Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов Овсянников Владимир Александрович

Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов
<
Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Овсянников Владимир Александрович. Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов : диссертация ... доктора технических наук : 05.11.13 / Овсянников Владимир Александрович; [Место защиты: ГОУВПО "Казанский государственный энергетический университет"]. - Казань, 2008. - 382 с. : 5 ил.

Содержание к диссертации

Введение

1 Прогнозирование тепловых контрастов объектов местности . 21

1.1 Влияние условий наблюдения объектов на их тепловой контраст 21

1.2 Методы оценки температурных контрастов объектов 31

2 Фотоприемные устройства несканирующих тепловизионных приборов 47

2.1 Сравнительный анализ фотоприемных устройств и тенденции их развития 47

2.2 Основные параметры и характеристики матричных фотоприемников 61

2.2.1 Фотонные МФП 61

2.2.2 Тепловые МФП 73

3 Параметры и эффективность несканирующих тепловизионных приборов 77

3.1 Критерии качества тепловизионных приборов 77

3.2 Общая система описания тепловизионных приборов 80

3.3 Основные технические параметры и характеристики тепловизионных приборов 103

3.3.1 Разность температур, эквивалентная шуму, и эффективное значение элементарного поля зрения ТВП 103

3.3.2 Температурно-частотная характеристика ТВП 131

3.3.3 Предельно достижимые значения основных технических параметров ТВП 144

3.4 Тепловизионное изображение и его анализ 146

3.5 Эффективность тепловизионных приборов в статическом режиме работы 159

3.5.1 Обнаружение объектов 159

3.5.2 Распознавание объектов 166

3.6 Эффективность тепловизионных приборов в динамическом режиме работы 204

3.6.1 Эффективность ТВП воздушного базирования 204

3.6.2 Эффективность ТВП наземного базирования 226

3.7 Влияние атмосферы на эффективность тепловизионных приборов 230

3.7.1 Коэффициенты пропускания атмосферы 230

3.7.2 Функции передачи модуляции атмосферы 236

3.8 Эффективность теплрвизионных приборов при использовании поляризационного контраста объектов 241

4 Комплексирование спектральных каналов оптико-электронных систем 253

4.1 Сравнительный анализ эффективности гиперспектральных и многоспектральных оптико-электронных систем 253

4.2 Методы совместной обработки разноспектрапьных изображений 266

4.3 Выбор и сравнительная оценка спектральных рабочих диапазонов 278

5 Основы оптимального синтеза несканирующих тепловизионных приборов 290

5.1 Оптимизация основных технических и конструктивных параметров тепловизионных приборов 290

5.2 Оптимизация параметров движения носителей тепловизионных приборов 311

6 Принципы и общие методы аттестации несканирующих тепловизионных приборов 317

6.1 Измерение и контроль дальности действия тепловизионных приборов 317

6.2 Измерение и контроль углового разрешения и разрешения на местности тепловизионных приборов 331

6.3 Измерение и контроль основных технических параметров тепловизионных приборов 343

Заключение 363

Библиографический список

Введение к работе

В настоящее время в мире широким фронтом ведутся исследования по совершенствованию информационно-измерительных систем дистанционного зондирования и мониторинга земной поверхности, которые нашли применение в самых разных областях человеческой деятельности. Важнейшим направлением этих исследований является обеспечение их комплексности, подразумевающей, в частности, разработку сложных технических систем, функционирующих одновременно в нескольких спектральных рабочих диапазонах; по меньшей мере один из таких диапазонов, как правило, является тепловым.

Научная и практическая значимость разработки техники и технологии исследований пространственного распределения радиационной температуры подстилающей поверхности с различных носителей определяется тем фактом, что тепловое поле этой поверхности отражает наличие, количество, категорию и энергетическое состояние находящихся на ней искусственных или естественных объектов, и данное обстоятельство успешно используется для решения целого ряда военных и гражданских задач: инфракрасной (ИК) разведки, исследования природных ресурсов, контроля состояния различных инженерных сооружений, особенно в энергетике, строительстве и трубопроводном транспорте, экологического контроля окружающей среды -земной поверхности, акваторий и атмосферы, - обеспечения поисково-спасательных работ и т.д. [1]. Одно из наиболее эффективных технических средств решения подобных задач - это тешювизионные приборы (ТВП) воздушного или наземного базирования, обеспечивающие визуализацию тепловых полей объектов местности, в том числе низкотемпературных, и являющиеся по существу единственными источниками получения информации об окружающем нас мире, содержащейся в пространственном распределении радиационной температуры объектов, определяемом, в свою очередь, вариациями их температуры и оптических характеристик в соответствующих диапазонах электромагнитного спектра.

Дистанционному зондированию - поиску, наблюдению и контролю -наземных объектов посредством ТВП присущи следующие основные достоинства: круглосуточность и практическая всепогодность, высокая достоверность, оперативность, мобильность, активность и производительность, широкий круг решаемых задач, возможность исследования как статических, так и динамических тепловых процессов, связанных с объектом контроля, возможность прогнозирования по результатам зондирования дальнейшего развития аномальных и аварийных ситуаций [1,2]. В современных ТВП широко используются разнообразные фотонные, или квантовые, а в последнее время и тепловые приемники излучения, являющиеся по сути основными компонентами этих приборов. Именно уровень совершенства и значения основных параметров фотоприемных устройств (ФПУ) определяют существующий сегодня принцип деления ТВП на соответствующие поколения [3,4].

Первое поколение ТВП (ТВП1), появившееся несколько десятилетий назад как ИК системы переднего обзора (Forward Looking Infrared - FLIR), использовало линейчатые ФПУ, требующие весьма глубокого охлаждения. Технология изготовления этих ТВП достаточно хорошо отработана, и они имеют сравнительно низкую стоимость при вполне приемлемом уровне технических характеристик. Поскольку число элементов ФПУ таких ТВП было сравнительно невелико (от одного до нескольких десятков), в ТВП1 использовалось сканирование поля зрения как по строке, так и по кадру, причем каждому элементу ФПУ соответствовал отдельный усилитель. Тепловизионное изображение при этом обычно формировалось с помощью светодиодной линейки непосредственно в глазу оператора через окулярную оптику.

ТВП второго поколения (ТВП2) отличаются от ТВП1 рядом особенностей. Первой особенностью является использование существенно более длинных приемных линеек, что позволяет ограничиться сканированием поля зрения прибора лишь в одном направлении - по строке, обеспечивая требуемое его значение по кадру за счет достаточно большого числа чувствительных элементов. Преимущества использования многорядного субматричного ФПУ, состоящего из нескольких таких линеек, достигаются в режиме временной задержки и накопления, который, в свою очередь, может быть реализован при наличии высоколинейного сканера. Применение субматричных ФПУ в данном режиме, как известно, обеспечивает повышение температурной чувствительности прибора, однородности соответствующего тепловизионного изображения, а также временной стабильности и надежности каналов ТВП благодаря многократному резервированию.

