Раздел I. Основы системотехники оптико-цифровых систем и комплексов

понятия системотехники

понятийного аппарата системных исследований. Современное состояние математической теории систем и

системного анализа представляет собой переплетение «чисто системных» теорий с методами смежных направлений (исследование операций, кибернетика и т.п.). Тем не менее, в настоящее время системотехника – сформировавшееся направление.

Основным понятием системотехники является понятие «система». Однако общепринятого и однозначного определения понятия «система» пока в окончательном виде не сформулировано. Тем не менее, объект можно считать системой, если он, как минимум, обладает следующими четырьмя свойствами

системы, с одной стороны, целостного образования, а с другой стороны,

элементы ее могут быть выделены тоже как целостные.
2ое свойство. Связь – наличие устойчивых связей или отношений между элементами или их свойствами по мощности, позволяющие не учитывать возможные связи или их отношения с элементами, не входящими в состав данной системы (они могут учитываться в зависимости от уровня их роли влияния на ход процессов). В общем случае связь представима отображением , где – отображение множества ; – метрики множеств и , соответственно; b – элемент множества. Связь переводит метрику с точностью до действительной функции f(b) без изменения физической природы. По физическому наполнению связи разделяются на вещественные, энергетические, информационные, смешанные и ненаполненные, по направлению – на прямые, обратные, контрсвязи и нейтральные.

сказывается на снижении или повышении энтропии системы. Это свойство представимо

соотношением ,

где – энтропия системы,
– энтропия системоформирующих факторов.
4ое свойство. Интегративности качеств или свойств – наличие качеств или свойств, отвечающих только системе в целом и ни одному из входящих в нее элементов.

разнороден.
Среда - окружение, с которой взаимодействует система. Среда это тоже

система.
«Открытая» система - это система взаимодействующая со средой.
«Закрытая или замкнутая» система - не имеющая среды.
Состояние системы - упорядоченная совокупность значений внутренних и внешних параметров, определяющих ход процессов в системе. Множество состояний системы как правило конечное или счетное множество.
Поведение системы - развёрнутая во времени последовательность реакций системы на внешнее воздействие.
S1-система - детерминированная система.
S2-система - стохастическая система.
S3-система - хаотическая система.
S4-система - сложная система.

отношению к системе и влияет на отношение к ней «исследователя

- пользователя».

Слабопредсказуемость- никакое, сколь угодно подробное и точное знание поведения системы на интервале (-Т; 0] не позволяет точно предсказать поведение системы на интервале (0;  ].

Негентропийность или целенаправленность - свойство системы управлять своей энтропией при случайном и неблагоприятном воздействии среды или (и) способность системы осуществлять поведение, преследующее достижение определенной цели - внутреннее трудно распознаваемое свойство системы.

Свойства сложных систем

назначения и роли в системе.
Специфика системы определяется внутренними взаимосвязями между

подсистемами и элементами.
Структура исследуемой системы иерархична, что означает соподчинённость функциональных свойств её подсистем.
Как внутренняя, так и внешняя среда неотделимы от системы.
Система обладает функциональной целесообразностью («полезность») по отношению к внешней среде.
Система управляет своей энтропией при случайном и неблагоприятном воздействии среды или (и) способна осуществлять поведение, преследующее достижение определенной цели (если это свойство присуще системе изначально).
Целостность системы - свойства системы не могут быть приняты без учета, хотя бы некоторых свойств подсистем и наоборот, а представление о целостности системы выявляют как через внутренние, так и внешние связи.

Положения системного подхода

быть минимальны. Минимальное число системных констант определяет автономные законы функционирования,

а их адекватная интерпретация – автономную метрику. Эффективным способом минимизации числа констант является выбор размерности величин, которые используются в моделях. Поскольку физическая природа явлений и факторов, действующих в ИУС, не всегда известна, то трудности отождествления физических величин с их метрологией возрастают по мере того, как исчезает возможность прямых измерений. В этой связи возможно описание структуры и взаимосвязей в ИУС в кинематической системе единиц [L T], имея в виду, что пространство и время - имманентные факторы для любой системы. В следующей таблице представлена интерпретация некоторых физических величин из Единой системы в кинематической системе единиц.

