CC BY
1
OPTIMIZATION OF THE SYNTHESIS METHOD OF THE INDICATOR GYROSTABILIZER CONTROLLER USING THE VYSHNEGRADSKII CRITERION
A.S. Syrchina, A.V. Kuleshov
Optimization of the method of analytical determination of the parameters of the controller in the feedback loop of the indicator gyrostabilizer using the Vyshnegradsky stability criterion is considered. Optimization is achieved by constructing additional curves on the Vysh-negradsky diagram, which allow the selection of the controller parameters ensuring stability and required quality of transients. The controller parameters are calculated on the example of a real gyrostabilizer.
Key words: indicator gyrostabilizer, stability, controller, controller time constants, Vyshnegradsky diagram, Vyshnegradsky criterion, degree of stability, oscillation.
Syrchina Anna Sergeevna, student, sheeser@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Bau-man State Technical University,
Kuleshov Alexander Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, kuleshov@,bmstu.ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University
УДК 004.932.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-10-110-111
ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НАГРЕВА ИЛЛЮМИНАТОРА ОЭС НА ИК-ИЗОБРАЖЕНИЯ
П.А. Гессен
В целях изучения изменения показателей оптико-электронных систем при нагреве проведены натурные эксперименты по выявлению зависимостей между показателями температуры иллюминатора и выходными изображениями инфракрасных камер с различными характеристиками. В ходе экспериментов были задействованы три инфракрасные камеры и тестовый стенд для имитации нагрева иллюминатора. В ходе работы в различных погодных и временных условиях, при разной температуре окружающей среды были проведены съемки заранее выбранных объектов интереса. На основании полученных данных исследовалось влияние нагрева на параметры инфракрасного изображения и был создан программный модуль, позволяющий сымитировать выходное изображение в нагретой среде по изображению в нормальных тепловых условиях.
Ключевые слова: инфракрасный диапазон, оптико-электронные системы, информационное обеспечение, преобразование изображений.
В оптико-электронных системах, в том числе в системах технического зрения, остро стоит задача определения изменчивости изображения под влиянием внешних условий. Под такими условиями могут
110
подразумеваться как погодные явления и температурные перепады, так и другие параметры. Одним из самых малоизученных параметров является нагрев окружающей среды и иллюминатора, защищающего приемник, до больших значений в совокупности с инфракрасными камерами, на которые такие изменения должны оказывать наибольшее влияние. Ввиду специфических условий проведение исследований мирового опыта в этой области не дало каких-то значимых сведений.
В данной статье предлагается описание экспериментального исследования по видеофиксации объектов интереса при разной температуре нагрева на разные камеры, проведение анализа инфракрасных кадров на основе этих экспериментов и описание реализации программного модуля по преобразованию изображений при нормальной температуре в аналогичные в разогретой среде на базе проведенного анализа.
В ходе работы были выбраны 3 типа ОЭС, характеристики которых приведены ниже. ОЭС-1
В состав ОЭС-1 входят зеркально-линзовый объектив ОЗ-1 и тепло-визионная болометрическая камера S7IR производства АО «НПП «СИЛАР» (г. Санкт-Петербург, Россия).
Основные технические характеристики ОЭС-1:
спектральный диапазон 8 - 14 мкм;
фокусное расстояние 86,4 мм;
относительное отверстие 1:0,885;
угловое поле зрения 9 0;
разрешение 640х480 пикселей;
размер пикселя 17х17 мкм;
линейный размер матрицы ФПУ 10,88х8,16 мм.
ОЭС-2
В состав ОЭС-2 входят линзовый объектив и тепловизионная болометрическая камера МШСОЯЕ ф. MICROTHERMO (КНР). Основные технические характеристики ОЭС-2: спектральный диапазон 8 - 14 мкм; фокусное расстояние 24 мм; относительное отверстие 1:1; поле зрения 19°29'; разрешение 383х288 пикселей; размер пикселя 17х17 мкм; линейный размер матрицы ФПУ 6,528х4,896 мм. ОЭС-3
В состав ОЭС-3 входят линзовый объектив (ф. ОРНЖ) и тепловизионная болометрическая камера S7IR производства АО «НПП «СИЛАР» (г. Санкт-Петербург, Россия).
Основные технические характеристики ОЭС-3: спектральный диапазон 8 - 14 мкм; фокусное расстояние 40 мм; относительное отверстие 1:1; угловое поле зрения 19029'; разрешение 640х480 пикселей; размер пикселя 17х17 мкм; линейный размер матрицы ФПУ 10,88х8,16 мм. Для проведения данного эксперимента была использована муфельная печь «ПМ-14» (рис. 1) со сменными иллюминаторами, выполненными из различных оптических материалов (ZnSe, АЬ03, К8, КО1, кварцевое стекло). В конструкции муфельной печи предусмотрены два отверстия диаметром 120 и 175 мм для установки сменных иллюминаторов. Отверстия расположены соосно, напротив друг друга, на передней и задней поверхностях муфельной печи, что позволяет наблюдать происходящее через разогретую воздушную среду и иллюминаторы.
