Занятие 10-КТ в НИ -2015

Компьютерные технологии в
научных исследованиях
Дисциплина для магистерской подготовки по
направлениям 11.04.01 «Радиотехника», 11.04.03
Конструирование и технология электронных средств»,
11.04.04 «Электроника и наноэлектроника»
Автор: Исаев Владимир Александрович,
к.т.н., профессор
Великий Новгород, 2015
Занятие 10
Компьютерное моделирование
оптико-электронных систем (ОЭС)
Профессиональный стандарт №102
«Инженер-радиоэлектронщик»
(Утвержден 19 мая 2014 года, № 315н)
Торшина И.П. Компьютерное моделирование оптико-электронных
систем первичной обработки информации. - М.: Университетская
книга; Логос, 2009. - 248 с.
Методология компьютерного
моделирования ОЭС
• Предлагаемая методология
компьютерного
моделирования позволяет
использовать её при
проектировании и
исследовании
разнообразных ОЭС на
начальных этапах их
проектирования.
• Предложенная методология
позволила разработать
компьютерные модели ряда
ОЭС конкретного
назначения,
Компьютерное моделирование ОЭС
третьего поколения
• В настоящее время разрабатывается третье поколение ОЭС,
основой которых являются матричные многоэлементные
приемники излучения, работающие в режиме электронной
выборки сигналов и чувствительные в двух или нескольких
спектральных диапазонах.
• При разработке и проектировании новых ОЭС широко
используются методы компьютерного моделирования, которое
позволяет ответить на ряд важных вопросов, например, какие
алгоритмы обработки сигналов и какая элементная база,
используемые в ОЭС, являются наиболее рациональными с
точки зрения различных требований, предъявляемых к
системе, и, в частности, для обеспечения заданных показателей
эффективности её работы.
• Компьютерное моделирование позволяет отказаться от
дорогостоящих натурных исследований и испытаний на первых
этапах проектирования вновь разрабатываемых ОЭС.
Этапы разработки компьютерной модели
ОЭС
Моделируемая ОЭС
Задачи этапов разработки модели
1. Формирование исходных данных для моделирования.
Постановка цели и задач моделирования.
Результат выполнения этапа
2. Математическое описание ОЭС, отображающее её свойства:
законы функционирования и связи структурных частей.
3. Разработка реализации математической модели: структуры
модели, определение последовательности вычислительных и
логических операций.
4. Разработка или выбор программного обеспечения для перевода
алгоритма реализации модели в электронный вид. Подтверждение
адекватности.
Математическая модель ОЭС
Структура модели, алгоритмы её
реализации
Компьютерная модель
ОЭС
Структура обобщенной компьютерной
модели ОЭС
Интерфейс компьютерной программы для моделирования
Модуль «Исходные данные»
Модуль
Модуль
Модуль
«Показатели
эффективности»
«Фоноцелевая
обстановка»
«Структура ОЭС»
Модуль «База данных КМ ОЭС»
Модуль
«Результат работы
КМ ОЭС»
Схема алгоритма работы с модулем
«Показатели эффективности»
Модуль «Исходные данные»
Пользователь выбирает перечень и
численные значения показателей
эффективности (критериев качества) ОЭС
Модуль «Показатели эффективности»
Выдается информация
пользователю: какие
входные данные и в какой
форме представления
следует их задать (ввести)
Из раздела БД «Показатели
эффективности» выбираются
формулы для их расчета
Пользователь вводит числовые
значения неуправляемых переменных,
остальные являются управляемыми
моделируемыми или должны быть
определены в результате
параметрического анализа ОЭС (они
могут быть субмоделями)
Модуль «База данных КМ ОЭС»
...
