CC BY
20
УДК 681.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-250-253
ОЦЕНКА ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ КОРОТКОВОЛНОВЫМ ИНФРАКРАСНЫМ
КАНАЛОМ
Е.В. Макаров, И.А. Киль, М.Г. Погорелов
В статье проведена оценка обнаружения объектов коротковолновым инфракрасным каналом технического зрения относительно телевизионного. Определены преимущества КВИК-диапазона для его применения в составе оптико-электронных систем, осуществляющих обзор местности.
Ключевые слова: оптико-электронные системы, обнаружение объектов, коротковолновый ИК-диапазон.
В настоящее время все большее применение находят системы, работающие в коротковолновом инфракрасном диапазоне (КВИК), которые благодаря достижениям современной фотоэлектроники стали доступны в серийном производстве. КВИК - это общепринятое название электромагнитного излучения в коротковолновом диапазоне длин волн от 0,9 мкм до 1,7 мкм.
Стоит отметить, что в отличие от классических тепловизионных приборов, регистрирующих собственное излучение объектов и фонов в средневолновом ИК- или длинноволновом ИК-диапазонах, датчики КВИК-диапазона регистрируют отраженное от наблюдаемых объектов и фонов излучение естественных и искусственных внешних источников, например, солнечного света или звездного неба, что является основой для обеспечения широкого динамического диапазона, необходимого для формирования энергетического разрешения цели, а так же дает возможность использования приборов круглосуточно. Последнее возможно только при обеспечении большой светосилы объектива. В решении гражданских задач такие системы используются, например, для определения влажности, что позволяет узнать степень увлажнённости материала; выявление гнилых или испорченных посевов, овощей, ягод и фруктов; относительное содержание влаги в растениях. Помимо этого, службы МЧС применяют камеры с КВИК-диапазоном, чтобы найти очаг возгорания в лесной местности, или человека в условиях затруднённой видимости, например, из-за сильной задымлённости.
Для оценки эффективности был проведен эксперимент с камерами КВИК и ТВ диапазонов с одинаковым фокусным расстоянием по обнаружению объектов (картон), равных по размерам и удаленных на одно расстояние - 3 метра (рис. 1,2):
1) на однородном фоне (ватман);
2) на неоднородном фоне (снег).
Основным критерием оценки обнаружения объектов является отношение сигнал/шум (ОСШ). Для обеспечения минимальной вероятности обнаружения объекта ОСШ должно быть равно 6. Для вычисления значения ОСШ использовался подход [1], который используется для проведения предварительных оценок на начальном этапе разработки оптико-электронных систем. Он включает в себя расчет типичных значений параметров оптических систем, методы определения исходных данных для расчёта, методы учета потерь в среде распространения. С помощью данного метода необходимо определить дальность действий КВИК и ТВ каналов технического зрения и выполнить оценку сравнения результатов расчётов между каналами.
В данном методе отношение сигнал/шум выражается формулой:
СБИЯ = Q/P,
где СБИЯ - отношение сигнал/шум; Q - минимальная регистрируемая ФПУ энергия; Р - эквивалентная мощность шума.
Значение минимальной регистрируемой ФПУ энергии излучения лазера в зависимости от дальности до цели:
Е^2 • Ъ •р 0=-
где Е - энергия излучения объекта; Ь - дальность до цели; а - коэффициент потерь в атмосфере; В - диаметр входного зрачка; И - коэффициент пропускания принимающей системы системы; р - коэффициент отражения цели.
а б
Рис. 1. Эксперимент на однородном фоне: а - видимый диапазон; б - КВИК-диапазон
О о
а б
Рис. 2. Эксперимент на неоднородном фоне:
60
5С
40
и 30 О
20
10 О
Расстояние, м.
Рис. 3. Результаты вычисления ОСШ на однородном фоне
Коэффициент потерь в атмосфере может быть представлен в виде трех слагаемых: поглощение газообразными веществами, молекулярное рассеяние и аэрозольное рассеяние. В данном случае принять справочные величины поглощения газообразными веществами и молекулярного рассеяния в виде констант. Наиболее значительные потери создаются аэрозольным рассеянием ар, значение которого вычисляется следующим образом:
251
а - видимый диапазон; б - КВИК-диапазон
1
23
-квик -ТВ Порог
1.5
2.5
3,5
А5
ар =
ln(50) /0.55\ч
MDV
/0.55 Vl.06,
где MDV - метеорологическая дальность видимости.
