Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ возможностей теплового метода по обнаружению удаленных слабоконтрастных объектов и определение путей построения поисковой аппаратуры 16
1.1. Природа теплового излучения и основные помехи 16
1.2. Радиометрические величины и их соотношения в ИК-диапазоне спектра 19
1.3. Излучательная и поглощательная способности исследуемых материалов и наблюдаемых объектов в ИК-диапазоне спектра 23
1.4. Прохождение ИК-излучения через атмосферу 37
1.5. Выводы 47
2. Расчет и анализ основных характеристик тепловизионных систем на основе твердотельных неохлаждаемых многоэлементных матричных преобразователей 49
2.1. Оптические системы тепловизионных камер 49
2.2. Линейная фильтрация изображений, оптическая и общая модуляционная передаточные функции ОС тепловизоров ...60
2.3. Основные этапы и направления развития приемников ИК-излучения 66
2.4. Структура и принцип работы современных твердотельных матричных приемников излучения 70
2.5. Основные параметры приемников ИК-излучения тепловизионных систем 81
2.6. Регистрация, считывание и первичная обработка сигналов неохлаждаемыми тепловизионными системами 91
2.7. Выводы 97
Определение обнаружительной способности тепловизоров на основе неохлаждаемых микроболометрических матриц 99
3.1. Расчет излучательных параметров объектов, регистрирующих способностей ТВС и пропускания атмосферы по их структурно-функциональным моделям 99
3.2. Критерии оценки эффективности использования наблюдательных тешювизионных систем 107
3.3. Расчет зависимости вероятности обнаружения слабоконтрастного удаленного объекта от расстояния до него 111
3.4. Выводы 127
Тепловизионная аппаратура для обнаружения и визуализации слабоконтрастных удаленных объектов 128
4.1. Классификация тешювизионных систем обнаружения и визуализации 128
4.2. Пироэлектрические модули-преобразователи ИК-излучения Thermal-Eye 300D и Thermal-Eye 2000В 132
4.3. Микроболометрические модули-преобразователи ИК-излучения Thermal-Eye серий 36xxAS и 45xxAS 134
4.4. Портативные тепловизионные системы обнаружения на основе микроболометрических матриц 139
4.5. Мобильные тепловизионные системы обнаружения на основе микроболометрических и пироэлектрических матриц 146
4.6. Стационарные тепловизионные системы обнаружения и визуализации на основе микроболометричесісих
и пироэлектрических матриц 151
4.7. Наблюдательные тепловизионные системы, устанавливаемые на носителях 155
4.8. Выводы 159
Заключение 162
Список литературы
- Прохождение ИК-излучения через атмосферу
- Линейная фильтрация изображений, оптическая и общая модуляционная передаточные функции ОС тепловизоров
- Критерии оценки эффективности использования наблюдательных тешювизионных систем
- Портативные тепловизионные системы обнаружения на основе микроболометрических матриц
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. Высокая
информативность и широкие потенциальные возможности методов неразрушающего контроля, нашедших применение при решении проблем обеспечения контроля и диагностики различных объектов и изделий, обусловлены использованием практически всего частотного диапазона электромагнитного спектра Учитывая, что оптические изображения являются наиболее удобной и оптимальной формой представления информации для человека, широкое распространение получили тепловизионные методы и средства Данные приборы визуализируют изображение, получаемое в инфракрасной (ИК) области спектра, в которой сосредоточена основная доля собственного электромагнитного излучения большинства окружающих нас объектов искусственного и естественного происхождений
Большинство тепловизоров, разработанных в настоящее время, ориентированы на промышленное применение в различных отраслях народного хозяйства, а также для досмотровой, антитеррористической и криминалистической диагностик, что накладывает определенные требования к их функциям и эксплуатационным возможностям Тепловизионные системы (ТВС) должны обеспечивать возможность визуализации объектов на значительных расстояниях независимо от уровня естественной освещенности, интенсивности световых помех, степени прозрачности среды Кроме этого, они должны обладать малыми массогабаритными характеристиками и энергопотреблением, обеспечивать бесшумную работу и высокое качество изображения, цифровую обработку в реальном масштабе времени, связь с ЭВМ и т п Особенно актуальна проблема разработки на основе неохлаждаемых матриц портативных тепловизионных систем и приборов для обнаружения и визуализации на фоне тепловых и других помех удаленных слабоконтрастных объектов - таких, как линии электроснабжения, трубопроводы, теплотрассы, энергонасыщенные объекты и промышленное оборудование, подводные и береговые сооружения и объекты, охранные системы Кроме того, данные устройства практически незаменимы при проведении спасательных работ и обеспечения антитеррористической и криминалистической диагностики
