CC BY
28Радиостроение
Научно-практический журнал ИКр ://www. гас! iovega.su
Ссылка на статью: // Радиостроение. 2018. № 01. С. 1-8
Б01: 10.24108/^е^.0118.0000132
Представлена в редакцию: 26.12.2017
© НП «НЕИКОН»
УДК 778.35
Штриховой тест-объект оценки в натурных экспериментах пространственно-частотного и энергетического разрешений цифровых инфракрасных систем получения видовой информации
Веселов Ю.Г.1*, Данилин А.А.2, Мельник Ю.С.3, Сельвесюк Н.И.4
йлкипааа @шЬ ох л
:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия 2Национальный центр по уменьшению ядерной опасности МО РФ, Москва, Россия 3Военный университет МО РФ, Москва Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем, Москва, Россия
Излагаются результаты работы над созданием мобильного тест-объекта для оценки в лётных условиях основных параметров цифровых инфракрасных систем получения видовой информации воздушного базирования.
Ключевые слова: инфракрасная система, пространственное разрешение, энергетическое разрешение, тест-объект
Введение
По аналогии с оптико-электронными системами видимого диапазона современные инфракрасные системы дистанционного зондирования Земли воздушного базирования в результате развития элементной базы представляют собой системы следующего (третьего [4]) поколения, краеугольным отличием которого являются приёмники излучения.
В настоящее время приёмники излучения инфракрасных систем представлены различными полупроводниковыми приборами (соединения кадмий-ртуть-теллур, материалы группы А3В5, структуры с квантовыми ямами, сверхрешётки) и микроболометрами. В современных инфракрасных приёмниках излучения реализованы следующие основные параметры [4]: формат - до 1920*1280, размер сенселя - от 12 мкм, динамический диапазон - до 80 дБ, частота кадров - до 100 Гц. Рабочие спектральные диапазоны [3]: 0,5-5 мкм, 1-5 мкм, 1,5-4 мкм, 2-6 мкм, 3-5 мкм, 5-17 мкм, 6-14 мкм, 8-12 мкм и 8-14 мкм.
Современные инфракрасные системы характеризуются малогабаритностью, низким энергопотреблением и записью (передачей) видовой информации в цифровом формате. Цифровой формат позволяет реализовать алгоритмы геометрической и радиометрической коррекции в самой инфракрасной системе до записи (передачи) изображения-продукта на носитель информации (с борта летательного аппарата), что существенно повышает оперативность применения инфракрасных систем.
Испытания новых и перспективных образцов инфракрасных систем остаются непререкаемой по своей актуальности и важности задачей. Развитие самих инфракрасных систем требует совершенствования как методик испытания, так и измерительно-инструментальной базы.
В данной работе не будут подробно рассмотрены лабораторные испытания инфракрасных систем, которые, в большей степени, совершенствуются по пути от автоматизированных до автоматических процессов.
Настоящая работа посвящена рассмотрению путей и конкретных предложений для проведения лётных испытаний инфракрасных систем, путем оценки разрешающей способности.
1. Требования к штриховой тест-объекту
Международный Договор по открытому небу (далее - Договор) был подписан в г. Хельсинки 24 марта 1992 года и предполагает наблюдение любой точки на всей территории Государства-участника с использованием аппаратуры наблюдения воздушного базирования. Категории аппаратуры наблюдения и ограничения, налагаемые на их возможности функционирования, закреплены в четвёртой статье Договора.
На момент подписания Договора инфракрасные системы были представлены инфракрасными устройствами линейного сканирования, а ограничением была определена разрешающая способность на местности не лучше 0,5 м.
Как закреплено в Договоре, аппаратура наблюдения допускается к использованию во время проведения наблюдательного полета только после проведения международного освидетельствования по методикам, принятым Консультативной комиссией по открытому небу на основе консенсуса. Методика предполагает определение (установление - в терминах Договора) минимальной высоты над уровнем земли, с которой аппаратура наблюдения может эксплуатироваться во время наблюдательного полета согласно ограничению на разрешающую способность на местности.
В 2013 году Российская Федерация первая из всех Государств-участников Договора провела международное освидетельствование цифровой аппаратуры наблюдения видимого и ближнего инфракрасного диапазона и с 2014 года успешно применяет её во время проведения наблюдательных полётов над территориями иностранных Государств-участников.
В настоящее время ведётся подготовка к международному освидетельствованию российского самолёта наблюдения Ту-214ОН, в том числе и с инфракрасной аппаратурой
наблюдения, а в рамках Консультативной комиссии по открытому небу международные эксперты ведут работу над проектом пересмотренного Решения № 15 к Договору «Методика расчёта минимальной высоты над уровнем земли, на которой разрешена эксплуатация во время наблюдательного полёта каждого инфракрасного устройства линейного сканирования, установленного на самолёте наблюдения».
В качестве инструмента измерения разрешающей способности используются тест-объекты (миры).
Поддержание заданного температурного контраста тест-объекта в ходе лётных испытаний - это главная проблема, с которой сталкиваются при создании мир для оценки разрешающей способности инфракрасных систем.
Для поддержания заданного температурного контраста создавались активные, пассивные и полуактивные инфракрасные тест-объекты. Кроме эксплуатационно-физических особенностей эти миры, как правило, имели высокую стоимость. Например, с учётом ограничения разрешающей способности на местности не лучше 0,5 м был создан пассивный тест-объект из алюминия толщиной 0,005 м, окрашенного краской трёх оттенков серого, общей массой более 600 кг. При таких масса-габаритных параметрах обеспечение мобильности миры без привлечения дополнительных сил и средств не представляется возможным.
