CC BY
72
УДК 621.396
МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ТРЕБОВАНИИ К ОПТИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ АЭРОЗОЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ ПРЕРЫВАНИЯ ВИДЕНИЯ ЦЕЛИ ОПЕРАТОРОМ
ОПТИКО-ВИЗУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
С.В. Утемов
С использованием методов частотно-пространственного анализа получено трансцендентное уравнение для определения оптической толщины аэрозольного образования, требуемой для прерывания видения цели оператором оптико-визуальной системы
Ключевые слова: оптические характеристики, аэрозольное образование
Функционирование оптико-визуальной системы (ОВС) в ряде случаев происходит в условиях естественных и преднамеренных аэрозольных помех (облаков, туманов, дымов и аэрозолей). Наличие аэрозольного образования (АО) на линии визирования цели оператором ОВС приводит к снижению её оптического контраста. Условием гарантированного прерывания видения цели оператором ОВС является снижение наблюдаемого контраста цели К до порогового контраста К <Кпор [1, 2].
Известные способы оценки величины наблюдаемого контраста цели оператором ОВС [1-4] зачастую применимы для случаев обнаружения объектов в условиях только естественных аэрозольных помех (облаков, туманов), не учитывают влияние пространственно-частотных характеристик канала формирования изображения, иногда плохо приспособлены для получения количественных оценок из-за необходимости учёта многих физических параметров среды распространения оптического излучения, сведения о которых порой неизвестны. Кроме того, известные методики расчета не позволяют определить основную макрофизическую характеристику АО - его оптическую толщину И, требуемую для прерывания видения цели оператором оптико-визуальной системы.
Указанные обстоятельства вызывают необходимость доработки существующего методического аппарата для оценки характеристик обнаружения цели оператором ОВС, маскируемой АО.
Цель работы - получение аналитических выражений для оценки оптических характеристик аэрозольного образования, требуемых для прерывания видения цели оператором оптико-визуальной системы.
Определим контраст цели, маскируемой АО, через оптические характеристики аэрозольного образования.
Наблюдаемый контраст цели на выходе аэрозольного образования с учетом частотно-
контрастной характеристики среды и дополнительной яркости, накладываемой АО, имеет вид [2]
Утемов Сергей Владимирович - ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, тел. (4732)209236
к = к от (у)
1 + -БОг
(1)
где К о - истинный контраст объекта; Т {у) и Ба - частотно-контрастная характеристика и яркость аэрозольного образования; та - коэффициент пропускания АО.
В большинстве случаев отражение света аэрозольным образованием можно считать изотропным [3, 4]. На основании этого и считая, кроме того, что отражение от объекта диффузное, выражение (1) можно представить в виде
КоТ (у)
к = ■
1+
ра
2
Р0та
(2)
где ра - коэффициент отражения АО; ро -коэффициент отражения объекта.
Из (2) следует, что наблюдаемый контраст зависит от коэффициентов отражения ра, пропускания та и частотно-контрастной характеристики Т (у).
Эти характеристики определим для АО, относящихся к классу слабопоглощающих в видимом диапазоне.
Для этого класса аэрозолей аналитические выражения для определения перечисленных характеристик получены в рамках хорошо разработанной к настоящему времени асимптотической теории многократного рассеяния и малоуглового приближения.
При направленном солнечном освещении коэффициенты пропускания и отражения аэрозольного образования определяются выражениями, полученными при интегрировании коэффициентов яркости [5, 6] по полусферам пропускания и отражения соответственно
= 8(б>)
БИ4 ду БН у{к + 4д),
(3)
Ра =^-4д;?И-«('?)БИЄ"ИА+4д)' (4)
где g(в) - функция, учитывающая наклон лучей, падающих на АО (в - угол между нормалью к
т
т
а
АО и падающим лучом); q = 1/3(1 — д); Д - средневзвешенный косинус рассеяния; у - показатель ослабления; к - оптическая толщина аэрозольного образования.
При диффузном освещении коэффициенты пропускания и отражения имеют вид [5, 6]:
Sк4 qy
(5)
та
ра = "
Бк у(к + Бкду
(6)
Бк у(к + 4ц)
Частотно-контрастная характеристика аэрозольного образования в малоугловом приближении, применимом для аэрозолей с вытянутыми индикатрисами рассеяния, определяется по формуле [7]:
а И
Т (у) =
г Л
у и і г^2
+ і 1+1 — 1
а 1 V а )
V
у И
- к
(7)
1
где а =—— ; Н - геометрическая толщина
' 1 — Д
аэрозольного образования, м.
Параметры g(в) и у, входящие в выражения (3)-(6), могут быть определены по формулам [4, 5]:
з
■ФЬ - (1 + 2Ш5 0), 1
(8)
7 = 1-Л + [1 -Л)]й • 3(1 -Д)0,6, (9)
где Л = а / є - вероятность выживания кванта при однократном рассеянии, а - коэффициент рассеяния; є - коэффициент ослабления.
