Функциональное компьютерное моделирование работы приборов ночного видения пассивного типа Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 535.4 Л.В. Тымкул СГГА, Новосибирск

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ ПАССИВНОГО ТИПА

L.V. Tymkul

Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

FUNCTIONAL COMPUTER SIMULATION OF WORK OF NIGHT VIEWING DEVICES PASSIVE TYPE

In work considered the technique of the functional computer simulation of night viewing devices work of passive type.

Вопросам разработки теории, математических и компьютерных моделей работы приборов ночного видения (ПНВ) посвящен ряд работ [1-6]. Так, в работе [1] рассмотрена теория формирования яркости изображения объектов и фонов на экране ПНВ активного и пассивного типов в приближении геометрической оптики. В этой же работе получены выражения для абсолютного и относительного контрастов изображения объектов на экране ПНВ. Следует отметить, что авторам этой работы удалось достаточно адекватно отразить основные функциональные составляющие оптического излучения, которые формируют суммарную яркость изображения объектов и фонов на экране ПНВ пассивного и активного типов. В порядке использования теории линейных систем применительно к ПНВ в работах [2, 3] нами с позиции физической оптики разработаны теория и математическая модель работы ПНВ активного и пассивного типов в неполяризованном свете. В этих работах получены математические модели пространственно-частотных спектров (ПЧС) яркости изображения объектов и фонов, а также аналогичные спектры абсолютного и относительного контрастов объектов, на основании которых представлена методика расчета дальности действия и разрешения ПНВ. В работах [4, 5] разработана математическая модель работы ПНВ пассивного типа в поляризованном свете и рассмотрены особенности компьютерного моделирования этого класса приборов как в поляризованном свете так и в неполяризованном свете. Работа [6] посвящена модели структурного описания ПНВ и компьютерной оценки дальности распознавания объектов наблюдения на основе геометрического соотношения между эквивалентным размером объекта и угловым разрешением системы «ПНВ - глаз».

Целью настоящей работы является разработка методики функционального компьютерного моделирования работы ПНВ пассивного типа.

В основу функционального компьютерного моделирования работы ПНВ пассивного типа заложены теория и математические модели, которые достаточно адекватно отражают оптико-физические и информационные основы их реального функционирования. При этом, адекватное отражение оптико-физических и информационных основ их функционирования содержит следующие положения:

- Физически правильное рассмотрение отражения направленного излучения Луны и полусферического излучения ночного неба сложной поверхностью наблюдаемого объекта;

- Учёт наличия излучения слоя атмосферы между объектом и прибором;

- Учёт наличия темнового свечения экрана электронно-оптического преобразователя (ЭОП) ПНВ;

- Формирование математической модели двумерного поля яркости изображения объекта и фона на экране ЭОПа ПНВ;

- Формирование пространственно-частотного спектра (ПЧС) яркости изображения объекта Ц у, ¡л и фона V,// , а также ПЧС абсолютного

АЬ у, ¿и и относительного К у,¡л контрастов на экране ЭОПа ПНВ;

- Учёт частотно-контрастных характеристик оптической системы прибора к у, ¡и , ЭОПа у, ¡л и глаза оператора у,/и

осуществляющих пространственную фильтрацию изображения объектно-фоновой обстановки;

Выбор правильного критерия реализации прибором функционального решения поставленной задачи (обнаружение, распознавание, идентификация), который адекватно отражает информационный процесс работы глаза оператора;

- Формирование математических соотношений, которые связывают пространственные частоты у и ¡л элементов изображения по координатам л* и у с критическими размерами ах и а у объекта, фокусным расстоянием /'

объектива ПНВ, линейным увеличением V ЭОПа, дальностью решения поставленной задачи I и числом периодов Ир пространственной миры,

разрешаемых вдоль критического размера объекта.

На основе работ [2-4] основные информационные соотношения в математических моделях, которые адекватно отражают работу ПНВ пассивного типа имеют следующий вид:

Ц =[£?/ +кё +1п ]х/г? х х Ьу +ьу ;

Ьб уф = Ьб1 уф +Ь6ё уф +Ьп Уф хЩ Уф X

X

Ьу + Ц ;

ЛЬ уф = Ьо Уф -Ьф Уф ; (3)

К уф

Ь0 уф -Ьф уф Ь0 уф +Ьф уф

; (4)

уф =е

-28~2 у2+<и2

; (5)

Уф =е

-28/ у2+]и2

; (6)

У

Кр-1/ах-Г-У; (7)

М = Мр-1/ау-Г-У. (8)

В выражениях (1) - (8), кроме указанных выше, приняты следующие обозначения:

/ уф , Цё уф - составляющие модуля ПЧС яркости изображения

объекта, формирующиеся за счет подсветки излучением ночного неба и Луны;

I Уф , Уф - составляющие модуля ПЧС яркости изображения

фона, формирующиеся за счет подсветки излучением ночного неба и Луны; Ь^ уф , Ьу Уф - модуль ПЧС соответственно яркости изображения

слоя атмосферы между объектом и прибором и свечения экрана ЭОПа;

д0 , дэ - диаметр пятна рассеяния объектива и ЭОПа ПНВ соответственно.

