Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Приборы и методы физического моделирования нестационарных тепловых объектов для оптико-электронных систем пеленгаций Перцович Александр Сергеевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Перцович Александр Сергеевич. Приборы и методы физического моделирования нестационарных тепловых объектов для оптико-электронных систем пеленгаций: диссертация ... кандидата Технических наук: 01.04.01 / Перцович Александр Сергеевич;[Место защиты: ФГАОУ ВО Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева], 2017.- 161 с.

Содержание к диссертации

Введение

1 Анализ методов и средств имитации электромагнитных сигналов тепловых объектов 11

1.1 Имитатор, как объект исследований. Основные требования к устройствам имитации нестационарных тепловых объектов 11

1.2 Классификация методов и средств имитации тепловых объектов 15

1.3 Аналитический обзор устройств, методов и средств имитации 18

1.4 Модификация устройства имитации сигналов нестационарных тепловых источников излучения 23

1.5 Анализ теоретических проблем автоматического обнаружения и распознавания тепловых объектов 31

1.6 Выводы по главе 1 33

2 Теоретические основы имитационного моделирования сигнатуры теплового объекта 34

2.1 Математическая постановка задачи синтеза имитатора теплового объекта 34

2.2 Расчёт и синтез диаграммы направленности имитатора 38

2.3 Математическое моделирование и расчёт спектральной характеристики имитатора 42

2.4 Математическое моделирование и расчет формы импульса имитатора 52

2.5 Анализ сигнатуры амплитудно-модулированного оптического сигнала имитатора 65

2.6 Выводы по главе 2 70

3 Анализ распространения сигнала в реальных условиях фоно-целевой обстановки, погрешност имитирования 71

3.1 Математические основы распространения электромагнитного импульсного сигнала в неоднородной поглощающей среде з

3.2 Анализ факторов окружающей среды, действующих на сигнатуру теплового объекта .

3.3 Анализ погрешности воспроизведения импульса при прохождении среды в реальных условиях. Расчёт мощности излучения 95

3.4 Анализ основных погрешностей реализации сигнатуры имитируемого объекта

3.5 Выводы по главе 3 106

4 Элементная база и схемотехника устройств имитации контроля движущихся тепловых объектов 108

4.1 Функциональная схема имитатора тепловых объектов 108

4.2 Выбор и технические характеристики элементной базы 110

4.3 Имитатор как средство испытаний оптоэлектронной системы измерения характеристик фоно - целевой обстановки 116

4.4 Алгоритм и программа работы имитатора тепловых объектов 125

4.5 Выводы по главе 4 129

5 Экспериментальные исследования и практическое использование имитатора тепловых объектов 130

5.1 Разработка испытательного стенда. Цель и задачи экспериментальных исследований 130

5.2. Испытания опытного образца имитатора тепловых объектов 136

5.3 Выводы по главе 5 145

Заключение 146

Список литературы

Введение к работе

Актуальность работы

В момент пуска двигателя летательного аппарата формируется оптический сигнал широкого спектрального диапазона (от ультрафиолетового до инфракрасного), моделирование которого является актуальной научно-технической задачей экспериментальной физики. Для отработки приборов пеленгации, при автоматическом обнаружении и распознавании тепловых объектов, необходимы полигонные испытания с применением самолтов, вертолтов, пусками ракет, что требует больших затрат. В целях экономии времени и ресурсов при испытаниях создатся устройство (имитатор), формирующее электромагнитные сигналы, параметры которых с допустимой погрешностью соответствуют сигналам, излучаемым реальными тепловыми объектами, попадающими в поле зрения оптико-электронных систем (ОЭС) пеленгации. Каждый тепловой объект обладает своей сигнатурой, под которой понимается набор параметров излучения, таких как яркость и спектральный состав, а также закон их изменения в заданном интервале времени, соответствующем процессу пеленгации объекта.

Несмотря на то, что физические процессы горения факелов ракет хорошо изучены, в России и за рубежом недостаточно исследованы вопросы создания устройств, способных имитировать сигналы, формируемые при их пуске. В настоящее время конструирование того или иного имитатора индивидуально и проводится конкретно для тестируемых ОЭС. Из последних разработок известны: имитатор движущейся точки - пат. №2057356, работающий в ИК диапазоне спектра; импульсный УФ - излучатель, пат. №2113695; испытательная установка ИК излучения MEON, УФ имитатор ракетной атаки "UVLEDManilla". Общим недостатком известных устройств является то, что они не универсальны и не обеспечивает достаточную точность имитирования.

