Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
24
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
Литюга Олександр Петрович
УДК 621.397; 520.876
Виявлення сигналів від космічних об’єктів в
астрономічних телевізійних системах
у сутінковий та денний час
05.12.17 –радіотехнічні та телевізійні системи
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків –7
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,
Заслужений винахідник України
Стрелков Олександр Іванович
Харківський університет Повітряних Сил ім. І.М. Кожедуба,
завідувач кафедри фізики.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук,
професор Доля Григорій Миколайович,
Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, професор кафедри теоретичної та прикладної системотехніки;
доктор технічних наук,
професор Козелков Сергій Вікторович,
Центральний науково-дослідний інститут навігації та управління, м. Київ, директор.
Захист відбудеться “ 26 ” березня 2008 р. о 15:00 годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою 61166, Харків, просп. Леніна, 14,
у залі засідань.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, Харків, просп. Леніна, 14.
Автореферат розісланий “ 13 ” лютого 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.М. Безрук
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Зростаюча активність людства в освоєнні космосу призвела до утворення на навколоземних орбітах великої кількості так званого космічного сміття, яке є об’єктами штучного походження та їх фрагментами. Ці космічні об’єкти, загальна кількість яких складає мільйони, мають розміри від десятків мікрон до метрів, рухаються з орбітальними швидкостями і залишаються на орбіті впродовж багатьох років. На низьких навколоземних орбітах космічне сміття розташоване в основному в інтервалі висот від 200 до 2000 км і сьогодні серйозно загрожує космічним польотам та довгостроковим орбітальним проектам. Кількість сміття, яке відстежується наземними засобами (фрагменти більші за 10 см ), сьогодні нараховує приблизно 8700 об’єктів.
Ці чинники призводять до того, що загроза зіткнень функціонуючих космічних апаратів з елементами космічного сміття є реальною. Для прогнозу та можливого попередження зіткнень необхідним є моніторинг і контроль навколоземного космічного простору, метою якого є отримання даних про об’єкти, що спостерігаються, таких як елементи орбіти, розміри, форма, маса, фізичні властивості, строк існування на орбіті і ведення каталогів космічних об’єктів.
Астрономічні телевізійні системи є одними з основних засобів контролю космічного простору завдяки високій точності визначення кутових координат об’єктів, високим чутливості та пропускній здатності, можливості отримання некоординатної інформації (блиску).
Сьогодні виявлення низькоорбітальних космічних об’єктів астрономічними телевізійними системами можливе лише у сутінковий час, коли об’єкт, що спостерігається, освітлений Сонцем, а інтенсивність фонового випромінювання неба не знижує ефективності функціонування астрономічних телевізійних систем. При цьому сумарна добова тривалість сеансу спостереження складає одиниці –десятки хвилин, що недостатньо для здійснення ефективного моніторингу навколоземного простору.
Необхідність підвищення ефективності контролю навколоземного простору вимагає збільшення тривалості сеансу спостереження за рахунок використання денного часу. Для досягнення цього необхідно підвищити надійність виявлення сигналів від об’єктів в астрономічних телевізійних системах у сутінковий час та забезпечити виявлення в денних умовах.
Отже тема дисертаційної роботи, спрямованої на вирішення науково-прикладної задачі розробки методу виявлення оптичних сигналів від космічних об’єктів у вихідній площині астрономічної телевізійної системи при спостереженні у сутінкових та денних умовах є актуальною.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертаційної роботи пов’язані з держбюджетною темою „Дослідження сучасного стану прогнозування та уточнення часу та районів ймовірного припинення існування згораючих космічних об’єктів”, Військово-науковий центр космічних досліджень при Харківському військовому університеті, № 113/1/075, Харків, 2001 р.; госпдоговірною темою № 24/01-27 “Розробка принципів побудови виявителя пачок коротких оптичних сигналів блоку Ч-1”, № ДР 0104U0902072, 2001 р.; госпдоговірною темою № 05-22 „Розробка методів збільшення динамічного діапазону та роздільної здатності акустооптичних аналізаторів спектра (АОАС) та рекомендацій щодо їх реалізації”, № ДР 0105U007073, 2005 р. У всіх НДР здобувач був виконавцем.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є покращення характеристик виявлення оптичних сигналів від космічних об’єктів в астрономічних телевізійних системах у сутінкових та денних умовах.