После преобразований выражений (1)-(9) получено трансцендентное уравнение для определения основной оптической характеристики - оптической толщины к аэрозольного образования при его диффузном освещении, требуемой для прерывания видения цели оператором ОВС (К = Кпор)
, \к ^
ky-arc.sk< Р0 Ко ( К V +а/ 1+а2 ) -1 ,$к(4у})в к
_ _
>=0
(10)
где А = уН у/1 — д .
Результаты численного решения этого уравнения применительно к маскировке цели аэрозольным образованием на основе фосфорных (Л = 0,99 , Д = 0,85 ) и металлохлоридных (Л = 0,99 , Д = 0,7) составов [4, 8-10] представлены на рис. 1 в виде зависимости оптической толщины АО от его геометрических размеров Н.
Расчеты приведены для следующей типовой ситуации. Объект с камуфлирующей зеленой окраской с коэффициентом отражения р0 = 0,2 наблюдается оператором ОВС на дальностях 0,5...5 км в оптико-визуальный прицел с увеличением Г=8х
(пространственная частота у=2...3 м- [1]) в облачную погоду (диффузное освещение цели и АО) на типовых фонах (степь и грунтовая дорога) с коэффициентом отражения рф = 0,15.0,25 [1]. При этом истинный контраст объекта с фоном составляет К0 = 0,2. Пороговые значения контрастов определяются индивидуальными особенностями операторов и лежат в диапазоне 0,01.0,03 [1-3].
образования от его геометрических размеров
Из рис. 1 видно, что гарантированное прерывание видения цели оператором ОВС обеспечивается при небольших оптических толщинах к < 2,5 при геометрическом размере АО не менее 5 м. При этом наибольший эффект маскировки цели достигается применением АО на основе металлохлорид-ных составов.
На рис. 2 приведена зависимость оптической толщины АО (на основе металлохлоридных составов) от истинного контраста цели при Н = 5 м, Кпор =0,01.0,03 и р0 = 0,2.
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Ко
Рис. 2. Зависимость оптической толщины аэрозольного образования от истинного контраста цели
Из рис. 2 видно, что уменьшение величины К0 приводит к снижению требований к оптической толщине АО.
Таким образом, полученное трансцендентное уравнение, связывающее наблюдаемый контраст цели с оптическими характеристиками маскирующего её аэрозольного образования, позволяет проводить оценку оптической толщины АО, требуемой для прерывания видения цели оператором оптико -визуальной системы с учетом пространственночастотных характеристик канала формирования изображения.
Литература
1. Травникова Н.П. Эффективность визуального поиска. - М.: Машиностроение, 1985. - 128 с.
2. Волков В.В., Луизов А.В., Овчинников Б.В., Травникова Н.П. Эргономика зрительной деятельности. -Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1989. - 112 с.
3. Луизов А.В., Федорова Н.С., Федорова Г.А. Визуальная оценка функций передачи модуляции технического прибора // Оптико-механическая промышленность.
- 1984. - №11. - С.19-23.
4. Иванов А.П. Оптика рассеивающих сред. -Минск: Наука и техника, 1969. -411 с.
5. Зеге Э.П., Иванов А.П., Кацев И.Л. Перенос изображения в рассеивающей среде. - Минск: Наука и техника, 1985. - 367 с.
6. Пришивалко А.П. Отражение света от поглощающих сред. - Минск: АН БССР, 1963. - 198 с.
7. Браво-Животовский Д.М. и др. Некоторые вопросы теории видения в мутных средах // Физика атмосферы и океана. - 1969. - Т.5. - №7. - С. 38-44..
8. Kuo S. Synthetic image generation of chemical plumes for hyper-spectral application // Optical Engineering/
- 2000. - V. 39. - № 4. - Р. 54-57.
9. Петрянов-Соколов И.В., Сутугин А.Г. Аэрозоли.
- М.: Наука, 1989. - 144 с.
10. Вагонов С.Н., Варёных Н.М., Романов В.И., Киселев В.Б. Аэрозольные средства защиты бронетанковой техники от высокоточного оружия // Актуальные проблемы защиты и безопасности (прил. к журналу «Известия РАРАН»). - 2006. - Т. 3. - С. 109-113.
Федеральный государственный научно-исследовательский испытательный центр радиоэлектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности Минобороны России
THE METODS OF SUBSTANTIATION REQUIREMENTS TO OPTICAL CHARACTERISTICS OF AEROSOL FORMATION TO INTERRUPT SEEING THE TARGET BY AN OPERATOR OF AN OPTICAL - VISUAL SYSTEM
S.V. Utyomov
With the use of the methods of frequency - spatial analysis the transcendental equation for calculation of optical thickness of aerosol formation required to interrupt seeing the target by an operator of an optical - visual system is got
Key words: optical characteristics, aerosol formation