Работа посвящена созданию и исследованию имитатора тепловых объектов, как средства обеспечения испытаний ОЭС, которая реализуется путем изменения во времени яркости излучателей, в требуемом частотном диапазоне.

В России проблемами оптико-электронных приборов и систем занимается АО НПО "Государственный институт прикладной оптики" (г. Казань), ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ (г. Саров), АО "НИИ "Экран" (г. Самара), за рубежом "Королевская военная академия Бельгии" (г. Брюссель), Технологический институт Рочестера RIT (г. Нью-Йорк, США) и др.

Работа основывается на трудах Якушенкова Ю.Г., В.Л. Филиппова, Тарасова В.В, Карасика В.Е., Дмитриева Е.И., Орлова В.М., Тиранова А.Д., Бутузова В.В., Кислецова А.В., Schjll M.S, Bly V. T. и других.

Целью диссертации является разработка и исследование устройств имитации электромагнитных сигналов, создаваемых нестационарными тепловыми объектами в диапазоне длин волн 0,3 – 15 мкм.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:

  1. Анализ существующих методов и средств имитации движущегося теплового объекта.

  2. Разработка математической модели имитации сигнатуры нестационарного теплового объекта.

  1. Исследование влияния факторов окружающей среды, действующих на сигнатуру движущегося теплового объекта.

  2. Разработка структурных, принципиальных схем и конструкции имитатора тепловых объектов, предназначенного для работы в различных спектральных диапазонах.

  3. Создание макетного образца имитатора с целью подтверждения его реализуемости и использования, а также с возможностью оснащения стендовой базы на основе выбранной оптической модели фоно-целевой обстановки (ФЦО).

  4. Метрологические и экспериментальные исследования образца имитатора, направленные на увеличения точности имитации.

Методы исследований

При решении поставленных задач использовались теория математического анализа, теория погрешностей, методы дифференциального, интегрального и операционного исчислений, спектральный анализ. При моделировании и проведении численных расчетов на ЭВМ использовались математические пакеты MathCAD, Matlab.

Научная новизна

  1. Предложена аналитическая математическая модель нестационарного теплового объекта, имитируемого N-элементным источником излучения с синтезированной сигнатурой, включающая расчт суммарной диаграммы направленности, формы импульса и спектрального состава имитатора, а также учитывающей потери при распространении амплитудно-модулированного сигнала в поглощающей среде.

  2. Разработана методика анализа погрешностей моделирования сигнала имитатора, связанная с синтезом трхмерной функции, описывающей излучаемый сигнал – диаграммы направленности, спектрального состава и формы пускового импульса, определена среднеквадратическая ошибка имитирования при прохождении импульсом поглощающей среды при наличии атмосферных помех.

  3. Предложены конструкционно-алгоритмические реализации универсальных имитаторов нестационарных тепловых источников излучения, обладающих возможностью представления сигнатур различного вида объектов в широком интервале времени и диапазоне частот.

Практическую ценность работы составляют:

  1. Опытный образец имитатора тепловых объектов, обеспечивающий воспроизведение динамических признаков объекта- имитация излучения двигателей при пуске и маршевой скорости в УФ диапазоне спектра.

  2. Инженерно-конструкторские решения, обеспечивающие универсальные алгоритмы имитирования нестационарных тепловых объектов.

  3. Алгоритмы и программы обработки сигналов формирования управляющих воздействий главного контроллера системы. Структурные и принципиальные схемы, иллюстрирующие возможности реализации разработанных технических решений.

Реализация результатов работы

По результатам работы изготовлен и внедрен в производство АО "НИИ "Экран" (г. Самара) имитатор сигналов, как средство испытаний оптико-электронных систем пеленгации тепловых объектов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Предложена аналитическая математическая модель нестационарного теп-

лового объекта, имитируемого N-элементным источником излучения с синтезируемой сигнатурой, включающая расчт суммарной диаграммы направленности, формы импульса и спектрального состава имитатора, а также учитывающая потери при распространении амплитудно-модулированного сигнала в поглощающей среде.

  1. Разработана методика анализа погрешностей моделирования сигнала имитатора, связанная с синтезом трхмерной функции, описывающей излучаемый сигнал – диаграммы направленности, спектрального состава и формы пускового импульса, определена среднеквадратическая ошибка имитирования при прохождении импульсом поглощающей среды при наличии атмосферных помех.