Для досягнення поставленої мети були вирішені: основна науково-технічна задача – розробка методу виявлення оптичних сигналів від космічних об’єктів у вихідній площині астрономічної телевізійної системи при спостереженні у сутінкових та денних умовах, часткові задачі –провести аналіз методів побудови астрономічних телевізійних систем; провести аналіз денних умов спостереження космічних об’єктів; проаналізувати зміни просторової структури сигнальної складової в площині реєстрації в різних режимах спостереження космічних об’єктів в денних умовах; розглянути завадову обстановку сутінкового та денного часу; провести аналіз методів узгодження динамічних діапазонів оптичного вхідного впливу та фотоприймача астрономічної телевізійної системи; провести аналіз традиційних методів виявлення сигналів в астрономічних телевізійних системах та розрахувати характеристики виявлення у сутінкових та денних умовах спостереження; скласти математичну модель сигналу у вихідній площині астрономічних телевізійних систем, яка враховує структуру оптичних сигналів у площині реєстрації у сутінкових та денних умовах; на основі розробленої математичної моделі розробити алгоритми виявлення оптичних сигналів від космічних об’єктів для різних режимів спостереження; розрахувати характеристики виявлення для розроблених алгоритмів; розробити квазіоптимальні алгоритми виявлення; спостереження; розрахувати характеристики виявлення для квазіоптимальних алгоритмів; експериментально перевірити розроблені алгоритми виявлення оптичних сигналів від космічних об’єктів у сутінкових та денних умовах спостереження; сформулювати технічні рекомендації щодо побудови астрономічних телевізійних систем денного спостереження космічних об’єктів.
Об’єкт дослідження. Фізичні явища та процеси, що протікають в астрономічних телевізійних системах при формуванні та реєстрації оптичних сигналів від космічних об’єктів у сутінкових та денних умовах.
Предмет дослідження. Виявлення сигналів від космічних об’єктів у вихідній площині астрономічної телевізійної системи у сутінкових та денних умовах.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на використанні положень хвильової та корпускулярної теорії світла, статистичної теорії випадкових потоків, теорії побудови оптико-електронних систем, статистичної теорії виявлення сигналів. Експериментальні дослідження проводились з використанням методів фізичного і математичного моделювання.
Наукова новизна отриманих результатів. У роботі набули подальший розвиток питання побудови оптико-електронних систем телевізійного типу спостереження космічних об’єктів.
1. Розроблено вдосконалену математичну модель сигналу, відбитого від космічного об’єкта, та фонового випромінювання на основі сумісного використання законів геометричної, хвильової та корпускулярної теорій світла, теорії розповсюдження світла у турбулентній атмосфері. Модель враховує зміни оптичного сигналу при проходженні через турбулентну атмосферу у денних умовах спостереження, взаємодію з елементами оптичного тракту та перетворення у вихідний електричний сигнал.
На відміну від традиційних моделей сигналів в оптико-електронних системах телевізійного типу у запропонованій моделі сигнали подані не безперервними функціями, а випадковими потоками, що дає змогу врахувати імовірнісний характер взаємодії потоку фотонів з елементами оптичного тракту (нейтральним фільтром, фотоприймачем та ін.) [3, 4, 7, 8, 10, 11, 17, 20].
. На основі запропонованої удосконаленої математичної моделі та статистичної теорії обробки випадкових потоків розроблено оптимальні та квазіоптимальні алгоритми виявлення випадкових корисних сигналів на фоні адитивних та мультиплікативних завад великої інтенсивності [1, 2, 5, 9, 12, 13].
. На основі удосконаленої математичної моделі та розроблених алгоритмів виявлення оптичних сигналів від космічного об’єкта в астрономічній телевізійній системі у денний час вперше отримані аналітичні вирази для величини відношення сигнал/шум на виході виявника астрономічної телевізійної системи та умовних імовірностей правильного виявлення та хибної тривоги [6, 14, 15,16, 18, 19].
Практичне значення отриманих результатів. Запропонована математична модель оптичних сигналів враховує корпускулярну структуру і статистичні властивості оптичних сигналів разом з їх хвильовими властивостями. Застосування розробленої математичної моделі дозволяє покращити характеристики виявлення оптичних сигналів в умовах спостереження космічних об’єктів за високим рівнем фонового випромінювання денного часу та сильним впливом атмосферної турбулентності на процес формування сигналів в астрономічних телевізійних системах. Математична модель сигналу дозволяє адекватніше описати процеси формування та реєстрації оптичних сигналів, що реєструються, за рахунок урахування статистичних характеристик сигнальної та фонової складових оптичного випромінювання та отримати більш адекватні оцінки характеристик виявлення оптичних сигналів в астрономічних телевізійних системах у сутінковий та денний час за критерієм відношення сигнал/шум і за умовними імовірнісними характеристиками виявлення.
Розроблені алгоритми просторової та просторово-часової обробки вихідних сигналів дозволяють створити виявник з поліпшеними характеристиками виявлення оптичних сигналів, який є складовою частиною астрономічної телевізійної системи. Використання такого виявника у складі існуючих і перспективних астрономічних телевізійних систем дозволить суттєво розширити їх пошукові можливості за рахунок використання сутінкового та денного часу доби для проведення сеансів спостереження космічних об’єктів та елементів космічного сміття, що дасть можливість покращити характеристики оптико-електронних систем моніторингу космічного простору. Це підтверджується результатами експериментальних досліджень, імітаційного моделювання та актами реалізації.
Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що є суттю дисертаційної роботи і знайшли відображення в пунктах новизни, наукового і практичного значення, отримані автором самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві, особистий внесок здобувача такий:
У роботі [1] запропоновано структуру одноканального виявника низькоорбітальних космічних об’єктів в оптико-електронних засобах телевізійного типу контролю космічного простору у сутінковий та денний час.
У [2] розглянуто вплив мультиплікативних перекручень, які виникають при розповсюдженні сигналу через турбулентну атмосферу, на виявну здатність оптико-електронних станцій у сутінкових та денних умовах. Запропоновано метод післядетекторної обробки сигналу, який дозволяє підвищити відношення сигнал/шум.
У [3] складено математичну модель сигналу у вихідній площині оптико-електронної системи телевізійного типу контролю космічного простору, побудовану на сумісному використанні хвильових та корпускулярних властивостей оптичних сиг-налів. Отримані вирази для логарифма відношення правдоподібності, середнього значення та дисперсії завадової складової та адитивної суміші завадової та сигнальних складових. Отримано аналітичний вираз для відношення сигнал/шум.
У [4] запропоновано застосувати математичну модель, яка заснована на спільному використанні хвильових та корпускулярних теорій світла та статистичної теорії випадкових потоків для вирішення задачі кутового розрізнення близько розташованих зображень космічних об’єктів в оптико-електронних системах контролю космічного простору.
У [5] запропоновано структуру імітаційної моделі квазіоптимального виявника сигналів та проведено дослідження величини відношення сигнал/шум та умовної імовірності правильного виявлення при фіксованому значенні умовної імовірності хибної тривоги від розміру квазіоптимального стробу.
Апробації результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 13 наукових та науково-практичних конференціях: Международная конференция “Космическая защита Земли - 2000”(КЗЗ-2000), Евпатория, 2000; 7-ма Міжнародна конференція “Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації”, Туапсе, 2001; 2-я Международная научно-техническая конференция “Проблемы информатики и моделирования”, Харьков, 2002; CAMMAC 2002 International Conference: Vinnitsa, 2002; Международная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. Харьков, ХНУРЭ, 2003; VI Международная молодежная научно-практическая конференция “Человек и космос”, Днепропетровск, НЦАОМУ, 2004; Международная научная конференция “Astronomy in Ukraine –past, present and future”, Киев, ГАО НАНУ, 2004; Международная научная конференция “Research of Artificial and Natural NEOs and Other Solar System Bodies”Николаев, НАО, 2004; 9-я Международная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”, Харьков – Туапсе, ХНУРЭ, 2004; 2-й Международный радиоэлектронный форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития”(МРФ-2005), Харьков, АН ПРЭ, ХНУРЭ, 2005; Международная конференция “Расширение сотрудничества в наземных астрономических исследованиях государств юго-восточной Европы. Изучение объектов околоземного пространства и малых тел солнечной системы”, Николаев, НАО, 2006; Седьмая Украинская конференция по космическим исследованиям, Евпатория, НЦУИКС, 2007; Міжнародна наукова конференція “Сучасні проблеми астрономії”, Одеса, 2007.
Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 20 наукових праць, з яких 6 статей у фахових наукових журналах та збірниках наукових праць і 14 тез доповідей на науково-технічних та науково-практичних конференціях.
Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації становить 172 сторінки, список використаних джерел містить 115 найменувань на 11 сторінках, має 70 ілюстрацій, 2 додатки на 3 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, проведено стислий огляд стану проблеми, визначені задачі дослідження, зв’язок із програмами і темами НДР, сформульована мета роботи, розв’язувані науково-технічні задачі і визначені наукова новизна та практична значущість роботи, визначений особистий внесок здобувача в опублікованих роботах, дана інформація про публікації та апробації результатів дисертаційних досліджень.
У першому розділі розглянуто питання, пов’язані з дослідженням астрономічних телевізійних систем та фізичних процесів, що відбуваються при реєстрації оптичних сигналів від космічних об’єктів у сутінковий та денний час.
Аналіз даних каталогу NORAD з урахуванням параметрів орбіт відомих низькоорбітальних космічних об’єктів (апогею, перигею, ексцентриситету, нахилення, довготи висхідного вузла) показує, що їх блиск в основному знаходиться в межах від 3 до12 зоряних величин.
При спостереженні низькоорбітальних космічних об’єктів використовуються режим супроводження і режим виявлення. В режимі супроводження забезпечується нерухомість зображення об’єкта у площині реєстрації. З точки зору хвильової теорії світла, просторовий розподіл освітленості , що створюється точковим безкінечно віддаленим об’єктом, у площині реєстрації є результатом дифракції Фраунгофера на вхідному отворі і для прямокутної вхідної апертури з розмірами і , у телевізійній системі координат описується виразом (1) та наведений на рис. 1.
. (1)
Денні умови спостереження космічних об’єктів характеризуються високим рівнем яскравості неба, який обумовлює суттєвий внесок фонової складової у вихідний сигнал фотоприймача. При цьому виявлення сигналу від космічного об’єкта відбувається за наявності сильної адитивної завади, рівень якої може перевищувати рівень сигналу, що виявляється, на 6 –8 порядків та призводити до насичення фотоприймача і, як наслідок, до часткової або навіть повної втрати інформації, яка міститься в оптичному сигналі від об’єкта, що спостерігається.