Еще одной характерной чертой ТВП2 является построение их по модульному принципу, в соответствии с которым сначала разрабатывается ряд согласованных друг с другом и взаимозаменяемых общих блоков (модулей) ТВП, таких, как объектив, модуль сканирования, модуль ФПУ с платами усиления и сопряжения, модуль электронной обработки и визуализации согласно телевизионному стандарту ГОСТ 7845-92, из которых затем и собирается, в зависимости от конкретных требований, тот или иной прибор [4]. ТВП2 характеризуются также довольно высоким уровнем автоматического регулирования и настройки отдельных компонентов и всего прибора в целом, что может быть обеспечено только за счет включения в состав ТВП специализированных цифровых процессоров, берущих на себя обработку того большого объема информации, который возникает при использовании многоэлементных ФПУ. В частности, такая обработка осуществляется при коррекции разброса чувствительности элементов ФПУ и динамичном управлении модулем сканирования и адаптивными внутренними калибровочными источниками излучения.

В этих приборах, как правило, используется общий для всех элементов ФПУ усилитель с широкой полосой пропускания и соответствующий мультиплексор (коммутатор) для обеспечения последовательной подачи на этот усилитель выходных сигналов данных элементов.

В ТВП последнего, третьего, поколения (ТВПЗ) - несканирующих, или «смотрящих», ТВП, - эволюция которых в результате успехов микроэлектроники и полупроводниковой технологии уже достигла в индустриально развитых странах стадии промышленного производства, оптико-механическая система сканирования отсутствует, поскольку число чувствительных элементов используемого матричного фотоприемника (МФП) настолько велико, что он перекрывает все поле зрения ТВП. Замена оптико-механического сканирования электронным устраняет искажения изображения, упрощает аппаратуру, снижает ее стоимость, массу, габариты, энергопотребление (благодаря отсутствию блока оптико-механического сканирования, а с тепловыми МФП - и блока охлаждения), повышает надежность и виброудароустойчивость. При этом за счет накопления сигналов в элементах МФП за время, близкое к периоду кадров, в несканирующих ТВП, в принципе, может быть получена чрезвычайно высокая температурная чувствительность, достигающая 10"3-10"2 К, что, обеспечивая эффективную работу ТВП, например, в неблагоприятных погодных условиях или при вскрытии (обнаружении или распознавании) слабоконтрастных или замаскированных объектов, по мнению авторов фундаментального исследования [5], «приближает тешговизионные изображения по информационной емкости к зрению человека и позволяет совершить качественный переход: от видения источников тепла к видению в тепловых лучах». Использование несканирующих ТВП дает возможность решать такие специфические задачи, как, например, автоматическая засечка коротких вспышек (для определения траектории полета объектов, вскрытия огневых позиций и др.) [6]. Внедрение в оптико-электронное приборостроение МФП считается в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений как при создании сложных систем с высокими техническими характеристиками, так и при разработке малогабаритных, недорогих ТВП с неохлаждаемыми тепловыми матрицами, пригодных для решения широкого круга задач в промышленности, военном деле, в медицине, на транспорте и в быту. При этом отметим, что именно с появлением МФП была реализована единственная оставшаяся возможность радикального уменьшения (улучшения) порога чувствительности аппаратуры, ибо все другие возможности для этого (повышение удельной обнаружительной способности ФПУ, относительного отверстия объектива, эффективности сканирования и т. д.) уже были исчерпаны.

При разработке несканирующих ТВП необходимо учитывать следующие основные факторы, которые и определяют специфику подхода к вопросам анализа и синтеза таких ТВП, по существу исключающую возможность непосредственного использования для этой цели хорошо известных, ставших уже классическими, методов [7]:

• существование феномена накопления сигналов в элементах МФП и связанная с этим возможность его функционирования в режиме ограничения фоном;

• наличие выборки сигналов в обоих направлениях, что вызывает необходимость соответствующей модификации традиционных параметров и характеристик ТВП и методов их измерения, обусловленной, в частности, возникновением псевдочастот, отсутствующих в спектре оригинального видеосигнала, и соответствующих артефактов изображения;

• появление на тепловизионном изображении пространственного, или геометрического, шума, связанного, в основном, с остаточным разбросом интегральной чувствительности элементов МФП и, следовательно, в отличие от временного, коррелированного в смежных кадрах ТВП;

• присутствие в информационном тракте ТВП дополнительных, искажающих видеосигнал компонентов, определяемых особенностями схем считывания накопленных сигналов (ПЗС-структур) и их усиления.

Следовательно, несканирующие ТВП обладают качественно новыми возможностями при поиске, наблюдении и контроле объектов местности, поэтому соответствующие научно обоснованные концептуальные, методологические и технико-эргономические решения, связанные с их разработкой и испытаниями, учитывающие специфику этих ТВП, безусловно, вносят весомый вклад в ускорение научно-технического прогресса и укрепление обороноспособности государства. Подробнейший обзор состояния, схем построения, конструкций и параметров ИК систем «смотрящего» типа и их элементной базы представлен в недавней работе [8] - по существу, первой отечественной монографии на эту тему. Однако немаловажную роль играют работы не только фактологического (хотя приводимые в таких работах сведения устаревают чрезвычайно быстро: так, за последние 7-8 лет значение пороговой чувствительности ТВП на неохлаждаемых тепловых матрицах улучшилось на порядок [8]), но и, особенно в долгосрочном плане, методологического характера, посвященные систематизации, обобщению и дальнейшему развитию методов прикладной теории анализа и синтеза современных ТВП, которые, не привязываясь к конкретным техническим параметрам, схемам построения и особенностям конструктивного и технологического исполнения ТВП и, следовательно, не завися от эволюции данных факторов, являлись бы своего рода «рабочим инструментом» в руках проектировщика при создании и прогнозе эффективности вновь разрабатываемых приборов. Именно подобное основное практическое значение выполненной работы и видится ее автору. 

При проектировании любой функциональной аппаратуры, в том числе несканирующих ТВП, как правило, возникает триединая проблема системного моделирования, оптимизации и аттестации этой аппаратуры, последовательно охватывающая все основные этапы ее создания (исключая конструкторско-технологическую проработку и изготовление). Под системным моделированием ТВП здесь понимается системно-структурный анализ внутренних взаимосвязей всех основных факторов, влияющих на важнейший критерий качества ТВП как целого - его эффективность, а именно: фоно-целевой обстановки (характеристик фона, энергетических, оптических и геометрических параметров, движения и времени существования объекта), основных технических параметров ТВП и его элементов (порога чувствительности, разрешающей способности, поля зрения, параметров МФП и пр.), характеристик атмосферы (ее прозрачности и турбулентности), условий применения ТВП (параметров движения носителя, угла визирования, времени и кинематики поиска) и наблюдения изображения (яркости, контрастности, зашумленности, видимого увеличения, ресурса времени), индивидуальных особенностей оператора (квалификации, степени мотивации).

