Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование влияния коэффициента заполнения матричного фотоприёмника на качество тепловизионного изображения 23
1.1. Методики оценки характеристик ИК приборов и обоснование применяемых методов исследований 23
1.2. Анализ используемых исходных данных 47
1.3. Методика компьютерного моделирования формирования теп-ловизионного изображения в матричных ТВП 57
1.3.1. Результаты исследований ЧКХ матричного ФП 63
1.3.2. Исследование ТЧХ матричного ФП при гауссовом распределении энергии в кружке рассеяния оптики 69
1.4. Влияния собственных шумов МФПУ и пространственных фо
новых помех на качество моделируемого изображения 75
1.4.1. Влияние собственных шумов матричного ФП на качество тепловизионного изображения 83
1.4.2. Влияние пространственных помех фона на качество моделируемого изображения 93
1.4.3. Влияние пространственных фоновых помех и собственных шумов ФП 99
1.4.4. Влияние ОС на качество изображения, при наличии пространственных фоновых помех и собственных шумов ФП 101
1.5 Методика физического эксперимента 105
1.5.1 Сравнение результатов моделирования с результатами физического эксперимента 110
1.6. Выводы по разделу 1 113
Исследование влияния топологии матричного фотоприёмника на эффективность обнаружения точечных целей теплопеленгационными приборами 115
Методики оценки эффективности теплопеленгационного прибора 115
Влияние топологии матричного фотоприёмника на величину отношения сигнала к шуму при наблюдении точечных целей .. 119
Влияние коэффициента заполнения на вероятность обнаружения точечных целей 127
Выводы по разделу 2 149
Оценка влияния коэффициента заполнения на погрешности тепловизионных измерений радиационной температуры объектов 152
Обоснование методического подхода к оценке влияния коэффициента заполнения на погрешности измерения радиационной температуры объекта с помощью тепловизионными приборами 152
Методика проведения и результаты экспериментальных исследований матричных измерительных тепловизионных приборов 155
Оценки погрешности измерения радиационной температуры объекта с помощью сканирующих тепловизионных приборов.. 159
Выводы по разделу 3 166
Влияние погрешностей дистанционных измерений радиационной температуры на достоверность интерпретации теловизионных обследований 168
Влияние погрешностей измерения радиационной температуры на достоверность оценки состояния электрического оборудования 173
Влияние погрешностей измерения радиационной температуры на достоверность оценки состояния дымовых труб 179
Влияние погрешностей измерения радиационной температуры на достоверность оценки состояния зданий и сооружений.. 183
Влияние погрешностей измерения радиационной температуры на достоверность оценки состояния высокотемпературных печей 187
Применение тепловизионных приборов для дистанционного контроля транспортировки грузов по железной дороге 188
Рекомендации по уменьшению погрешностей дистанционного измерения радиационной температуры с помощью тепловизионных приборов 198
Выводы по разделу 4 200
Технические пути повышения эффективного коэффициента заполнения матрицы фотоприёмников в тепловизионных приборах 201
Выводы по разделу 5 208
Выводы 209
Заключение 213
Список литературы 217
Приложения 228
- Методика компьютерного моделирования формирования теп-ловизионного изображения в матричных ТВП
- Влияние топологии матричного фотоприёмника на величину отношения сигнала к шуму при наблюдении точечных целей
- Методика проведения и результаты экспериментальных исследований матричных измерительных тепловизионных приборов
- Влияние погрешностей измерения радиационной температуры на достоверность оценки состояния дымовых труб
Введение к работе
ИК приборостроение в настоящее время находится на рубеже двух очередных этапов своего развития. На предыдущем этапе решалась проблема получения изображения в инфракрасном диапазоне волн с таким же качеством, какое достигнуто в телевидении. Технической основой, на которой она была решена, явились ИК приборы с оптико-механическим сканированием [1-21], условно обозначаемые сейчас как «ИК приборы 2-го поколения». Дальнейшее развитие технологии создания матричных ИК фотоприёмников (ФП) позволило приступить к массовому выпуску «ИК приборов 3-го поколения», основанных на несканирующих, «смотрящих» фокальных матрицах [6, 22-24,27].
Технические параметры матричных и сканирующих ИК приборов достаточно близки, однако эксплуатационные характеристики у ИК приборов 3-го поколения существенно выше. Поэтому перспективы развития ИК приборостроения в целом связываются именно с матричными приборами.
Вместе с тем, практика создания и использования матричных ИК приборов в различных областях народного хозяйства, науки и военной техники выявила ряд их недостатков, устранение которых представляется первоочередной задачей в проблеме повышения эффективности матричных ИК приборов.
Общей проблемой оптико-электронного приборостроения является структуризация оптического изображения, возникающая из-за дискретного характера фотоэлектронных сенсоров и ограничений оптической апертуры [4-8, 17-24, 35, 42-45, 49, 57, 66, 61, 94, 114-119, 130] . В матричных приборах структурные искажения изображения из-за его дискретного характера являются главным фактором, ограничивающим их эффективность. По мере усовершенствования матричных ИК приборов возникают технические противоречия между стремлением наращивать формат матриц, уменьшать размер чувствительного элемента и использовать оптику дифракционного качества с относительным отверстием 1:1 при большом линейном размере фокальной плоскости.
Необходимо отметить, что современный уровень теории оптико-электронного приборостроения не позволяет выработать достаточно общие и обоснованные рекомендации по оценке эффективности тех или иных технических усовершенствований матричных ИК приборов [6, 22-24, 56-69, 99-108, 114-123, 130], как это достигнуто для ИК приборов сканирующего типа [1-5, 7-21, 40-44, 51-54]. Для выбора наиболее рациональных путей построения матричных РІК приборов требуется создание самостоятельных методов исследований и заимствование приёмов из области цифровой обработки изображений и телевизионной техники.
В телевизионной технике достигнуты успехи, позволяющие, в принципе, решать все обозримые задачи регистрации, обработки и воспроизведения изображения. Первые этапы инфракрасного приборостроения представляли собой распространение телевизионных технологий на область длинноволнового инфракрасного спектра электромагнитных волн. Однако существует ряд причин, из-за которых невозможно прямым образом переносить технические приёмы телевидения в область создания матричных ИК приборов.