Передается перечень
управляемых
моделируемых переменных
для расчета в
соответствующих модулях
Модуль
«Фоноцелевая
обстановка»
Модуль
«Структура ОЭС»
Модуль
«Результат
работы КМ ОЭС»
Алгоритм
«Ранжирование
составляющих
яркости на входе
ОЭС»
Ввод допуска на
показатель
эффективности
работы ОЭС Δкрi
Расчет допуска на суммарную
яркость, ΔLΣ (Δкрi)
Расстановка составляющих
суммарной яркости по убывающей от
Lmax(N) к Lmin(N)
S=Lmin(N), К=N
S ΔLΣ
Печать
«Ранжирование завершено»,
Lранж=ΣL
Печать Lmin(N)
Lранж=ΣL - Lmin(N)
N=К–1
Выход
S=S+ Lmin(N)
Lmin(N) – минимальное
значение яркости;
ΔLΣ – допуск на
суммарную яркость;
ΣL – суммарная яркость
излучения от всех
субъектов ФЦО на
входном зрачке ОЭС;
Lранж – яркость после
ранжирования, не
учитывающая малые
составляющие;
N – порядковый номер
составляющей яркости
в ряду, упорядоченному
по убывающей;
Схема алгоритма работы с модулем
«Фоноцелевая обстановка»
Модуль «Исходные данные»
Модуль «Фоноцелевая
обстановка»
Ввод исходных данных для
описания условий работы
Блок «Среда»
Блок «Цели»
Ввод исходных данных
для описания цели
Блок «Фоны»
Модуль
Ввод исходных данных для
«Показатели
эффективности»
Перечень управляемых
моделируемых
переменных,
подлежащих расчету в
модуле «Фоноцелевая
обстановка»
Подраздел
«Критерии адекватности»
описания фонов
Ввод исходных данных
для
Раздел «Фоноцелевая обстановка»
«Среда
требуемыми КА,
распространения
излучения»
в модуле «Фоноцелевая
обстановка»
Формирование субмоделей
для расчета параметров,
необходимых для расчета
заданных показателей
эффективности и критериев
адекватности. Ранжирование
сигналов
описания помех
Перечень субмоделей с
рассчитываемыми
Блок «Помехи»
«Помех
и»
«Фоны»
«Цели»
Раздел
«Типовой
математически
й аппарат»
...
Модуль
«Структура
Передача
рассчитанных
параметров в
модули
ОЭС»
Модуль
«Результат
работы КМ
ОЭС»
Вид интерфейса ввода исходных данных в
модели «КМ ОЭС»
Окно задания составляющих излучения на
входном зрачке оптической системы
в «КМ ОЭС»
Грицкевич Е.В. Введение в основы компьютерного моделирования
оптико- электронных систем : учеб. пособие / Е.В. Грицкевич. –
Новосибирск: СГГА, 2009. – 87 с.
Обобщенная структурная схема ОЭПН
•
•
•
•
ОФС – объектно-фоновая ситуация;
ПОС – приемная оптическая система;
АИ – анализатор изображения;
ВКУ – видеоконтрольное устройство
Приложение 1
Журнал "Известия
вузов. Приборостроение"
Торшина И.П. Компьютерное моделирование
многодиапазонных оптико-электронных систем
Приложение 2
Барышников Н. В. Использование
полунатурных методов моделирования при
проектировании сложных лазерных оптикоэлектронных систем
Барышников Н. В. Использование полунатурных методов
моделирования при проектировании сложных лазерных оптикоэлектронных систем // Электронное издание «Наука и
образование». – 2011. - №2.
Методы полунатурного моделирования
• Методы полунатурного моделирования занимают свою
особенную нишу при проектировании сложных систем
управления.
• Обычное понимание роли этих методов сводится к
следующему: если математическое моделирование наиболее
эффективно на ранних стадиях проектирования, натурное – на
заключительных, то полунатурное моделирование связывается
с промежуточными стадиями проектирования.
• Считается, что экспериментальный образец аппаратуры уже
готов, но не отлажены алгоритмы обработки сигналов, не
исследованы особенности работы аппаратуры во всем
диапазоне изменения параметров входного воздействия.
