Содержание к диссертации
Введение
1. Основные особенности современных ПОЭИД 10
1.1 Обобщенная схема ПОЭИД 10
1.2 Многоэлементные приемники теплового излучения 11
1.3 Оптические системы ПОЭИД 16
1.4 Существующие решения 33
Выводы по главе 1 35
2. Анализ термограмм обнаруживаемых целей 36
2.1 Сегментация фрагментов изображения 36
2.2 Анализ термограмм реальных целей 44
2.3 Термограммы нарушителя в различных условиях 61
Выводы по главе 2 65
3. Разработка модели цели и алгоритма обработки 66
3.1 Основные факторы, влияющие на вероятность обнаружения 66
3.2 Квазиточечная модель квалифицированного нарушителя 68
3.3 Критерии выбора параметров диаграммы направленности 71
3.4 Подход к синтезу ПОЭИД на основе квазиточечной модели нарушителя 74
Выводы по главе 3 79
4. Многоканальный пассивный оптико-электронный инфракрасный датчик 80
4.1 Разработка алгоритма обработки сигналов 82
4.2 Разработка схемы устройства 83
4.3 Основные особенности 87
4.4 Оценка чувствительности датчика 89
4.5 Дополнительные функциональные возможности 92
Выводы по главе 4 99
Заключение 101
Список литературы 102
- Оптические системы ПОЭИД
- Анализ термограмм реальных целей
- Подход к синтезу ПОЭИД на основе квазиточечной модели нарушителя
- Дополнительные функциональные возможности
Введение к работе
Актуальность темы
Оптико-электронные приборы и комплексы, использующие оптический диапазон электромагнитных волн занимают все большее место в решении различных народно хозяйственных задач. Это в полной мере относится и к разработке оптико-электронных приборов для обнаружения различных целей, являющихся источниками ИК-излучения, а также к разработке способов применения таких приборов. Для этого требуется решение задач контроля состояния и параметров среды на различных объектах в упомянутом оптическом диапазоне электромагнитных волн. В последнее время заметно возросло количество типов таких источников и разнообразие их параметров. Если ранее речь шла, как правило, об обнаружении человека, то сейчас становится все более актуальным обнаружение различных малоразмерных дистанционно управляемых или беспилотных летательных аппаратов и роботов. Кроме того, актуальна и задача обнаружения источников излучения, которые применяют или в которых применяются средства и методы снижения уровня ИК-излучения для уменьшения вероятности обнаружения, т.е. для снижения эффективности работы устройств обнаружения.
Таким образом, разработка, совершенствование и исследование характеристик оптико-электронных приборов, использующих электромагнитное излучение оптического диапазона волн, предназначенных для обнаружения различных объектов, а также повышение информативности формируемых ими сигналов и эффективности обработки этой информации является важной и актуальной задачей.
В частности, это относится к пассивным оптико-электронным инфракрасным датчикам (ПОЭИД), как одним из наиболее распространенных устройств обнаружения различных целей, принцип действия которых основан на регистрации изменения ИК-излучения оптического диапазона при движении различных источников такого излучения в области диаграммы направленности датчика. Распространенность таких устройств обусловлена тем, что они обладают высокими функциональными характеристиками при относительно низкой цене.
Однако существует проблема, связанная с наличием существенного снижения эффективности функционирования ПОЭИД в ряде практических ситуаций, прежде всего, связанных с обнаружением объектов, имеющих малую излучающую поверхность и низкий уровень излучения. Например, малоразмерные беспилотные летательные аппараты или роботы, а также цели, которые или в которых применяются средства снижения уровня регистрируемого датчиком ИК-излучения.
Следует отметить, что в настоящее время разработчики пассивных оптико-электронных инфракрасных датчиков достигли значений параметров, близких к предельно достижимым. Ведутся исследования в области пироэлектрических приемников, моделей источников излучения, методов обработки, есть некоторые практические решения, однако они, во-первых, позволяют лишь незначительно повысить эффективность датчика, добавляя вспомогательные функции без сколько-нибудь существенного улучшения основных характеристик, например,
позволяют определять направление движения источника излучения, и, во-вторых, не учитывают в достаточной степени возможную специфику как самого источника, так и тактики его поведения.
