автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование и разработка алгоритмов обработки сигналов в оптико-электронных пеленгаторах

На правах рукописи

Савинков Василий Владимирович

УДК 621 391 6

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПЕЛЕНГАТОРАХ

Специальность 05 11 07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ 160251

Москва - 2007

003160251

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им НЭ Баумана на кафедре «Лазерные и оптико-электронные системы»

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор

Мосягин Геннадий Михайлович

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Сычёв Виктор Васильевич ФГУП НПО «Астрофизика»

Кандидат технических наук Ивлев Олег Александрович ФГУП НИИ «Прецизионного приборостроения»

Ведущая организация ОАО ФНЦ НПО

«Геофизика-НВ», г. Москва

Защита диссертации состоится 7 ноября 2007 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212 141 19 при Московском государственном техническом университете им Н Э Баумана по адресу 105005, г Москва, 2-я Бауманская, д 5, Зал Ученого Совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им Н Э Баумана

Отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу 105005, г Москва, 2-я Бауманская, д 5, МГТУ им НЭ Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д212 141 19

Автореферат разослан « » октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

Бурый Е.В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Для решения целого ряда ряд задач хозяйственного и оборонного значения широко используются оптико-электронные (ОЭ) пеленгаторы, позволяющие с высокой точностью измерять координаты точечных и протяженных объектов, а также селектировать различные типы объектов в условиях сложных фоновых ситуаций Совершенствование комплексов средств пеленгации, требует проведения исследований в области разработки алгоритмов обработки сигналов

Вопросами разработки алгоритмов обработки пеленгационных сигналов в нашей стране и за рубежом уделяется большое внимание Им посвящены работы российских и зарубежных ученых В Л Левшина, А Л Горелика, В Я Колючкина, Б Р Левина, Л Ф Порьфирьева, Г М Мосягина, В И Тихонова, П С Акимова, Ю Г Якушенкова, П А Бакута, Т Хуанга, К Фукунага, Г Дейвида и др

В тоже время вопросы, связанные с обоснованием требований к алгоритмам обработки сигналов от целей, регистрируемых на сложном пространственно неравномерном фоне, в настоящее время не решены Поэтому тема диссертации, посвященная разработке алгоритмов обработки сигналов в ОЭ пеленгаторах, является актуальной

Цель исследований

Цель работы - разработка алгоритмов обработки сигналов, обеспечивающих надежную пеленгацию малоразмерных и протяженных целей в различных фоновых ситуациях

Задачи исследований

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи

1 Анализ особенностей алгоритмов обработки сигналов в ОЭ пеленгаторах на основе математического моделирования излучения целей и фонов, а также математической модели информационной системы комплекса средств пеленгации

2 Разработка методики обоснования технических требований к ОЭ пеленгаторам на основе анализа целевой функции проектирования комплекса средств пеленгации

3 Разработка и исследование алгоритмов линейной и нелинейной обработки сигналов при пеленгации малоразмерных целей

4 Разработка алгоритмов обработки сигналов при пеленгации протяженных целей на пространственно-равномерном фоне и оценка эффективности статистического алгоритма селекции и распознавания целей при пеленгации протяженных объектов

5 Разработка алгоритмов селекции и распознавания протяженных целей на пространственно-неравномерном фоне, инвариантных к изменяющимся условиям распределения яркости в пространстве предметов

6 Подтверждение теоретических исследований методами математического моделирования в процессе вычислительных экспериментов с реальными изображениями целей

7 Внедрение полученных результатов в практику проектирования ОЭ пеленгационных комплексов и в учебный процесс

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались

-методы математического моделирования,

-методы теории оптико-электронных систем,

-математический аппарат теории вероятности, математической статистики и теории случайных процессов

Научная новизна исследований

В процессе проведения исследований получены новые научные результаты теоретического и практического характера

1) выведены математические соотношения, определяющие целевую функцию проектирования комплекса средств пеленгации как зависимость вероятности выполнения задачи, связанной с назначением комплекса, от частных показателей эффективности алгоритмов пеленгации,

2) модифицированн корреляционный алгоритм для селекции целей на пространственно-неравномерном фоне, включающий операции гисто-граммной обработки изображений и последующей линейной фильтрации,

3) разработана методика оценки эффективности пеленгации протяженных объектов на основе модифицированного корреляционного алгоритма в условиях пространственно-неравномерного фона,

4) разработана методика оценки эффективности статистических алгоритмов селекции и распознавания протяженных целей

Научные положения, выносимые на защиту

1 Методика обоснования перечня и значений показателей эффективности алгоритмов пеленгации объектов

2 Алгоритмы первичной и вторичной обработки сигналов для пеленгации протяженных целей на пространственно-неравномерном фоне, инвариантные к изменяющимся уровням яркости фона

3 Методика выбора признаков для селекции и распознавания протяженных объектов

4 Методика оценки эффективности алгоритмов селекции и распознавания целей, позволяющая учесть не только линейные искажения, но также эффекты пространственной дискретизации оптического сигнала

Практическая ценность работы

1 Результаты работы в теоретическом плане являются развитием элементов теории обработки сигналов применительно к ОЭ пеленгационным системам

2 Полученные в диссертации научные результаты могут быть использованы при разработке перспективных образцов ОЭ пеленгаторов, которые должны функционировать в сложных фоно-целевых ситуациях

Реализация и внедрение результатов

Результаты работы использованы

в НИИ Радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им Н.Э Баумана при выполнении НИР «Исток-М-РЛ», на предприятии ФГУП «КБ Точмаш им А Э Нудельмана», и в учебном процессе кафедры «Лазерные и оптико-электронные системы» МГТУ им Н Э Баумана в курсе «Оптико-электронные приборы наведения, пеленгации и ориентации»

Апробация работы Результаты диссертации неоднократно обсуждались на семинарах кафедры «Лазерные и оптико-электронные системы» МГТУ им Н Э Баумана Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях

- НТК «Студенческая весна», МГТУ им Н Э Баумана, Москва, 2002

- 5-я МНТК «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, 2004г

Основные положения работы изложены в одной научной статье, в

двух научно-технических отчетах о НИР, а также в тезисах 2-х НТК

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 41 библиографическое описание цитируемых источников Диссертация изложена на 165 страницах, включает 45 рисунков и 8 таблиц.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научной задачи, решаемой в диссертации Сформулированы цель и задачи исследований Рассмотрены методы исследований и изложены научные положения, выносимые на защиту Проведен обзор содержания диссертации по главам

В первой главе на основании анализа литературных источников предложена классификация оптико-электронных (ОЭ) пеленгаторов по ряду признаков

- по назначению,

- по методу пеленгации,

- по типу целей и фоновой обстановки,

- по способу предварительной обработки сигналов

Для обоснования требований к ОЭ пеленгатору использовалось представление этого прибора в составе комплекса средств пеленгации Структурная схема комплекса средств пеленгации, как объекта проектирования на функционально-логическом уровне, представлена на рис 1

Рис 1 Структурная схема комплекса средств пеленгации Т^ - приемники сигналов, С^ - подсистемы первичной обработки сигналов, £)- подсистемы вторичной обработки сигналов, ПАИ - подсистема анализа информации, {£,}- стратегии принятия управленческих решений, Уд, - подсистемы управления, ПАУ — подсистема алгоритмов управления

В состав структурной схемы модели комплекса входят источник сигналов, описывающий свойства сигналов от целей и помех, информационная система, включающая как отдельные каналы пеленгаторы первого и второго эшелонов, средства навигации, система управления, включающая средства для выполнения действий, в соответствии с целевым назначением комплекса

В диссертации разработаны математические модели сигналов от объектов, в том числе истинных и ложных целей, а также фоновых образований и помех

Для информационной системы комплекса определены цели и задачи, выполняемые на этапе первичной и вторичной обработки сигналов в ОЭ пеленгаторах На этапе первичной обработки сигналов это линейная и нелинейная фильтрация с целью подавления помех, а также модуляция сигналов На этапе вторичной обработки сигналов 1) алгоритмы принятия

решений относительно гипотез - обнаружение, селекция или распознавание, 2) оценка параметров сигналов на фоне помех

Методика решения задачи по обоснованию показателей качества алгоритмов вторичной обработки сигналов иллюстрируется в диссертации на примере комплекса средств пеленгации воздушного базирования В состав такого комплекса входят пеленгатор первого эшелона, осуществляющий предварительное обнаружение, селекцию и определение координат целей, и пеленгатор второго эшелона, предназначенный для непосредственного наведения на цель

Для решения поставленной задачи была определена целевая функция проектирования комплекса Основным показателем качества комплекса принята вероятность выполнения задачи, связанной с целевым назначением комплекса Целевая функция определена на основе анализа функционирования комплекса как зависимость этого показателя от частных показателей качества алгоритмов Вероятность выполнения поставленной задачи рассматривается как пересечение двух случайных событий

- наведения на цель с заданной погрешностью, определяемой конечным промахом 8ЯК,

- поражения цели при условии наведения на цель с заданной погрешностью ЗЯК

Вероятность поражения цели определяется характеристиками управляемого оружия В решаемой задаче можно считать, что вероятность этого события задана Процесс наведения определяется свойствами информационных каналов комплекса и системы управления В работе выведены математические выражения, определяющие зависимость вероятности наведения от параметров ОЭ пеленгаторов первого и второго эшелонов Используя эти соотношения, можно определить оптимальное соотношение показателей качества пеленгаторов первого и второго эшелонов, в том числе вероятностей обнаружения, селекции, распознавания при заданных предельных дальностях, а также погрешностей измерения угловых координат целей

Нахождение этих значений при проектировании осуществляется методом многовариантного анализа или методом параметрической оптимизации Если окажется, что достигнуть заданной вероятности выполнения поставленной задачи не удается на доступной элементной базе, то можно использовать принцип распараллеливания каналов пеленгации, при реализации которого существенно повышается эффективность комплекса

На основании исследований, проведенных в главе 1, предложена классификация ОЭ пеленгаторов, развиты математические модели ком-

плекса средств пеленгации на функционально-логическом уровне проектирования, предложена целевая функция проектирования ОЭ пеленгаторов, устанавливающая связь основного показателя качества в виде выполнения поставленной задачи с показателями эффективности алгоритмов пеленгации

Изложенная выше методика может быть использована при обосновании требований к показателям качества алгоритмов пеленгаторов различного назначения, в том числе пеленгаторов, предназначенных для пеленгации малоразмерных и протяженных целей

Во второй главе разработаны алгоритмы оптимальной обработки сигналов при пеленгации малоразмерных целей Задача пеленгации такого типа объектов решается на больших дальностях, когда угловые размеры целей малы по сравнению с угловыми размерами пятна рассеяния оптической системы Это является существенной особенностью воздушных и космических целей, которая накладывает определенные ограничения на выбор словаря признаков при решении задачи селекции или распознавания при наличии ложных целей Для выполнения проектных процедур при разработке комплексов пеленгации воздушных и космических целей разработаны математические модели малоразмерных целей, учитывающие свойства собственного теплового излучения объекта и отраженного излучения от внешних источников, а также параметры перемещения целей в пространстве Сигналы от точечной цели описываются зависимостью

М5(Л,х,у^во) = ^м(Л) *[х-хш«),у-у.т (1)

где (Я) = (Л), = | [Ьл(Л,х,у) -£ФЛ(Л)]с]хс1у,

4о

ЬФ1 (А) - спектральная яркость фона

Координаты цели с учётом движения по осям х, у х (0 = 8 ¡2 + У г + х , (2)

ок' °ох / ох о' 4 '

У (0 = £ (2 ¡2 + У 1 + у , (3)

^ок ' °оу / оу ■'о у '

Параметры Е0Х,Е0у>¥охУоу,хо>Уо> как и 3ш, в общем случае, априори точно неизвестны и являются составляющими вектора случайных параметров в^

