автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование и разработка многофункционального оптико-электронного средства наблюдения и разведки

На правах рукописи

Студитский Александр Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО СРЕДСТВА НАБЛЮДЕНИЯ И РАЗВЕДКИ

Специальность 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2013

2 6 СЕН 2013

005533810

Работа выполнена в ЗАО «НИИ Интроскопии МНПО «Спектр», г. Москва

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор Ковалев Алексей Васильевич

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Бобров Владимир Тимофеевич

Кандидат технических наук Эпинатьев Игорь Даниилович

Ведущая организация

ООО «Таск-Т»

Защита состоится 16 октября 2013 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.520.010.01 при ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «Спектр» по адресу : 119048, г.Москва, ул.Усачева 35, строение 1.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим направлять по указанному выше адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр».

Автореферат разослан 12 сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д520.010.01 доктор технических наук, профессор

Кузелев Н.Р.

1. Общая характеристика работы

Актуальность

Терроризм представляет собой один из определяющих признаков современной жизни. Жертвами терактов становятся государственные учреждения, служащие, гражданские лица. В России основным источником террористической угрозы являются республики Северного Кавказа, где по некоторым оценкам находят убежище до 5000 исламистских боевиков, ведущих по сути партизанскую войну против представителей правоохранительных органов и гражданского населения России. За последние четыре года с 2009 по 2012 включительно в регионе по официальным данным погиб 861 сотрудник правоохранительных органов и свыше 2000 получили ранения, при этом в ходе спецопераций федеральными силами ликвидировано и задержано 1574 и 1938 боевиков соответственно. Особое внимание к этой проблеме связано с будущими международными спортивными событиями: зимними Олимпийскими играми в Сочи в 2014 году и чемпионатом мира по футболу в 2018.

Эффективность контртеррористических мероприятий напрямую зависит от достоверности и своевременности получаемой информации о расположении, количестве и оснащении участников бандформирований. Многие спецоперации происходят на пересеченной местности — в горах, лесу; в разное время суток и при различной погоде. В этих условиях основным средством получения разведывательной информация для принятия адекватных мер противодействия угрозе являются оптико-элекронные средства (ОЭС) наблюдения и разведки.

Полнота и точность информации — основа для принятия адекватных решений. В быстро меняющихся условиях к ним добавляется еще одно требование — скорость. Активная фаза проведения полицейских операций часто измеряется минутами, а стоимость ошибочных решений — потерянными жизнями. В таких ситуациях переоценить важность своевременного получения максимально подробной и релевантной информации невозможно.

Важнейшим элементом разведывательной деятельности является использование технических средств разведки, существенно расширяющих возможности человека в восприятии текущей ситуации. Настоящая работа посвящена оптико-электронным наблюдательным средствам, в частности, разработке высокоинформативных наблюдательных комплексов и методам повышения достоверности выявления объектов и точности определения их характеристик.

Анализ существующих ОЭС показывает наличие практически подкрепленного интереса к таким направлениям развития средств наблюдения и разведки, как комплексирование методов и повышение степени интеграции от отдельных дискретных приборов к многоканальным системам сбора данных с единым центром обработки и представления информации. При этом, как показывает сравнительный анализ, существующие отечественные образцы интегрированных многоканальных наблюдательных комплексов значительно уступают зарубежным аналогам.

В связи с проводимым в последние годы ограничением на допуск иностранных производителей к выполнению поставок по государственному оборонному заказу задача создания отечественной современной высокоэффективной наблюдательной аппаратуры особенно актуальна.

Цель работы

Разработка высокоэффективного многофункционального оптико-электронного средства наблюдения и целеуказания автомобильного базирования, предназначенного для обнаружения людей и транспортных средств на дистанции до 500 метров в круглосуточном режиме в широком диапазоне внешних условий, характерных для центральных и южных

регионов России.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- Исследование критериев оценки эффективности ОЭС, их достоинств, недостатков и

условий применимости. Определение основных внешних факторов, влияющих на вероятность различения наземных целей, и способов учета их влияния при оценке и прогнозировании обнаружительных характеристик ОЭС в реальных условиях.

- Поиск способов повышения эффективности ОЭС за счет интеграции в единую

физическую и информационную систему комплекса различных сенсоров.

- Исследование и разработка методических, алгоритмических и технических решений,

направленных на повышение вероятности обнаружения и точности определения координат целей.

- Анализ существующих оптико-электронных наблюдательных комплексов, их основных

компонентов, технических характеристик, возможностей и ограничений.

- Разработка современного оптико-электронного разведывательного комплекса.

Практическая апробация отдельных технических решений, применяемых при создании комплекса.

Научная новизна

На основании теоретического исследования предложена система коэффициентов для оценки обнаружительной способности тепловизионных и оптико-электронных наблюдательных средств в дневное и ночное время, применительно к задаче обнаружения наземных целей типа «человек» и «транспортное средство».

Определены оптимальные схемы интеграции оптико-электронных каналов в составе наблюдательного комплекса для обеспечения сбалансированных показателей обнаружительной способности, универсальности и удобства наблюдения.

Обоснован выбор тепловизионного и видимого каналов в качестве основы наблюдательной системы как взаимодополняющих по функциональным возможностям и взаимно компенсирующих ограничения по эффективности использования в различных внешних условиях.

Практическая значимость работы

Приведены факторы, требующие учета при определении вероятности различения наземных целей в реальных условиях использования наблюдательных средств.

Определены основные задачи по повышению эффективности многоканальных наблюдательных систем за счет повышения степени физической и информационной интеграции оптико-электронных и измерительных каналов.

На основе рассмотренных схем интеграции информационных каналов созданы многоканальные наблюдательные системы для технического оснащения оперативных подразделений МВД и ФСБ РФ.

Разработан универсальный оптико-электронный комплекс наблюдения и целеуказания автомобильного базирования, предназначенный для обнаружения, идентификации и локализации наземных целей.

Основные положения, выносимые на защиту

Способ учета воздействия внешних факторов при оценке и прогнозировании обнаружительных характеристик оптико-электронных средств в реальных условиях через соответствующие коэффициенты при расчете приведенного критерия различения объекта как величины требуемого разрешения в элементах изображения, укладывающихся на критический размер цели.

Схема интеграции оптико-электронных и измерительных каналов наблюдательного комплекса для обеспечения высокой работоспособности комплекса в широком диапазоне внешних условий и реализации функций обнаружения, идентификации и целеуказания, заключающаяся в повышении уровня физической интеграции и использовании информационной интеграции на уровне выявленных особенностей при возможности достоверного выделения сигнала от цели на общем фоне в одном из каналов.

Структурная схема и практическая реализация в виде опытного образца универсального комплекса наблюдения и целеуказания автомобильного базирования, состоящего из тепловизионного канала с фиксированным полем зрения, видимого канала с переменным полем зрения и навигационной системы, включающей измерительные средства, позволяющие определять собственные координаты наблюдателя, а также относительные и абсолютные координаты обнаруженной цели.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи работы, отражена научная новизна, показана практическая ценность, приведены краткие сведения о содержании работы.

