CC BY
207
УДК 621.396.96
ИССЛЕДОВАНИЕ СИГНАЛОВ НА ВХОДЕ ПРИЕМНИКА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ДВУХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ДИАПАЗОНАХ
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 сигналов на входе каналов приемника инфракрасного излучения в двух спектральных диапазонах, позволяющая получить реализации сигналов в виде графиков и сравнить вид сигналов для различных условий обнаружения объектов.
Ключевые слова: инфракрасное излучение, поток излучения, плотность излучения, энергетическая освещенность, энергетическая яркость, отражение, реализации сигнала.
INVESTIGATION OF THE INPUT SIGNAL FROM INFRARED RADIATION TWO-CHANNEL RECEPTOR
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 signals from the infrared two-spectral radiation receptor was developed, that provides signal realization graphics and their comparison for different conditions of the object detection.
Key words: infrared radiation, radiant flux, radiant emittance, irradiance, radiance, reflection, signal realizations.
В настоящее время широко применяются системы обнаружения, принимающие сигнал из одной области пространства в различных спектральных диапазонах с целью повышения вероятности обнаружения объектов и повышения помехоустойчивости системы [1]. При решении задачи обнаружения объекта на фоне подстилающей поверхности используется явление контраста. Излучение поверхности в дневное время состоит из отраженного и рассеянного солнечного света и собственного теплового излучения [2]. При длине волны менее 4 мкм большая часть излучения обусловлена отраженной солнечной радиацией, интенсивность которой зависит от положения Солнца, облачности и коэффициента отражения земного покрова. При длине волны более 4 мкм большая часть излучения обусловлена собственным тепловым излучением, которое определяется коэффициентом излучения поверхности и температурой [2]. Таким образом, контраст между объектом и фоном в ближней инфракрасной области спектра зависит от коэффициентов отражения различных материалов и поверхностей (коэффициентов энергетической яркости [2]) и освещенности поверхностей, а в дальней инфракрасной области спектра - в основном от разницы температур между обнаруживаемым объектом и фоном.
Для исследования сигналов в различных спектральных диапазонах (ближняя и дальняя инфракрасные области спектра) разработана программа
для расчета мощности сигналов на входе приемника. Программа позволяет рассматривать различные варианты расположения объекта относительно обнаружителя. Объект, подлежащий обнаружению, представлен в виде совокупности отсеков, для каждого из которых задается значение температуры поверхности и коэффициентов отражения. Подстилающая поверхность представляет собой совокупность областей с заданным распределением температуры, коэффициентов излучения и коэффициентов отражения. Также задается энергетическая освещенность поверхности. Пример заданного расположения объекта на фоне поверхности представлен на рис. 1.
Интенсивность сигнала на входе пассивного обнаружителя в дальней инфракрасной области спектра, обусловленная собственным тепловым излучением, определяется энергетической яркостью поверхности.
51 54 57 60
60 х
Рис. 1. Схема фона и обнаруживаемого объекта (координаты объекта на плоскости в системе координат локатора Xo = 0 м, Zo = 20 м) Плотность излучения абсолютно черного тела в спектральном интервале (Х1 - Х2) определяется по формуле
г
Сс 1 1
Д = с-----------------т-ч , (1)
}Х5 (C2' , ( )
XT
й exp
V'
где С1 = 3,74 10-16 Вт^м2, С2 = 0,01438 м^К - коэффициенты закона Планка;
Т - температура, К.
Энергетическая яркость поверхности в дальнем инфракрасном диапазоне может быть определена по формуле [2]
_ R ет
вдальн (2)
71
где St - коэффициент излучения.
При малых значениях угла поля зрения приемника мощность сигнала на входе приемника в дальнем инфракрасном диапазоне может быть определена по формуле:
|-"2
^ob^од ’ (^)
где а - угол поля зрения приемника;
Sob - площадь объектива;
ход - коэффициент ослабления оптической системы приемника в дальнем инфракрасном диапазоне.
Сигнал на входе приемника в ближней инфракрасной области спектра, обусловленный отраженным солнечным излучением, зависит от
освещенности (облученности поверхности) и коэффициента энергетической яркости (для диффузно отражающей поверхности коэффициент
энергетической яркости равен коэффициенту отражения [2]). Энергетическая яркость поверхности может быть определена по формуле [2]
Я =^~ (Ъ
вближн , (5)
71
где р - коэффициент отражения поверхности;
Е - освещенность поверхности (зависит от положения Солнца и облачности).
Лучистый поток в этом случае при малых значениях угла поля зрения приемника рассчитывается по формуле
где в - угол поля зрения приемника;
Sob - площадь объектива;
хоб - коэффициент ослабления оптической системы приемника в ближнем инфракрасном диапазоне.
Примеры реализаций сигналов на входе приемника приведены на рис. 2.
ФдальнМ, ВТ
Фближн№, ВТ
Рис. 2. Сигнал от объекта при последовательном пересечении поверхности полем зрения пассивного обнаружителя для случая расположения объекта в соответствии с рис. 1 (соответствует высотам локатора
над поверхностью 36 - 28 м)
Разработанная программа позволяет исследовать сигналы на входе приемника инфракрасного излучения в различных спектральных диапазонах при перемещении поля зрения обнаружителя по поверхности в соответствии с заданным законом сканирования (приведены результаты для сканирования поверхности по сходящейся спирали). Также возможно отобразить графически положение области обнаружения (поля зрения локатора) в момент достижения наибольшего контраста объекта относительно подстилающей поверхности в различных спектральных диапазонах.
Из приведенных на рис. 2 реализаций сигналов видно, что в случае отсутствия ярко выраженного контраста теплового излучения наблюдается
контраст в отраженном солнечном излучении (при условии, что коэффициент отражения фоновых образований больше коэффициента отражения поверхности обнаруживаемого объекта). Однако, такой контраст характерен не для всех объектов, подлежащих обнаружению.
Разработанная программа позволяет исследовать сигналы на входе приемника инфракрасного излучения в различных спектральных диапазонах, изменяя условия освещенности, значения коэффициентов отражения различных поверхностей, степень нагрева и ориентацию обнаруживаемого объекта и фоновых образований. При этом могут быть выявлены сложные условия обнаружения объектов. Полученные данные могут быть использованы для усовершенствования существующих и разработки новых алгоритмов обнаружения и устройств обнаружения объектов на фоне поверхности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Орлова М.В. Обработка сигналов в комплексированных системах ближней локации: учеб. пособие / М.В. Орлова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. - 76 с.
2. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. - М.: Сов. Радио, 1978. -400 с., ил.
© М. В. Орлова, 2014