Предложены математические модели системы первичной обработки сигналов в ОЭ пеленгационных приборах Разработана обобщенная структурная схема пеленгационного ОЭП, как объекта проектирования, пока-

занная на рис 2 При синтезе данной схемы предполагается, что оптическая система (ОС) изопланатична, а ПИ представляет собой фокальную матрицу, работающую в режиме накопления зарядов В линейном приближении проведен анализ преобразования сигналов в ОЭ пеленгаторе с матричным ПИ Выведены соотношения для сигнальной функции и дисперсии аддитивной помехи на выходе оптимального приемника

Рис 2 Обобщенная структурная схема пеленгационного ОЭП, как объекта

проектирования

1 — источник сигнала от цели, 2 - оптическая система, 3 - оптический фильтр; 4 — пространственный фильтр (смаза изображения), 5 — пространственный фильтр, 6 - приемник излучения, 7 - модулятор, 8 — оптимальный фильтр, 9 — декодер, 10 - источник сигнала от фона, 11- оптическая система преобразования фонового сигнала, 12 — генератор шума

В работе проведен анализ влияния значений координат хы и уы цели на амплитуду полезного сигнала и дисперсию шумовой составляющей реализации на выходе оптимального фильтра На рис 3 представлены графики сечений зависимости дисперсии шума на выходе оптимального фильтра от координат цели х'ы и у'ы при отношении сигнал/шум, в нулевом приближении, равном и различных сочетаний параметров

кх=—, кпи = —, где гх -радиус функции рассеяния оптической системы,

X X

аппроксимируемой двумерной гауссоидой, Тх = Г^бОмкм, а- размер квадратного ЧЭ матричного ПИ

X X

а) б)

Рис. 3. График зависимости дисперсии шума на выходе оптимального фильтра при Х0=У0 и а) к,,„=0,75 , б) к1Ш=0,5:

- - кос=0,2;

...... - кос=0,4;

- кос=0,6.

Из приведённых графиков следует, что случайно измеряемые параметры хы и уы являются энергетическими, так как их изменение приводит к изменению отношения сигнала к шуму. При относительно большом пятне рассеяния ОС этой зависимостью можно пренебречь.

Проанализированы алгоритмы вторичной обработки сигналов в пе-ленгационных ОЭП, связанных с выполнением процедур обнаружения, селекции или распознавания целей, а также с измерением координат объектов.

Рассмотрены алгоритмы обнаружения на основе принятия решений по критерию Байеса, по критерию идеального наблюдателя, по критерию Неймана-Пирсона и минимаксному критерию. Основной проблемой при использовании указанных критериев является преодоление статической неопределённости, связанной с априорными вероятностями отсутствия или присутствия цели в поле обзора. Рассмотренные алгоритмы обнаружения целей могут быть реализованы в виде одношаговых и многошаговых процедур анализа сигнала, но при априори известном объёме выборки. Для пеленгационных ОЭС с фокальными МПИ имеется принципиальная возможность реализации более эффективных алгоритмов последовательного обнаружения (процедура Вальда), так как в них осуществляется покадровое считывание реализаций сигнала. В последовательных алгоритмах к основным показателям эффективности относятся вероятности Ро6 и Рш и среднее значение п - объёма выборки. Приведённые математические вы-

ражения могут использоваться для определения целевых функций проектирования пеленгационных ОЭП в режиме обнаружения малоразмерных целей

Проведен анализ алгоритмов измерения координат малоразмерных целей, при этом он формулируется в рамках теории статистических оценок, в виде задачи оценки случайных параметров Как и в задаче обнаружения, выбор критерия и алгоритма обработки сигналов зависит от объема априорной информации При измерении координат целей пеленгаторами первого эшелона априорная информация о координатах целей практически отсутствует, поэтому следует использовать оптимальный алгоритм оценки координат по критерию максимального правдоподобия В работе получены математические выражения для целевой функции проектирования по критерию максимального правдоподобия Для пеленгаторов второго эшелона, когда имеется целеуказание, наиболее удобен алгоритм определения координат цели по критерию Байеса В работе получены математически соотношения для алгоритма обработки сигнала по критерию Байеса, которые могут использоваться для получения частной целевой функции

Рассмотрены алгоритмы селекции малоразмерных объектов Показано, что задачи селекции заключаются в принятии решения об истинности обнаружения целей, т е задача решается после предварительного обнаружения сигналов от объектов, находящихся в поле анализа пеленгатора Минимально необходимой информацией для селекции является количество целей в поле анализа, в том числе количество истинных целей, вид и параметры функции распределения вероятностей значений признаков истинных и ложных целей При селекции объекты разбиваются на два класса класс истинных целей и класс ложных целей, которым в признаковом пространстве ставятся в соответствие области, разделенные решающими границами в соответствии с критерием максимального правдоподобия Решение о селекции принимается на основе анализа признаков всех объектов, находящихся в поле анализа, поэтому для оценки эффективности селекции истинных целей используется теория порядковых статистик Для селекции малоразмерных целей дополнительно могут использоваться поля спектральных (по длинам волн) признаков и траекторных (кинематических) признаков Для фильтрации сигналов могут использоваться Винеровские и Калмановские фильтры

Проведен анализ алгоритмов нелинейной обработки сигналов для предварительной фильтрации сигналов целей на неравномерном фоне К ним относятся фильтрация с вычитанием, медианная фильтрация, гисто-граммная обработка, сегментация изображений

Таким образом, во 2-ой главе получены следующие результаты разработаны математические модели сигналов малоразмерных целей и ОЭ

пеленгатора с матричным ПИ, позволяющие проводить анализ преобразования сигнала в соответствии с оптимальным алгоритмом приема сигнала от цели, проведен анализ алгоритмов вторичной обработки сигналов при пеленгации малоразмерных целей, на основе которого определены математические соотношения для формулировки частных целевых функций проектирования при обнаружении, селекции и оценке координат целей, выполнен обзор методов нелинейной обработки сигналов с рекомендациями по использованию этих методов