Анализ состояния вопросов системного моделирования, оптимизации и аттестации несканирую щих ТВП выявил следующее:

• существующие методики расчетной оценки тепловых контрастов объектов местности, определяющих входные сигналы ТВП, недостаточно полны и не учитывают местоположения и условий наблюдения этих объектов; • имеющиеся методики приведения паспортных показателей пороговой чувствительности МФП к реальным условиям их применения не предусматривают возможности работы МФП в режиме ограничения фоном;

• не разработаны достаточно точные, пригодные для широкого диапазона условий применения, методики прогнозирования эффективности несканирующих ТВП в статическом режиме работы. Отсутствуют методики оценки их эффективности в динамическом режиме работы;

• не разработаны методики оценки эффективности многоспектральных видовых оптико-электронных систем (ОЭС), в том числе ТВП. Недостаточно обоснованы рекомендации по выбору их спектральных рабочих диапазонов;

• отсутствует методология оптимизации основных технических и конструктивных параметров несканирующих ТВП и параметров движения их носителей;

• известные методы аттестации несканирующих ТВП недостаточно представительны, точны и достоверны.

Обобщение этих и других противоречий, требующих разрешения, указывает на наличие актуальной научной проблемы, заключающейся в разработке концептуального, теоретического и методологического обеспечения системной оценки и оптимизации несканирующих ТВП, что позволило бы в максимально полной мере оценить и реализовать их потенциально высокие функциональные возможности. Тематика и содержание наших исследований, направленных на решение этой проблемы, соответствуют планам выполняемых ФГУП НПО «Государственный институт прикладной оптики» НИОКР, являющихся составной частью Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006гг.

В соответствии с изложенным, объектом настоящего исследования являются современные ТВП третьего поколения, использующие фотонные и тепловые МФП. Его предмет составляют насущные вопросы расчета, прогнозирования и повышения эффективности, а также испытаний этих ТВП. Цель работы заключается в разработке научно обоснованного комплекса методов системной расчетно-экспериментальной оценки и оптимизации несканирующих ТВП воздушного и наземного базирования, предназначенных для поиска, наблюдения и контроля искусственных и природных объектов местности. Постановка обозначенной цели определяет соответствующие задачи исследований: 1. Разработка инженерных методов прогнозирования тепловых контрастов объектов местности, наблюдаемых посредством ТВП, с учетом местоположения и условий визирования этих объектов. 2. Совершенствование процедуры пересчета различных паспортных показателей пороговой чувствительности МФП на реальные условия их применения в ТВП, в том числе для режима ограничения фоном.

3. Формирование иерархической системы описания ТВП, расширение области применения и уточнение существующих характеристических и операциональных математических моделей несканирующих ТВП для статического режима работы. Разработка операциональных моделей ТВП воздушного и наземного базирования для динамического режима работы.

4. Оценка эффективности комплексирования разноспектральных изображений, формируемых ОЭС, в частности ТВП, обоснование и формулирование практических рекомендаций по выбору их спектральных рабочих диапазонов.

5. Разработка методологии рационального выбора основных технических и конструктивных параметров несканирующих ТВП, а также параметров движения носителей этих ТВП.

6. Обоснование принципов и разработка методов повышения представительности, точности и достоверности результатов аттестации несканирующих ТВП в натурных и стендовых условиях .

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В основу выполненных исследований положен системный подход, при котором с единых методологических позиций, с учетом внутренних взаимосвязей, формирующих в итоге целостную теоретическую картину, рассмотрены основные аспекты прикладной теории анализа, синтеза, аттестации, оценки и повышения эффективности несканирующих ТВП. Фундаментом, исходной базой для исследований послужили главным образом результаты соответствующих экспериментальных и теоретических работ зарубежных авторов, опубликованные в основном в журнале Optical Engineering за последние 10-15 лет и позднее обобщенные и систематизированные в монографии Д. Холста [9], а также разработки отечественных специалистов. При выполнении работы на различных ее этапах использовались расчетно-аналитические и, отчасти, эмпирические методы исследований, в том числе математическое моделирование, вероятностные и статистические методы. Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена достоверностью, непротиворечивостью и достаточностью исходных положений, как правило апробированных или полученных экспериментально, логическим обоснованием и корректностью использованных математических моделей и приемов и их соответствием исследуемым явлениям и процессам, критическим и сопоставительным анализом этих результатов, их сходимостью с экспериментальными данными и возможностью предельного перехода к известным частным результатам, а также успешной реализацией при разработке ряда образцов современных ТВП.

Научная новизна работы заключается в решении новой научной проблемы - обосновании и разработке методологии системной оценки и оптимизации несканирующих ТВП за счет комплексного рассмотрения вопросов:

• формирования и прогнозирования входных сигналов ТВП - теплового контраста наземных объектов в спектральных рабочих диапазонах ТВП с учетом местоположения и условий наблюдения этих объектов;

• пересчета паспортных показателей пороговой чувствительности фотонных охлаждаемых и тепловых неохлаждаемых МФП на фактические условия их использования в ТВП, в том числе для режима ограничения фоном;

• создания иерархической системы описания ТВП, обоснования состава и расчета основных технических параметров и характеристик несканирующих ТВП;

• прогнозирования эффективности несканирующих ТВП в статическом и динамическом режимах работы при поиске, наблюдении и контроле объектов местности;

• оценки влияния на эффективность ТВП турбулентности атмосферы и использования поляризационного теплового контраста объектов;

• оценки эффективности комплексирования спектральных каналов видовых ОЭС и оптимального выбора спектральных рабочих диапазонов этих ОЭС, в том числе ТВП;

• оптимизации основных технических и конструктивных параметров несканирующих ТВП и параметров движения их носителей;

• совершенствования принципов и методов повышения представительности, достоверности и точности результатов аттестации несканирующих ТВП.

Новые научные результаты, полученные лично автором. Автором на базе комплексного, критического анализа состояния и перспектив развития методологии проектирования и испытаний ТВП поставлена и решена актуальная, вытекающая из нужд практики, проблема совершенствования теоретических основ современного тепловизионного приборостроения -существенно развиты имеющиеся и разработаны качественно новые методы системного моделирования, оптимизации и аттестации несканирующих ТВП:

1. Предложена инженерная методика оценки теплового контраста наземных объектов в спектральных рабочих диапазонах ТВП 3-5 и 8-14 мкм в зависимости от местоположения и условий наблюдения этих объектов.

2. Обоснованы процедуры пересчета пороговой чувствительности фотонных и тепловых МФП, определяемой их пороговой облученностью или разностью температур, эквивалентной шуму, полученных в нормированных условиях паспортизации, на реальные условия их применения в ТВП, в частности для режима ограничения фоном.

