным и отраженным (обычно рассеянным) излучением
фона, а также излучением среды на трассе внутри угла (ΩОЭС –Ωоб):
∏ ∑ ∏Lф (λ) = ⎡⎣⎢εф (λ)Lф (λ,Tф )+
1 π
ρф (λ)Еф (λ)⎥⎤⎦
nф i=1
τi (λ)+
nф i=1
Li (Ti )
i−1 j=1
τ
j
(λ)
⎣⎡1− τ
j
(λ)⎤⎦
,
(6)
где εоб, εф, ρоб и ρф — коэффициенты излучения и отражения объекта и фона соответственно; Tоб, Tф и T — температура объекта, фона и среды; τ(λ) — спектральное пропускание среды.
Посторонний источник
ΩОЭС
Lф
Lотр
Lоб
Li
Ωоб
Входной зрачок ОЭС
Объект (цель) Фон
Среда (атмосфера) на трассе прохождения излучения
Облученность входного зрачка объектива будет равна
Евх(λ) = Lоб(λ)∆Ωоб + Lф(λ) (ΩОЭС –Ωоб). Примем отражения от объекта и фона ламбертовскими, излучательные способности и
значения яркости по их поверхностям и в пределах телесных углов Ωоб и (ΩОЭС – Ωоб) будем считать постоянными.
Если известны не значения облученности Еоб(λ) и Еф(λ), создаваемые источником „постороннего“ излучения в плоскостях объекта и фона, а приведенные к этим плоскостям ярко-
сти этого источника Lех об(λ) и Lех ф(λ), в первых квадратных скобках правой части (5) и (6)
для изотропно отражающих объектов и фонов слагаемые
1 π
ρоб
(λ)
Eоб
(λ)
и
1 π
ρф
(λ)
Еф
(λ)
сле-
дует заменить на ρоб(λ)Lех об(λ) и ρф(λ)Lех ф(λ) соответственно (в таких случаях для непрозрачных излучателей использовать зависимости ρоб(λ) = 1 – εоб(λ) и ρф(λ) = 1 – εф(λ)).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
78 И. П. Торшина
Часто в качестве аргумента функций rλ или Еλ, описывающих оптический сигнал, используется не отдельная длина волны λ1 и λ2, а спектральные диапазоны ∆λ1 и ∆λ2, порой достаточно протяженные, например окна прозрачности атмосферы 3—5 и 8—14 мкм. Для определения величин сигналов в рабочих спектральных диапазонах ∆λ1 и ∆λ2 можно выражения (5) и (6) проинтегрировать по λ в пределах ∆λ.
Сигнал на выходе приемника излучения можно представить в следующем виде:
V(λ) = Евх(λ) Авх τоб(λ) Ѕ(λ),
где Авх — площадь входного зрачка объектива ОЭС, τоб(λ) — спектральное пропускание объектива, Ѕ(λ) — спектральная чувствительность приемника.
При нахождении в угловом поле ОЭС обнаруживаемого объекта и ряда помех сигналы в рабочих спектральных диапазонах ∆λ1 и ∆λ2 равны
II
∑ ∑V∆λ1 = Vп∆λ1i +Vц∆λ1 , V∆λ2 = Vп∆λ2i +Vц∆λ2 , i=1 i=1
где индексы ∆λ1и ∆λ2 обозначают принадлежность сигналов от цели Vц и от помех Vп к первому или второму спектральному диапазону.
Спектральные соотношения для цели и помех могут иметь следующий вид: Rц∆λ1∆λ2 =Vц∆λ1 /Vц∆λ2 ,
I
∑Rп∆λ1∆λ2 = Vп∆λ1i /Vп∆λ2i , i=1 I
∑Rц+п∆λ1∆λ2 = Vц+п∆λ1i /Vц+п∆λ2i . i=1
Если в процессе работы ОЭС значения излучательной способности и температуры цели и помех, а также коэффициенты пропускания среды распространения сигналов не изменяются, первые два ее соотношения остаются постоянными.