При решении задач обнаружения и распознавания объектов конечных размеров по их ИК изображению, решаемых с помощью тепловизионных приборов (ТВП) [1, 3-6, 8, 9, 11-18, 22-24, 33, 35-48, 55-62, 66, 69, 103-107, ПО, 114, 122, 124-129], необходимо осуществлять регистрацию предельно малых оптических контрастов - пороговых сигналов, в области предельно высоких (для данного ТВП) пространственных частот. В то же время, основные параметры ИК фотоприёмника, определяющие величину этого порогового сигнала (чувствительность и уровень собственных шумов), существенным образом зависят от величины падающего на него лучистого потока от наблюдаемого объекта [1,4, 6, 10, 16-18, 22, 24, 63, 67]. Применяемые в традиционном телевидении методы коррекции сигналов и обработки изображений не дают такого же эффекта в тепловидении из-за необходимости обрабатывать именно пороговые сигналы, соизмеримые с внутренними шумами прибора [49, 67, 111].
При решении задач обнаружения точечных целей — задач теплопеленга-ции, решается задача обеспечения максимально высокого значения отношения
9 сигнала к шуму за счёт применения согласованной (оптимальной) фильтрации, сопровождающемся разрушением цельного образа объектов конечных размеров. Теплопеленгаторы составляют достаточно широкий класс ИК приборов, занимающий самостоятельное место в общей номенклатуре оптико-электронных систем (ОЭС). Основная проблема в теплопелегации связывается с обеспечением требуемой достоверности (вероятности) правильного обнаружения точечных целей на максимальной дальности (пороговые сигналы) в присутствии совокупности внутренних шумов и естественных фоновых и организованных антропогенных помех. В области традиционного телевидения пелен-гационные задачи актуальны лишь для узкого круга астронавигационных приборов с их специфическими требованиями по точности определения координат малоразмерных источников оптического излучения [117, 118, 131].
При решении задач радиометрического плана (измерения радиационной температуры объектов) в измерительных ТВП используются различные эталонные ИК излучатели, в то время как телевизионные системы измерительного типа строятся на других принципах. Отсутствие в тепловизионных приборах возможности создать аналог телевизионного «уровня чёрного» заставляет искать оригинальные схемно-технические решения, характерные только для матричных ТВП.
Кроме того, из-за существенного различия в длинах волн оптического излучения, регистрируемого в телевизионных и ИК приборах, степень влияния топологических особенностей матрицы чувствительных элементов в ИК области выше, чем в видимом диапазоне. Здесь структурные искажения изображения значительно более заметны, чем в телевидении.
Наиболее удачный технический приём уменьшения влияния структурных искажений матричных фотоприёмных устройств за счёт применения микролинз в силу технологических особенностей применяется для телевизионных матриц, но не освоен в ИК технике.
Несмотря на настоятельную необходимость борьбы с помехами, вызванными структуризацией изображения фокальной матрицей, практические результаты в ИК области невелики. Поэтому выявление закономерностей влияния
10 характеристик топологии ИК матричного фотоприёмника на особенности регистрации и использования инфракрасного излучения в тепловизорах и теплопеленгаторах является весьма актуальной задачей. Конечная практическая цель такого исследования состоит в выработке рекомендаций по уменьшению влияния структурных помех на эффективность использования ИК приборов при решении задач обнаружения, распознавания и измерения параметров теплового излучения природных и антропогенных объектов.
Предметами исследования является топология матричного фотоприёмника и общепринятые характеристики ИК приборов. В качестве количественных параметров топологии выбраны коэффициент заполнения (fill-factor - «филл-фактор») фотоприёмника (КЗ) и соотношение размеров «кружка рассеяния» оптической системы и чувствительного элемента ФП.
В качестве характеристики тепловизионного прибора рассматривается одна из стандартных форм представления его частотно-контрастной характеристики - температурно-частотная характеристика (ТЧХ). Эффективность тепло-пеленгационных приборов при обнаружении точечных целей характеризуется вероятностью правильного обнаружения при заданном темпе ложных тревог, вычисляемых на основе оценок значений отношения сигнал-шум (ОСШ). Степень эффективности применения измерительных ИК приборов оценивается на основе определения величины погрешности измерения радиационной температуры объектов при дистанционном зондировании.
Все эти вопросы можно объединить одной технической проблемой -проблемой повышения коэффициента заполнения - повышения «филл-фактора».
Проблеме повышения «филл-фактора» посвящается достаточно много работ за рубежом. Учитывая бурное развитие матричных ИК ФПУ, основная масса публикаций посвящена поиску технических и технологических приёмов его увеличения или уменьшения влияния на изображение в «ИК приборах 3-го поколения». В отечественной литературе присутствует, как правило, констатация достигнутых значений: размер чувствительной площадки, шаг (период) повторения элементов и их общее количество. Выявлению количественных связей
характеристик топологии МФПУ и параметров эффективности применения ИК приборов в доступной литературе внимания не уделяется. Поэтому в рамках выполнения диссертационной работы её цель была сформулирована как определение количественных связей между параметрами топологии матричного фотоприёмника и характеристиками эффективности обнаружения, распознавания и измерения радиационных температур объектов при их наблюдении с помощью ИК приборов.
Для достижения сформулированной цели необходимо было решить следующие задачи:
Обосновать выбор количественных параметров топологии матричного ФП и количественных характеристик эффективности применения ИК приборов при решении задач обнаружения, распознавания и измерения температуры наблюдаемых объектов.
Разработать методики определения количественных соотношений между коэффициентом заполнения фотоприёмника, относительными размерами кружка рассеяния оптической системы и чувствительной площадки элемента и частотно-контрастной характеристикой тепловизионного прибора, величиной отношения сигнал-шум, вероятностью обнаружения точечных целей в теплопеленгаторах и значениями погрешности измерения радиационной температуры с помощью измерительных ТВП.
Провести исследования зависимости пороговых контрастов матричного ТВП от коэффициента заполнения фотоприемнка при учёте внутренних шумов и внешних фоновых помех.
На основании выбранных критериев определить границы допустимых значений коэффициента заполнения ФП, позволяющих обнаруживать, распознавать и измерять температуру объектов с помощью ИК приборов с заданными показателями эффективности.
Выработать рекомендации по техническим путям увеличения эффективного значения коэффициента заполнения матричного фотоприемного устройства.