3. Впервые сформирована взаимоувязанная, замкнутая и внутренне непротиворечивая иерархическая система описания современных ТВП. Определен состав основных и дополнительных показателей эффективности, перечень основных технических параметров несканирующих ТВП, необходимый и достаточный (со стороны ТВП) для оценки их эффективности, и найдены предельно достижимые значения отмеченных параметров. Расширены области применения и значительно уточнены характеристические модели несканирующих ТВП, обеспечивающие расчет основных технических параметров и характеристик этих ТВП, и их операциональные модели для статического режима работы, дающие возможность оценки вероятности и дальности вскрытия - обнаружения или распознавания - объектов местности. Впервые установлены значения критериев Джонсона применительно к вскрытию объекта класса «ростовая фигура человека».

Впервые созданы операциональные модели ТВП для динамического режима работы - комплексные методики расчета их показателей эффективности - с учетом движения, ограниченного «времени жизни» и времени поиска объектов на местности и на изображении и стратегии этого поиска. Предложены упрощенные показатели эффективности ТВП воздушного и наземного базирования для динамического режима работы. Исследовано влияние на эффективность ТВП турбулентности атмосферы. Разработана методика расчета вероятности обнаружения объектов посредством ТВП, использующих их поляризационный тепловой контраст. 

4. Представлена методика оценки эффективности комплексирования (объединения) разноспектральных изображений, формируемых многоспектральными ОЭС. Предложен критерий и сформулированы рекомендации по рациональному выбору спектральных рабочих диапазонов этих ОЭС, в том числе ТВП.

5. Впервые разработаны принципы и методология аналитической оптимизации основных технических и конструктивных параметров несканирующих ТВП, обеспечивающей решение кардинальной задачи проектирования - достижения требуемых значений дальности вскрытия заданной совокупности объектов при минимальных массогабаритных, а значит, и стоимостных показателях этих ТВП. Определен критерий целесообразности использования в несканирующих ТВП микросканирования. Обоснованы оптимальные соотношения размеров кружка рассеяния объектива и элемента МФП. Даны рекомендации по рациональному выбору высоты и скорости носителя ТВП. 6. Предложена процедура приведения результатов экспериментальных оценок дальности действия ТВП к нормированным условиям с одновременным повышением достоверности полученных результатов и уточнены сами такие условия. Обоснованы способы повышения достоверности натурного и стендового - объективного и субъективного - контроля дальности действия ТВП и развиты простые и, вместе с тем, достаточно представительные и точные методы измерения температурно-частотной характеристики и эффективного значения элементарного поля зрения несканирующих ТВП.

На защиту выносится научно-методический аппарат аналитического и экспериментального оценивания и оптимизации несканирующих ТВП, включающий:

• инженерную методику расчетной оценки входных сигналов ТВП -теплового контраста наземных объектов в зависимости от их местоположения и условий наблюдения;

• методику приведения паспортных показателей пороговой чувствительности МФП на фактические условия их использования в ТВП;

• иерархическую систему описания, характеристические и операциональные математические модели несканирующих ТВП воздушного и наземного базирования в статическом и динамическом режимах работы при поиске, наблюдении и контроле объектов местности;

• методику оценки эффективности комплексирования изображений, формируемых многоспектральными ОЭС, и рационального выбора спектральных рабочих диапазонов этих ОЭС, в том числе ТВП;

• аналитическую методологию оптимизации основных технических и конструктивных параметров несканирующих ТВП и параметров движения их носителей;

• принципы и методы повышения представительности, достоверности и точности результатов аттестации несканирующих ТВП в натурных и стендовых условиях.

Теоретическая значимость. Полученные при выполнении данной работы новые научные результаты раскрывают роль и глубинные взаимосвязи множества различных факторов, воздействующих на основной показатель качества любого ТВП - его эффективность, и, выявляя закономерности изменения этих факторов в тех или иных ситуациях и соответствующие обменные соотношения в ТВП, прямо способствуют повышению уровня концептуального, теоретического и методологического обеспечения решения целого ряда задач, возникающих при разработке и испытаниях современных ТВП, стимулируя тем самым развитие научного фундамента тепловизионного приборостроения. Представленное на основе единого подхода изложение предмета, затрагивающее в той или иной степени все основные аспекты кардинальной проблемы анализа и синтеза этих ТВП, может послужить аналитическим базисом и для дальнейших исследований и расчетов в сфере прикладного тепловидения.

Практическая значимость и внедрение. Практическая значимость результатов, представленных в диссертации, определяется выраженной прикладной направленностью поставленных в ней задач и технически реализуемыми способами их решения и проявляется в создании научно обоснованной и апробированной на практике системы методов разработки и испытаний современных ТВП:

1. Усовершенствованные, а также вновь разработанные характеристические и операциональные модели несканирующих ТВП дают возможность значительного повышения точности прогнозирования показателей эффективности, в том числе дальности действия, несканирующих ТВП в широком диапазоне условий применения.

2. Предложенная методология оптимизации основных технических и конструктивных параметров несканирующих ТВП позволяет обеспечить максимально полную реализацию потенциально высоких функциональных возможностей этих ТВП при их минимальных массогабаритных, а значит, и стоимостных показателях.

3. Разработанные принципы и методы измерения и контроля дальности действия несканирующих ТВП повышают представительность, точность и достоверность результатов их аттестации.

4. Представленные научные результаты, связанные с развитием теоретических основ современного тепловизионного приборостроения, позволяют улучшить качество учебного процесса при подготовке студентов вузов по соответствующим приборостроительным специальностям.

5. Полученные в ходе исследований математические модели, процедуры и алгоритмы, а также широкий спектр графиков, таблиц, отдельных формул и численных результатов представляют практическую ценность как систематизированная база данных, способная обеспечить упорядочение, формализацию и автоматизацию этапов разработки и испытаний современных ТВП, а в перспективе - и решение многих новых задач в области прикладной теории тепловизионного приборостроения.

6. Предложенные подходы к анализу, синтезу и аттестации современных ТВП могут быть с успехом адаптированы к решению соответствующих задач, возникающих при проектировании и аттестации иконической аппаратуры и других видов - телевизионной и приборов ночного видения.

Полученные в диссертации результаты, в полном объеме отраженные в наших монографиях [1,7,10,11], знакомых широкому кругу специалистов профильных предприятий и вузов страны, внедрены и используются для рационального проектирования, аттестации и прогнозирования эффективности современных ТВП различного класса и назначения. В частности, они внедрены на ФГУП НПО «Государственный институт прикладной оптики», в ЗАО НПФ «Оптоойл», а также использованы в Государственном научно-исследовательском и испытательном институте проблем технической защиты информации (г.Воронеж). Ряд вопросов, рассмотренных в диссертации, излагается в лекционном курсе «Проектирование ИК систем», читаемом автором в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева.

Структура диссертации. Диссертация состоит из предисловия, введения, шести разделов, заключения и библиографического списка. При этом в разделах 1-4 рассмотрены вопросы системного моделирования несканирующих ТВП, в разделах 5 и 6 - их оптимизации и аттестации соответственно.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы объект, предмет, цель, задачи и новые научные результаты, полученные лично автором, их теоретическая и практическая значимость, защищаемые положения.

