С.Н. Анисимов, О.Г. Морозов,
(КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань)
С.В. Васильев,
(Министерство обороны Российской Федерации, г. Москва),
С.М. Царев,
(ОАО «Радиоприбор», г. Казань)
П.М. Николаев, A.M. Николаев, Ю.М. Николаев, Р.А. Шарафутдинов,
(Научно-исследовательский институт аэроупругих систем, г. Феодосия, Крым, Украина)
Использование грузовых парашютных платформ (ГПШ) зачастую становится единственным источником снабжения пищей, медикаментами и другими жизненно важными грузами населения в условиях чрезвычайных ситуаций. Не менее важную роль ГПШ и другие аэроупругие системы (АУС), к которым прямо можно отнести индивидуальные парашюты, парапланы и, косвенно, аэростаты и аэроплатформы, играют при решении оборонных задач, задач обеспечения широкополосного беспроводного доступа, а также задач туристического, развлекательного и рекламного бизнеса.
В связи с этим возникает необходимость совершенствования ГПШ и других АУС, исследования их летных качеств, траекторий полета и снижения, аттестации и сертификации. Учитывая широкую географию применения АУС. использование базовых кинотеодолитных комплексов в виду их громоздкости, иммобильности и значительной стоимости нецелесообразно. В докладе рассматриваются вопросы моделирования процесса определения траектории сброса грузов с помощью АУС. осуществляемое в мобильном лазерно-телевизионном комплексе технических средств «КАСКАД» [1], разработанном на базе шасси КАМАЗ для проведения внешнетраекторных измерений АУС. В состав комплекса входят: импульсный лазерный дальномер, телевизионная система слежения и определения координат, система обработки информации.
Спроектированная телевизионная система слежения за сбросом грузов выполняет в основном функции центроидной системы первого поколения, работающей на уголковый отражатель (УО), освещаемый лазером подсветки. Однако таковой система является на этапах раскрытия парашютной системы и снижения. На этапах отделения от летательного аппарата и приземления должна быть реализована система более высокого уровня, так как изображение сброса содержит кроме фона сам летательный аппарат и возможные объекта горизонта земли (дома, лес и т.д.) соответственно. Таким образом, определение координат УО, определяющих точность построения траектории, на переходных этапах и на этапах раскрытия парашюта и снижения (на высокояркостном фоне ясного неба и в условиях возможного перекрытия изображения) требует проведения значительного объема работ по математическому и физическому моделированию.
Математическая модель обычно представляет собой комплексную программу, включающую головную управляющую программу и ряд взаимосвязанных подпрограмм, позволяющих имитировать в ЭВМ процедуры, адекватные физическим процессам, происходящим в отдельных звеньях реальной системы. К таким процессам относятся: входные оптические воздействия от наблюдаемых объектов и фоновых помех; формирование изображения оптической системой; процессы, связанные с формированием зарядового рельефа в фотоприемном устройстве с учетом внутренних нестационарных шумов; искажения, возникающие в результате преобразования и квантования сигналов в блоке АЦП при ограниченной разрядности, а также возможные алгоритмы цифровой обработки, включая предварительную фильтрацию исходных массивов цифрового изображения, процедуры обнаружения, распознавания и оценки параметров объектов наблюдения [2].
Появление твердотельных матричных фотопреобразователей на ПЗС открыло широкие перспективы создания высокоточных измерительных приборов и систем телевизионного типа, предназначенных для определения пространственной ориентации контролируемых объектов. По сравнению с другими видами телевизионных преобразователей (видиконами, диссекторами и др.) для ПЗС характерна жесткая геометрическая привязка фоточувствительных элементов растра к приборной системе координат, что существенно облегчает задачу построения измерительной аппаратуры с высокой стабильностью метрологических характеристик.
Несмотря на дискретный характер ПЗС-структуры, в плоскости анализа изображения принципиально возможна регистрация линейных смещений изображения с погрешностью до десятых и сотых долей пространственного периода элементов. Позиционную чувствительность можно повысить за счет интерполяции сигналов, снимаемых со смежных элементов ПЗС.
Одним из наиболее простых интерполяционных алгоритмов для этапов раскрытия и снижения является алгоритм определения энергетического центра («центра тяжести») распределения освещенности Е(х, у) в плоскости анализа изображения УО. Как известно, в случае использования линзовой оптической системы при малых (до единиц градусов) углах падения лучей на плоскость входного зрачка весовая функция объектива может аппроксимироваться гауссоидой вращения с условным радиусом кружка рассеяния R на уровне Em / √e ≈0,606 Emax.
На практике алгоритм определения координат энергетического центра изображения точечного объекта распадается на два этапа: определение координат элемента наибольшего сигнала Хт, Ym и вычисление оценок Х*эц и Y*эц. Однако следует понимать, что данный алгоритм не единственный.
При малых отношениях сигнал/шум (этап отделения и приземления) наиболее предпочтительными являются другие алгоритмы, заключающиеся в определении максимума освещенности в плоскости анализа изображения [3]. Сущность таких алгоритмов после определения координат наибольшего сигнала сводится к следующему:
1) путем интерполяции осуществляется восстановление непрерывной функции U(xi, yi) , адекватной распределению освещенности в плоскости анализа Е(х, у);
2) производится вычисление частных производных dU(x,y)/dx и dU(x,y)/dy с последующим вычислением оценок в результате решения уравнений.
Отметим, что наиболее точные оценки Х*эц и Y*эц получаются при использовании на первом этапе метода наименьших квадратов. Однако в этом случае за заданное время измерения приходится выполнять как минимум несколько десятков операций [3], что необходимо учитывать при выборе вычислительных средств, входящих в состав телевизионной системы.
Физическое моделирование осуществлялось на стенде ОАО «Радиоприбор», реализующем современные технологии телевизионных измерений. Особенности структуры стенда и моделирования представлены в докладе.
Список литературы
1. Морозов О.Г. Системы метрологического обеспечения стендовых и летных испытаний аэроупругих систем // Вопросы совершенствования боевого применения и разработок артиллерийского вооружения и военной техники: Сб. тез. докл. и сообщ. XVII науч.-техн. конф. Казань: КВАКИУ, 2001. С. 26.
2. Андреев А.Л. Автоматизированные телевизионные системы наблюдения. Часть I . Аппаратные средства и элементная база. СПб: СПбГУИТМО, 2005. 88 с.
З.Андреев А.Л. Автоматизированные телевизионные системы наблюдения. Часть II. Арифметико-логические основы и алгоритмы. СПб: СПбГУИТМО, 2005. 88 с.
|