В первой главе рассмотрен вопрос оценки эффективности оптико-электронных наблюдательных систем. На основе литературных источников проведен анализ существующих критериев оценки обнаружительной способности ОЭС по параметрам вероятности обнаружения объекта в зависимости от параметров ОЭС и объекта.

Основной показатель обнаружительной способности наблюдательной системы — максимальная дальность обнаружения/идентификации цели при заданной вероятности и размерах цели определяется по критерию Джонсона. Этот критерий связывает возможность различения объекта заданных размеров с пространственным разрешением изображения этого объекта по числу пар линий минимальной различаемой ширины, укладывающихся на критический (наименьший) размер наблюдаемого объекта (табл. 1).

Таблица 1.

Критерии различения цели.

Уровень различения Разрешение на минимальный размер N50

пар линий ЭОПа телевизионных линий

Обнаружение 1,0±0,25 2,0±0,5

Ориентация 1,4±0,35 2,8±0,7

Распознавание 4,0±0,8 8,0±1,6

Идентификация 6,4±1,5 12,8±3

Приведенные значения, полученные на основе экспериментальных данных, характеризуют 50% вероятность осуществления соответствующего акта различения цели. Для достижения других значений вероятности применяется поправочный коэффициент (табл. 2). Графически зависимость вероятности обнаружения, распознавания и идентификации цели от разрешения выражается кривыми, представленными на рисунке 1.

Таблица 2.

Коэффициенты пересчета критерия Джонсона для разных значений вероятности.

Вероятность 1,0 0,95 0,8 0,5 0,3 0,1 0,02

Коэффициент 3,0 2,0 1,5 1,0 0,75 0,5 0,25

1.0 I---- -——; _________1

0.9-1--2---^^---1

0.8 !-1-----^----]

07 /Б 7в-----:

0.6 -1--/--у---------------

о.5 —I--4-—-У-------:

0.4 —1--7--А------

о.з —|-Ч-—у------

0.2 1-|-—---------

0.1+—Д/-------1

0.0 -----------

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Рис. 1. Зависимость вероятности обнаружения (А), распознавания (Б) и идентификации (В) объекта от разрешения. Помимо размера профиля цели в реальных условиях на возможность различения влияет множество параметров, относящихся к контролируемой области, самой цели и наблюдателю:

1. Контрольная область

1.1. Размер контрольной области.

1.2. Количество, размер, распределение зон, в которых может находиться цель, в контрольной области.

1.3. Объекты в контрольной области: их количество, форма, яркостный и цветовой контраст, четкость, количество различимых деталей и т.д.

1.4. Распределение объектов по контрольной области.

1.5. Зернистость, шум.

1.6. Общий объем доступной информации.

1.7. Среднее значение яркости или освещенности изображения.

1.8. Контекстные подсказки, указывающие на расположение цели.

2. Цель

2.1. Расположение цели на изображении.

2.2. Расположение цели в контрольной области.

2.3. Форма и профиль цели.

2.4. Размер, цвет, четкость, яркость цели.

2.5. Степень отделения от фона и прочих объектов.

3. Наблюдатель

3.1. Тренированность.

3.2. Опыт.

3.3. Врожденные качества.

3.4. Инструктаж и постановка задачи.

3.5. Поисковые привычки.

3.6. Мотивация.

3.7. Компромисс между скоростью поиска и точностью.

/ А / ]

/

/ / / I

/ / Б /в

/ / /

/ / /

/ /

/ /

1 / /

!

3.8. Предположения.

Наиболее распространенный и сильно влияющий на возможность обнаружения цели фактор — неравномерность фона. Для оценки степени неравномерности фона применительно к задаче различения объектов обычно применяют следующую формулу:

N

clutter* (V а\/Ю г (1)

1

где, о, - стандартное отклонение яркости i-й ячейки и N — количество смежных ячеек в области; ячейка определена как квадрат со стороной равной двум критическим размерам цели.

Формула дает большие значения неравномерности (clutter) для субъективно более сложных и неравномерных сцен, учитывая яркость артефактов фона, их пространственные характеристики и схожесть размеров с размером цели, что соответствует интуитивному представлению о сложности выделения цели среди артефактов схожих размеров и согласуется с экспериментальными данными.

Для трех уровней неравномерности фона и различных значений вероятности обнаружения объекта требуемое разрешение в парах линий на критический размер приведено в таблице 3.

Таблица 3.

Влияние неравномерности фона на требуемое для обнаружения цели разрешение.

Вероятность обнаружения Неравномерность

низкая средняя высокая

1,0 1,7 2,8 -

0,95 1,0 1,9 -

0,9 0,9 1,7 7,0

0,8 0,75 1,3 5,0

0,5 0,5 1,0 2,5

0,3 0,3 0,75 2,0

Из этих данных видно, что требуемое разрешение для обеспечения 50%-ной вероятности обнаружения цели в зависимости от свойств фона меняется в 5 раз — от 0,5 до 2,5 пар линий на наименьший размер цели. Для 90%-ной вероятности требования к разрешению меняются почти на порядок, более высокой вероятности обнаружения цели в условиях сильно неравномерного фона добиться вообще оказалось невозможно.

Аналогичные исследования проведенные для определения степени влияния характеристик цели (ориентация, контраст по отношению к фону, маскировочная раскраска и т.п.) показали, что при неблагоприятных условиях (непривычный ракурс, низкий контраст, маскирующая раскраска) для различения объекта может потребоваться втрое большее разрешение, чем указывается в базовом критерии Джонсона.

На рисунке 2 приведены тепловизионные изображения человека и автомобиля в условиях равномерного и неравномерного фона на дистанциях обнаружения и идентификации, рассчитанных по формуле

г

"мГ (2)

где Ь - предельная дальность различения, Р — фокусное расстояние объектива, — критический размер цели, N — значение критерия Джонсона, а — размер единичного

элемента изображения.

а. обнаружение

б. идентификация

в. контрольные видимые изображения на дистанции идентификации Рис. 2. Телевизионные изображения человека и автомобиля на расчетной дистанции обнаружения и идентификации в условиях равномерного (слева) и неравномерного (справа)

температурного фона.

Предлагается для учета влияния неравномерности фона и характеристик цели вводить для расчета критерия различения цели в реальных условиях поправочные коэффициенты, принимающие следующие значения: Для тепловизионных систем: - коэффициент неравномерности фона днем в ясную погоду (средняя неравномерность) — К„=2,0;

- коэффициент неравномерности фона в ночное время и/или в пасмурную погоду

(низкая неравномерность) — К„ =1,0;

- коэффициент особенностей цели (отсутствие тепловой маскировки) — К>=1,0.

Для систем, работающих в видимом диапазоне:

- коэффициент неравномерности фона (средняя неравномерность) — К„=2,0;

- коэффициент особенностей цели (наличие визуальной маскировки) — К>=2,0.

Итоговая форма для расчета критерия различения объектов в реальных условиях,

основывающаяся на базовом критерии Джонсона и включающая поправочные коэффициенты, учитывающие вероятность различения цели, неравномерность фона и особенности цели имеет вид:

КР=Ы>„К„КК. (3)

где, Кр — критерий различения цели, N50 — базовое значение критерия Джонсона для данного уровня восприятия при вероятности 50%, К„ — коэффициент учета неравномерности фона, К» — коэффициент учета особенностей цели, К, — коэффициент вероятности.

