Оценка качества тепловизионной системы Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

sis management, which allows to reduce the computational complexity of the simulation. An algorithm for the detection of crisis situations on the basis of criterion K of N and the performance of the algorithm.

Key words: crisis, social networking, simulation model, detection.

Selin Andrey Alexandrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Orel, Academy of the Federal Guard Service of the Russian Federation,

Ivkin Vladimir Borisovich, adjunct, [email protected], Russia, Orel, Academy of the Federal Guard Service of the Russian Federation,

Plakhov Aleksey Valer'yevich, adjunct, alexey @list.ru, Russia, Orel, Academy of the Federal Guard Service of the Russian Federation

УДК 621.78

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ТЕПЛОВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ

Е.В. Филиппова, Т. А. Акименко

Проведен анализ существующих тест-объектов для оценки качества теплови-зионной системы. Представлена схема тест-объекта и сформулированы понятия эталонного сигнала и эталонного виртуального тепловизора, по характеристикам которого предложено оценить параметры реального тепловизора.

Ключевые слова: тепловидение, инфракрасное излучение, тепловизионные приборы наблюдения, тест-объект, контроль тепловизионных приборов.

Новое поколение робототехнических систем характеризуется повышенной мобильностью, активным взаимодействием с внешней средой, что делает их использование весьма привлекательным для самых разнообразных сфер человеческой деятельности, включая автоматизированное производство, космос и подводные исследования, оборону, медицину, строительство и т. д.

Так как наибольший объем информации, как правило, содержится в видеосигнале, то вполне закономерным стало оснащение роботов системами технического зрения (СТЗ).

В настоящее время широкое распространение имеют автоматические средства наблюдения, работающие в инфракрасном диапазоне спектра (рис. 1).

Рис. 1. Диапазон электромагнитных волн

Эффективность работы тепловизора является важным показателем при использовании данного информационно-измерительного устройства в какой-либо из сфер человеческой деятельности.

Существует значительное количество тепловизоров имеющих, тем не менее, схожие конструктивные элементы и взаимосвязи между ними, что позволяет сформировать обобщенные функциональные схемы тепло-визионных устройств и применить к ним одинаковый принцип построения системы контроля их работы.

В задачи данных информационно-измерительных комплексов входит сбор с датчиков сенсорной системы данных об объекте, подлежащем контролю, обработка поступающей информации и выдача пользователям информации в удобном виде.

Неоспоримыми преимуществами кроме возможности «видеть» в полной темноте, является возможность наблюдать объекты сквозь дым, пыль, туман, а также сквозь небольшие слои полиэтилена.

Существует несколько классов устройств, позволяющих реализовать функцию получения теплового изображения объектов и имеющих, тем не менее, схожие конструктивные элементы и взаимосвязи между ними, что позволяет сформировать обобщенные функциональные схемы таких устройств и применить к ним одинаковый принцип построения информационной системы контроля устройств, формирующих тепловую картину объектов наблюдения [1,3].

В основе каждого тепловизора лежит устройство - тепловизионный фотоприемник, который преобразует поток излучения в электрические сигналы изображения.

По принципу действия фотоприемники делятся на два типа - фотонные и тепловые.

Фотонные приемники обеспечивают получение изображения за счет фотоэффекта, преобразования падающего потока фотонов в электрический сигнал при взаимодействии фотонов с электронной подсистемой

материала приемника. Такой тип фотоприемников нуждается в охлаждении до температуры, при которой внутренние игумы уменьшаются до приемлемого уровня.

Действие не требующих охлаждения фотоприемников основано на регистрации изменения свойств материала при изменении его температуры за счет поглощения приходящего излучения. Наиболее распространены болометры, использующие изменение сопротивления тонкой металлической полупроводниковой или сверхпроводящей пленки при нагреве [2].

Невидимое глазом человека инфракрасное излучение, исходящее от объекта, фокусируется объективом на инфракрасном детекторе. Этот детектор передает сигнал в электронный блок для обработки изображения. Электронный блок преобразует сигналы, приходящие от детектора, в изображение, которое преобразуется в видимое изображение теплового поля объекта для его визуальной и количественной оценки на стандартном видеомониторе, ЖК-дисплее или на экране любого подключенного к сети компьютера. Естественно, что каждый элемент исследуемых функциональных схем вносит свои искажения в результат, что приводит к изменениям сигнала, сводящимся к потерям информации.

Структурная схема, описывающая потери информации при формировании тепловой картины, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Последовательность потерь информации в узлах

и блоках тепловизора

231

Яркость тепловизионных изображений зависит как от распределения температуры по поверхности наблюдаемого объекта, так и от коэффициента излучения и ориентации визируемых элементов его поверхности - его формы.

Кроме того, качество тепловизионного изображения зависит от передаточных характеристик оптической системы и всех звеньев тепловизора.

Очевидно, что наблюдение дает более важные результаты, когда система способна различать слабые температурные перепады. С этим связано понятие температурного разрешения - минимальная различимая разность эффективных температур объекта и его окружения. Также очень важны два критерия - пространственное разрешение, которое определяет детали объекта, воспринимаемые на пределе по размеру, и облученность, эквивалентную шуму, которая соответствует минимальной энергии, поступающей в систему и дающий сигнал, равный шуму системы (минимальная обнаруживаемая облученность). [1]

Измерение параметров, характеризующих инфракрасные системы, может производиться непосредственно по электрическому сигналу путем определения его амплитуды, постоянной времени и шумов. При этом измеряется отклик системы на известное воздействие, создаваемое эталонной мирой. Такой тип оценки обычно применяется для инфракрасных систем, предназначенных для измерительных целей.

Величина АТобн - минимальная разность температур между миррой достаточных размеров, обычно круглой формы, и однородным фоном, при котором мира обнаруживается посредством визуального наблюдения. АТобн определяется для нулевой пространственной частоты.

АТб = (АТ +Л72)/2 °С.

Величина АТобн определяется для миры, видимой инфракрасной системой под углом 20.

Относительная спектральная чувствительность инфракрасной системы на основе теплового приемника болометра или пироэлектрического приемника теоретически не зависит от длины волны.

Разрешающая способность инфракрасной системы, формирующей изображение, измеряется с помощью прямоугольной щели, помещаемой перед черным телом. Разность температур между краями щели и черным телом выбирается такой, чтобы инфракрасная система давала насыщенное изображение для этих двух температур.

Модуляционная передаточная функция (МПФ) дает контраст изображения в функции пространственной частоты при исходном (на нулевой частоте) контрасте, равном единице. МПФ можно получить, измеряя контраст мир, уменьшающийся с ростом пространственной частоты мир. МПФ нормируется относительно ее значения в начале координат при ну-

232

левой частоте, т.е. для объекта и фона большой протяженности. МПФ убывает, и на некоторой граничной частоте контраст обращается в ноль; система при этом не передает никакой модуляции. МПФ можно определить или непосредственным измерением по периодическим мирам, или вычисляя фурье-преобразование от ФРЛ.

Для измерения основных параметров и характеристик, в том числе модуляционной передаточной функции тепловизоров предполагается использование тест-объекта. Тест-объект, предлагаемый авторами рассмотренной полезной модели [4], содержит протяженный тепловой излучатель и размещенную перед ним мишень, которая имеет расположенные в одной плоскости группы прорезей, при этом группы отличаются пространственной частотой прорезей. Мишень равноудалена от теплового излучателя, при этом группы прорезей мишени размещены в строки с последовательным уменьшением от строки к строке горизонтального размера прорезей, соответствующих пространственной частоте, причем в начале каждой строки расположена опорная прорезь, размер которой фиксирован дл всех строк и равен размеру соответствующих минимальной пространственной частоте прорезей первой строки, и, обращенная к тепловому излучателю сторона мишени имеет теплоотражающее покрытие, а внешняя ее сторона покрыта материалом с высоким коэффициентом излучения.

Представленный на рис. 3 тест-объект содержит:

1 - тепловой излучатель;

2 - мишень;

31+„ - прорези, которые группами с соответствующей пространственной частотой (ПЧ) выполнены на мишени 2.

Прорези \+п расположены построчно с нарастанием пространственной частоты. В начале каждой строки размещена опорная прорезь 3! фиксированного размера для всех строк. Размер опорной прорези соответствует размеру прорезей первой строки, выполненной с минимальной пространственной частотой.

-Г ■ ™

в —ф ■■■■■■ 111111111

мш 111111111111

шш шшшшм

шш мишшпнп

Рис. 3. Тест-объект для измерения модуляционной передаточной функции

233

В соответствии с принципом контроля:

1) формируется эталонный тестовый сигнал ¿>Т(Г, X), тестовым сигналом может служить тест-объект, представляющий собой эталонное изображение, нанесенное на эталонный носитель;

2) эталонный тестовый сигнал £Т(Г, X) подается на входы реальной и эталонной систем, которые в результате функциональных преобразований Ур(£т) и/э(5т) формируют сигналы £Р и соответственно;

3) определяется ошибка в виде нормы разности сходных характеристик сигналов на выходах реальной и эталонной систем

где Л(5Э) и й(5Р) - ^-мерный вектор характеристик сигнала, вычисляемые как его векторная функция;

4) величина ошибки сравнивается с порогом еп? и в случае, если г < £п? то картина эталонного тестового сигнала признается годной для дальнейшего использования, а тепловизионная система признается настроенной правильно;

5) в случае, если е > £п? то картина эталонного тестового сигнала признается негодной для дальнейшего использования, а тепловизионная система подлежит настройке.

К норме (1) применяются следующие требования:

1) функция ||А(5э) - Л(5р)|| должна быть неотрицательной, т.е. ||й(*$э)

2) функция ||Л(5Э) - Л(^р)|| = 0, тогда и только тогда, когда ¿>э = ¿>Р;

3) функция является симметричной, т.е. ||й(5э) - Л(5Р)|| = ||/|(£р) -

4) для функции ||Л(5э) - й(£Р)|| выполняется свойство ||/|(5э) ~ < ЦА^э) - Л(50)|| + ||А(5о) - А(5р)||, где - некоторый сигнал.

Примерами функций для вычисления ошибки являются: евклидово расстояние

е = ЦА(5э) - ВД>)||,

0)

- И(8р)\\ > 0;

(2)

сумма квадратов расстояний

е = ЛСЬМ^р)]2;

к

(3)

к=1

сумма модулей

К

к=1

где Ик (5Э) - к-я составляющая вектора характеристик эталонного сигнала,

1 < к < К: где Ьк (¿>р) - к-я составляющая вектора характеристик реального

сигнала, 1 <к<К.

В том случае, если характеристики имеют разный вес в оценке близости функционирования реальной и эталонной информационных систем, то норма может быть вычислена по одной из следующих зависимостей:

V к=1

£ = (б) к=1

* = (7)

к=1

где 0 < ск < 1 - «вес» к-й характеристики сигнала в общей оценке;

£с*=1- (8)

к=1

Из приведенных оценок наиболее приемлемыми являются зависимости (3) и (6), поскольку являются гладкими дифференцируемыми функциями (в отличие от зависимостей (4) и (7) и не содержат вычисления квадратного корня (в отличие от зависимостей (2) и (5).

Система, проводящая преобразование 7э(5т)? может быть реальной физической системой, например, эталонный тепловизор из заданного класса тепловизоров, или она может быть реализована в виде виртуальнойной системы на ЭВМ, в которую вводится виртуальный тест-объект.

Общепринятый принцип контроля информационных систем показан на рис. 4.

Рис. 4. Контроль информационных систем

Таким образом, выполняя соответствующие операции по контролю тепловизионных систем, можно существенно повысить качество проектируемых измерительных тепловизоров, а так же усилить контроль качества поставляемых зарубежных теловизоров.

235

Список литературы

1. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: пер. с франц. М.: Мир, 1988. 416 с.

2. Наука из первых рук. № 3-4 (57-58)/2014 Голицын А. А.

3. Филиппова Е.В., Акименко Т.А. Эффективность работы инфракрасных систем и критерии качества / Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. С. 291 - 296.

4. Интернет ресурс для поиска патентов и полезных моделей. [Электронный ресурс] URL: poleznayamodel.ru (дата обращения: 19.09.2016).

Филиппова Екатерина Вячеславовна, лаборант, kisskin@,bk.ru Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

QUALITY ASSESSMENT THERMAL IMAGING SYSTEM E. V. Filippova, T.A. Akimenko

The analysis of existing test facilities to assess the quality of the thermal-sion system. The scheme of the test object and formulated the concept of the reference signal and the reference virtual imager, the characteristics of which suggested to estimate the parameters of the real thermal imager.

Key words: thermal imaging, infrared thermal imaging under-surveillance drills, test object, control of thermal imaging devices.

Filippova Ekaterina Vyacheslavovna, laboratory assistant, kisskin@,bk.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University