Поэтому, можно говорить, что на данном этапе, актуальной является задача разработки, совершенствования и исследования характеристик рассматриваемых приборов, использующих электромагнитное излучение оптического диапазона волн. В частности, задача создания новых, более эффективных оптико-электронных датчиков для решения задач обнаружения источников ИК-излучения в такой области техники, как средства обеспечения безопасности.
Цель работы состоит в повышении эффективности пассивных оптико-электронных инфракрасных датчиков обнаружения источников ИК-излучения оптического диапазона электромагнитных волн в условиях применения методов и средств снижения уровня инфракрасного излучения.
Основные задачи исследования
-
Выполнить исследование характера распределения интенсивности ИК-излучения реальных целей и оценить их соответствие существующим моделям.
-
Разработать модель реальной цели, использующей специальные методы и средства снижения своего уровня ИК-излучения оптического диапазона.
-
Предложить подход к синтезу пассивного оптико-электронного инфракрасного датчика на основе предложенной модели источника ИК-излучения.
-
Разработать научно обоснованное техническое решение для пассивного оптико-электронного инфракрасного датчика, обладающего высокой эффективностью обнаружения источника излучения в условиях использования средств маскировки в области ИК-диапазона.
Основные результаты, выносимые на защиту
-
Подход к синтезу пассивного оптико-электронного инфракрасного датчика на основе предложенной мультиквазиточечной модели распределения интенсивности ИК-излучения цели.
-
Метод многоканальной обработки сигналов с формированием нескольких парциальных диаграмм направленности, адаптированных к приоритетным параметрам цели в пассивных оптико-электронных инфракрасных датчиках и научно обоснованное техническое решение для многоканального пассивного оптико-электронного инфракрасного датчика.
Научная новизна
-
Получены зависимости разностной мощности и разностной плотности мощности ИК-излучения различных фрагментов стандартной и реальной целей, отличающиеся от известных тем, что позволяют сделать объективные оценки влияния возможного применения целью средств и методов снижения своего уровня ИК-излучения, в частности, использования теплоизолирующих материалов.
-
Разработана мультиквазиточечная модель цели в инфракрасном диапазоне, отличающаяся тем, что состоит из обособленных фрагментов и позволяет оценить характеристики и вклад различных фрагментов цели в результирующее излучение.
-
Предложен подход к синтезу пассивного оптико-электронного датчика, состоящий в выделении приоритетных параметров модели цели, формировании набора парциальных диаграмм направленности адаптированных под каждый из приоритетных параметров и использовании для обработки сигналов раздельных каналов, каждый из которых выполняет также задачу компенсации фонового излучения.
-
Предложен метод многоканальной обработки в пассивных оптико-электронных инфракрасных датчиках и научно обоснованное техническое решение для пассивного оптико-электронного инфракрасного датчика, отличающиеся тем, что предусматривают использование отдельных каналов обнаружения для различных направлений движения источников излучения и позволяющее сформировать различные диаграммы направленности при использовании одного пироэлектрического приемника и одной оптической системы для разных условий движения источников излучения, что обеспечивает инвариантность к направлению движения.
-
Сформулированы критерии выбора параметров элементарных чувствительных зон, позволяющие достичь максимального отношения сигнал/шум.
Практическая ценность
-
Реализован алгоритм обработки термограмм, позволяющий осуществить сегментацию различных областей термограмм с различной температурой, используя различные пороговые значения, а также позволяющий сделать объективную оценку параметров характерных областей термограммы.
-
Получены результаты анализа термограмм, позволяющие оценить влияние различных параметров реального источника ИК-излучения на вероятность обнаружения пассивного оптико-электронного инфракрасного датчика.
-
Предложен подход к синтезу пассивного оптико-электронного инфракрасного датчика, который может быть использован при решении практических задач разработки ПОЭИД на основе различных моделей источника ИК-излучения.
-
Разработано научно обоснованное техническое решение для многоканального пассивного оптико-электронного датчика, позволяющее реализовать устройство, инвариантное к направлению движения источника излучения.