Во второй главе, посвященной мультисенсорной интеграции, рассматриваются теоретические основы создания комплексных систем и их практическая реализация в виде многоканальных наблюдательных систем. Анализируются различные схемы физической и информационной интеграции сенсоров, условия применения тех или иных схем интеграции, преимущества многоканальных интегрированных систем по сравнению с отдельными одноканальными наблюдательными приборами, а также комбинациями отдельных приборов, за счет системного эффекта. Показаны примеры многоканальных наблюдательных ОЭС, созданных с использованием рассмотренных схем интеграции в НИИИН МНПО «Спектр» и НПЦ «Спектр-АТ».

Одно из перспективных направлений повышения эффективности наблюдательных систем состоит в комплексном подходе к сбору и обработке данных с разных источников.

Степень иитеграции различных источников информации и соответствующих функций взаимодействия могут различаться от полностью автономной работы, когда нет ни физического, ни функционального объединения, ни объединения на уровне получаемых данных, до полностью взаимосвязанной системы, объединяющей различные сенсоры, потоки данных, режимы работы и обработки информации.

Преимущества интеграции сенсоров на физическом и информационном уровне выражаются в уменьшении габаритов, снижении энергопотребления и стоимости за счет совместного использования отдельных модулей, повышении отказоустойчивости и надежности системы. Совместная обработка информации с разных сенсоров также позволяет повысить обнаружительные способности системы по сравнению с раздельным использованием дискретных приборов на тех же сенсорах.

Потребность в интеграции нескольких информационных каналов возникает по следующим причинам:

1. Отдельные сенсоры не обладают всеми необходимыми функциями или достижение

требуемого функционала сопряжено с чрезмерным увеличением стоимости, массы,

требуемым обслуживанием, снижением надежности и т.п.

2. Отдельные сенсоры не обеспечивают все требуемые функции во всем диапазоне

условий использования. Например, эффективность некоторых датчиков снижается при

низком освещении, атмосферных помехах и т.п.

3. Многоканальная система обеспечивает достаточную эффективность в случае отказа

отдельных компонентов.

4. Многоканальная система меньше подвержена влиянию средств противодействия.

5. Несколько сенсоров одинаковой функциональности показывают большую

эффективность за счет взаимной компенсации случайных ошибок.

Обычно целью интеграции отдельных сенсоров в многоканальную систему является повышение способности обнаружения, идентификации и отслеживания целей за счет комбинации данных, полученных с разных сенсоров. Часто многоканальные системы строятся по принципу разделения функций между каналами при котором разные сенсоры используются для разных этапов различения цели — обнаружения, идентификации, локализации и т.п. Так для обнаружения используются сенсоры с широким рабочим полем и низкой специфичностью, а для идентификации — с узким рабочим полем и высоким разрешением. При этом выходные данные с одного сенсора используются как наводящая информация для другого.

Интеграция данных с разных каналов может производиться на разных этапах обработки информации (рис. 3).

Первый уровень — интеграция на этапе регистрации (pixel level fusion). В этом варианте необработанные данные с сенсоров сразу поступают в процессор совместной обработки для обнаружения цели, выделения характерных особенностей и классификации. Таким образом удается избежать любых потерь информации, возникающих при последующей обработке.

Второй уровень — интеграция данных после выделения характерных особенностей, определяющих параметры цели (feature level fusion). На этом этапе из данных каждого сенсора предварительно выделена информация об обнаружении и характерных особенностях цели. Информация об особенностях цели с каждого сенсора поступает в процессор совместной обработки для классификации цели.

Третий уровень — интеграция на уровне принятия решений (decision level fusion). На уровне отдельных каналов проведена обработка по обнаружению, выделению особенностей цели и первичная классификация цели. Предварительные данные о типе цели с каждого канала поступают в процессор совместной обработки для принятия окончательного решения по идентификации цели.

классификация

и

| Ьыделение особенностей ~| | интеграция (1 уробень) ~1

ГсП ГгЛ Га]

классификация | | интеграция 13 уройень)

| интеграция 12 уробень) \ ГвЩ I В02 | | ВОЗ |

ш ci

do

а

I К1 | |К2

I В011 | В02 |

С2

Рис. 3. Архитектура схем интеграции, а. интеграция первого уровня ( pixel level), б. интеграция второго уровня (feature level), в. интеграция третьего уровня (decision level).

Сокращения: С1...СЗ — сенсоры, В01...В03 — блоки выделения особенностей, К1...КЗ —

блоки классификации.

Интеграция на уровне характерных особенностей рекомендована для схожих информационных каналов, объединенных физически в одном приборе. Интеграция на уровне принятия решений больше подходит для значительно различающихся по представлению данных сенсоров и/или пространственно разнесенных сенсоров.

В наблюдательных системах часто используется комбинация тепловизионного и видимого каналов. Эти каналы, являясь по многим параметрам взаимодополняющими, при объединении в согласованную наблюдательную систему позволяют повысить ее эффективность и расширить границы применимости (табл. 4).

Таблица 4.

Сравнение особенностей тепловизионного и видимого каналов._

Критерий оценки тепловизор видеокамера

Предпочтительное время суток ночь день

Тип регистрируемого излучения собственное отраженное

Рабочая длина волны 7-14 мкм 0,4 — 0,9 мкм

Способность обнаружения замаскированных целей высокая низкая

Способность идентификации целей низкая высокая

Невосприимчивость к атмосферным помехам высокая низкая

а. б.

Рис.4. Двухканальные наблюдательные тепловизоры «ТН-4604МП» (а) и «Скат-2» (б).

Таблица 5.

Характеристики двухканальных наблюдательных тепловизоров._

№ Параметр ТН-4604МП Скат-2

1 Формат приемника 320x240 320x240

2 Температурная чувствительность 0,12° 0,12°

3 Поле зрения с базовым объективом 18°х15° 12°х9°

4 Дальность обнаружения РФЧ 300 м 450 м

5 Время работы до 3 ч до 4 ч

6 Масса 3,5 кг 2,2 кг

7 Габаритные размеры 290x170x170 мм 300x130x155 мм

Примером подобных двухканальных наблюдательных систем с тепловизионным и видимым каналом являются приборы «ТН-4604МП» и «Скат-2» (рис. 4)

Тепловизионный канал обеспечивает обнаружение теплоизлучающих целей на большой дистанции независимо от атмосферных помех и освещенности, а видимый канал позволяет с большей вероятностью правильно идентифицировать цели и вести наблюдение при высокой

естественной освещенности.

Для тепловизора и видеокамеры, объединенных физически в одном приборе, как для схожих сенсоров подходит вариант интеграции данных на уровне особенностей. В соответствии с этой схемой на тепловизионном изображении выделяются данные, характерные для искомой цели, обычно это области повышенной температуры, и интегрируются в изображение, получаемое с видеокамеры. Итоговый сигнал содержит изображение фона, полученное с видеокамеры и наложенное на него изображение цели.

Рис. 5 Наложение тепловизионного изображения на видимое.

