CC BY
495
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ.
ЧАСТЬ 2. АЛГОРИТМ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ДАЛЬНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ
Василий Михайлович Тымкул
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры «Наносистемы и оптотехника, тел. 8 (383) 352-11-59, e-mail: fantasy_2000@ngs.ru
Любовь Васильевна Тымкул
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры «Наносистемы и оптотехника», тел. 8 (383) 352-11-59, e-mail: fantasy_2000@ngs.ru
Евгений Владимирович Лаптев
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры «Наносистемы и оптотехника», тел. 8-913-060-28-27, email: genius-1188@yandex.ru
Михаил Петрович Исаев
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры «Наносистемы и оптотехника», тел. 8-913-777-59-28, e-mail:mihail54@mail.ru
Евгений Александрович Крапивко
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры «Наносистемы и оптотехника», тел. 8-960-795-40-84, e-mail: trueman988@mail.ru
Юрий Александрович Фесько
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры «Наносистемы и оптотехника», тел. 8-913-752-92-38, e-mail: y.a.fesko@gmail.com
Приводится алгоритм, выбор исходных данных и моделей передаточных функций звеньев тепловизора и коэффициента пропускания атмосферы, а также результаты расчета дальности обнаружения тепловизора IRIS AWS (Франция).
Ключевые слова: дальность обнаружения тепловизора, модуль передаточной функции, объектно-атмосферная обстановка, критерий Джонсона.
ENERGY CALCULATIONS IR SYSTEMS. PART 2. ALGORITHM AND CALCULATIONS OF RANGE OF THE THERMAL IMAGER
Vasily M. Tymkul
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russian Federation, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, PhD, professor, department of «Nanosystems and optical engineering», tel. 8 (383) 352-11-59, e-mail: fantasy 2000@ngs.ru
Lyubov V. Tymkul
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, PhD, professor, department of «Nanosystems and optical engineering», tel. 8 (383) 352-11-59,
e-mail: fantasy_2000@ngs.ru
Eugene V. Laptev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plahotnogo, PhD, department of @Nanosystems and optical engineering», tel. 8 (913) 060 2827, e-mail: Genius-1188@yandex.ru
Mikhail P. Isayev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plahotnogo, postgraduate, engineer, department of special devices and technologies, tel. (913)777-59-28, e-mail: mihail54@mail.ru
Evgeniy A. Krapivko
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russian, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, PhD-student, department of «Nanosystems and optical engineering», tel. 8-960-795-40-84, e-mail: trueman988@mail.ru
Yuri A. Fesko
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russian Federation, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, PhD-student, department of «Nanosystems and optical engineering», tel. 8-913-752 92-38, e-mail: y.a.fesko@gmail.com
Described algorithm, the choice of input data and model transfer functions thermal units and the transmittance of the atmosphere, and the results of the calculation of the detection range of the thermal IRIS AWS (France).
Key words: detection range of the thermal module, the transfer function, object-atmospheric conditions, the criterion Johnson.
Введение и постановка задачи. В работе [1] подробно рассмотрена методика расчета дальности действия тепловизионных систем, которая основана на анализе и установлении функциональной связи искомой величины с пороговой температурной чувствительностью АГпор и температурно-частотной характеристикой АГраз(у) при наблюдении объектов на однородном и неоднородном поле теплового излучения. Так, применительно к условию наблюдения изотермических объектов на излучающем тепловом фоне, получено следующее выражение для дальности действия тепловизоров:
1/2 *
*'i(v)Д7ра, Te-fk ,,2C2D
d/f 2/'■ І
К
'ад т0(я.)та(я.)х‘
-1
dX
6yf2k3T2jAfa N ■m
где £)* и $(Х) - удельная обнаружнтельная способность и относительная спектральная чувствительность приемника оптического излучения (ПОИ); Д/д -шумовая полоса частот электрической схемы включения ПОИ; (^1,^2) - границы спектральной чувствительности ПОИ; кэ - коэффициент использования ПОИ излучения эталонного источника; т - отношение «сигнал/шум»; ЩХ,Т) -спектральная светимость АЧТ с температурой Г; є(^) - спектральный коэффициент излучения поверхности объекта; т0(А,) и та(А) - спектральный коэффициент пропускания оптической системы тепловизора и слоя атмосферы между объектом и прибором; С2 - постоянная в формуле Планка; Те и^ - постоянная времени глаза и частота кадров тепловизора; V - пространственная частота в пространстве предметов, мрад’1; г2(у) - результирующий модуль передаточной функции (МПФ) всех звеньев тепловизора; й и у7 - диаметр входного зрачка и заднее фокусное расстояние оптической системы тепловизора; N - критерий (число) Джонсона, имеющий смысл количества периодов эквивалентной миры, укладывающихся в критический размер объекта при решении системой задачи наблюдения (обнаружения, распознавания, классификации и идентификации).