Вышесказанное определяет требования к тест-объекту (постоянство температурного контраста, мобильность) и указывает направление его совершенствования (снижение веса).
2. Создание и экспериментальная отработка штрихового тест-объекта
Были рассмотрены различные материалы и покрытия для создания инфракрасной миры. Для создания тест-объекта был использован полипропиленовый нетканый термо-скреплённый материал, металлизированный алюминием методом магнетронного ионно-плазменного распыления [2].
Металлизация алюминием тёмного полипропиленового нетканого термоскреплённо-го материала проводилась с длительностью 30 с, 1 мин, 2 мин и 3 мин. От времени металлизации зависит однородность покрытия поверхности материала алюминием и глубина проникновения алюминия в материал.
На первом этапе эксперимента был изготовлен масштабированный прямой штриховой тест-объект и поля яркости из материала с различной длительностью металлизации.
Под прямым штриховым тест-объектом будем понимать группы штрихов из металлизированного материала, расположенные на основе (фоне) из тёмногоматериала.
Прямой штриховой тест-объект и поля яркости были размещены на геополигоне, оборудованном радиометром, люксметром, яркомером и метеорологической станцией.
В период времени, соответствующий высотам солнца над горизонтом от 43° до 8°, проводились измерения радиационной температуры образцов, параметров атмосферы и освещённости. Результаты измерений представлены на рисунке 1.
Рисунок 1
На рисунке 2 представлены результаты измерений в условиях существенного изменения освещённости при наличии переменной облачности.
Температурный контраст образцов металлизированного материала
о
1 3 5 7 9 11 13 151719 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 4143 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63
Вр^мя
Рисунок 2
Анализ полученных результатов показал независимость температурного контраста разработанного тест-объекта от температурных и ветровых (направления и скорости) параметров окружающей среды.
В условиях переменной облачности при существенных изменениях освещенности температурный контраст миры соразмерно изменяется, но при этом остаётся достаточным для оценки разрешающей способности.
По результатам первого этапа эксперимента было принято решение о металлизации алюминием светлого полипропиленового нетканого термоскреплённого материала.
Металлизация алюминием светлого полипропиленового нетканого термоскреплён-ного материала также проводилась с длительностью 30 с, 1 мин, 2 мин, 3 мини 4 мин.
Для второго этапа эксперимента были изготовлены масштабированные прямой и инверсный штриховые тест-объекты, а также поля яркости из материала с различной длительностью металлизации.
Под инверсным штриховым тест-объектом понимаются группы штрихов из тёмного материала, расположенные на основе (фоне) из металлизированного материала.
Изготовленные тест-объекты, а также мира видимого диапазона размещены на оборудованном измерительными приборами геополигоне.
В ходе второго этапа эксперимента выполнена аэрофотосъёмка района геополигона инфракрасной системой воздушного базирования.
Аэрофотоснимки района геополигона с расположенными на нём тест-объектами показаны на рисунке 3.
Визуальный анализ аэрофотоснимков позволил получить оценку разрешающей способности цифровой инфракрасной системы, близкую к прогнозируемой [1] и результатам математического моделирования [5].
Результаты проведённых экспериментов позволяют сделать вывод о возможности создания из предложенных в работе материалов тест-объекта для оценки разрешающей способности в лётных условиях цифровых инфракрасных систем получения видовой информации воздушного базирования.
Предложенная мира из полипропиленового нетканого термоскреплённого материала, металлизированного алюминием методом магнетронного ионно-плазменного распыления, имеет постоянный температурный контраст, независящий от температурных и ветровых параметров окружающей среды.Помимо этого, при сохранении габаритных размеров вышеописанной алюминиевой миры масса разработанного тест-объекта небудет превышать 90 кг. Таким образом, задача снижения веса и обеспечения мобильности пассивной инфракрасной миры в данной работе также успешно решена.
Дальнейшее продолжение работы связанно с созданием полномасштабного макета миры с полупериодом центральной группы штрихов 0,5 м и проведением аэрофотосъёмки с крейсерских высот применения инфракрасной аппаратуры наблюдения.
Режим металлизации светлого материала для изготовления полномасштабного макета необходимо выбрать длительностью 2 мин, так как при этом режиме достигается оптимальное соотношение однородности покрытия поверхности материала алюминием и глу-
Рисунок 3
Заключение
бины проникновения алюминия в материал. То есть обеспечивается средний температурный контраст 0,8 и достаточная износостойкость.
Список литературы
1. Веселов Ю.Г., Гулевич С.П., Данилин А.А., Карпиков И.В., Тихонычев В.В. Прогнозирование разрешающей способности цифровых аэрофотосъёмочных систем // Проблемы безопасности полётов. 2009. № 2. С. 21-25.
2. Горберг Б.Л., Иванов А.А., Мамонтов О.В., Стегнин В.А., Титов В.А. Модифицирование текстильных материалов нанесением нанопокрытий методом магнетронного ион-но-плазменного распыления // Российский химический журнал. 2011. Т. 55. № 3. С. 7-13.
3. Основы тепловидения / В.В. Коротаев, Г.С. Мельников, С.В. Михеев, В.М. Самков, Ю.И. Солдатов. СПб.: НИУ ИТМО, 2012. 122 с.
4. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Современное состояние и перспективы развития зарубежных тепловизионных систем // Науч.-техн. вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 3(85). С. 1-13.
5. Веселов Ю.Г., Гулевич С.П., Карпиков И.В., Островский А.С. Математическая модель цифровой инфракрасной системы дистанционного зондирования Земли // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 6. С. 149-180.
DOI: 10.7463/0612.0423297