Тепловизор, имея хорошие показатели по дальности/вероятности обнаружения целей, гораздо хуже справляется с задачей идентификации, которую целесообразно возложить на видеоканал. Задача идентификации требует на порядок более высокого разрешения, чем обнаружение, следовательно требуется сужать поле зрения видимого канала для обеспечения более высокого разрешения на той же дистанции, на которой тепловизор обеспечивает обнаружение цели. На практике для этого видимый канал, входящий в наблюдательную систему, оснащают трансфокатором. Это позволяет как устанавливать одинаковое с тепловизором поле зрения для визуальной привязки обнаруживаемого объекта, так и увеличивать видимое изображение объекта для его идентификации.

Пример такой системы — стационарная наблюдательная система «Спектр-2» (рис. 6), состоящая из тепловизора с фиксированным полем зрения 9°х6,6° и видеокамеры с переменным полем зрения от 45° до 2,0° по горизонтали. Изображения с обоих каналов выводятся параллельно на два дисплея, позволяя одновременно обнаруживать цели в широком поле зрения тепловизора и получать более детальные изображения для идентификации с помощью видеокамеры с большим коэффициентом увеличения.

Рис. 6 Стационарная двухканальная наблюдательная система «Спектр-2»

Таблица 6

Характеристики двухканальной наблюдательной системы «Спектр-2»_

№ Параметр Значение

Тепловизионный канал

1 Формат тепловизионног приемника 320x240

2 Температурная чувствительность 0,1°

3 Поле зрения с базовым объективом 9°хб,6°

4 Дальность обнаружения РФЧ 600 м

Видеокамера

5 Формат камеры 640x480

6 Чувствительность камеры 0,01 лк

7 Поле зрения от 45°х34° до 2,0°х1,5°

8 Оптическое увеличение х25

Общие

9 Напряжение питания 12 В

10 Масса 7,2 кг

11 Габаритные размеры 406x254x533 мм

Другой вариант совмещения информационных каналов реализован в портативных наблюдательных комбинированньгх приборах «Спрут-1» и «Спрут-2» (рис. 7). В приборах этой серии тепловизионный канал используется совместно с лазерным локационным каналом, позволяющим обнаруживать оптические и оптико-электронные средства, ведущие встречное наблюдение на дистанции до 1 км.

Рис. 7. Комбинированные наблюдательные приборы «Спрут» (а) и «Спрут-2» (б).

В стационарной наблюдательной системе «Спектр-4» совмещены 4 информационных канала: тепловизионный, видимый, лазерный локационный и коротковолновый инфракрасный Это позволяет производить всестороннее обследование местности и

получать максимум данных о контролируемой области и обнаруженных объектах. Для исключения потери информации в этой системе не производится интеграция данных, а изображения с каждого канала выводятся на отдельный контрольный дисплей (рис. 8).

Рис. 8. Наблюдательная система «Спектр-4»: а — внешний вид, б — пример изображений.

В третьей главе проведен обзор типов информационных каналов, составляющих основу различных ОЭС, определены их достоинства, недостатки и условия наибольшей эффективности применения в составе многоканального наблюдательного комплекса, также проанализированы существующие образцы многоканальных наблюдательных систем отечественного и зарубежного производства.

Основные задачи, решаемые с помощью средств наблюдения, можно классифицировать по степени повышения сложности на следующие уровни:

- Обнаружение.

- Идентификация.

- Целеуказание.

Обычно последующий уровень задач автоматически включает в себя предыдущие и каждый последующий в общем случае требует лучших характеристик аппаратуры, больших функциональных возможностей, большую вычислительную мощность.

Основой всех оптико-электронных наблюдательных систем являются те или иные типы

камер, которые в первую очередь различаются рабочими спектральными диапазонами. На них ложится задача обнаружения и идентификации объекта. Для решения задачи целеуказания в систему вводятся измерительные и навигационные компоненты, позволяющие определить собственное положение наблюдателя и положение обнаруженного объекта относительно наблюдателя. В случае распределенной конфигурации средств наблюдения и/или разнесения в пространстве наблюдательного комплекса и средств реагирования требуется обеспечение оперативной и точной передачи информации, обычно по беспроводным каналам связи.

Видеокамеры, работающие в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне применяются в светлое время суток, в темное время суток требуют дополнительной подсветки. Цель обнаруживается на изображении за счет цветового или яркостного контраста относительно фона. Идентификация цели осуществляется за счет выделения характерных особенностей формы проекции элементов объекта в плоскости, перпендикулярной оси наблюдения. Необходимым условием идентификации является контраст характерных элементов — внешний (по отношению к фону) для краевых элементов и/или внутренний (по отношению к другим элементам объекта) для элементов, находящихся внутри видимой проекции объекта.

Тепловизоры, как круглосуточное всепогодное наблюдательное средство, в настоящее время широко распространены и как отдельные наблюдательные приборы и в составе наблюдательных комплексов благодаря основным достоинствам, среди которых низкое влияние на качество изображения различных атмосферных помех, возможность работы в полной темноте, сложность тепловой маскировки людей и техники.

Менее распространены в качестве компонентов наблюдательных систем, но заслуживают упоминания такие ОЭС, как камеры коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR, от 0,9 до 1,7 мкм), ультрафиолетовые камеры, низкоуровневые камеры на базе высокочувствительного сенсора, совмещенного с усилителем изображения, и различные варианты лазерных локационных систем.

Для решения задачи целеуказания в состав комплексов включается набор датчиков для определения собственных координат наблюдателя, а также относительных и абсолютных координат обнаруженного объекта. Обычными компонентами навигационной системы наблюдательного комплекса являются:

- GPS/ГЛОНАСС приемник для определения собственных координат наблюдателя;

- лазерный дальномер для определения дистанции до цели;

- магнитный компас или гироскоп для определения азимута на цель;

- акселерометр для определения угла оси наблюдения относительно горизонта.

Как показывает анализ существующих многоканальных наблюдательных комплексов, большинство из них содержит следующий набор основных компонентов: тепловизор, видеокамера и полный набор датчиков навигационной системы.

Наблюдательная система Thermovision 3000 производства компании FLIR содержит тепловизор с объективом, имеющим переключаемое поле зрения с тремя режимами, видеокамеру с переменным полем зрения, а также навигационное оборудование — лазерный дальномер, электронный компас и GPS приемник — для определения координат цели.

Многофункциональный портативный наблюдательный прибор JIM LR входит в состав экипировки солдата FELIN, созданный в соответствии с концепцией «Солдат будущего». Прибор включает в себя тепловизор с двумя режимами поля зрения, видеокамеру с фиксированным полем зрения, согласованным с тепловизионным, навигационное оборудование — GPS, лазерный дальномер и магнитный компас. Кроме того прибор оснащен инфракрасным лазерным целеуказателем и аппаратурой связи, интегрирующей его в общую систему контроля и управления ситуацией. Обработка данных включает в себя возможность наложения изображений и запись видео или отдельных кадров.

а. б.

Рис. 9. Внешний вид TheraioVision 3000 (а) и JIM LR (б).