Целью настоящей работы является анализ методики расчета дальности действия тепловизоров, выбор исходных данных и моделей передаточных характеристик их звеньев, проведение расчетных исследований и сопоставление с данными натурных исследований.
Выбор исходных данных, моделей составных звеньев тепловизора и параметров атмосферы. Если рассматривать тепловизор как линейную систему с последовательно расположенными звеньями в виде оптической системы, приемника оптического излучения, электронного тракта, видеоконтрольного устройства (ВКУ) и глаза оператора, то, с учетом работы [2], суммарный модуль Те(у) передаточной характеристики тепловизора представляется в виде:
Ъ(У) = >о(у)/п]э(у)/ин(у)/син(у)/в(у)/ус(у)/вкл (у’)/гл(у)/см(у) > (2)
где г0(у) - модуль передаточной функции (МПФ) оптической системы тепловизора; гир(У) - МПФ приемной площадки ПОИ; гин(у) - МПФ инерционности элементов ПОИ; гсин(у) - МПФ синхронизации элементов изображения тепловизора; гв(у) - МПФ выборки по строке и кадру; гус(у) - МПФ усилителя сигналов ПОИ; гвку(у) - МПФ видеоконтрольного устройства; ггл(У) - МПФ глаза оператора; гсм(у) - МПФ смаза в изображении по строке и кадру.
Подробный системный анализ передаточных характеристик всех звеньев тепловизора нами дан с использованием работ [2,3]. Так, согласно этим работам, входящие в формуле (2) МПФ звеньев аппроксимируются следующими соотношениями:
-1,33
r0(v) = 0,64e
' r 2" 1/2'
v/'j . arccos ( XqV 1- iVO >
ч d J d ч d ,
rnpc (v)
sin(7i8cv)
я5су
rnpic(v)
sin(^8Kv)
7l6KV
^HH(v)=rCIIH(v)=l - для тепловизоров с матричными ПОИ;
/ Л-1/2
ГусО) =
1 2v5c 1 +-----£-
avr V Ус J
Значения МПФ для звеньев тепловизора по строке:
8т(тту5с/ас хс)
>k(v):
(:iv5c/ac Хс)
, ч - l,33v252/z2a2%2
Wy)=e ;
Гглс (v) е
- 1,23v2§2/§2 z2a2%2
ГСМС (v)
sin(7tvSc/ac xc)
(7iv5c/ac xc)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8) (9)
Значения МПФ по кадру:
Wv) =
sin(7iv5K/aK хк)
(7iv5K/cxK Xk)
. - l,33v2ö2/z2a2%2 .
гшук(У)=е ’
Гглк (v) e
rCMK (v)
sin(7Tv5K/aK xK)
(tw5k/(xk xK)
(10)
(11)
(12)
(13)
где ^ -диаметр аберрационного пятна рассеяния объектива тепловизора; Х0 -эффективная длина волны измерительной системы тепловизора; 5с=(а//г)*1000, 5к=(Ъ//г)*1000 - соответственно угловой размер элементарного поля зрения по строке и кадру (мрад); ас=пс/Яс, ак=пк/Як - коэффициенты переналожения (число отсчетов на элемент) по строке и кадру; аус=1,25; Хк - коэффициенты заполнения элементов ПОИ по строке и кадру: %с= ас/Аас, Хк= ак/Аак; ас=а; ак=Ь; Аа,
с?
Аак - шаг элементов ПОИ по строке и кадру; 2 - электронное увеличение тепловизора: 2=Яэ/(Щ;), где Нэ - высота экрана монитора ВКУ; Ыс, Ь - число элементов и размер одного элемента матричного ПОИ по высоте кадра; 5т - угловой размер элемента изображения на экране монитора, мрад; 5т=^тЮ’)*1000; dm - диаметр светового пятна на экране монитора; и - расстояние от глаза оператора до экрана монитора.
Следует отметить, что пространственная частота V в формулах (1)-(13) связана с дальностью I следующим образом:
Для анализа влияния слоя атмосферы между объектом и прибором на дальность действия тепловизора, а также оценки роли метеорологической дальности видимости 5м, абсолютной ю и относительной /отн влажности воздуха и его температуры ^, то входящий в формуле (1) коэффициент пропускания атмосферы определяется по методике, предложенной в работе [2]:
Выражения (17) и (18) соответствуют значениям ар и ап для области спектра ДХ=8-12 мкм.
Исходные данные тепловизоров для расчета. Для проведения расчетных исследований дальности обнаружения использовались исходные данные в виде технических параметров и характеристик тепловизора IRIS-AWS (Франция) на область спектра ДХ=8-12 мкм. При этом, как указывается в работе [3], в нем используется матричный ПОИ из КРТ формата 320х240 элементов с размером элемента 30х30 мкм (аналог микросхемы MARS LV фирмы Sofradir). Выбор этого тепловизора в качестве объекта исследований обоснован тем, что в работах [3,5] приведены результаты натурных экспериментов оп определению его дальности обнаружения, которые будут использованы для сравнения с данными расчетов.