З точки зору корпускулярної теорії світла фонове випромінювання можна уявити як випадковий процес приходу фотонів від протяжного джерела, кутові розміри якого співпадають з полем зору астрономічної телевізійної системи. Цей процес можна вважати рівномірним за простором в межах поля зору та стаціонарним за час експозиції.
Залежність кількості фотонів () від об’єкта блиском , що реєструються фотоприймачем, та кількості фотонів фонового випромінювання від блиску однієї квадратної кутової секунди (), наведено на рис. 2 та рис. 3 відповідно.
Денна атмосфера є турбулентним середовищем з надзвичайно мінливими оптичними властивостями, обумовленими варіаціями газового складу, флуктуаціями щільності газів, температури, рухом газових мас, ступенем запилення та іншими чинниками. Ці чинники у сукупності призводять до локальних випадкових змін коефіцієнту прозорості і показника переломлення середовища уздовж траси розповсюдження оптичного випромінювання від космічного об’єкта, що спостерігається, які проявляються у змінах енергетичних та просторово-часових параметрів сигналу в площині реєстрації, зокрема до мультиплікативних перекручень. Вплив турбулентної атмосфери на структуру сигналу, що приймається, характеризується параметром Фріда –радіусом кореляції атмосферних перекручень. Середній розмір усередненого зображення точкового джерела визначається виразом , де – довжина хвилі оптичного випромінювання, – фокусна відстань оптичної системи. Величина параметра змінюється впродовж доби від 30 –см уночі до 3 –см удень. Це призводить до збільшення розміру зображення точки у фокальній площині оптичної системи у десятки разів.
При реєстрації оптичних сигналів від космічних об’єктів у сутінкових та денних умовах кількість сигнальних фотонів, які реєструються одним елементом розділення, може зменшуватися до трьох порядків у залежності від значення параметра . Залежність кількості фотонів від блиску об’єкта для різних значень для режиму супроводження наведено на рис. 4.
Перелічені чинники призводять до суттєвого зниження амплітуди сигнальної складової, яка формується одним елементом розрізнення фотоприймача. Амплітуда фонової складової при цьому залишається незмінною. Наслідком цього є те, що описані в літературі методи енергетичного виявлення сигналів від космічних об’єктів в астрономічних телевізійних системах, засновані на пороговій обробці сигналу кожного елемента розрізнення, не дозволяють ефективно виявляти сигнали від низькоорбітальних космічних об’єктів у сутінковий та денний час.
У розділі проведено оцінку ефективності традиційних методів виявлення сигналів в астрономічних телевізійних системах за критерієм величини відношення сигнал/шум, яка розраховувалася згідно з виразом
, (2)
де – середня кількість фотонів від об’єкта, що виявляється;
– середня кількість фотонів фонового випромінювання.
Аналіз залежності величин, що входять у (2), від значення параметра показав, що відношення сигнал/шум на виході порогового виявника у денних умовах знижується, як у порівнянні з нічними умовами.
На рис. 5 наведено залежність відношення сигнал/шум для одного елемента розрізнення від блиску однієї квадратної кутової секунди фону для блиску об’єкта для різних значень параметру для режиму супроводження.
При спостереженні космічних об’єктів астрономічними телевізійними системами в денних умовах у режимі супроводження при з використанням порогового виявника можливим є виявлення з відношенням сигнал/шум тільки об’єктів, блиск яких не перевищує .
У другому розділі розроблено метод виявлення оптичних сигналів від космічних об’єктів в астрономічних телевізійних системах в денний час.
Основою для розробки методу виявлення сигналів від космічних об’єктів в денних умовах є математична модель, складена на основі положень хвильової та корпускулярної теорії світла, теорії випадкових процесів, яка встановлює зв’язок між параметрами вхідних оптичних сигналів та характеристиками сигналів у вихідній площині астрономічної телевізійної системи.
Хвильовий опис дозволяє отримати розподілення сигнальної складової у фокальній площині оптичної системи згідно з (1). Корпускулярна теорія світла описує оптичне випромінювання як випадковий потік фотонів. Кожна з областей площини реєстрації взаємодіятиме протягом часу реєстрації з оптичним випромінюванням, яке є випадковим дискретним потоком фотонів (рис. 6), інтенсивність якого (в фотонах/сек) при має вигляд:
. (3)
За допомогою хвильової теорії можна отримати тільки середнє значення інтенсивності оптичного сигналу в області , якого можна досягнути лише при безкінечно великому часі реєстрації. Виходячи з корпускулярних властивостей світлових потоків, інтенсивність і, як наслідок, просторовий розподіл інтенсивності сигнальної складової в площині фотоприймача, отриманий за кінцевий час реєстрації, буде випадковим. На рис.7 зображено реалізацію сигнальної складової, на рис. 8 –реалізацію фонової складової.
