CC BY
137
УДК 623.562
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК ОБНАРУЖЕНИЯ ТИПОВЫХ ЦЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ФОТОПРИЕМНИКОВ
А.В. Андреев, А.И. Кальной, А. А. Бортников
Приведена методика энергетического расчёта инфракрасной системы. Определены вероятности обнаружения объекта от количества периодов миры, разрешаемых зрительной системой человека. Рассчитаны зависимости дальности обнаружения от разности температур объект-фон для различных вероятностей решения задачи обнаружения.
Ключевые слова: инфракрасная система, фотоприемник, разность температур объект-фон, вероятность обнаружения.
Отношение сигнал/шум на уровне фотоприемника определяется как отношение разности температур между объектом и фоном, приведённой к плоскости фотоприемника с учётом среды распространения, к температуре, эквивалентной шуму. При этом полагается, что элемент фотоприемника соответствует разрешению зрительной системы человека и шум-фактор последующих блоков электроники равен единице [1]. Полученное отношение сигнал/шум сравнивается с пороговым значением, необходимым для решения той или иной информационной задачи.
Пороговые информационные характеристики восприятия определяются критерием Джонсона, который устанавливает связь между вероятностью решения заданной информационной задачи в зависимости от количества периодов штриховой миры, вписанный в критический размер объекта и разрешаемых зрительной системой человека.
Энергетический расчёт инфракрасной системы проведём на основе и с учётом данных, изложенных в работах [1-4]. Энергетическая освещённость, создаваемая абсолютно чёрным телом (АЧТ) в плоскости фотоприемника, определяется выражением:
Eu3 = ?а?обМе Sin 2U , (1)
где Та - коэффициент пропускания атмосферы; тоб - коэффициент пропускания объектива; Me - энергетическая светимость АЧТ; u - апертурный угол объектива.
u = ^ = _L, (2)
2/б 2F К }
где Ооб - диаметр входного зрачка объектива; /об - фокусное расстояние объектива; F - фокальное число объектива.
40
Зависимость приращения поверхностной плотности мощности излучения АЧТ в спектральном диапазоне 8...14 мкм от приращения температуры в диапазоне 0...5 градусов носит практически линейный характер и может быть аппроксимирована выражением:
dMe = 0,2632 ■ 10~3 Dt. (3)
Температура эквивалентная шуму dTэш=0.15 К соответствует приращению поверхностной плотности мощности Тачm=300K,dMэш=3.95■10'5 Вт/см2.
При измерениях в составе прибора (с объективом F=1.4) выражение для температуры эквивалентной шуму имеет вид:
dE
dT =_ эш__(4)
эш (0,2632 * 10~3тоб sin2u)
Для плотности мощности эквивалентной шуму dEэш=10-6 Вт/см2 получим значение температуры эквивалентной шуму dTэш=0.0311 К.
В соответствии с изложенным выше при проведении энергетических расчётов будем полагать значение коэффициента пропускания объектива равным тоб=0,85 и значение фокального числа объектива равным F=1.4.
Коэффициент пропускания атмосферы ^определяется процессами поглощения тпи рассеяния тр на парах воды. Расчёт проводится для следующих условий: температура воздуха 27° С (300 К); относительная влажность 60%; атмосферное давление 760 мм.рт.ст.; метеорологическая дальность видения 5М=10 км.
Для данных условий состояния атмосферы приведённый слой воды составляет ^=18 мм/км и коэффициент пропускания атмосферы, обусловленный поглощением на парах воды, определяется выражением:
тп = 0.99379{Ш / 05), (5)
где w - приведённый слой воды, мм/км; Я - расстояние до цели, км.
Коэффициент пропускания атмосферы для длины волны равной Х=10 мкм, обусловленный рассеянием, определяется выражением:
Тр = ехр^К), (6)
3.92
у10 = ■ (0.6/10)13, (7)
S м
т = т т . (8)
а п р V/
Расчёт дальности обнаружения и распознавания осуществляется по единому алгоритму для следующих исходных данных: вероятность обнаружения цели - 0,5 и 0,873; температура фона - 300 К; разность температур объект-фон - 0-5; размер целей (м) (первым указан критический размер): ростовая фигура человека - 0,6 х 1,7; автомобиль типа кунг - 2,5 х 7;опора ЛЭП 10 Кв - 0,3 х 8; инфракрасная система (ИКС) 1-ого типа (большой дальности):поле зрения, угл. град. - 4 х 3; фокусное расстояние
объектива, мм - 275;диаметр входного зрачка объектива, мм - 196,4; угловой размер пикселя, мрад - 0,109; ИКС 2-ого типа (ближнего боя):поле зрения, угл. град. - 12 х 9; фокусное расстояние объектива, мм - 91,7.5; диаметр входного зрачка объектива, мм - 65,5; угловой размер пикселя, мрад - 0,327; ИКС 3-его типа (прибор вождения):поле зрения, утл. град. - 32 х 24; фокусное расстояние объектива, мм - 34,38; диаметр входного зрачка объектива, мм - 24,56; угловой размер пикселя, мрад. - 0,873.
