CC BY
268МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВИЗОРА НА ОСНОВЕ ОБЪЕДИНЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И РАЗРЕШЕНИЯ
С.Н. Новиков1, А.Н. Поликанин2*
1Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, Новосибирск, 630102, Российская Федерация
2Сибирский государственный университет геосистем и технологий 630108, Новосибирск, Российская Федерация *Адрес для переписки: polikanin.an@yandex.ru
Информация о статье
УДК 621.391
Статья поступила в редакцию 23.10.2019
Ссылка для цитирования: Новиков С.Н., Поликанин А.Н. Методика расчета дальности действия тепловизора на основе объединенных параметров температурной чувствительности и разрешения // Труды учебных заведений связи. 2019. Т. 5. № 4. С. 6-14. DOI:10.31854/1813-324X-2019-5-4-6-14
Аннотация: В статье представлена методика расчета дальности обнаружения, распознавания и идентификации тепловизора на основе параметров пороговой температурной чувствительности и температурного разрешения, в том числе при работе по неоднородному полю температур. Предложен анализ методики расчета дальности действия тепловизоров с выбором исходных данных моделей передаточных характеристик звеньев тепловизионной системы, объекта, атмосферы и человеческого глаза, проведены расчетные исследования.
Ключевые слова: дальность действия тепловизионных систем, температурная чувствительность, температурное разрешение.
Введение
В настоящее время тепловизоры получили широкое распространение в системах безопасности в качестве средств наблюдения в ночное время и в условиях ограниченной видимости. Тепловизион-ное наблюдение имеет ряд преимуществ перед другими средствами ночной съемки, такими как инфракрасные камеры с подсветкой поля зрения или приборы ночного видения. В отличие от перечисленных средств, тепловизоры позволяют вести более скрытную съемку в силу того, что не требуют демаскирующих источников подсветки. Кроме того, объекты, имеющие температуру выше окружающего фона, такие как человек или автомобиль, обнаруживаются и идентифицируются на значительно бо'льшем расстоянии.
Один из главных параметров тепловизора - это дальность действия, включающая в себя также понятия дальности обнаружения, распознавания и идентификации. Обычная методика определения этих параметров, применимая в видеонаблюдении, не может быть использована в тепловидении в связи с некоторыми проблемами и особенностями тепловизионных приборов. Так, в том, что касается
распознавания и идентификации, элемент неопределенности расчетов вносит такая особенность, как распределение яркости изображения объекта не в зависимости от рельефа его поверхности, а в зависимости от температуры (спектральной яркости) каждой точки поверхности. Поэтому традиционно для энергетического расчета тепловизоров используется широко распространенная методика, основанная на трудах М.М. Мирошникова [1] и Д. Ллойда [2], в которых обобщены теоретические основы и методы расчета функционального параметра тепловизионных систем, представляющего собой разность температур ДГпор. Этот параметр называется еще пороговая температурная чувствительность. Он функционально связан со всеми элементами тепловизора, такими как объектив, приемник излучения, свойствами объекта наблюдения, атмосферы, электронных элементов и экрана. Физический смысл параметра ДГпор заключается в определении минимальной разности температур элементов наблюдаемого объекта. Она определяет способность различать слабые сигналы на фоне шумов. И при этом не находится в прямой связи с дальностью действия.
Сам Д. Ллойд дает точное определение характеристики: «величина ДГпор представляет разность температур объекта и фона, излучающих как черные тела в стандартном тест-объекте, при которой отношение пикового значения сигнала к среднеквадратичной величине шума на выходе стандартного эталонного электронного фильтра системы, рассматривающей тест-объект, равно единице» [2].
Эта методика имеет ряд недостатков, включая то, что между точкой наблюдения, для которой измеряется ДГпор и конечным изображением имеется целый ряд пространственных фильтров, как источников шумов, например, инерционность приемника, электронный тракт как ЯС-фильтр, экран с изображением объекта и даже глаз оператора как пространственно-частотный оптический фильтр. Кроме того, не рассматривается влияние пространственно-частотных характеристик самого объекта. То есть, если два объекта, имеющие одинаковую минимальную разность температур ДГпор относительно фона, будут иметь разные размеры относительно поля зрения, то дальность действия системы для этих объектов должна существенно отличаться.