Фотоприймач здійснює перетворення потоків сигнальних та фонових фотонів в потоки носіїв зарядів та . В силу квантової природи оптичного сигналу і квантового характеру взаємодії світла з речовиною, закони розподілення кількості фотонів в оптичному сигналі і кількості носіїв зарядів однакові. Тому вихідний сигнал фотоприймача містить інформацію про статистичні параметри оптичних сигналів.
Для опису вихідного сигналу фотоприймача площину реєстрації розділено на елементарних областей розміром:
. (4)
У кожній елементарній області за час накопичення відбудеться генерація зарядів. Середнє значення кількості зарядів у випадках, коли в реалізації присутні тільки завадова або тільки сигнальна складові описуються виразами:
, (5)
де та – середні швидкості підрахунку сигнальних і завадових зарядів відповідно за одиницю часу на одиничній площині.
Потоки носіїв зарядів та мають пуасонівську статистику.
Функція, яка описує середнє значення кількості носіїв зарядів у площині фотоприймача, має вигляд:
. (6)
З урахуванням пуасонівської статистики кількості носіїв зарядів отримані вирази для багатовимірного закону розподілу імовірності для завадової складової та адитивної суміші сигнальної та завадової складових.
Вираз для відношення правдоподібності отримано у вигляді
. (7)
Використання умови , виконання якої характерно у денних умовах, дозволило отримати вираз для логарифма відношення правдоподібності:
, (8)
де ; (9)
. (10)
Отримані вирази для середнього значення та дисперсії величини (9) для випадків, коли прийнята реалізація складається тільки з завадової складової та коли вона є адитивною сумішшю сигнальної та завадової складових:
; (11)
; (12)
; (13)
(14)
Розроблено алгоритм виявлення сигналів від космічних об’єктів у вихідній площині астрономічної телевізійної системи, структуру якого наведено на рис. 9.
Проведено розрахунок відношення сигнал/шум на виході виявника, що реалізує алгоритм, наведений на рис. 9, (15) та умовні імовірності хибної тривоги (16) та правильного виявлення (17). Оскільки кількість фотонів сигнальної (рис. 2) та завадової (рис.3) складових велика, розподіл цих величин можна апроксимувати нормальним законом розподілення.
. (15)
. (16)
. (17)
Результати розрахунку відношення сигнал/шум для наведено на рис. 10, а умовної імовірності правильного виявлення при –на рис. 11.
Аналіз, проведений у другому розділі, показав, що відношення сигнал/шум на виході виявника, що реалізує запропонований алгоритм виявлення, збільшується у разів в денних умовах у порівнянні з традиційними пороговими виявниками.
У третьому розділі проведено аналіз впливу зсуву зображення низькоорбітального космічного об’єкта у фокальній площині оптичної системи за час формування телевізійного кадру на показники якості виявлення сигналу.
У режимі виявлення зображення космічного об’єкта у телевізійному кадрі має форму сліду, сформованого за час експозиції. Розмір сліду залежить від висоти орбіти космічного об’єкта, взаємного розташування площини орбіти та астрономічної телевізійної системи, а також від зенітного кута, під яким спостерігається об’єкт. Залежність довжини сліду, сформованого в одному телевізійному кадрі, від висоти кругової орбіти космічного об’єкта, що спостерігається в зеніті, наведено на рис. 12.
Збільшення площини зображення об’єкта на світлочутливій поверхні фотоприймача, що виникає при зміщенні об’єкта за час експозиції, призводить до суттєвого зменшення амплітуди сигналу, що формується елементами розрізнення фотоприймача під дією оптичного випромінювання від космічного об’єкта. Наслідком зміни просторового розподілення сигнальної складової є те, що якість виявлення сигналу в астрономічній телевізійній системі у режимі виявлення буде нижчою, ніж у режимі супроводження, в однакових умовах спостереження.
У режимі виявлення площина зображення об’єкта залежить не тільки від параметра , а й від довжини сліду, зумовленої висотою орбіти . Залежність кількості фотонів, що реєструється одним елементом розділення фотоприймача у режимі виявлення для різного блиску об’єкта, наведено на рис.13.
На рис. 14 наведено залежність відношення сигнал/шум для одного елемента розрізнення від блиску однієї квадратної кутової секунди фону для блиску об’єкта , значення параметра , різних значень висоти орбіти для режиму виявлення.
У денних умовах застосування порогового виявника при виявленні сигналів від космічних об’єктів у режимі виявлення неефективне, тому що значення відношення сигнал/шум для об’єктів, блиском слабшим ніж , для денної завадової обстановки (сукупність адитивних перешкод та мультиплікативних перекручень) не перевищують .
Амплітуда сигнальної складової у випадку розташування сліду паралельно одній з осей телевізійної системи координат описується виразом так:
, (18)
де - швидкість зсуву зображення об’єкту у площині реєстрації.