В третьей главе рассматриваются алгоритмы обработки сигналов при пеленгации протяженных целей на пространственно равномерном фоне Сформулирована задача обработки сигналов при пеленгации протяженных целей Для представления сигналов от ограниченных по размерам протяженных объектов и формирования их пространственно-энергетических признаков в задачах распознавания и селекции, используется базис финитных гармонических функций Сигналы от целей описываются как квазиде-терминированные случайные процессы при заданном изменении случайных параметров. Проведен обзор методов селекции и распознавания протяженных целей

Разработана методика синтеза алгоритмов и оценки эффективности алгоритмов селекции и распознавания целей Известно, что самыми сложными задачами при синтезе алгоритмов распознавания являются задачи выбора эффективного словаря признаков, а также решающих границ в признаковом пространстве В качестве словаря признаков предложено использовать коэффициенты разложения изображения объектов в базисе финитных гармонических функций, которые содержат в себе информацию об отличиях образов протяженных двухмерных объектов Если сигнал от объекта, ограниченного габаритными размерами 1хх1у, описывается интегральным по длинам волн излучения распределением яркости Цх,у) = Ьм Ьп(х,у), где Ьм - максимальное значение яркости, Ьн(х,у) -нормированное распределение яркости, то распределение яркости Ь (х, у) можно выразить через обратное преобразование Фурье в следующем виде

L., reel

L{x,y)=-

У

V,

|а,(Н+2 Z

( м - ( V /

m п I 2 л m х п у ~г+~г) \ * у Л

к —,— cos 1 1 \ V* у А + <Р V

т п

Т'Т

(4)

Таким образом, изображение любого ограниченного в пространстве объекта можно однозначно выразить через комплексные коэффициенты

¥

т п

Т'Т

_1_ ' 1.1.

1(р

1.1.

членов разложения Фурье, на

пространственных частотах, кратных значениям 1/1х и 1/1у Эти коэффициенты используются в работе в качестве признаков распознавании протяженных объектов Их основным достоинством является инвариантность к изменению масштаба изображения объекта В работе сформулированы принципы, которыми следует руководствоваться на этапе предварительного выбора словаря признаков

1) признаки должны обладать достаточными разделительными свойствами, оцениваемые параметром ^,

(5)

Х1р, Х1р - математические ожидания г—го признака, соответственно, р— го и д — го классов,

а,Р' а,ч среднеквадратические отклонение (СКО) г-го признака, соответственно, р - го и - го классов

2) размерность признакового пространства должна быть минимальной,

3) необходимо использовать признаки, которые обладают максимальной энергией

Разработанная методика применена к задаче выбора рабочего словаря признаков распознавания целей в виде танков и грузовых автомобилей Анализ пространственно-частотных спектров (ПЧС) изображения целей показал, что спектр фаз оказывается крайне неустойчивым к вариациям ракурсов, при которых зарегистрированы изображения Поэтому в качестве признаков использованы модули гармоник ПЧС В соответствии с разработанной методикой проведен анализ признаков Ьтп ■ 1

II

* у

т п

Т'Т

на устой-

чивость к изменению ракурсов танка и грузового автомобиля, а также по их разделительным и энергетическим свойствам Наибольшими разделительными свойствами для указанных объектов обладают признаки Ц0, Ь9а, Ь06 и ¿„ Из этих признаков по условию обеспечения максимальной энергией более эффективными являются признаки ¿50, £90 Окончательная оценка эффективности выбранного словаря признаков может быть произведена на

основе расчета значений вероятностей правильного и ошибочного распознавания

Разработана методика предварительной оценки эффективности статистического алгоритма селекции и распознавания целей В статистических алгоритмах распознавания описание классов объектов задается функциями правдоподобия которые в общем случае представляют собой

многомерные плотности вероятностей Выбранные признаки представляют собой компоненты ортогонального базиса в виде финитных гармонических функций Поэтому Ж^ЩПь) можно представить функциями с разделяющимися переменными, при этом принято, что плотность вероятности значений признаков описывается законом Гаусса Оценка эффективности системы распознавания производится исходя из определения минимума среднего риска Уравнение для нахождения решающих границ выражается через отношение правдоподобия. В работе проведены расчеты, позволяющие для классов бронетанковой техники (класс 1) и грузовых автомобилей (класс 2) найти решающие границы в признаковом пространстве, и оценить ошибки распознавания Ошибки в распознавании оцениваются условными вероятностями ошибочного отнесения объектов класса 1 к классу 2 и объектов класса 2 к классу 1

При разработке пеленгационных ОЭС, используемых для наведения на протяженные объекты, важной задачей является оценка предельных дальностей, на которых возможно обнаружение, селекция и распознавание целей Эта задача рассмотрена на примере наведения управляемого оружия на цели в виде орбитальных космических аппаратов (ОКА) При наведении на такие объекты должны приниматься решения, которые зависят от априори выбранной стратегии относительно типа ОКА Поэтому на конечном участке наведения пеленгатор должен выполнять задачи распознавания типов объектов Рассмотрены четыре типа ОКА, для которых на основе разработанных математических моделей излучения, проведен анализ признаков распознавания Показано, что наиболее существенными являются признаки, которые содержатся в видимом диапазоне длин волн излучения В качестве признаков распознавания предложено использовать нормированные коэффициенты разложения функции, описывающей пространственное распределение яркости таких объектов, в базисе финитных гармонических функций, определенных в пределах габаритных размеров этих изображений Значение этих признаков определяются соотношением

