Методика обоснования требований к оптическим характеристикам аэрозольных помех для прерывания видения цели оператором тепловизионной системы Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396

МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К ОПТИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ АЭРОЗОЛЬНЫХ ПОМЕХ ДЛЯ ПРЕРЫВАНИЯ ВИДЕНИЯ ЦЕЛИ ОПЕРАТОРОМ ТЕПЛОВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ

С.В. Утемов

С использованием методов частотно-пространственного анализа получено выражение для определения оптической толщины аэрозольного образования, требуемой для прерывания видения цели оператором тепловизионной системы

Ключевые слова: оптические характеристики, аэрозольное образование

Все расширяющийся круг гражданских и военных задач, для решения которых привлекаются теп-ловизионные системы (ТПВС), а также успехи в технологии создания полупроводников на рубеже XXI века привели к качественному скачку в создании ТПВС, в частности, к появлению ТПВС «смотрящего» типа [1-3]. Однако, несмотря на достигнутые успехи в создании ТПВС, по-прежнему пользователем получаемой на мониторе ТПВС видеоинформации является человек-оператор, который принимает решение о возможности обнаружения, распознавания и селекции объекта.

Функционирование ТПВС происходит, как правило, в условиях естественных и преднамеренных аэрозольных помех (облаков, туманов, дымов и аэрозолей). Наличие аэрозольного образования (АО) на линии визирования цели оператором ТПВС приводит к снижению теплового контраста цели и искажению («размытию») её теплового изображения. Условием гарантированного прерывания видения тепловизионного изображения цели оператором на экране монитора ТПВС является равенство отношения сигнал/шум q0 пороговому значению сигнала qпор.

Известные способы расчёта отношения сигнал/шум получены без учёта влияния пространственно-частотных характеристик канала формирования изображения на экране монитора ТПВС и мешающего воздействия аэрозольного образования [1, 3]. При оценке эффективности ТПВС следует также акцентировать внимание на необходимости учёта интегрирующих свойств глаз оператора [1, 3] при наблюдении теплоизлучающих объектов с различными угловыми размерами.

В связи с этим задача разработки методического аппарата для обоснования требований к оптическим характеристикам аэрозольных помех для прерывания видения цели оператором на экране монитора тепловизионной системы в зависимости от рассеивающих свойств аэрозольного образования и его оптической толщины с учётом пространственночастотных характеристик канала формирования изображения является важной и актуальной. Ранее в [4] аналогичная задача решалась применительно к оптико-визуальной системе.

Утемов Сергей Владимирович - ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ МО РФ, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, тел. (4732) 20-92-36

Цель работы - получение аналитических выражений для оценки оптических характеристик аэрозольного образования, требуемых для прерывания видения цели оператором тепловизионной системы.

При оценке эффективности обнаружения цели оператором на экране монитора ТПВС будем учитывать, что на воспринимаемое тепловизионной системой отношение сигнал/шум оказывают влияние следующие факторы [1-3]:

- оператор выделяет среднее значение сигнала в тепловизионном изображении наблюдаемого сюжета и оперирует с этим средним значением;

- благодаря пространственного и временного суммирования сигналов в тепловизионном изображении наблюдаемого сюжета происходит увеличение воспринимаемого ТПВС отношения сигнал/шум за счёт интегрирующих свойств глаз оператора.

С учётом отмеченных особенностей отношение сигнал/шум в ТПВС можно записать в следующем виде [5]:

А Тр • I • N -тл , (1)

^ А То

где АТ - радиационный перепад температур между

Р

целью и фоном; АТ0 - пороговая чувствительность

ТПВС по температуре; N - коэффициент, учитывающий интегрирующие свойства глаз оператора; Тл - коэффициент пропускания атмосферы в спектральном диапазоне работы ТПВС.

Величина I•АТ , входящая в выражение (1),

Р

представляет собой усреднённое значение, характеризующее излучение малого участка изображения на экране монитора ТПВС (т.е. участка, который воспринимается глазом без пространственного суммирования), где I - нормированное распределение яркости изображения цели на экране монитора ТПВС.

Радиационный перепад температур между целью и фоном определяется по формуле [3, 5]

АТР = ЫГ0 - 1Ф ) + П(е0 ~ЕФ ^ (2)

где е еФ - коэффициенты излучения цели и фона; 10, 1Ф - температуры цели и фона; г/ - коэффициент, учитывающий теплообмен между целью и фоном.

