CC BY
16
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
УДК 539.2; 621.384.3
ОПТИЧЕСКАЯ МОДУЛЯЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕПЛОВИЗИОННОЙ СИСТЕМЕ
Т. А. Акименко, Ю.С. Рыбалкина, Е.В. Филиппова
Представлены общая функциональная схема излучения источника, классификация источников излучения, система уравнения и неравенств, описывающих поверхность сцены.
Ключевые слова: источник излучения, излучаемая поверхность, ИК-диапазон, индикатриса излучения, наблюдаемая сцена.
Формирование тепловой картины наблюдаемой сцены с проверкой качества полученных тепловых изображений является одним из важных этапов технологического процесса, определяющих качество тепловизион-ной системы наблюдения. Управление этим этапом связано с разработкой математической модели процесса сканирования сцены, которая должна учитывать:
- особенности объекта наблюдения, как источника сигнала;
- прохождение сигнала через физические элементы тепловизионной системы, производящие обработку сигнала на оптической, фотоэлектронной и электронной стадиях, что определяет конечные параметры сигнала и его соответствие требованиям, предъявляемым к тепловым информационно-измерительным системам.
Источник излучения (излучатель) характеризуется температурой, которая представляет собой температуру такого абсолютно черного тела, которое имеет распределение энергии в спектре наиболее близкое к распределению энергии излучения источника.
Источники излучения принято делить на группы [1]:
- эталонные источники излучения (штифт Нернста, глобар, модели абсолютно черного тела);
- источники излучения, применяемые для технических целей (электрические лампы накаливания, стержневые и плоскостные излучатели с электронагревом, излучатели с газовым нагревом, дуговые лампы);
- лазеры;
- естественные источники (небесные тела, земные ландшафты, атмосфера);
- источники излучения, которые необходимо обнаруживать тепло-визионными системами (корабли, летательные аппараты, промышленные объекты).
Независимо от типа источника излучения и его конструкции считаем, что он представляет собой плоскую излучающую поверхность, которая описывается уравнением
О(Х, У, 2) = 0, (1)
где X, У, 2 - координаты системы координат, связанной с источником; О -некоторая скалярная функция.
Общая функциональная схема излучения источника приведена на
рис.1.
Рис. 1. Схема формирования потока излучения источником
Излучающая поверхность ограничена линией пересечения с поверхностью
, У, 2) < 0. (2)
Единичная нормаль к поверхности в точке К с координатами (ХК, уК, 2 К) определяется направляющими косинусами
уОК = (пОКх, п ОКу, п ОК ) =
-О
X
-О
у
О
2
О2 + О 2 + О2
О2 +О2+ О2
о 2 + оу+о2
где
W Kx —
OW
Ox
x
xK . W dQ
У — yK y Oy z — z к
x
y>—xK ; W Kz—0W у — yK oz
z - z K
x
- x K y- yK
z - z K
В частном случае можно считать излучающую поверхность полностью расположенной в плоскости У О 2 . В этом случае: сама поверхность описывается уравнением
X = 0; (4)
ограничивающая поверхность описывается неравенством
0,(0, У, /) < 0; (5)
единичная нормаль к поверхности одинакова во всех точках и определяется направляющими косинусами
VQK =(1,0,0). (6)
В общем случае система координат х'О'У г размещается в точке с координатами ха, уа, га и пересчет координат точки К из системы х'О у'2 в систему хОуг осуществляется следующим образом:
(7)
где cosxx, cosxу, cosx'z - направляющие косинусы оси х' в системе хОуг,
xK Л ' cos x'x cos y'x cos z'x ^ f \ xK (x ^ Л a
Ук — cos x'y cos yy cos z'y Ук / + Уа
zK J v cos x'z cos у z cos z'z J I zK \ za J
cos y'x cos
cosуу, cosy'z
cos
направляющие косинусы оси у' в системе хОуг., z x, у, coszz - направляющие косинусы оси z в системе хОуг,
/ / / /ХЛ/ / / ' / /
x K, у K, z k - координаты точки К в системе координат х О у z ; x k , у k , zk - координаты точки К в системе хОyz.
Предполагается, что излучение из каждой точки поверхности, например, точки К, обладает осевой симметрией относительно нормали v'qk к излучающей поверхности, причем интенсивность излучения из точки К с координатами (УК, уК, z'К) в направлении угла аи к нормали, определяется по зависимости idtf К, уК, zК, аи, 1) (рис. 2).
Произвольная прямая, исходящая из точки К, в параметрической форме описывается уравнением
x —v Kkx z + xK;
y —v Kky z + уK; (8)
z '— v Kkz z + z к,
где v Kkx,v Kky,vKkz - проекции единичного вектора, параллельного прямой Kk (направляющего вектора прямой) на оси х'О'У z ; Z - параметр.
Рис. 2. Индикатриса излучения
Угол между нормалью к излучающей поверхности и прямой Kk, дает угол аи
V Kkx VQKx + V Kky VQKy + V Kkz VQKz а л = arccos^= , =. (9)
2 2 2 2 2 2 VVKkx +VKky +VKkz WVWKx + VWKy + VWKz
При построении уравнения поверхности наблюдаемой сцены считается, что центр О системы координат, связанной с наблюдаемой сценой помещен в геометрический центр сцены, ось x направлена по нормали к поверхности в сторону объектива, а сама сцена ограничена прямоугольником, который включает размеры наблюдаемой сцены, либо полосы, с которой изображение проецируется на линейку фоточувствительных элементов фотоэлектронного преобразователя. Ось у системы координат параллельна продольной оси симметрии фотоэлектронного преобразователя, а ось z направлена в сторону механического сканирования (если сканирование производится матричным фотоэлектронным преобразователям, то оси x и y параллельны сторонам матрицы).