Неотъемлемой составной частью системной модели любого ТВП являются методы определения его входных сигналов. Поэтому в первом разделе диссертации описана разработанная автором инженерная методика оценки разности радиационных температур объекта и фона в спектральных рабочих диапазонах ТВП в различных условиях наблюдения, а также развиты методы расчета температурных полей плоских стенок конструкций типовых объектов в стационарном и нестационарном режимах теплообмена с окружающей средой.

Во втором разделе работы представлена систематизация результатов анализа особенностей и перспектив развития основного компонента несканирующих ТВП, заслуживающего отдельного рассмотрения, - матричных фотоприемников. Там же изложена разработанная автором процедура пересчета различных технических параметров МФП, характеризующих их пороговую чувствительность (пороговую облученность, разность температур, эквивалентную шуму), с условий паспортизации, описываемых определенными значениями температуры фона, относительного отверстия охлаждаемой диафрагмы или облученности площадки МФП от фона, а также времени накопления зарядов, на реальные условия применения в ТВП данных МФП с учетом возможности их функционирования в режиме ограничения фоном.

Наиболее обширный, третий, раздел диссертации посвящен системному анализу собственно ТВП - дальнейшему совершенствованию существующих и разработке новых характеристических и операциональных моделей ТВП воздушного и наземного базирования в статическом и динамическом режимах работы при решении задач поиска, наблюдения и контроля объектов местности. Введены основные и дополнительные показатели эффективности и обоснован перечень основных технических параметров этих ТВП, необходимый и достаточный для оценки возможностей ТВП, определена соответствующая иерархическая система их описания от наивысшего уровня - показателей полезности - до наиболее низкого - основных технических параметров ТВП. Рассмотрены вопросы визуального дешифрирования тепловизионных изображений, систематизированы объективные и субъективные, интегральные и частные критерии их качества. Усовершенствованы методики расчета разностей температур, эквивалентных временному и пространственному (геометрическому) шуму, учитывающие, в частности, возможность работы МФП в режиме ограничения фоном и разброс обнаружительной способности его элементов, и эффективного значения элементарного поля зрения, зависящего от всего информационного тракта ТВП; установлены предельно достижимые значения этих параметров. С использованием уточненной модели пространственно-временных интегрирующих свойств глаза оператора при наблюдении тепловизионных изображений и с учетом отмеченных выше специфических особенностей несканирующих ТВП развиты методики оценки их основных технических характеристик - температурно-частотной и температурно-пространственной - для различных условий наблюдения. На основе этих характеристик значительно усовершенствованы методики прогнозирования эффективности несканирующих ТВП при обнаружении (на однородном фоне), выделении (обнаружении на неоднородном фоне), классификации и идентификации объектов, в том числе ростовой фигуры человека, для чего были установлены соответствующие этому классу объектов критерии Джонсона. Разработаны детальные методики оценки эффективности ТВП воздушного и наземного базирования в динамическом режиме работы - с учетом поиска за ограниченное время движущихся объектов местности с фиксированным или подчиненным экспоненциальному (показательному) закону распределения временем существования и кинематики этого поиска -регулярного или случайного. Предложены упрощенные показатели эффективности ТВП в этом режиме. В том же разделе рассмотрено влияние на эффективность ТВП прозрачности и турбулентности атмосферы на произвольно ориентированных трассах и реализации дополнительного демаскирующего признака - поляризационного теплового контраста объектов, в частности нефтяных загрязнений акваторий, и разработана методика оценки вероятности обнаружения объектов по этому контрасту. 

В четвертом разделе проанализированы сравнительные информационные возможности и эффективность гиперспектральных и многоспектральных ОЭС при решении ими ряда характерных задач наблюдения, методы совместной обработки (синтезирования) разноспектральных изображений и результативность этих методов. Предложен критерий и даны практические рекомендации по рациональному выбору спектральных рабочих диапазонов ОЭС, обсуждены сравнительные достоинства и недостатки использования в ТВП диапазонов спектра 3-5 и 8-14 мкм.

Пятый раздел работы содержит описание оригинальной аналитической методологии оптимального выбора основных технических и конструктивных параметров несканирующих ТВП, обеспечивающего требуемый уровень их эффективности при обнаружении и распознавании любого заданного набора различных объектов, в том числе в динамическом режиме работы ТВП, и, вместе с тем, их минимальные массогабаритные и стоимостные показатели с учетом существующих принципиальных и технических ограничений, в частности, на относительное отверстие объектива. В разделе также обоснован критерий целесообразности применения в несканирующих ТВП микросканирования и рассчитаны соответствующие критические значения отношения сигнал/шум для различных коэффициентов заполнения МФП, установлены оптимальные соотношения размеров кружка рассеяния объектива и элемента МФП в различных ситуациях, описана методика оптимизации высоты и скорости движения носителей ТВП воздушного базирования, использующих автоматизированное дешифрирование изображений.

Последний, шестой, раздел охватывает вопросы совершенствования принципов и общих методов аттестации несканирующих ТВП в натурных и стендовых условиях. В разделе, в частности, представлена методика пересчета экспериментальных оценок дальности действия ТВП, полученных в реальной метеосиноптической ситуации, на нормированные условия, характеризуемые определенными значениями теплового контраста объектов, температуры и влажности воздуха и метеорологической дальности видимости, с одновременным повышением достоверности полученных оценок. Для спектральных рабочих диапазонов 3-5 и 8-14 мкм обоснованы нормированные значения теплового контраста объектов транспортной техники и ростовой фигуры человека. Предложены способы повышения достоверности прямого (натурного) и косвенного (стендового) контроля дальности действия ТВП, обоснована целесообразность перехода от аттестации ТВП по показателям эффективности к аттестации по их основным техническим параметрам, развит ряд методов измерения этих параметров применительно к несканирующим ТВП, обсуждены возможные составы их приемо-сдаточных параметров.

В заключении подытожены основные результаты работы и перспективы их дальнейшего использования в тепловизионном приборостроении.

Ниже систематизированы обобщенные результаты работы и представлена схема обеспечения их обоснованности и достоверности. 

Методы оценки температурных контрастов объектов

В отличие от разности коэффициентов излучения объекта и фона Дє, которая зависит в основном от материала (типа) излучателей, разность температур объекта и фона AT, также определяющая согласно (1.2) тепловой контраст объекта, является весьма изменчивой величиной, ибо она связана как с метеорологическими, актинометрическими и термометрическими характеристиками окружающей среды, так и с теплофизическими характеристиками самого объекта.

Математическое описание тепловых полей реальных объектов чрезвычайно сложно, и существует ряд приемов, позволяющих значительно упростить практическую оценку величины AT. Наиболее успешным методом анализа этих температурных полей является моделирование, которое, как известно (Лагун В.В. и Березин СМ.), заключается в следующем: создание упрощенной схемы замещения, отражающей геометрическую форму и топологическую структуру реального объекта; определение границ температурных фрагментов (зон) схемы замещения, имеющих практически постоянные (по площади) значения температур; создание математической модели теплового режима выделенных зон; расчет значений AT для каждой из этих зон как функций времени. Схема замещения объектов обычно описывается набором разноориентированных элементов простейшей формы, обычно плоских пластин.