  2. Предложены конструкционно-алгоритмические реализации универсальных имитаторов нестационарных тепловых источников излучения, обладающих возможностью представления сигнатур различного вида объектов в широком интервале времени и диапазоне частот.

  3. Имитатор тепловых объектов, позволяющий хранить в памяти 7 сигнатур, с углом обзора 270, суммарной мощностью излучения 4,2 Вт, силой света 0,2 Вт/ср. Результаты экспериментальных исследований и практической реализации прибора имитации сигнатуры тепловых объектов под действием внешних возмущающих факторов.

Достоверность результатов работы

Достоверность результатов работы определяется экспериментальными

исследованиями, подтверждающими основные теоретические положения работы; внедрением разработанного имитатора в АО "НИИ "Экран".

Апробация работы

Результаты доложены на конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция" Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций" (г. Самара, май, 2013 г.), Международная научно-практическая конференция «Закономерности и тенденции развития науки» (г. Уфа, 27 марта 2014 г.), Международная научно-практическая конференция «Научный прогресс на рубеже тысячелетий -2014» (г. Прага, 2014 г.), XXXVIII Международная научно-практическая конференция «Инновации в науке» (г. Новосибирск, 29 октября

  1. г.), III Всероссийская научно-практическая конференция "Фундаментальные и прикладные научные исследования в XXI веке" (г. Новосибирск, 12 октября

  2. г.), XVII Международная научно-практическая конференция "Теоретические и методологические проблемы современных наук" (г. Новосибирск, 16 мая 2016 г.), Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций" (г. Самара, 16-18 мая, 2017 г.)

Результаты, вошедшие в диссертацию, были отмечены центром содействия развитию научных исследований (ЦСРНИ) дипломом II степени в номинации: "Лучшая научная публикация 2016 года".

Публикации

По результатам исследований и разработок опубликовано 17 работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах (изданиях рекомендованных ВАК РФ), 1 статья в рецензируемом журнале, входящем в международную реферативную базу "Scopus", получено 4 патента РФ.

Связь с государственными программами Работа выполнена в Самарском университете при поддержке Минобрнауки России. В диссертацию включены ре-

зультаты, полученные в рамках реализации государственного задания (номер проекта 8.2297.2017/4.6).

Личный вклад автора

Все результаты, определяющие научную новизну работы, получены автором лично. Техническая реализация и экспериментальные исследования проведены совместно с сотрудниками АО «НИИ» Экран» и НИЛ «Аналитические приборы и системы» Самарского университета.

Структура и объем работы

Модификация устройства имитации сигналов нестационарных тепловых источников излучения

По характеру спектра имитаторы могут быть селективными и неселективными. К селективным имитаторам относят люминесцентные и газоразрядные, у которых спектр с ярко выраженными максимумами. По физическому принципу выделяют три группы имитаторов: - тепловые [16-22]; - люминесцентные [32-35]; - газоразрядные [36, 37].

К неселективным относятся имитаторы, дающие непрерывный широкополосный спектр, приближающийся к спектру модели черного тела (МЧТ), по крайней мере, в рабочей спектральной полосе. К ним относятся имитаторы, генерирующие тепловое излучение.

В ультрафиолетовой (УФ) области электромагнитного спектра прохождение оптических сигналов в атмосфере характеризуются следующими процессами: молекулярным рассеянием (релеевское рассеяние), обусловленным флуктуациями плотности воздуха; молекулярным поглощением озона; рассеянием излучения на аэрозольных частицах. Большую роль в формировании фона играет аэрозольное и молекулярное рассеяние. Фактор молекулярного рассеяния довольно стабилен, его изменчивость находится в относительно небольших рамках, тогда как количество аэрозоля и его свойства изменяются в очень широких пределах. В УФ области спектра проявляются и другие учитываемые нами поглотители (О2, NO2 и тд.), их влияние достаточно определённо и обуславливается наличием вышеперечисленных факторов [11]. Граница между диапазонами ультрафиолетового (УФ) и видимого излучений проходит на длине волны, приблизительно равной (390400) нм. УФ диапазон состоит из трех поддиапазонов: УФ-А (315390) нм, УФ-В (280315) нм и УФ-С ( 280) нм. Диапазон УФ-А соответствует солнечному излучению, проходящему через всю атмосферу и достигающему поверхности Земли даже сквозь облака. Излучения диапазонов УФ-В частично поглощается озоновым слоем Земли, а УФ-С практически весь поглощается озоновым слоем. Естественный свет с длинами волн А 280 нм до поверхности Земли практически не доходит, УФ-С диапазон длин волн называют солнечно-слепым диапазоном. Позднее появилась альтернативная классификация УФ излучения, делящая его на четыре поддиапазона: жесткого (10100) нм, вакуумного (100200) нм, далекого (200320) нм и ближнего (320390) нм излучения.