обобщенную структуру ИУОЦС как системы в виде множеств двух видов:

Мi – множество субъектов системы; Sij – множество связей между субъектами системы, характеризующие отношение между ними и прохождение информации (описание типа и протокола передачи информации). Подобный подход справедлив для любой технической системы, к которым относится и ИУОЦС, и возможен для других систем. На рисунке представлена структура ТС как система множеств, где приняты следующие обозначения: М1 – множество исследуемых объектов; М2 – множество субъектов воздействия на М1 М3, и М4; М3 – множество преобразователей, обрабатывающих входную информацию; М4 – множество результатов преобразований информации (математический вид, электрический сигнал, оптический сигнал, видеоизображение, фото, и т.д. и т.п.);

§ 3. Структурная схема оптико-цифровой
информационно-измерительной и управляющей системы

приняты следующие обозначения: НО – наблюдаемый (исследуемый) объект; ПС –

приемная система: УПИ – устройство преобразования и представления информации; УУ – управляющее устройство; ВВ – внешние возмущения (пассивные или активируемые УУ). На рисунке а представлена ИУОЦСО с учетом внешних возмущений, на рисунке б – ИУОЦСО с учетом реакции объекта на внешние возмущения, на рисунке в – ИУОЦСО без учета внешних возмущений.
В общем случае схема функционирования и взаимодействия ИУОЦСО с внешней средой может быть представлена как замкнутая динамическая система, к особенностям функционирования которой следует отнести:
нестационарность внешних возмущений и, как следствие этого, нестационарность процессов измерения и управления;
наличие в системе разнородных по физической природе связей;
необходимость работы в реальном масштабе времени с необходимым быстродействием.

(визуальное восприятие человеком, электрический датчик, оптическая система управления, архив данных

и т.д..); S12 определяет характер взаимодействия между М1 и М2; S23 определяет характер взаимодействия между М1М2 и М3М4, т.е. описывает передачу информации от объектов исследования на вход системы; S34 описывает характер передачи данных с выхода М3 на вход М4; S45 предполагает протокол обмена информации – интерфейс. Двусторонняя стрелка S12 и S23 справедлива для активных ТС (например, система активной локации объектов). Понятно, что ТС можно рассматривать как совокупность всех множеств и связей, представленных на рисунке, но, не умаляя общности рассуждений и выводов, в дальнейшем мы ограничимся определением ТС как совокупности множеств М3, и М4 со связями S23, S34 и S45, и по мере необходимости будем его расширять.

этих сред, будем называть их абсолютными характеристиками, а элементы вида

Sij, описывающие характер отношений между вышеозначенными множествами, определим как относительные характеристики. В силу выбранного временного графика прохождения сигнала по элементам технической системы (последовательное, параллельное, параллельно-последовательное) общая погрешность преобразования является аддитивной величиной для одних параметров ( ), мультипликативной для других ( ) и их сочетанием для третьих ( ), что и отражено соотношениями.

каждому из которых применимы соответствующие операции.
Уровень 1. Высший уровень описания

ТС представлен множеством предметных сред Мi, описываемых абсолютными параметрами и совокупностью связей Sij между множествами, характеризуемыми относительными параметрами.
Уровень 2. Средний, описательный, предметно-указательный, с определением конкретных составных частей множеств Мi .
Уровень 3. Низший, конкретно-технический – указываются реальные физико-технические параметры всех составных частей ТС.
Структура ТС, изображенная на рис.1.2.1, может быть положена в основу представления информационно-измерительных и управляющих систем как система 2-го уровня описания. Такая система показана на рис. 1.2.2 для ИУС, у которой входная информация имеет вид оптического излучения (подобные системы в дальнейшем будем обозначать ИУСО).
Подобные технические системы, как правило, могут быть отнесены к сложным системам с подсистемами разной физической природы [57, 59, 71, 72].

примере ОЦСиК)

и элементарных актов взаимодействия;
переход к математической модели;
создание алгоритма и написание программы;
планирование и проведение

компьютерных экспериментов;
анализ и интерпретация результатов.

