Бурый Е. В. Импульсная лазерная локация: физические и информационные основы новых возможностей Издательство: М.: Наука ISBN: 978-5-02-040772-5 Год: 2020 Количество страниц: 431 В монографии рассмотрены методы получения информации о геометрии поверхностей объектов по данным импульсной лазерной локации, основанные на сочетании известных физических принципов оценивания параметров поля рассеянного лазерного излучении и современных способов обработки этих данных. Показано, что такая информация доступна даже в тех случаях, когда поверхность объекта не различима оптическими средствами наблюдения: может быть установлена геометрия поверхности объекта и его ориентация в пространстве; выполнено распознавание групп объектов; обеспечена их визуализация. Эффективность большинства методов подтверждается представленными результатами проведенных экспериментов.
Для широкого круга специалистов, работающих в областях создания информационных систем, применения нейросетевых технологий, проектирования оптико-электронных устройств, а также для аспирантов и студентов, обучающихся по соответствующим специальностям.
Содержание Предисловие Принятые обозначения и сокращения 1. Импульсная лазерная локационная система     [+]     1.1.   Принцип действия и основные функциональные элементы импульсной лазерной локационной системы   1.2. Системы координат, используемые для определения положения и ориентации лоцируемого объекта относительно ЛЛС   1.3. Основные энергетические соотношения ЛЛС   Литература 2. Физические явления, определяющие функциональные возможности     импульсных ЛЛС     [+]     2.1. Характеристики поля излучения и основы построения локационной модели ЛЛС   2.2.  Поле лазерного излучения в окрестности объекта и в окрестности апертуры приемного тракта ЛЛС   2.3. Атмосфера как среда распространения лазерного излучения     2.3.1.  Основные явления в земной атмосфере     2.3.2. Влияние состояния атмосферы на функционирование ЛЛС   2.4. Рассеяние лазерного излучения поверхностью лоцируемого объекта     2.4.1. Параметры микронеровностей шероховатой поверхности     2.4.2.  Ламбертовская поверхность и локационная модель на ее основе     2.4.3. Модель рассеяния излучения Бэкмана–Кирхгофа     2.4.4. Модификации модели рассеяния излучения Бэкмана–Кирхгофа     2.4.5. Модель рассеяния излучения Релея–Райса     2.4.6. Модель рассеяния излучения Харви–Шэка     2.4.7. Модель рассеяния излучения Орена–Найяра     2.4.8. Модели, основанные на векторной теории рассеяния излучения   2.5. Регистрация излучения   2.6.  Временные характеристики локационного сигнала   Литература   3. Методы определения параметров поверхности лоцируемого объекта     по характеристикам поля рассеянного лазерного излучения     [+]     3.1. Совокупность оценок геометрических параметров поверхности лоцируемого объекта и его положения относительно ЛЛС   3.2.  Формирование бинарного изображения поверхности лоцируемого объекта и оценка геометрических параметров этой поверхности   3.3.  Определение координат точек поверхности объекта по результатам ее сканирования     3.3.1.  Стационарные сканирующие ЛЛС     3.3.2.  Бортовые сканирующие ЛЛС   3.4.  Распознавание объекта, его визуализация и определение ориентации относительно ЛЛС по амплитудно-временным характеристикам импульса фототока     3.4.1. Информативность и особенности регистрации дальностных портретов лоцируемого объекта     3.4.2. Многопозиционная регистрация дальностных портретов с высоким пространственным разрешением     3.4.3. Многопозиционная регистрация дальностных портретов с низким пространственным разрешением   3.5.  Оценка параметров поверхности лоцируемого объекта и его визуализация в результате анализа параметров корреляционной функции 4-го порядка поля рассеянного лазерного излучения     3.5.1. Формирование оценки поперечных габаритных размеров объекта     3.5.2. Определение габаритных угловых размеров контура поверхности объекта, реконструкция и визуализация этой поверхности   3.6. Получение оценки поперечных размеров удаленного объекта по распределениям фотоотсчетов   3.7.  Достоинства, недостатки и особенности применения методов определения геометрических параметров поверхности объекта и его ориентации относительно ЛЛС   Литература 4. Определение положения объекта в пространстве и его ориентации     [+]     4.1. Обнаружение объекта и определение его положения в пространстве   4.2. Обнаружение импульса лазерного излучения, рассеянного поверхностью объекта     4.2.1. Обнаружение лазерных импульсов малой интенсивности     4.2.2. Применение алгоритмов накопления фотоотсчетов для увеличения дальности действия ЛЛС     4.2.3. Применение алгоритмов кодирования последовательности импульсов в ЛЛС   4.3. Погрешность измерения расстояния между ЛЛС и объектом     4.3.1.  Погрешность измерения расстояния до объекта при большой интенсивности регистрируемого излучения     4.3.2. Погрешность измерения расстояния до удаленного объекта при регистрации излучения малой интенсивности   4.4. Реконструкция поверхности объекта, неразрешимой оптическими средствами наблюдения, и определение пространственной ориентации этого объекта     4.4.1. Оценивание параметров КФ 2-го и 4-го порядка поля лазерного излучения, рассеянного объектом с произвольной формой поверхности     4.4.2. Оценивание параметров КФ 4-го порядка поля лазерного излучения, рассеянного объектом с произвольной формой поверхности, методом пространственной свертки отсчетов интенсивностей     4.4.3. Достижимая погрешность измерения углового размера лоцируемого объекта на основе оценок КФ 4-го порядка в оптически однородных и турбулентных средах     4.4.4. Оценивание параметров фазовой характеристики КФ 6-го порядка поля лазерного излучения, рассеянного удаленным объектом с произвольной формой поверхности, и реконструкция этой поверхности     4.4.5. Оценивание габаритных угловых размеров удаленных объектов в условиях регистрации поля излучения малой интенсивности   Литература   5. Автоматическое распознавание объектов     [+]     5.1. Методы и средства решения задачи распознавания   5.2. Моделирование дальностных портретов объектов с произвольной формой поверхности     5.2.1. Импульсная характеристика рассеяния треугольного конечного элемента     5.2.2. Размеры конечных элементов, аппроксимирующих поверхность объекта, которые обеспечат требуемую точность расчета импульсных характеристик рассеяния     5.2.3.  Аппроксимация поверхности объекта произвольной формы треугольными конечными элементами     5.2.4.  Учет затенения участков поверхности объекта другими ее участками при расчете ИХР объекта. Формирование области тени     5.2.5. Описание свойств конечных элементов объекта     5.2.6.  Особенности моделирования дальностных портретов объектов, находящихся на поверхности, рассеивающей излучение   5.3. Информативные признаки и классификатор, обеспечивающие распознавание объекта по дальностным портретам и определение наблюдаемых ракурсов этого объекта     5.3.1. Основные требования, предъявляемые к информативным признакам     5.3.2. Классификатор, функционирование которого основано на теории статистических решений     5.3.3.  Нейросетевой классификатор и особенности его функционирования     5.3.4. Уменьшение размерности пространства признаков     5.3.5.  Определение конфигурации и обучение нейронной сети   5.4. Оценка параметров качества распознавания и их изменений при вариациях локационных параметров   5.5.  Распознавание сцен и удаленных объектов     5.5.1. Лазерные системы ближней навигации     5.5.2. Лазерные системы, обеспечивающие распознавание элементов подстилающей поверхности и растительности     5.5.3.  Лазерные системы, обеспечивающие распознавание удаленных и малоразмерных объектов   Литература   6. Особенности применения различных технических реализаций     функциональных элементов ЛЛС     [+]     6.1.   Новые источники лазерного излучения импульсных ЛЛС – твердотельные лазеры с накачкой активного элемента излучением полупроводниковых лазерных диодов   6.2. Фотоприемные устройства локационных сигналов, усилители и быстродействующие масштабно-временные преобразователи   Литература Послесловие Приложение А. Характеристики серийно выпускаемых гальванометрических сканаторов

