CC BY
10
es to consensus based on labeled data, substantiates the choice of voting consensus methods with a distributed leader. The developed methods of organizing the groups functioning are also presented and the assessment of the expediency of choosing a method with a distributed leader is carried out.
Key words: machine learning, crowdworking, consensus, distributed data labeling, data volume, network, message passing, blockchain.
Klimenko Anna Borisovna, major researcher, anna_klimenko@,mail. ru, Russia, Taganrog, Southern Federal University, Scientific Research Institute of Multiprocessor Computing Systems,
Melnik Eduard Vsevolodovich, doctor of technical sciences, chief researcher, an-na_klimenko@,mail. ru, Russia, Rostov-on-Don, Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences
УДК 681.5.08; 62-97 Б01: 10.24412/2071-6168-2021-2-245-250
ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗЛУЧАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ТЕСТИРОВАНИЯ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ
С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ
Т.А. Акименко, Е.В. Филиппова
Рассмотрены основные источники теплового излучения, взаимодействие теплового излучения со средой. Разработаны тест-объект для измерения разрешения тепловизионных систем, устройство тестирования разрешения тепловизионных систем по контрасту и программный модуль управления устройством тестирования разрешения тепловизионных систем по контрасту.
Ключевые слова: тепловизионные системы, тест-объект, устройство тестирования, тепловая картина, разрешающая способность.
Современные системы наблюдения характеризуется повышенной мобильностью, активным взаимодействием с внешней средой, что делает их использование весьма привлекательным для самых разнообразных сфер человеческой деятельности.
Автоматические средства наблюдения, работающие в инфракрасном диапазоне спектра, обладают неоспоримыми преимуществами. Кроме возможности «видеть» в полной темноте, имеется возможность наблюдать объекты сквозь дым, пыль, туман и при неразрушающем контроле.
Создание комплексного устройства тестирования тепловизионных систем наблюдения на основе модулей известных прототипов, с внесением изменений в известные структуры, обеспечивающих удовлетворительное функционирование устройства тестирования при работе, а также обеспечивающее максимально возможное количество тестируемых характеристик тепловизионных систем является актуальной задачей.
Рассмотрим процесс формирования тепловой картины наблюдаемой сцены. Это является одним из важных этапов технологического процесса, определяющих качество устройства тестирования разрешения тепловизионных систем по контрасту с программным модулем управления для контроля тепловизионных систем наблюдения. Управление этим этапом связано с разработкой математической модели процесса сканирования сцены, которая должна учитывать:
245
- 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:
- 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 тепловизионными системами (корабли, летательные аппараты, промышленные объекты).
Независимо от типа источника излучения и его конструкции будем считать, 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
Система уравнения и неравенств, описывающих поверхность сцены, имеет вид:
х = 0; (2)
У <д у, 12 <л 2, (3)
где 2 Лу х2 Л2 - размеры области, которая в текущий момент сканируется.
При работе в реальных условиях показатель преломления среды по ходу лучей может изменяться. В частности, это происходит в системах, работающих на больших дальностях в реальной атмосфере. Изменение может происходить за счет разности температур и/или влажности воздушной массы в разных точках пространства.
При взаимодействии излучения со средой имеет место поглощение и рассеяние. Рассеяние инфракрасного излучения при прохождении через среду зависит от соотношения между длиной волны излучения и размером рассеивающих частиц, а также от концентрации частиц и их комплексного показателя преломления. Если размер частиц мал по сравнению с длиной волны излучения, а расстояние между частицами
246
больше длины волны и частицы расположены беспорядочно, то имеет место рэлеевское рассеяние. Рассеянный лучистый поток характеризуют индикатрисой рассеяния, представляющей распределение силы рассеянного излучения в пространстве.
150
тМ
180
310
330
340
300
170
Рис. 2. Индикатрисарелеевскогорассеяния
Частными случаями рассеяния излучения являются отражение от поверхности раздела двух сред и преломление излучения через эту поверхность раздела.
