Исследование сигнала на входе приемника теплового излучения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИССЛЕДОВАНИЕ СИГНАЛА НА ВХОДЕ ПРИЕМНИКА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Мария Владимировна Орлова

ОАО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)216-05-68

Разработана программа для расчета и исследования сигнала на входе приемника теплового излучения, позволяющая получить реализации сигнала в виде графиков, для конкретного положения объекта на фоне заданной подстилающей поверхности.

Ключевые слова: тепловое излучение, поток излучения, плотность излучения,

энергетическая яркость, коэффициент излучения, приемник излучения, реализации сигнала.

INVESTIGATION OF THE THERMAL RADIATION RECEPTOR INPUT SIGNAL

Maria V. Orlova

OJSC Scientific Research Institute of Electronic Devices, 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., Ph. D., Senior Researcher, tel. (383)216-05-68

A program for calculating and investigating of the signal from the thermal radiation receptor was developed, that provides signal realization graphics for the given placement of the object on the given backgrounds.

Key words: thermal radiation, radiant flux, radiant emittance, radiance, emissivity of a thermal radiator, receptor of radiation, signal realizations.

Для обнаружения объектов на фоне подстилающей поверхности может быть использовано явление контраста обнаруживаемого объекта с фоном. Широко используется явление температурного контраста, обусловленного работой двигателя объекта, а также неравномерного нагрева фона и корпуса объекта на солнце. В пассивной локации объектом обработки являются поля, создаваемые тепловым излучением тел. При этом достоинством пассивного локатора является скрытность работы, а недостатками - малый уровень и случайный характер принимаемых сигналов. Сравнение сигналов проводится на основе яркости источников излучения [1].

Значения энергетической яркости объектов и фонов определяются их температурами. Для определения интегральной плотности излучения можно воспользоваться законом Планка [2].

1ГЧ 1

С,г>^—^-Ц— , (1)

(С 2

ехр

1

^ чА-Г,

где г^,Т ^ - спектральная плотность излучения абсолютно черного тела;

С1 = 3,74 10'16 Вт-м2, С2 = 0,01438 м-К - коэффициенты закона Планка; Т - температура, К.

Плотность излучения абсолютно черного тела в заданном спектральном интервале (^і - Х2) определяется по формуле

Яркость поверхности может быть определена по формуле [2]

(3)

71

где Єт - коэффициент излучения, т.е. отношение энергетической яркости реального тела к энергетической яркости абсолютно черного тела при той же температуре.

При малых значениях угла поля зрения приемника а лучистый поток на входе приемника теплового излучения в дальней инфракрасной области спектра может быть рассчитан по формуле:

где Sob - площадь объектива

то - коэффициент ослабления оптической системы приемника. Существуют различные способы обзора поверхности с целью обнаружения объекта [3]. По формуле (4) может быть рассчитан поток оптического излучения в зависимости от времени при перемещении поля зрения пассивной системы обнаружения по поверхности. В соответствии с методикой расчета потока излучения разработана программа для расчета и исследования сигнала на входе приемника теплового излучения, предназначенного для обнаружения объектов на фоне поверхности по их температурному контрасту относительно подстилающей поверхности. В данной работе рассматривается способ сканирования поверхности по сходящейся спирали. При этом рассматриваются различные варианты расположения объекта в системе координат, связанной с локатором. Объект, подлежащий обнаружению, представлен в виде совокупности отсеков, для каждого из которых задается значение температуры поверхности. Подстилающая поверхность представляет собой совокупность областей с заданным распределением температуры и коэффициентов излучения. По данным литературных источников, коэффициенты излучения фоновых образований и большинства обнаруживаемых объектов отличаются незначительно и близки к единице [2]. Разработанная программа позволяет получить реализации сигнала в виде графиков зависимости мощности сигнала на входе приемника от времени Ф(?) (рис. 3, рис. 4), а также изображение обнаруживаемого объекта и области обнаружения (поля зрения) локатора на плоскости (рис. 1, рис. 2).

(4)

С- " : ^ Ш - _ 31 _ Л ^ :м> Лч

■^іГ £г£ НЕН «Ж-

:—- ЕЕ —- ?3 3^ £^Х ШмШ М-- >Гч'

- 1- >:>.

“_Л- —_з“ '-0_: <ч Ч-ІХ'-^.чч »ж

>-> да^; л- 3^ V ШШШ

- :-е- Г^СГ о' >> \><

-3-І гЗ-' зда оо *< г^\

V; з? ;<> л, \Тч ч-Х' 4а’ Vі- \ м\Чу\^

" '/V ■ —- -— -.'• > о.\ •\\- Л\> X','. дада / \\\\

V/ - -— — - С' - х л \ \\-

Л; - ''ч л.\ч Л\> л^^ >>ч * 1 \ ■л\ да \\\' \\\' /

'И), , ГМ -% V "-ч ' *> \ л\\ Л' да, ■V' \\\' да'

'>11 Щ /> ^ Г^ч хХ\ :-л' '■м Л\ л\': \\'\ ,Л\ № ;Н', і’ї ІИІ

і "(і "Ї т. П// Iі м да М'\ Iі т 11 л* і ' 111 пи 1 1 щ '' 1 П| Г Ч ’ III III ]1]] !1г! 1

!и НІ 11 11 и \\\ да1’ дау да уп -1', & 11 !!п III, '/Ц 1 > Ь Iі* ІЩ Iі 1/М т її мм I11 11 И11 ' 1

\\\ Л NN \\\' ■-«_ .'/ ‘ ПІ! чп //// 1!п П/1 ш, ч 11 /// !!!! чи 'її

'°'ч чч4 /// /// #/ І/і> < і ', 1 >!п %>, '!/. '/// Чіі у// на Ш!

и '■//, ■ / / / % ЧІІ, \Ф да Щ! т,

ода —г "V / X- / ■ V/ у// % /// ///, »а '}/!, !Н, ЧІ! чи

V ■'/! //,' Ж ‘//к ’///> ччч

о - 30 25 - о - 5 - 0 5 0 5 0 5 5 0 5 0 5 0

трава

объект

песок

листва

Рис. 1. Схема фона и объекта (1 вариант ориентации объекта - координаты объекта на плоскости в системе координат локатора Хо = 30 м, Хо = 30 м)

Z

X

Рис. 2. Схема фона и объекта (2 вариант ориентации объекта - координаты объекта на плоскости в системе координат локатора Хо = 40 м, Хо = 40 м)

Рис. 3. Импульсы полезного сигнала от объекта при последовательном пересечении поверхности полем зрения локатора (1 вариант ориентации объекта)

Рис. 4. Импульсы полезного сигнала от объекта при последовательном пересечении поверхности полем зрения локатора (2 вариант ориентации объекта)

Приведенные реализации сигналов соответствуют высотам локатора над поверхностью 86 м - 73 м (рис. 1 и рис. 3) и 110 - 96 м (рис. 2 и рис. 4). Из

приведенных рисунков видно (рис. 3 и рис. 4), что пятый и шестой импульсы соответствуют пересечению полем зрения наиболее нагретых отсеков объекта, и их интенсивность зависит от степени нагрева отсеков. Расчеты показывают, что при сильном нагреве поверхности фона от солнечных лучей превышение уровня полезного сигнала над сигналом от поверхности может быть недостаточно интенсивным, особенно при остановке двигателя объекта, что может вызвать пропуск полезного сигнала при обнаружении объекта приемником теплового излучения. Также следует отметить, что на меньших высотах и, соответственно, при меньших размерах области обнаружения (поля зрения локатора), наблюдается зависимость интенсивности сигнала от ориентации объекта на плоскости обнаружения. При «неудачной» ориентации объекта поле зрения может лишь частично пересечь нагретый отсек, что может быть причиной пропуска полезного сигнала.

Разработанная программа позволяет исследовать вид сигнала для различных условий обнаружения (могут быть заданы различные варианты ориентации обнаруживаемого объекта, а также различное распределение температур). При этом выявляются «сложные» условия обнаружения, при которых возможны пропуски полезного сигнала, что является крайне нежелательным событием. Программа позволяет зафиксировать положение области обнаружения (и изобразить графически) в момент достижения сигналом максимального значения или некоторого порогового значения. Кроме обнаруживаемого объекта в разработанной программе возможно задание мешающих образований как естественного, так и искусственного происхождения. При необходимости может быть исследован вид сигнала в других спектральных диапазонах и при других характеристиках приемного устройства с целью исключения пропусков полезного сигнала в так называемых «сложных» условиях.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / Ю.П. Гришин, В.П. Ипатов, Ю.М. Казаринов и др.; Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: Высш.шк., 1990. - 496 с.: ил.

2. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. - М.: Сов. Радио, 1978. -400 с.: ил.

3. Козелкин В. В., Усольцев И.Ф. Основы инфракрасной техники. - М.: Машиностроение, 1974. - 336 с.

© М. В. Орлова, 2014