При исследованиях автор применял методы аналитических расчётов, компьютерного моделирования и прямых измерений в лабораторных и натурных условиях.
Достоверность полученных расчётных результатов в общем случае оценивалась путём сопоставления с результатами натурных экспериментов. В частности, исследования влияния топологи МФГТУ на частотно-контрастную характеристику тепловизионного прибора проводились методом экспертных оценок, который можно отнести к разряду экспериментальных. Полученные результаты расчётной оценки ТЧХ сравнивались с данными измерений ТЧХ матричного ТВП. Оценки вероятности обнаружения точечных целей с помощью ТП проводились по общепринятым методикам, где новизна состояла в методе получения исходных данных (значений ОСШ). Поэтому достоверность полученных в диссертации результатов оценки эффективности матричных ТП при обнаружении точечных целей можно считать совпадающей с достоверностью оценок, традиционно используемых в теплопеленгации. Кроме того, проводилось сопоставление с результатами исследований дискретности фотоприёмника на пороговую чувствительность телевизионной камеры обнаружения [94, 115-118, 131] . С учётом разницы в методологических подходах и используемых исходных данных получены качественно совпадающие закономерности, что также можно считать подтверждением достоверности полученных в диссертации результатов.
Результаты исследования погрешности измерения радиационной температуры с помощью ТВП получены, главным образом, в ходе лабораторных измерений и могут считаться достаточно достоверными.
Новизна полученных результатов состоит в том, что
1. Впервые получена количественная связь значений коэффициента заполнения матричного ФПУ и таких общепринятых характеристик ИК приборов, как ТЧХ, вероятность обнаружения точечной цели и погрешность измерения радиационной температуры;
"^ 2. Показано, что без применения специальных технических мер для повышения
значения эффективного коэффициента заполнения чувствительного элемента матрицы (например, микросканирования или микролинз) использование матричных теплопеленгаторов для обнаружения точечных целей менее эффективно, чем использование сканирующих теплопеленгаторов с переналожением строк. Увеличение диаметра кружка рассеяния оптики в матричных теплопеленгаторов даёт ухудшение их эффективности по критерию вероятности обнаружения точечных целей на предельных дистанциях.
: 3. Экспериментально получены оценки зависимости погрешностей измерения
радиационной температуры от размера фрагмента изображения наблюдаемого объекта.
4. Предложен технический вариант повышения эффективного коэффициента заполнения матричного ФПУ за счет дискретного пятипозиционного микросканера, обоснованный с позиций усложнения системы сканирования.
Основные положения, выносимые на защиту
f- 1. чкх матричного тепловизионного прибора нелинейно зависит от коэффици-
ента заполнения ФПУ. При уменьшении коэффициента заполнения от 1 до 0,45 частотно-контрастная характеристика матричного тепловизионного прибора ухудшается более чем в два раза в области предельно высоких пространственных частот в условиях равномерного фона.
2. Выявленная зависимость вероятности обнаружения точечной цели от коэффициента заполнения и соотношения кружка рассеяния оптики и размеров элемента матричного ФПУ показывает, что из-за неинвариантности отклика ФПУ к сдвигу изображения их использование для теплопеленгации целесообразно в сочетании с техническими приёмами микросканирования и применения микролинз. Средняя по полю зрения вероятность обнаружения точечной цели для идеального матричного ФПУ без зазоров не превышает 63% от максимальной вероятности её обнаружения, которая достигается при полном вписывании изображения цели в чувствительную площадку элемента и нелинейно уменьшается с уменьшением коэффициента заполнения.
14
Л' 3. При дистанционных измерениях радиационной температуры с помощью
матричных тепловизионных приборов для объектов, занимающих менее 9x9 элементов тепловизионного изображения, необходимо учитывать дополнительную погрешность измерений, зависящую от размера изображения. При стандартных фоновых условиях для объектов, занимающих 1 элемент тепловизионного изображения, дополнительно к паспортной погрешности измерения радиационной температуры добавляется погрешность в 2,3 градуса.
Практическая значимость
результаты исследований позволяют уточнить существующие методики оценки дальности и вероятности обнаружения и распознавания целей с помощью матричных ИКП;
полученные в ходе исследований зависимости позволяют повысить достоверность результатов дистанционных измерений радиационной температуры за счёт их корректировки с учётом размеров изображения наблюдаемых объектов;
- разработанные методики и результаты исследований позволяют оценивать це-
?'' лесообразность реализации различных технических приёмов повышения эф
фективного коэффициента заполнения МФПУ по критериям, основанным на
показателях эффективности использования ИКП в задачах обнаружения, распо
знавания и измерения температуры.
Апробация научных положений проводилась путём знакомства научно-технической общественности с постановкой задачи, методиками и результатами исследований на научно-технических конференциях и семинарах [56, 60, 61, 62, 114].
Публикации по теме диссертации [57, 58, 59]. Результаты исследований по оценкам погрешностей измерения и методам их уменьшения при использовании матричных ТВП реализованы в методических рекомендациях автора, что отражено в Акте внедрения результатов научно-исследовательской работы.
Результаты исследований использованы при выполнении НИР в рамках хоздоговорной работы с ФГУП НПО «ГИПО», г. Казань, проект «Матрица», отчёт за 2001 - 2002 г.г.
Vі; Диссертация состоит из Введения, пяти разделов и Заключения. К дис-
сертации имеется 4 Приложения, содержащие дополнительный иллюстративный и программный материал.
Введение содержит обоснование темы диссертации и оценку ранее выполненных исследований. В этом разделе также обосновывается актуальность темы диссертации и содержится определение объекта, предмета и рамок исследования. Формулируются цели исследования и средства ее достижения, а также научные задачи и методы их решения. Во Введении приводятся формулировки
i^ основных научных результатов, указание на их новизну, достоверность и прак-
тическую значимость. Приведены научные положения, выносимые на защиту. Указаны публикации по теме диссертации; материалы по апробации научных положений и реализации научных результатов. Во Введении содержится структура диссертации и краткая аннотация её разделов, а также указания на объем диссертации, специфические приложения и другие характерные особенности.
