CC BY
45Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5
УДК 621.384.3
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 гг.», государственный контракт № 07.514.11.4115.
Ильин А.В., Тишин В.М.
АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рассмотрены существующие показатели температурного, пространственного, спектрального и энергетического разрешения, характеризующие эффективность работы тепловизионных систем.
В настоящее время в теории исследования управления не существует универсальных критериев оценки эффективности. Но, несмотря на многообразие подходов, их выбор применительно к тепловизионной системе как информационной системе является вполне возможным.
Реальные тепловизионные системы работают в условиях помех, снижающих качество приема сигналов, и представляют собой сложные электронные оптико-механические устройства. Эффективность работы тепловизионных систем опишем с помощью общих показателей (параметров) [1]:
- показатели эффективности работы системы, определяющие основное назначение системы и способность реализации целеполагающей задачи;
- показатели, определяющие способность системы обрабатывать заданную номенклатуру сигналов с требуемым качеством и с временными затратами не превышающими заданные;
- показатели, определяющие климатико-механические условия и эргономические особенности эксплуатации системы;
77
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5
- финансово-экономические затраты на содержание и обслуживание.
Каждый показатель - это комплексный показатель, разворачиваемый через систему частных (простых) показателей, как правило, коррелированных с конкретными свойствами сигналов, окружающей среды или условиями эксплуатации.
Для описания свойств измерительной системы, которые характеризуют эффективность работы тепловизионных систем, применяются показатели температурного, пространственного, спектрального и энергетического разрешения.
К показателям температурного разрешения относятся:
1. Температурное разрешение (Atunn, °С) - минимальный температурный интервал AtMm,°C, обеспечивающий различение объекта инфра-
_ w гъ i
красного излучения с заданной достоверностью р, т.е. минимальная различимая разность эффективных температур объекта и его окружения.
2. Разность температур эквивалентная шуму (АТ„) - это разность эффективных температур протяженного объекта и его окружения, которая дает пиковый сигнал, равный эффективному напряжению шума системы.
3. Минимальная разрешаемая разность температур (АТразр) - это минимальная разность эффективных температур между штрихом и промежутком миры Фуко с периодической структурой, позволяющая визуально разрешить штрихи миры.
4. Минимальная обнаруживаемая разность температур (ДТобн) - это минимальная разность эффективных температур протяженного объекта и его окружения, при которой становится возможным восприятие объекта при визуальном наблюдении.
Перечисленные показатели температурного разрешения используются в условиях, когда объекты ИК-излучения отнесены к черным телам, а разность эффективных температур обусловлена разностью истинных температур, разницей в коэффициентах излучения или в общем случае обеими причинами.
Показатели пространственного разрешения ALmuh системы определяют линейные размеры детали объекта, воспринимаемые на пределе по размеру. При этом пространственное разрешение - это минимально измеряемые линейные размеры объектов, позволяющие воспринимать теп-ловизионной системе объекты раздельно. На значение пространственного разрешения непосредственно влияют скорости сканирования, инерционность системы и телесный угол.
Показатели спектрального разрешения определяют возможность тепловизионной системы различать объекты ИК-излучения по значени-
78
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5
ям их частот излучения, а показатели энергетического разрешения способность системы различать объекты ИК по минимальной энергии, обеспечивающей обнаружение ИК-излучения с заданной вероятностью.
К показателям спектрального разрешения относятся:
1. Спектральный диапазон - это рабочая спектральная область системы в диапазоне длин волн излучения АА=Аь-Аа с центром на средней
X - X
длине волны Xc = b 2 а, где Аа и Ab верхняя и нижняя граница рабочей
спектральной области. Спектральный диапазон ДА обычно напрямую зависит от спектральной полосы пропускания оптических систем и фильтров, а также спектральной чувствительности приемника.
2. Чувствительность приемников инфракрасного излучения - это минимальное значение энергии, необходимой для обнаружения сигнала ИК-излучателя при заданном отношении плотности потока излучения
WT
объекта и плотности потока излучения фона, т.е. [2].
Для характеристики энергетического разрешения тепловизионной системы используются следующие показатели:
1. Облученность эквивалентная шуму Езр.п - численно равная облученности в плоскости входного зрачка системы, которая дает сигнал больше или равный напряжению шумов vb приемника (измеряется в электрической полосе системы): ЕзР.п = Езр (vb /vs), где Езр - облученность в плоскости входного зрачка, дающая напряжение сигнала Vs.
2. Обнаружительная способность - количественная оценка возможности приемника с заданной площадью измерительного элемента обнаруживать ИК-излучение в заданной полосе частот (длин волн). Об-наружительная способность приемников зависит от площади чувствительного элемента А и ширины полосы пропускания приемника Av. При этом, количественно обнаружительная способность убывает пропорционально квадратному корню из площади чувствительного элемента А приемника, и обратно пропорциональна квадратному корню из ширины электрической полосы пропускания Av.
3. Удельная обнаружительная способность приемника связана с абсолютной температурой черного тела, частотой модуляции потока и шириной полосы пропускания приемника: D f (Т^., fm , Av) , где тч.т. - абсолютная температура используемого черного тела, fm - частота модуляции потока, Av - ширина электрической полосы пропускания приемника.
4. Дрейф - характеристика приемника ИК-излучения определяющая степень зависимости изменения выходного сигнала dv при постоянном уровне входного сигнала dEr =const за счет нестабильности раз-
79
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5
личного происхождения во время эксплуатации приемной системы. На стабильность оказывают существенное влияние изменения климатических условий (температура окружающей среды, влажность и т.д.), а также изменения питающих напряжений системы энергообеспечения приемных систем. Знание показателя дрейфа позволяет учитывать его значение в виде систематических или периодических погрешностей, повышая тем самым точность измерения.
Иногда используются другие параметры, характеризующие радиометрические свойства ИК-системы. Однако можно всегда установить взаимосвязь между новыми выбранными параметрами и параметрами, перечисленными выше. Так, например, оптическая передаточная функция (ОПФ) непосредственно связана с пространственным разрешением, а температурное разрешение в свою очередь зависит от ОПФ.
Для оценки эффективности может быть использована шкала Харрингтона, позволяющая оценить эффективность, как частных, так и обобщенных показателей, по величине коэффициента адекватности Кад, т.е. степени соответствия полученных результатов исходной задаче. Количественные значения коэффициентов Кад, соотнесенные к определенным уровням эффективности, представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Значения коэффициентов Харрингтона
Эффективность Значение коэффициента Харрингтона (Кад)
очень высокая от 0,8 до 1,0
высокая от 0,63 до 0,8
средняя от 0,37 до 0,63
низкая от 0,2 до 0,37
очень низкая от 0,0 до 0,2
Таким образом, целеполагающая задача сводится к обнаружению, анализу и определению количественных значений параметров ИК-излучения с точностью достаточной для идентификации объекта излучения.
Библиографический список
1. Хадсон, Р. Инфракрасные системы. - М.: Мир, 1978.
2. Госсорг, Ж. Инфракрасная термография.- М: Мир, 1988.
80