Для определения рабочего словаря признаков проведен анализ этих коэффициентов и выявлены те из них, которые имеют наибольшие отличия для различных классов объектов Чем больше размерность признакового пространства, тем более высокая эффективность распознавания может быть достигнута Но, с другой стороны, при увеличении размерности признакового пространства возрастает сложность алгоритмов анализа признаков Поэтому нужен компромисс между требуемой эффективностью распознавания и размерностью признакового пространства Амплитуда спектральных составляющих разложения (6) может быстро убывать при увеличении номера гармоник, поэтому использование в качестве признаков высокочастотных составляющих может быть эффективным на относительно небольших дальностях до целей В работе проведен анализ признаков распознавания 4-х ОКА с учетом эффектов пространственной дискретизации изображений этих объектов Определены значения дальностей до целей, при которых изображения каждого из 4-х объектов вписывались в пределах 10x10 пикселей, 15x15 пикселей и 20x20 пикселей матричного ПИ Рассчитаны сечения ПЧХ 4-х объектов для различных дальностей, из анализа которых определен диапазон дальностей до объектов, при котором признаки распознавания в виде коэффициентов разложения становятся устойчивыми, т е обладают достаточными разделительными свойствами в условиях дискретизации оптических сигналов Выведены математические соотношения, позволяющие рассчитать функции правдоподобия при наличии аддитивного шума приемного тракта и помех пространственной дискретизации изображения в матричном ПИ Получены также математические выражения для сигнала и помех В качестве примера приведены результаты расчета вероятностей правильного распознавания 4-х ОКА на границе освещенной и теневой области траектории

Таким образом, в третьей главе предложено в качестве признаков селекции и распознавания протяженных целей использовать коэффициенты разложения изображения в базисе финитных гармонических функций Разработана методика выбора рабочего словаря признаков для селекции и распознавания протяженных целей на пространственно равномерном фоне Предложена методика предварительной оценки эффективности статистических алгоритмов селекции и распознавания протяженных целей Разработана методика оценки предельных дальностей пеленгации протяженных целей

Четвертая глава посвящена рассмотрению алгоритмов селекции и распознавания целей на сложном пространственно неравномерном фоне Изложена постановка задачи селекции и распознавания на сложном фоне Подход к разработке математических моделей сигналов от протяженных целей и фонов зависит от объема имеющейся априорной информации о реальных характеристиках излучения

В качестве основы для синтеза алгоритмов, обеспечивающих надежную селекцию протяженных целей, был использован, так называемый, корреляционно-экстремальный метод В диссертации выведены математические соотношения, описывающие реализацию этого алгоритма селекции, и выполнены исследования Известно, что основным недостатком корреляционного метода является необходимость большого объема памяти для хранения эталонного образа объекта и значительные ресурсы для реализации вычисления корреляционного интеграла Для исключения этого недостатка требуется создать некоторый образ цели - эталон, который бы содержал в себе минимально необходимую информацию, но не требовал бы для своего описания большого объема памяти Было предложено использовать процедуру сжатия эталонных изображений, которая заключается в представлении этих изображений в виде разложения в базисе финитных гармонических функций и ограничении описания некоторым конечным числом ряда Задача сжатия эталонного изображения заключается в выборе таких коэффициентов разложения Хт, т = 0,М, п = при использовании

которых будет эффективно работать корреляционный алгоритм Для определения достаточной размерности признакового пространства можно варьировать значениями шага дискретизации Г и Ту Показано, что при

уменьшении размерности массива изображения примерно в 20 раз эффективность селекции практически не ухудшалась

Для синтеза алгоритмов пеленгации целей в условиях пространственно неравномерного фона в работе использован многовариантный анализ на основе математического моделирования процесса преобразования сигналов в оптико-электронном тракте пеленгатора Проведен анализ эффективности алгоритмов пеленгации объектов на конкретном примере наведения ЛА на опоры моста, наблюдаемого на некотором пейзаже городского типа Размерность исходного двухмерного массива изображения, которое регистрировалось в ОЭС, составляла 450 х 450 пикселей при числе уровней квантования, равном 256 В процессе исследования были использованы различные способы предварительной линейной фильтрации изображения, высокочастотной и низкочастотной Ни один из этих методов не дал положительного результата Поэтому был проведен анализ нелинейных методов обработки сигналов Предложено на этапе предварительной обработки изображения использовать метод гистограммной обработки, с последующей линейной фильтрацией Полученные в процессе анализа результаты свидетельствуют о том, что использование на этапе предварительной обработки изображений гистограммного метода позволяет обеспечить надежную селекцию целей на пространственно неравномерном фоне

В реальных условиях пеленгации уровень яркости объектов и фона может меняться в больших пределах, поэтому в работе проведен синтез ал-

горитмов пеленгации целей инвариантных к уровням яркости пространства предметов Предложен алгоритм, заключающийся в нормализации гистограмм изображений Нормализация заключается в приведении гистограмм зарегистрированных изображений к некоторому стандартному, нормализованному виду Минимально необходимым условием такой нормализации является одинаковое значение оценок математических ожиданий этих гистограмм изображений, зарегистрированных при различных условиях освещенности В процессе гистограммной обработки решалось две задачи смещение гистограмм изображений пейзажей для исключения вариаций освещенности объектов при их регистрации, вторая - в уменьшении диапазона градаций для исключения резких перепадов в фоновых областях пейзажа

Разработана методика оценки эффективности модифицированного корреляционного алгоритма пеленгации, которая характеризуется такими показателями, как вероятность правильной селекции цели и СКО погрешностей оценки ее координат Приведены результаты математического моделирования значений показателей эффективности пеленгации, которые подтверждают надежность предложенного алгоритма пеленгации цели на сложном пространственно неравномерном фоне и изменяющихся условиях регистрации изображения

Таким образом, в четвертой главе предложен модифицированный корреляционный алгоритм для селекции целей на пространственно неравномерном фоне, и разработана методика оценки эффективности пеленгации целей на основе модифицированного корреляционного алгоритма

З.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

На основании обобщения трудов отечественных и зарубежных авторов, а также исследований, проведенных в диссертации, решена важна научно-техническая задача - разработаны алгоритмы обработки сигналов, обеспечивающие надежную пеленгацию малоразмерных и протяженных целей в различных фоновых ситуациях, позволяющие использовать их при проектировании оптико-электронных пеленгаторов нового поколения