Таблица 7

Основные характеристики Thermo Vision 3000 и JIM LR_

№ Параметр Thermovision 3000 JIM LR

1 Разрешение тепловизионного канала 640x480 нет данных

2 Поле зрения тепловизионного канала 25°х19°; 7,8°х5,6°; 1,3°х0,96° 9°х6,75°; 3°х2,25°

3 Поле зрения видеокамеры от 42° до 1,6° по горизонтали 3°х2,25°

4 Диапазон измерений дальномера от 80 м до 20 км от 10 м до 10 км

5 Точность определения координат по встроенному GPS нет данных до 3 метров

6 Время автономной работы - до 4 часов

7 Масса 25 кг 2,8 кг

8 Размеры 503 x312x267 мм 312x235 х107 мм

Зарубежные производители успешно разрабатывают и производят интегрированные многоканальные ОЭС с функциями наблюдения и целеуказания. Отечественные разработки, такие как автомобильный наблюдательный комплекс «Патриот-Окапи» и двухканальный наблюдательный прибор «Зарница», значительно отстают от зарубежных аналогов по тактико-техническим характеристикам и функциональным возможностям.

В четвертой главе приводится описание концепции многофункционального комплекса наблюдения и целеуказания автомобильного базирования, предназначенного для обнаружения людей и сухопутных транспортных средств. Обоснован выбор основных компонентов системы, архитектуры и примененных технических решений. Приведено описание опытного образца наблюдательного комплекса.

Задачу создания многоканального оптико-электронного средства наблюдения и целеуказания можно разделить на ряд в достаточной мере автономных задач Реализация решений каждой из этих подзадач при создании комплекса позволит адаптировать разработку под конкретные условия применения. Таким образом сама задача создания комплекса приобретает модульную структуру, давая возможность рассматривать эти модули обособленно или в сочетании с другими и выставлять приоритеты решений в зависимости от

ситуации. Общий перечень задач и ожидаемый эффект их решения представлены в таблице 8.

Таблица 8.

_Частные задачи по разработке многоканального разведывательного комплекса._

№ Задача Эффект

1 Оптимизация состава комплекса - исключение избыточных функций; - упрощение конструкции; - снижение стоимости.

2 Разработка процессора совместной обработки данных от разных каналов - улучшение обнаружительных характеристик комплекса; - снижение нагрузки на оператора.

3 Разработка единой навигационной системы - реализация функции целеуказания

4 Повышение точности навигационной системы за счет мультисенсорных измерений - повышение точности целеуказания

5 Создание сетевой структуры обмена данными между пространственно разнесенными устройствами - повышение достоверности обнаружения и идентификации цели; - повышение скоординированное™ действий.

В рамках данной работы рассмотрены задачи 1 и 3 применительно к процессу создания наблюдательного комплекса автомобильного базирования, предназначенного для обнаружения и идентификации наземных целей и определения их координат.

Для задачи разработки многофункционально оптико-электронного комплекса наблюдения и разведки следует учитывать существующие ограничения и начальные условия, характеризующие условия применения прибора:

- Необходимость работы в любое время суток, любое время года, при широком диапазоне

погодных условий.

- Характер целей. Объектами обнаружения являются люди и транспортные средства —

легковые и грузовые автомобили — находящиеся в движении или недавно бывшие в

движении.

- Характер местности. Предполагается применение комплекса в условиях открытой и

полузакрытой местности с различными вариантами рельефа от равнинной до горной.

При указанных условиях целесообразно объединение в комплексе двух наблюдательных каналов — тепловизионного и телевизионного. Тепловизионный обеспечивает работоспособность комплекса в темное время суток и при ограниченной видимости из-за атмосферных помех, а также высокую эффективность в плане обнаружения активных теплоизлучающих целей. Телевизионный канал обеспечивает работоспособность комплекса в дневное время, когда тепловизионный канал может оказаться менее эффективным из-за тепловых помех обусловленных нагревом фоновых объектов солнечным излучением, а также обеспечивает распознавание и идентификацию целей.

Применение дополнительных наблюдательных каналов нецелесообразно, поскольку они будут либо функционально дублировать основные, либо эффект от их использования не сопоставим с издержками от их введения в систему.

Тепловизионный модуль 4512А5 при разрешении 320x240 элементов и поле зрения 12°х9° обеспечивает обнаружение ростовой фигуры человека с критическим размером 0,6 м на дистанции 500 метров согласно базового критерия Джонсона Ы5(>. Как было показано в главе 1 этого достаточно для обнаружения цели в условиях равномерного фона — в ночное время и в пасмурную погоду, когда отсутствует или минимально проявляется мешающее воздействие солнечного излучения, вызывающего нагрев фоновых объектов.

Видеокамера РСВ-ЕХ985ЕР представляет собой единый модуль с сенсором и объективом-трансфокатором с диапазоном изменения фокусного расстояния от 3,5 до 98 мм.

В состав навигационной системы комплекса входят:

- ОРЭ/ГЛОНАСС приемник ГеоС-1 с точностью позиционировани ±6 метров;

- лазерный дальномер с диапазоном измерений до 4000 метров и точностью ±1 метр;

- трехосевой магнитный компас НМС5843 с точностью определения азимута ±0,5°.

В алгоритм работы навигационной системы заложена коррекция показаний компаса при наклоне прибора в боковой и фронтальной плоскостях, а также учет значения магнитного склонения в данной местности для определения истинного географического азимута цели.

Структурная схема комплекса представлена на рисунке 10, а внешний вид опытного образца комплекса на рисунке 11.

Рис. 10 Структурно-функциональная схема оптико-электронного комплекса наблюдения и

целеуказания.

Изображения с тепловизионного (ТК) и видимого (ВК) каналов поступают в процессор, где на них накладывается информация навигационной системы, состоящей из дальномера (ДМ), GPS приемника, компаса и акселерометра. Видеоизображения с наложенной информацией (Vt, Vb) выводятся на дисплеи (Д1, Д2) контрольного пункта (КП), с которого также осуществляется управление режимами работы ОЭС посредством интерфейса RS485.

Рис. 11 Опытный образец многофункционального наблюдательного комплекса «КОТ» Расчетные значения дистанции обнаружения, распознавания и идентификации РФЧ (1,7x0,6 м) для тепловизионного канала при размере единичного приемника 30x30 мкм и фокусном расстоянии объектива 50 мм, полученные по формуле (2) при равномерном фоне и

отсутствии мешающих факторов представлены в таблице 9.

Таблица 9

Дистанции различения тепловизионного канала и видеокамеры при минимальном и _максимальном увеличениях._

Различение N» Дистанция различения при вероятности

50% (Кв=1) 95% (Кв=2) 100% (Кв=3)

Тепловизионный канал

Обнаружение 2 500 250 167

Распознавание 6 167 83 55

Идентификация 12,8 79 40 26

Видеокамера, минимальное увеличение — поле зрения по горизонтали 55,8°

Обнаружение 2 157 78 52

Распознавание 6 52 26 17

Идентификация 12,8 25 12,5 8

Видеокамера, максимальное увеличение — поле зрения по горизонтали 2,1 °

Обнаружение 2 4388 2194 1463

Распознавание 6 1463 731 487

Идентификация 12,8 697 348 232

В дневное время дистанция различения тепловизионного канала может быть меньше из-за повышения неравномерности и общей температуры фона под воздействием солнечного излучения как было показано в 1 главе. Снижение обнаружительных характеристик тепловизионного канала в дневное время не является критичным для эффективности комплекса в целом, поскольку днем большая часть информации поступает посредством видимого канала. Общие характеристики комплекса представлены в таблице 10

Таблица 10.