В развитие методики энергетического расчета в работах [3, 4] описана методика расчета температурного разрешения ДГраз, которая имеет физический смысл зависимости разрешения наблюдаемых элементов объекта не только как элементов разных по температуре, но и разных по размеру, приближая его к физическому смыслу разрешения в представлении пространственно-частотных характеристик наблюдаемых тел. Также ДГраз позволяет учитывать все промежуточные звенья тепло-визионной системы, как пространственно-частотных фильтров.
Как показывает анализ литературы по методам энергетического расчета параметров тепловизоров, главное внимание инженеров-разработчиков тепловизионных систем направлено на минимизацию самих значений ДГпор и ДГраз, что позволяет оптимизировать все, входящие в исходные расчеты параметры тепловизора, увеличивая их эффективность. В тоже время оценка дальности действия не получает достаточного внимания.
Поэтому актуальной является задача разработки методики расчета дальности действия тепловизоров, включая дальность распознавания и идентификации на основе взаимосвязи параметров ДГпор и ДГраз, а также ДГМпор при работе по неоднородному полю температур. Кроме того, следует определить зависимости дальности действия при распознавании и идентификации объектов от ряда параметров тепловизионной системы - оптической части, характеристик приемника излучения, характеристик электронного тракта передачи сигнала, экрана, объекта наблюдения, фона и глаза
оператора. В результате будет получена обобщенная методика определения дальности, которую можно применять с целью быстрого и достаточно точного расчета дальности действия тепловизоров, используемых в системах безопасности при работе по живым объектам и крупным теплоизлуча-ющим целям.
Обоснование методики расчета
Вывод рабочих соотношений методики расчета дальности действия тепловизоров основывается на выражениях (1-9), для ДГпор и ДГраз [1-3], где:
й* и - удельная обнаружительная способность и относительная спектральная чувствительность приемника излучения;
(а, Ь), Д/к - линейные размеры и шумовая полоса частот электрической схемы включения приемника; (Я,1, Я,2) - границы спектральной чувствительности приемника;
кэ - коэффициент использования приемником излучения эталонного источника; т - отношение «сигнал/шум»; Ао и (а, в) - площадь входного зрачка и линейные углы мгновенного поля зрения объектива тепловизора по строке и по кадру;
W[k,T) - спектральная светимость абсолютно-черного тела (АЧТ) с температурой Г; Г(х, у) и Гф(х, у) - функции распределения температуры по поверхности объекта и фона в случае наблюдения прибором неоднородных тепловых полей объектно-фоновой обстановки; Т и Гф - среднее значение температуры поверхности объекта и фона;
е(Х) и £ф(Х) - спектральный коэффициент излучения поверхности объекта и фона; То(Х) и Та(Х) - спектральный коэффициент пропускания оптической системы тепловизора и слоя атмосферы между объектом и прибором; С2 - постоянная в формуле Планка; ДЖ(Х, Г(х, у), Г) и ДЖф(Х, Гф(х, у), Гф) - абсолютные контрасты спектральной светимости АЧТ [6], имеющие температуры аналогичные температурам поверхности объекта и фона, соответственно; Ге и /к - постоянная времени глаза и частота кадров тепловизора;
V - пространственная частота в пространстве предметов, рад-1;
ЩФф) - коэффициент, учитывающий увеличение порогового сигнала приемника за счет засветки постоянной составляющей фона; геМ - результирующий модуль передаточной функции всех звеньев тепловизора; ао, во - линейные углы, которые стягивают по строке и кадру объект, находящийся на расстоянии 1 от прибора, при аф = а - ао и вф = в - во; (хо, уо), (хф, уф) - декартовые координаты поверх-но-сти объекта и фона в пространстве предметов.
АТ _ п^аЬАГкКэТ2 (1)
АТ _ 3АТПОрУ^а$ рз г&утАЬТ^ для неоднородного поля температур [5]: (2)
пкэт^аЬАЪ ■ [1 + К2(Фф) + К212]1/2 П°Р Б*А0 1^5(Х)т0(Х)та(Х)[Е(Х)А(Х,Т(х,у),Т) + +Еф(Х)Аф(Х,Тф(х,у),Тф)]с1Х где (3)
¡Ф= 1 (Х)та(Х)Ч(Х)Вф(X, Тф(х, у), Тф)йХ, *1 (4)
О*А0 Кф — , п 12кэ^аЬА[к (5)
В(Х,Т(х,у),Т) — Л АШ(Х,Т(х,у),Т)йхйу, (хО'Уо) (6)
Вф (х, Тф (х, у), Тф)— Л АШ(Х, Тф (х, у), Тф) йхйу, (Хф,Уф) (7)
йШ(Х,Т) йВ(Х,Т(х,у),Т) А(Х,Т(х,у),Т) — а0в0 ^ )+ 12(ГГУ) , (8)
dW(X,Tф) йВф (Х, Тф (х, у),Тф) Аф(Х,Тф(х,у),Тф) — афв--(х^ + -вф^х..Ф.:.:У¿.Jtl, (9)
Рассмотрим вывод выражения для дальности действия тепловизоров при наблюдении изотермических объектов с температурой поверхности Г. Для этого необходимо подставить формулу (1) в (2) и принять во внимание следующие соотношения:
А^ — 1/(2т); а — а/Г;
в = ь/['; V — Ы/(2к/1),
(10)
где N - критерий Джонсона; И - критический размер объекта; / - заднее фокусное расстояние объектива тепловизора; 1 - расстояние между объектом и прибором; т - время формирования видеосигнала одного элемента разложения кадра.