В настоящее время широко распространены охлаждаемые тепловизионные приборы, разработкой и эксплуатацией которых в нашей стране занимается фирма «ИРТИС» Однако дороговизна, особенности
4 эксплуатации и размеры данных устройств накладывают определенные ограничения для их повсеместного использования в качестве портативных ТВС С внедрением новой элементной базы на основе неохлаждаемых микроболометрических и пироэлектрических матриц за рубежом, в частности, фирмами «Flir Systems», «Thermal-EYE», «Fort imaging system» и «ICM», активно стали разрабатываться и внедряться в производство неохлаждаемые тепловизоры Данный факт резко повысил актуальность создания в нашей стране аналогичных ТВС, проработки теоретических и практических положений разработки оптических систем, а также блоков регистрации, считывания и первичной обработки сигналов неохлаждаемых ТВС
Представленная диссертационная работа направлена на решение вышеуказанной актуальной проблемы, имеющей важное значение для обеспечения государственной безопасности и безаварийной работы систем энергообеспечения, промышленных объектов и оборудования
Целью данной работы является исследование и разработка тепловизионных портативных неохлаждаемых средств обнаружения и визуализации для последующей диагностики удаленных слабоконтрастных объектов на фоне различного рода помех
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи
рассмотрены и проанализированы основные помехи, влияющие на передачу теплового излучения объектов, величины и их соотношения в ИК-диапазоне спектра, характеризующие тепловой поток, а также определены основные направления разработки и исследования новых ТВС с улучшенными характеристиками,
определены, проанализированы и систематизированы основные теоретические положения и практические рекомендации, необходимые для разработки высококачественных оптических систем, блоков регистрации, преобразования, считывания и первичной обработки сигналов от обнаруженных объектов,
проведены расчет характеристик разработанных ТВС и экспериментальные исследования их обнаружительной способности в различных внешних средах с учетом влияния фоновых факторов, а также выбран критерий и метод расчета вероятности обнаружения различных объектов на равноизлучающем фоне,
сопоставлены с теоретическими расчетами и проанализированы результаты, полученные при экспериментальной апробации разработанных ТВС на объектах различных типов, на основании чего были сделаны выводы о применимости тех или иных
5 систем для решения поставленных задач и о влиянии внешних факторов на вероятность обнаружения соответствующих объектов,
приведено описание разработанных ТВС на основе неохлаждаемых матриц и результаты их практического применения
Методы исследования. Выполнение научных исследований проводилось с использованием вероятностных методов, а также методов спектрального анализа и математической физики Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждена соответствующими экспериментами по обнаружению ряда объектов различных классов в меняющихся условиях внешней среды с использованием разработанных ТВС и сопоставлением полученных экспериментальных данных с теоретическими результатами
Научная новизна.
Получен математический аппарат для расчета основных блоков (блока оптической системы, а также регистрации, считывания и обработки информации) тепловизионных средств обнаружения и визуализации удаленных слабоконтрастных объектов,
разработан матричный приемник излучения с накоплением сигналов,
адаптирована матричная схема считывания сигналов с координатной выборкой под неохлаждаемые приемники излучения тепловизионных средств обнаружения и визуализации удаленных слабоконтрастных объектов,
получена упрощенная формула расчета соотношения сигнал/шум на выходе приемника излучения, используемая при определении вероятности обнаружения удаленных слабоконтрастных объектов,
определены зависимости обнаружительной способности ТВС от влияния внешней среды и типа обнаруживаемых объектов, позволившие выявить наиболее значимые при решении поставленных задач характеристики неохлаждаемых ТВС
Практическая ценность.