Просторовий розподіл сигнальної складової, отриманий згідно з хвильовою теорією світла, наведений на рис. 15. Застосування корпускулярних уявлень про структуру оптичного випромінювання дозволяє уявити сигнальну складову, як реалізацію випадкового процесу приходу фотонів (рис. 16).
Отримано вираз для логарифму відношення правдоподібності при виявленні сигналів від низькоорбітальних космічних об’єктів в режимі виявлення:
, (19)
де ; (20)
. (21)
Отримані вирази для середнього значення та дисперсії величини (20) для випадків, якщо прийнята реалізація складається тільки з завадової складової і якщо вона є адитивною сумішшю сигнальної та завадової складових:
; (22)
; (23)
; (24)
(25)
Структурну схему алгоритму виявлення сигналів від низькоорбітальних космічних об’єктів в астрономічних телевізійних системах наведено на рис. 17.
Отримано вираз для величини відношення сигнал/шум на виході виявника, що реалізує алгоритм (рис.17), (26). На рис. 18 наведно залежність відношення сигнал/шум від висоти орбіти об’єкта для та при різних значеннях .
. (26)
Розраховані умовні імовірності хибної тривоги та правильного виявлення згідно з виразами (16) та (17) з використанням (22)–(25) для (рис. 19).
Аналіз виразів (15) та (26) показав, що відношення сигнал/шум на виході запропонованого алгоритму для режиму виявлення у порівнянні з режимом супроводження об’єкта буде менше. Вплив швидкості зсуву зображення об’єкта у площині фотоприймача на це зменшення характеризується виразом
. (27)
Влив радіуса кореляції атмосферних неоднорідностей на відношення сигнал/шум у режимі виявлення можна оцінити, підставивши в (27) значення та записавши відношення вихідного виразу до отриманого:
. (28)
Аналіз залежності (28) з урахуванням того, що у денних умовах у режимі виявлення розмір зображення космічного об’єкта визначається параметром та швидкістю зсуву зображення об’єкта в фокальній площині, показав, що зменшення відношення сигнал/шум на виході запропонованого виявника у денних умовах при малих збільшується у разів у порівнянні з виявленням за допомогою традиційних порогових виявників.
У четвертому розділі наведено результати розробки практичних рекомендацій з побудови виявника оптичних сигналів від космічних об’єктів в астрономічних телевізійних системах при спостереженні у денний час та експериментальні дані.
Розроблено квазіоптимальні алгоритми виявлення сигналів від космічних об’єктів з урахуванням впливу дискретної структури вихідного сигналу фотоприймача за простором з кроком дискретизації, який дорівнює площині елемента розрізнення фотоприймача. Запропоновано просторове стробування вихідного сигналу. Просторові розміри стробу мають дорівнювати просторовому розміру центрального максимуму розподілення енергії оптичного випромінювання від об’єкта, який зумовлений величиною параметра . Проведено розрахунок відношення сигнал/шум на виході квазіоптимального виявника для режимів супроводження (рис. 20) та виявлення об’єктів (рис. 21).
З рис. 20, рис. 21, рис. 18 та рис. 10 видно, що квазіоптимальна обробка сигналів в астрономічних телевізійних системах покращує відношення сигнал/шум у порівнянні з традиційними пороговими виявниками і наближається до оптимального алгоритму при зростанні .
Проведено експериментальну перевірку запропонованих квазіоптимальних алгоритмів шляхом імітаційного моделювання для режиму супроводження обєктів (рис. 22) та режиму виявлення (рис. 23).
Результати експериментальної перевірки квазіоптимальних алгоритмів підтвердили працездатність та реалізованість запропонованих алгоритмів виявлення сигналів від космічних об’єктів в астрономічних телевізійних системах.
Виграш у відношенні сигнал/шум становить до 10 разів у порівнянні з традиційним методом порогового виявлення, що добре співпадає з теоретичними даними.
Проведено аналіз методів узгодження динамічних діапазонів фотоприймача та вхідного оптичного впливу. Стохастичне послаблення оптичних сигналів за допомогою нейтральних фільтрів призводить до зменшення відношення сигнал/шум у разів ( – коефіцієнт послаблення) у порівнянні неослабленим світловим потоком.
Сформульовані пропозиції з побудови астрономічних телевізійних систем спостереження космічних об’єктів у сутінковий та денний час.
Відзначено, що основну увагу слід приділяти умовам узгодження динамічного діапазону фотоприймача. Верхня межа динамічного діапазону фотоприймача має перевищувати освітленість, що створюється фоновим випромінюванням.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі була поставлена та вирішена актуальна науково-прикладна задача розробки методу виявлення сигналів від космічних об’єктів у вихідній площині астрономічної телевізійної системи при спостереженні у сутінкових та денних умовах.
Задачу вирішено на основі складеної в роботі удосконаленої математичної моделі сигналів в астрономічній телевізійній системі, побудованої на сумісному використанні положень геометричної, хвильової та корпускулярної теорії світла та методів статистичної теорії обробки сигналів.
