Исследование и разработка алгоритмов обработки сигналов в оптико-электронных пеленгаторах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Савинков, Василий Владимирович

• Савинков, Василий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Савинков, Василий Владимирович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка алгоритмов обработки сигналов в оптико-электронных пеленгаторах»

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.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Савинков, Василий Владимирович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Савинков, Василий Владимирович, 2007 год

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.