Таким образом, система уравнения и неравенств, описывающих поверхность сцены, имеет вид:
x=0; (10)
|y| <Лy, |z| <Лz, (11)
где 2 Лy х2 Лz - размеры области, которая в текущий момент сканируется.
Пусть в системе имеется N источников излучения, причем с п-м источником связана система координат х пО пу п/п, центр которой имеет координаты хап, уап, 2ап. Тогда точка к поверхности документа, имеющая координаты 0, ук, 2к, на которые накладываются ограничения |ук| <Лу,
\2к\ <Л2, освещается из точки Кп п-го источника, имеющего координаты х'кп, У Кп, 2'кп лучом, который описывается уравнениями в параметрической форме
х = п Кпкх
у = п кпку С + Ук; (12)
2 = П Кпк2 С + 2к , где VКпкх, пКпку, пКпк2 - направляющие косинусы луча;
(п Кпкх, п Кпку, п Кпк2 ) =
= I 2 2 2 [хКп, ук - уКп, 2к - 2Кп . (13)
4хКп + (ук - уКп) + (2к - 2Кп) хкп , укп , 2Кп - координаты точки Кп в системе координат хОу2, рассчитываемые по зависимости (7).
Этот луч составляет с нормалью к п-й ограниченной излучающей поверхностью
ГГ п (х, у, г ) = 0, г(х, у, г )< 0, определяемой направляющими
уОКп = (пОКпх, пОКпу, пОКп2 ) =
(14)
-О
пх
-О
пу
-О
п2
о2 + о2 + о2
О2 + о2 +о2
о
пх
+ ГГ2 +о2
(15)
угол
а
п
агссоБ
П Кпкх ПОКпх + п Кпку ПОКпу + п Кпкг ПОКп2
2 2 2 2 2 2 П Кпкх + П Кпку + П Кпк2 \пОКпх + пОКпу + пОКп2
(16)
где ГГ п (х, у, г) - зависимость, которая получается из левой части зависимости (2.1) для п-й излучающей поверхности подстановкой вместо координат х, у, 2 их значений в системе х, у, г, выраженных через (.7); г(х,у,г) - неравенство, полученной из левой части неравенства (2) для п-й излучающей поверхности подстановкой вместо координат х, у', 2 их значений в системе х, у, 2;
W
OW
Knx
n
Ox
x -
у-
z -
xKn. w —^ --УКп ' W Kyn = Oy zKn
n
x y
z
xKn yKn zKn
w
OW
Knz
n
Oz
x y
z
xKn yKn zKn
(17)
В точке k, принадлежащей освещаемой поверхности, сходятся все лучи со всех поверхностей, поэтому полезная освещенность точки k складывается из освещенностей, создаваемых всеми источниками:
N
Ei(0,yk,zk, 1)— Z kin iin[x,y,z,an(x,0,y,yk,z,zk),l\dxdydz, (18)
n—1 W (x,y, z)—0, V n(x, У, z )<0
где in [x, y, z, a n (x,0, y, yk, z, zk), l] - индикатриса интенсивности излучения n-го источника из точки с координатами x, у, z в направлении угла an (x,0, у, yk, z, zk) между нормалью к поверхности в указанной точки и лучом, направленным в точку k; к - коэффициент пропорциональности.
Список литературы
1. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. Радио, 1978. 400 с.
2. Rogalski Antoni. Infrared detectors: status and trends. Review // Progress in Quantum Electronics, 2003. Vol. 27. P. 59-210.
3. Коротаев В.В., Мельников Г. С., Михеев С.В., Самков В.М., Сол-датов Ю. И.. Основы тепловидения. СПб: НИУ ИТМО, 2012. 122 с.
4. Источники и приемники излучения: учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Польщиков. СПб.: Политехника, 1991. 240 с.
5. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: пер. с франц. М.: Мир, 1988. 416 с.
6. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004. 444 с.
7. Филиппова Е.В., Акименко Т.А. Приемники излучения теплови-зионных приборов. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. Вып. 2. С. 203-207.
Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доц., tctntan72@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Рыбалкина Юлия Сергеевна, студент, nekary669@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Филиппова Екатерина Вячеславовна, лаборант, kisskin@,bk.ru Россия, Тула, Тульский государственный университет
OPTICAL MODULATION OF RADIATION IN THE THERMAL SYSTEM
Т.А. Akimenko, Y.S. Rybalkina, E.V. Filippova
The general functional scheme of source radiation, the classification of radiation sources, the system of equations and inequalities describing the surface of the scene are presented.
Key words: radiation source, emitted surface, infrared range, radiation indicatrix, observed scene.
Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical sciences, docent, tan-tan72@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Rybalkina Yuliya Sergeevna, student, nekary669@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,
Filippova Ekaterina Vyacheslavovna, laboratory assistant, kisskin@,bk.ru, Russia, Tula, Tula State University