-
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, разработаны новые, более совершенные неохлаждаемые тепловизионные средства с улучшенными характеристиками обнаружения и визуализации, которые по своим тактико-техническим данным не уступают зарубежным аналогам
-
Даны рекомендации по проектированию ТВС с матричными приемниками излучения
3 Разработана методика экспериментального определения обнаружительной способности ТВС для различных типов объектов с учетом влияния мешающих факторов
Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований соискателя использовались ЗАО НИИИН МНПО «Спектр», НПЦ «Спектр-АТ» и фирмой ТАСК-Т при создании ТВС «Катран-3» (портативный тепловизор), СПЛИТ (устанавливаемый на носителях), «Скат» (мобильный) и «Спектр» (стационарный)
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях МГУПИ (2006, 2007, 2008), Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Санкт-Петербург, 2002), IX Европейской конференции по неразрушающему контролю (Берлин, 2006), XVI Всемирной конференции по неразрушающему контролю и диагностике (Монреаль, 2004), 4-ой Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2005), 7-й Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2008)
Публикации Теоретические и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 10 печатных трудах и одном патенте РФ
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений Основная часть диссертации изложена на 172 страницах и содержит 50 рисунков, 23 таблицы Список литературы включает 93 наименования Приложения представлены на 2 страницах
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Обоснование применения математических методов к расчету и анализу характеристик основных блоков ТВС (оптической системы, регистрации, считывания и первичной обработки информации) с неохлаждаемыми матрицами для решения задач обнаружения и визуализации слабоконтрастных удаленных объектов
-
Функционально-структурная схема матричного приемника излучения с накоплением сигналов
-
Матричная схема считывания сигналов с координатной выборкой, адаптированная для неохлаждаемых приемников излучения
-
Алгоритм расчета обнаружительной способности ТВС при различных условиях внешней среды и для различных типов объектов
7 5 Зависимости обнаружительной способности ТВС для различных слабоконтрастных удаленных объектов с учетом влияния внешней среды
Прохождение ИК-излучения через атмосферу
Все, что связано с терроризмом и безопасностью, обсуждается в настоящее время с большим энтузиазмом, на разных уровнях, с различным итоговым результатом. Это, бесспорно, необходимо и актуально, но при этом необходимо понимать, что проблемы безопасности требуют тщательного исследования, изучения и анализа с обязательным прогнозированием итогового результата. Такой процесс принято называть диагностикой. Диагностика в ее широком понимании — основа безопасности.
Если говорить об антитеррористическом аспекте безопасности, то в этом случае антитеррористическую и криминалистическую диагностику (АТКД) можно определить как совокупность принципов, методов и средств предотвращения и предупреждения террористических актов и других криминалистических проявлений или, другими словами, как активную составляющую технического обеспечения безопасности страны, общества и предотвращения терроризма.
Общеизвестно, что высокая информативность и широчайшие потенциальные возможности методов неразрушающего контроля (НК) обусловлены использованием практически всего частотного диапазона электромагнитного спектра, что позволяет создавать технические средства, обладающие возможностью видения в оптически непрозрачных средах.
Оптические изображения и образы являются высшей формой получения, хранения и передачи информации, а также ее наиболее удобным, оптимальным видом для восприятия человеком. Достаточно интересным и информативным является ИК-диапазон спектра, что обуславливается тем, что именно здесь сосредоточена основная доля собственного электромагнитного излучения большинства окружающих нас объектов естественного и искусственного происхождения.
Испускаемое любыми телами инфракрасное (ИК) излучение содержит визуально ненаблюдаемую информацию об их тепловом состоянии, пространственном расположении, геометрической форме и составляющих внутренних компонентах. Выделяющаяся энергия обратно пропорциональна длине волны излучения, поэтому она существенно меньше по сравнению с интенсивностью излучения (или поглощения) в видимом диапазоне спектра. Это в ряде случаев затрудняет обнаружение или наблюдение слабо нагретых, особенно удаленных, объектов даже с использованием чувствительной тепловизионной аппаратуры. Поэтому в неразрушающем контроле для более контрастного воспроизведения на экране монитора дефектов структуры или инородных включений исследуемая поверхность объекта в наблюдаемом участке предварительно нагревается на несколько градусов.
Объекты, которые по ряду причин должны регистрироваться в ИК области с пониженным контрастом, должны быть относительно фона более холодными или при возможности их следует охладить. Для уменьшения в 10 раз интенсивности собственного излучения любого объекта на длине волны в 10 мкм (при + 30С) температура его наблюдаемой поверхности должна быть понижена на 80 градусов - т. е. до - 50С.
Следует отметить, что излучательная способность тела также существенно зависит (в любом спектральном диапазоне) от разности его собственного и поглощаемых им извне тепловых потоков. Так, например, поверхность 1 см2 кожи человеческого тела при комнатной температуре излучает порядка 50 мВт. При общей средней площади кожного покрова около 2 м2 мощность, теряемая излучением, составит Р = 0,05-2-104 = 1 кВт. Однако эти потери тепловой энергии почти целиком компенсируются поглощением излучения от окружающей среды, а также путем обратной теплопередачи от собственной одежды и обуви.
В природе существует всего три вида теплообмена: конвекцией — между движущимися неравномерно нагретыми участками жидкостей и газов или при их контакте с твердыми телами (например, между нагретым потоком воды и более холодными внутренними стенками отопительной батареи); теплопроводностью - передачей тепла [в виде калорий - 1 кал = 4,2 Дж (Вт-с)=1,16-10"6 кВт-час] от более нагретой части тела к менее нагретой (например, от внутренних стенок отопительной батареи к наружным); излучением - бесконтактным обменом энергией электромагнитного поля на больших пространствах (колоссальная плотность облучения земной поверхности солнечными лучами в районе экватора составляет около 1,3 [кВт/м2, кДж/с-м"]).
В тепловидении преимущественно используется только последний вид теплообмена.
Что касается ограничений распространения тепловой энергии в целом, то невозможны процессы (в частности, препятствующие созданию теплового «вечного двигателя»): превращения всей подводимой извне энергии в работу (к.п.д. всегда 1,0); передачи тепла от менее нагретого тела к более нагретому; равноценного прямого и обратного преобразования двух видов энергии.
Полную энергию любого тела (или термодинамической системы) составляют: кинетическая энергия (движения); потенциальная энергия во внешних электромагнитном и гравитационном силовых полях; внутренняя энергия (покоя), зависящая от его термодинамического состояния и равная сумме свободной и связанной энергий.
Последнее определение - внутреннее энергетическое состояние изолированной системы имеет название «энтропия» S (Дж/К): возрастает при нагревании тела или совершении необратимого цикла; убывает при его охлаждении; остается неизменной при замкнутых внутренних процессах и после завершения обратимого цикла (используется только в качестве физической константы).
Часто упоминаемый в разных технических изданиях удельный тепловой поток представляет собой определенную физическую величину, численно равную энергии, передаваемой в форме теплоты за единицу времени через плоскую поверхность единичной площади (перпендикулярной к направлению переноса энергии).
На практике различают три кажущиеся температуры, связанные функционально с истинной температурой тела и его илучательной способностью є (б/р): яркостная, цветовая и радиационная (т. е. энергетическая Тэ, используемая в термографии). Первые две в основном относятся к видимой части спектра и в настоящей работе не рассматриваются [86].
Линейная фильтрация изображений, оптическая и общая модуляционная передаточные функции ОС тепловизоров
В геометрической оптике под «идеальным» изображением точки понимается вершина гомоцентрического (сходящегося в точку) пучка. Если не все лучи пучка пересекаются в одной точке, то ОС обладает аберрациями. Присутствующие практически в любых оптических системах аберрации связаны: а) геометрические - с изменением относительного отверстия и поля зрения; б) хроматические - с диспергирующими свойствами различных оптических материалов и сред, которые в выбранном спектральном диапазоне должны быть максимально прозрачными.
Главными из геометрических аберраций являются сферические -поперечные (определяющие радиус кружка рассеяния) и продольные (представляющие разницу между фокусными расстояниями ОС для разных спектральных зон), для наглядности изображенные в упрощенном виде на рис. 2.1.
Сферическая аберрация увеличивается с ростом апертурного угла, уменьшается с увеличением показателя преломления линзы и практически не зависит от размера изображения.
В длиннофокусных ИК объективах с малыми углами поля зрения (в области почти параллельных параксиальных пучков) её можно уменьшить практически к нулю при наличии асферических поверхностей линз или дублетов из сдвоенных линз с взаимно компенсирующимися аберрациями противоположных знаков.
Показанные на рис. 2.2 поперечная и продольная хроматические (спектрально зависимые) аберрации существенно ослабляются специальной комбинацией линз, при которой их дисперсии взаимно компенсировались.