Первый раздел посвящен исследованию влияния коэффициента заполнения матричного фотоприёмника на качество тепловизионного изображения. Раздел начинается с анализа существующих методик оценки характеристик те-пловизионных приборов. Существуют две группы характеристик ТВП, каждая из которых может быть определена с достаточно высокой достоверностью как на основе полуэмпирических аналитических моделей, так и путём прямых статистически обеспеченных экспериментов, основанных на методах экспертных оценок. К первой группе можно отнести технические характеристики ИК приборов, такие как разность температур, эквивалентную шуму (РТЭШ), мини-
^ мально разрешаемая разность температур (МРРТ) и температурно-частотная
характеристика (ТЧХ). Эти параметры ТВП измеряются в лабораторных условиях и служат для сопоставительных оценок разных приборов [13]. Ко второй группе характеристик относятся показатели прогностических оценок эффективности использования тепловизионных приборов при решении задач обнаружения, распознавания и измерения параметров теплового поля объектов, наблюдаемых в различных фоновый условиях и при воздействии разнообразных
±) естественных и искусственных помех [3]. Эффективность применения ИК при-
>Л боров в различных областях характеризуется весьма разными критериями. Од-
нако можно сформулировать ту их общую черту, что все критерии эффективности связаны с прогнозом правильности решений более высокого уровня, принимаемых на основе информации, поступающей от ИК приборов. Эффективность применения ИК приборов прямым образом связана с достоверностью интерпретации получаемой с их помощью информации и надёжностью прогнозов, вырабатываемых на её основе.
Понятие интерпретации информации наиболее просто выражается в ко-
„^ личественном виде в задачах, связанных с обнаружением, распознаванием и
классификацией объектов, где могут быть рассчитаны или измерены соответствующие вероятности правильного решения задачи на данном иерархическом уровне принятия решений, или дистанции, на которых такое решение принимается с заданной вероятностью. Более сложная трактовка понятия интерпретации информации присуща задачам, где оператор на основе содержательной структуры тепловизионного изображения выбирает решение из многих альтернатив, и она характерна для медицинских, промышленных и экологических об-ластей применения тепловидения и радиометрии. Здесь повышение достоверности интерпретации результатов дистанционного зондирования прямо связано с извлечением в явном виде количественной информации из тепловизионного изображения. Из-за того, что в явном виде содержательная структура информации не очевидна для наблюдателя, основные надежды возлагаются на оценку количественных соотношений, определяемых на основе тепловизионных изображений.
^v Общепринятыми характеристиками служат вероятность правильного
распознавания объектов на заданной дальности и при заданном темпе ложных тревог, дальность распознавания объектов с заданной вероятностью правильного распознавания при заданных условиях наблюдения, время, необходимое для принятия правильного решения с заданной вероятностью и при заданных условиях [1-11].
Не решённой до конца проблемой остаётся определение исчерпывающей
.,« связи между техническими характеристиками ТВП первой группы и их такти-
17 ческими характеристиками из второй группы в присутствии фоновых помех. В настоящее время чаще всего используется подход, сформулированный Джонсоном, основанный на той предпосылке, что вероятность обнаружения или распознавания объекта в натурных условиях с помощью оптико-электронного прибора может быть с заданной вероятностью спрогнозирована по его частотно-контрастной характеристике, измеренной в лабораторных условиях [1, 3-5, 8-18, 22, 124-129]. В рамках этого подхода накоплен наибольший практический опыт для ТВП разного назначения. Таким образом, «качество тепловизионного изображения» (как качественная характеристика, по определению) связывается с количественной характеристикой ТВП - его частотно-контрастной характеристикой (её численными параметрами в форме «пороговых контрастов» или ТЧХ). Автор положил этот подход в основу своих исследований, приведённых в разделе 1, и использовал имеющийся в оптико-электронном приборостроении научно-технический задел.
Наиболее разработанная часть теории оптико-электронных приборов [1-18] достаточно уверенно прогнозирует изменение характеристик сканирующих ТВП при изменении их отдельных технических параметров. Помимо целого ряда методических рекомендаций, изложенных в статьях и монографиях, в отечественной промышленности существуют проекты ГОСТа, определяющего порядок расчёта таких характеристик сканирующих ТВП, как РТЭШ, МРРТ и ТЧХ. Всё это позволило автору не останавливаться на поиске расчётного метода при сравнении матричных и сканирующих ТВП в части последних.
Для оценки влияния эффекта переналожения строк, соотносимого с формальными значениями к >1, использовался вариант методики расчёта ТЧХ сканирующих ТВП.
Однако все эти методики не могут быть в явном виде применены для расчёта ТЧХ матричных несканирующих ТВП. Основная причина - применение ряда нелинейных операций преобразования сигналов непосредственно в матричном фотоприёмнике [22, 23, 66, 67]. Эти нелинейные операции связаны с пространственно-временной дискретизацией сигналов, выравниванием каналов, интерполяцией, накоплением и считыванием сигналов. Существует множество
18 вариантов технической реализации этих операций, не сводящихся к единой форме аналитического описания.
В разделе 1.1 приводится подробный анализ возможности использования преобразований Фурье для оценки качества изображений. На основе приведённых двухмерных преобразований Фурье тестовых изображений, передаточных характеристик оптики и МФПУ, получены их пространственные энергетические и фазовые спектры. Показано, что методы анализа пространственных спектров не дают возможности получения конечных результатов, прямым образом отвечающих на сформулированные задачи. Кроме того, как показали исследования автора, традиционно применяемые методы расчётов передачи сигналов с использованием Фурье-анализа, позволяют достаточно уверенно оценить изменение величины ОСШ на разных пространственных частотах. Однако при попытках сопоставить эти результаты с результатами тестов на степень «распознаваемости» простых и сложных образов, однозначных результатов получить не удалось. Неоднозначное и решающее значение имеют бессознательные и сознательные процессы, происходящие в интеллектуальной сфере оператора [3, 8, 9, 22, 126-129]. В частности, структурные помехи, представляющиеся чрезвычайно важными в одних случаях, могут не оказывать совершенно никакого влияния на распознавание образов в других случаях.