В первом приближении можно рассматривать неоднородность оптических параметров воздушной массы при следующих допущениях:
- существует четкая граница раздела сред с разными оптическими параметрами;
- граница раздела сред представляет собой плоскость;
- наличие неоднородности воздушной массы начинает сказываться, если нормаль к границе раздела сред имеет некоторый угол с направлением распространения света, если лучи падают перпендикулярно плоскости, то поверхность раздела сред не оказывает влияние на ход лучей.
Типичные случаи влияния неоднородности среды при распространении излучения на точность работы тепловизионной системы приведены на рис. 3, где рассмотрены плоские случаи изломов осей.
На практике вместо абсолютных показателей преломления п1 и п2 используют П21 - относительный показатель преломления среды
п
21
т
т
(4)
Протекание теплового процесса в любой точке излучающих элементов в любой момент времени характеризует дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье. Для изотропного тела с источником тепла, распределено в теле произвольно и теплофи-зическими параметрами, зависящими от температуры, в декартовой системе координат оно имеет вид:
дt} д
X- I + Л. дх ^ дх) ду
(
X* ду
д Г , д} „, дt
+ — | X— I + Ш = у— . дz I дz) дт
(4)
где 1=1(х,у,г, т) - температура в точке (х,у,2) в момент времени т; X = Х(?) - коэффициент теплопроводности тела; с = - удельная теплоемкость тела, Дж/(кг оС); у -плотность тела, кг/м3; Ж - удельная объемная мощность источников энергии.
На температуру перегрева влияют два фактора, поддающиеся корректировке в процессе функционирования теплового тест-объекта. Это напряжение электрического тока и и коэффициент теплоотдачи а.
щ п2 б К %
а П\ К
в
1 пт
\ ат
а'„, Г " - П1 К
.. . ^
\ т ~ _
а1 а
пт+1 ч, "Ч К
п2
Рис. 3. Неоднородность среды распространения излучения: а - с одной границей; б - с плоскопараллельным объемом; в - общий случай
Напряжение является легко варьируемым параметром и может быть задано в зависимости от требуемой температуры поверхности. Коэффициент теплоотдачи является функцией многих переменных, и, следовательно, необходимо проведение исследования с целью изыскания закономерностей, позволяющих варьировать и этот параметр.
Важным является последействие излучающих элементов, которое находится во взаимосвязи с коэффициентом теплоотдачи, поэтому существенны вопросы управления коэффициентом теплоотдачи, для решения которых необходимо проведение исследования процесса охлаждения при вынужденной конвекции, как наиболее распространенного способа увеличения коэффициента теплоотдачи.
Легко варьируемым параметром, является стационарная температура перегрева ист = tраб . Таким образом, увеличение скорости повышения температуры излучающих
элементов легко добиться путем повышения мощности, поступающей в излучающий элемент.
Интенсивность теплового излучения зависит от температуры поверхностей излучателей, следовательно, для решения задачи стабилизации и варьирования интенсивности излучения, требуется определить зависимость, характеризующую поле температур поверхности излучателя.
В статическом режиме происходит нарушение теплового баланса излучающих элементов, т.е. их температуры начинают значительно превышать требуемые. Возникает необходимость обеспечить как высокую скорость повышения температуры излучающих элементов, так и их корректную работу в стационарном режиме.
Решением является использование средств контроля термического состояния тепловых излучателей - датчиков температуры, управляющих интенсивностью непрерывного потока поступающей энергии в виде блока управления, а также использование импульсной подачи энергии с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ) управляющих воздействий.
Реализация устройства тестирования разрешения тепловизионных систем по контрасту с программным модулем управления представляет собой инфракрасный (тепловой) излучатель, выполненный в виде двух изолированных друг от друга излучающих элементов, контроль за которыми осуществляется управляющим модулем. Устройство предназначено для проведения экспериментов создания тепловой картины и получения достаточно стабильного во времени температурного режима элементов устройства тестирования разрешения тепловизионных систем наблюдения по контрасту.