Тогда, после несложных преобразований, выражение для дальности действия тепловизора получается в виде:
_ Ьъ(у)АТраз(Те ■ Гк)1/2С2Р*(й/П2Г ■ ^[5(Х)т0(Х)та(Х) х г(Х)УУ (X, Т)Х-1 Щ (11)
■ т
где й - диаметр входного зрачка оптической системы тепловизора.
В работе [7] отмечается, что процессы обнаружения, распознавания, классификации и идентификации объектов являются вероятностными. Поэтому, обычно результат решения той или иной задачи наблюдения представляют в виде зависимости вероятности их выполнения от пространственной частоты. При этом, в качестве этой частоты берут число полупериодов N пространственной структуры (миры), приходящихся на критический размер объекта. Существует множество математических моделей для зависимости вероятности Р = Д^). Как отмечается в работе [8], наиболее достоверной из
них, получившей в настоящее время широкое распространение во многих странах мира, является модель Центра ночного видения и электронных датчиков (США), согласно которой эта зависимость определяется эмпирическими формулами:
Р = [1+1/(^/2^е]-1, (12)
е = 2,7 + 0,7 N = И/Кх , ^
Кх = у К, К = ¿/2Ф, (14)
где К - разрешение прибора на местности, м; у - коэффициент, учитывающий увеличение значения К из-за влияния выборки на дешифрируемость изображения; Ф - угловая частота эквивалентной миры, рад -1; N - критерий Джонсона - показатель уровня решаемой задачи наблюдения объекта (число периодов разрешаемой эквивалентной миры, укладывающихся в критический размер объекта, необходимое для решения задачи наблюдения с вероятностью 0,5).
Не вдаваясь в анализ оценок интерпретации изображений, тщательно проведенный в США [8], отметим, что, согласно модели тепловизионных приборов NVГherm [9], применительно к типовым объектам техники в таблице 1 указаны следующие значения критерия Джонсона (Ы) для основных задач наблюдения, которые решаются этим классом приборов с вероятностью 0,5.
ТАБЛИЦА 1. Значения критерия Джонсона (ДО) в зависимости от условий наблюдения объектов
Решаемая задача N Условия наблюдения
Выделение о,75 Фон со слабой неоднородностью (снежное поле, любой фон в дождь)
3 Фон с сильной неоднородностью (город, горы)
Классификация 1-2 Сцена, содержащая сильно различающиеся классы объектов (человек, автомобиль)
4-5 Сцена, содержащая близкие классы объектов (легковой или грузовой автомобиль, автобус и др.)
Идентификация 6 Сцена, содержащая сильно различающиеся типы объектов (автомобиль седан, автомобиль хэтчбэк)
9 Сцена, содержащая похожие типы объектов (различные марки автомобилей)
жения по наименьшему размеру пропорции объекта [7]: обнаружение N = 1 - 2, распознавание N = 4 - 6, идентификация N = 8 - 2.
Перечень решаемых задач наблюдения содержит режимы обнаружения, распознавания и идентификации объекта. Получаемое при этом изображение человека представлено на рисунке 1.