Следует отметить, что составляющие модуля ПЧС яркости изображения объекта получаются на основе прямого преобразования Фурье:

А/ = Ьи

1

^о

№¿4*1 )е

-]2л (ух+цу)

йхйу

; (9)

Ч^о

->2 ж(ух+му)

СОБ Ц/ё(к(1у

; (10)

5

о

1

5

о

А

- ]1л(у х+ц

у)сЪсф

; (11)

Л

-]2л{у

. (12)

В этих формулах приняты следующие обозначения:

Д ¥н) - индикатриса коэффициента яркости отражения покрытия поверхности объекта при направленном освещении;

А( ¥н) - индикатриса коэффициента яркости отражения покрытия поверхности объекта при полусферическом освещении;

- площадь поверхности объекта в пространстве изображений;

¥л, - угол между нормалью к элементу поверхности объекта и направлением на Луну и на наблюдателя;

Ьц , - составляющие яркости в изображении объекта, которые формируются за счет подсветки соответственно излучением неба и Луны;

Ь% - яркость в изображении объекта, которая формируется рассеянным излучением слоя атмосферы между объектом и прибором;

Ьу - яркость темнового свечения экрана ПНВ.

В свою очередь модули ПЧС яркости изображения фона на экране ПНВ получаются аналогично соотношениям (9)-(12).

Алгоритм компьютерного моделирования работы ПНВ пассивного типа и его структуру нами рассмотрен в работе [5], поэтому на нем останавливаться нет необходимости. Тем не менее, отметим следующий существенный момент, который касается выбора критерия реализации прибором функционального решения поставленной задачи. Для того, чтобы этот критерий отражал информационный процесс работы глаза оператора, нами предлагается одновременное выполнение следующих условий для абсолютного и относительного контрастов:

АЬ у,^ = Ьо у,у, -Ьф у,у, >ш-Ьэ ; (13)

К у,^ = Ьо у,у, -Ьф у,^ I Ьо у,^ +Ьф у,¡л

(14)

где т - отношение сигнал/шум в изображении объекта на экране ПНВ;

Кп - пороговый контраст глаза оператора-наблюдателя.

При этом выдача значения дальности решения поставленной задачи 1р

при моделировании соответствует следующему условию:

1

lp=l Np

• (15)

AL v.и -m-L v,u ; К v.u -K э n

Информационное обеспечение функционального компьютерного моделирования работы ПНВ было реализовано программой в среде Borland Delphi 7.

Для подтверждения достоверности предлагаемой методики функционального компьютерного моделирования работы ПНВ, в работе проведены исследования зависимости дальности обнаружения, распознавания и идентификации ПНВ МПН-8КМ от наблюдаемого контраста Kп и метеорологической дальности видимости Sм.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Сухопаров, С.А. К вопросу дальности действия приборов ночного видения [Текст] / С.А. Сухопаров, Б.А. Пизюта//Труды НИИГАиК/ НИИГАиК.- 1974.-Т.32.-С. 4548.

2. Тымкул, JI.B. Оптико-математическая модель приборов ночного видения пассивного типа [Текст] // Сб.тез. докл. Междунар. конф. "Прикладная оптика-2000" / Л.В. Тымкул, В.М. Тымкул - СПб, 2000. - С. 216.

3. Тымкул, В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета [Текст]: учеб. пособие / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул. -Новосибирск: СГГА, 2005. - 215 с.

4. Тымкул, Л.В. Математическая модель работы приборов ночного видения в поляризованном свете [Текст] // сб. материалов III Междунар. науч. конгр. "ГЕО-Сибирь-2007", 25-27 апр. 2007 г., г. Новосибирск. Т.4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника Ч.2. / Л.В. Тымкул. - Новосибирск: СГГА, 2007. - С. 14-18.

5. Тымкул, Л.В. Компьютерное моделирование работы приборов ночного видения в поляризованном и неполяризованном свете [Текст]// сб. материалов IV Международного науч. конгр. «ГЕ0-Сибирь-2008»,22-24 апр. 2008 г., г. Новосибирск. Т.4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч.2./ Л.В. Тымкул, И В. Валиахметов. - Новосибирск: СГГА, 2008. - С. 161-164.

6. Малинин, В.В. Функциональное компьютерное моделирование телевизионных приборов ночного видения [Текст]: сб. материалов III Международного науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2007», 25-27 апреля 2007 г., г. Новосибирск. Т.4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч.1. / В.В. Малинин, З.М. Цепиногова, Г.Н. Попов, Г.А. Моисеенко, В.В. Моисеенко. - Новосибирск: СГГА, 2007. -С. 29-33.

© Л.В. Тымкул, 2009