Поэтому в современном оптико-электронном приборостроении в качестве основного общепринятого метода определения таких параметров, как РТЭШ, МРРТ и ТЧХ матричных ТВП, используется метод лабораторных измерений [1, 4-6, 13]. Очевидно, что для работ обобщающего типа, к которым относится исследование автора, такой подход требует наличие большого количества ИК приборов, использующих все применяемые на практике типы топологии чувствительных элементов. Поэтому метод компьютерного моделирования представляется наиболее адекватным, при условии тщательного отбора корректных исходных данных (раздел 1.2) и проведения оценки достоверности методики моделирования путём прямых сопоставлений с результатами измерений, выполненных для некоторых тестовых ситуаций.
В разделе 1.3. описывается структура компьютерной модели и методика проведения экспертных оценок качества тепловизионных изображений, основанная на нормативных документах [13]. Качество тепловизионного изображения автор связывает с частотно-контрастной характеристикой матричного ТВП и исследует влияние на неё численных параметров топологии МФПУ, в частности, коэффициента заполнения и относительных размеров кружка рассеяния оптики и чувствительного элемента.
Описание результатов моделирования и их обсуждение составляет содержание разделов 1.4, 1.5 и 1.6. Компьютерное моделирование позволяет автору разделить влияние собственных шумов МФПУ и фоновых помех. Кроме того, исследованы варианты разных статистических законов распределения флуктуации фоновых помех.
В разделе 1.6 приведены результаты исследования зависимости пороговых контрастов от коэффициента заполнения МФПУ при совместном воздействии внутренних шумов и фоновых помех
Методика компьютерного моделирования формирования теп-ловизионного изображения в матричных ТВП
Каждая точка на графике соответствует результату эксперимента, при котором операторам предъявлялось изображение тестового объекта (штриховой миры) определенного контраста. Для каждой пространственной частоты контраст штрихов изменялся от значений, при которых тест-объект распознавался операторами уверенно, до тех значений (минимальный пороговый контраст Спор) при которых оператор уже не мог уверенно распознавать (по критерию [13]) тест-объект. Каждая точка рис. 1.11 есть результат усреднения нескольких экспериментов, состоящих в определении минимального значения Спор.
Из этого рисунка видно, что, если сопоставлять моделируемые характеристики ТВП по критерию минимального разрешаемого порогового контраста, то выигрыш можно оценить способностью прибора регистрировать более мелкие детали наблюдаемых объектов, то есть сдвигом ЧКХ в высокочастотную область. Выбрав, например, значение порогового контраста равным 8 (по оси ординат на рис. 1.11), можно определить, что для к = 0,5 максимально высокая разрешаемая пространственная частота на 20% ниже, чем для ТВП с к = 0,7. Для ТВП с Аг = 0,3 значение максимальной разрешаемой пространственной частоты более, чем на 50% ниже, чем для ТВП с к = 0,7, и более, чем на 30% ниже, чем для ТВП с к = 50%. Таким образом, уменьшение к не только влечет за собой потери в энергетике сигнала, но и приводит к уменьшению максимальной регистрируемой пространственной частоты при прочих равных условиях. С другой стороны, одновременно в противоположном направлении действует второй фактор, когда из-за уменьшения к происходит уменьшение мгновенного поля зрения каждого элемента матричного ФП в отдельности при неизменном поле зрения ТВП, что в определенной мере может содействовать улучшению потенциальной разрешающей способности ТВП. Однако суммарное воздействие этих двух факторов при выбранных в модели условиях оказалось именно таким, каким оно показано на рис. 1.11.
Из приведенных на рис. 1.11 данных следуют два существенных вывода. Первый вывод относится непосредственно к основной цели исследований и заключается в том, что по мере уменьшения к моделируемые ТЧХ ТВП пропорционально смещаются в область более высоких контрастов, то есть уменьшение коэффициента заполнения ухудшает чувствительность ТВП во всей исследованной области пространственных частот. С энергетической точки зрения, уменьшение к аналогично ухудшению параметров любого из функциональных узлов ТВП, влияющих на амплитуду полезного сигнала. К таким параметрам можно отнести коэффициент пропускания оптической системы, чувствительность ФП и др.
Второй вывод заключается в том, что для обеспечения распознавания миры требуется тем большее увеличение контраста штрихов, чем меньше коэффициент заполнения матричного ФП, то есть крутизна ТЧХ увеличивается с уменьшением к нелинейно.
Во всех случаях моделируемая ТЧХ зависела от пространственных фазовых соотношений, причем эта зависимость в наибольшей степени проявляется в интервале частот, близких к частоте Найквиста (fH). В этом проявляется неинвариантность МФПУ к сдвигу изображений тестовых объектов, которая проявляется тем в большей степени, чем выше пространственная частота штриховой миры. Ход зависимости порогового контраста, требуемого для разрешения четырехшпальной миры при пространственном фазовом сдвиге относительно размеров ФП на равномерном фоне при к = 0,5 и пространственной частоте миры -fH , изображен на рис. 1.12.
Эксперименты показали, что разрешение миры по критериям, оговоренным в [13], возможно на частотах выше частоты Найквиста. В этом случае элементы ФП визируют излучение от части штриха. Полученное таким образом тепловизионное изображение миры имеет штрихи различной интенсивности. Тем не менее, по ее изображению можно судить об их количестве и ориентации, что согласно стандартной методике измерения ТЧХ [13] и является критерием «распознавания» штриховой миры. При распознавании миры на частотах выше частоты Найквиста максимальная разрешаемая ТВП частота зависит от количества штрихов в мире, и она тем меньше, чем больше штрихов содержит мира. Для четырехшпальной миры предельная частота разрешения (в нормированных единицах), полученная в ходе экспериментов, составила 1,16.
При еще более высоких пространственных частотах, кратных/,, возникает эффект «ложного разрешения», когда оператор наблюдает периодическую структуру правильной ориентации, но неправильно определяет количество штрихов в мире (рис. 1.13, б). Этому соответствует случай, когда значение мгновенного поля зрения ТВП равно периоду штриховой миры, то есть сумме ширины отдельного штриха миры и промежутка между штрихами. Эти области не принимались во внимание при рассмотрении результатов исследований.
Дополнительно были проведены эксперименты по определению ЧКХ матричного ФП при горизонтальных ориентациях четырехшпальных мир для различных значений коэффициента заполнения. В результате экспериментов оказалось, что для разрешения горизонтальных мир требуется практически такое же значение порогового контраста. Максимально разрешаемые пространственные частоты те же, что и для вертикальных мир.