При формировании математической модели теплообмена такой пластины с окружающей средой принимаются следующие общие допущения: пластина считается неограниченной, а толщина ее постоянной, что дает возможность рассматривать лишь одномерные температурные поля; теплофизические параметры пластины постоянны и равны средним значениям в рабочем интервале температур; внутренние источники тепла отсутствуют; в начальный момент времени температура пластины по всей ее толщине одинакова.

Значения температуры плоских элементов схемы замещения, в принципе, могут быть рассчитаны на основе дифференциальных уравнений теплообмена с учетом влияния внешней среды, теплового состояния объекта и теплофизических характеристик элементов. Из всего многообразия тепловых состояний объектов можно выделить два наиболее характерных тепловых режима: определяющийся состоянием окружающей среды (пассивный объект); обусловленный внутренними источниками тепла (активный объект). Структура теплового поля пассивного объекта может содержать две характерные зоны: включающие плоские элементы схемы замещения с относительно небольшой толщиной и, соответственно, малой тепловой инерцией (постоянная времени т 0,5 ч); охватывающие массивные плоские элементы схемы замещения с большой тепловой инерцией (т 0,5 ч).

Для оценки значений температур наружной поверхности пассивных объектов известны методики (например, [17,44,287]), которые для тонкостенных плоских элементов с пренебрежимо малой инерционностью принимают особенно простой вид.

Изложим одну из таких методик [1,10].

Рассмотрим случай стационарного теплообмена, который имеет место при достаточно длительном времени существования заданного теплового режима. Соответствующие уравнения теплового баланса для наружной и внутренней поверхностей плоской пластины, имитирующей, например, корпус объекта, при этом имеют вид [21,22]: = au2(T2c2)+ak2(T2B2)-AsE2 ; -«ulfciO+aHfo,-!!) ; (1.23) R = h/Jt , где Ть Тг - значения температур внутренней и наружной поверхностей пластины, К; aki ak2 коэффициент теплоотдачи конвекцией с внутренней и наружной поверхностей, Вт/м2К; aui au2 коэффициенты теплоотдачи излучением с внутренней и наружной поверхности, Вт/м К; Тві Тв2 - значения температуры воздуха, омывающего внутреннюю и наружную поверхности пластины, К; Тсь Тс2 - значения температур окружающей среды - противоизлучателей, противостоящих внутренней и наружной поверхностям пластины, К; E2 - энергетическая освещенность наружной поверхности пластины от Солнца, Вт/м ; As - коэффициент поглощения пластиной солнечного излучения; R - тепловое сопротивление пластины, м К/Вт; h - толщина пластины, м; Я - теплопроводность пластины, Вт/м-К. Введем обозначения: 4 =aki+aui;a2 =ak2 + &; X - aui ci + akiTBi. j _ avQ.Tc2 +ak2TB2 + ASE (124) a, a2 где Tcl, Tc2 - эффективная температура окружающей среды с внутренней и наружной стороны пластины, К. При этом система уравнений (1.23) перепишется в виде: &rJL)=a2(T2.T;2)=a,(T«_Tl). (,.25) Ее решение дает следующие значения Т] и Т2: Т; = ; j =1,2 . (1.26) J (Xi + a2 + сца2ІІ

В частности, для очень толстой (R—»оо )или теплоизолированной с внутренней стороны пластины (а} - 0),или же имеющей с окружающей средой достаточно хороший тепловой контакт (сс2—»оо )имеем Т2 = Тс2. Разность температур внешней поверхности объекта-пластины с температурой Тоб = Т2 и окружающего фона с температурой Т равна АТ = Тоб-Т = [ aul(Tel ) + aKl(Tel) + (l + aiR). «»2fc -Т)+ак2(Тв2 -Т) J+ l + a ) j j [ а, +а2 +axa2R.

Для практического использования формулы (1.27) необходимо определить входящие в нее параметры. Далее будем иметь в виду две характерные ориентации пластины - горизонтальную и вертикальную.

Оценим значения температур ТсЬ Тс2. Противоизлучателем для внутренней поверхности пластины обычно являются стенки корпуса объекта с соответствующим значением температуры Тс]. Температура Тс2 излучателей, противостоящих наружной стороне пластины, в случае ее горизонтального положения совпадает с эффективной температурой небосвода Т„, а при вертикальной ориентации пластины она близка к температуре, средней между Т„ и Т.

Основные параметры и характеристики матричных фотоприемников

Одной из основных задач совершенствования МФП является дальнейшее снижение разности температур, эквивалентной шуму. В то время как существующие сегодня МФП обеспечивают значение АТ0 = 0,02-0,03 К при є = 1:2, для перспективных МФП эта величина, в принципе, может достичь значения 0,001 К [32].

Важнейшими параметрами МФП являются размер элементов в матрице и их число.

По мнению разработчиков, размеры отдельных элементов МФП в ближайшем будущем не будут заметно уменьшены, поскольку уже сейчас они меньше размера дифракционного кружка рассеяния объектива, составляющего (для є = 1:2 и 1 = 4 мкм) 20 мкм. С учетом возможности избыточной дискретизации, размеры элементов МФП могут достигать 10-12 мкм [8].

Разрабатываемые в настоящее время конструкции оптических систем с разрешением, близким к дифракционному, и большим относительным отверстием (є = 1:1) позволяют предполагать возможность создания МФП с уплотненной пространственной выборкой (до 4 выборок на элемент).

Общие размеры уже существующих МФП приближаются к 5x5 см2 с числом элементов 4-Ю6. В ближайшее время ожидается увеличение размеров матриц на КРТ и InSb до 25-30 см в диаметре. Соответственно увеличится и число чувствительных элементов. Если в настоящее время уже разработаны матрицы формата 2048x2048 с размером элементов 18x18 мкм, то к 2010 году ожидается появление МФП форматом 104х104 элементов [32].

Наименьший размер элементов многоспектральных МФП пока составляет не менее 40 мкм; в перспективе ожидается его снижение до 18 мкм [8].

Кроме дальнейшего увеличения числа элементов свыше 106, очевидны несколько тенденций развития МФП [30]: обеспечение работы при более высоких температурах; обеспечение большей чувствительности; обеспечение работы в многоспектральном режиме; реализация на кристалле (в чипе) большего числа функций.

Особенно быстрыми темпами совершенствуются тепловые МФП, и улучшение показателей качества ТВП с такими МФП будет весьма заметным уже в ближайшие годы. Для ТВП с относительным отверстием є = 1:1 уже сегодня достигнуто значение разности температур, эквивалентной шуму, порядка 0,01 К и менее, хотя еще 7-8 лет назад эта величина составляла 0,1 К [8,33]. Для лучших образцов МФП реализован размер элемента, равный 20 мкм, а их общее число достигло 1024x1024.