Применительно к типовым задачам наблюдения человека рекомендованы следующие значения критерия Джонсона, как количество точек изобра-
-Обнаружение 4x1 пикселей
-Распознавание 15x4 пикселей
^ -Идентификация 29x8 пикселей
Рис. 1. Критерий Джонсона при обнаружении человека
Дальность обнаружения объектов при работе тепловизионных систем по неоднородному полю теплового излучения
В случае решения задачи обнаружения объектов тепловизионными системами на неоднородном объектно-фоновом поле теплового излучения, когда мгновенным полем зрения прибора охватываются поверхности объекта с полем температур Г(х, у) и фона с полем температур Гф(х, у), схема формирования рабочих формул методики расчета дальности обнаружения 1(н)о следующая [5]:
1) в формулу (2) подставляют выражение (3) для ДГМпор;
2) при использовании в полученной формуле соотношений (10), значение критерия Джонсона в режиме обнаружения необходимо брать согласно таблице для решаемой задачи «выделение» при наблюдении объектов на фоне с сильной неоднородностью;
3) после определенных преобразований, выражение для дальности обнаружения объекта на неоднородном поле теплового излучения фона получается в виде:
6^Zaв/AfRN • ткэ[1 + К2(Фф) + К|/|]
Определение данных расчета звеньев тепловизора и характеристик среды
Имеет смысл рассмотреть тепловизор как сумму отдельных элементов, пропускающих оптический и электронный сигнал. Последовательно это такие элементы как объектив, приемник тепловизион-ного излучения, электронный тракт, экран и глаза наблюдателя. Тогда суммарный модуль п:^) передаточной характеристики тепловизора представляется в виде:
Г^(У) = Го^Гпр^Гин^ГсинМ х
х Гв0)гус0)гвку0)ггл0)гсмО),
(16)
где функции передачи модуляции (ФПМ) ГоМ - оптической системы тепловизора; ГпрМ - приемной площадки приемника; ГинМ - инерционности элементов приемника; ГсинМ - синхронизации элементов изображения тепловизора; Гв^) - выборки по строке и кадру; ГусМ - усилителя сигналов приемника; ГвкуМ - экрана; ГглМ - глаза оператора; ГсмМ -смаза изображения по строке и кадру.
=
0
Описание и анализ передаточных характеристик элементов тепловизора был представлен в работах [10, 11]. Входящие в формулу (16) ФПМ звеньев аппроксимируются следующими соотношениями:
ro(v) = 0,64е ^К/Я
arccos
d
:(V) =
Vk(v) =
(17)
sin(n5cv)
nScv sm(nSKv)
(18)
ryc(v) = (1 +
2v5,
yc
Значения ФПМ для звеньев по строке: sin(nv5c/acXc)
?bc(v) =
(nv5c/acXc)
rBKyc(v) = e-(l'33v252/z2a2x2),
^c(v) = е-(1,23^262/б2122а2х2),
= (V) =
sin(nv5c/acXc)
(nv5c/ac Xc)
Значения ФПМ по кадру:
sin(nvÔK/aKXK)
VM =
CTCVSkMXJ
Г (v) = e-(l,33v2S2/z2a2xiD
вкук V / '
^ (v) = g-(l,23v262/62lz2a2x2),
» =
SÎn(nvÔK/«kXk)
(nvÔK/aK Xk)
(19)
(20)
(21) (22)
(23)
(24)
(25)
(26)
(27)
Пространственная частота V имеет смысл как величина, обратная размеру объекта, и в формулах (16-27) связана с дальностью 1:
ZN
v =
2й•1000'
мрад
(28)
п5ку
где йа - поперечный размер пятна рассеяния объектива; Яо - рабочая длина волны; 5с = (а//)*1000, 5к = (Ъ//)*1ооо - соответственно, угловой размер элементарного поля зрения по строке и кадру (мрад); аус = 1,25; ГинМ = rсин(v) = 1 - для тепловизоров с матричными приемниками;
Введение в расчеты понятия пространственной частоты позволяет нам перейти от чисто энергетических представлений о дальности действия прибора к пониманию влияния размеров элементов объекта и фона на значение сигналов, проходящих через все узлы тепловизионной системы и человеческого глаза.
Проанализируем влияние атмосферного слоя между объектом наблюдения и тепловизором на дальность действия прибора, учитывая оценку метеорологической дальности видимости 5м. Также необходимо учесть абсолютную ш, относительную /отн влажность воздуха, температуру tв. Таким образом, используемый в формуле (15) интегральный коэффициент пропускания атмосферы может быть определен по методике, описанной в [10]:
где
та = exP[-(£p + £п)] ^p = =
ар = (1,66 - 0,35 ln 5м)/ Sm, ап = 0,05 + 0,015ш,
ш = ■
2,168 • 10-2/ОТн/о
273 + tn ,
(29)
(30)
(31)
(32)
(33)
где ас = Пс/Кс, ак = Пк/Кк - коэффициенты переналожения (число отсчетов на элемент) по строке и кадру; Хс = ас/Дас, Хк = ак/Дак - коэффициенты заполнения элементов приемника по строке и кадру; Дас, Дак - шаг элементов приемника оптического излучения по строке и кадру; 2 = Hэ/(ЬNc) - электронное увеличение тепловизора, если Нэ - высота экрана монитора ВКУ и Ь, N - число элементов и размер матричного приемника по высоте кадра; 5т = (йт/0')*1ооо - угловой размер элемента изображения на экране монитора, мрад, если йт - диаметр светового пятна на экране монитора и й - расстояние от глаза оператора до экрана монитора.