Використання вдосконаленої математичної моделі сигналів на відміну від традиційного підходу, заснованого на хвильовому уявленні про структуру оптичного випромінювання, дозволяє урахувати випадковий характер світлових сигналів та адекватніше описати сигнали в астрономічних телевізійних системах. Використання математичної моделі дозволяє оцінити такі важливі характеристики, як середнє значення, дисперсія сигнальної та завадової складових, величину відношення сигнал/шум на виході виявника.
Розроблені на основі статистичної теорії обробки сигналів та запропонованої математичної моделі сигналів удосконалені алгоритми виявлення сигналів від космічних об’єктів у астрономічних телевізійних системах у сутінковий та денний час, які враховують зміни просторової структури сигнальної складової у площині реєстрації, що викликані впливом характеристик турбулентної атмосфери, дозволяють оптимальним чином здійснювати виявлення сигналів від космічних об’єктів у денних умовах та розробити структурні схеми оптимальних та квазіоптимальних виявників сигналів. Алгоритми виявлення розроблено для режиму супроводження об’єкта та режиму первинного виявлення об’єкта.
Експериментальні дослідження показали, що практичне використання запропонованих алгоритмів дозволяє підвищити проникну здатність астрономічних телевізійних систем в денних умовах з , що забезпечується традиційними пороговими виявниками, до . Це дозволяє збільшити тривалість добового сеансу спостереження космічних об’єктів з десятків хвилин до тривалості денного часу.
Розроблені рекомендації щодо побудови астрономічної телевізійної системи виявлення сигналів від космічних об’єктів у сутінковий та денний час дозволяють створити досконаліші системи, що мають більший динамічний діапазон, забезпечують більш високі показники якості виявлення сигналів та мають менше обмежень за часом доби. Використання таких систем, як елемента системи контролю космічного простору України, дозволить покращити якість вирішення завдань моніторингу космічного простору.
ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
АНОТАЦІЯ
Литюга О.П. Виявлення сигналів від космічних об’єктів в астрономічних телевізійних системах у сутінковий та денний час. –Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціаль-ністю 05.12.17 –радіотехнічні та телевізійні системи. –Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2007.
У дисертаційній роботі була поставлена та вирішена актуальна науково-прикладна задача розробки методу виявлення оптичних сигналів від космічних об’єктів в астрономічних телевізійних системах у сутінковий та денний час.
Проведено аналіз сигналів від космічних об’єктів, денних умов спостереження та процесів формування, реєстрації та виявлення сигналів в астрономічних телевізійних системах.
Запропоновано математичну модель сигналів в астрономічних телевізійних системах, засновану на спільному використанні корпускулярних та хвильових властивостей оптичних сигналів. Модель враховує статистичні властивості оптичних сигналів від космічних об’єктів. Отримано аналітичні вирази для середнього значення, дисперсії сигнальної та завадової складових, відношення сигнал/шум та умовних імовірностей правильного виявлення та хибної тривоги.
Розроблено оптимальні та квазіоптимальні алгоритми виявлення оптичних сигналів від космічних об’єктів в астрономічних телевізійних системах, побудовані з урахуванням статистичних властивостей оптичних сигналів та впливу завадової обстановки сутінкового та денного часу на процес виявлення.
Розроблено рекомендації щодо побудови астрономічної телевізійної системи, яка дозволяє підвищити характеристики виявлення сигналів від космічних об’єктів у сутінковий та денний час. Працездатність запропонованих алгоритмів підтверджена експериментально. Показано, що використання запропонованих алгоритмів дозволяє підвищити проникну здатність астрономічних телевізійних систем в денних умовах з , що забезпечується традиційними пороговими виявниками, до .
Ключові слова: астрономічна телевізійна система, космічний об’єкт, денні умови спостереження космічних об’єктів, оптичний сигнал, виявлення оптичних сигналів.
ABSTRACT
Lytyuga O.P. Detection of signals from cosmic objects in astronomical television systems in twilight and day-time. –Manuscript.
The dissertation on competition of scientific degree of candidate of technical sciences by specialty 05.12.17 – Radiotechnical and television systems. –Kharkiv National University of Radioelectronics, Kharkiv, 2007.
The topical scientific engineering task of method development for signals from cosmic objects detection in astronomical television systems in twilight and day-time is set and solved in the dissertation work.
Signals from cosmic objects, day-time conditions of observation as well as processes of forming, registration and detection of signals in astronomical television systems were investigated. Elaborated mathematical model of signals in astronomical television systems based on combined application of optical signals corpuscular and wave properties is proposed. Statistical properties of optical signals from cosmic objects are taken into consideration in the model. Analytic expressions for signal and noise central tendency and dispersions as well as signal/noise ratio and probabilities of correct detection and false alarm are obtained.
Optimal and quasioptimal detection algorithms built with taking into consideration statistical characteristics of optical signals and influence of twilight and day-time interference situation for optical signals from cosmic objects in astronomical television systems are developed. It is shown that usage of proposed algorithms will allow increasing the astronomical television system’s limit magnitude in day-time from which supported by conventional threshold detectors up to .
