СТРУКТУРА ОБОБЩЕННОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
И.П. Торшина, Ю.Г. Якушенков
1 ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ. ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 681.78.01
СТРУКТУРА ОБОБЩЕННОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
И.П. Торшина, Ю.Г. Якушенков
Описывается структура обобщенной компьютерной модели оптико-электронных систем (КМ ОЭС). Рассматриваются некоторые особенности отдельных модулей этой модели, а также связей между ними. Ключевые слова: моделирование, оптико-электронная система, структура обобщенной компьютерной модели оптико-электронных систем.
Введение
В процессе компьютерного моделирования оптико-электронных систем (ОЭС) решается задача построения математической модели для синтеза, анализа и структурно-параметрической оптимизации системы при ее проектировании, для чего осуществляется моделирование процесса прохождения сигналов в ОЭС для различных условий ее работы. Компьютерная модель ОЭС (КМ ОЭС) должна учитывать весьма разнообразные условия, в которых работает система – среду, особенности излучателей (объектов, фонов, помех), метод работы ОЭС и ряд других исходных данных для проектирования системы. Различными могут быть и требования к этой модели.
Структура модели
На первых этапах моделирования часто целесообразно иметь обобщенную КМ ОЭС. Ее структура может быть представлена в виде совокупности нескольких модулей и отображать не только структуру собственно ОЭС, но и процесс формирования исходных данных для моделирования ОЭС, фоно-целевую обстановку (ФЦО), т.е. условия функционирования системы, а также результаты работы КМ ОЭС и общую базу данных (БД). Эта структура представлена на рис. 1 [1].
Модуль «Исходные данные» содержит перечень сведений, которые необходимы пользователю компьютерной программой для моделирования (КПМ) ОЭС. Перечень исходных данных формируется на основе технического задания на разработку ОЭС, в котором указываются назначение и область применения ОЭС, а также излагаются технические требования к системе. Исходные данные могут быть входными, запрашиваемыми КПМ, и могут быть использованы для расчета и получения других требуемых входных данных.
Модуль «Исходные данные» может, в частности, содержать следующую информацию:
− назначение ОЭС (обнаружение целей, слежение и т.д.); − способ работы ОЭС (активный, пассивный); − условия работы ОЭС (спектральные диапазоны работы, время года, время суток,
состояние атмосферы, климатические и погодные условия, географические данные, системы координат и др.); − характер помех, задаваемый, например, их энергетическими, спектральными, пространственными и другими характеристиками или общим описанием, например, видом ландшафта, на котором находится обнаруживаемая или отслеживаемая цель; − формулировка цели разработки модели ОЭС;
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 6(64)
5
СТРУКТУРА ОБОБЩЕННОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
− перечень задач, которые должны решаться в процессе моделирования; − форма представления результатов моделирования; − требуемое значение критерия оценки качества модели (критерия адекватности); − информация о возможности проведения натурных испытаний модели или об ис-
пользовании в испытаниях апробированных моделей аналогичных систем, разработанных ранее; − степень универсальности модели.
Рис. 1. Структурная схема обобщенной КМ ОЭС Перечень исходных данных должен быть необходимым и достаточным (исчерпывающим) для осуществления моделирования и при этом не содержать избыточных сведений. Он может быть окончательно определен только после формирования других модулей КМ ОЭС, когда в процессе их разработки появляется необходимость знания тех или иных данных, в частности, при формировании модулей «ФЦО» и «Структура ОЭС» [1, 2]. При разработке модуля «Исходные данные» следует различать понятия «исходные данные для моделирования ОЭС» и «входные данные отдельной субмодели КМ ОЭС». Перечень последних непостоянен и зависит от запрашивающей их субмодели, в то время как перечень исходных данных остается постоянным на протяжении всего процесса моделирования ОЭС. Ввод исходных данных в КПМ должен запускать автоматическую работу алгоритмов, определяющих путь моделирования, перечень субмоделей, используемых в дальнейшем в других модулях КМ ОЭС, перечни элементов структурной схемы ОЭС и субъектов ФЦО, присутствующих в угловом поле системы, и многое другое. Модуль «Исходные данные» имеет прямую связь со всеми модулями КМ ОЭС, а также прямую и обратную связь с модулями «Результат работы КМ ОЭС» и «База данных КМ ОЭС». Наличие связи с БД позволяет пользователю готовой КМ ОЭС выбирать требуемые исходные данные в нужной форме представления из соответствующих разделов БД КМ ОЭС. Обратная связь с модулем «Результат работы КМ ОЭС» установлена для оптимизации структуры ОЭС в случае, когда все возможные методы оптимизации исчерпали свои возможности и требуется произвести корректировку исходных данных.