Зависимость вероятности обнаружения объекта от количества разрешаемых периодов штриховой миры для различного уровня отношения сигнал/шум в пикселе показана на рис. 1.
Результаты расчётов дальности обнаружения для вероятности решения задачи р0=0.5 (линия 1) и ро=0.873 (линия 2) представлены на рис. 2, 3.
0.3
о а
0.7 О 6 0.5 0.4. 0.3 0 2 0.1 О
О 5 10 15 20 25
количество разрешаемых периодов
Рис. 1. Зависимость вероятности обнаружения объекта от количества периодов миры, разрешаемых зрительной системой человека,для различных значений отношения сигнал/шум в пикселе. Линия 1- с/ш—45; 2 -20; 3-10; 4-5; 5-3.
аооо
7 ООО 6000 5 ООО ¿»ООО
зооо
2. ООО 1 ООО
0.5 Т 1 5 2 2.5 3 3 5 -4 <4 5 5
разность температур
Рис. 2. Дальность обнаружения автомобиля типа кунг ИКС 1-ого типа в зависимости от разности температур объект-фон
вероятность обнаружения
дальность оомаружения
г 600
2400
ггоо 2 000 1 ROO 1 600 140(1
i гоо i ооо 600 600
05 1 15 2 25 3 35 4 45 5
разность температур
Рис. 3. Дальность обнаружения ростовой фигуры ИКС 1-ого типа в зависимости от разности температур объект-фон
Таким образом, разность температур объект-фон в зависимости от времени года и времени суток является знакопеременной и лежит в пределах 0=1=10 градусов для неподвижных объектов [5]. В случаях движения (энерговыделения) автобронетехники и человека или при их проекции на фон неба, разность температур существенно возрастает. Нормированное значение разности температур принятое для автобронетехники составляет 1,5 градуса. Типовое значение разности температур для ростовой фигуры составляет 0,6...1 градус.
Список литературы
1. Тарасов В.В., Якушенков В.Г. Инфракрасные системы смотрящего типа. М.: Логос, 2004. 443 с.
2. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1977. 600 с.
3. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. М.: Мир, 1988. 399 с.
4. Макаров A.C., Омелаев А.И., Филиппов В.Л. Введение в технику разработки и оценки сканирующих тепловизионных систем. Казань: Уни-пресс, 1998. 318 с.
5. Козар А.Н., Моисеев B.C. Информационные технологии оптимального применения управляемых артиллерийских снарядов. Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева, 2012. 346 с.
дальность обнаружения
Андреев Андрей Владимирович, заместитель директора, sokol-ats((vmbox. ги, Россия, Белгород, ЗАО «Сокол-АТС»,
Кальной Александр Игоревич, адъюнкт, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военная академия материально-технического обеспечения,
Бортников Андрей Александрович, адъюнкт, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военная академия материально-технического обеспечения
THEMETHOD OF ESTIMATION OF CHARACTERISTICS OF DETECTION OF STANDARD TARGETS USING INFRARED SYSTEMS-BASED PHOTODETECTORS
A. V. Andreev, A.I. Kalnoy, A.A. Bortnikov
The method of energy calculation of the infrared system. Determined the probability of detection of the object by the number of periods of the worlds, allow the visual system of a person. Calculated dependence of detection range from the temperature difference between the object-background for different probabilities of solving the problem of discovery.
Key words: infrared system, the photodetector, the temperature difference between the object-background probability of detection.
Andreev Andrey Vladimirivich, Deputy Director, sokol-atsainbox. ru, Russia, Belgorod, ZAO "Sokol-ATS",
Kalnoy Alexander Igorevich, adjunct, vatt@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Academy of logistics,
Bortnikov Andrey Alexandrovich, adjunct, vatt@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Academy of logistics