Из работы [55] известно, что пороговые контрасты требуемые для разрешения горизонтальных и вертикальных мир с различной пространственной частотой, могут отличаться в 1,5-2,5 раза (в сторону увеличение пороговых контрастов, требуемых для разрешения горизонтальных мир) в зависимости от типа монитора. Далее, в подразделе 1.4, этот факт будет подтвержден для случая присутствия в тестовом изображении шумов различной природы и статистики. В изображении без шумов, при использовании в экспериментах монитора с высокими параметрами качества изображения, отличий в значениях пороговых контрастов для горизонтальных и вертикальных мир практически не было.
Влияние топологии матричного фотоприёмника на величину отношения сигнала к шуму при наблюдении точечных целей
Процедура эксперимента заключалась в том, что изменялся один из параметров: к или пространственные частоты миры, при заданном уровне шума, а операторы на экране определяли значение порогового контраста, при котором еще различаются все 4 штриха миры с определенной ориентацией (вертикальной или горизонтальной). Для каждого из последовательности значений к от 1 до 0,1 дискретным образом изменялось значение пространственной частоты миры. При выбранных значениях к и пространственной частоты плавно изменялся контраст штрихов от максимальных до пороговых значений, при которых операторы еще могли разрешить все четыре штриха миры, т.е. измерения проводились по стандартной методике для оценки МРРТ [4, 13].
Таким образом, определялась зависимость качества изображения от коэффициента заполнения матричного фотоприемника при различных значениях пространственной частоты тестового объекта. Критерием качества изображения принималась возможность разрешения оператором четырехшпального тест-объекта при заданном уровне порогового контраста (в единицах градаций яркости). Зависимости порогового контраста (в градациях серого от к) определялись для различных значений собственных шумов приемника: 10, 25 и 50 градаций серого (соответственно 1/25, 1/10 и 1/5 динамического диапазона).
Для имитации потери оптического потока попавшего на нечувствительные области, усредненное значение яркости умножалось на значение к, поэтому чем меньше был к, тем ниже было среднее по изображению значение яркости.
Результаты исследований влияния собственных шумов ФП на качество тепловизионного изображения в зависимости от к представлены на рис. 1.21-1.23. Сопоставляя приведенные на рис. 1.21-1.23 зависимости и результаты, полученные на предыдущем этапе работы можно отметить, что присутствие шумов не изменяет общего хода кривых, но количественные значения пороговых контрастов, требуемых для разрешения миры, резко увеличились. Наличие шумов ФП в изображении ухудшает качество наблюдаемой картины на всех исследованных пространственных частотах.
Дополнительной трудностью в оценке качества изображения мир при наличии в рассматриваемой картине собственных шумов оказалось наличие целостности одного или нескольких штрихов тест-объекта. Необходимо повышать ОСШ чтобы обеспечивалось условие правильного распознавания миры. При пороговых значениях контраста шумовые кластеры разрушали изображение штрихов вплоть до невозможности их распознавания. Причем этот эффект был тем более ярко выражен чем выше была дисперсия собственных шумов ФП и чем выше частота тест-объекта. На рис. 1.25, а, б, приведены фрагменты изображения миры на пороговом уровне распознавания для пространственных частот 1/н и 0,33/н. Значения контрастов одинаково для обеих картин СПОр=72 градации, к=\.
Из рис. 1.25, а видно, что при таком значении контраста между средним значением яркости фона и пиковым значением яркости миры обнаружить некий тест-объект не составляет большого труда. Однако идентифицировать в данном тест-объекте четырехшпальную миру, у которой высота штриха в 7 раз превосходит его ширину - не представляется возможным. Этот факт являлся определяющей причиной увеличения порогового контраста, требуемого для разрешения четырехшпальной миры при увеличении пространственной частоты.
Каждый следующий эксперимент сопровождался генерацией новой («свежей») картины собственных шумов ФП, что аналогично динамическому шуму «растянутому» во времени (от эксперимента к эксперименту). Этот факт приводил к тому, что оператор мог наблюдать то одну, то другую часть штриха, причем в каждой конкретной реализации распознать штрих не удавалось. Набрав таким образом несколько картин (несколько реализаций) миры расположенной в одних и тех же координатах и прокрутив эту последовательность картин с частотой около 3Гц, оператор мог различить миру в соответствии с требованиями [13]. Однако, все равно, значение порогового контраста было ниже, чем при пространственной частоте миры 0,33fH. Для исследования влияния динамических шумов на качество изображения штриховых мир требуется значительно большее время и более серьезная вычислительная аппаратура. Дальнейшие исследования по этому направлению будут развиваться отдельно. Наиболее эффективно было бы исследовать динамические шумы реальных приборов и их влияние на качество изображения. Однако графики, изображенные на рис. 1.21-1.23, построенные для статических картин шумов полностью отражают реальное положение дел. При наличие динамических шумов абсолютные значение контрастов понизятся. Данные выводы сделаны для двух пространственных частот lfH, и 0,33 .
Таким образом, можно сделать вывод, что наличие собственных шумов ФП оказывает значительное влияние на качество изображения тестовых мир в терминах вероятности правильного распознавания. Далее будет показано, что это влияние больше, чем при наличии помех фона, т.к. при уменьшении к понижается амплитуда фоновых шумов.
В отечественной и зарубежной научной литературе, посвященной исследованию работы матричных ТВП, при не 100% коэффициенте заполнения, заполнение матрицы учитывается в виде коэффициента, который линейно влияет на характеристики приборов [65-67]. Однако проведенные исследования показывают, что это не верно. Из приведенных на рис. 1.21-1.23 зависимостей следует, что для обеспечения распознавания миры требуется тем большее увеличение контраста штрихов, чем меньше коэффициент заполнения матричного ФП, то есть крутизна ТЧХ увеличивается с уменьшением к нелинейно.
По мере уменьшения к качество изображения ухудшается на всех исследуемых пространственных частотах, то есть уменьшение коэффициента заполнения ухудшает чувствительность ТВП во всей исследованной области пространственных частот. С энергетической точки зрения, уменьшение к аналогично ухудшению параметров любого из функциональных узлов ТВП, влияющих на амплитуду полезного сигнала. К таким параметрам можно отнести коэффициент пропускания оптической системы, чувствительность ФП и др.