Recommendations for constructing of astronomical television systems which possesses high characteristics of signal from cosmic objects detection in twilight and day-time are given. Working capacity of proposed algorithms is justified by means of experiment.
Keywords: astronomical television systems, cosmic object, day-time conditions of cosmic objects observation, optical signal, optical signal detection.
АННОТАЦИЯ
Лытюга А.П. Обнаружение сигналов от космических объектов в астрономических телевизионных системах в сумеречное и дневное время. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 –радиотехнические и телевизионные системы. –Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2007.
В диссертационной работе была поставлена и решена актуальная научно-прикладная задача разработки метода обнаружения оптических сигналов от космических объектов в выходной плоскости астрономической телевизионной системы при наблюдении в сумеречных и дневных условиях.
Проведен анализ методов построения астрономических телевизионных систем. Рассмотрены структура и основные характеристики астрономических телевизионных систем на примере существующих систем, использующихся в ведущих обсерваториях нашей страны. Проведен анализ характеристик низкоорбитальных космических объектов, как объектов наблюдения с помощью астрономических телевизионных систем. Проанализирована пространственная структура сигнальной составляющей в плоскости регистрации в различных режимах наблюдения космических объектов: в режиме сопровождения и в режиме обнаружения. Рассмотрена помеховая обстановка сумеречного и дневного времени. Проведен расчет величины отношения сигнал/шум на выходе обнаружителя, использующего традиционные пороговые методы обнаружения сигналов в ночных, сумеречных и дневных условиях наблюдения.
Предложена математическая модель сигналов в выходной плоскости астрономической телевизионной системы, основанная на совместном использовании положений геометрической волновой и корпускулярной теории света, теории случайных потоков, устанавливающая связь между параметрами входных оптических сигналов и характеристиками сигналов в выходной плоскости астрономической телевизионной системы. Модель позволяет учесть случайный характер оптических сигналов и служит основой для разработки метода обнаружения сигналов от космических объектов в сумеречных и дневных условиях.
Волновое описание сигналов использовано для получения среднего значения интенсивности оптического сигнала в плоскости регистрации, достижимого лишь при бесконечном времени регистрации сигнала. Корпускулярное описание световых потоков использовано для описания пространственного распределения интенсивности сигнальной составляющей в плоскости регистрации, полученного за конечное время регистрации, и статистических свойств сигналов в выходной плоскости астрономической телевизионной системы.
Получены аналитические выражения для среднего значения, дисперсии сигнальной и помеховой составляющих, отношения сигнал/шум на выходе обнаружителя и условных вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги. Выражения получены для режима сопровождения объекта, реализуемого при наличии априорной информации о параметрах орбиты наблюдаемого объекта, и для режима обнаружения объекта, т.е. при отсутствии априорной информации об объекте.
На основе статистической теории обработки сигналов и предложенной математической модели разработаны оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы обнаружения сигналов от космических объектов в астрономических телевизионных системах в сумеречное и дневное время, учитывающие пространственные изменения сигнальной составляющей в плоскости регистрации, вызванные влиянием изменений характеристик турбулентной атмосферы на структуру распространяющегося сигнала. Разработаны алгоритмы обнаружения для режима сопровождения объекта и режима первичного обнаружения объекта. Проведен расчет величины отношения сигнал/шум и вероятностных характеристик обнаружения для разработанных алгоритмов.
Проведена экспериментальная проверка предложенных квазиоптимальных алгоритмов путем имитационного моделирования для режима сопровождения и режима первичного обнаружения, подтвердившая работоспособность и реализуемость предложенных алгоритмов обнаружения сигналов в астрономических телевизионных системах.
Выигрыш в отношении сигнал/шум составляет до 10 раз по сравнению с традиционным методом порогового обнаружения.
Показано, что использование предложенных алгоритмов позволяет повысить проницающую способность астрономических телевизионных систем в дневных условиях с , что обеспечивается традиционными пороговыми обнаружителями, до .
Сформулированы предложения по построению астрономической телевизионной системы для обнаружения сигналов от космических объектов при наблюдении в сумеречное и дневное время.
Реализация предложенных алгоритмов позволит существенно повысить качество обнаружения сигналов от космических объектов в сумеречных и дневных условиях и тем самым расширить возможности астрономических телевизионных систем, как элемента системы контроля космического пространства Украины.
Ключевые слова: астрономическая телевизионная система, космический объект, дневные условия наблюдения космических объектов, оптический сигнал, обнаружение оптических сигналов.
Підп. до друку 13.02.08. Формат 60х841/16. Спосіб друку –ризографія.
Умов. друк. арк. 1,2. Тираж 100 прим.
Зам. № 2-137. Ціна договірна.
|
ХНУРЕ, 61166, Харків, просп. Леніна, 14 |
Віддруковано в навчально-науковому
видавнично-поліграфічному центрі ХНУРЕ
Харків, просп. Леніна, 14