Aumentar la eficiencia del desarrollo de dispositivos de visión nocturna.
VOLKOV Viktor Genrikhovich, candidato de ciencias técnicas, profesor asociado
AUMENTAR LA EFICIENCIA DEL DESARROLLO DE LA VISIÓN NOCTURNA
Como es sabido, los dispositivos de visión nocturna (NVD) se utilizan ampliamente en equipos especiales para observar y apuntar al anochecer y de noche. Sin embargo, su base de elementos nacionales todavía está por detrás de la extranjera en términos de parámetros. Por lo tanto, para crear NVD competitivos, la única posibilidad es desarrollar soluciones de circuitos racionales originales que compensen las deficiencias de la base de elementos.
Actualmente, existe un número significativo de tipos de NVD. basados en convertidores electrón-ópticos (EOC), dispositivos de visión nocturna de pulso activo, sistemas de televisión de bajo nivel (NTV), dispositivos de imágenes térmicas (TPV) (foto 1) [1].
a – NVD basado en intensificador de imágenes;
b – sistema NTV;
en – AI NVD;
g – AI TV NVD;
d – dispositivo TPV;
e – telémetro láser
Foto 1. Aspecto de los dispositivos de visión nocturna típicos:
Para diseñar esquemas racionales de NVD, es necesario determinar desde qué posiciones se debe evaluar la racionalidad de construir estos esquemas. El principal signo de la racionalidad del esquema es, ante todo, el grado de satisfacción de los requisitos del cliente, es decir Requisitos básicos de las especificaciones técnicas para dispositivos de visión nocturna. Otra característica importante es el coste, que no debe exceder los fondos asignados por el cliente. Tales características también deben incluir el tiempo requerido para el desarrollo, la preparación de la producción y esta producción en sí, el grado de preparación para dominar los esquemas NVD, la posibilidad de crear un diseño simple y tecnológicamente avanzado de acuerdo con estos esquemas, la posibilidad de soporte metrológico. , confiabilidad operativa, grado de satisfacción de los requisitos operativos, ergonomía, mantenibilidad, capacitabilidad del personal de mantenimiento, grado de uso de elementos base extraños. Los principales requisitos de las especificaciones técnicas incluyen el rango de reconocimiento (detección) cuando los dispositivos de visión nocturna funcionan en modo pasivo, activo o de pulso activo, el rango de detección de un objeto de observación por deslumbramiento, el ángulo del campo de visión en modo pasivo. , modos activo o de pulso activo, precisión de la medición del rango, grado de protección contra interferencias de luz, dimensiones (volumen), peso, consumo de energía, tiempo de funcionamiento continuo en varios modos de funcionamiento.
De acuerdo con lo anterior, el grado de racionalidad del esquema (RS) puede determinarse mediante la fórmula
RS = RTZa x Sat x VRv x VPPg x VPd x SGPe x VTKzh x VMOz x SETi x SENK x SERl x SRMm x SON x SIZBO, (1)
donde RTZ es la racionalidad del esquema desde el punto de vista del cumplimiento de los requisitos de las especificaciones técnicas;
C — costo;
VR — tiempo para desarrollar NVD;
VPP — tiempo para prepararse para la producción;
VP — tiempo para la producción;
SGP — el grado de preparación de la producción para el desarrollo del esquema NVG;
VTK — la posibilidad de crear un diseño tecnológicamente avanzado y simple basado en el esquema NVG;
VMO — la posibilidad de soporte metrológico;
SET — el grado de satisfacción de los requisitos operativos de resistencia a influencias mecánicas, climáticas y especiales;
SEN — grado de confiabilidad operativa;
SER — grado de ergonomía;
SRM — grado de mantenibilidad;
SO — grado de formación del personal de mantenimiento;
SIZB es el grado de uso de la base de elementos extraños.
RTZ está determinado por la fórmula
RTZ = DRPp x DRAr x DOPS x DOAT x DOBU x UPZPf x UPZAkh x TIDts x Pch x Osh x Msh x Ee VPyu x VAYa, (2)
donde DRP es el rango de reconocimiento cuando el NVD está funcionando en modo pasivo;
DRA es el reconocimiento rango cuando el NVD está funcionando en modo de pulso activo (activo);
DOP – rango de detección cuando los NVG operan en modo pasivo;
DOA: rango de detección cuando el NVG está funcionando en modo activo (pulso activo);
DOB: rango de detección de un objeto de observación basado en el deslumbramiento;
UPZP: ángulo del campo de visión cuando el NVG está funcionando en modo pasivo;
UPZA – ángulo del campo de visión cuando el NVD funciona en modo activo (pulso activo);
TID – precisión de la medición del rango;
P – grado de protección contra la luz interferencia;
O – volumen (dimensiones) de AI NVG;
M – masa de NVG AI;
E – consumo de energía de NVG AI;
VP – tiempo de funcionamiento continuo de NVG en modo pasivo;
VA – tiempo de funcionamiento continuo del NVD en modo activo (pulso activo).