Во всех экспериментах наблюдалась зависимость качества малоразмерных статических (неподвижных) изображений от расположения их проекции на матрице ФП, т.е. от пространственной фазы. На высоких пространственных частотах в зависимости от фазы возникают такие ситуации, когда изображение миры полностью разрушается структурой матричного ФП. Присутствие шумов в изображении снижало пространственно-частотный порог разрешения тест-объекта.
Эксперимент показал, что возможно разрешение миры на частотах выше частоты Найквиста (при условии совпадения фаз), в этом случае элементы ФП визируют излучение от части штриха. Полученное изображение миры имеет штрихи различной интенсивности. Тем не менее, по изображению можно судить об их количестве и ориентации, что согласно стандартной методике измерения ТЧХ [13] и является критерием «распознавания». Для четырех-шпальной миры в присутствии собственных шумов ФП предельная частота разрешения (в нормированных единицах), полученная в ходе экспериментов, составила 1,1.
Методика проведения и результаты экспериментальных исследований матричных измерительных тепловизионных приборов
В этом случае становится очевидным, что вид функции Р0бН (Ах / а) определяет значение интеграла площади под кривой, описывающей зависимость Р0бн- Кроме того, практический интерес представляют области значений Р0бН 0,5. Целесообразно оценить математическое ожидание обнаружения точечной цели с вероятностью более 0,5 при случайном равновероятном попадании её изображения на матричный ФПУ с коэффициентом заполнения к. Область возможных значений оценок такого условного параметра эффективности матричного ТП заключена в пределах от Р0бН (Ах Id) - для смещения изображения точечной цели точно по осям ОХ или ОУ (оптимистическая оценка), до Робн(Ах/я) - для смещения изображения точечной цели точно по диагонали между осям ОХ или ОУ (пессимистическая оценка). Кроме того, полезность и непротиворечивость формируемого показателя эффективности матричного ТП зависит от его нормировки. Физический смысл выбираемого нормирующего множителя заключается в том, что он принимает значение, равное единице, в гипотетическом случае, когда вероятность обнаружения точечной цели равна Робн = 0,9 независимо от места положения изображения точечной цели на плоскости матричного ФПУ. Все другие реальные ситуации характеризуются уменьшением усреднённого по большому количеству экспериментов значения Р0бн 0,9 из-за смещения изображения точечной цели относительно центра чувствительной площадки МФПУ Ах/а.
Нормирующий член (общая площадь прямоугольника), участвующий в определении выбранного показателя обнаружительной способности матрицы /70бЩ, зависит от к и составляет По5щ= (Рмах 0бН) х (Ах/а =1 + с/а) Поскольку для квадратной площадки к = 1 / (1+ с/а)2, то /7общ = (Рмах 0бн) / к0,5
Таким образом, отношение математического ожидание обнаружения точечной цели с вероятностью более 0,5 при случайном равновероятном попадании её изображения на матричный ФПУ с коэффициентом заполнения к к гипотетическому случаю, когда вероятность обнаружения точечной цели равна Р0бН = 0,9 независимо от места положения изображения точечной цели на плоскости матричного ФПУ, может служить непротиворечивым показателем эффективности матричного ТП, прямым образом отражающим влияние коэффициента заполнения МФПУ на обеспеченность решения задачи обнаружения точечной цели с помощью матричного ТП. Такой показатель эффективности (обеспеченности) Д может быть определён как :
Из полученных результатов можно заключить, что даже при предельно высоких значениях А: от 1,0 до 0,9 из-за случайного характера попадания изображения точечной цели на чувствительные элементы матрицы, среднее значение вероятности её обнаружения теплопеленгационным прибором не превышает 0,57. То есть, из-за неинвариантности отклика МФПУ к сдвигу изображения средняя по полю зрения вероятность обнаружения точечной цели даже для идеального МФПУ без зазоров не превышает 63% от максимальной вероятности её обнаружения, которая достигается при полном вписывании изображения цели в чувствительную площадку элемента. Кроме того, при наиболее распространённых значениях к от 0,5 до 0,8 из-за случайного характера попадания изображения точечной цели на чувствительные элементы матрицы математическое ожидание вероятности её обнаружения ещё меньше, и значение прогнозируемой вероятности обнаружения точечной цели не превышает 0,47 (52%) в среднем по большому количеству экспериментов (по полю зрения ТП).
Не останавливаясь на конкретном техническом способе увеличения значения эффективного коэффициента заполнения МФПУ, на основании численных оценок можно экстраполировать зависимости Р0бн от к до значений к = 3. При «переналожении» мгновенных полей зрения элементов матричного ТП следует ожидать повышения обеспеченности обнаружения точечной цели почти до 1,0. В частности, при к = 3 обеспеченность вероятности обнаружения точечной цели с Р0бн = 0,9 не зависит от места попадания изображения точечной цели на плоскость МФПУ, то есть, от случайного характера положения цели в поле зрения матричного ТП.
В известной литературе [29, с. 203] в качестве альтернативного метода обеспечения Робн = 0,9 предлагаются варианты увеличения кружка рассеяния оптической системы. Расфокусировка ОС вплоть до такого размера, когда изображение точечной цели будет при любом положении значения Ах и Ау освещать четыре чувствительные площадки, рассмотрено выше: варианты №5 и №6 по табл. 2.1. При этом, хотя бы на одной из площадок МФПУ матричного ТП
149 формируется значение ОСШ, достаточное, чтобы обеспечить значение P0GH = 0,9. Однако, для этого требуется увеличить значение падающего на ТП лучистого потока в ж/к раз, чтобы сохранить требуемое значение ОСШ = 4,85 при прочих равных условиях по сравнению с базовым вариантом №1, табл. 2.1. Выполнение такого требования равносильно уменьшению дальности до точечной цели (т.е. дальности обнаружения) от л0 5/ к 5 до (2ж)0,5/к0,5 раз, или же, пропорциональному увеличению площади входного зрачка оптической системы ТП. Уменьшение размера чувствительной площадки приводит к уменьшению предельно достижимой чувствительности каждого отдельного элемента МФПУ, поэтому такой путь не рассматривается. Очевидно, что методы, связанные с увеличением кружка рассеяния оптической системы, на практике оказываются нерациональными из-за проигрыша в основных параметрах ТП.