По мере продвижения на рынок неохлаждаемых МФП заметно снижается их цена. Даже во многих областях военного применения МФП без охлаждения начинают теснить более качественные МФП с охлаждением, например в много- и гиперспектральных системах. Изготовление матриц тепловых МФП с очень большим числом элементов («мегапиксельные» матрицы) еще более улучшит их параметры. Ожидается, что в ближайшее десятилетие парк зарубежных ТВП военного назначения на 2/3 будет базироваться на неохлаждаемых тепловых МФП различного формата и стоимости [33].

Четко выраженной тенденцией является создание и развитие МФП по аналогии с интегральными схемами, в которых конструктивно объединены приемник излучения и система первичной обработки сигналов, в частности схема считывания электрических сигналов, образующихся на выходе элементов МФП. Аналого-цифровое считывание позволяет использовать известные преимущества цифровой обработки электрических сигналов, в частности применять отработанные алгоритмы автоматического распознавания, фильтрацию псевдочастот, возникающих в результате выборки, и т. д. [8]. Неоднородность чувствительности элементов матриц, в принципе, может быть снижена до уровня относительного СКО не более 10 4, что нередко позволяет пренебречь пространственным шумом ТВП [23].

Повышение рабочей температуры (температуры охлаждения) МФП даст возможность использовать термоэлектрические холодильники для достижения необходимых уровней обнаружительной способности МФП и выравнивания температуры тепловых приемников, работающих без охлаждения, т. е. заметно снизить массу, габариты, энергопотребление и стоимость ТВП.

Улучшение динамических характеристик и параметров МФП, в частности повышение частоты кадров, позволит обеспечить качественное обнаружение и распознавание движущихся объектов, работу в условиях быстро меняющихся пестрых фонов и других сложных помех. В этом случае важно дальнейшее совершенствование схем накопления и считывания сигналов с отдельных элементов МФП [8].

Широкие возможности открывает использование несканирующих ТВП с двухспектральными («двуцветными») МФП, чувствительными одновременно в диапазонах спектра 3-5 и 8-14 мкм.

Двухспектральные МФП обычно изготовляют на основе фотодиодов КРТ в виде двухслойной матрицы; при этом ИК излучение проходит через прозрачную подложку и падает на средневолновый детектор (3-5 мкм), а длинноволновое излучение (обычно 6-10 мкм) проходит в следующий детектор, расположенный под первым. Параметры двухспектральных фотодиодов в средней и длинноволновой областях спектра сравнимы с параметрами односпекгральных. Использование МФП на квантовых ямах (GaAs) позволяет реализовать многоспектральное детектирование (3-4 диапазона).

Совершенствование оптических систем ТВП идет по традиционным направлениям [8]: разработка новых оптических материалов для широкого диапазона спектра, обладающих лучшими характеристиками, более дешевых и технологических, чем современные; создание новых оптических схем, миниатюризация, применение асферических поверхностей для улучшения качества изображения; создание адаптивных оптических систем.

В современной тепловизионной технике широко используется компьютеризация, открывающая возможность различной обработки и анализа тешговизионных изображений. В частности, это позволяет [41]: получать распределение температуры в течение выбранного времени и температурные профили объектов с расчетом статистических характеристик; выделять и детально описывать отдельные фрагменты изображений в различном масштабе; реализовать различные методы цифровой обработки, коррекции и представления изображений.

Основные технические параметры и характеристики тепловизионных приборов

Таким образом, условия определения показателей эффективности ТВП, зависящих не только от него самого, но и от решаемой задачи, параметров объектов и условий их наблюдения, сформулированы возможно более общо, чтобы соответствующие понятия сохраняли свой смысл для любой реальной ситуации, а условия определения основных технических параметров ТВП, напротив, изложены нами максимально конкретно (в отличие от ГОСТ 27675-88) для получения сопоставимых значений этих параметров.

Следует иметь в виду, что при сравнении и выборе аппаратуры, работающей в различных диапазонах спектра АЛ, образец ТВП, имеющий более высокие значения основных технических параметров, не обязательно обладает и большей эффективностью, ибо эта последняя зависит не только от самой аппаратуры, но и от значений тепловых контрастов объекта наблюдения и коэффициентов пропускания атмосферы, которые в сравниваемых АЛ могут быть существенно различны. Более того, аналогичная ситуация может иметь место и для образцов ТВП, функционирующих в одном и том же спектральном рабочем диапазоне АЛ, если эти образцы используют ФПУ с резко различным видом относительной спектральной чувствительности (например, InSb и PtSi), а объект наблюдения имеет в этом АЛ спектральную плотность энергетической светимости, значительно отличающуюся от таковой для чёрного тела с температурой Т0 = 295 К, по отношению к которому определяется порог чувствительности аппаратуры.

Кроме основных технических параметров, любая аппаратура характеризуется дополнительными техническими, общетехническими и эксплуатационными параметрами (видимое увеличение, относительное отверстие, вес, габариты, наработка на отказ, энергопотребление и т.д.), многие из которых также могут нормироваться.

Следует отметить, что иногда разработчиками в состав основных технических параметров тепловизионной аппаратуры вводится такой показатель эффективности, как рабочее угловое разрешение, которое не удовлетворяет всем сформулированным выше требованиям к основным техническим параметрам и, следовательно, таковым не является. (Действительно, величина А(р0 субъективна, зависит от выбранного теплового контраста миры и условий наблюдения её изображения, а её оценке сопутствуют значительные погрешности (см. п. 6.2). Кроме того, для низкочувствительной аппаратуры она может вообще не существовать, если никакая мира с наперед заданным тепловым контрастом этой аппаратуры не разрешается). При этом знание одного-единственного значения рабочего углового разрешения для нормированного теплового контраста миры не позволяет при неизвестных значениях АТ0 и 8 восстановить ТЧХ прибора и, следовательно, принципиально не даёт возможности оценки эффективности аппаратуры по отношению к объекту с тепловым контрастом, отличным от нормированного.

Также необходимо подчеркнуть, что обычно достаточно контролировать лишь параметры (но не характеристики) аппаратуры, ибо форма этих характеристик, например температурно-частотнои, в относительных единицах практически одна и та же для любого образца аппаратуры, и они могут быть легко восстановлены по значениям нескольких основных технических параметров того или иного её образца. Это обстоятельство нередко избавляет от необходимости проведения достаточно трудоёмких экспериментальных измерений, в частности, ТЧХ и ФГТМ аппаратуры [1].

Основными величинами, определяющими функциональные возможности ТВП, являются результирующая разность температур, эквивалентная шуму (результирующий порог чувствительности) ATz, результирующее значение элементарного поля зрения 8 и поле зрения 2/Зс х 2Д.

Определим, прежде всего, значения АТ% и 8% и свяжем их с введенными ранее основными техническими параметрами ТВП ЛТвро, ЛТпр0 и 8, а затем изложим методику расчета этих параметров.