Предисловие

Развитие технических средств регистрации и обработки сигналов коренным образом изменило возможности импульсных лазерных локационных систем в части реализации новых свойств получаемой информации.

Наряду с информацией о расстоянии до лоцируемого объекта, получение которой традиционно называют «измерением дальности» и воспринимают как понятие, неразрывно связанное с названием «лазерная локационная система», теперь в локационных системах просматривается реализация новых информационных возможностей, которые могут обеспечить:

• определение параметров поверхности объекта, которую не удается визуализировать из-за недостаточной разрешающей способности оптических систем наблюдения;
• определение размеров удаленного объекта, когда удается зарегистрировать рассеянное его поверхностью излучение, в буквальном смысле исчезающее малой интенсивности;
• высокоточное измерение расстояния до объекта, в том числе – удаленного;
• распознавание объектов.

Эта информация востребована в самых разных областях деятельности человека – начиная от запуска космических аппаратов и решения задач ближней навигации воздушных и наземных транспортных средств и заканчивая вопросами безопасности и противодействия терроризму.

Особенностью создания импульсных лазерных локационных систем с новыми свойствами является необходимость совместного анализа особенностей физических основ измерений, возможности их технической реализации с учетом современного уровня развития техники и оценок эффективности достигаемого конечного результата. Перечисленные составляющие относятся к разным областям знаний, что делает особенно важным их интеграцию для понимания, изучения и анализа специалистами различного профиля, решающими задачи создания подобных систем.

Надеюсь, что мне удалось соблюсти баланс между конспективностью изложения основных положений физических и информационных принципов построения импульсной лазерной локационной системы и подробностью пояснений важных особенностей ее технической реализации, поэтому книга будет понятна и полезна всем, кому понадобятся знания в этих предметных областях.

С искренней благодарностью к моим старшим товарищам и учителям, коллегам и оппонентам, помощникам и критикам.

Бурый Е.В.