CC BY
656
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ.
ЧАСТЬ 1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ
Василий Михайлович Тымкул
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры «Наносистемы и оптотехника», тел. 8 (383)352-11-59, e-mail: [email protected]
Любовь Васильевна Тымкул
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры «Наносистемы и оптотехника», тел. 8 (383)352-11-59, e-mail: [email protected]
Юрий Александрович Фесько
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры «Наносистемы и оптотехника», тел. 8-913-752 92-38, e-mail: [email protected]
Алексей Николаевич Поликанин
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», 6300108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры «Наносистемы и оптотехника», тел. 8-913-397-63-51, e-mail: [email protected]
В статье рассматривается обоснование методики и результаты расчета дальности действия тепловизионных систем при обнаружении, классификации, распознавании и идентификации объектов. Методика основана на установлении функциональной связи искомых величин с пороговой температурной чувствительностью и температурно-частотной характеристикой тепловизоров при наблюдении объектов на однородном и неоднородном поле теплового излучения.
Ключевые слова: дальность действия тепловизора, обнаружение, классификация, распознавание, идентификация объектов.
ENERGY CALCULATIONS IR SYSTEMS. PART 1. CALCULATION OF THE RANGE
Vasily M. Tymkul
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, PhD, professor, department of «Nanosystems and optical engineering», tel. 8(383)352-11-59, e-mail: fantasy [email protected]
Lyubov V. Tymkul
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, PhD, professor, department of «Nanosystems and optical engineering», tel. 8(383)352-11-59, e-mail: fantasy [email protected]
Yuri A. Fesko
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, PhD-student, department of «Nanosystems and optical engineering», tel. 8-913-752-92-38, e-mail: [email protected] Alexey N. Polikanin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russian Federation, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, senior lecturer, department of «Nanosystems and optical engineering», тел. 8-913-397-63-51, e-mail: [email protected]
In the article the study methodology and results of the calculation range action of the thermal imaging systems for detection, classification, recognition and identification of objects. The technique is based on the establishment of a functional link with the required quantities of the threshold temperature sensitivity and temperature-frequency response of thermal imagers for observing objects in a uniform and non-uniform thermal radiation field.
Key words: range imager, detection, classification, recognition, identification of objects.
В настоящее время наиболее широкое развитие получили такие оптикоэлектронные приборы и системы как тепловизоры. Они в достаточной мере используются в науке, технике, строительстве, теплоэнергетике, медицине и оборонных системах и комплексах. В монографиях М.М. Мирошникова [1] и Дж. Ллойда[2] обобщены теоретические основы и методы расчета основного функционального параметра тепловизионных систем, представляющего собой «разность температур, эквивалентной шуму» АТпор. Этот параметр является пороговой температурной чувствительностью тепловизора и функционально связан с основными параметрами оптической системы тепловизора, приемника оптического излучения (ПОИ), наблюдаемого объекта, слоя атмосферы между объектом и прибором, электронного тракта обработки информации и видеоконтрольного устройства. Кроме того следует отметить, что Дж. Ллойд параметр АТпор назвал одним из обобщенных критериев проектирования и синтеза систем тепловидения.
В работе [3], на основании материалов работ [1, 2], нами представлена методика расчета пороговой чувствительности тепловизионных систем А7^н)пор при работе по неоднородному полю теплового излучения и рассмотрена модель космического тепловизионного эксперимента. Обобщая материалы по методам расчета разности температур, эквивалентной шуму АТпор и А^н)пор, а также температурного разрешения АТраз, нами в работе [4] рассмотрена аналитическая модель температурно-частотной характеристики тепловизоров, работающих как по однородному, так и неоднородному объектно-фоновому полю теплового излучения. Целесообразно отметить, что в работе [5] рассмотрены методика и результаты анализа температурной чувствительности современных тепловизоров «смотрящего» типа на основе матричных приемников излучения,а в работе [6] приведены данные исследований перспективных оптико-электронных систем обработки сигналов в таких тепловизорах. Кроме того, немаловажными факторами развития тепловидения являются использование теории и методов поляризации собственного теплового излучения объектов в исследовании новых поляризационных тепловизионных систем,позволяющих определять и визуализировать трехмерную форму наблюдаемых объектов [7-9].
Анализ литературы по методам расчета функциональных параметров и характеристик тепловизоров показал, что основное внимание разработчиков и специалистов-системщиков по теории и практике тепловизионных систем было обращено на улучшение (минимизацию) значений АТпор и А Траз как основных функциональных параметров таких систем наблюдения, а также методам
оптимизации и повышения их эффективности [10, 11], а вопросам расчета и оценки дальности действия тепловизоров практически уделялось недостаточно внимания. Этим, по-видимому, объясняется тот факт, что в литературе выявлены небольшое число публикаций [12-14, 16] в которых рассматриваются вопросы расчета и оценки дальности действия тепловизионных систем. Интерес к вопросам расчета и анализа дальности действия тепловизоров возрос после издания монографии академика РАН А.Г. Шипунова и д.т.н. Е.Н. Семашкина [17]. При этом, тем не менее, уместно отметить фундаментальный характер, комплексный и системный подход унифицированной методики расчета дальности действия тепловизионных приборов, разработанной в ФНПЦ НПО «ГИПО» и представленной в работе [2] и монографии [16].