Таким образом, разработку модуля «Исходные данные» можно свести к решению трех основных задач:
6 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 6(64)
И.П. Торшина, Ю.Г. Якушенков
1. определение перечня исходных данных и формы их представления; 2. анализ влияния задаваемых исходных данных на результат работы КМ ОЭС и зна-
чения показателей эффективности работы ОЭС; 3. использование результатов проведенного анализа для корректировки перечня и
формы представления исходных данных (см. обратные связи на рис. 1).
Модуль «Результат работы КМ ОЭС» объединяет в себе блоки, представленные на рис. 2.
Блок «Коррекция обобщенной компьютерной модели ОЭС» содержит специфические алгоритмы и операторы, позволяющие, например, осуществлять моделирование многоспектральных (многодиапазонных) ОЭС конкретного назначения [3], а также, при необходимости, вносить изменения в количество повторений тех или иных операторов, делая их циклическими.
Основой блока «Расчет показателей эффективности» являются выражения заданных в исходных данных показателей эффективности работы ОЭС. На первых этапах моделирования они представляются в общем параметрическом виде. По мере работы в модулях «ФЦО» и «Структура ОЭС» эти параметры конкретизируются, определяется область их значений, и в данном блоке производится их окончательный расчет. Если результат их расчета не удовлетворяет пользователя, то может производиться оптимизация структуры ОЭС. Для этого предусматриваются алгоритмы оптимизации структуры и обратная связь с модулями «Структура ОЭС» и «Исходные данные». Алгоритмы и способы оптимизации структуры ОЭС могут выбираться из соответствующего раздела «Оптимизация структуры ОЭС» БД КМ ОЭС. Если выбранные или заданные средства оптимизации структуры всей ОЭС или отдельных ее составных частей (СЧ), а также элементной базы этих СЧ оказались неэффективными, т.е. требуемое значение показателя эффективности моделируемой ОЭС не достигнуто, необходимо возвращаться в модуль «Исходные данные» и производить корректировку этих данных.
Рис. 2. Связь блоков в модуле «Результат работы КМ ОЭС
После получения удовлетворительных результатов расчета показателей эффективности обязательно должен проводиться контрольный расчет критерия адекватности в блоке «Расчет критерия адекватности», подтверждающий адекватность модели ОЭС по заданному в исходных данных критерию. Если модель не удовлетворяет заданному значению критерия адекватности, то производится анализ причин неадекватности и оп-
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 6(64)
7
СТРУКТУРА ОБОБЩЕННОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
тимизация КМ ОЭС. Оптимизация может заключаться, например, в ином распределении значения общего для всей модели критерия адекватности между критериями адекватности субмоделей отдельных узлов ОЭС и субъектов ФЦО.
В блоке «Испытание модели» размещаются алгоритмы, позволяющие осуществлять испытания КМ ОЭС посредством имитационного эксперимента. В случае удовлетворительных результатов испытаний модели производится представление результатов моделирования (блок «Представление результатов моделирования»), т.е. формирование выходных данных о результатах моделирования системы в форме, заданной в исходных данных, и подготовка документации на разработанную КМ ОЭС (паспорт пригодности).