lo = exp[-(3,11*10"4te2) + 0,0738 te + 6,41]. (34)
Выражения (31 и 32) соответствуют значениям ар и ап для области спектра ДЛ = 8 - 12 мкм.
Введение параметров и алгоритм расчета
Для проверки методики расчета были взяты параметры и характеристики тепловизора IRIS-AWS (Франция), работающего в области спектра ДЛ = 8 -12 мкм. В качестве приемника излучения в тепловизоре используется матрица кадмий-ртуть-теллур с числом чувствительных элементов 320x240, размер элемента 30x30 мкм (аналог MARS LV фирмы Sofradir) [11].
В работе [11] можно найти результаты экспериментов, которые проводились для определения дальности его действия. По этой причине был выбран данный тепловизор, поскольку существует возможность сравнить результаты эксперимента и расчеты по методике.
Используя эти параметры и характеристики можно ввести в расчетные формулы следующие числа: h = 2,7 м (грузовой автомобиль); d = 160 мм; f = 280 мм; D* = 1,2*10" см-Гц1/2/Вт; ДТраз = 0,02 °К; T = 293 °К (лето); T = 263 °К (зима); Л0 = 10 мкм; Л1 = 8 мкм; Л2 = 12 мкм; a = b = 30 мкм; fk = 25 Гц; То = 0,9;
2
1
2
1
Те = 0,2 с; N = 2 (обнаружение объекта на фоне с сильной неоднородностью [10]); /от = (50-70) %; tв = 20 °С (лето); tв= -10 °С (зима); 5м = (0,25-20) км.
Значения многочисленных параметров, входящих в правые части соотношений (17-34) получались на основе указанных технических параметров тепловизора и исходных данных объектно-атмосферной обстановки по методике, приведенной в работе [10].
Блок-схема алгоритма расчетов для получения итоговых значений дальности действия, в том числе дальности действия в условиях неоднородного поля температур приведена на рисунке 2.
С
Начало
А.
3
Ввод исходных данных
т
Расчет спектра пространственных частот V
А
Расчет модулей передаточных характеристик
То О); гпр(у); гсин(у); гв(у); Гу&У, г^М; ггл(у)
т
Расчет суммарного модуля передаточной характеристики г^ (V)
I
Расчет интегрального коэффициента пропускания среды
Расчет коэффициентов использования К и Кф, а также излучения /ф
Расчет спектральной светимости ЩХ, Т)
Ввод паспортных данных тепловизора
/, Ао, а, в, О, Б(Х), А^,кэ
Подстановка данных расчетов в формулы дальности I и I(
(н)
С
Конец
Рис. 2. Схема алгоритма расчетов
При вводе исходных данных значение удельной обнаружительной способности необходимо взять из паспортных данных приемника излучения тепловизора. В случае отсутствия в нем такого пара-
метра можно воспользоваться значением порогового потока, приведенного к площади приемника излучения и полосы пропускания по следующей формуле:
Б* —
VА • ЬГи
ФП
(35)
где Фп - пороговый поток приемника излучения тепловизора.
Пороговый поток приемника в ряде случаев может быть указан в паспортных данных уже приведенным к полосе пропускания или к полосе пропускания и площади приемника излучения, в этом случае они будут связанны следующими соотношениями:
Ф
(36)
ф' — . _
П Ж
Ф'' —
Ф
(37)
где Ф'п - пороговый поток приемника излучения, приведенный к полосе пропускания; Ф''п - пороговый поток, приведенный к полосе пропускания и площади приемника; А - площадь поверхности приемника оптического излучения.
Полоса пропускания приемника излучения всегда может быть рассчитана, исходя из данных о постоянной времени приемника или времени накопления заряда:
ЬЪ—Т^. (38)
2 • та
где та - постоянная времени приемника излучения, сек.