Для полного описания пространственно-временного шума, имеющего место в ТВП, за рубежом была разработана соответствующая трехмерная модель [9,76] (ее упрощенный вариант представлен в работе [247]). Согласно этой модели, трехмерный (по двум пространственным - по строке и кадру - и одной временной координате) шум МФП состоит из следующих компонентов с соответствующими СКО: пространственно-временной шум элементов ((7вск); пространственный (фиксированный во времени) шум элементов (пятнистость)(сгск); пространственно-временной шум столбцов («дождь») (авс); пространственно-временной шум строк («хвосты») (авк); пространственный шум столбцов (вертикальные линии) (ас); пространственный шум строк (горизонтальные линии) (сгк); временной шум матрицы (мерцание кадров) (ав). Считая, что все компоненты шума независимы, СКО результирующего шума составляет: "Е = ЛІ вск + Свс + вк + СТ +&Ї + 1

Это СКО и определяет результирующий порог чувствительности ТВП. При этом значение авск может быть рассчитано теоретически, а для оценки СКО соответствующие необходимы остальных компонентов шума экспериментальные измерения.

Следует отметить, что не все отмеченные компоненты шума МФП одинаково существенны, и, как показал анализ современных ТВП, значения отношения СКО каждого из этих компонентов шума к СКО основного компонента, авск, в типовых случаях таковы (табл. 7) [9,76]. Таблица 7. Типовые относительные значения СКО компонентов шума современных ТВП

Методы совместной обработки разноспектрапьных изображений

Возрастание значений с, gK с уменьшением значений хв отражает то обстоятельство, что при хв 1 соответствующая часть площади объекта не отображается на тепловизионном изображении, а это приводит к потере в изображении отдельных деталей объекта, снижающей вероятность его вскрытия.

Необходимо отметить, что, как с очевидностью следует из анализа формул (3.92) - (3.97), значительное повышение видимого увеличения ТВП сверх предела (3.95), рекомендуемое некоторыми авторами с целью достижения возможно меньших значений обнаруживаемой и разрешаемой разности температур, а следовательно, и лучшего углового разрешения, приводит к прогрессивному росту коэффициентов %с, Е,к (поскольку значение ргл в (3.94) снижается) и, в итоге, не к улучшению, а ухудшению дешифрируемости тепловизионного изображения (вследствие повышения заметности . его дискретной структуры); этот парадокс дополнительно свидетельствует об уже отмеченной в [71] недостаточной математической строгости теории визуального дешифрирования изображений, основанной на сугубо эмпирической концепции эквивалентных мир. Поэтому на практике угловой размер элемента изображения целесообразно выбирать близким к среднему, установленному экспериментально оптимальному значению 0,5-1 мрад [47]. Данное требование справедливо и для обычных, сканирующих ТВП, использующих выборку по кадру.

Далее, анализ формул (3.53), (3.85), (3.88) показывает, что результирующее значение элементарного поля зрения ТВП % (а значит, и вероятность вскрытия им объектов) весьма слабо зависит от соотношения диаметра кружка рассеяния объектива и стороны элемента МФП: при увеличении отношения аоб = % / % с 1,5 до 2,5 значение % при хв = 0,5 и фиксированном 80 увеличивается всего на 5 %. Это объясняется тем, что с увеличением кружка рассеяния объектива спектр сигнала от точечного объекта сужается и доля псевдочастот в спектре его изображения падает, а это приводит к компенсирующему уменьшению коэффициентов , gK, которое визуально проявляется в снижении заметности артефактов, в частности дискретной структуры изображения. Указанное обстоятельство существенно расширяет диапазон возможных значений относительного отверстия є объектива ТВП.

Поле зрения 2Д х 2Д несканирующего ТВП полностью определяется форматом МФП и составляет: 2Ав5&Ав. = Л. 2Дв4Ч=и, (3.98) / «с / к где Аас х Аак - шаг элементов по строке и по кадру, см; /- фокусное расстояние объектива, см.

Температурно-частотная характеристика ТВП

Важнейшей характеристикой любого ТВП является температурно-частотная характеристика (ТЧХ) -зависимость минимальной разрешаемой с определенной вероятностью Рраз (обычно 0,5) разности температур ЛТраз от угловой частоты v стандартной тепловой миры с соотношением сторон полос 7:1.

Для получения уточненного расчетного выражения для ТЧХ в произвольном направлении в относительных единицах, учитывающего не идеализированные, а реальные интегрирующие свойства зрительного анализатора и пригодного для описания как сканирующих, так и несканирующих ТВП, воспользуемся в качестве базового широко известным выражением, имеющимся, например, в [9] (модель ТВП FLIR- 92), которое в наших обозначениях имеет вид (в направлении строки): A /fla ; В = Щ = 0,75, (3.99) r = iTziF x0 = vS0; S0 = aif; a = «Jacak ;ЭЭ = ЗЄсЗЄ , где AT— эффективная разность температур, эквивалентная шуму, К; S0 - номинальное значение элементарного поля зрения, рад; v- угловая частота, рад"1; а — размер чувствительного элемента, см; F & l/tu — частота кадров, Гц; Ты - постоянная времени глаза, с; 132 /— фокусное расстояние объектива, см; та - коэффициент пропускания атмосферы на дистанции D до миры в спектральном рабочем диапазоне АЛ; Kz(xo) результирующая функция передачи модуляции ТВП; m - отношение сигнал/шум, требуемое для обеспечения заданной вероятности разрешения миры Рраз, равной вероятности обнаружения ее полосы [47]: рРаэ= [ 1 + Ф(т-ге0) (3.100) Ф(х) - интеграл вероятности; дЄ0 — относительный порог обнаружения, соответствующий субъективно оптимальному уровню видности шума на изображении и равный в среднем [47] 3So 3,2; &0 - поправочный коэффициент, учитывающий тот факт, что, в отличие от сканирующих ТВШ, в современных ТВП основные компоненты шума (фотонный и температурный шум, а также тепловой шум элемента фотонного МФП), определяющие его порог чувствительности, существуют в шумовой полосе пропускания не эталонного фильтра, равной [47] А/ = л/4т, где г -время считывания (аналог времени опроса t0), а интегратора, составляющей [9,28] Afu = l/2tu; это дает 30 = ,/я/2 = 1,25 (для ТВШ 30 = 1). Для нахождения эффективной ТЧХ прибора ЬТраз = f(y/) для произвольного направления (ему отвечает угловая частота у/), которая и определяет возможности ТВП, следует построить на одном и том же графике полученные согласно (3.105) и (3.106) зависимости isTpa3 = fiy) и АТраз = /(//). Тогда для любого значения АТраз можно получить соответствующее ему значение новой угловой частоты ц/ = Jv/u , где v, ju- значения угловой частоты, отвечающие данной величине АТраз. Полученную эффективную ТЧХ также можно представить в относительных единицах:

Похожие диссертации на Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов