К 60-летию со дня основания Государственного института прикладной оптики

Акционерное общество «Научно-производственное объединение «Государственный институт прикладной оптики» (далее НПО ГИПО) в структуре холдинга «Швабе» прочно заняло место головного предприятия по разработке и производству тепловизионных приборов, размещаемых на различных носителях. За последнее десятилетие НПО ГИПО обеспечило лидирующие позиции еще в одном направлении — в разработке систем обнаружения и систем наведения бортовых комплексов обороны военных и гражданских летательных аппаратов от атакующих ракет.
Успех НПО ГИПО как лидера в этих сегментах оптико-электронного приборостроения, безусловно, обеспечен не только результативностью целого ряда выполненных базовых опытно-конструкторских работ, развитием производственной и технологической базы предприятия, наличием компетентной команды и эффективной кооперации со смежными организациями, но и системным подходом при создании научно-технического задела, проведении предпроектных исследований и выполнении самих разработок, который подразумевает развитие целого ряда теоретических и прикладных исследований.
Одним из направлений таких исследований является совершенствование методов имитационного математического моделирования (ИММ) создаваемых изделий.
Несмотря на постоянно и быстро расширяющиеся технологические возможности, развитие электронной и оптической компонентной базы, совершенствование методов проектирования, задаваемые тактико-технические параметры создаваемого изделия требуют всестороннего анализа и выбора оптимального варианта из множества возможных, в том числе с учетом всего жизненного цикла изделия.
Развитие технологии ИММ позволяет в известном методе «проб и ошибок», получившем при решении задач, возникающих при разработке различного типа сложных приборов, широкое применение в 50–70 гг. прошлого века, снизить затраты на разработку и уменьшить количество ошибок.
Особенно актуальна эта проблема при разработке современных видовых оптико-электронных систем (ОЭС) [1, 2], которые применяются в сложных, весьма динамичных погодных условиях (при требовании сокращения времени поиска, обнаружения заданного объекта, его распознавания), в различных географических широтах, при различной орографии подстилающих поверхностей и освещенности визируемых сцен, а также разнообразных ракурсах наблюдения.
Не менее важна и другая практическая особенность технологий ИММ, которая связана с возможностью сокращения обязательных дорогостоящих натурных испытаний изделий за счет компьютерного моделирования вероятных режимов и условий их применения.
Фактически невозможно без привлечения ИММ решать задачи оптимального синтеза многоспектральных и комплексированных ОЭС.
Достоверность результатов имитационного моделирования в общем случае определяется наличием в требуемых рабочих спектральных диапазонах системы знаний, которая включает базы данных по излучательным и отражательным характеристикам объектов в их пространственной и временной динамике и по оптическим характеристикам элементов природной среды и покрытий конструкционных материалов; методики расчета переноса излучения в окружающей среде, включающие модели расчета прозрачности и яркости атмосферы на произвольно ориентированных оптических трассах, модели индикатрис отражения излучения, модели помех и др., методики моделирования 3D изображений фоно-целевых сюжетов и методики процесса преобразования сигналов собственно в ОЭС.
Значительная часть необходимой спектрорадиометрической информации по характеристикам природной среды и антропогенных объектов была получена и представлялась модельными разработками НПО ГИПО, выполненными в 80–90 гг., которые получили одобрение Межведомственного научно-технического координационного Совета при ГОИ им. С.И. Вавилова. В последнее время указанные материалы дополняются результатами, полученными с применением современной, с высоким пространственным разрешением, метрологически аттестованной измерительной аппаратуры.
Как отдельный блок в системе ИММ стоят вопросы расчета переноса излучения в окружающей среде.Эти сведения обеспечены последовательным развитием экспериментальной и методической базы и, по нашему мнению, оптимизированы для задач моделирования ОЭС, по крайней мере, в пределах тропосферы.
Задача моделирования трехмерных изображений фоно-целевых сюжетов (ФЦС) аккумулирует приведенные здесь разделы базы знаний и решается как последовательность ряда шагов, в числе которых создание полей энергетической яркости ФЦС, приходящих на входной зрачок ОЭС из окружающего пространства. Решение задачи реализует специализированное программное обеспечение, которое позволяет создавать поле яркости трехмерной, сложной и разнообразной по составу сцены при варьировании условий моделирования: спектрального диапазона, сезона и времени суток, погодных условий с учетом произвольных ракурсов наблюдения и подсветки от внешних источников излучения (естественных или искусственных).
Отдельный блок ИММ — модель ОЭС. Очевидно, что соответствующая методика компьютерного имитационного моделирования должна позволить с достаточной глубиной воспроизводить процессы обработки сигнала в той последовательности, в которой это происходит в исследуемом приборе. В целом компьютерное имитационное моделирование ОЭС дает возможность оценить технические характеристики и показатели эффективности (например, вероятность распознавания объекта) моделируемой ОЭС, проанализировать влияние на качество изображения параметров и характеристик отдельных блоков ОЭС, а также спрогнозировать эффективность функционирования ОЭС в различных условиях.
В целом, блок «ОЭС» разработанного НПО ГИПО программного обеспечения составляет часть «сквозной» модели «фоно-целевая обстановка — ОЭС», которая позволяет моделировать последовательное прохождение полученных изображений ФЦС через основные компоненты информационного тракта ОЭС: иллюминатор (защитное окно), объектив, фотоприемник и электронную схему считывания и обработки сигналов с формированием результирующего зашумленного электронного поля сигналов, подлежащего той или иной цифровой обработке и при необходимости — визуализации.
Помимо развития и применения методов имитационного моделирования при создании ОЭС условием их эффективной разработки является проведение исследований и конструкторских и технологических работ по созданию соответствующей экспериментальной и метрологической базы для испытаний разрабатываемых изделий, отработке их отдельных функциональных узлов и во многих других смежных областях.
Именно эти стороны научно-производственной деятельности НПО ГИПО нашли отражение в настоящем специальном выпуске «Оптического журнала».