• Конечно, на этом этапе полунатурные методы
моделирования выходят на первый план.
Структурная схема исследуемой системы
Структурная
схема
полунатурной
модели
исследуемой
системы
Структурная схема системы с полунатурной
моделью критического элемента
Структурная схема
полунатурной
модели
исследуемой
системы с
полунатурной
моделью
критического
элемента
Функциональная схема лазерной локационной
станции с системой автоюстировки
Приложение 3
Жданов Д.Д. Технология оптических
элементов в компьютерном
моделировании оптико-электронных
приборов. – 2006.
(http://www.keldysh.ru/pages/cgraph/articles/
dep20/publ2006/vimi_optos.pdf )
Дизайн оптических систем
• Новая элементная база, используемая при производстве
современных оптических систем, таких как осветительные
системы жидкокристаллических (ЖК) дисплеев или панелей
приборов, основана на сложных физических эффектах.
• К таким эффектам можно отнести рассеивание света на
микронеровностях поверхностей.
• Распределение неровностей может быть либо стохастическим
(шероховатость поверхности), либо специально
спроектированным (микро-призмы заданной формы, размера и
распределения).
• Для дизайна оптических систем широко применяются
программные системы моделирования.
Пример распределения микроэлементов на
поверхностях светопроводящих пластин
Преобразование луча оптическим
элементом ОЭ
Результаты
моделирования
Учебное задание
• Познакомиться с содержанием автореферата «Торшина И.П.
Методология компьютерного моделирования оптикоэлектронных систем» ;
• Изучить содержание статьи «Торшина И.П. Методика
разработки обобщенной компьютерной модели оптикоэлектронной системы // Изв. вузов. Приборостроение.-2008.№3. - С. 61-65»;
• Познакомиться с содержанием статьи «Барышников Н. В.
Использование полунатурных методов моделирования при
проектировании сложных лазерных оптико-электронных систем
// Электронное издание «Наука и образование». – 2011. - №2».
Примечание: учебные материалы размещены на портале НовГУ
(Исаев Владимир Александрович > КТ в научных исследованиях
> …)
Список литературы
1. Торшина И.П. Методика разработки обобщенной
компьютерной модели оптико-электронной системы // Изв.
вузов. Приборостроение.- 2008. - Том 51. - №3. - С. 61-65.
2.Торшина И.П. Компьютерное моделирование
многодиапазонных оптико-электронных систем // Известия
вузов. Приборостроение. - 2008. - Том 51. - №9. – С.37-40.
3. Торшина И.П. Методология компьютерного моделирования
оптико-электронных систем : автореф. дис. … докт.тех.наук :
05.11.07 / Торшина Ирина Павловна. – М.: 2009. – 41с.
4. Торшина И.П. Компьютерное моделирование оптикоэлектронных систем первичной обработки информации. - М.:
Университетская книга; Логос, 2009. - 248 с.
Список литературы (продолжение)
5. Торшина И.П., Якушенков Ю.Г Особенности компьютерного
моделирования оптико-электронных систем третьего поколения
// Оптический журнал. – 2010. – № 2.- С.87-89.
6. Грицкевич Е.В. Введение в основы компьютерного
моделирования оптико- электронных систем : учеб. пособие /
Е.В. Грицкевич. – Новосибирск: СГГА, 2009. – 87 с.
7. Барышников Н. В. Использование полунатурных методов
моделирования при проектировании сложных лазерных оптикоэлектронных систем // Электронное издание «Наука и
образование». – 2011. - №2.
8. Волобой А.Г., Галактионов В.А., Жданов Д.Д. Технология
оптических элементов в компьютерном моделировании оптикоэлектронных приборов 2006.http://www.keldysh.ru/pages/cgraph/articles/dep20/publ2006/vi
mi_optos.pdf
Спасибо за внимание!
E-mail: vladimir.isaev@novsu.ru