Основные научные и практические результаты диссертации

заключаются в следующем:

1 Определена целевая функция проектирования комплекса средств пеленгации, устанавливающая связь основного показателя качества комплекса в виде вероятности выполнения поставленной задачи с частными показателями эффективности алгоритмов пеленгации Эта целевая функция позволяет в процессе проектирования комплекса на функционально-логическом уровне определить оптимальное соотношение значений пока-

зателей эффективности алгоритмов обнаружения, селекции и оценки координат целей

2 Предложен модифицированный корреляционный алгоритм для селекции целей на пространственно неравномерном фоне, включающий операции гистограммной обработки изображений и последующей линейной фильтрации Алгоритм позволяет минимизировать объем информации для хранения эталонного образа объекта и обеспечить эффективную селекцию целей в условиях изменяющегося уровня яркости в пространстве предметов

3 Разработана методика оценки эффективности пеленгации протяженных целей на основе модифицированного корреляционного алгоритма в условиях изменяющегося пространственно неравномерного фона

4 Разработана методика оценки эффективности статистических алгоритмов селекции и распознавания протяженных целей на основе рабочего словаря признаков в виде коэффициентов разложения в базисе финитных гармонических функций

5 Разработана методика оценки предельных дальностей пеленгации протяженных целей с использованием признаков, инвариантных к масштабу, позволяющая учесть влияние эффектов пространственной дискретизации изображений

6 На основании обзора литературных источников и проведенных исследований предложена классификация ОЭ пеленгаторов

7 Полученные теоретические результаты подтверждены методами математического моделирования в процессе вычислительных экспериментов с реальными изображениями

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1) Савинков В В Алгоритм обработки сигналов при селекции объектов на сложном пространственно неравномерном фоне // Студенческая научная конференция-2002 Материалы докладов студенческой научной конференции -М МГТУим НЭ Баумана, 2002 г - С 223-224

2) Колючкин В Я, Савинков В В Алгоритмы обработки сигналов при селекции объектов на пространственно неравномерном фоне // Вестник МГТУ Приборостроение -2004 -№3(56) - С 12-20

3) Колючкин В Я, Савинков В В Алгоритмы селекции объектов на пространственно неравномерном фоне // VI Международная конференция «Прикладная оптика» Сборник трудов, Оптическое приборостроение — С -Петербург, 2004, т 3 - С 282-286

Подписано к печати 26 09 07 Заказ № 671 Объем 1,0 печ л Тираж 100 экз Типография МГТУ им Н Э Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул , д 5 263-62-01

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Обоснование требований к техническим характеристикам оптико-электронных пеленгаторов

1.1. Классификация оптико-электронных пеленгаторов

1.2. Математическая модель комплекса средств пеленгации

1.2.1. Структурная схема комплекса средств пеленгации целей

1.2.2. Математические модели источников сигналов на функционально-логическом уровне проектирования

Математические модели излучения целей

Математические модели излучения фонов

1.2.3. Математическая модель информационной системы комплекса средств пеленгации

1.3. Целевая функция проектирования комплекса средств пеленга- 32 ции

Выводы к главе

Глава 2. Алгоритмы обработки сигналов при пеленгации малоразмерных целей

2.1. Математические модели пеленгационных ОЭС

2.1.1. Математические модели малоразмерных целей

2.1.2. Математические модели тракта первичной обработки сигналов в пеленгационных ОЭС

2.1.3. Анализ алгоритмов нелинейной обработки сигналов в задачах пеленгации малоразмерных целей

Фильтрация с вычитанием

Медианная фильтрация

Гистограммная обработка

Сегментация изображений

2.2. Обзор алгоритмов вторичной обработки сигналов в пеленгационных ОЭС

2.2.1. Оптимальные алгоритмы обнаружения малоразмерных целей

2.2.2. Алгоритмы измерения координат малоразмерных целей 69 Оценка координат по критерию максимального правдоподобия 69 Оценка координат по критерию Байеса 71 Анализ алгоритмов обнаружения-измерения параметров траектории движения целей

2.2.3. Анализ алгоритмов селекции малоразмерных объектов 75 Выводы к главе

Глава 3. Алгоритмы обработки сигналов при пеленгации протяжённых целей на пространственно равномерном фоне

3.1. Постановка задачи обработки сигналов при пеленгации протяжённых целей

3.2. Обзор методов селекции и распознавания целей

3.3. Методика оценки эффективности алгоритмов селекции и распознавания целей

3.3.1. Методика выбора словаря признаков

3.3.2. Методика предварительной оценки эффективности статистического алгоритма селекции и распознавания целей

3.4. Методика оценки дальности пеленгации протяжённых целей 109 Выводы к главе

Глава 4. Алгоритм селекции и распознавания на сложном пространственно неравномерном фоне

4.1. Постановка задачи селекции и распознавания на сложном про- 128 странственно неравномерном фоне

4.2. Описание корреляционного алгоритма пеленгации целей

4.3. Анализ эффективности алгоритмов пеленгации целей на основе 134 корреляционного метода

4.3.1. Анализ алгоритмов линейной обработки сигналов

4.3.2. Анализ алгоритмов нелинейной обработки сигналов

4.3.3. Синтез алгоритмов пеленгации целей инвариантных к уровням яркости пространства предметов

4.3.4. Методика оценки эффективности модифицированного корреляционного алгоритма пеленгации

Выводы к главе

Оптико-электронные (ОЭ) пеленгаторы предназначены для поиска и обнаружения объектов, а также измерения угловых координат этих объектов [3]. Существует ряд задач хозяйственного и оборонного значения, для решения которых используются ОЭ пеленгаторы. Достоинством ОЭ пеленгаторов является высокая точность и скрытность действия, та как в основном эти приборы являются пассивными. Первоначально ОЭ пеленгаторы использовались для поиска, обнаружения, селекции и измерения угловых координат воздушных объектов, наблюдаемых на значительных дальностях, когда угловые размеры объектов не превышают мгновенного углового поля этих приборов. В настоящее время область применения приборов этого типа значительно расширилась, и ОЭ пеленгаторы используются для селекции и измерения протяжённых объектов, перед пеленгаторами ставятся задачи не только селекции, но также распознавания образов объектов.