Характеристики наблюдательного комплекса «КОТ»._

№ Параметр Значение

1 Разрешение тепловизионного канала 320x240

2 Поле зрения тепловизионного канала 12°х9°

3 Поле зрения видеокамеры по горизонтали от 55,8° до 2,1°

4 Диапазон измерений дальномера от 10 до 4000 м

5 Точность измерения дистанции до объекта ± 1,0 м

6 Точность определения координат по встроенному GPS ± 6 м

7 Точность определения азимута ±0,5°

8 Масса 8,0 кг

9 Габаритные размеры 410x330x170 мм

10 Класс защиты корпуса от пыли и воды IP65

11 Диапазон рабочих температур от -30°С до +50°С

3. Основные результаты работы

1. Исследованы факторы, влияющие на обнаружительную способность наблюдательных

оптико-электронных средств. Предложены критерии оценки обнаружительной способности оптико-электронных средств наблюдения с учетом наиболее часто встречающихся воздействующих факторов при решении задач обнаружения, идентификации и локализации наземных целей в реальных условиях.

2. Исследованы возможные способы повышения эффективности наблюдательных

комплексов за счет физической и информационной интеграции различных сенсоров. Предложены способы повышения обнаружительных способностей наблюдательных приборов за счет объединения комплементарных, в частности тепловизионного и видимого, информационных каналов.

3. Разработаны двухканальные наблюдательные приборы серии «Скат», объединяющие

тепловизионный и видимый информационные каналы, и приборы серии «Спрут», объединяющие тепловизионный и лазерный локационный каналы. Разработаны стационарные наблюдательные системы «Спектр-2» и «Спектр-4» с двумя и четырьмя наблюдательными каналами, работающими в различных спектральных диапазонах.

4. Проведен анализ существующих образцов наблюдательных комплексов отечественного

и зарубежного производства, их особенностей, преимуществ и недостатков. Обоснована потребность в разработке отечественного многофункционального оптико-электронного средства наблюдения и целеуказания, решающего задачи обнаружения и идентификации людей и транспортных средств.

5. Разработан многофункциональный оптико-тепловизионный комплекс «КОТ»,

осуществляющий функции круглосуточного всепогодного наблюдения и целеуказания за счет объединения тепловизионного и видимого наблюдательных каналов, а также навигационной системы, определяющей относительные и абсолютные координаты обнаруженных объектов.

4. Список публикаций по теме диссертации

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1.Студитский A.C. Эффективность наблюдательных тепловизионных и оптико-электронных систем. / Вестник компьютерных и информационных технологий, №10, 2013.-С. 33-36.

2. Студитский A.C., Кекин А. Г. Повышение эффективности интегрированных

многоканальных наблюдательных систем / Приборы, №9, 2013. - С. 33-36

3. Кекин А.Г., Ковалев A.B., Ковалев Д А., Студитский A.C., Федотов A.B., Хныков Ю.А.

Аппаратурные средства проверки подлинности документов на основе оптического метода неразрушающего контроля /Специальная техника № 2, 2003. - С.30-40

В трудах Международных и Всероссийских конференций, зачитываемых ВАК при защите диссертаций (Постановление Правительства РФ №475 от 20 июня 2011 г., п. 10)

4. Федчишин В.Г., Поляков Ю.А., Студитский A.C. Неохлаждаемые тепловизоры в

технической диагностике. / Научные труды V Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права», Москва, МГАПИ, 2002. - С. 25-29.

5. Студитский A.C., Поляков Ю.А. Особенности обработки сигналов с матричных

приемников ИК-диапазона. / Научные труды VI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права», Москва, МГАПИ, 2003. - С. 35-40.

6. Студитский A.C., Поляков Ю.А., Бражников Д.В. Эффект комплексации методов в

поисковых системах. / 3-я международная специализированная выставка-конференция приборов и оборудования для промышленного неразрушающего контроля и технической диагностики «Промышленный неразрушающий контроль», 2004, доклад.

7. Студитский A.C., Бражников Д.В., Канцеров М.В., Пономарев М.А., Федчишин В.Г.

Стационарные и мобильные тепловизионные системы. / 6-я Международная выставка и конференция «НК и ТД в промышленности», 2007, стендовый доклад.

8. Студитский A.C., Садков C.B., Кекин А.Г., Николаева E.H. Тенденции развития

портативных тепловизионных систем. / 6-я Международная выставка и конференция «НК и ТД в промышленности», 2007, стендовый доклад.

9. Ковалев A.B., Ковалев A.A., Студитский A.C., Садков C.B. Особенности применения

поисковых тепловизионных систем для решения диагностических задач. / XVII Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика», 2008, доклад.

10. Ковалев A.B., Матвеев В.И., Студитский A.C., Федчишин В.Г. Комплексы средств антитеррора / 8-я международная конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», 2009, доклад.

11. Студитский A.C. Оптоэлектронные средства наблюдения и контроля. / 10-я Европейская конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике, 2010, доклад.

В других изданиях

12. Ковалев A.A., Федчишин В.Г., Студитский A.C., Поляков Ю.А., Возможности неохлаждаемой тепловизионной аппаратуры по диагностике энергонасыщенных объектов и промышленного оборудования/ Русский инженер, №1, 2006. - С. 24-27.

Авторские свидетельства, патенты, положительные решения РФ на изобретения

13. Студитский A.C., Ковалев A.A., Кекин А.Г., Поляков Ю.А., Ковалев A.B. Поисково-досмотровый тепловизор «Катран-2». Патент на промышленный образец №71807 приоритет от 19.02.2007.

14. Студитский A.C., Ковалев A.A., Кекин А.Г., Поляков Ю.А., Ковалев A.B., Садков C.B. Поисково-досмотровый тепловизор «Катран-3». Патент на промышленный образец №73050 приоритет от 08.11.2007.

15. Студитский A.C., Ковалев A.A., Кекин А.Г., Поляков Ю.А., Ковалев A.B. Автономный портативный комбинированный оптоэлектронно-тепловизионный прибор. Патент на промышленный образец №77879 приоритет от 10.06.2009.

16. Студитский A.C., Ковалев A.A., Кекин А.Г., Поляков Ю.А., Ковалев A.B., Пономарев М.А. Портативный тепловизионный прибор. Патент на промышленный образец №77880 приоритет от 23.09.2009.

17. Студитский A.C., Ковалев A.A., Кекин А.Г., Ковалев A.B., Николаева E.H., Баранов М.Е. Портативный автономный комбинированный криминалистический модуль «Корунд-MTB». Патент на промышленный образец №73051 приоритет от 04.07.2007.

18. Студитский A.C., Ковалев A.A., Кекин А.Г., Николаева E.H., Канцеров М.В., Баранов М.Е. Портативный комбинированный излучатель ультрафиолетового и видимого света. Патент на промышленный образец №71637 приоритет от 19.09.2007.

19. Ковалев A.B., Хныков Ю.А, Федчишин В.Г., Бражников Д.В., Поляков Ю.А., Садков C.B., Студитский A.C. Способ и устройство компьютеризированной оптической обработки документов. Патент на изобретение №2229744 приоритет от 28.02.2002.