Перечень документов на модель ОЭС должен содержать описание компьютерной модели. Для пользователя могут представлять интерес следующие характеристики КМ ОЭС, которые следует включать в паспорт пригодности: − имя модели (для соответствующих ссылок), номер версии, дата; − назначение и область применения КМ ОЭС; − собственник (создатель, разработчик, владелец); − описание исходных данных с необходимыми пояснениями (размерности, масштабы,
диапазоны изменения величин); − физические основы, на которых построена ОЭС и ее модель, наличие баз данных,
необходимых для моделирования; − программа (действующее программное обеспечение самой модели); − описание программы модели с указанием системы программирования и принятых
обозначений; − полная схема программы модели; − полная запись компьютерной программы модели на выбранном языке программи-
рования; − доказательство достоверности программы модели (результаты отладки программы
модели); − оценка затрат машинного времени на один цикл моделирования; − перечень возможных пользователей (квалификация); − инструкция по работе с программой модели.
Заключение
Структура КМ ОЭС, сформированная в модульном виде, позволяет легко наращивать модель и дополнять ее необходимыми блоками и модулями при моделировании системы конкретного назначения, предназначенной для решения какой-либо частной задачи. Исследования, описанные в настоящей статье, проводятся при поддержке ведомственной целевой программы Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009–2010 годы по мероприятию 2, грант 2.1.2/4163).
Литература
1. Торшина И.П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации / И.П. Торшина. – М.: Университетская книга; Логос, 2009. – 248 с.
2. Торшина И.П. Методика разработки обобщенной компьютерной модели оптикоэлектронной системы // Изв. вузов. Приборостроение. – 2008. – № 3. – С. 61–65.
3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. – М.: Логос, 2007. – 192 с.
8 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 6(64)
С.М. Латыев, Е.В. Смирнова
4. Торшина И.П. Формирование компьютерной модели функционирования многодиапазонной оптико-электронной системы // В сб. трудов VII Международной конференции «Прикладная оптика-2006». Т.3. «Компьютерные технологии в оптике». – СПб, 2006. – С. 343–349.
Торошина Ирина Павловна Якушенков Юрий Григорьевич
– Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК), кандидат технических наук, доцент, torshinai@yandex.ru
– Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК), доктор технических наук, профессор, декан, yakush@miigaik.ru
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 6(64)
9
1 ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ. ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 681.78.01
СТРУКТУРА ОБОБЩЕННОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
И.П. Торшина, Ю.Г. Якушенков
Описывается структура обобщенной компьютерной модели оптико-электронных систем (КМ ОЭС). Рассматриваются некоторые особенности отдельных модулей этой модели, а также связей между ними. Ключевые слова: моделирование, оптико-электронная система, структура обобщенной компьютерной модели оптико-электронных систем.
Введение
В процессе компьютерного моделирования оптико-электронных систем (ОЭС) решается задача построения математической модели для синтеза, анализа и структурно-параметрической оптимизации системы при ее проектировании, для чего осуществляется моделирование процесса прохождения сигналов в ОЭС для различных условий ее работы. Компьютерная модель ОЭС (КМ ОЭС) должна учитывать весьма разнообразные условия, в которых работает система – среду, особенности излучателей (объектов, фонов, помех), метод работы ОЭС и ряд других исходных данных для проектирования системы. Различными могут быть и требования к этой модели.
Структура модели
На первых этапах моделирования часто целесообразно иметь обобщенную КМ ОЭС. Ее структура может быть представлена в виде совокупности нескольких модулей и отображать не только структуру собственно ОЭС, но и процесс формирования исходных данных для моделирования ОЭС, фоно-целевую обстановку (ФЦО), т.е. условия функционирования системы, а также результаты работы КМ ОЭС и общую базу данных (БД). Эта структура представлена на рис. 1 [1].
Модуль «Исходные данные» содержит перечень сведений, которые необходимы пользователю компьютерной программой для моделирования (КПМ) ОЭС. Перечень исходных данных формируется на основе технического задания на разработку ОЭС, в котором указываются назначение и область применения ОЭС, а также излагаются технические требования к системе. Исходные данные могут быть входными, запрашиваемыми КПМ, и могут быть использованы для расчета и получения других требуемых входных данных.