Программный модуль позволяет определить температуру элементов тепловой картины, требуемые мощности каналов для достаточно стабильного во времени поддержания заданных температур элементов тепловой картины, а также достаточно корректно и стабильно во времени поддерживать заданные температуры излучающих элементов устройства тестирования разрешения тепловизоров по контрасту при температуре окружающей среды в пределах 10° - 40° С и относительной влажности не более 65%.
Установка и поддержание температур элементов тепловой картины блоком управления осуществляется с использованием пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора для каждого из элементов устройства тестирования разрешения тепловизоров по контрасту.
Формируемые устройством тестирования разрешения тепловизионных систем по контрасту с программным модулем управления тепловые картины позволяют оценивать качество и разрешающую способность тепловизионных систем наблюдения по контрасту, что в свою очередь влечет за собой из полученных данных максимум достоверной информации, используемой при принятии решений.
Список литературы
1. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978. 400 с.
2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004. 444 с.
3. Патент на полезную модель № 191285 РФ. Устройство тестирования разрешения тепловизоров по контрасту / Акименко Т.А., Ларкин Е.В., Лучанский О.А., Филиппова Е В. Заявл. 06.06.2019; опубл. 01.08.2019. Бюл. № 22.
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2019661213. Программный модуль управления устройством разрешения тепловизоров по контрасту / Акименко Т.А., Филиппов А.Е., Филиппова Е.В. / Решение о регистрации, заявка от 12.08.2019.
5. Акименко Т.А., Филиппова Е.В. Исследование статических характеристик и пространственной динамики тепловизионной системы наблюдения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 9. С. 497-500.
6. Филиппова Е.В. Тепловой тест-объект для оценки тепловизионных систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 9. Ч. 2. С. 199-203.
7. Филиппова Е.В., Акименко Т.А., Лучанский О.А. Способ тестирования разрешения тепловизоров по контрасту // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2019. Вып. 10. С. 400-404.
8. Филиппова Е.В., Акименко Т.А. Программно-аппаратная реализация модуля контроля разрешения тепловизионных систем наблюдения по контрасту // Известия Тульского государственногоуниверситета. Технические науки, 2020. Вып. 2. С. 267272.
9. Акименко Т.А., Филиппова Е.В. Тест-объект для контроля параметров тепловизоров // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2018. Вып. 12. С. 308-311.
10. Акименко Т.А., Рыбалкина Ю.С., Филиппова Е.В. Оптическая модуляция излучения в тепловизионной системе // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2018. Вып. 4. С. 472-478.
11. Akimenko T.A. Formation of the image on the receiver of thermal radiation // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 2018. P. 1069627.
12. Akimenko T., Filippova E. Computer Modeling of Control the Thermal Imaging System Surveillance // Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics) Volume 11386 LNCS, 2019. P. 129-136. DOI: 10.1007/978-3-030-11539-5_12 .
Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доцент, tantan72@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Филиппова Екатерина Вячеславовна, старший лаборант, kisskin@,bk.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
FEA TURES OF THE IMPLEMENTA TION OF A RADIA TING DEVICE FOR TESTING
THERMAL IMAGING SYSTEMS IN INTERACTION WITH THE EXTERNAL
ENVIRONMENT
T.A. Akimenko, E. V. Filippova
The main sources of thermal radiation, the interaction of thermal radiation with the environment are considered. A test object for measuring the resolution of thermal imaging systems, a device for testing the resolution of thermal imaging systems by contrast, and a software module for controlling the device for testing the resolution of thermal imaging systems by contrast have been developed.
Key words: thermal imaging systems, test object, testing device, thermal picture, resolution.
Akimenko Tatiana Alekceevna, candidate of technical sciences, docent, tantan 72@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Filippova Ekaterina Vyacheslavovna, laboratory assistant, kisskin@,bk.ru, Russia, Tula, Tula State University