Методики расчёта или выбора входящего в выражение (1) коэффициента N, учитывающего интег-

рирующие свойства глаз оператора на экране монитора ТПВС, в известной нам литературе отсутствуют. В то же время известно, что отношение сигнал/шум в значительной мере зависит от соотношения площадей изображений цели и фона и пространственной разрешающей способности ТПВС. На рис. 1 по результатам экспериментальных исследований приведены рекомендации по оценке величины коэффициента N для трёх основных практически важных случаев обработки тепловизионных изображений оператором на экране монитора ТПВС [5]: а) для изображений целей, намного меньших, чем размер чувствительного элемента приемника излучения ТПВС; б) для целей с размерами изображения, сопоставимыми с размерами чувствительного элемента приемника излучения ТПВС; в) для целей, размеры изображения которых значительно превышают размеры чувствительного элемента приемника излучения ТПВС.

N = 1 при <1 аг

при

N = 13 при. > 13 Ы

I I .

1 < -22L <13 1<_22L <13

м ы

а) б) в)

Рис. 1. Зависимость коэффициента N от соотношения размеров изображения цели и чувствительного элемента приемника излучения ТПВС

Входящая в соотношения на рис. 1 величина пространственной разрешающей способности равна Al = SD, где S - угол поля зрения элемента приёмника излучения ТПВС; D - дальность обнаружения цели; l l - максимальный и минимальный раз-

max ? min 1

мер цели с радиационным перепадом температур ATp •

Аэрозольные образования, создаваемые аэрозолеобразующими составами, как правило, относятся к слабопоглощающим [6, 7]. Тогда применительно к рассеивающему АО для описания процесса наблюдения теплоизлучающей цели сквозь аэрозольный рассеивающий слой и оценки распределения яркости изображения цели на экране монитора ТПВС (входящей в формулу (1) величины J) воспользуемся методом пространственно-частотных характеристик (ПЧХ) канала формирования тепло-визионного изображения [1, 3, 8]. Задача описания «размытия» теплового изображения цели в АО и получения ПЧХ после прохождения излучения от цели через формирующую оптику ТПВС требует учёта ряда факторов: многократного рассеяния излучения на частицах аэрозоля, неоднородностей излучения цели и фона, изменения концентрации частиц аэрозолеобразующего вещества от времени и т.д.. Поэтому решение этой задачи в такой обобщенной постановке, тем более в аналитическом виде, не представляется возможным.

Однако оценку распределения яркости изображения цели на экране монитора ТПВС можно

получить в аналитическом виде для практически важного случая наблюдения цели через аэрозольное облако при следующих допущениях и ограничениях:

- равномерно нагретый участок цели размером l х l с температурой t наблюдается операто-

max min А А 0 А

ром тепловизионной системы на однородном фоне с температурой ti ;

- аэрозольное образование на трассе наблюдения цели представляет собой рассеивающую среду с большой оптической толщиной h >> 1, слабым поглощением в инфракрасной области спектра и вероятностью выживания фотона, близкой к единице Л = 1;

- теплоизлучающая цель является симметричной, что позволяет записать её энергетический спектр S(а) как функцию только пространственной частоты [8].

Опираясь на результаты работ [2, 8], использующих диффузионное приближение для малых пространственных частот а, пропорциональных отношению i к дальности обнаружения цели D,

max

выражение для оценки энергетического спектра излучения цели S(а), прошедшего через рассеивающий слой АО, примет вид

1 ,Th = h + 4q,

\ shSmq S (m ) =--------, m

shm t h

= л/y2 + m2, q =

3 - x.

где у - глубинный показатель затухания инфракрасного излучения в аэрозольном образовании; х1

- первый коэффициент в разложении по полиномам Лежандра индикатрисы рассеяния излучения в аэрозольном образовании.

Тогда пространственно-частотная характеристика после прохождения излучения цели через АО на входе ТПВС для случая с тк < 1 описывается

гауссовым распределением [5]

гао (®) = ехр(- 2к2а202ло ), 82ло =

h2

12п

(3)

В предположении, что искажения изображения формирующей оптикой и электронным трактом ТПВС в основном определяется размерами элементов приёмника излучения тепловизионной системы [1-3], функция рассеяния изображения оптикоэлектронной системой может быть аппроксимирована гауссоидой.

Тогда ПЧХ после прохождения излучения цели через формирующую оптику и электронный тракт ТПВС может быть записана в виде

Гоэс (®) = ехр(- 2п2а 2д2оэс). (4)

В соответствии с [1-3] искажения, вносимые формирующей оптикой и электронным трактом и определяющие разрешающую способность всей ТПВС, в основном зависят от конечных размеров чувствительных элементов приёмника излучения а .