Модуль «Исходные данные» может, в частности, содержать следующую информацию:
− назначение ОЭС (обнаружение целей, слежение и т.д.); − способ работы ОЭС (активный, пассивный); − условия работы ОЭС (спектральные диапазоны работы, время года, время суток,
состояние атмосферы, климатические и погодные условия, географические данные, системы координат и др.); − характер помех, задаваемый, например, их энергетическими, спектральными, пространственными и другими характеристиками или общим описанием, например, видом ландшафта, на котором находится обнаруживаемая или отслеживаемая цель; − формулировка цели разработки модели ОЭС;
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 6(64)
5
СТРУКТУРА ОБОБЩЕННОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
− перечень задач, которые должны решаться в процессе моделирования; − форма представления результатов моделирования; − требуемое значение критерия оценки качества модели (критерия адекватности); − информация о возможности проведения натурных испытаний модели или об ис-
пользовании в испытаниях апробированных моделей аналогичных систем, разработанных ранее; − степень универсальности модели.
Рис. 1. Структурная схема обобщенной КМ ОЭС Перечень исходных данных должен быть необходимым и достаточным (исчерпывающим) для осуществления моделирования и при этом не содержать избыточных сведений. Он может быть окончательно определен только после формирования других модулей КМ ОЭС, когда в процессе их разработки появляется необходимость знания тех или иных данных, в частности, при формировании модулей «ФЦО» и «Структура ОЭС» [1, 2]. При разработке модуля «Исходные данные» следует различать понятия «исходные данные для моделирования ОЭС» и «входные данные отдельной субмодели КМ ОЭС». Перечень последних непостоянен и зависит от запрашивающей их субмодели, в то время как перечень исходных данных остается постоянным на протяжении всего процесса моделирования ОЭС. Ввод исходных данных в КПМ должен запускать автоматическую работу алгоритмов, определяющих путь моделирования, перечень субмоделей, используемых в дальнейшем в других модулях КМ ОЭС, перечни элементов структурной схемы ОЭС и субъектов ФЦО, присутствующих в угловом поле системы, и многое другое. Модуль «Исходные данные» имеет прямую связь со всеми модулями КМ ОЭС, а также прямую и обратную связь с модулями «Результат работы КМ ОЭС» и «База данных КМ ОЭС». Наличие связи с БД позволяет пользователю готовой КМ ОЭС выбирать требуемые исходные данные в нужной форме представления из соответствующих разделов БД КМ ОЭС. Обратная связь с модулем «Результат работы КМ ОЭС» установлена для оптимизации структуры ОЭС в случае, когда все возможные методы оптимизации исчерпали свои возможности и требуется произвести корректировку исходных данных.
Таким образом, разработку модуля «Исходные данные» можно свести к решению трех основных задач:
6 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 6(64)
И.П. Торшина, Ю.Г. Якушенков
1. определение перечня исходных данных и формы их представления; 2. анализ влияния задаваемых исходных данных на результат работы КМ ОЭС и зна-
чения показателей эффективности работы ОЭС; 3. использование результатов проведенного анализа для корректировки перечня и
формы представления исходных данных (см. обратные связи на рис. 1).
Модуль «Результат работы КМ ОЭС» объединяет в себе блоки, представленные на рис. 2.
Блок «Коррекция обобщенной компьютерной модели ОЭС» содержит специфические алгоритмы и операторы, позволяющие, например, осуществлять моделирование многоспектральных (многодиапазонных) ОЭС конкретного назначения [3], а также, при необходимости, вносить изменения в количество повторений тех или иных операторов, делая их циклическими.