Los exponentes de todos los componentes de las fórmulas (1, 2) se asignan en un sistema de puntos basado en el resultados del análisis de las necesidades del cliente y procesamiento de datos estadísticos, datos de encuestas de expertos. Dependiendo de la naturaleza del uso de los dispositivos de visión nocturna, los componentes individuales de las fórmulas (1, 2) se pueden combinar u omitir.
De la posibilidad de crear y utilizar un esquema NVD construido racionalmente, se deriva lógicamente la posibilidad de crear y utilizar racionalmente la base de elementos principales de NVG. Al mismo tiempo, el grado de racionalidad de la base elemental utilizada en AI NVD se puede evaluar mediante la fórmula
RE = FD x FVEb x ODv x VOg x VD x OTe x VUzh x VRz x SHTi x Vk x El x SEM , (3)
donde FD es la accesibilidad física del elemento base;
FVE es la posibilidad real de su funcionamiento en los modos permitidos por las especificaciones;
OD es la ausencia de elementos y materiales escasos ;
VO — la posibilidad de utilizar elementos básicos domésticos;
VZ — la capacidad de reemplazar rápidamente elementos básicos usados;
OT — ausencia de toxicidad, lo que complica la tecnología de fabricación e instalación, la configuración, el funcionamiento y el almacenamiento y eliminación;
VU — la posibilidad de eliminación simple de elementos usados;
SHT — la complejidad del almacenamiento y transporte;
V — la posibilidad de eliminar el peligro de robo y vandalismo;
E — estética y ergonomía;
SE — el coste de las bases de un elemento.
Los exponentes de los componentes de la fórmula se asignan según un sistema de puntos basado en el resultado del análisis del esquema NV racional y las estadísticas de la encuesta de expertos.
Sin embargo, para garantizar el funcionamiento y la multifuncionalidad las 24 horas y en todas las condiciones climáticas, las capacidades de un dispositivo de visión nocturna no son suficientes. En este sentido, se requiere la creación de dispositivos de visión nocturna multicanal. Permitirán resolver problemas de mayor complejidad en una variedad de condiciones externas, donde las capacidades de los NVG de un solo canal son limitadas, y en los NVD multicanal, las desventajas de un canal se compensan con las ventajas de otro [1 ]. Consideremos primero las capacidades de los NVG de un solo canal.
Los NVG pasivos y pasivo-activos basados en tubos intensificadores de imagen y sistemas de TV de bajo nivel son bastante simples, relativamente baratos, pero no pueden al funcionar con un nivel reducido de iluminación nocturna natural (NIL), la transparencia de la atmósfera se deteriora y, cuando se expone a interferencias de luz, no proporciona una medición precisa de la distancia al objeto.
Los sistemas de televisión de bajo nivel (NTV) proporcionan transmisión y duplicación remota de imágenes, permiten el procesamiento de imágenes digitales en tiempo real, la introducción de texto, símbolos e información digital en un canal electrónico, facilitan la observación, pero tienen un alcance más corto que los basados en NVD. en tubos intensificadores de imagen y tienen todas sus desventajas.
Los NVG de pulso activo (AI NVG) no tienen estas desventajas, brindan inmunidad al ruido y una medición de rango precisa, pueden incluir un canal de televisión, pero no funcionan en todas las nieblas, no funcionan en condiciones de humo, tienen un campo de visión limitado en condiciones activas. modo pulso, no proporciona búsqueda en él y desenmascara la ubicación de los NVG, más caros que los sistemas pasivos NVG y NTV.
Los dispositivos de imágenes térmicas (TPV) funcionan en cualquier nivel de ENO, con transparencia reducida de la atmósfera, en humo y en presencia de muchas interferencias luminosas, pero no funcionan en todas las nieblas y no están protegidos de todas las interferencias, no proporcionan mediciones de rango precisas, sus capacidades dependen del nivel de contrastes naturales de temperatura, los dispositivos son más complejos y costosos que todos los dispositivos enumerados anteriormente y a menudo requieren enfriamiento criogénico.
En los NVD multicanal, a diferencia de los NVD monocanal, las principales desventajas de estos últimos deben superarse o minimizarse. Gracias a esto, los NVG multicanal deberían proporcionar mayores rangos de acción (detección y reconocimiento) en presencia de un ángulo de campo de visión aceptable para una búsqueda y detección efectivas, operación en todo clima y las 24 horas, operación en condiciones de interferencias de luz, polvo y humo, medición de alcance, coordenadas, velocidad de movimiento del objeto de observación. La construcción de un dispositivo de visión nocturna multicanal debe ser modular y prever su adaptabilidad en términos de capacidad para trabajar en una amplia gama de cambios en las condiciones externas.
El objetivo final del desarrollo de este tipo de NVG es crear un sistema totalmente integrado en el que la imagen se sintetice basándose en el análisis de señales de varios canales. Esta es la base para crear un sistema totalmente automatizado como parte integral de un complejo robótico.
Los principales métodos para desarrollar NVG multicanal se pueden reducir a los siguientes.
1. La cantidad de canales individuales incluidos en un sistema multicanal debe ser mínima; su cantidad y tipo están determinados por los requisitos específicos del sistema.
2. Los canales deben seleccionarse según su principio de construcción física de tal manera que las desventajas de un canal sean compensadas por las ventajas de otro.
3. El diseño de un sistema multicanal debe permitir el funcionamiento independiente de los canales individuales.
4. El proceso de formación de la imagen debe realizarse en tiempo real.
5. Los canales individuales no deben crear interferencias eléctricas, electromagnéticas, mecánicas, ópticas o acústicas entre sí, así como inconvenientes de diseño mutuo.
6. La imagen final de la salida de todos los canales, así como la información y los símbolos alfanuméricos, deben mostrarse en un único indicador y presentarse en una forma ergonómicamente conveniente; Si es necesario, se debe proporcionar duplicación de información.
7. Para garantizar una alta calidad de imagen, la óptica de entrada de los canales heterogéneos en la región espectral debe estar lo más separada posible (a excepción del cristal protector de entrada y el espejo frontal); Si esto no es posible, entonces el sistema óptico multiespectral común a estos canales no debe reducir la calidad de la imagen a un nivel que no cumpla con las especificaciones del sistema.
8. Es necesaria una cuidadosa coordinación de los ejes ópticos (en la mayoría de los casos con una precisión de al menos 0,1 mrad), los ángulos del campo de visión y los aumentos de los canales individuales.
9. Si los canales funcionan alternativamente, su conmutación debe realizarse rápidamente y no debe interferir con el funcionamiento del sistema; El tiempo que tarda el sistema y sus canales individuales en entrar en modo está determinado por los requisitos técnicos específicos del sistema y se puede reducir operando componentes individuales en modo de espera (por ejemplo, sistemas de refrigeración para un fotodetector de canal TPV).
10. El trabajo en la creación de dispositivos de visión nocturna multicanal debe realizarse con el objetivo de automatizar el proceso de búsqueda, detección y reconocimiento de objetos.
11. La ventaja de un esquema de sistema multicanal específico en comparación con un prototipo o una solución técnica alternativa se establece con base en los resultados del cálculo de sus características probabilísticas y la relación eficiencia/costo; en este caso, el costo debe determinarse para etapas comparables de desarrollo de la muestra y el nivel de su producción. El criterio para la efectividad de un sistema multicanal es un aumento en el contenido de información de la imagen, lo que lleva a un aumento en el alcance manteniendo la probabilidad requerida de detección y reconocimiento, o un aumento en estas probabilidades, o una disminución en el tiempo para resolver el problema usando este sistema manteniendo las probabilidades y el rango requeridos.
Una característica generalizada de cualquier sistema es la probabilidad de visualización de objetos PS [2]:
PD = Pop Rob Pp, (4)
donde Pop, Rob, Pp son la probabilidad de orientación, detección y reconocimiento de un objeto, respectivamente.
Pop = Pop1 (E, t, P) + Pop2 (DT, t, P) — Pop1,2, (5)
Rob = Rob1 (D, E, t, t, P) + Rob2 (DT, D, t, t, P) — Rob1,2,
Рр = Рр1 (D, E, t, t, П) + Рр2 (DT, D, t, t, П) — Рр1,2,
donde Pop1, Pop2 son la probabilidad de orientación del terreno para un canal de onda corta (1) (por ejemplo, un canal en un tubo intensificador de imagen, TV de bajo nivel, AI TV, etc.) y, en consecuencia, (2) a canal de onda larga (por ejemplo, TPV). En la mayoría de los casos, los canales funcionan de forma independiente, y por tanto:
P1,2 = P1P2. (6)
La probabilidad POP depende del conjunto de parámetros del NVG P, el nivel de ENO E, la transparencia de la atmósfera t, el tiempo t para resolver un problema específico, el sector de búsqueda, las características de los orígenes y otros factores. Para canales de onda larga, la característica de energía es el contraste de temperatura DT.
El valor de PS está determinado por la visibilidad de objetos específicos en el terreno (grupos de árboles, edificios, colinas, etc.) y la línea del horizonte. El valor de РS se calcula mediante la fórmula:
РS = Р1 + Р2 > Р1 Р2 (7)
Las leyes diferencial e integral de distribución del rango de reconocimiento tienen la siguiente forma [2]:
donde D0.5 es el rango correspondiente a la probabilidad Рр = 0,
sa es la desviación estándar del tamaño angular resuelto por el sistema,
a es el tamaño del elemento resuelto en la superficie observada del objeto.
sD = D D0.5sa, (9 )
donde a es el tamaño angular del objeto de prueba, lo que proporciona una detección con una probabilidad de P = 0,5, sujeto a la observación correspondiente al reconocimiento del objeto;
sD es la desviación estándar del rango del sistema valor.
Por ejemplo, si cada canal tiene D = 900 m a РS = 0,5, entonces el sistema de dos canales tiene D = 1150 m. Cuando se utiliza un conjunto de características secundarias y se complementa una imagen con otras, el rango D aumenta en al menos 1,5. veces.
La especificidad del cálculo de sistemas multicanal es la selección de la resolución angular de los canales individuales, proporcionando una reducción menor en Rob y Pp para cada canal por separado en comparación con la requerida si los canales tienen rangos cercanos. La probabilidad de orientación siempre es mayor cuando se utiliza un dispositivo de visión nocturna multicanal. Si los canales tienen una diferencia de alcance demasiado grande, las funciones se redistribuyen entre ellos según el tamaño del ángulo del campo de visión. Un canal con un alcance más largo suele ser más estrecho y un canal con un alcance más corto es de campo amplio.
La ventaja es simplificar el sistema en su conjunto, aumentar Rob y Pp y, en consecuencia, para reducir el tiempo para resolver el problema.
La cuestión del aumento absoluto del coste de un sistema multicanal en comparación con el coste de los canales individuales no es tan grave como parece a primera vista. Por ejemplo, el uso de un canal TPV en un sistema, que resuelve únicamente problemas de búsqueda y detección en rangos operativos extremos, requiere el uso de un fotodetector con menor sensibilidad y resolución más gruesa, ópticas más simples, un canal electrónico menos complejo, etc. Todo esto reduce el costo, que puede reducirse aún más mediante la unificación de canales, el principio modular de su construcción y la creación de adaptadores especializados que proporcionen comunicación funcional entre módulos y canales individuales.
La combinación más exitosa es utilizar canales TPV y AI TV juntos en un sistema multicanal. Esta combinación garantiza un funcionamiento las 24 horas y en cualquier condición meteorológica, que también continúa en presencia de interferencias de luz, polvo y humo, y permite medir con precisión las distancias a los objetos observados, así como parámetros tan importantes como la velocidad de movimiento y coordenadas. En un sistema de este tipo, su adaptabilidad, la posibilidad de control automatizado de sus parámetros y el principio de diseño modular se pueden implementar con relativa facilidad. El uso de imágenes de canales NTV y TPV desde un único monitor de TV le permite pasar a un sistema integrado y el uso de una computadora adicional a un dispositivo totalmente automatizado.
Por tanto, existen oportunidades reales aumentar la eficiencia del desarrollo de NVD mediante la construcción racional de sus circuitos.
Foto 2. Un típico dispositivo multicanal
que contiene canales NTV, TPV y telémetro láser
Literatura
1. Geykhman I.L., Volkov V.G. Conceptos básicos para mejorar la visibilidad en condiciones difíciles. M.,: Nedra, 1999.
2. Aleshin B.S., Bondarenko A.B., Volkov V.G., Drab E.S., Tsibulkin L.M. Dispositivos ópticos para observación, procesamiento y reconocimiento de objetos en condiciones difíciles. M:, GNIIAS, 1999, 139 p.