Μοντελοποίηση παθητικού ηλεκτροπτικού συστήματος υπέρυθρης ακτινοβολίας για τον υπολογισμό της πιθανότητας εντοπισμού στόχων θερμικής ακτινοβολίας στο θαλάσσιο περιβάλλον της Ελλάδας

Abstract

In this research thesis an end to end model was developed for the detection of ships in the atmospheric conditions of the Hellenic Maritime environment, with the use of a Forward Looking Infrared (FLIR) system. The study is arranged into eight chapters. The first chapter gives an introduction of the basic lines to be followed for the creation of the model. Then the main categories of the detection systems operating in the infrared wavelengths are presented with a short introduction for each one of them. The specific type of the system to be modelled is identified. In the second chapter the principles of operation of the infrared detection systems are described and the fundamental laws for the study of such systems are presented. A short study of the atmospheric transmittance for the infrared wavelengths is performed with an analysis of specific parameters and characteristics of the atmosphere. In the third chapter an analytical presentation of the LOWTRAN 7 mode of operation is being performed. Since LOWTRAN 7 is an integral part of the final model, an examination of the way of calculation along with an explanation of the way specific choices were made is performed in order to allow to the researcher to understand and to be in a position to effectively use and maybe modify the model to suit his needs. Chapter four investigates the algorithm of SEARAD, which is a modification of LOWTRAN 7 specifically made to model the maritime environment. In chapter five a thorough analysis of the model is being performed. The calculations are presented and each parameter to be used is analysed. Then the probability model is build so that detection and classification of simple model targets in various states of temperature conditions, by applying the Moser and O’Neill criteria, along with a selection of specific scenario data can be calculated. Finally the outputs of the model in the form of various diagrams as well as a text document created by the model for each specific run are presented. In the sixth chapter the phenomenon of atmospheric turbulence is examined, along with its influence in the transmission of electromagnetic waves of infrared wavelengths through the atmosphere. Then the way this phenomenon was modeled and introduced into the end to end model of the probability calculation is presented. In chapter seven analysis of the operation of the end to end model as well as the analysis of the function written in MATLAB 6.1 code, is performed. The block diagram presented allows to the reader to understand the basic connections of the functions as well as the flowchart of the algorithm of the model. A set of plots with various runs of the model is presented. An analysis of the calculation data is performed and a set of conclusions is being drawn based on these data. Chapter eight re-examines briefly the whole study. The fundamental conclusions and possible field for further works are identified.

Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη ενός μοντέλου που υπολογίζει την πιθανότητα εντοπισμού και διακριβώσεως στόχων που ευρίσκονται στο θαλάσσιο περιβάλλον της Ελλάδας, για τα μήκη κύματος 1,2 μm έως και 20 μm, με χρήση αποκλειστικά παθητικών μέσων εντοπισμού. Η ανάπτυξη της εργασίας διαρθρώνεται σε οκτώ κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή και περιγράφεται το έργο της διατριβής καθώς και ο τρόπος προσέγγισης και υλοποίησης του μοντέλου. Κατόπιν της περιγραφής του αντικειμένου και της περιοχής λειτουργίας του μοντέλου γίνεται μία κατηγοριοποίηση των εντοπιστικών συστημάτων που λειτουργούν στο φάσμα της υπερύθρου ακτινοβολίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναπτύσσεται η θεωρία των συστημάτων υπέρυθρης ακτινοβολίας, με παράθεση των βασικών νόμων που διέπουν την εν λόγω φασματική περιοχή και ακολουθεί η εξέταση της ατμοσφαιρικής διαδόσεως για την περιοχή της υπερύθρου ακτινοβολίας. Εξετάζονται τα χαρακτηριστικά της διαδόσεως των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στην περιοχή του υπερύθρου συναρτήσει των φαινομένων απορροφήσεως και σκέδασης των βασικών ατμοσφαιρικών συστατικών. Εν συνεχεία παρουσιάζονται οι αρχές λειτουργίας συστημάτων ανίχνευσης υπέρυθρης ακτινοβολίας. Στο τρίο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική περιγραφή του τρόπου λειτουργίας του κώδικα LOWTRAN 7. Αναλύονται οι παράμετροι που χρησιμοποιεί ο εν λόγω κώδικας και εξετάζεται ο τρόπος προσδιορισμού τους από το μοντέλο, με πλήρη αιτιολόγηση των επιλογών που έγιναν ούτως ώστε ο χρήστης του μοντέλου να είναι σε θέση να επέμβει και να τις τροποποιήσει ανάλογα με τις συνθήκες που επιλέγει να μοντελοποιήσει. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται, κατά αντιστοιχία με το τρίτο, η παρουσίαση της λειτουργίας του αλγορίθμου του SEARAD, που αποτελεί και την τροποποίηση και προσαρμογή του LOWTRAN 7 στο το θαλάσσιο περιβάλλον. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται αναλυτικά το μοντέλο. Γίνονται όλοι οι υπολογισμοί και αναλύεται η κάθε παράμετρος που χρησιμοποιεί το μοντέλο. Εν συνεχεία παρουσιάζεται με αναλυτικό τρόπο η μοντελοποίηση και παρουσιάζεται ο τρόπος υπολογισμού της πιθανότητας εντοπισμού ή διακριβώσεως των στόχων σύμφωνα με τε επιθυμητά κριτήρια, τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και τα χαρακτηριστικά του συστήματος. Τέλος παρουσιάζονται τα διαγράμματα καθώς και ο πίνακας που δημιουργείται κατά τη λειτουργία του μοντέλου, στα οποία φαίνονται τόσο τα αποτελέσματα των υπολογισμών, όσο και τα στοιχεία του σεναρίου και των χαρακτηριστικών της εντοπιστικής συσκευής. Στο έκτο κεφάλαιο εξετάζεται το φαινόμενο του ατμοσφαιρικού στροβιλισμού και ο τρόπος με τον οποίο επηρεάζει την διάδοση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας για την περιοχή των μηκών κύματος ενδιαφέροντος. Εν συνεχεία παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης του εν λόγω φαινομένου καθώς και η μέθοδος ολοκλήρωσης του στο μοντέλο. Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται η ανάλυση της λειτουργίας του μοντέλου καθώς και των functions (μετά των λειτουργιών τους) που δημιουργήθηκαν σε κώδικα MATLAB 6.1 για την υλοποίηση του μοντέλου. Με δομικά διαγράμματα παρουσιάζεται και επεξηγείται η λειτουργία του μοντέλου σε επίπεδο διασύνδεσης και διαδοχής των επιμέρους λειτουργιών των functions. Στην συνέχεια παρατίθεται σειρά αποτελεσμάτων υπολογισμών με χρήση του μοντέλου για διάφορα σενάρια και ατμοσφαιρικά μοντέλα. Επισημαίνονται οι διαφοροποιήσεις αναλόγως των αποτελεσμάτων και το κεφάλαιο κλείνει με παρουσίαση μίας σειράς συμπερασμάτων που προκύπτει από των μελέτη των ανωτέρω αποτελεσμάτων. Το κεφάλαιο οκτώ ολοκληρώνει την εργασία με μία ανασκόπηση αυτής. Πέραν της ανασκοπήσεως στο εν λόγω κεφάλαιο παρουσιάζονται τα κύρια αποτελέσματα της εργασίας και οι δυνατές επεκτάσεις της παρούσης διατριβής. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται τα σημεία στα οποία προάγεται η επιστήμη από την εν λόγω εργασία.