Основой блока «Расчет показателей эффективности» являются выражения заданных в исходных данных показателей эффективности работы ОЭС. На первых этапах моделирования они представляются в общем параметрическом виде. По мере работы в модулях «ФЦО» и «Структура ОЭС» эти параметры конкретизируются, определяется область их значений, и в данном блоке производится их окончательный расчет. Если результат их расчета не удовлетворяет пользователя, то может производиться оптимизация структуры ОЭС. Для этого предусматриваются алгоритмы оптимизации структуры и обратная связь с модулями «Структура ОЭС» и «Исходные данные». Алгоритмы и способы оптимизации структуры ОЭС могут выбираться из соответствующего раздела «Оптимизация структуры ОЭС» БД КМ ОЭС. Если выбранные или заданные средства оптимизации структуры всей ОЭС или отдельных ее составных частей (СЧ), а также элементной базы этих СЧ оказались неэффективными, т.е. требуемое значение показателя эффективности моделируемой ОЭС не достигнуто, необходимо возвращаться в модуль «Исходные данные» и производить корректировку этих данных.
Рис. 2. Связь блоков в модуле «Результат работы КМ ОЭС
После получения удовлетворительных результатов расчета показателей эффективности обязательно должен проводиться контрольный расчет критерия адекватности в блоке «Расчет критерия адекватности», подтверждающий адекватность модели ОЭС по заданному в исходных данных критерию. Если модель не удовлетворяет заданному значению критерия адекватности, то производится анализ причин неадекватности и оп-
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 6(64)
7
СТРУКТУРА ОБОБЩЕННОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
тимизация КМ ОЭС. Оптимизация может заключаться, например, в ином распределении значения общего для всей модели критерия адекватности между критериями адекватности субмоделей отдельных узлов ОЭС и субъектов ФЦО.
В блоке «Испытание модели» размещаются алгоритмы, позволяющие осуществлять испытания КМ ОЭС посредством имитационного эксперимента. В случае удовлетворительных результатов испытаний модели производится представление результатов моделирования (блок «Представление результатов моделирования»), т.е. формирование выходных данных о результатах моделирования системы в форме, заданной в исходных данных, и подготовка документации на разработанную КМ ОЭС (паспорт пригодности).
Перечень документов на модель ОЭС должен содержать описание компьютерной модели. Для пользователя могут представлять интерес следующие характеристики КМ ОЭС, которые следует включать в паспорт пригодности: − имя модели (для соответствующих ссылок), номер версии, дата; − назначение и область применения КМ ОЭС; − собственник (создатель, разработчик, владелец); − описание исходных данных с необходимыми пояснениями (размерности, масштабы,
диапазоны изменения величин); − физические основы, на которых построена ОЭС и ее модель, наличие баз данных,
необходимых для моделирования; − программа (действующее программное обеспечение самой модели); − описание программы модели с указанием системы программирования и принятых
обозначений; − полная схема программы модели; − полная запись компьютерной программы модели на выбранном языке программи-
рования; − доказательство достоверности программы модели (результаты отладки программы
модели); − оценка затрат машинного времени на один цикл моделирования; − перечень возможных пользователей (квалификация); − инструкция по работе с программой модели.
Заключение
Структура КМ ОЭС, сформированная в модульном виде, позволяет легко наращивать модель и дополнять ее необходимыми блоками и модулями при моделировании системы конкретного назначения, предназначенной для решения какой-либо частной задачи. Исследования, описанные в настоящей статье, проводятся при поддержке ведомственной целевой программы Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009–2010 годы по мероприятию 2, грант 2.1.2/4163).
Литература
1. Торшина И.П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации / И.П. Торшина. – М.: Университетская книга; Логос, 2009. – 248 с.
2. Торшина И.П. Методика разработки обобщенной компьютерной модели оптикоэлектронной системы // Изв. вузов. Приборостроение. – 2008. – № 3. – С. 61–65.
3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. – М.: Логос, 2007. – 192 с.
8 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 6(64)
С.М. Латыев, Е.В. Смирнова
4. Торшина И.П. Формирование компьютерной модели функционирования многодиапазонной оптико-электронной системы // В сб. трудов VII Международной конференции «Прикладная оптика-2006». Т.3. «Компьютерные технологии в оптике». – СПб, 2006. – С. 343–349.
Торошина Ирина Павловна Якушенков Юрий Григорьевич
– Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК), кандидат технических наук, доцент, torshinai@yandex.ru
– Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК), доктор технических наук, профессор, декан, yakush@miigaik.ru
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 6(64)
9