Реализация результатов
Результаты диссертационной работы используются при разработке новых образцов пассивных оптико-электронных инфракрасных датчиков на ЗАО «Ри-элта» и в учебном процессе Университета ИТМО.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: XLIII, XLIV и XLVI научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО (Санкт- Петербург, Россия, 2014-2015); Всероссийской конференции с международным участием «Комплексная защита объектов информатизации и измерительные технологии» (Санкт- Петербург, Россия, 2014); методических конференциях Университета ИТМО (Санкт- Петербург, Россия, 2014-2015); Всероссийской конференции с международным уча-
стием «Комплексная защита объектов информатизации» (Санкт- Петербург, Россия, 2016); Научной конференции с международным участием «Информационные технологии и системы 2017» (Республика Башкортостан, Россия, 2017).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК, 8 статьей в других изданиях, получен патент на полезную модель.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 79 наименований, содержит 107 страниц, 53 рисунка, 7 таблиц.
Оптические системы ПОЭИД
Одним из принципиальных ограничений решения поставленной задачи разработки ПОЭИД является сохранение или не принципиальные изменения конструкции и оптической системы устройства. Поэтому необходимо оценить основные возможности изменения параметров оптических систем ПОЭИД.
В качестве основных элементов оптической системы, в традиционных ПОЭИД используются следующие основные элементы [37]:
- линза Френеля - сегментированная линза, представляющая собой совокупность концентрических колец малой толщины, соединенных друг с другом. Сечение каждого из таких колец имеет форму треугольника, с одной криволинейной стороной;
- зеркальная оптика - в ПОЭИД используется конструкция из ряда зеркал особой формы, фокусирующая тепловое излучение на пироэлектрический приемник;
- комбинированная оптика, где совмещены зеркала и линза Френеля.
Как правило, в ПОЭИД применяются линзы Френеля. К преимуществам линз Френеля можно отнести следующее:
- простота устройства датчика на их основе;
- низкая стоимость;
- использование одного устройства для различных применений путем смены линз.
В устройствах на основе линзы Френеля каждый сегмент оптической системы формирует соответствующий луч диаграммы направленности. Оптимизация и выбор параметров каждого такого сегмента (площадь, угол наклона, расстояние до пироэлектрического приемника, прозрачность, отражающая способность, степень дефокусировки, использование сферической формы вместо цилиндрической) может позволить получить практически равномерную чувствительность датчика по каждому лучу. Например, за счет применения линзы сферической формы, можно минимизировать аберрации в сравнении со стандартной цилиндрической линзой [38], что повышает надежность обнаружения ПОЭИД.
Линза Френеля обладает меньшей стоимостью, в сравнении с зеркальной оптикой, что обусловлено тем, что ее изготавливают методом штамповки и для ее производства применяются более дешевые материалы.
Кроме этого, в линзах Френеля используется дополнительное структурирование ДН в вертикальной плоскости, обусловленное мультифокусной геометрией линзы.
Также надо отметить, что, несмотря на то, что оптические характеристики линз Френеля продолжают совершенствоваться, применение зеркальной оптики все еще является более эффективным. Использование зеркальной оптики способствует достижению более точной фокусировки и, как следствие, повышению чувствительности и увеличению дальности обнаружения объекта. за счет использования зеркал определенной формы (включая многосегментные зеркала) можно получить практически равномерную чувствительность вне зависимости от дальности нахождения объекта. Более того, в дальней зоне чувствительность оказывается примерно на 60% больше, в сравнении с простыми линзами Френеля. Помимо этого, использование зеркальной оптики упрощает защиту антисаботажной зоны (зона, расположенная под точкой установки ПОЭИД). Зеркало производится из пластмассы методом штамповки. На структурированную поверхность после этого наносится светоотражающее покрытие, способное сохранять свои свойства на протяжении долгого времени (до 10 лет). Самые высокие характеристики обеспечивает покрытие из золота, что приводит к значительному удорожанию ПОЭИД на основе зеркальной системы в сравнении с линзовой. Кроме того, ПОЭИД на основе зеркальной оптики обладают большими габаритами в сравнении с датчиками, предусматривающими использование линз Френеля.