Рисунок 2.2 - Схематическое изображение хроматических аберраций ОС
Как и в предыдущем случае, в зеркальных оптических системах также отсутствует хроматизм. Более подробно эти явления описаны в [39, с. 125 -134].
Рассмотрение законов геометрической оптики абстрагируется от волновой природы оптического излучения. Но его волновые свойства нельзя не учитывать, когда масштаб рассматриваемых искажений (разность хода лучей, аберрации и т. п.) соизмерим с длиной волны регистрируемого излучения.
Главной причиной этого является дифракция (не учитываемая геометрической оптикой), строго подчиняющаяся законам волновой оптики, в том числе для гомоцентрических пучков [39, с. 154 - 160; 57, с. 211 - 223].
Поэтому хотя бы в краткой форме следует рассмотреть основные явления дифракции.
В соответствии с преобразованием Фурье [39, с. 154 - 158] даже хорошо исправленная в отношении аберраций ОС с круглым зрачком не может воспроизвести изображение светящейся точки в виде точки). Это обусловлено тем, что точечному объекту в зрачке соответствует сферическая волновая поверхность, распределение колебаний которой равномерно.
Проходя через ОС, волновая поверхность ограничивается круглым контуром зрачка и поэтому распределение энергетического потока становится круговым, в полярных координатах описываемое функцией Бесселя первого рода, которая обращается в первый нуль при значении переменной 2яг/ =3,83 (где r-полярная координата в плоскости изображения, а/ —пространственная частота, линий/мм).
При этом, чем меньше относительное отверстие ОС, тем более «размытой» эта (хоть сколь угодно малая) точка будет фокусироваться на приемную мишень в виде дифракционного пятна рассеяния конечных размеров.
Получаемая дифракционная картина (рис.2.3(а,б)), называемая «кружком Эри», имеет четко выраженную круговую симметрию с максимальной амплитудой в центре, окруженной кольцами убывающих по величине амплитуд.
В центральном максимуме заключено почти всё (около 84%) излучение, поэтому с некоторым допущением размер минимального пятна изображения определяется радиусом первого «темного» кольца г0, соответствующим первому нулевому значению функции Бесселя, т. е г0 =
3,83/2яр = i,22Xf/2h (где h - радиус светового зрачка входной линзы ОС, ар -пространственная частота, линий/мм ).
На рис. 2.4(a) показаны два удаленных (но близко расположенных друг от друга) малоразмерных предмета В] и В2. и сформированные в задней фокальной плоскости объектива, совпадающей с координатой у, их изображения В и В;2. Так как отдельные точки предметов являются некогерентными источниками, то дифракционные картины складываются между собой по интенсивности и в результате образуется их окончательное изображение.
Эмпирически выбирается такое минимальное угловое разрешение cflmin=l,22A/D, при котором «провал» между раздельно наблюдаемыми максимумами интенсивностей излучения (рис. 2.4, б) не превышает 0,2.
Часто для расчета минимального диаметра кружка рассеяния пользуются выражением 2r0=d0 2,5)uCpҐоб// вх.зр..
Следовательно, можно сделать важный вывод - формируемое любой ОС минимальное пятно геометрического (пространственного) разрешения будет тем меньше, чем больше относительное отверстие и меньше длина волны регистрируемого излучения!
Обычно, в связи с невозможностью компенсации и учета всех аберраций, фактическое значение do получается в 1,2 - 1,5 раз большим. Однако, с другой стороны, с увеличением относительного отверстия существенно возрастают аберрации, поэтому должно учитываться их совместное с дифракцией влияние.
Для повышения выявляемое малоразмерных слабонагретых объектов, находящихся в непосредственной близости от более интенсивных источников теплового фона, может быть использован метод аподизации, т. е. подавления не основных (первых двух - трех) колец дифракционного пятна. Т. к. они располагаются практически на уровне шумовых и других помех, то частично могут быть отфильтрованы совместно с шумами и т. п., но это уже выходит за рамки рассматриваемых нами вопросов.