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИНТРОСКОПИИ МОСКОВСКОЕ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ

«СПЕКТР»

На правах рукописи

04201 361 596 Студитский Александр Сергеевич

¿У

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО СРЕДСТВА НАБЛЮДЕНИЯ И РАЗВЕДКИ

Специальность 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.В. Ковалев

Москва — 2013 г.

Оглавление

Обозначения и сокращения........................................................................................4

Введение.......................................................................................................................5

Глава 1. Критерии эффективности наблюдательных систем.................................11

1.1 Критерий Джонсона........................................................................................11

1.2 Другие критерии различения цели.................................................................16

1.3 Факторы, влияющие на вероятность различения цели в реальных условиях..................................................................................................................17

1.4 Обнаружительная способность тепловизионных систем............................23

1.5 Критерии обнаружения и идентификации наземных целей........................26

1.6 Выводы по главе 1...........................................................................................35

Глава 2. Мультисенсорная интеграция....................................................................37

2.1 Основы мультисенсорной интеграции..........................................................38

2.2 Уровни интеграции данных............................................................................44

2.3 Практика применения мультисенсорной интеграции в наблюдательных приборах.................................................................................................................49

2.4 Выводы по главе 2...........................................................................................61

Глава 3. Оптико-электронные наблюдательные системы и их компоненты........63

3.1 Компоненты наблюдательных систем...........................................................64

3.1.1 Наблюдательные информационные каналы...........................................64

3.1.2 Измерительные информационные каналы.............................................72

3.2 Наблюдательные комплексы...........................................................................73

3.2.1 Стационарные и мобильные наблюдательные комплексы...................73

3.2.2 Портативные наблюдательные комплексы.............................................76

3.3 Выводы по главе 3...........................................................................................79

Глава 4. Разработка экспериментального образца ОЭС.........................................81

4.1 Постановка задачи...........................................................................................81

4.2 Оптимизация состава комплекса....................................................................83

4.3 Навигационная система..................................................................................87

4.3 Создание комплекса.........................................................................................92

4.4 Характеристики комплекса.............................................................................94

4.5 Сравнение с аналогами...................................................................................96

4.6 Выводы по главе 4.........................................................................................101

Заключение...............................................................................................................103

Список источников..................................................................................................105

Обозначения и сокращения

S WIR - short wave infrared; ИК — инфракрасный;

MPT — минимальная различимая температура;

ОЭС — оптико-электронные средства;

ПНВ — прибор ночного видения;

РФЧ — ростовая фигура человека;

TBJI — телевизионная линия;

ТС — транспортное средство;

ЭОП — электронно-оптический преобразователь;

Введение

Актуальность проблемы

Терроризм представляет собой один из определяющих признаков современной жизни. Жертвами терактов становятся государственные учреждения, служащие, гражданские лица. В России основным источником террористической угрозы являются республики Северного Кавказа, где по некоторым оценкам находят убежище до 5000 исламистских боевиков, ведущих по сути партизанскую войну против представителей правоохранительных органов и гражданского населения России. За последние четыре года с 2009 по 2012 включительно в регионе по официальным данным погиб 861 сотрудник правоохранительных органов и свыше 2000 получили ранения, при этом в ходе спецопераций федеральными силами ликвидировано и задержано 1574 и 1938 боевиков соответственно [1]. Особое внимание к этой проблеме связано с будущими международными спортивными событиями: зимними Олимпийскими играми в Сочи в 2014 году и чемпионатом мира по футболу в 2018.

Эффективность контртеррористических мероприятий напрямую зависит от достоверности и своевременности получаемой информации о расположении, количестве и оснащении участников бандформирований. Многие спецоперации происходят на пересеченной местности — в горах, лесу; в разное время суток и при различной погоде. В этих условиях основным средством получения разведывательной информация для принятия адекватных мер противодействия угрозе являются оптико-элекронные средства (ОЭС) наблюдения и разведки.

Полнота и точность информации — основа для принятия адекватных решений. В быстро меняющихся условиях к ним добавляется еще одно требование — скорость. Активная фаза проведения полицейских операций часто измеряется минутами, а стоимость ошибочных решений — потерянными жизнями. В таких ситуациях переоценить важность своевременного получения

максимально подробной и релевантной информации невозможно.

Важнейшим элементом разведывательной деятельности является использование технических средств разведки, существенно расширяющих возможности человека в восприятии текущей ситуации. Настоящая работа посвящена оптико-электронным наблюдательным средствам — в частности разработке высокоинформативных наблюдательных комплексов и методам повышения достоверности выявления объектов и точности определения их характеристик.

Анализ существующих ОЭС показывает наличие практически подкрепленного интереса к таким направлениям развития средств наблюдения и разведки, как комплексирование методов и повышение степени интеграции — от отдельных дискретных приборов к многоканальным системам сбора данных с единым центром обработки и представления информации. При этом существующие отечественные образцы интегрированных многоканальных наблюдательных комплексов значительно уступают зарубежным аналогам.

В связи с проводимым в последние годы ограничением на допуск иностранных производителей к выполнению поставок по государственному оборонному заказу задача создания отечественной современной высокоэффективной наблюдательной аппаратуры особенно актуальна [2].

Объектом исследования являются ОЭС наблюдения и разведки.

Предметом исследования являются способы повышения эффективности ОЭС за счет создания интегрированных многоканальных наблюдательных систем.

Целью работы является разработка высокоэффективного многофункционального оптико-электронного средства наблюдения и целеуказания автомобильного базирования, предназначенного для обнаружения

людей и транспортных средств на дистанции до 500 метров в круглосуточном режиме в широком диапазоне внешних условий, характерных для центральных и южных регионов России.

Основные задачи

- Исследование критериев оценки эффективности ОЭС, их достоинств,

недостатков и условий применимости. Определение основных внешних факторов, влияющих на вероятность различения наземных целей, и способов их учета при оценке и прогнозировании обнаружительных характеристик ОЭС в реальных условиях.

- Поиск способов повышения эффективности ОЭС за счет интеграции в

единую физическую и информационную систему комплекса различных сенсоров.

- Исследование и разработка методических, алгоритмических и технических

решений, направленных на повышение вероятности обнаружения и точности определения координат целей.

- Анализ существующих оптико-электронных наблюдательных комплексов,

их основных компонентов, технических характеристик, возможностей и ограничений.

- Разработка современного оптико-электронного разведывательного

комплекса. Практическая апробация отдельных технических решений, применяемых при создании комплекса.

Научная новизна работы состоит в следующем:

На основании теоретического исследования предложена система коэффициентов для оценки обнаружительной способности тепловизионных и оптико-электронных наблюдательных средств в дневное и ночное время, применительно к задаче обнаружения наземных целей типа «человек» и «транспортное средство».

Определены оптимальные схемы интеграции оптико-электронных каналов в составе наблюдательного комплекса для обеспечения сбалансированных показателей обнаружительной способности, универсальности и удобства наблюдения.

Обоснован выбор тепловизионного и видимого каналов в качестве основы наблюдательной системы как взаимодополняющих по функциональным возможностям и взаимно компенсирующих ограничения по эффективности использования в различных внешних условиях.

