ИМИТАТОР  ТЕПЛОВЫХ  ОБЪЕКТОВ

Перцович  Александр  Сергеевич

аспирант  кафедры  электротехники  Самарского  государственного  аэрокосмического  университета  имени  академика  С.П.  Королёва  (национальный  исследовательский  университет),  РФ,  г.  Самара

E -mail:  passamara@yandex.ru

Курылева  Полина  Андреевна

студент  Самарского  государственного  аэрокосмического  университета  имени  академика  С.П.  Королёва  (национальный  исследовательский  университет),  РФ,  г.  Самара

E -mail:  pol-ku@mail.ru

THERMAL  OBJECT  SIMULATOR

Pertsovich  Aleksandr

postgraduate  student  of  electrotechnics  department  of  Samara  state  aerospace  university,  Russia,  Samara

Kuryleva  Polina

student  of  Samara  state  aerospace  university,  Russia,  Samara

АННОТАЦИЯ

В  статье  рассматривается  средство  обеспечения  испытаний  —  имитатор  тепловых  источников  излучения,  в  котором  имитация  происходит  за  счет  воспро+изведения  сигнатуры  теплового  источника  излучения,  с  целью  обеспечения  отработки  технических  решений  автоматического  обнаружения  и  распознавания  тепловых  объектов  в  оптико-электронных  приборах  или  приборах  пеленгации,  в  диапазонах  спектра  от  ультрафиолетового  до  инфракрасного,  с  учетом  внешних  возмущающих  факторов.

ABSTRACT

A  test  device  that  is  a  thermal  object  simulator  where  simulation  takes  place  by  reproduction  of  heat  source  signature  with  the  aim  of  development  of  the  technology  of  thermal  target  auto  detection  and  identification  in  optoelectronic  or  direction-finding  devices  in  ultraviolet  to  infrared  spectra  considering  the  target  background  environment  is  presented  in  this  work.

Ключевые  слова:  сигнатура;  тепловой  объект;  имитация;  оптико-электронные  приборы.

Keywords:  signature;  thermal  object;  simulation;  optoelectronic  devices.

В  настоящее  время  комплексные  оптоэлектронные  приборы  и  системы  наблюдения  и  контроля  поведения  реального  объекта  в  оптических  спектральных  диапазонах  от  ультрафиолетового  до  инфракрасного,  активно  применяются  как  в  промышленности,  так  и  в  военной  технике  [3;  6;  7].  Например  для  отработки  технических  решений  в  оптико-электронных  приборах  (ОЭП)  бортового  комплекса  или  основных  тактико-техничеких  характеристик  приборов  пеленгации,  при  автоматическом  обнаружении  и  распознавании  тепловых  объектов,  требуются  испытания  с  реальным  применением  самолетов,  вертолётов  и  т.  д.  Испытания  необходимо  проводить  для  различных  ракурсов,  дальностей  и  атмосферных  условий,  что  является  весьма  затратным.

Каждый  тепловой  объект  обладает  своей  сигнатурой.  Под  сигнатурой  подразумевается  специальный  набор  параметров  излучения,  таких  как  сила  и  спектральный  состав  излучения  объекта,  его  размеры  и  координаты  местоположения,  энергетическая  яркость  и  контрастность  на  фоне  контролируемого  пространства,  распределение  яркостно-энергетических  характеристик  по  площади  наблюдения  и  их  статистическая  оценка,  которые  характеризуют  тепловой  объект  в  условиях  климатических  и  электромагнитных  помех.

Патентный  обзор  показал,  что  среди  отечественных  изобретений  существуют  несколько  имитаторов  [2;  4;  5],  с  помощью  которых  возможно  воспроизведение  тепловых  объектов,  но  в  очень  узком  круге  условий.  Зарубежом  сильно  продвинулись  в  данной  области,  особенно  в  Германии  и  Израиле.  Можно  выделить  ультрафиолетовый  имитатор  ракетной  атаки  "UV  LED  Manilla"  работающий  в  УФ  области  спектра  и  испытательная  установка  приёмника  лазерного  облучения  "Hydra"  работающая  в  ИК  области  спектра  [9].  Однако  эти  имитаторы  решают  задачи  в  одной  области  спектра  (УФ  или  ИК).  В  статье  [8]  дан  обзор  моделей  сигнатур  и  уравнений  визуализации,  реализованных  в  OSMOSIS  (военная  академия  королевства  Бельгии)  и  DIRSIG  (технологический  институт  Рочестера),  где  приходят  к  выводу,  что  даже  самое  поверхностное  исследование  обнаруживает  множество  факторов,  влияющих  на  сигнатуры  объектов  реального  мира.  Такие  факторы  как  спектральная  излучающая  способность,  зеркальное  отражение,  отраженный  прямой  солнечный  свет,  отраженный  рассеянный  свет,  снижение  характеристик  в  атмосфере  и  другие  оказывают  влияние  на  представление  мгновенной  сигнатуры  объекта.  Сигнатура  изменяется  в  динамическом  отношении  как  результат  внутренних  и  внешних  воздействий  на  объект,  таких  как  тепловой  баланс,  внутренние  источники  тепла,  аэродинамический  нагрев  (для  воздушных  объектов),  электропроводность,  конвекция  и  излучение.  Для  точной  визуализации  сигнатуры  объекта  в  компьютерной  имитации  должны  учитываться  все  её  элементы.

Любая  модель  (физическая  или  математическая)  может  заменить  реальный  объект  лишь  с  какими-то  поправками  или  допущениями,  так  как  при  испытаниях  в  реальных  условиях  влияет  значительная  часть  внешних  возмущающих  факторов.  Модели  описывают  сигналы,  поступающие  на  вход  ОЭП  от  наблюдаемых  или  контролируемых  объектов,  фонов  и  помех,  а  также  преобразовывают  эти  сигналы  в  среде  их  распространения  от  источника  до  входа  ОЭП.  Эти  модели  одни  из  наиболее  сложных,  поскольку  большое  число  возможных  сценариев  работы  ОЭП  требуют  достаточно  строгого  описания  физических  процессов  возникновения  и  распространения  оптических  сигналов.  Многомерность  оптических  сигналов  и  ряд  других  факторов  затрудняют  их  адекватное  математическое  воспроизведение,  заметно  усложняя  компьютерную  модель.  Идеальным  имитированием  является  создание  оптической  модели  в  условиях,  когда  сцена  создаваемая  имитатором  принимает  оптическую  модель  объекта  в  ОЭП  и  полностью  совпадает  с  поведением  реального  объекта.  Для  этого  необходим  имитатор  который  бы  максимально  точно  воспроизводил  тепловые  объекты  в  диапазонах  спектра  от  ультрафиолетового  до  инфракрасного,  в  том  числе  использовался  в  процессе  тестирования  аппаратуры  идентификации  тепловых  объектов.

При  создании  имитатора  тепловых  объектов  учитывались  следующие  основные  требования:  имитация  излучения  в  спектральных  диапазонах  работы  ОЭП  (УФ/ИК);  имитация  одного  и  двух  объектов  одновременно;  воспроизведение  динамических  признаков  объекта;  имитация  излучения  объекта  в  движении;  имитация  излучения  типового  объекта  с  мощностью  излучения,  соответствующей  мощности  двигательной  установки  применяемой  на  данном  объекте.

В  статье  [1]  рассмотрен  блок  имитаторов  пуска  ракет  предназначенный  для  автоматического  обнаружения  и  распознавания  тепловых  объектов.  Составной  частью  данного  блока  является  имитатор  на  базе  матрицы  УФ  светодиодов,  который  позволяет  воспроизводить  не  менее  восьми  различных  сигнатур  излучения  типовых  объектов  в  широком  оптическом  диапазоне.  Уникальность  этого  имитатора  заключается  в  том,  что  он  содержит  микроконтроллер  с  возможностью  записи  кодов  сигнатур  N  тепловых  объектов,  а  так  же  в  том,  что  можно  достаточно  быстро  поменять  диапазон  спектра,  заменив  источник  оптического  излучения.  С  помощью  пульта  управления  происходит  включение  программ  имитации  N_i  типового  объекта.  На  рисунке  1  показана  функциональная  схема  имитатора  тепловых  источников  излучения,  а  на  рисунке  2  его  внешний  вид.

Рисунок  1.  Функциональная  схема  имитатора  тепловых  источников  излучения

Где:  1  —  пульт  управления;  2  —  микроконтроллер;  3  —  цифровой  аналоговый  преобразователь  (ЦАП);  4  —  блок  преобразователей  «напряжение-ток»  (БП-НТ);  5  —  источник  оптического  излучения.  Дополнительные  надписи  на  рисунке:  Е  —  источник  питания;  ПНТ-1,  ПНТ-2  ...  ПНТ-n-преобразователи  «напряжение-ток»;  Д-1,  Д-2  ...  Д-n-диоды  оптического  излучения;  «а»  —  амплитудно-временная  диаграмма  сигнатуры  U(t)  с  характерными  точками  1,2,…5;  ПК  —  персональный  компьютер.

Рисунок  2.  Внешний  вид  имитатора  тепловых  источников  излучения

Управление  всеми  процессами  в  имитаторе  происходит  через  микроконтроллер  (2).  С  персонального  компьютера,  который  подключен  к  микроконтроллеру  осуществляется  запись  сигнатур  в  его  память.  Так  же  к  микроконтроллеру  подключен  пульт  управления  (1),  представляющий  собой  цифровой  монитор,  на  котором  отражаются  установленный  номер  сигнатуры  и  процент  ослабления  мощности,  выставляемые  кнопками  управления.  С  микроконтроллера  (2),  через  ЦАП  (3),  на  блок  преобразователей  «напряжение-ток»  (4)  подаётся  напряжение  (0—2,5V),  меняющиеся  во  времени  U(t)  в  соответствии  с  выбранной  сигнатурой. 

В  ячейках  памяти  микроконтроллера  (2)  заложены  числовые  значения  напряжения  и  времени  соответствующие  значению  характерных  точек  1,2,…5,  которые  в  свою  очередь  соответствуют  коду  сигнатуры  конкретного  типового  объекта,  показанного  на  графике  U(t)  (см.  «а»  на  рисунке  1),  характеризующего  ход  излучения  теплового  объекта  (ракет  и  других  воздушных  и  наземных  целей),  что  позволяет  воспроизводить  имитацию  движения  объекта.  Сигнатура  реализуется  путём  изменения  яркости  светодиодов  (Д1,  Д2  ...  Дn),  которая  является  запрограммированной  зависимостью  напряжения  от  времени  в  микроконтроллере  (2).  При  этом,  характерные  изменения  суммарной  яркости  излучения  совпадают  с  амплитудно-временной  диаграммой  на  рисунке  1  (график  «а»),  что  соответствует  режиму  имитации  одного  из  N_i  типовых  объектов,  сигнатура  которого  определяется  командой  с  пульта  управления.  Возможно  удаление  сигнатур  в  микроконтроллере  (2),  и  запись  с  ПК  других  сигнатур,  необходимых  для  конкретных  задач  имитации.

Имитатор  реализуется  на  основе  инфракрасных  диодов  типа  ЗЛ107А,  светодиодов  типа  SDM  (белый  свет)  или  ультрафиолетовых  диодов  типа  UVTOP280HS  и  стандартных  радиотехнических  компонентов.  Мощность  излучения  имитатора  пропорциональна  количеству  светодиодов  и  определяется  конкретными  требованиями  к  аппаратуре  идентификации  тепловых  объектов.  Практически  количество  диодов  может  быть  в  пределах  5—10.  Дальность  имитации  до  5000  метров. 

Помимо  воспроизведения  сигнатур  ракет  и  других  наземных  и  воздушных  целей,  что  приводит  к  новым  функциональным  возможностям  имитации,  за  счет  сигнатуры  решается  задача  идентификации  теплового  объекта,  что  соответственно  позволит  его  применять  при  отработке  и  проверке  алгоритмов  определения  и  распознавания  тепловых  объектов  с  учетом  внешних  возмущающих  факторов,  отработки  технических  решений  в  ОЭП  бортового  комплекса  обороны,  применять  имитатор  в  ходе  проведения  полигонных  испытаний  или  как  учебно  -  тренировочное  оборудование.

Список  литературы:

1.Бутузов  В.В.,  Скворцов  Б.В.,  Перцович  А.С.,  Носиков  В.А.,  Ершова  Т.А.  Блок  имитаторов  пуска  ракет  переносного  зенитного  ракетного  комплекса.  Известия  Самарского  научного  центра  Российской  академии  наук,  —  т.  15  —  №  6.  —  2013  г.  —  С.  193—196.

2.Громов  В.В.,  Липсман  Д.Л.,  Петров  И.Я.,  Пикалин  С.А.,  Прокуда  И.А.,  Тонкачёв  В.В.  Имитатор  воздушных  целей,  патент  №  2442947  от  11.10.2010  г.

3.Карасик  В.Е.,  Орлов  В.М.  Лазерные  системы  видения.  М.:  МГТУ.  2001.  —  352  с.

4.Кузнецов  В.М.,  Энтин  А.П.,  Феруленков  А.В.,  Сосна  А.В.,  Костяев  В.В.,  Махонин  В.В.  Имитатор  движущейся  цели,  патент  №  2239773  от  17.02.2003  г.

5.Салин  В.И.,  Степанов  А.И.,  Шеволдин  В.А.,  Шнырев  А.Д.  Имитатор  движущейся  точки,  патент  №  2057356  от  26.10.1992  г.

6.Смирнов  В.П.  Эффективность  комплексирования  разноканальных  изображений  при  опознавании  объектов.//  Оптический  журнал.  —  1992.  —  №  2.  —  С.  20—24.

7.Тарасов  В.В.,  Якушенков  Ю.Г.  Многоспектральные  оптико-электронные  системы.//  Специальная  техника.  —  2002.  —  №  4.  —  С.  56—62.

8.Cornelius  J.  Willers,  Maria  S.  Willers  and  Fabian  Lapierre  Signature  Modelling  and  Radiometric  rendering  equations  in  infrared  scene  simulation  systems./  Technologies  for  Optical  Countermeasures.  2011.  VII.

9.ESL  Defence  Ltd.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.esldefence.co.uk/products/sys_int_lab_testers.html