ОС наблюдательных ИКС обладают рядом специфических особенностей: - у них полностью отсутствуют сканирующие оптико - механические и другие сканирующие прецизионные устройства и системы охлаждения чувствительных элементов ИК матрицы: - осуществлено совмещение функций оптического анализатора со средствами первичной обработки тепловизионных изображений непосредственно в многоэлементном матричном приемнике; - требуют достаточно равномерного распределения освещенности и однородности качества изображения по всему полю, особенно при работе с полноформатными матрицами большой емкости; - необходимо учитывать влияние источников внутренних тепловых фоновых помех от элементов конструкции и диафрагм, а также переотражений излучения («Нарцисс - эффект» [61]) от поверхностей выходных линз и т. п.; - требуется повышенная глубина резкости и увеличенный допуск на фокусировку, особенно при работе в длинноволновой области спектра; - достаточно ограниченный выбор и дороговизна оптических материалов высокого качества (из германия, кремния и др.). Указанное выше распределение освещенности в фокальной плоскости объектива пропорционально cos4(a) (угла падения лучей на входной зрачок). В ОС с угловым полем зрения более 40 освещенность от центральной оси к краю поля наблюдения может снижаться до 30%. Предложенный М. М. Русиновым в [72, с. 67-76] оригинальный метод аберрационного виньетирования обеспечивает снижения пропорционально cos"(a), при этом могут быть увеличены диаметр входного зрачка и фокусное расстояние объектива. Для удаленного точечного излучателя её падение происходит менее интенсивно - по закону cos(a).
Материалы линз и других оптических компонентов длинноволновых ИК-систем имеют показатели преломления п=3,5 4,0, что связано с заметными потерями на отражение на границах раздела «воздух - стекло», поэтому в диапазоне 8-13 мкм даже у многослойно просветленных поверхностей германиевых линз потери на отражение могут быть достаточно велики.
Важным преимуществом оптического германия с высоким щ, является возможность изготовления из него светосильных ИК объективов с диаметром входной линзы, в 1.4 раза большим фокусного расстояния (F/0,7). Обладая достаточно высоким коэффициентом пропускания в длинноволновом диапазоне с невысоким контрастом между низкотемпературными объектами и окружающим фоном, указанные ОС могут изготавливаться всего из 2-3 оптических компонентов. При этом в облегченных малокомпонентных ОС для коррекции монохроматических аберраций используются асферические поверхности линз, а для коррекции хроматизма - дифракционные оптические элементы.
Критерии оценки эффективности использования наблюдательных тешювизионных систем
Задача, стоящая в данной диссертационной работе, заключается в расчете зависимости вероятности обнаружения объектов 4-х типов - живой объект на земле, металлический объект на земле, резиновый плавучий объект, летательный аппарат - от расстояния до объекта и от коэффициента пропускания атмосферы с использованием нескольких моделей современных тепловизоров на основе неохлаждаемых микроболометрических матриц и пироэлектрической матрицы для сравнения. Различные типы объектов, как и разные атмосферные условия позволяют более объективно и развернуто оценить эффективность представленных ТВС и выявить их параметры, наиболее значимые для решения поставленных задач.
Задача обнаружения объекта на равноіізлучающем фоне трактуется как установление факта наличия в полосе захвата тепловизионной системой (ТВС) некоего излучателя, отличающегося по радиационной температуре от окружающего фона [52].
В качестве устройств обнаружения были выбраны два тепловизора на основе микроболометрической матрицы («Катран-2» и «Thermal-EYE 5000хр») и один на основе пироэлектрической («ТСН-МП-100») - для сравнения, представленные в таблице 3.1. Зарубежный тепловизор был рассмотрен в качестве аналога отечественных неохлаждаемых систем. В данной диссертационной работе рассматривались только односпектральные тепловизионные системы, которые и были выбраны для решения поставленной задачи. Двух- и многоспектральные ТВС требуют отдельного тщательного изучения и комплексного анализа, поэтому их рассмотрение предполагается в дальнейших трудах автора и в данной
При расчете поверхностной плотности потока излучения каждого из объектов по формуле (1.8), были взяты следующие значения излучательной способности є (априорно все объекты считаются «серыми» телами, поэтому єл =є =const): живой объект - el — 0.7 ; металлический объект - є2 = 0.85 ; резиновый плавучий объект - єЗ = 0.8 ; летательный аппарат - є4 = 0.6 .