Рис. 1. Муфельная печь ПМ-14
Работа проводилась на стендовом оборудовании в оптической лаборатории АО «НПП «АМЭ», что позволило выбирать различные по своим тепловым характеристикам и удаленности от точки съемки объекты: купол храма, блок жилых зданий, одиночное офисное здание, заводские трубы. В ходе работы была составлена методика проведения исследования. Для одного этапа съемок была выработана следующая последовательность действий:
1) установить эмулятор нагрева среды так, чтобы ось визирования была направлена на выбранный типовой объект;
2) установить штатив для крепления камер рядом с эмулятором;
3) провести последовательные съемки через ненагретое стекло при нормальных условиях среды тремя тепловизионными камерами, закрепленными в штативе, а также телевизионной камерой;
4) увеличить температуру в печи на 50 °С;
5) провести последовательные съемки через нагретые стекло и среду тремя камерами, закрепленными в штативе;
6) повторять пп. 4 - 5, пока температура не достигнет 550 °С.
В результате проведенных работ были получены упорядоченные массивы из 10 экспериментальных съемок.
Анализ. В ходе проведенных испытаний с тремя камерами ОЭС было обнаружено, что все они столкнулись с проблемой снижения контраста и ухудшения качества изображения при повышенной температуре печи. Однако различия между камерами проявились в степени влияния разогретого иллюминатора на качество изображения.
ОЭС-3 показывала плавное снижение контраста с увеличением температуры печи до 550 °С, но объекты на сцене оставались различимыми. Засветка кадра наблюдалась только на краях, где соприкасались имитаторы обтекателя и печи, что не являлось критичным (рис. 2).
Рис. 2. Пример кадра ОЭС-3 с нагревом печи до 550 °C
В случае с камерой ОЭС-2 снижение контраста было значительно сильнее и добавлялась центральная засветка. Однако объекты вплоть до 550 °C человеческим глазом были различимы (рис. 3).
113
Рис. 3. Пример кадра "ИКК" с нагревом печи до 550 °C
В случае с камерой ОЭС-1 снижение контраста было значительным, и при достижении 250 °С натурные объекты стали неразличимы. Также наблюдался эффект паразитной засветки по краям кадра, который приводил к невозможности обнаружения глазом объектов в поле зрения камеры (рис. 4 - 6). При увеличении расстояния до печи переотражение было снижено, но полностью избавиться от него не удалось. Когда ось визирования смещалась от центра печи, эффект переотражения увеличивался, делая объекты неразличимыми. Стоит отметить, что части объектов, которые имели крайне высокую или низкую температуру, были все равно различимы (рис. 6).
Рис. 4. Пример кадра ОЭС-1 без нагрева
114
Рис. 5. Пример кадра ОЭС-1 с нагревом печи до 250 °C
Рис. 6. Пример кадра ОЭС-1 с нагревом печи до 550 °C
В конструктивном исполнении камер ОЭС-1 и ОЭС-3 используются одинаковые фотоприемные устройства. На основе этого можно сделать вывод, что различия в оптической схеме объективов играют роль в подверженности негативному влиянию разогретого иллюминатора. Зеркально-линзовый объектив камеры ОЭС-1 более подвержен этому влиянию. Некоторые результаты представлены в табл. 1 - 3.
115
Таблица 1
Результаты проведения испытаний ОЭС-2
Параметры
Т = 8 °С Контраст 0,18
Т =250°С Контраст 0,15
Т = 550 °С Контраст 0,21
Таблица 2
Результаты проведения испытаний ОЭС-1_
Параметры Изображение
Т = 8 °С Контраст 0,07
Т =250°С Контраст 0,17 | |
Т = 550 °С Контраст 0,16 щ
Таблица 3
Результаты проведения испытаний ОЭС-3
Параметры
Изображение
Т = 8 °С Контраст 0,17
Т =250°С Контраст 0,17
Т = 550 °С Контраст 0,15
Основываясь на полученных кадрах, была выдвинута гипотеза о том, что, изменяя значения яркостей, контрастов, размытия и интенсивности белого, можно преобразовать изображение, полученное при нормальной температуре (от -50 до +50 °C), в изображение, полученное при температурах 250 и 550 °С, принятых за некоторые точки интереса. Для решения данной задачи были предложены два метода: нейросетевой и ручной. Первый подразумевал обучение нейронной сети на паре кадров "кадр при нормальной температуре - кадр при повышенной температуре" и дальнейшее ее применение для симуляции нагрева неизвестных последовательностей. Изучив современный научно-технический задел в данной области [1 - 3] и проведя эксперименты по его применению и улучшению, было решено отказаться от этого подхода ввиду его неприменимости для обобщенных условий - отсутствуют известные объекты, кадры содержат случайные объекты в случайное время суток при разных погодных условиях. Второй подход включал ручное изменение вышеперечисленных параметров для наборов изображений при температуре 20 °C таким образом, чтобы были получены изображения при 250 и 550 °C. Проверка гипотезы выполнялась вручную в редакторе изображений. Мерой сходства были приняты гистограмма изображений и визуальное совпадение.
В итоге такие параметры были подобраны. При этом на их выбор влияли следующие факторы: температура воздуха в момент съемки (шаг различия составляет 10 °C), время суток (день, ночь) и погодные условия (ясно/дождь/снег). Стоит отметить, что при исследовании не принимались в расчет засветы объектива, поскольку в общем случае их синтезировать невозможно, поскольку у разных камер такие переотражения имеют разную физику и зависят от различных внешних факторов (положение камеры относительно «иллюминатора»).
На основании полученных результатов на языке Python версии 3.8 была написана программа по трансформации ИК-изображений из одного температурного режима в другой. На рис. 7 приведен графический интерфейс программы.
Рис. 7. Окно программы преобразований
119
Используя представленную программу, можно преобразовать изображения в полученное при температуре 250 и 550 °С (рис. 8).
Рис. 8. Пример преобразования (слева - 250 °С, справа - 550 °С)
Заключение. В данном исследовании была проведена оценка работы трех инфракрасных ОЭС при съемке объектов в условиях повышенной температуры с целью имитации нагрева среды.
Эксперименты проводились на стендовом оборудовании, включая муфельную печь ПМ-14 для создания эффекта разогретой среды.
Результаты экспериментов позволили сделать следующие выводы:
ОЭС-3 продемонстрировала наилучшую стабильность и сохранение качества изображения при повышении температуры до 550 °С, важным преимуществом является небольшая засветка на краях кадра;
ОЭС-2 показала снижение контраста и центральную засветку при повышении температуры, но при этом объекты оставались различимыми до 550 °С;
ОЭС-1 оказалась наименее эффективной, снижение контраста и эффект паразитной засветки делали объекты неразличимыми уже при 250 °С.
Для симуляции нагрева среды были рассмотрены два метода: нейросетевой и ручной. Нейросетевой метод не подходил для обобщенных условий и был отклонен в пользу ручного метода, который позволил успешно преобразовать изображения, учитывая факторы окружающей среды, такие как температура воздуха, время суток и погодные условия.
Исследование подчеркивает важность учета физических характеристик каждой ОЭС и аккуратного подбора параметров обработки изображений для успешной симуляции нагрева среды. ОЭС-3 представляется наиболее подходящей для данной задачи, обеспечивая высокое качество изображения при высоких температурах.
Данное исследование имеет практическое применение в областях, требующих имитации нагрева среды для оценки работы инфракрасных камер при экстремальных условиях, таких как тепловизионная диагностика, пожаротушение и мониторинг технических систем.
Список литературы
1. Image-to-Image Translation with Conditional Adversarial Networks / Phillip Isola, Jun-Yan Zhu, Tinghui Zhou, Alexei A. Efros. 2018, arXiv, 1611.07004.
2. Unpaired Image-to-Image Translation Using Cycle-Consistent Adversarial Networks / J. -Y. Zhu, T. Park, P. Isola and A. A. Efros // IEEE. International Conference on Computer Vision (ICCV). Venice, Italy. 2017. P. 2242 - 2251, doi: 10.1109/ICCV.2017.244.
3. StarGAN: Unified Generative Adversarial Networks for Multi-domain Image-to-Image Translation / Y. Choi, M. Choi, M. Kim, J. -W. Ha, S. Kim, J. Choo // IEEE/CVF. Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. Salt Lake City, UT, USA. 2018. P. 8789 - 8797, doi: 10.1109/CVPR.2018.00916.
Гессен Павел Алексеевич, аспирант, gessen.pa@,edu.spbstu.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
INVESTIGATION AND ANALYSIS OF THE EFFECT OF HEATING OF THE PORTHOLE
OF OES ONIR IMAGES
P.A. Gessen
In order to study the changes in the parameters of optoelectronic systems during heating, field experiments were carried out to identify the dependencies between the temperature indicators of the porthole and the output images of infrared cameras with different characteristics. During the experiments, three infrared cameras and a test bench were used to simulate the heating of the porthole. In the course of work in various weather and time conditions, photographs ofpre-selected objects of interest were taken at different ambient temperatures. Based on the data obtained, studies of the effect of heating on the parameters of the infrared image were carried out, on the basis of which a software module was created that allows simulating the output image in a heated environment from the image under normal thermal conditions.
Key words: infrared specter, optoelectronic systems, information support, image conversion.
Gessen Pavel Alekseevich, postgraduate, gessen.pa@edu. spbstu. ru, Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
