розділ 2
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННИХ ПРИСТОЇВ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ВОГНЕМ
2.1. Модель системи ціль – оптико-електронний пристрій – оператор
Метою математичного моделювання є заміна реального ОЕП, дослідження якого
викликає значні труднощі із-за його складності, сукупністю більш простих
елементів математичної моделі, що є допустимим для теоретичних досліджень.
Математична модель простіша за саму систему, так як вона описує не усі
особливості ОЕП, а лише найбільш важливі для конкретного дослідження [33, 40].
Незважаючи на різноманіття ОЕП, задач і методів їх дослідження, в кінцевому
рахунку в результаті математичного моделювання вирішуються три основні задачі:
Описання процесу перетворення сигналів в ОЕП в певних умовах під впливом
зовнішніх факторів.
Виявлення різноманіття структур ОЕП і засобів впливу на них.
Побудова математичної моделі при проектуванні ОЕП з метою її аналізу, синтезу і
структурно-параметричної оптимізації.
Ці задачі надзвичайно складні. Для їх розв‘язання у повному обсязі створена
математична модель повинна залишатися достатньо складною, щоб її властивості в
необхідній мірі відповідали властивостям ОЕП. Тому найважливіша вимога до
математичної моделі є її адекватність до досліджуваного реального ОЕП, тобто в
правильному описанні властивостей системи згідно відповідним характеристикам.
Одночасно математична модель ОЕП повинна бути відносно простою, щоб її можна
було описати і розв‘язати з її допомогою задачі аналізу, оптимізації і синтезу
ОЕП. Але, як правило, чим адекватніша модель до реального ОЕП, тим вона
складніша. Тому вимоги адекватності і простоти в певному розумінні мають
протиріччя.
Загальних способів побудови математичної моделі не існує. Створення
математичної моделі ОЕП вимагає глибоких знань не тільки математики, а перш за
все фізичних процесів перетворення сигналів в ОЕП.
2.1.1. Узагальнена модель оптико-електронного пристрою
Узагальнена модель ОЕП представлена на рис. 2.1. Випромінювання (власне або
відбите) від цілі і фону проходить через атмосферу і потрапляє в об‘єктив ОЕП.
Об‘єктив формує зображення цілі і фону в площині ПВ. ПВ перетворює потік
випромінювання, що формує зображення, в електричний відеосигнал, який після
підсилення надходить до електронного тракту, де відбувається аналогова та
цифрова обробки. Після необхідних перетворювань відеосигнал надходить до
дисплея, на екрані якого формується зображення цілі та фону, яке сприймається
оператором.
Розглянемо тепер детальніше окремі елементи узагальненої моделі ОЕП.
Об‘єкти спостереження або цілі є джерелами випромінювання, яке утворюється за
рахунок відбивання випромінювання від штучних або природних джерел освітлення,
або за рахунок власного випромінювання. Природними джерелами освітлення є, перш
за все, Сонце, а також Місяць або зоряне небо. Штучними джерелами
випромінювання є всілякі освітлювальні прилади, в тому числі спеціальні
прожектора. За рахунок відмінності у коефіцієнті відбиття поверхонь об‘єктів і
фонів утворюється потік випромінювання, який несе інформацію про об‘єкт
спостереження.
Усі тіла, які мають певну температуру, є джерелами власного теплового
випромінювання. Відмінність у розподілу температури і коефіцієнта
випромінювання по поверхні об‘єктів і фонів утворює випромінювання, яке несе
інформацію про об‘єкт спостереження.
Об‘єкти і фони характеризуються просторовими (геометричними розмірами),
енергетичними (яскравістю) і часовими (положенням в просторі) параметрами.
Причому параметри об‘єктів описуються
Рис. 2.1. Узагальнена модель оптико-електронного пристрою СКВ
детермінованими функціями, а фонів – випадковими.
Атмосфера – це середовище між об‘єктом спостереження і ОЕП. В атмосфері
відбувається зміна потоку випромінювання від об‘єктів і фонів за рахунок
поглинання та розсіювання. При цьому спостерігається зміна як енергетичних, так
і просторових параметрів випромінювання, що розповсюджується від об‘єкта
спостереження до ОЕП.
Об‘єктив призначений для формування зображення цілей і фонів у площині ПВ в
заданому спектральному діапазоні. Вимоги до світлосили об‘єктива та якості
зображення визначаються завданнями, які вирішує ОЕП. При проектуванні об‘єктива
завжди доводиться шукати компромісне рішення з точки зору створення простого
об‘єктива, який забезпечує потрібну світлосилу та якість зображення. Світлосила
об‘єктива визначає енергетичне розділення, а його аберації – просторове
розділення.
Приймач випромінювання є основним елементом, який визначає можливості ОЕП, і
служить для перетворення світлової енергії в електричний сигнал. Існують різні
визначення ПВ, проте усі вони відображають головну його властивість – здатність
виявлення наявності випромінювання шляхом перетворення його в електричну
енергію з наступною реєстрацією. ПВ можна класифікувати по таким ознакам: виду
енергії, в яку перетворюється випромінювання; характеру зміни чутливості при
зміні довжини хвилі сприймаючого випромінювання; області спектру, де вони
найбільш чутливі і знаходять застосування; робочій температурі чутливої
площадки; кількістю і розмірами чутливих елементів.
Електронний тракт обробки сигналів служить для підсилення досить слабкого
вихідного електричного сигналу ПВ та виділення необхідної інформації із суміші
корисного сигналу від цілі і шуму та перетворення її у форму, зручну для
сприйняття оператором на екрані дисплея. Основними характеристиками підсилювача
є коефіцієнт підсилення, смуга пропускання, рівень власних шумів. В
електронному тракті відбувається аналогова та цифрова обробка відеосигналів.
Дисплей (моніт