Также в паспортных данных может отсутствовать такой параметр, как относительная спектральная чувствительность 5(Х), заменяемая числовыми значениями абсолютной спектральной чувствительности 5л. и общим интегральным значением 5. В этом случае можно воспользоваться формулой связи этих значений:
Бх.кэ
Б(Х) —
5
(39)
Значение кэ - коэффициента использования приемником излучения эталонного источника - в случае его отсутствия можно вычислить эмпирическим методом, фиксируя спектральный поток от объекта в отношении к общему интегральному потоку:
кэ —
(40)
где Л и Л - границы спектрального диапазона исследования, мкм; Фх - измеряемый поток излучения.
При проведении расчетов по формулам (22) и (26) нужно понимать, что расчет модуля передаточной функции глаза человека относится к слабо формализуемой области исследований в силу возможных различий характеристик глазного аппарата разных операторов. А также наличию некоторых особенностей физиологического восприятия информации, например параметры ас, ак, Да и другие, используемые в расчете передаточной характеристики ГглМ имеют отношение к параметрам именно приемных элементов глаза, то есть рецептивных клеток сетчатки.
Однако, как известно, человек воспринимает объекты наблюдения не только отдельными клеточными элементами, но и обширными рецептивными полями, имеющими наложения друг на друга, фазы торможения и активности в зависимости от направления движения объекта, яркости и т. д.
В работе Мирошникова М.М. [1] приведен график частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) глаза человека, который может быть использован в качестве основы для оценки влияния передаточной характеристики глаза на конечный результат расчетов. Интересно, что в этом графике можно увидеть результат влияния слепого пятна на сетчатке в виде провала ЧКХ в области низких частот в самом начале графика. Этот момент также нужно учитывать при расчете модуля передаточной характеристики глаза.
В случае решения задачи обнаружения объектов тепловизионными системами на неоднородном объектно-фоновом поле теплового излучения, когда мгновенным полем зрения прибора охватываются поверхности объекта с полем температур Г(х, у) и фона с полем температур Гф(х, у), то схема формирования рабочих формул методики расчета дальности обнаружения 1о(н) следующая:
- в формулу (2) подставляют выражение (3) для ДТМпор;
- при использовании в полученной формуле соотношений (1о), значение числа Джонсона N в режиме обнаружения необходимо брать согласно рекомендованным выше, а именно: обнаружение N = 1 - 2, распознавание N = 4 - 6, идентификация N = 8 - 2.
- после определенных преобразований, выражение для дальности обнаружения объекта на неоднородном поле теплового излучения фона рассчитывается по формуле (15).
Проведение анализа расчета по методике определения дальности и сравнение с данными экспериментов
Алгоритм расчета дальности действия тепловизора при обнаружении, распознавании и идентификации разработан на основе описанной методики расчета с использованием (15 и 16) и при учете
передаточных функций его элементов в соотношениях (17-28) и расчета пропускания воздушного слоя атмосферы между тепловизором и объектом (формулы (29-34)).
На основе алгоритма с использованием программной среды MATLAB был проведен расчет и математическое моделирование дальности действия тепловизионных систем для областей спектра ДЯ = 8 - 12 мкм.
При сравнении расчетов с экспериментальными данными необходимо учесть, что при любых тепловых контрастах, температурах объекта и фона, влажностях воздуха для тепловизора IRIS-AWS на длине волны 8-12 мкм дальность обнаружения в дымке в 5 раз больше чем метеорологическая дальность видимости при 5м ^ 1 км [11, 12].
В результате в работе получено следующее.
Во-первых, данные расчетов о зависимости дальности обнаружения объекта, выбранного в виде грузового автомобиля от метеорологической дальности видимости 5м для дальностей 0,5-20 км.
Во-вторых, расчеты для наблюдения выбранного объекта в летних условиях при температуре 20 °С и зимних при температуре -1о °С и влажности от 5о до
1оо %.
В-третьих, проведено сравнение расчетов и результатов экспериментов, представленных в [11, 12].
На рисунке 3 представлены результаты математического моделирования расчетов зависимости дальности обнаружения объекта от значения метеорологической дальности видимости при температурах 263 °К и 293 °К.