прошедшее сквозь атмосферу, но и рассеянное и отраженное солнечное излучение

во многих случаях является основным источником фоновых помех в атмосфере. Однако определяющим для уровня фонов при работе конкретных оптико-электронных систем является спектральный диапазон.
В инфракрасной области спектра становится значительной энергия теплового излучения атмосферы и земной поверхности.
Кроме теплового равновесного излучения в атмосфере всегда присутствует неравновесное излучение, вызванное рядом физических и химических процессов, которые имеют место при взаимодействии солнечной радиации с атмосферой. Результатом этих процессов является слабая люминесценция атмосферы.
В видимой области спектр свечения является линейчатым, в инфракрасной области эмиссионные линии имеют несколько большую спектральную ширину.
Учет энергетических, поляризационных и статистических характеристик фона рассеянного солнечного излучения связанно как с неопределенностью некоторых исходных атмосферных параметров, так и со сложностью методик расчета эффектов многократного рассеяния. Поэтому определяю­щее значение для количественных данных по рассеянно­му солнечному излучению имеют статистически обеспе­ченные экспериментальные данные в различных участках спектра, в различные сезоны при различных метеороло­гических условиях. Интенсивность рассеянного излучения в атмосфере су­щественным образом зависит от длины волны. Для «чистой» (релеевской) атмосферы эта зависимость харак­теризуется обратной пропорциональностью 4 , в замут­ненной атмосфере она более слабая.
Спектральный состав рассеянного излучения определяется составом аэрозолей в атмосфере и, следовательно, сложным образом зависит от оптических свойств атмосферы.
В инфракрасной области спектра определяющую роль начинает играть аэрозольное рассеяние более круп­ными частицами, а состав рассеянного излучения в большей степени ближе к спектру прямого излучения Солнца. Фон рассеянного солнечного излучения имеет длинновол­новую границу, которая лежит в области (3÷4)мкм.
Значения температуры атмосферы, которые можно взять за основу при расчетах оптических свойств атмосферы лежат в пределах (210÷300)К.
Значение яркости по небосводу при длине 0,7мкм в пределах (1÷40)мкВт/см2мкм.ср.

и жидких частиц, находящихся во взвешенном состоянии. В ней всегда

присутствует пыль, дым, капельки воды, кристаллики льда и т.п. (такая смесь называется аэрозолем). На распространение оптического излучения, в основном, влияют: вода в газовой и жидкой фазах, углекислый газ, озон, а также аэрозоль. Количество этих компонентов различно на разных высотах, в разных географических районах и зависит от метеоусловий. Наиболее сильное влияние атмосферы на распространение оптического излучения оказывает нижний слой атмосферы, в котором содержится большое количество воды, пыли и т.д.
Воздействие атмосферы сводится к ослаблению энергии излучения, флуктуациям амплитуды и фазы волны, изменениям поляризации и т.д., а также ухудшению углового и временного разрешения сигналов
Сложность и многообразие процесса распространения излучения в атмосфере исключают возможность создания подробного теоретического описания данного явления и приводят к необходимости использования наиболее общих положений и законов теории в сочетании с известными экспериментальными данными для определения количественных характеристик ослабления лучистой энергии в атмосфере.
Ослабление излучения атмосферой происходит в общем случае как из-за поглощения, так и рассеяния энергии излучения. Поглощение энергии происходит на молекулах газа только на длинах волн, равных или кратных резонансным длинам волн колебательных движений молекул. Следовательно, поглощение является селективным, приходящимся на сравнительно узкие участки спектра- полосы поглощения молекул газов, входящих в состав атмосферы. Поглощение оптического излучения определяется показателем поглощения п (км-1), характеризующим поглощение излучения на единице пути распространения.
Рассеянию подвержено излучение на всех длинах волн. Оно связано с неоднородностью оптических свойств компонент атмосферы и может быть разделено на два типа: молекулярное (релеевское) и аэрозольное. Молекулярное рассеяние происходит на частицах атмосферы, размер которых меньше длины волны излучения, а аэрозольное – на частицах, размеры которых намного превышают длину волны излучения.

(). Индикатриса рассеяния характеризует относительное распределение энергии в зависимости от

углового направления. При молекулярном рассеянии индикатриса рассеяния симметрична относительно первичного луча и в перпендикулярном ему направлении. Индикатриса имеет максимумы в направлении распространения луча (=0) и в противоположном направлении (=); в обратном направлении отбрасывается примерно столько же энергии, сколько проходит вперед. С увеличением размеров рассеивающих частиц индикатриса рассеяния вытягивается по направлению падения луча.
При этом действие каждой составляющей общего ослабления излучения атмосферой может быть описано законом Бугера-Бера:

рассеянный солнечный свет, видимость 94 км, =10о, Ф=60о. Кривая В:

рассеянный солнечный свет, видимость 94 км, =40о, Ф=60о. Кривая С: облако или туман с баллом 0,5, =30о, Ф=50о. Кривая D: рассеянный солнечный свет, видимость 94 км, =90о, Ф=60о. Кривая Е: излучение черного тела при температуре 283оК. Кривая F: эмиссия водяного пара и СО2 в атмосфере. Кривая G: яркое полярное сияние.)

полная Луна, видимость 94 км, =10о, Ф=60о. Кривая В: полная

Луна, видимость 94 км, =40о, Ф=60о. Кривая С: полная Луна, =90о, Ф=60о. Кривая D: максимум рассеяния огней города. Кривая Е: излучение черного тела при температуре 283оК. Кривая F: эмиссия атмосферного водяного пара и СО2. Кривая G: яркое полярное сияние.Кривая Н: свечение неба.)