Показатель q зависит от значения метеорологической дальности видимости (МДВ):
д = 0.585MDW,если МДВ < 6 км; д = 1.3, если 6 км < МДВ < 12 км; 1.6, если МДВ > 12 км. Получив таким образом все необходимые параметры, был произведен расчет ОСШ для эксперимента с диапазоном дальностей от 1 до 5 метров. Результаты расчета представлены на рис. 3, 4.
1
2. 3
-квик
Порог
2,5 3 3,5 Расстояние, м
Рис. 4. Результаты вычисления ОСШ на неоднородном фоне
Как следует из представленных данных, отношение сигнал/шум в КВИК-канале превосходит отношение сигнал/шум в ТВ-канале примерно в 3 раза. Очевидно, что полученное отношение в полезных сигналах сильно зависит от параметров самих каналов. В рассмотренном эксперименте взяты одинаковые оптические системы, но разные приёмники излучения. Следовательно, и разрешение таких каналов будет разным, что необходимо учитывать при комплексной оценке.
Список литературы
1. Балашов, И.Ф. Энергетическая оценка импульсных лазерных дальномеров. Учебное пособие. / И.Ф. Балашов. - Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики, 2000. - 34 с.
2. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Современные проблемы инфракрасной техники. М.: Изд. МИИГА и К, 2011. 84 с.
Макаров Евгений Владимирович, студент, yevgen.makarov@bk.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Киль Иван Андреевич, аспирант, johnnykia@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Погорелов Максим Георгиевич, канд. техн. наук, доцент, mgpogoreloff@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
OBJECT DETECTION EFFICIENCY OF THE TECHNICAL VISION IN SHORT WAVE INFRARED
CHANNEL
E.V. Makarov, I.A. Kil, M.G. Pogorelov 252
This article considers object detection efficiency of the technical vision in short wave infrared channel compared to object detection efficiency in visible channel. Advantages of using SWIR-range optoelectronic terrain viewing systems are determined.
Key words: electro-optical system, object detection, short wave infrared
Makarov Evgeny Vladimirovich, student, yevgen.makarov@bk.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kil Ivan Andreevich, postgraduate, johnnykia@,yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pogorelov Maxim Georgievich, candidate of technical sciences, docent, mgpogore-loff@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 004.94:69
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-253-256
К ВОПРОСУ О КОМПЬЮТЕРНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ И АНАЛИЗЕ АЭРОДИНАМИКИ ГРУППЫ ЗДАНИЙ ГОРОДСКОГО РАЙОНА
И.А. Ветрянщиков
В программном комплексе, основанном на методе конечных элементов, проводится сравнение различных характеристик аэродинамики зданий, расположенных в одном районе. Проводится математическое моделирование и выявляются такие параметры как, скорость, турбулентность, давление и иные характеристики, влияющие на качество жизни в зданиях.
Ключевые слова: математическое моделирование, компьютерное моделирование, конечные элементы, скорость, давление, аэродинамика, анализ.
Вопрос о применении современных методов исследований, таких как компьютерное и математическое моделирование, стоит перед исследователями, учеными и конструкторами довольно остро. Существуют споры о точности расчетов, их приближенности к реальным условиям и возможности полагаться на достоверность полученных таким образом данных. Однако ряд исследований установило за счет непосредственного сравнения экспериментальных и теоретических данных (полученных компьютерными симуляциями), что точность расчетов высока и погрешность не превышает 5-10% по сравниваемым величинам [1-4]. Таким образом, исходя из опытов и выводов ученых следует, что применение компьютерных моделирований возможно, и весьма велика приближенность теоретических данных к опытным. Поэтому в данной работе будет проведен ряд исследований аэродинамики проектных групп зданий с целью выявления их аэродинамических характеристик при различных начальных направлениях ветра и последующим их анализом и обобщением.
Для симуляции была выбрана программа Ansys, так как она позволяет оценить необходимые параметры для данного исследования [5-8]. Была построена трехмерная модель группы зданий, повторяющая по расположению, высоте, размерам и другим параметрам существующий в настоящее время район. В качестве оцениваемых параметров выбрано давление, давление на стены зданий, максимальная скорость, так как эти характеристики наиболее полно отражают картину об аэродинамике.
На рис. 1 приведены потоки ветра, представленные в виде линий, отображающих направление ветра и его скорость в каждой точке пространства. На рис. 2 представлены изображения давлений, оказываемых ветром на стены здания, показаны виды на группы зданий с наветренных сторон.