Очень активно УФ приборы применяются в арктическом поясе, так как снег очень хорошо отражает УФ лучи. Характеристики спектрального состояния ИК, УФ, видимого и нанометрового сигнала в сильной степени зависит от ослабления излучения в атмосфере, а также от наличия в окружающем пространстве фона, создающего помехи в системе пеленгации.

В целом классификация оптических диапазонов показана на рисунке 1.4, где приведены спектральные характеристики наиболее распространённых излучателей – лампы накаливания и белого светодиода [38]. В дальнейшем будем рассматривать только УФ и ИК диапазоны спектра ввиду того, что приборы пеленгации ОЭС БКО предназначены для работы в данных диапазонах. Рисунок 1.4 Общая классификация оптических диапазонов

Для последующего анализа проведем более подробный обзор имитаторов:

1. По способу генерирования ИК излучения. Существует большое разнообразие имитаторов основанных на тепловом излучении [18, 19-21]. Принцип действия тепловых имитаторов основан на излучающих элементах, в которых преобразуются различные виды энергии в тепловую, за счет этого повышается температура этих элементов, вызывая испускание ИК - излучения согласно закону Планка.

2. Имитаторы созданные на базе ячеек Блая [21, 23-25, 40], являются преобразователями энергии видимого и ближнего ИК - излучения в энергию среднего и дальнего ИК излучения.

3. Динамические ИК имитаторы, в составе которых находятся жидкокристаллические световые модуляторы. [29]

4. Лазерные излучатели [36, 41-43]. Лазеры генерируют излучение на одной или нескольких частотах, охватывая широкий интервал длин волн от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области оптического спектра. Специфические свойства лазерного излучения - его когерентность, направленность, монохроматичность, высокая интенсивность обуславливают новые возможности, возникающие при разработке имитирующей аппаратуры.

5. Газоразрядные источники ИК излучения, являющиеся высокоэнергетическими приборами из-за их больших габаритов, ограниченности в спектральном диапазоне и сложности в эксплуатации, находят ограниченное применение. [44]

6. Источники излучения основанные по принципу пространственно -временной модуляции излучения независимых ИК излучателей (МЧТ, лазеры и т.д.) [26, 48, 49]. Простейшими из них являются устройства, в которых ситуация имитируется пластиной, пропускающей излучение ИК источника через соответствующую пространственную картину. В качестве модулирующего элемента используются различные геометрические апертуры, сменные миры, изображения сцен, записанные на фотопластинках и т.д. [45-47].

Из последних изобретений устройств имитации в ИК и УФ диапазонах, можно выделить имитатор движущейся точки, изображенный на рисунке 1.5 [50]. Для имитации объектов использован импульсный источник оптического излучения, энергия которого возбуждает экран. Система управления обеспечивает согласование работы источника и параметры возбуждения экрана. заключается в повышении точности имитации путем увеличения контраста имитируемой точки по отношению к низкотемпературному фону и формировании теплового изображения движущейся точки с заданными спектральными характеристиками. Имитацию в УФ диапазоне спектра можно провести с помощью импульсного УФ излучателя (рисунок 1.6) [51]. Рисунок 1.6 - Импульсный УФ – излучатель [51] 1 - металлическая камера; 2 – импульсно - периодический ускоритель электронов; 3 - выходное окно для электронного пучка; 4 - рабочее тело излучающей пластины; 5 - выходное окно; 6 - вывод УФ излучения; 7 - ось распространения электронного пучка; 8 - фокус. Устройство основано на примесной люминесценции кристаллов и содержит малогабаритный импульсно-периодический ускоритель электронов, металлическую камеру для установки рабочего тела - кристаллической пластины и окно для вывода УФ излучения. Путем замены рабочего тела (вида кристалла) устройство позволяет изменять спектральный диапазон УФ излучения. Сбор и вывод излучения осуществляются посредством объемного отражателя, одновременно выполняющего функцию биологической защиты от тормозного рентгеновского излучения.