Целью настоящей работы является обоснование и изложение методики расчета дальности действия тепловизионных систем при обнаружении, классификации, распознавании и идентификации объектов с позиции взаимосвязи с параметрами ЛГпор, ЛТ-н)пор и ЛГраз как основных функциональных параметров этих систем. Кроме того, будут сформулированы и выявлены закономерности функциональных зависимостей искомых дальностей обнаружения, классификации, распознавания и идентификации объектов от ряда параметров как оптической системы тепловизора (например, мгновенного поля зрения, диафраг-менного числа объектива и заднего фокусного расстояния), так и параметров и характеристик фотоприемного устройства, электронной схемы обработки сигналов, видеоконтрольного устройства и поля температур объектно-фоновой обстановки. Следует отметить, что формирование отмеченных функциональных зависимостей особенно актуально для инженерно-технических работников, занимающихся вопросами расчета и проектирования оптических и электронных схем тепловизоров, их конструирования и исследования.
Вывод рабочих соотношений методики расчета дальности действия тепловизоров основывается на следующих выражениях для ЛТпор, лТн)пор и ЛТраз [1-4]:
ду:
(1)
пор
г>*офс24) |
к
АТ —___________________
ра3 ъ(у)ф¥лте/к ’
(2)
8(Х)А \,Т(х,у\Т + +вф(^)4|) Х,Тф(х,у),Тф
(Гк
где
к
1ф= |ЭДт0(^)та(Х)8ф(Щф Х,Тф(х,у\Тф (ГК\ (4)
К
V - В • Г VI
Ф _ —2----------------------------------------------1 ’ ^
71 / кэу1аЬА/х
В Х,Т(х,у),Т = Л Ш Х,Т(х,у),Т сЫу, (6)
(х0,у0)
Вф Х,тф(х,у\Тф = || АЖ \,Тф(х,у),Тф (Ыу\ (7)
Сад)
, , ™ Ч ^ О <ЛГ(КТ) , ¿В КТ(х,у),Т гол
А Х,Т(х,у\Т =а0Р0------------—— +-----------------------------------о-, (8)
<н 1гсИ
л , гг, _ ,л ^ 0<№{Щ) , <®ф КТф(х,у\Тф _
Аф Х,Тф(х,у\Тф афР ^ , (9)
£)* и Б(Х) - удельная обнаружительная способность и относительная спектральная чувствительность ПОИ; (а, Ь) и А/я -линейные размеры и шумовая полоса частот электрической схемы включения ПОИ; (?ц, Х2) - границы спектральной чувствительности ПОИ; кэ - коэффициент использования ПОИ излучения эталонного источника; т - отношение «сигнал/шум»; А0 и (а,Р) - площадь входного зрачка и линейные углы мгновенного поля зрения объектива тепловизора по строке и по кадру; ЩХ, Т) - спектральная светимость АЧТ с температурой Т; Т(х, у) и Тф(х, у) - функции распределения температуры по поверхности объекта и фона в случае наблюдения прибором неоднородных тепловых полей объектно-фоновой обстановки; Т и Тф - среднее значение температуры поверхности объекта и фона; е(^) и 8ф(А,) - спектральный коэффициент излучения поверхности объекта и фона; т0(А,) и та(л) - спектральный коэффициент пропускания оптической системы тепловизора и слоя атмосферы между объектом и прибором; С2 - постоянная в формуле Планка; АЩХ,Т(х,у), Т) и АЖф(Х,Тф(хуХ Уф) - абсолютный контраст спектральной светимости АЧТ [10],
имеющих температуры аналогичные температурам поверхности объекта и фона соответственно; Теи/^~ постоянная времени глаза и частота кадров тепловизора; V - пространственная частота в пространстве предметов, рад’1; К(ФФ) - коэффициент, учитывающий увеличение порогового сигнала ПОИ за счет засветки постоянной составляющей фона; г2(у) - результирующий модуль передаточной функции (МПФ) всех звеньев тепловизора; а0, р0 - линейные углы которые стягивают по строке и кадру объект, находящийся на расстоянии I от прибора;
аф=а-а0; Рф= Р-Р0; (х0,у0), (хф,Уф) - декартовые координаты поверхности объекта и фона в пространстве предметов.
В конечном итоге, выражение для дальности действия тепловизоров при работе по изотермическим объектам получено в виде:
А,-
/ =
АъМДТ’раз те-л у2с2о <///' V' I
ЗДт0(Г)та(Г)х Х8 (Х)Ж(к,Т)Х~1
с1Х
6у[2кэТ2 • т
(10)
где й - диаметр входного зрачка оптической системы тепловизора; к - критический размер объекта; / - заднее фокусное расстояние объектива тепловизора.
В свою очередь, дальность обнаружения объектов при работе тепловизи-онных систем по неоднородному полю теплового излучения определяется следующим соотношением:
/(») _
Д71
Гъ<у) ТЛ 1/2 х
раз*/ '2ЛУ/ е
9 %
X с11 Г
А.,
|ЭДт0(^)ха(^)
в (к) А Х,Т(х,у),Т + +8ф(^Н КЩх,уЩ
сГк
бЛа1 + ^2(Фф) + ^|/|
1/2
(11)
Выводы:
1. На основании теоретических основ расчета пороговой температурной чувствительности и температурно-частотной характеристики тепловизионных систем, разработанных М.М. Мирошниковым и Дж. Ллойдом, приведена методика расчета их дальности обнаружения, выделения, классификации, распознавания и идентификации изотермических объектов.
2. При наблюдении тепловизионными системами объектно-фоновой сцены с неоднородными полями температур разработана методика расчета дальности обнаружения объектов на неоднородном поле теплового излучения фона.
3. Полученные аналитические закономерности влияния параметров оптической системы тепловизора, приемника оптического излучения, электронной схемы обработки информации, видеоконтрольного устройства и поля температур объектно-фоновой обстановки на дальность действия могут быть использованы как в теории, так и в инженерной практике проектирования, расчета и моделирования работы тепловизионных систем и ИК систем наблюдения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1983. - 696 с.
2. Ллойд Дж. Системы тепловидения. Пер. с англ. М.В. Васильченко; под ред. А.И. Горячева. - М.: Мир, 1978. - 414 с.
3. Тымкул В.М., Тымкул О.В. Методика расчета температурной чувствительности космических тепловизионных систем при работе по неоднородному полю теплового излучения // Исследование Земли из космоса. - 1997. - № 6. - С. 20-24.
4. Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Тымкул О.В. Аналитическая модель температурночастотной характеристики тепловизоров // Оптический журнал. - 2002. - № 10. - С. 73-76.
5. Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Кремис И.И. Методика анализа температурной чувствительности тепловизоров «смотрящего» типа на основе матричных приемников излучения // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 25-27.
6. Кремис И. И., Федоринин В. Н., Тымкул В.М. Разработка и исследование перспективной системы оптико-электронной обработки сигналов в тепловизорах с матричными приемниками излучения // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 178-184.
7. Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Фесько Ю.А. Математическая модель определения трехмерной формы объектов на основе двух поляризационных термограмм // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). -Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 164-168.
8. Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Фесько Ю.А. Методика и алгоритм определения трехмерной формы объектов на основе поляризационных термограмм // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 3-7.
9. Тымкул В.М., Фесько Ю.А. Методика и результаты экспериментального определения трехмерной формы объектов на основе поляризационных термограмм // Автометрия. -2013. - № 2. - С. 123-127.
10. Иванов В.П., Овсянников В.А., Филиппов В.Л., Метод оптимизации несканирующих тепловизионных приборов // Оптический журнал. - 2012. - № 3. - С. 4-10.
11. Балоев В.А., Мишанин С.С., Овсянников В.А., Филиппов В.Л., Якубсон С.Е., Яцык В.С. Анализ путей повышения эффективности наземных оптико-электронных комплексов наблюдения // Оптический журнал. - 2012. - № 3. - С. 22-32.
12. Иванов В.П., Овсянников В.А., Филиппов В.Л. Особенности расчета дальности действия несканирующих тепловизионных приборов // Оборонная техника. - 2010. - № 6-7. - С. 54-61.
13. Габдрахманов Т.Р., Овсянников В.А., Яцык В.С. К развитию методик оценки дальности действия несканирующих авиационных приборов оптической локации // Сб. матер. ХХ Всерос. межвуз. научно-техн. конф. Электромеханические и внутрикамерные процессы в электрических устройствах, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Казань: Отечество, 2008. Ч. 2. - С. 283-284.
14. Скобло В.С. К оценке дальности действия тепловизионных систем // Изв. вузов. Приборостроение. - 2001. - № 1.
15. Справочник по инфракрасной технике / Ред. У.Волф, Г. Цисис. В 4-х тт. Т. 1. Физика ИК-излучения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1995. - 606 с.
16. Иванов В.П., Курт В.И., Овсянников В.А., Филлипов В.Л. Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов. - Казань: Отечество, 2006. - 594 с.
17. Шипунов А.Г., Семашкин Е.Н. Дальность действия, всесуточность и всепогодность телевизионных и тепловизионных приборов наблюдения. - М.: Машиностроение, 2011. - 216 с.
© В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, Ю.А. Фесько, А.Н. Поликанин, 2013