Практическая значимость работы:

Приведены факторы, требующие учета при определении вероятности различения наземных целей в реальных условиях использования наблюдательных средств.

Определены основные задачи по повышению эффективности многоканальных наблюдательных систем за счет повышения степени физической и информационной интеграции оптико-электронных и измерительных каналов.

На основе рассмотренных схем интеграции информационных каналов созданы многоканальные наблюдательные системы для технического оснащения оперативных подразделений МВД и ФСБ РФ.

Разработан универсальный оптико-электронный комплекс наблюдения и целеуказания автомобильного базирования, предназначенный для обнаружения, идентификации и локализации наземных целей.

Методы исследований

Методологической и теоретической основой диссертационного исследования послужили труды зарубежных и отечественных специалистов в области изучения вопросов распознания образов и, в частности, обнаружения и идентификации удаленных объектов на основе изображений, получаемых с

помощью оптико-электронных средств.

Разработка системы поправочных коэффициентов для критериев обнаружения и идентификации наземных целей в реальных условиях осуществлена аналитическими методами на основе информации из зарубежных и отечественных источников, а также экспериментальных данных, полученных автором.

Внедрение результатов работы

Результаты работы нашли внедрение в процессе разработки комбинированных многоканальных наблюдательных приборов для нужд подразделений силовых структур России.

На ряд комбинированных наблюдательных приборов, разработанных с участием автора, получены патенты РФ.

Личный вклад автора

Личный вклад автора заключается в:

- проведении информационного поиска по вопросам оценки эффективности

ОЭС, применения принципа мультисенсорной интеграции для повышения обнаружительных способностей наблюдательных комплексов;

- проведении экспериментов по обнаружению теплоизлучающих целей в

условиях равномерного и неравномерного теплового фона;

- участии в разработке многоканальных оптико-электронных средств: «ТН-

4604МП» — разработка корпуса и электронных схем; «Спектр-4» — разработка тепловизионного канала; «Скат-2», «Спрут-2» и «КОТ» — разработка концепции и алгоритмов работы;

На защиту выносятся следующие положения

Способ учета воздействия внешних факторов при оценке и прогнозировании обнаружительных характеристик оптико-электронных средств

в реальных условиях через соответствующие коэффициенты при расчете приведенного критерия различения объекта как величины требуемого разрешения в элементах изображения, укладывающихся на критический размер цели.

Схема интеграции оптико-электронных и измерительных каналов наблюдательного комплекса для обеспечения высокой работоспособности комплекса в широком диапазоне внешних условий и реализации функций обнаружения, идентификации и целеуказания, заключающаяся в повышении уровня физической интеграции и использовании информационной интеграции на уровне выявленных особенностей при возможности достоверного выделения сигнала от цели на общем фоне в одном из каналов.

Структурная схема и практическая реализация в виде опытного образца универсального комплекса наблюдения и целеуказания автомобильного базирования, состоящего из тепловизионного канала с фиксированным полем зрения, видимого канала с переменным полем зрения и навигационной системы, включающей измерительные средства, позволяющие определять собственные координаты наблюдателя, а также относительные и абсолютные координаты обнаруженной цели.

Глава 1. Критерии эффективности наблюдательных систем.

Основное назначение наблюдательных систем — обнаружение и идентификация объектов в контрольной области. Критерии эффективности наблюдательных систем, соответственно, должны отражать их способность обнаруживать и идентифицировать цели в реальных условиях при существующих объективных ограничениях.

В данной главе рассматривается история возникновения наиболее распространенного критерия оценки эффективности ОЭС — критерия Джонсона, анализируются работы посвященные его практическому применению, критике недостатков и адаптации к реальным условиям использования наблюдательных систем.

Помимо теоретического анализа проблемы по литературным источникам приводятся расчетные и экспериментальные данные, касающиеся оценки возможности обнаружения и идентификации объектов с помощью тепловизионных и телевизионных систем при различных внешних условиях.

По результатам теоретического и экспериментального анализа данной проблемы делается вывод об ограниченной применимости критерия Джонсона в чистом виде для оценки и прогнозирования эффективности ОЭС в реальных условиях и необходимости введения в расчет обнаружительных характеристик наблюдательных приборов коэффициентов, отражающих влияние мешающих факторов.

1.1 Критерий Джонсона

Впервые задача численной оценки различения объектов, наблюдаемых с применением оптико-электронных средств была решена Дж. Джонсоном (John Johnson) — сотрудником научно-исследовательской лаборатории армии США в 1958 году. В ходе экспериментов были определены значения разрешения, необходимые для различения изображений объектов, наблюдаемых с

применением приборов ночного видения (ПНВ) на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП). Выбранным четырем уровням восприятия (различения) в порядке повышения информативности — обнаружение, ориентация, распознавание, идентификация — поставлены минимально необходимые значения разрешения, указанные в парах линий, укладывающихся на критический (наименьший) размер цели (рис. 1.1) [3].

Независимо от типа цели из использованного набора моделей необходимое пороговое разрешение практически одинаково с разбросом не превышавшим ±25% от среднего значения. Этот критерий также применяется для оптико-электронных средств с выходным видеосигналом — видео- и фото- камер, тепловизоров, с тем отличием, что вместо пар линий штриховой миры значения указываются в телевизионных линиях или что то же самое в элементах изображения (пикселях). Пара линий штриховой миры в экспериментах Джонсона, как мера наименьшего различимого пространственного периода, равна двум телевизионным линиям и соответствующие значения уровней разрешения будут в телевизионных линиях иметь значения 2,0; 2,8; 8,0; 12,8 ТВЛ соответственно. Полученные значения представлены в таблице 1.1.

Рис. 1.1. Совмещение штриховой миры для определения требуемого разрешения на критический размер цели.

Таблица 1.1

Критерий Джонсона

Уровень различения Разрешение на минимальный размер Nso

пар линий ЭОПа телевизионных линий (ТВЛ)

Обнаружение 1,0±0,25 2,0±0,5

Ориентация 1,4±0,35 2,8±0,7

Распознавание 4,0±0,8 8,0±1,6

Идентификация 6,4±1,5 12,8±3

Джонсон в своей работе выделил 4 уровня различения — обнаружение, ориентация, распознавание, идентификация. Сам Джонсон никак формально не определил эти понятия, это сделал впоследствии Lucien Biberman [4] (табл. 1.2). Таблица 1.2 Определение уровней различения

Уровень различения Описание

Обнаружение Объект присутствует

Ориентация Различается симметричность или асимметричность объекта и его ориентация — вертикальная или горизонтальная.

Распознавание Определяется класс объекта — дом, человек, автомобиль и т.д.

Идентификация Объект может быть описан в рамках знаний наблюдателя — тип строения (дом, гараж, склад), тип автомобиля (грузовик, легковой, пикап), что за человек (мужчина/женщина, военный/гражданский).

Пример более обширной и подробной классификации приведен в таблице 1.3. Основные уровни восприятия, обозначенные Джонсоном, здесь представлены практически без изменения, к ним дополнительно добавлены промежуточные уровни [5].

Таблица 1.3

Расширенный перечень уровней различен