25,00 20,00 15,00 10,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Эт, км
Т = 263 °К
Т = 293 °К
Рис. 3. Результаты расчета зависимости дальности обнаружения объекта от метеорологической дальности видимости
На рисунке 4 представлены результаты математического моделирования отношения дальности обнаружения 1 тепловизора к метеорологической дальности видимости 5м в зависимости от 5м. Синяя кривая показывает наблюдение объекта в зимних условиях при температуре 263 °К и относительной влажности 75 %; оранжевая - наблюдение объекта в летних условиях при температуре 293 °К и относительной влажности 75 %; серая - наблюдение
5,00
0,00
сматривать эти параметры во взаимосвязи с конструктивными характеристиками оптической системы, приемника излучения, характеристиками электронного тракта, оптическими параметрами экрана и глаза человека, а также характеристиками объекта наблюдения, слоя атмосферы и фоновой обстановки.
Во-вторых, новая методика позволяет осуществлять расчет тепловизионной дальности обнаружения при неоднородных полях температур и наличии объекта на неоднородном поле теплового излучения фона.
Проведен анализ методики расчета дальности действия тепловизоров. Осуществлен выбор исходных данных и модели передаточных характеристик их звеньев. Проведены расчетные исследования, в ходе которых показано, что зависимость отношения дальности к метеорологической видимости от Su в пределах дальностей 0,5-20 км с ростом Su спадает. Это объясняется тем, что показатель аэрозольного рассеяния уменьшается с ростом длины волны, поэтому при наличии атмосферной дымки и значений Sm от 0,5 до 6 км показатель рассеяния становится больше. При этом пропускание атмосферы в инфракрасной области выше, чем в видимой, поэтому расчетная дальность действия в замутненной атмосфере может быть больше метеорологической дальности видимости в несколько раз.
Список используемых источников
1. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983. 696 с.
2. Ллойд Дж. Системы тепловидения. Пер. с англ. М.В. Васильченко. М.: Мир, 1978. 414 с.
3. Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Тымкул О.В. Аналитическая модель температурно-частотной характеристики тепловизоров // Оптический журнал. 2002. Т. 69. № 10. С. 73-76.
4. Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Фесько Ю.А., Поликанин А.Н. Энергетический расчет тепловизионных систем. Часть 1. Методика расчета дальности действия // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2013. Т. 5. № 1. С. 67-72.
5. Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Фесько Ю.А., Поликанин А.Н. Дальность действия тепловизионных систем. Часть 1. Методика расчета // Автометрия. 2014. Т. 50. № 4. С. 96-101.
6. Справочник по инфракрасной технике / Под ред. У. Волф, Г. Цисис. В 4-х т. Т. 1. Физика ИК-излучения. М.: Мир, 1995. 606 с.
7. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004. 444 с.
8. Holst G.C. Electro-Optical Imaging System Performance. Bellingham: SPIE Press, 2003.
9. Maurer T., Driggers R.G., Vollmerhausen R., Fridman M. 2002 NVTherm improverment // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 2002. Vol. 4719. D0I:10.1117/12.477448
10. Иванов В.П., Курт В.И., Овсянников В.А., Филлипов В.Л. Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов. Казань: Отечество, 2006. 594 с.
11. Шипунов А.Г., Семашкин Е.Н. Дальность действия, всесуточность и всепогодность телевизионных и тепловизионных приборов наблюдения. М.: Машиностроение, 2011. 216 с.
12. Шипунов А.Г., Семашкин Е.Н., Черноусов А.А., Громов А.Н., Романов А.Р., Воробьев В.В. и др. Экспериментальные исследования дальности действия и всепогодности телевизионных и тепловизионных приборов наблюдения // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 9. С. 61-65.
13. Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Лаптев Е.В., Исаев М.П., Крапивко Е.А., Фесько Ю.А. и др. Дальность действия тепловизионных систем. Ч. II. Алгоритм, исходные данные и результаты расчетов // Автометрия. 2015. Т. 51. № 2. С. 49-53.
* * *
объекта в летних условиях при температуре 293 °К и относительной влажности 100 %.
Результаты расчетов также были представлены в работе [13].