В целом, технические параметры и характеристики тепловизора, а также исходные данные по объектно-атмосферной обстановке следующие:
V = IN / (2h ■ 1 ООО), мрад’1.
(14)
та =ехр - Zp+Zn ,
(15)
где
Lp Gp/, Ln ап/,
(16)
ор=(1,бб-0,35/^м)/ Sм;
ап = 0,05 + 0,015ш ;
(17)
(18)
(19)
273 +
/о=ехр[-(3,11*10-\2+0,0738 Гв+6,41)].
(20)
h=2,7 м (танк); d=160 мм; /’=280 мм; D*=1,2*10n см*Гц1/2/Вт; АГраз=0,02 К; ^1=8 мкм; Х2=12 мкм; Х0=10 мкм; T=293 К (лето); T=263 К (зима); a=b=30 мкм; /k=25 Гц; то=0,9; Te=0,2 с; #=2 (обнаружение объекта на фоне с сильной неоднородностью [4]); /отн = (50-75)%; ^=20 °С; tB= -10 °С; Sm=(0,25-20) км.
Значения многочисленных параметров, входящих в правые части соотношений (3)-(20) получались на основе указанных технических параметров тепловизора и исходных данных объектно-атмосферной обстановки по методике, приведенной в работе [2].
Результаты расчета дальности обнаружения. На основании приведенной методики расчета дальности действия тепловизоров, которая содержит соотношения (1) и (2) с учетом моделей передаточных функций всех звеньев тепловизора в виде зависимостей (3)-(14) и методики расчета коэффициента пропускания атмосферы между объектом и прибором (соотношения (15)-(20)), был разработан соответствующий алгоритм расчета дальности обнаружения, классификации, распознавания и идентификации объектов.
С использованием этого алгоритма была составлена компьютерная программа в среде MATLAB для расчета и моделирования указанных дальностей применительно к тепловизионным системам на область спектра АХ=8-12 мкм и АХ=3-5 мкм.
Перед сопоставлением расчетных данных с результатами имеющихся экспериментов рассмотрено следующее обстоятельство. В работах [3,5] отмечается, что «в ходе натурных экспериментов установлено, что, при любых сочетаниях температур и относительных влажностей воздуха, дальность обнаружения тепловизора IRIS AWS (8-12 мкм) в 5 раз больше чем метеорологическая дальность видимости при Sm > 1 км». Эти экспериментальные данные и послужили нам узловым моментом для проверки наших расчетных исследований.
В конечном итоге, в работе выполнено следующее:
1. получены расчетные данные по зависимости дальности обнаружения объекта в виде танка для тепловизора IRIS AWS от метеорологической дальности видимости Sm в диапазоне от 0,25 до 20 км;
2. результаты расчетов получены для условий наблюдения объекта летом (tu= 20 °С) и зимой (tu= -10 °С) при относительной влажности /отн(50-75)%;
3. проведен сопоставительный анализ расчетных данных и результатов экспериментов, имеющихся в работах [3,5].
Дальнейшее развитие теории и практики энергетического расчета теплови-зионных систем будет ориентировано на использование методов анализа поляризации собственного теплового излучения объектов в системах тепловидения [6, 7] как для оценки эффективности работы, так и повышения дальности действия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тымкул В.М., Тымкул Л.В. Фесько Ю.А. Энергетический расчет тепловизионных систем. Ч.1. Методика расчета дальности действия // Сб. матер. Междунар. научн. конференции «Сиб0птика-2013» (в печати).
2. Иванов В.П., Курт В.И., Овсянников В.А., Филлипов В.Л. Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов. - Казань: Отечество, 2006. - 594 с.
3. Шипунов А.Г., Семашкин Е.Н. Дальность действия, всесуточность и всепогодность телевизионных и тепловизионных приборов наблюдения. - М.: Машиностроение, 2011. -216с.
4. Holst G.C. Electro-optical imaging system performance. 3 ed. -SPIE press, USA, 2003.
5. Шипунов А.Г. Семашкин Е.Н., Черноусов А.А., Громов А.Н., Романов А.Р., Воробьев В.В., Матюшин А.Ю. Экспериментальные исследования дальности действия и всепогод-ности телевизионных и тепловизионных приборов наблюдения // Оптический журнал. - Т. 74, №9, 2007. - С. 61-65.
6. Тымкул В.М., Фесько Ю.А. Методика и алгоритм опрелеления трехмерной формы объектов на основе поляризационных термограмм // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 3-7.
7. Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Фесько Ю.А. Математическая модель определения трехмерной формы объектов на основе двух поляризационных термограмм // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). -Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 164-168.
© В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, Е.В. Лаптев, М.П. Исаев, Е.А. Крапивко, Ю.А. Фесько, 2013