Влияние погрешностей измерения радиационной температуры на достоверность оценки состояния дымовых труб
Тепловизионные обследования промышленных объектов являются составной частью методов и средств технической диагностики этих объектов [58, 70-93, 112, 113]. Результаты проведения тепловизионных обследований могут использоваться как самостоятельно, так и в совокупности с результатами обследований другими контактными и неконтактными средствами диагностики.
Задачей технической диагностики с применением тепловизионных средств является выработка прогнозов о состоянии обследуемого оборудования выработка рекомендаций по регламенту профилактических и ремонтных работ по отношению к этому оборудованию.
Цель мероприятий по совершенствованию качества тепловизионных обследований промышленных объектов состоит в повышении достоверности интерпретации результатов обследований и повышению надёжности прогнозов технического состояния обследуемых объектов на весь период до следующего обследования.
При тепловизионных обследованиях регистрируется контрастное инфракрасное излучение наблюдаемых объектов в рабочем спектральном диапазоне тепловизионного прибора. Методологическая основа вырабатываемых при тепловизионных обследованиях рекомендаций и прогнозов связана с оценкой количественных соотношений, определяемых на основе тепловизионных изображений.
При интерпретации тепловизионных обследований используются как результаты количественных измерений амплитуд оптических сигналов (представленных, как правило, в единицах радиационной температуры) так и геометрические образы объектов наблюдения, позволяющие сравнивать и выявлять аномалий ИК излучения в их изображениях в различных условиях. Не всегда известна количественная связь между радиационной температурой наблюдаемого объекта и параметрами того процесса, который происходит в исследуемом объекте и, собственно, представляет основной интерес при наблюдениях. Взаимное влияние сразу нескольких внутренних и внешних факторов на тепловое поле наблюдаемых объектов в подавляющем большинстве практических ситуаций носит стохастический характер и может быть в разных условиях взаимно усиливающим или взаимно ослабляющим (например, [58, 91, 112, 113]). Тем не менее, первым и основополагающим шагом при проведении тепловизионных обследований в рамках технической диагностики является уменьшение погрешностей измерения радиационной температуры ИК излучения наблюдаемых объектов.
Для повышения достоверности интерпретации результатов тепловизионных обследований при их проведении необходимо выполнение ряда операций, направленных на уменьшение погрешности количественных измерений радиационной температуры и на учёт геометрических искажений изображения тех объектов, наблюдение которых производится при сложных ракурсах. В современных ТВП достигнут столь высокий уровень пороговой чувствительности к тепловому излучению, что большая часть погрешностей при интерпретации результатов тепловизионных наблюдений обусловлена физической природой формирования оптического поля наблюдаемых объектов.
ТВП регистрируют контрастное ИК излучение наблюдаемых сюжетов, которое формируется за счёт двух составляющих: - собственное тепловое излучение объектов; - отражённое от наблюдаемых объектов ИК излучение других тел, фона, атмосферы и т.д. Измеряемая с помощью ТВП радиационная температура является одной из интерпретаций величины контрастного ИК излучения, содержащей информацию одновременно о двух этих составляющих. Не существует простых способов, позволяющих на практике полностью разделить собственное и отражённое ИК излучение в диапазоне 3-12 мкм. Основную информационную ценность, как правило, представляет та часть лучистого потока, которая связана с собственной температурой объекта, то есть, его собственное тепловое излучение [25]. Поэтому большинство методологических приёмов и рекомендаций при проведении тепловизионных обследований направлены на снижение доли отражённой составляющей излучения непосредственно при проведении измерений и/или на его адекватный учёт при обработке результатов измерений. Помимо взаимно-дополнительного характера связи излучательной (є) и отражательной (R) способностей поверхности (чем меньше значение є, тем больше значение R), в реальных условиях тепловизионных обследований наибольшую неопределённость в результаты интерпретации данных вносит неопределённость знания того участка окружающего пространства, излучение которого зеркально и диффузно отражается в направлении наблюдающего ТВП. Методологические основы способов увеличения достоверности интерпретации результатов обследований состоят в том, чтобы провести предварительный тепловизионный осмотр объекта при разных ракурсах и выбрать для анализа такие тепловизионные изображения, в которых доля отражённого излучения минимальна или же может быть вычленена при обработке.5 - мгновенное поле зрения ТВП; є - излучательные способности, соответственно индексам, опорного излучателя и наблюдаемого объекта; Т - температуры излучения, соответственно индексам, опорного излучателя, наблюдаемого объекта и эквивалентная температура излучения фона; АХ, - рабочий спектральный диапазон ТВП. Как видно из выражения (4.1), температура наблюдаемого объекта Тобъекта может быть получена при расчётах лишь методом интерполяции. Причём эти расчёты включают в себя ряд параметров конкретных приборов, определяемых изготовителем ТВП и используемых при обработке сигналов. Недостаточно точная фокусировка оптической системы вносит случайную погрешность в измерения радиационной температуры с помощью ТВП. Устранить эту погрешность при последующих обработках невозможно.
Расстояние до объекта определяет сразу несколько причин, по которым достоверность интерпретации результатов может оказаться разной. Помимо изменения ракурса наблюдения объекта, изменяется длина атмосферной трассы, определяющая ослабление полезного лучистого потока от объекта [97, 98] и вклад собственного мешающего ИК излучения в общий оптический сигнал ТВП. Кроме того, видимый угловой размер наблюдаемого объекта определяется расстоянием до него. Общее правило состоит в том, что радиационная температура объектов (с малыми угловыми размерами) измеряется с тем большей погрешностью, чем меньше его угловой размер. Это типично для всех оптико-электронных систем, хотя для каждого типа ТВП количественные соотношения будут разными. Для использовавшихся ТВП измеренная радиационная температура объекта, занимавшего размер 1x1 пиксель на 2,3 К отличалась от радиационной температуры того же объекта, когда он занимал размер тепловизи-онного изображения 9x9 пикселей (рис. 3.1, подраздел 3.2). В самом общем случае можно ориентироваться на следующее правило: для того, чтобы погрешность измерения радиационной температуры не превышала паспортную величину, размер усредняемой зоны тепловизионного изображения должен занимать область не меньшую, чем, приблизительно, 9x9 пикселей.