Применяя формулу (1.8) для каждого из представленных объектов с учетом рабочего спектрального диапазона тепловизоров, температуры объектов и их излучательной способности, получим значения R(T,s) , представленные в таблице 3.3. вычислим поверхностную плотность потока излучения, отнесенную к единичному телесному углу в 1 ср - лучистость L(T,e)=R(T,8)/7t (Вт/(м2-ср)). Вычисленные значения Ь(Т,є) приведены в таблице 3.4. Таблица 3.4 - Лучистость объектов Ь(Т,є) (Вш/(м -ср))
Рабочий диапазон ТВС Живой объект Металлический объект Плавучийрезиновыйобъект Летательный аппарат
Учитывая поверхностную площадь излучения S визируемых плоскостей объектов, найдем поток излучения 0=R(T,e)-S от каждой из них. Результаты расчета представлены в таблице 3.5. Таблица 3.5 -Поток излучения объектов Ф (Вт)
Далее найдем силу излучения 1=Ф/4я (Вт/ср), приходящуюся на телесный угол величиной 1 стерадиан, для каждого из объектов (для упрощения вычислений положим, что все рассматриваемые объекты излучают поток одинаковой плотности во всех направлениях). Результаты вычислений приведены в таблице 3.6. Таблица 3.6- Сипа излучения объектов I (Вт/ср)
Применяя закон Ламберта (1.12), рассчитаем поток излучения J (Вт), регистрируемый каждым из тепловизоров, без учета влияния коэффициента пропускания атмосферы татм. Примем также, что угол ф между нормалью к визируемой поверхности объекта и направлением телесного угла Q. равен 0: ф=0. Таким образом, расчетная формула (1.12) в конечном виде примет вид:
Опираясь на данные табл. 6.7 [80, стр. 114], в качестве значения спектрального коэффициента пропускания приемного объектива ТВС возьмем величину 0.95 для всех трех типов тепловизоров и во всем регистрируемом диапазоне длин волн (7... 14 мкм): T O,0 .
Согласно полученным выводам о прохождении ИК излучения через атмосферу (см. выше), были выбраны три следующих коэффициента пропускания атмосферы тапт(1):
1) Расчетный коэффициент xl(l) (слабый дождь, 1 мм/ч):
Воспользуемся моделью LOWTRAN [80], предлагающую эмпирическую формулу для учета рассеяния излучения на дождевых каплях: где vd - скорость выпадения осадков, мм-ч"1. В случае дождя общий коэффициент ослабления определяется только рассеянием на каплях и не зависит от длины волны излучения [80], т.е. где дистанция до объекта / задается в км. Подставляя в формулу (3.4) значение vd =1 (мм/ч), а затем подставляя найденное значение Уад в формулу (3.5), получим: тс{1) = "1(/) = ехр(-0,365/) .
Эффективность использования наблюдательных ИКС часто находится в прямой зависимости от их пространственной и температурной разрешающей способности. Процессы обнаружения и распознавания удаленных объектов (а иногда дополнительно - идентификации) в общем случае являются вероятностными, т. к. они зависят от многих случайных факторов.
Процесс наблюдения тепловизионной системой (ТВС) объекта и принятия решения относительно него зависит от ряда случайных факторов и является вероятностным. Поэтому необходим критерий, позволяющий с определенной степенью достоверности принимать решение, то есть говорить об успешном выполнении задачи наблюдения.
Впервые такой критерий был сформулирован и развит Джонсоном (1957 г.). Суть критерия состоит в том, что для зрительного анализатора выделено несколько уровней восприятия изображения, нижний из которых (соответствующий обнаружению объекта) соответствует выделению какого-то размытого пятна на фоне помех, а высший соответствует точной идентификации объекта и определению его специфических особенностей. Между этими уровнями находится ряд промежуточных уровней восприятия. В качестве параметра, характеризующего возможный уровень восприятия изображения, используют разрешение штриховых мир, эквивалентных объекту наблюдения.
Эквивалентной штриховой мирой называют миру прямоугольной формы,- ширина которой равна минимальному (критическому) размеру объекта, а длина соответствует его размеру в направлении, перпендикулярном критическому. Один период эквивалентной миры содержит два штриха равной толщины - темный («холодный») и светлый («теплый»). Критерии Джонсона, приведенные в табл. 3.8, лежат в основе современной методологии восприятия изображений. Таблица 3.8- Критерии Джонсона