Математическое моделирование и расчёт спектральной характеристики имитатора

В общем случае, для имитирования нестационарных тепловых объектов (ракет, самолетов, танков и др.) необходимо создать источник электромагнитного сигнала, обладающего заданной диаграммой направленности, излучающего электромагнитный импульс определённой формы и ограниченной длительности, содержащий требуемый набор частот оптического диапазона. Исходными данными для синтеза сигнатуры теплового объекта является форма и спектральный состав электромагнитного сигнала, пример которых показан на рисунке 1.2. Нормированная (отнесённая к максимальному значению) яркость синтезируемого сигнала в направлении, определённом диаграммой направленности может быть описана функцией [59]: E(t, со, в) = A(i)S(aJ)B(6), (2.1) где A(t) - определяет форму синтезируемого импульса во времени - безразмерная функция, изменяющаяся в интервале 0 A(t) 1. S(co) - определяет спектральный состав излучаемого сигнала, который описывает изменение нормированной яркости источника от частоты 0 S(co) 1. Функции A(t), S(co) определены в диапазонах: 0 t t - время существования объекта имитации, например время полёта max ракеты с момента пуска или обнаружения; comin со сотах- частоты оптического диапазона волн, излучаемые тепловым объектом за время существования; в - пространственный угол, определяющий отклонение выбранного направления от направления максимального излучения имитатора, -ж 12 в ж 12; В (в) - нормированная диаграмма направленности имитатора - безразмерная функция, 0 В(6) 1. При 6 = 0 имеем направление максимального излучения, В(0)=1. В абсолютных величинах функция (2.1) имеет размерность плотности энергии, [Вт/м2]) , однако для математического моделирования целесообразно использовать нормированные значения указанных величин. Для нормированных значений 0 E(t,co,0) 1.

В общем случае имитатор реализуется в виде набора «7V» излучателей (светодиодов), размещённых на некоторой поверхности (плоскости) на известном расстоянии друг от друга. Причём, каждый «Ь» -ый излучатель в общем случае имеет собственную диаграмму направленности и спектральный состав (рисунок 2.1). 0, k, N – точечные излучатели (светодиоды); 1 - поверхность расположения излучателей; 2 - диаграмма направленности k-го излучателя; BO,K - направление максимального излучения k-го излучателя, - угол отклонения от направления максимального излучения

В дальнейших исследованиях примем следующие допущения. 1. Расстояние между произвольной парой излучателей dkN много меньше расстояния до приёмника имитируемого сигнала. 2. Диаграмма направленности каждого k-го излучателя симметрична относительно направления максимального излучения B0k. 3. При описании физических процессов ограничимся применением законов геометрической оптики. Допущения вполне очевидны, так расстояния между излучателем и приёмником сигналов составляет от сотен метров до нескольких километров, что много больше размеров имитатора и тем более длины волны излучения. При указанных допущениях формула (2.1) запишется в виде: (2.2) k=0 г=0 k=0 i=0 В которой все члены 8к(о)Щ(Є) = О, при кФі. При этом: N G(t,a ) = A(t)ZS k (a ), к=0 где G(t, со) - сигнатура имитируемого объекта, В(в)- суммарная диаграмма направленности имитатора. Для излучателей с одинаковым спектральным составом:

Как правило, имитатор строится из стандартных светодиодов с известной диаграммой направленности В{(0)и спектральной характеристикой Sk(co).

Таким образом, разработка имитатора тепловых объектов заключается в том, что необходимо подобрать и разместить комплектующие излучатели таким образом, чтобы имитатор имел следующие характеристики. 1. Обеспечивал заданную суммарную диаграмму направленности В (в) (рисунок 2.2); 2. В каждом из направлений диаграммы направленности i в момент времени tj имел необходимый спектральный состав излучения (рисунок 2.3); 3. В каждом из направлений диаграммы направленности в, для каждой спектральной составляющей i излучаемого сигнала имел заданный закон изменения во времени A(t) (рисунок 2.4);

Выражение (2.3) вместе с рисунками 2.3, 2.4 определяют сигнатуру сигнала, изображенную в виде трёхмерной функции, показанной на рисунке 2.5. Математическое обоснование процедуры реализации трёхмерной функции (2.2) является главной теоретической задачей диссертации.

Сначала рассмотрим возможности аналитического описания диаграммы направленности (ДН) отдельно взятого излучателя. Изучение типичного вида ДН (рисунок 2.2) показал, что основой для такой модели может служить лемниската Бернулли [60], которая в полярной системе координат описывается формулой: р2 =2c2cos(2(p). (2.5)

Эта функция, повёрнутая на 90 и ограниченная диапазоном углов -/2 /2 вполне адекватно описывает форму ДН излучателя, с вертикальным направлением максимального излучения. При этом интенсивность максимального излучения определяется коэффициентом «с» Однако диаграмма направленности реального излучателя (светодиода) может иметь различную ширину, интенсивность и угол наклона. Для этого в формулу (2.6) введены дополнительные коэффициенты, каждый из которых позволять изменять указанные параметры излучения. В общем случае диаграмма направленности может быть описана следующей функцией [60, 61]: B( p) = p2=c2cos(g p-- + by , (2.6) где, с - определяет интенсивность максимального излучения, Ъ– определяет угол наклона линии максимального излучения, -жIА Ъ ж14,g, q - определяют ширину диаграммы направленности.

Изменение коэффициентов g и q ведет к расширению и сужению диаграммы. Коэффициент g применим только для «расширения» функции и не может превышать значений от 0.9 до 2, так как это приводит к возникновению дополнительных максимумов в рассмотренном диапазоне углов. Коэффициент q позволяет «сузить» ДН, но не может принимать значения равные целочисленным четным числам.

Анализ основных погрешностей реализации сигнатуры имитируемого объекта

Согласно выражениям (2.1) и (2.3) сигнатуру объекта определяет также форма оптического импульса во времени A(t)(рисунки 2.4, 2.5). В отличие от диаграммы направленности и спектра излучения эта функция реализуется всеми излучателями одновременно путём подачи на них импульса питающего тока заданной формы A(t). Задача формирования питающего импульса заданной формы хорошо известна и реализуется методами, изложенными в работах [65,...,67]. Известны различные способы построения подобных генераторов, в одном из которых сложное колебание получается в результате суммирования определённого числа элементарных сигналов с изменяемыми параметрами [66]. При этом элементарными сигналами являются синусоидальные колебания различной частоты с изменяемой фазой и амплитудой. Недостаток этого способа заключается в сложности настройки на заданную форму, ибо необходимо одновременно менять три параметра: частоту гармонических составляющих, их фазу и амплитуду. Другим способом синтеза сигнала сложной формы является суммирование импульсов напряжения прямоугольной формы. В этом случае предусматривается определенная последовательность суммируемых прямоугольных импульсов, у которых амплитуда может изменяться пропорционально ординате заданной кривой напряжения, а длительность остается постоянной, или амплитуда и длительность остаются постоянными, но меняется последовательность их суммирования [66]. Недостаток такого подхода состоит в невозможности настройки формы переднего и заднего фронтов выходного импульса независимо друг от друга.

Развитие микропроцессорной техники позволяет осуществить прямой цифровой синтез сигналов DDS (Direct Digital Synthesizers) путем опроса памяти, хранящей оцифрованные отсчеты сигнала заданной формы, с преобразованием их в аналоговый сигнал с помощью высокоскоростных цифроаналоговых преобразователей. Генерация сигналов основана на использовании заранее подготовленных и хранящихся в памяти оцифрованных N выборок сигнала за его один период. Типичное число выборок составляет от нескольких сотен до многих тысяч. Каждая выборка представляет значение сигнала в виде числа с некоторой разрядностью, которая имеет значения от 8 до 14 бит и определяет разрядность кодирования сигналов по амплитуде. В его основу положено представление импульса в виде ступенчатой кривой, получаемой в результате квантования заданного импульса по уровню и по времени. Пусть требуется получить импульс с формой A(t), изображенной на рисунке 2.21 (кривая 1). Импульс заданной формы представляется набором дискретных отсчётов, А0, Аь А2,... Ah.... А„, соответствующих интервалам времени t0, tlt t2f... tif.... t„. В общем случае отсчёты могут быть произвольными, то есть AAt = Ai+l-At Const, Tt=ti+lt Const. Фактически, синтезируемый импульс заменяется набором характерных точек (отсчётов). В таком случае импульс может быть описан набором аналитических функций (2.9), в частности классическим полиномиальным рядом: п Д0«Л (0 = 5 /, (2.28) г=0 или полиномиальным рядом Лагранжа (2.11), в котором аппроксимирующая кривая проходит через все заданные точки. Исследования, проведённые в разделе 2.3, показали низкую точность такого моделирования функций сложной формы, каковой является форма импульса пуска ракеты (рисунок 1.2а). Учитывая необходимость микропроцессорной реализации и технического синтеза такого импульса, рассмотрим некоторые частные случаи его описания и реализации.

Рассмотрим возможности его описания при квантовании по времени, когда тг =ti+lt= Const. В этом случае, отсчёты импульса берутся через равные интервалы времени г, и ему в соответствие ставятся амплитуды Аi. В идеальном случае число отсчётов?? определяется теоремой Котельникова [67], согласно которой непрерывный сигнал можно точно восстановить (интерполировать) по его отсчетам А(1 ,х) , взятым через интервалы г« , гдесотах- верхняя max частота спектра сигнала. Спектральный состав сигнала определяется преобразованием Фурье от импульсами является комплексной величиной: s(jQ) = F[A(t)] = J A{t)e ]Qtdt = Re(Q) + ybn(Q) = s(O)eM0), (2.29) —00 где, s(Cl) - амплитудный спектр сигнала - распределение амплитудных составляющих сигнала по частоте, ср(Сї) - фазовый спектр сигнала, j = V-[. при этом: s(Q) jRe2(Q) + Im2(Q), р(П) = arctg . (2.30)

Здесь и далее следует различать s(Cl) - как спектр импульса имитатора, определяемый формой имитируемого сигнала во времени A(t), и S(co) - как спектр оптического сигнала, определяемый спектральным составом применяемых излучателей (раздел 2.3). В общем случае функция s(Cl) для любых ограниченных во времени импульсов является чётной, затухающей во времени функцией.

Суть теоремы Котельникова состоит в том, что непрерывный сигнал с ограниченным спектром можно абсолютно точно представить набором его отдельных значений («отсчетов»), следующих с равными интервалами г, при условии, что частота следования этих отсчетов, как минимум, вдвое превышает верхнюю границу спектра указанного сигнала. Верхняя (существенная) частота спектра сигнала Qc - это та частота, выше которой никаких амплитудных компонент в спектре сигнала не содержится. Реально значение этой частоты содержатся в спектре, но с пренебрежимо малой амплитудой. Поэтому в Ос определяют по значению, когда амплитудный спектр сигнала становится меньше наперёд заданной величины, например 5% от максимального значения, s(с) 0,05smax. Погрешности такого рода ограничений хорошо изучены [67].

Имитатор как средство испытаний оптоэлектронной системы измерения характеристик фоно - целевой обстановки

Сигнал имитатора, проходя через атмосферу, претерпевает изменения, которые могут существенно повлиять на идентификацию объекта и результаты испытаний оптоэлектронных систем слежения при различных условиях фоно-целевой обстановки. Поэтому целесообразно оценить факторы, влияющие на имитируемый сигнал, характеризующийся его сигнатурой. Достаточно подробный анализ приведён в работе [77]. На рисунке 3.7 изображены факторы, действующие на сигнатуру теплового объекта, при ее имитации, для отработки оптико-механического модуля [78] применяющегося в системе защиты воздушного судна [79-81]. Проведённый анализ базируется на работах [4, 81 - 83]. Королевской военной академией Бельгии и Технологическим институтом Рочестера [4] определены следующие факторы, формирующие реальную сигнатуру объекта в реальных атмосферных условиях и прочих факторах фоно - целевой обстановки, искажающих идеальную сигнатуру (см. рисунок 3.7): Lo - спектральная яркость излучения объекта; Lc - спектральная яркость излучения солнца (излучаемая и рассеянная); Ьж - спектральная яркость излучения окружающей среды; L pco - фоновое отраженное солнечное излучение от объекта; То - температура объекта (в нашем случае воздушного судна); Тос - температура окружающей среды; Тс - температура солнца; т0 - коэффициент спектрального пропускания поверхности объекта; тсо - спектральное атмосферное пропускание от солнца до объекта; тос - спектральное атмосферное пропускание от окружающей среды до объекта; тф - спектральное атмосферное пропускание от фона до объекта; LBH - внешнее атмосферное излучение на сигнатуру; Lpc -рассеянный солнечный свет; Lac - атмосферная самосветимость; ft - телесный угол излучения точечного источника, который находится как отношение площади поверхности излучения (S) к квадрату радиуса сферы излучения (г2): Q = —. Анализ результатов Королевской военной академией Бельгии и Технологическим институтом Рочестера показывает, что в общем случае поток излучения, пришедший в точку наблюдения, определится по формуле: Ф = тЛфоб(т ) + Коб%(Тф) + тобФф(Тф) + Фф(Тф)] ф = Фи+фф + Фс + Фо, (3.48) где, Фи - поток, испускаемый имитатором; Ro6 - коэффициент отражения объекта (в случае полупрозрачного объекта); Фф - поток, испускаемый окружающим фоном, Тф - температура фона; ср - коэффициент пропускания среды; к - постоянная, определяемая геометрией объекта и конструкционными параметрами ОЭС, об - коэффициент пропускания объекта (в случае полупрозрачного объекта).

Изложенная методика факторов влияний реальных условий ФЦП слишком абстрактна и требует знаний детальных атмосферных данных, плоть до азимутальных углов солнца, которые непрерывно изменяется. Детальный анализ всех факторов не входит в задачи диссертации. Без них получение конкретных числовых характеристик искажений имитационного импульса сильно затруднён.

Рассмотрим другой подход при анализе числовых значений искажений импульса при прохождении среды, при этом будем считать импульс скалярной величиной, то есть распространяющейся вдоль одной из координат, а точка излучения совпадает с началом координат. Введём следующие понятия. Полезный сигнал - импульс имитатора в точке излучения, характеризующийся сигнатурой (амплитудно-временными параметрами) G(t,m), спектральным составом (амплитудным спектром) фП)и спектральной плотностью SG(Q), определяющей распределение энергии по частоте: SG{n) = \sG(Ja f (3.51) Здесь и далее будем различать SG(Cl)как модуль спектральной плотности и sG (Q) = \sG (y Q)l как модуль амплитудного спектра сигнала с сигнатурой G(t,co). При этом вовремя прохождения сигналом среды c ККП W(r,jQ), указанные параметры определяются из соотношений [66, 68]. Рисунок 3.7 - Главные действующие факторы, влияющие на имитацию сигнатуры теплового объекта sG(r,}Q) = s(jU)W(r,jQ) (3.52) sG(r,a) = \w(rja)\2sG(a) (3.53) Помеха P(t) - это суммарный, в общем случае случайный, электромагнитный сигнал, формируемый условиями ФЦП: солнцем, подстилающей поверхностью, собственным (тепловым) излучением атмосферы, присутствием соседних тепловых и геофизических объектов. Случайный сигнал принято описывать спектральной плотностью [68, 69], так как её можно измерить на каком либо конечном промежутке времени: SP(n) = \sp(Jto)\ \P{t)e dt (3.54)

Под ошибкой искажения импульса будем понимать разность между реальным и идеальным значениями импульсов, пришедшими в точку контроля, причем под идеальным импульсом понимается импульс, сформированный имитатором и прошедший эталонную среду. Под идеальной эталонной средой следует понимать вакуум. Такому определению ошибки искажения соответствует схема, показанная на рисунке 3.8. Реальная среда зависит от погодных условий (солнце, дождь, туман, облачность), подстилающей поверхности (земля, вода и др.) и времени суток. Помеха в точке приема сигнала, кроме указанных факторов, включает в себя собственное излучение корпуса воздушного судна. В схеме учтено, что помеха может действовать, как в точке излучения P(t), так и в точке приёма Pr(t) оптического сигнала, причём в общем случае P(t) ф Pr(t). Реальной помехой P(t) в точке формирования имитируемого сигнала может быть излучение подстилающей поверхности (фоновая помеха). Помехой в точке приёма может быть солнце. Спектральные плотности излучения различных подстилающих поверхностей (фоновых помех) рассмотрены ниже. Из рисунка видно, что эталонный сигнал Gr(t,co) получается в результате преобразования только полезного сигнала G(t,co) эталонной средой. Индекс обозначает, что реальный импульс получается в результате аддитивного суммирования помехи в точке приёма Pr(t) и сигнала, получающегося в результате преобразования реальной средой смеси полезного сигнала и помехи: Е(t) = G(t, со) + P(t). Из схемы видно - амплитудный спектр ошибки определяется по формуле: А(;П) = Gr (;П) - GP (у Q,) = [sG (jQ) + sp (yQ)F(r, jQ) + sp,r (y Q) - sG (jl)W3T (r, jQ) = = [W(r, jQ) -W3T(r, jQ)]sG(;П) + [sp(jl)W(r, jQ) + sPr(jQ)] (3 55) Как видим из (3.55), ошибка складывается из двух составляющих - первая определяется отличием реальной передаточной функции среды от эталонной; вторая составляющая определяется наличием помехи. Для спектральной плотности ошибки согласно (3.53) можно записать: