Компьютерное моделирование работы приборов ночного видения в произвольно поляризованном свете Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Заключение. Разработанная программа реализует на практике информационную модель оптической системы как ядро единого информационного пространства, являясь лишь первым, но наиболее важным этапом по внедрению ИПИ-технологий в оптическое приборостроение.

список литературы

1. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб: Питер, 2004. 560 с.

2. ИПИ (CALS) технологии. Основные сведения [Электронный ресурс]: <http://www.rtc.ru/ipi/index.shtml>.

3. Шехонин А. А., Домненко В.М., Гаврилина О.А.Информационная модель оптической системы на этапе функционального проектирования // Изв. вузов. Приборостроение. 2006. Т. 49, № 7. С. 63—67.

4. Firebird — The RDBMS that's going where you're going [Electronic resource]: <http://www.firebirdsql.org>. Ольга Алексеевна Гаврилина —

Сергей Викторович Дубинин

Рекомендована кафедрой прикладной и компьютерной оптики

Сведения об авторах

канд. техн. наук; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра прикладной и компьютерной оптики; E-mail: GavrilinaOA@aco.ifmo.ru магистр; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра прикладной и компьютерной оптики; E-mail: serge2603@gmail.com

Поступила в редакцию 07.05.09 г.

УДК 535.4

Л. В. Тымкул, В. М. Тымкул

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ В ПРОИЗВОЛЬНО ПОЛЯРИЗОВАННОМ СВЕТЕ

Предлагаются методика, математическое обеспечение и структура алгоритма компьютерного моделирования работы приборов ночного видения в произвольно поляризованном свете.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, прибор ночного видения, поляризованный свет.

Вопросам разработки теории математических и компьютерных моделей функционирования приборов ночного видения (ПНВ) посвящен ряд работ [1—5]. Так, в статье [1] рассмотрена теория формирования яркости изображения объектов и фона на экране ПНВ активного и пассивного типов в приближении геометрической оптики. В этой же работе получены выражения для абсолютного и относительного контраста изображения объектов на экране ПНВ, следует отметить, что авторам удалось вполне точно отразить основные функциональные составляющие оптического излучения, которые формируют суммарную яркость изображения объектов и фона на экране ПНВ пассивного и активного типа.

Для использования теории линейных систем при расчете характеристик ПНВ в статьях [2, 3] нами на основе положений физической оптики разработаны теория и математическая модель функционирования ПНВ активного и пассивного типа в неполяризованном свете. В этих работах получены математические модели пространственно-частотных спектров (ПЧС)

яркости изображения объектов и фона, а также аналогичные спектры абсолютного и относительного контраста объектов, на основании которых представлена методика расчета дальности действия и разрешения ПНВ. В статье [4] представлена математическая модель работы ПНВ пассивного типа в поляризованном свете. В работе [5] рассмотрена модель структурного описания ПНВ и проведена компьютерная оценка дальности распознавания объектов наблюдения.

Интерес к анализу возможностей и моделированию работы поляризационных ПНВ вызван в основном двумя факторами, которые сформулированы в работе [4]. Согласно этой статье, первый фактор связан с возможностью повышения наблюдаемого контраста в поляризованном свете за счет подавления поляризационным фильтром уровня излучения фона. Это позволяет увеличить дальность действия и распознавания ПНВ. Однако имеет место и другой, противоположный, фактор — энергия оптического излучения при прохождении через поляризационный фильтр в виде линейных поляризаторов и фазовых пластинок снижается. Это может привести к уменьшению дальности действия и распознавания. Очевидно, что сопоставление этих двух противоположных факторов и формирует суммарный (положительный/отрицательный) эффект функционирования поляризационных ПНВ.

В этой связи целью настоящей статьи является разработка методики компьютерного моделирования работы ПНВ пассивного типа в произвольно поляризованном свете.

В основу компьютерного моделирования работы ПНВ пассивного типа в произвольно поляризованном свете заложены теория и математические модели работы этих приборов в поляризованном и неполяризованном свете [2—4]. Согласно этим работам, математические модели работы ПНВ пассивного типа содержат следующие информационные соотношения:

— для модуля пространственно-частотного спектра (ПЧС) яркости изображения объекта Lo (v, д) и фона Ьф (v, д) на экране ПНВ в произвольно поляризованном свете;

— для модуля ПЧС абсолютного ЛЬ (v, д) и относительного K (v, д) контраста в изображении объектов на экране ПНВ в произвольно поляризованном свете;

— составляющие модуля ПЧС яркости изображения объекта, формирующегося за счет подсветки излучением неба Ьон (v, д) и Луны Ьол (v, д) ;

— составляющие модуля ПЧС яркости изображения фона, формирующегося за счет подсветки излучением неба Ьфн (v, д) и Луны Ьфл (v, д) ;

— выражение для модуля ПЧС яркости рассеянного излучения слоя атмосферы Lc (v, д) между объектом и прибором;

— для частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) оптической системы ПНВ Иопт (v, д) и электронно-оптического преобразователя (ЭОП) Ижп (v, д);

— для модуля ПЧС яркости темнового свечения экрана Ьэ (v, д) как внутренней помехи;

— выражения, связывающие пространственные частоты v и д разрешаемых элементов в пространстве изображений по координатам х и y с критическими размерами объекта ax и ay,

фокусным расстоянием объектива ПНВ f', линейным увеличением ЭОП V', дальностью l и числом периодов Nр пространственной миры, разрешаемых вдоль критического размера объекта.

На основе работ [2—4] указанные соотношения в математических моделях имеют следующий вид:

ьо ( д) = { [Ьон ( д) + Ьол (^ д)] [1 + P cos 2 (to - а)] + +Ьс ( д)|[1 + рф cos2(( -а)]} тп Азпт (v, д) ^эоп

(v д) + Ьэ (v д); (1)

Ь

1 + /ф сов2 (Уф - а)

+Ьс

ф ( д) = { [Ьфн (V, д) + Ьфл (V, д)_ (V, д) |[1 + / СОв 2( - а) } тп^опт ( V д) ¿эоп ( V д) + Ьэ ( д);

м ( д) = |Ьо (V, д)- Ьф ( д)|; к (v, д) = [ Ьо ( д)- Ьф ( д)]/[ Ьо ( д)+Ьф ( д)

¿опт ( д) =

-28

-282

¡^ +д2).

5

п (V2 +д2 ) .

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

¿эоп ( д) = '

v = Npl|axf V; д = Мр!/ау/V.

Здесь (Ро, Уо ) , (/ф, Уф ) — степень и азимут поляризации излучения объекта и фона соответственно; 8об, 8эоп — диаметр пятна рассеяния объектива и ЭОП ПНВ соответственно; а — азимут поляризации линейного поляризатора, установленного перед объективом ПНВ; тп — коэффициент пропускания поляризатора.

Следует отметить, что составляющие модуля ПЧС яркости изображения объекта получаются следующим образом:

Ьон ( д) = Ьо

Ьол (v, д) = Ьо

Ч^о.

V ^о .

Црпс (Vн У*2^ Х+дУ^у

|{Р(1Кн)е *2X+Д ^^ соБ Vлдхйу

4 ( д) = Ьс

Ьэ ( д) = Ьэ

V ^о .

V ^о .

ц е~з 2п( х+д у

ц е-* 2п( х+д у

(9)

(10)

(11)

(12)

В этих формулах приняты следующие обозначения: Р(¥н), впс (¥н) — индикатриса коэффициента яркости отражения покрытия поверхности объекта при направленном и полусферическом освещении соответственно; £о — площадь поверхности объекта в пространстве изображений; — угол между нормалью к элементу поверхности объекта и направлением на Луну и на наблюдателя.

Следует отметить, что значения Ьон ,Ьол, Ьс, Ьэ выражаются через параметры составных звеньев ПНВ и объектно-фоновой обстановки следующим образом [1]:

Ьон=(кпТоптЬнн^ррпс/4f ')2 V2) е-ы ;

Ьол=(кпТоптЕл *рв /4^')2 V2) е-°1 ;

(13)

(14)

о

о

о

Ьс=(кЛТоптЬнн^2 / 4f f V2)(1 - ); (15)

Ьэ=кц1 / k^^V , (16)

где Ьнн — яркость излучения ночного неба; Ел — освещенность, создаваемая излучением Луны в месте расположения объекта; d — диаметр входного зрачка объектива ПНВ; топт — коэффициент пропускания оптической системы ПНВ без поляризационного фильтра; к, кэоп — коэффициенты использования соответственно системой „прибор-глаз" и фотокатодом ЭОП; П — коэффициент усиления ЭОП; ф, j — интегральная чувствительность и плотность тока термоэлектронной эмиссии фотокатода ЭОП; а — объемный показатель ослабления атмосферы; р — диффузный коэффициент отражения поверхности объекта.

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

Представим алгоритм компьютерного моделирования работы ПНВ пассивного типа в поляризованном и неполяризованном свете.

1. Ввод исходных данных для следующих информационных модулей:

— параметры ПНВ и его составных звеньев;

— условия естественного освещения и метеорологическое состояние атмосферы;

— параметры объектно-фоновой обстановки и условия наблюдения;

— поляризационные характеристики объекта и фона.

2. Формирование операторов расчета модулей ПЧС яркости изображения объекта и фона, согласно соотношениям (1) и (2).

3. Представление соотношений (3) и (4) в виде

ЛЬ (v д) = |Ьо (v д)- Ьф (v д)| > тЬэ (v д); (17)

K (v, д) = | [Ьо (v, д) - Ьф (v, д)]/[Ьо (v, д) + Ьф (v, д)] | > Кп, (18)

где т — отношение сигнал/шум в изображении объекта на экране ПНВ; Кп — пороговый контраст глаза оператора-наблюдателя.

4. Формирование операторов расчета абсолютного ЛЬ^, д) и относительного К (v, д) контрастов на экране ПНВ при заданном числе периодов Np .

5. Организация цикла по дальности l до выполнения условий:

ЛЬ(v, д) = шЬэ (v, д); К(v, д) = Кп. (19)

6. Выдача значения дальности решения поставленной задачи lp , которое соответствует условию (19):

lv = l (Nv ) . (20)

p V p> ЛЬ(у,д)=тЬэ (у,д); К(v,д)=Кп V У

На основании указанного алгоритма была разработана программа моделирования работы ПНВ в среде Borland Delphi 7.

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

Получено, что дальность обнаружения, распознавания и идентификации в поляризованном свете больше, чем в неполяризованном приблизительно в полтора раза. При этом параметры поляризации отражения объекта и фона следующие: Ро = 0,4; Рф = 0,5; ^ = 0; tф = 90°.

Коэффициент пропускания поляризатора тп = 0,85; азимут поляризации линейного поляризатора а = 0.

1. Разработана математическая модель работы ПНВ пассивного типа в поляризованном и неполяризованном свете, на основании которой предложены методика, алгоритм и программа их компьютерного моделирования.

2. Предложенные методику и программу можно использовать как для моделирования работы традиционных ПНВ пассивного типа в различных условиях естественного освещения, объектно-фоновой обстановки и состояния атмосферы, так и для анализа возможности и условий повышения дальности действия при работе в поляризованном свете.

3. На основании анализа полученных количественных результатов и данных работ [4] выявлено, что при наличии частичной поляризации излучения фона за счет эффекта его частичного подавления поляризационным фильтром имеет место увеличение дальности обнаружения, распознавания и идентификации объектов в поляризационных ПНВ пассивного типа.

4. В свою очередь, при наличии частичной поляризации излучения как объекта, так и фона, поляризационная фильтрация в ПНВ эффективна в случае близости значений коэффициентов отражения объекта и фона.

1. Сухопаров С. А., Пизюта Б. А. К вопросу дальности действия приборов ночного видения // Тр. НИИГАиК. 1974. Т. 32. С. 45—48.

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

3. Тымкул В. М., Тымкул Л. В. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета. Новосибирск: СГГА, 2005. 215 с.

4. Тымкул Л. В. Математическая модель работы приборов ночного видения в поляризованном свете // Сб. матер. III Междунар. науч. конгр. „ГЕ0-Сибирь-2007". Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч. 2. Новосибирск: СГГА, 2007. С. 14—18.

5. Малинин В. В., Цепиногова З. М., Попов Г. Н., Моисеенко Г. А., Моисеенко В. В. Функциональное компьютерное моделирование телевизионных приборов ночного видения // Там же. Ч. 1. Новосибирск: СГГА, 2007. С. 29—33.

список литературы

Василий Михайлович Тымкул

Любовь Васильевна Тыгмкул

Сведения об авторах д-р техн. наук, профессор; Сибирская государственная геодезическая академия, Новосибирск; E-mail: fantasy_2000@ngs.ru д-р техн. наук, профессор; Сибирская государственная геодезическая академия, Новосибирск; E-mail: kaf.oep@ssga.ru

Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов

Поступила в редакцию 24.02.09 г.