Третье соотношение определяет сигнал, когда в угловом поле системы могут находиться одновременно цель и помехи. Оно изменяется во времени, если относительные величины сигналов от цели и помех непостоянны в течение работы системы, например за время одного периода сканирования поля обзора. В случае, если сигнал от цели в каком-либо спектральном диапазоне, например в ∆λ2, гораздо слабее других сигналов, относительные величины Rц∆λ1∆λ2 , Rп∆λ1∆λ2 и Rц+п∆λ1∆λ2 подчиняются неравенству Rп∆λ1∆λ2 < Rц+п∆λ1∆λ2 < Rц∆λ1∆λ2 .
Следует учитывать различные значения пространственного разрешения, свойственного ОЭС, работающим в тех или иных участках оптического спектра. Так, в ОЭС УФ-диапазона пространственное разрешение обычно определяется размером одного пиксела МПИ. В ОЭС видимого диапазона это разрешение в плоскости МПИ может составлять долю пиксела МПИ, а в ОЭС длинноволнового ИК-диапазона оно может соответствовать дифракционному пределу [3].
Компьютерная модель двухдиапазонной ОЭС обнаружения может помочь при выборе положения и ширины рабочих спектральных диапазонов, что часто является одной из важных задач на начальном этапе проектирования таких ОЭС. Так, например, при разработке ряда ОЭС важно сопоставить целесообразность выбора рабочих спектральных диапазонов в ультрафиолетовой или в инфракрасной областях спектра. При работе в УФ-области можно почти полностью пренебречь влиянием фона, например, подстилающей наземной или водной поверхности. Однако пропускание среды распространения оптических сигналов — атмосферы — в УФ-диапазоне хуже, чем в окнах прозрачности ИК-диапазона. При этом уровни сигналов, создаваемых обнаруживаемыми или наблюдаемыми объектами (целями и помехами), также заметно разнятся в этих областях.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
Особенности компьютерного моделирования многодиапазонных ОЭС обнаружения
79
Для оценки эффективности спектральной селекции цели можно использовать величины спектральных отношений, определенные для различных задаваемых значений дальности обнаружения.
Поскольку при выборе определенных рабочих спектральных диапазонов ∆λ могут заметно уменьшаться величины сигналов от цели, несмотря на увеличение спектрального отношения, на практике при использовании такой „двухцветовой“ спектральной селекции необходимо стремиться одновременно к оптимизации (увеличению) спектрального отношения и обеспечению требуемого для надежной работы ОЭС уровня сигнала от цели в диапазонах ∆λ1 и ∆λ2, т.е. в рабочих спектральных каналах системы.
Поэтому уже на первых этапах компьютерного моделирования двух- и многодиапазонной ОЭС обнаружения целесообразно в соответствии с заданной вероятностью ложных тревог выбрать порог обнаружения [4, 5], а затем с помощью характеристик обнаружения (рабочих характеристик) для различных законов распределения вероятностей [6] определить зависимость вероятности правильного обнаружения от величины порога обнаружения для различных вероятностей ложных тревог. После этого, изменяя положения и ширину ∆λ1 и ∆λ2 для различных дальностей, задаваемых техническим заданием, можно вычислить спектральные отношения, приведенные к выходу системы.
Настоящая работа поддерживалась грантом Минобрнауки РФ по программе „Развитие научного потенциала высшей школы (2009—2010 гг.)“, проект № 4163.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Логос, 2007. 192 с.
2. Торшина И. П. Компьютерное моделирование многодиапазонных оптико-электронных систем // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 9. С. 37—41.
3. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы „смотрящего“ типа. М.: Логос, 2004. 444 с.
4. Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Логос, 2004. 472 с.
5. Джемисон Дж. Э., Мак-Фи Р. Х., Пласс Дж. Н. и др. Физика и техника инфракрасного излучения / Пер. с англ.; под ред. Н. В. Васильченко. М.: Сов. радио, 1965. 642 с.
6. Каценбоген М. С. Характеристики обнаружения. М.: Сов. радио, 1965. 104 с.
Ирина Павловна Торшина
Сведения об авторе — д-р техн. наук, доцент; Московский государственный университет
геодезии и картографии, кафедра оптико-электронных приборов; E-mail: torshinai@yandex.ru
Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов
Поступила в редакцию 10.03.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10