Однако, ПОЭИД, в которых зеркальная оптика является единственным элементом оптической системы встречаются редко. ПОЭИД с зеркальной оптикой, например, выпускают такие фирмы, как SENTROL [39] и ARITECH [40]. Как и в случае с линзами Френеля, ПОЭИД на основе зеркальной оптики подразумевают использование сменных зеркальных масок, позволяющих выбрать необходимую форму ДН и способных адаптировать ПОЭИД под требуемую конфигурацию охраняемого пространства.
Также, в некоторых случаях, возможно использование комбинированной оптики, совмещающей как линзы Френеля, так и зеркальную оптику. В таком случае, линзы Френеля применяются для формирования ДН на средних расстояниях, в то время, как зеркальная оптика используется для формирования дальних зон ДН и антисаботажной зоны [41].
Помимо фокусировки излучения на чувствительном элементе, оптическая система обеспечивает фильтрацию излучения, отличного от ИК диапазона, во избежание его попадания на пироэлектрический приемник и как следствие ложного срабатывания ПОЭИД. Большая часть ПОЭИД имеет входное окно, представляющее из себя «белый» фильтр, рассеивающий видимое излучение, но при этом, не влияющее на распространение излучения ИК диапазона. Что касается ПОЭИД, использующих линзы Френеля, то в данном случае роль фильтра выполняет непосредственно сама линза [42].
В ПОЭИД на основе зеркальной оптики, дополнительный поглощающий фильтр располагается на самом зеркале. В данном случае, также необходимо обеспечить хорошее отражение ИК излучения и поглощение видимого излучения, что выполняется за счет окрашивания зеркала черный цвет. Так как такой фильтр разнесен в пространстве по отношению к поглощающему фильтру, размещенному на корпусе пироэлектрического приемника, интенсивность теплового излучения, попадающего на чувствительный элемент в результате поглощения фильтра, снижается [43].
Линза Френеля
Линза Френеля — сложная сегментированная линза, предложенная Огюстеном Френелем. Линза Френеля представляет собой совокупность концентрических колец малой толщины, соединенных друг с другом. Сечение каждого из таких колец имеет форму треугольника, с одной криволинейной стороной. [44]. На рисунке 1.10 показаны линза Френеля (рисунок 1.10 а), и обычная сферическая линза (рисунок 1.10 б).
Данная конструкция позволяет достичь малой толщины (а, следовательно, и массы) линзы даже в случае большой угловой апертуры. Особый образ строения сечения колец позволяет достичь низких значений сферической аберрации, что позволяет преобразовать излучение точечного источника в практически параллельный пучок [45].
Линзы Френеля разделяют на кольцевые и поясные. Кольцевые коллимируют излучение в одном единственном направлении. Поясные линзы направляют излучение по всем направлениям в некоторой плоскости [46].
Принцип действия
Предположим, что некоторый точечный источник излучает монохроматический свет с длиной волны (рисунок 1.11). Так как источник точечный, излучаемая волна имеет сферическую форму. Фронт волны показан на рисунке синим цветом.
Также, согласно принципу Гюйгенса — Френеля, который гласит, что каждый элемент волнового фронта может рассматриваться, как центр вторичного возмущения, формирующего вторичные сферические волны. При этом, результирующее поле в каждой точке пространства определяется в виде интерференции таких волн. Также, учитывая то, что смещение на целую длину волны в пространстве, вне зависимости от направления не изменит фазу вторичных источников, волновой фронт может быть «разорван», как показано на рисунке 1.11 [47].
Если разделить фронт волны исходной волны совокупностью смещенных на половину длины волны фронтов плоской волны, то получим кольцевые зоны, которые называются зонами Френеля.
В данном случае, изначальный фронт представлен в виде двух сравнительно плоских вторичных излучателей (рисунок 1.12). Однако, вследствие смещения на половину длину волны, рассмотренные волны будут претерпевать взаимное гашение. Для избавления от такого влияния нечетных зон Френеля есть два метода [48].
Анализ термограмм реальных целей
Термограммы реального нарушителя позволяют в значительной мере оценить излучательные характеристики объектов, обнаруживаемых ПОЭИД. Так, с их помощью можно оценить величину мощности излучения различных фрагментов цели, а также соответствующий вклад в результирующую мощность излучения. При этом, анализируя различные термограммы нарушителя, можно оценить такие характеристики, как изменение величины мощности излучения при использовании специализированных теплоизолирующих средств, а также в зависимости от прогрева используемой одежды.