4,50 4,00 3,50
Ч 3,00
а)
£ 2,50
I° 2,00
§f 1,50 1,00 0,50 0,00
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00
Sm KM
- Зима 75 %- Лето 75 %- Лето 100 %
Рис. 4. Результаты расчета отношения дальности обнаружения l тепловизора IRIS-AWS к метеорологической дальности видимости 5м в зависимости от 5м
Заключение
Во-первых, на основании методики расчета пороговой температурной чувствительности и тем-пературно-частотной характеристики М.М. Мирош-никова и Д. Ллойда приведена методика дальности обнаружения, распознавания и идентификации для тепловизионных систем, позволяющая рас-
CALCULATION METHOD OF THE THERMAL-IMAGING EQUIPMENT OPERATION RANGE BASED ON THE UNITED PARAMETERS: THE TEMPERATURE SENSITIVITY AND RESOLUTION
S. Novikov1, A. Polikanin2
Siberian State University of Telecommunications & Informatics, Novosibirsk, 630102, Russian Federation 2Siberian State University of Geosystems and Technologies, Novosibirsk, 630108, Russian Federation
Article info
The article was received 23rd October 2019
For citation: Novikov S., Polikanin A. Calculation Method of the Thermal-Imaging Equipment Peration Range Based on the United Parameters: the Temperature Sensitivity and Resolution. Proceedings of Telecommunication Universities. 2019;5(4):6-14. (in Russ.) Available from: https://doi.org/10.31854/1813-324X-2019-5-4-6-14
Abstract: The article presents calculating methodology for the detection range, recognition and identification of a thermal-imaging equipment based on threshold temperature sensitivity and temperature resolution, including the cases when working on an inhomogeneous temperature field. The calculating methodology analysis of the action range for thermal-imaging equipment is presented with the initial data choice of the transfer characteristics links models of the thermal imaging system, object, atmosphere and human eye, computational studies are carried out.
Keywords: range of thermal imaging systems, temperature sensitivity, temperature resolution.
References
1. Miroshnikov M.M. Teoreticheskie osnovy optiko-elektronnykh priborov [Theoretical Foundations of Optoelectronic Devices]. Leningrad: Mashinostroenie Publ.; 1983.696 p. (in Russ.)
2. Lloyd J.M. Thermal Imaging Systems. Heidelberg: Springer; 1975. 456 p. Available from: https://doi.org/10.1007/978-1-4899-1182-7
3. Tymkul V.M., Tymkul L.V., Tymkul O.V. Analiticheskaia model temperaturno-chastotnoi kharakteristiki teplovizorov [An analytical Model of the Temperature-Frequency Characteristic of Thermal Imagers]. Optical Journal. 2002;69(10):73-76. (in Russ.)
4. Tymkul V.M., Tymkul L.V., Fesko Y.A., Polikanin A.N. Energy calculations ir systems. Part 1. Calculation of the range. Interexpo GEO-Siberia. 2013;5(1):67-72. (in Russ.)
5. Tymkul V.M., Tymkul L.V., Fesko Y.A., Polikanin A.N. Range of operation of thermal imaging systems. Part I. Calculation technique. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2014;50(4):96-101.
6. Spravochnik po infrakrasnoi tekhnike [Handbook of Infrared Technology] / Ed. W. Wolf, G. Cisis. Vol.1. Physics of IR Radiation. Moscow: Mir Publ.; 1995. 606 p. (in Russ.)
7. Tarasov V.V., Yakushenkov Y.G. Infrakrasnye sistemy smotriashchego tipa [Infrared Systems of the "Looking" Type]. Moscow: Logos Publ.; 2004. 444 p. (in Russ.)
8. Holst G.C. Electro-Optical Imaging System Performance. Bellingham: SPIE Press; 2003.
9. Maurer T., Driggers R.G., Vollmerhausen R., Fridman M. 2002 NVTherm improverment. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 2002. vol. 4719. Available from: https://doi.org/10.1117/12.477448
10. Ivanov V.P., Kurt V.I., Ovsyannikov V.A., Phillipov V.L. Modelirovanie i otsenka sovremennykh teplovizionnykh priborov [Modeling and Evaluation of Modern Thermal Imaging Devices]. Kazan: Otechestvo Publ.; 2006. 594 p. (in Russ.)
11. Shipunov A.G., Semashkin E.N. Dalnost deistviia vsesutochnost i vsepogodnost televizionnykh i teplovizionnykh priborov nabliudeniia [Range, All-Weather and All-Weather Television and Thermal Imaging Monitoring Devices]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2011. 216 p. (in Russ.)
12. Shipunov A.G., Semashkin E.N., Chernousov A.A., Gromov A.N., Romanov A.R., Vorob'ev V.V., et al. Experimental studies of the operating range and all-weather capability of television and thermal-vision observation devices. Journal of Optical Technology. 2007;74(9):61-65.
13. Tymkul V.M., Tymkul L.V., Laptev E.V., Isaev M.P., Krapivko E.A., Fes'ko Y.A., et al. Range of operation of thermal imaging systems. Part II. Algorithm, initial data, and calculation results. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2015;51(2): 144-148.
