Software & Systems

При решении проблем, связанных с оценкой эффективности активных оптико-электронных систем, актуальной является задача разработки верифицированных математических моделей расчета широкого набора лазерно-локационных и сигнальных характеристик объектов.

Для ее решения авторами разработаны модели расчета изображений фоно-целевых сцен при лазерной локации. Данные модели включены в состав моделирующего комплекса и функционируют с импортируемыми БД по объектам, фонам, сопутствующим физическим явлениям и характеристикам атмосферы.

Используемые в моделях методики расчета лазерно-локационных характеристик (ЛЛХ) корпуса (планера) объектов основаны на рассмотрении процесса рассеяния электромагнитного излучения на шероховатой поверхности в рамках двухмасштабной модели микронеровностей. В данном приближении индикатриса рассеяния плоского элемента типового внешнего покрытия может содержать, как правило, до четырех характерных зон [1, 2]. В соответствии с этим выражение для определения удельной эффективной площади рассеяния (ЭПР) плоской площадки σ0 выглядит следующим образом:

                     (1)

где  – когерентная составляющая удельной ЭПР;  – ЭПР, обусловленная квазизеркальным рассеянием на крупных неоднородностях;  – ЭПР, определяемая направленно-рассеянным компонентом;  – вклад в ЭПР объемного и многократного рассеяния; SF – функция затенения Сэнсера.

В [1, 2] представлены соотношения, образующие аналитическую модель рассеяния σ0. Они связывают информацию об угловых зависимостях коэффициента когерентного отражения (Rc) и некогерентной составляющей удельной ЭПР (σ01) плоской шероховатой площадки с длиной волны излучения, статистическими параметрами микронеровностей и отражательными свойствами материала поверхности.

С учетом (1) ЭПР σt поверхности корпуса (планера) объекта, имеющего j внешних покрытий, определяется соотношением:

            (2)

где  и  – единичные векторы, направленные соответственно на приемник и передатчик;  – местная нормаль на поверхности; Aj – одновременно освещаемые и видимые участки внешней поверхности объекта с j-м покрытием; Гg – гауссова кривизна g-й одновременно освещаемой и видимой зеркальной области; Rcg – соответствующие коэффициенты когерентного (регулярного) отражения.

Выражение (2) позволяет определить на основе синтеза индикатрис рассеяния внешних покрытий базовую характеристику объекта – эффективную площадь рассеяния его внешней поверхности в широком диапазоне длин волн.

В общем случае ЭПР объекта s рассчитывается в соответствии с выражением

,                                  (3)

где  – вклад в ЭПР световозвращающих структур (при этом обтекатели бортовых ОЭС учтены в (2));  – функция, описывающая влияние на σt и  сопутствующих полету физических явлений;  – вклад в ЭПР сопутствующих полету физических явлений и пространственно-распределенных структур; sr – индексы, означающие, что компоненты одновременно подсвечены с направления  и просматриваются с направления .

Неотъемлемой частью используемого при этом методического аппарата определения ЛЛХ объектов является прецизионное измерение угловых зависимостей некогерентной составляющей удельной ЭПР (σ01) и коэффициента когерентного отражения (Rr) их внешних покрытий на длинах волн функционирования лазерных информационных средств.

Для получения таких данных применяется экспериментальная установка, в состав которой входят лазерный гониометр и спектрофотометры ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов.

В целом математические модели базируются на моделировании обобщенной локационной ситуации и расчете различных типов лазерно-локационных и сигнальных характеристик. При этом в них реализованы алгоритмы:

-    аппроксимации внешней поверхности объекта с помощью набора поверхностей первого (фасеты) и второго порядков;

-    расчета параметров аналитической модели рассеяния для аппроксимации экспериментальных значений базовых отражательных характеристик внешних покрытий: удельной некогерентной ЭПР s01 и (в случае существования) коэффициента когерентного отражения Rc;

-    учета затенений участков объекта с двух направлений ( и );

-    расчета ЭПР корпуса (планера) объекта и производных ЛЛХ в условиях однопозиционной и двухпозиционной лазерной локации;

-    учета вклада световозвращающих элементов (стеклосфер, бортовых ОЭС) [3];

-    учета влияния на ЛЛХ объекта возможных, сопутствующих его движению физических явлений и пространственно-распределенных структур (термонагрев, факел, плазмообразование и т. д.) [4];

-    расчета Фурье-образов локационных портретов [5];

-    расчета статистических ЛЛХ объектов (с учетом спекл-структуры отраженного от объекта поля и влияния турбулентности атмосферы) [6];

-    расчета сигнальных характеристик объектов с учетом параметров приемно-передающего тракта, локационной ситуации, способа детектирования и локационной трассы;

-    моделирования 3D и 4D сигнальных портретов объектов для автоматизированных систем распознавания [5].

На базе математических моделей авторами разрабатывались информационно-расчетные системы (ИРС) «LRTSM», «Picture», «Рапира», адаптивные к широкому кругу локационных задач. Структурная схема функционирования данных ИРС представлена на рисунке.

Основные версии ИРС в режиме меню дают пользователю возможность выбрать объект из каталога, присвоить ему внешнее покрытие из имеющегося в банке данных и далее, задав длину волны облучения, условия и параметры локации, режимы движения и закон изменения ракурса объекта, оперативно получить требуемый набор его лазерно-локационных и сигнальных характеристик.

При этом гибкие блочно-модульные структуры ИРС позволяют использовать их в качестве источника информации для генерации отражательных характеристик объектов, программируемого блока при имитационном моделировании функционирования оптико-электронных средств, унифицированного модуля в системах автоматизированного проектирования. Последние версии ИРС разработаны на Delphi 2006 в операционной системе Windows ХР.

В настоящее время автоматизированные ИРС верифицированы и обеспечивают проведение исследований по оценке эффективности современных и перспективных лазерных локационных средств.

Литература

1. Leader J.C. Analisis And Prediction of Laser Specle Roughsurface Mаterials // J. Opt. Soc. Am. 1979. Vol. 69. № 4.

2. Канивец В.Ю., Хмаров И.М., Храмичев А.А. Определение эффективной площади рассеяния летательных аппаратов в широком диапазоне длин волн лазерного излучения: сб. ст. ЦАГИ. М., 2002. Вып. 2657.

3. Mieremeta A.L., Schleijpena M.A., Pouchelleb P.N. Modeling the detection of optical sights using retro-reflection // Proc. of SPIE, 2007. Vol. 6950.

4. Мартин Дж. Вход в атмосферу. Введение в теорию и практику. М.: Мир, 1969.

5. Mahalanobis A., Kumar V., Nevel A.J. Three-dimensional correlation filters for orientation invariant recognition // Proc. of SPIE, 2001. Vol. 4379.

6. Al-Habash, Andrews M. New mathematical model for the intensity PDF of a laser beam propagating through turbulent media // Proc. SPIE, 1999. Vol. 3706.