В связи с этим величина ? _ а

°оэс 2'

Тогда искомую оценку нормированного распределения яркости изображения цели на экране

монитора ТПВС У, входящую в выражение (1), определим как обратное преобразование Фурье от произведения ПЧХ аэрозольного образования и формирующей оптики ТПВС, то есть гоо(со)тОэС (с).

С учётом выражений (3) и (4) получим зависимость нормированного распределения яркости изображения цели У на экране монитора ТПВС от оптической толщины аэрозольного образования к для наиболее важных для практики случаев обнаружения тепловизионной системой протяжённой теплоизлучающей цели (случаи б) и в) на рисунке 1) [5]

растают.

+ a exp

J =

= I

w.

+ S,

1

a 2n

dx =

(5)

1 +

h2

12n

'2 q2op

-1

(6)

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Д км Рис. 2. Зависимость оптической толщины аэрозольного образования от дальности до цели при различных значениях радиационного перепада температур между целью и фоном

Таким образом, с использованием методов частотно-пространственного анализа в диффузионном приближении для малых пространственных частот получено аналитическое выражение для определения оптической толщины аэрозольного образования, требуемой для прерывания видения цели, наблюдаемой оператором тепловизионной системы на однородном фоне.

Литература

1. Дж. Ллойд. Системы тепловидения. - М.: Мир, 1978. - 414 с.

2. Иванов В.П., Курт В.И., Овсянников В.А., Филиппов В. Л. Моделирование и оценка современных теп-ловизионных приборов. - Казань: ФНПЦ НПО «Государственный институт прикладной оптики», 2006. - 594 с.

3.Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 374 с.

4. Утемов С.В. Методика обоснования требований к оптическим характеристикам аэрозольного образования для прерывания видения цели оператором оптиковизуальной системы // Вестник ВГТУ. - 2009. - № 5. -С. 128-130.

5. Утемов С.В., Мачинская Н.И., Лопин В.И. Эффективность обнаружения цели оператором на экране дисплея тепловизионной системы в условиях аэрозольных помех. // Вестник ВГТУ. - 2007. -№ 4. - С. 98-101.

6. Вейцер Ю.И., Лучинский Г.П. Маскирующие дымы. - М.: Госхомиздат, 1947. - 202 с.

7. Вагонов С.Н., Варёных Н.М., Романов В.И., Киселев В.Б. Аэрозольные средства защиты бронетанковой техники от высокоточного оружия. // Актуальные проблемы защиты и безопасности (прил. к журналу «Известия

Результаты оценки величины к в зависимости рАрАН»). - 2°°6. - Т. 3. - С. 109-П1

от дальности наблюдения цели оператором ТПВС 8 Зеге ЭЛ- Иванов АЛ- Кацев И Л' Перенос из°-

бражения в рассеивающей среде. - Минск: Наука и техни-представлены на рис. 2 для трёх значений радиаци- к^ 1985 - 367 с

онного перепада температур ЛТР. ’

Из рис. 2 видно, что с увеличением величины

ЛТр требования к оптической толщине АО резко воз-

Федеральный государственный научно-исследовательский испытательный центр радиоэлектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности Минобороны РФ

С учетом выражений (1)-(5) определим оптическую толщину аэрозольного образования, при которой обеспечивается гарантированное прерывание видения тепловизионного изображения цели на экране монитора ТПВС:

/ \ 1/2 ( АТ N Т ^ к = ^\2ж ----р---:

4АТ„2п2 q \ 0

С использованием полученного выражения (6) определим оптическую толщину АО, требуемую для гарантированного прерывания видения цели оператором ТПВС, для следующей типовой ситуации. Цель -машина, движущаяся по грунтовой дороге, наблюдается оператором ТПВС типа АЖТАБ-4 (ЛТ0=0,3°С, ¿=0,2 мрад, ЛЛ,2=8...14 мкм) на дальностях Б=0...4,5 км. Зависимость коэффициента пропускания атмосферы тА в диапазоне ЛА2=8...14 мкм от дальности Б приведена в таблице [3].

Коэффициент пропускания атмосферы в диапазоне 8.14 мкм.

D, км 0,5 1,0 0,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

та 0,74 0,61 0,55 0,5 0,45 0,41 0,37

THE PROCEDURE OF SUBSTANTIATION OF REGUIREMENTS TO OPTICAL CHARACTERISTICS OF AEROSOL INTERFERENCE FOR INTERRUPTION OF SEEING THE TARGET BY AN OPERATOR OF THERMAL IMAGING SYSTEM

S.V. Utyomov

Using the methods of frequency spatial analysis the expression for determination of optical thickness of aerosol formation, required to interruption of seeing the target by an operator is got Key words: optical characteristics, aerosol formation