Прогресс в области разработки ОЭ пеленгаторов обусловлен совершенствованием элементной базы, в том числе матричных приёмников, обладающих высокими пороговыми характеристиками, а также мощных бортовых цифровых систем обработки информации [33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41]. В связи с этим одной из главных задач, которые должны решать при создании новых образцов ОЭ пеленгаторов, является разработка алгоритмов цифровой обработки сигналов, которые обеспечивали надёжное выделение полезной информации об объектах в условиях действия как внешних, так и внутренних помех.

Вопросами разработки алгоритмов обработки пеленгационных сигналов в нашей стране и за рубежом уделяется большое внимание, им посвящены работы российских и зарубежных учёных B.JI. Лёвшина, A.JI. Горелика, В.Я. Колючкина, Б.Р. Левина, Л.Ф. Порьфирьева, Г.М. Мосягина, В.И. Тихонова,

И.Б. Фёдорова, П.С. Акимова, Ю.Г .Якушенкова, П.А. Бакута, Т. Хуанга, К. Г. Дейвида и др.

Как показал анализ литературных источников [1, 5, 6, 12, 18, 19, 33, 40], целый ряд вопросов, связанных с устойчивостью алгоритмов селекции и распознавания объектов на сложных фонах, а также влиянием факторов априорной неопределённости в настоящее время пока не решены. При этом важным для успешного решения этих задач является выбор признаков селекции и распознавания, устойчивых к изменяющимся условиям регистрации.

Кроме того, для проектирования ОЭ пеленгаторов и, в частности, разработки алгоритмов обработки сигналов, необходимо обосновать перечень и значения показателей качества приборов этого типа. В работах Колючкина В.Я. предложено решать такие задачи, на основе блочно-иерархического подхода к проектированию на функционально-логическом уровне проектирования. Но применительно к ОЭ пеленгаторам сформулированная задача не решена.

В связи с изложенным можно констатировать, что тема диссертации, посвященной разработке алгоритмов обработки сигналов в ОЭ пеленгаторах, является актуальной.

Целью работы является разработка алгоритмов обработки сигналов, обеспечивающих надёжную пеленгацию малоразмерных и протяжённых целей в различных фоновых ситуациях.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Анализ особенностей алгоритмов обработки сигналов в ОЭ пеленгаторах, включающих анализ математических моделей излучения целей и фонов, а также математическую модель информационной системы комплекса средств пеленгации и целевую функцию проектирования.

2. Разработка методики обоснования технических требований к ОЭ пеленгаторам, как составной части комплекса, на основе анализа целевой функции проектирования комплекса средств пеленгации.

3. Разработка и исследование алгоритмов линейной и нелинейной обработки сигналов при пеленгации малоразмерных целей.

4. Анализ и разработка алгоритмов обработки сигналов при пеленгации протяжённых целей на пространственно-равномерном фоне. Методика выбора словаря признаков и оценка эффективности алгоритмов селекции и распознавания целей. Предварительная оценка эффективности статистического алгоритма селекции и распознавания целей и дальности пеленгации протяжённых объектов.

5. Разработка алгоритмов селекции и распознавания протяжённых целей на пространственно-неравномерном фоне. Описание корреляционного алгоритма пеленгации и анализ его эффективности. Синтез алгоритмов пеленгации целей инвариантных к уровням яркости пространства предметов. Методика оценки эффективности модифицированного корреляционного алгоритма пеленгации.

6. Подтверждение теоретических исследований методами математического моделирования в процессе вычислительных экспериментов с реальными изображениями целей.

7. Внедрение полученных результатов в практику проектирования ОЭ пеленгационных комплексов и в учебный процесс.

Существо диссертационной работы изложено в пяти ниже следующих главах, а в заключении приведены основные результаты.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Определена целевая функция проектирования комплекса средств пеленгации, устанавливающая связь основного показателя качества комплекса в виде вероятности выполнения поставленной задачи с частными показателями эффективности алгоритмов пеленгации. Эта целевая функция позволяет в процессе проектирования комплекса на функционально-логическом уровне определить оптимальное соотношение значений показателей эффективности алгоритмов обнаружения, селекции и оценки координат целей.

2. Предложен модифицированный корреляционный алгоритм для селекции целей на пространственно неравномерном фоне, включающий операции гистограммной обработки изображений и последующей линейной фильтрации. Алгоритм позволяет минимизировать объём информации для хранения эталонного образа объекта и обеспечить эффективную селекцию целей в условиях изменяющегося уровня яркости в пространстве предметов.

3. Разработана методика оценки эффективности пеленгации протяжённых целей на основе модифицированного корреляционного алгоритма в условиях изменяющегося пространственно неравномерного фона.

4. Разработана методика оценки эффективности статистических алгоритмов селекции и распознавания протяжённых целей на основе рабочего словаря признаков в виде коэффициентов разложения в базисе финитных гармонических функций.

5. Разработана методика оценки предельных дальностей пеленгации протяжённых целей с использованием признаков, инвариантных к масштабу, позволяющая учесть влияние эффектов пространственной дискретизации изображений.

6. На основании обзора литературных источников и проведённых исследований предложена классификация ОЭ пеленгаторов.

7. Полученные теоретические результаты подтверждены методами математического моделирования в процессе вычислительных экспериментов с реальными изображениями.

Результаты диссертационной работы использованы на предприятии АОЗТ «Точмаш» и опубликованы в двух научных изданиях.

1.J1. Горелик, Ю.Л. Барабаш, О.Е. Кривошеев, С.С. Эпштейн; Под ред.

2. A.Л. Горелика М.: Радио и связь, 1990 - 240 е.: ил.

3. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации.- М.: Радио и связь, 1986. — 352 с.

4. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения: Учебник для технических вузов — 5-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1989-512с.: ил.

5. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники — 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1989 656 е.: ил.

6. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов- Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1989-387с.: ил.

7. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов- 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1989 - 360с.: ил.

8. Левшин В.Л. Пространственная фильтрация в оптических системах пеленгации.-М.: Сов. Радио, 1971.-200 е.: ил.

9. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1982. — 624с.: ил.

10. Пороговые фотоприёмники и матрицы ИК-диапазона/ В.Т. Хряпов,

11. B.П. Пономаренко, В.Г. Буткевич и др.// Оптический журнал 1992.- №121. C.33-44.

12. Ерофейчев В.Г., Мирошников М.М. Перспективы использования ИК матриц в тепловидении// Оптический журнал 1997 - Т. 64, №2.- С. 5-12.

13. Колючкин В.Я., Лабуть А.А., Липатов И.В. Целевые функции проектирования пеленгационных оптико-электронных систем // Вестник МГТУ. Приборостроение. 1992.- №2.- С. 93-106.

14. Теория обнаружения сигналов / П.С.Акимов, П. А. Бакут, В.А.Богданович и др.; Под ред. П.А. Бакута- М.: Радио и связь, 1984 440с.

15. Куликов В.И., Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех М.: Советское радио, 1978. - 296с.: ил.

16. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ./ Под ред. Д.С. Лебедева.-М.: Мир, 1982.-Кн.1.- 312 е.: ил.

17. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ./ Под ред. Д.С. Лебедева.- М.: Мир, 1982.-Кн.2 -480 е.: ил.

18. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений/ Т.С.Хуанг, Дж.О.Экмунд, Дж.Нусбаумер и др.; Под ред Т.С.Хуанга: Пер. с англ./ Под ред. И.Н.Компанца.-М.:Радио и связь, 1984.-224 с.

19. Barnett J. Statistical Analysis of median subtraction filtering with application to point target detection in infrared backgrounds // SPIE. Infrared Systems and Components III. - 1989.-Vol. 1050.-P. 10-18.

20. Бакут П.А., Колмогоров Г.С. Методы цифровой обработки изображений // Зарубежная радиоэлектроника 1987 - №10.- С. 25-47.

21. Chow С.К., Kaneko Т. Patten Recognition // Proc. IFPI Congress.- Brooklet, 1972.-P. 130.

22. Бакут П.А., Колмогоров Г.С., Ворновицкий И.Е. Методы сегментации изображения// Зарубежная радиоэлектроника 1987 - №10 — С. 6-24.

23. Chow С.К., Kaneko Т. Patten Recognition // Proc. IFPI Congress.- Brooklet, 1972.-P. 130

24. Nakagawa Y., Rosenfeld A. Patten Recognition// IEEE.- 1979.- V. 11, №3.- P. 191-204.

25. Тихонов В.И. Оптимальный приём сигналов — М.: Радио и связь, 1983 — 320 с.

26. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации-М.: Советское радио, 1974.-432 е.: ил.

27. Башаринов А.Е., Флейшман Б.С. Методы статистического последовательного анализа и их приложения М.: Советское радио, 1962220 с.

28. Дейвид Г. Порядковые статистики/ Пер. с англ. В.А.Егорова, В.Б.Невзорова; Под ред В.В.Петрова. М. Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979 - 336с.

29. Горелик A.JL, Гуревич И.Б., Скрипкин В.А. Современное состояние проблемы распознавания/ Под ред. A.JI. Горелика —М.: Радио и связь, 1985. — 160 с.

30. ФукунагаК. Введение в статистическую теорию распознавания образов: Пер. с англ. / Под ред. А.А. Дорофеюка- М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. 368 е.: ил.

31. Корячко В.П. Теоретические основы САПР: Учебник для вузов / В.П. Корячко, В.М. Курейчик, И.П. Норенков. М: Энергоатомиздат, 1987. - 400 е.: ил.

32. Левшин В.Л. Пространственная фильтрация в оптических системах пеленгации.-М.: Сов. Радио, 1971.-200 е.: ил.

33. Мосягин Г.М., В.Б.Немтинов, Е.Н. Лебедев Теория оптико-электронных систем/ Под ред. Лебедько Е.Г.- М.: Машиностроение, 1990,- 431 с.

34. В.В. Тарасов, Ю.Г. Якушенков Инфракрасные системы «смотрящего типа».- М.: Логос, 2004, -444.с.: илл.

35. Breiter R., Cabanski W., Koch R. et al. Focal plane arrays: MCT, quantum wells, PtSi // SPIE Proc. 1998. - V. 3436. - P. 397 - 406.

36. Cabelli C.A., Cooper D.E;, Haas A. et al. Latest results of HgCdTe 2048x2048 and silicon focal arraus // SPIE Proc. 2000. - V. 4028. - P. 331 - 342.

37. Reine M.B. HgCdTe photodides for IR detection: a review // SPIE Proc. -2001. V. 4288. - P. 266 - 276.

38. Vasilyev I.S., Arutiunov V.A., Nesterov V.K. Design features of IR imaging systems based on IR SB PtSi CCDsintended for medical diagnostics // SPIE Proc. -2001.-V. 4369. P. 371 -392.

39. Goldberg A.C., Fisher Т., Kennerly S.W., et al. Dial band QWIP MWIR/LWIR focal plane test results // SPIE Proc. 2001. - V. 4372 - P. 105 - 113.

40. B.B. Тарасов, Ю.Г. Якушенков Двух- и много диапазонные оптико-электронные системы с матричными приёмниками излучения.- М.: Логос, 2007, -192.е.: илл.

41. Smith M.I., Heather J.R. Review of image fusion technology in 2005 // SPIE Proc. 2005. - V. 5782. - P. 239 - 256.

42. Bandara S.V., Gunapala S.D., Liu J.K. et al. Large format, broadbant and multicolor CaAs/AlGaAs quantum well infrared photodetector (QWIP) focal plane arrays // SPIE Proc. 2001. - V. 4454. - P. 30 - 39.