Теперь, используя основные принципы и методы, рассмотренные выше, можно перейти непосредственно к анализу термограмм нарушителей.
В данном случае мощности излучения можно характеризовать температурой соответственно излучающей поверхности объекта и фона. При этом, если нарушитель каким-либо образом сможет сделать так, что температура его поверхности во всех точках будет равна температуре фона, то в данном случае обнаружение посредством ПОЭИД станет невозможным. В этом заключается первый аспект, позволяющий нарушителю снизить вероятность обнаружения.
Второй аспект связан с выбором направления движения относительно места установки ПОЭИД. Так, пироэлектрический приемник ПОЭИД совместно с оптической системой образуют в пространстве так называемые диаграммы направленности (рисунок 2.4) [64].
Перемещение в пределах данных диаграмм направленности приводит к изменению сигнала ПОЭИД, что приводит к срабатыванию устройства, и как следствие, к обнаружению нарушителя. Очевидно, что в данном случае, наиболее благоприятным вариантом для обнаружения является случай, когда нарушитель движется поперек диаграммы направленности. Таким образом, выбор направления движения также может использоваться как один из факторов снижения вероятности обнаружения.
Терминология
Также рассмотрим несколько аспектов, связанных с терминологией, таких как, «стандартная цель», «имитатор цели», «зона обнаружения», «элементарная чувствительная зона» и «диаграмма направленности» применительно к рассматриваемому типу устройств обнаружения и с учетом формулировок, используемых в различных стандартах и работах [68-69].
Первый термин определяет понятие диаграммы направленности. В российском стандарте [68] определено понятие элементарной чувствительной зоны, как «области пространства, создаваемые оптическими системами датчика, состоящими из каждого чувствительного и каждого фокусирующего элемента, при перемещении в которых человека (стандартной цели) датчик способен воспринимать его инфракрасное излучение». В определении, данном в стандарте [68], есть неточности – «чувствительный элемент», т.е. пироэлектрический приемник – это не часть оптической системы, хотя и непосредственно участвует в формировании элементарной чувствительной зоны. Кроме того, области пространства могут состоять из нескольких взаимосвязанных функционально элементарных чувствительных зон. Поэтому, будем использовать термин элементарной чувствительной зоны, как область пространства, которая создается одним отдельным элементом пироэлектрического приемника, а также одним отдельным элементом оптической системы датчика. При перемещении в этой области источника ИК-излучения (т.е. цели), датчик будет воспринимать его инфракрасное излучение.
В государственном стандарте ГОСТ Р [68] нет термина «диаграмма направленности», а введено только понятие зона обнаружения, определенная как «совокупность всех элементарных чувствительных зон». В дальнейшем мы будем называть «совокупность всех элементарных чувствительных зон» и промежутков между ними диаграммой направленности. Причина необходимости использования такого понятия заключается в том, что на практике возможность обнаружения источника ИК-излучения зависит от нескольких параметров, а не только от факта нахождения источника в пределах диаграммы направленности. К этим параметрам относятся место входа в саму диаграмму направленности, а также ряд других параметров модели цели, связанных, прежде всего, с параметрами движения нарушителя.
Также, при решении рассматриваемой задачи необходимо понимать, что диаграммы направленности реальных ПОЭИД являются сегментированными в вертикальной и горизонтальной плоскостях. По этой причине, они будут воспринимать ИК-излучение цели лишь в определенной части пространства. Эти вопросы достаточно детально проанализированы в работе [11].
Принимая во внимание сказанное выше, можно сформулировать еще один термин - парциальная диаграмма направленности. Он соответствует совокупности всех элементарных чувствительных зон, в формировании которой участвуют, во-первых, только один элемент оптической системы и, во-вторых, все элементы пироэлектрического приемника, которые объединены функционально и (или) электрически. При таком определении, парциальная диаграмма направленности будет включать в себя группу элементарных чувствительных зон. Для наиболее распространенного 2-х элементного пироэлектрического приемника это будет пара элементарных чувствительных зон, значительно реже используются 4-х элементные пироэлектрические приемники. При этом, если говорить об обработке сигнала, то в настоящее время пироэлектрические приемники традиционных ПОЭИД имеют один (для 2-х элементного пироэлектрического приемника) или два (для 4-х элементного) выхода, что существенно ограничивает информативность формируемого сигнала [13, 56-58].
Оценка интенсивности излучения фрагментов цели
Вернемся к уже рассмотренной термограмме реального нарушителя (рисунок 2.2). Данная термограмма была получена при следующих условиях: температура помещения, в которых проводились испытания, составляла 23С. Был использован тепловизор типа FLIR Titanium 520M (FC7000) [11]. В качестве источника ИК-излучения, т.е. реальной цели, использовался человек, по параметрам близкий к требованиям к испытаниям, сформулированным в ГОСТ Р. А именно, одетый в хлопчатобумажную рубашку с длинным рукавом и джинсовые штаны. Рост реальной цели составлял 180 см, а масса тела была 75 кг. Путем сегментации данного изображения, были выделены фрагменты, показанные на рисунке 2.2.
При этом важно отметить, что для того, чтобы оценить величину интенсивности излучения по формуле (2.6) необходимо учесть ряд параметров, влияющих на излучательные характеристики объекта (коэффициент k в формуле (2.6)). Однако в интересующем нас случае, интерес представляют не конкретные величины мощностей излучения фрагментов реального нарушителя, а доля излучения в сравнении с остальными фрагментами цели и всего нарушителя в целом [66]. Очевидно, что в данном случае влиянием упомянутого выше коэффициента можно пренебречь.
Фрагменты термограммы, определенные в результате сегментации показаны на рисунке 2.2. В данном случае было произведено разделение термограммы реального нарушителя на следующие фрагменты: голова, кисти рук, ноги, туловище.
Значения разностных мощностей излучения, полученные согласно формуле 2.4 приведены в таблице 2.1.
Подход к синтезу ПОЭИД на основе квазиточечной модели нарушителя
Возможность выполнения вышеназванных требований в традиционных ПОЭИД в вертикальной и горизонтальной плоскостях, т.е. для поперечного и продольного направлений движения (не говоря уже о диагональных направлениях), вступают в практически неразрешимое противоречие.
Поэтому, в качестве возможного пути решения предлагается использовать многоканальные устройства и соответствующие алгоритмы обработки, в которых каждый канал и его параметры (включая форму и параметры парциальной диаграммы направленности) адаптирован под соответствующее направления движения (продольное, поперечное и два ортогональных диагональных направления). При этом основой служит более информативный многоэлементный пироэлектрический приемник с раздельными выходами от каждого чувствительного элемента. Это позволяет, используя определенные наборы элементов пироэлектрического приемника, формировать различные парциальные диаграммы направленности при наличии только одного пироэлектрического приемника и одной стандартной оптической системы.
При этом, учитывая уже рассмотренные графики, размеры элементарной чувствительной зоны должны выбираться исходя из размеров основных излучающих фрагментов квазиточечной модели нарушителя. А именно, учитывая, что наибольший вклад создает голова, можно ориентироваться на ее размеры для формирования требований к размерам элементарной чувствительной зоны парциальной диаграммы направленности. Это позволяет сделать вывод о необходимости сокращения горизонтального размера элементарной чувствительной зоны на 30-40%. Что касается вертикального, то этот размер должен сохраняться таким же, как и в традиционных ПОЭИД. Это позволит, во-первых, обеспечить попадание всех фрагментов S квазиточечной модели в площадь S343 сечения и тем самым обеспечить выполнение всех трех упомянутых выше требований и, во-вторых, обеспечить соответствии разрабатываемого устройства требованиям действующего ГОСТ Р.
Предложен подход [75] к синтезу ПОЭИД, заключающийся в следующем:
- выделении приоритетных параметров модели цели
- формировании отдельных парциальных диаграмм направленности, адаптированных под каждый из выбранных параметров,
- использовании многоканальных устройств, в которых каждый канал обнаружения также выполняет функцию компенсации фонового излучения.
При этом, квазиточечная модель квалифицированного нарушителя требует меньшего размера элементарной чувствительной зоны. Это может достигаться двумя основными способами:
- соответствующим изменением параметров оптической системы (увеличением числа сегментов линзы Френеля и их параметров), определяющих пространственный размер элементарной чувствительной зоны;
- использованием пироэлектрических приемников с большим количеством площадок при том же общем размере пироэлектрического приемника и неизменной оптической системой.
Последний способ представляется более предпочтительным, поскольку позволяет принципиально повысить информативность входного сигнала. Поэтому предлагается использовать 9-и элементный пироэлектрический приемник.
Для уменьшения уровня шумов проанализируем основные его составляющие п \t)=n (t) + nAt). Учитывая достаточно высокую степень стабильности фоновой температуры на реальных объектах в течение интервала времени, соизмеримого со временем обработки сигнала (как одного из основных условий возможного использования ПОЭИД) первый из перечисленных выше критериев будет соответствовать достижению максимума сигнала от цели. А с учетом предположения о стабильности фоновой температуры - критерию достижения максимального значения отношения сигнал/шум. В ПОЭИД сигналы ay(t), формируемые і J-и парциальными диаграммами направленности, суммируются при обработке внутри пироэлектрического приемника. В результате на выходе пироэлектрического приемника имеем
В дальнейшем не будем учитывать динамическую составляющую пд (t), поскольку она легко устраняется традиционным способом - корректной установкой ПОЭИД, при которой в область диаграммы направленности не попадают источники такого излучения.
Для решения задачи уменьшения высокого уровня квазистатической составляющей фона п (і) применим оценочно-компенсационный алгоритм.
Для формирования оценки фонового шума Пкс можно использовать сигнал одной из смежных элементарных чувствительных зон, в которой цель отсутствует. С учетом того, что диаграммы направленности ПОЭИД имеют сегментированную структуру, а все сегменты оптической системы фокусируют сигнал на один и тот же пироэлектрический приемник, а также учитывая линейность преобразований можно записать выражения для шумов после компенсации как Или как ошибку компенсации обусловленную различиями фоновых температур. В идеальном случае (строго симметричного пироэлектрического приемника и равномерного фона) Апкс = 0.
Учитывая существенную зависимость формы и параметров сигнала от направления и скорости движения цели, можно утверждать, что принципиально невозможно решить проблему априорной неопределенности в существующих устройствах. Основная причина этого состоит в том, что типовое и наиболее распространенное решение в существующих традиционных устройствах основано на использовании 2-х элементных (2-х площадных) пироэлектрических приемников, две площадки которого схемотехнически связаны в одном приемнике, т.е. такой пироэлектрический приемник имеет один выход. Значительно реже встречаются устройства, использующие 4-х элементные пироэлектрические приемники со взаимосвязанными парами площадок. Подобный пироэлектрический приемник имеет два выхода, а, следовательно, и большую информативность. Однако задача, решаемая при этом - достижение иммунитета к мелким животным посредством селекции целей (реального нарушителя и животного) по размеру.
Другой путь частичного решения поставленной задачи - использование нескольких пироэлектрических приемников в одном устройстве, а иногда и с несколькими оптическим системами, что заметно усложняет устройство и увеличивает его стоимость. А это, в свою очередь, ведет к усложнению конструкции и увеличению стоимости ПОЭИД.
Таким образом, одноканальные устройства, даже при условии некоторого увеличения информативности входного сигнала не решают проблему высокой степени априорной неопределенности. А второй, из упомянутых подходов, приводит к усложнению и удорожанию устройства.
Дополнительные функциональные возможности
Предложенный подход к синтезу ПОЭИД позволяет кроме рассмотренных выше функций реализовать с незначительными аппаратными усложнениями схемы или расширением программного обеспечения при алгоритмической реализации устройства обработки ряд новых функций датчика. Основной из них является возможность обнаружения разных типов обнаруживаемых объектов, т.е. целей, описываемых разными моделями.
Возможность обнаружения разных типов объектов Одной из упомянутых дополнительных функций является принципиальная возможность обнаружения сразу нескольких типов обнаруживаемых объектов, соответствующих различным моделям, например, дистанционно управляемых малоразмерных роботов или квадрокоптеров, людей и т.п. Для этого необходимо выделить соответствующие приоритетные параметры таких источников излучения и ввести в схему устройства дополнительные каналы обработки, оптимизированные к выбранным приоритетным параметрам.
Так, в предложенном устройстве, имеется принципиальная возможность достижения ряда дополнительных функциональных возможностей на основе повышения информативности обрабатываемого сигнала. Это основано на том, что в работе решена задача не просто повышения эффективности работы ПОЭИД, а показана принципиальная возможность на основе использования в одном устройстве (с одним пироэлектрическим приемником и одной оптической системой) нескольких каналов обработки, оптимизированных к выбранным приоритетным параметрам соответствующих моделей источников излучения, что в свою очередь позволяет реализовать ряд дополнительных функциональных возможностей предложенного устройства обнаружения реализовать ряд дополнительных функциональных возможностей. Для этого ниже предлагаются варианты схем, реализующих перечисленные дополнительные функциональные возможности. Возможно решение следующих задач:
- обнаружения разных типов обнаруживаемых объектов;
- оценки размеров обнаруженного объекта;
- обеспечения инвариантности к структурным помехам;
- достижение иммунитета к кратковременным стационарным помехам;
- оценка траектории движения источника излучения.
Для этого ниже предлагаются варианты структурных схем, реализующих следующие дополнительные функциональные возможностей, реализуемые на основе разработанного ПОЭИД.
Оценка размеров обнаруженного объекта
Другой из упомянутых дополнительных функций является оценка размеров обнаруженного объекта или размеров его фрагментов, которая может достигаться на основе совместного достижения пороговых уровней по двум параметрам (рисунок 4.10):
- превышение порогового уровень сигнала на выходе отдельных смежных элементов ПЭП;
- количества элементов ПЭП, сигнал с которых элементов ПЭП, сигнал с которых превышает пороговый уровень.
- пороговые устройства элементов (ПУЭ) многоэлементного пироэлектрического приемника;
- оценки размеров, которая производится на основе подсчета количества элементов, сигнал на входе которых превышает установленный порог.
Инвариантность к структурным помехам
Одна из практических задач состоит в необходимости обеспечить инвариантность датчика к структурным помехам, т.е. помехам, создающим сигнал аналогичный по структуре сигналу, создаваемому основной целью. Примером может служить инвариантность датчика к таким целям, как мелкие животные на основе их селекции по каким-либо параметрам (рисунок 4.11). При этом можно реализовывать два вида селекции целей:
- по размеру;
- по пространственному положению.
Схема канала такого устройства, реализующего функцию иммунитета к мелким животным, путем селекции целей по размеру, представления на рисунок 4.11.
Для примера на этой схеме показана селекция целей по размеру трех видов: полноразмерная (к примеру, человек) с выхода 1, малоразмерные перемещающиеся над поверхность пола с выхода 2 (например, птицы) и малоразмерные, передвигающиеся по поверхности пола с выхода 3 (например, мелкие животные).
Иммунитет к кратковременным стационарным помехам
Обеспечение иммунитета датчика к кратковременным помехам искусственного и естественного происхождения от стационарных источников, находящихся в области диаграммы направленности, позволяет повысить помехоустойчивость датчика и снизить вероятность ложных тревог. Для этого необходимо обеспечить селекцию стационарных источников. В том числе, создаваемых именно для того, чтобы преднамеренно вызвать ложные срабатывания датчика. Например, засветке оптической системы различными переотражениями, бликами через окна контролируемого помещения.
Решение такой задачи может достигаться контролем стационарности положения источника излучения - неподвижный источник будет создавать сигнал на выходе одного и того же элемента ПЭП.
Идея заключается в оценки неподвижности источника помех, для чего производится сравнение положения сигналов с выхода разных элементов МПЭП за определенный промежуток времени. Это реализуется использованием следующих элементов структурной схемы:
- оценки фона СОФ, на входы которой подаются сигналы с выходов 3 (рисунок 4.12);
- компенсации фона, на входы которой подаются сигналы с выходов МПЭП и оценка компенсации фона со схемы СОФ;
- пороговые устройства элементов (ПУЭ) многоэлементного пироэлектрического приемника;
- задержки на время оценки СЗ;
- сравнения положения ССП;
- оценки стационарности.