CC BY
61
ПЛАНИРОВАНИЕ МНОГОФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ СИСТЕМЫ УЛУЧШЕНИЯ ВИДИМОСТИ
В УСЛОВИЯХ ЗАДЫМЛЕНИЯ
А. В. Суриков
ГУО «Институт переподготовки и повышения квалификации» МЧС Республики Беларусь, Республика Беларусь, Минская область, пос. Светлая Роща Н. С. Лешенюк, д. ф.-м. н., профессор, ГУО «Командно-инженерный институт» МЧС Республики Беларусь,
Республика Беларусь, г. Минск
При ликвидации чрезвычайных ситуаций (далее ЧС), на которые привлекаются подразделения МЧС, затраты времени на проведение аварийно-спасательных работ играют первостепенную роль, при этом личный состав сталкивается с различными факторами, влияющих на них, - очаги высокой температуры, неизвестная планировка помещений, скрытые очаги горения и ограниченная видимость. При наличии последней перспективно использовать активно-импульсные системы видения (далее АИСВ).
Их принцип действия заключается в следующем. Объект наблюдения освещается короткими световыми импульсами, длительность которых значительно меньше времени распространения света до объекта и обратно. При этом объект наблюдается в оптический прибор - электронно-оптический преобразователь (далее ЭОП), снабженный быстродействующим затвором, открывающимся в такт с посылкой световых импульсов на определенное время. В том случае, когда временная задержка между моментом излучения импульса и моментом открывания затвора равна времени, необходимому для прохождения светом расстояния до объекта и обратно, наблюдатель будет видеть только сам объект и участок пространства, непосредственно его окружающий. Глубина этого пространства определяется как временем открытого состояния затвора, так и длительностью светового импульса. Этот метод называется иногда методом стро-бирования по дальности. Таким образом, основное преимущество оптико-электронной системы состоит в том, что при формировании изображения световой «забор» (помеха обратного рассеяния, например, от промежуточного слоя дыма) устраняется стробированием фотоприемника [1].
Производством активно-импульсных систем видения занимаются как в ближнем (НПП «Гамма», НПП «ТУРН», НПО «Орион» (все Россия) и др.), так и дальнем зарубежье (Mercury Engineering Inc. (США), NITECAM (Израиль), Xedar Corp. (США) и др.).
Структурная схема системы представлена на рисунке 1.
Однако применение серийно производимых систем для решения задач МЧС, связанных с поиском и спасением людей, проведением разведки, тушением пожаров в помещениях различного назначения в среде непригодной для дыхания не представляется возможным по причине дальности действия систем.
Минимальная дальность действия, т. е. минимальное расстояние, при котором можно наблюдать объект, составляет - 100 м (система L2001 производства израильской фирмы №ТЕСАМ [2]).
9 8 7 5 4 3
1 2
Рис. 1. Система наблюдения в составе: освещающий лазер 1, объектив-формирователь 2, приемный объектив 3, оптический фильтр 4, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) 5, электронный блок стробирования по дальности 6, согласующий объектив 7, видеокамера (ПЗС матрица) 8, ЖКИ монитор 9
В работах [3, 4] сказано о том, что при задымлении АИСВ в своих традиционных областях спектра неработоспособны. Однако в работе [5, стр. 147] приведен пример применения АИСВ для визуализации объекта при горении древесины. Исследования проводились с применением системы активно-импульсной системы «ZOND» в камере длиной 22 м, заполненной древесным дымом с оптической плотностью 3±0,1, что соответствует коэффициенту ослабления 0,136±0,004 1/м. Указано, что удовлетворительное изображение объекта наблюдения получено при применении активно-импульсного режима. Возможность применения АИСВ для решения задач МЧС подтверждена в работе [6].
В соответствии с методикой расчета дальности обнаружения и распознавания в активно-импульсных системах видения [2] задача оценки видимости объекта сводится к расчету углового разрешения тест-объекта, его яркости и контраста с фоном через систему прибор-глаз и сопоставлению этих значений с соответствующими пороговыми характеристиками глаза. Дальность действия системы зависит от размера эквивалентного тест-объекта, зависящего от площади фронтальной проекции наблюдаемого объекта и числа элементов разложения, укладывающихся в пределах контура фронтальной проекции объекта и необходимые для его распознавания или обнаружения, и суммарного предельного углового разрешение системы прибор-глаз:
D = — —; (1) а^ V п • т
где D - дальность, м; а2 - суммарное предельное угловое разрешение системы прибор-глаз, рад; А - площадь фронтальной проекции наблюдаемого объекта; м2; т - число элементов разложения, укладывающихся в пределах контура фронтальной проекции объекта и необходимые для его распознавания или обнаружения.
Суммарное предельное угловое разрешение системы зависит от следующих параметров:
- предельного углового разрешения системы, определяемого ее структурными несовершенствами;
- предельного углового разрешения системы, определяемого несовершенством глаза и приведенное ко входному фотокатоду ЭОП;
- предельного углового разрешения системы, определяемого ее шумами, флуктуацией фотоэлектронов.
Предельное угловое разрешение системы, определяемого ее шумами, флуктуацией фотоэлектронов аэл зависит от яркости фона Lф. эф. и яркости объекта на входном зрачке объектива Lоб. эф, присутствующих на входном зрачке объектива при работе системы. Кроме того, подсвечивается дым в пределах строба, т. е. в пределах просматриваемой в прибор зоны пространства по глубине, соответственно имеем эффективную яркость L подсв. эф.стр. Уменьшить обратное рассеяние можно уменьшая строб и увеличивая дальность до наблюдаемого объекта [2]. Также следует отметить, что Lф. эф, Lоб. эф. и L подсв. эф.стр зависят от коэффициента ослабления излучения на длине волны излучателя Косл.
Электронные платы блока синхронизации, входящего в состав системы, позволяют управлять длительностью Д?лаз лазерных импульсов для подсветки объекта, длительностью Д^оп включенного состояния ЭОПа (длительностью строб-импульса) и величиной временной задержки Д^ад между моментами включения лазерного импульса и ЭОПа [7]. Последняя величина определяет дальность до слоя пространства £зад, с которого принимается сигнал, т. е. практически дальность до объекта наблюдения. На качество получаемого изображения также влияет частота следования лазерных импульсов.
В качестве функции отклика на взаимодействие факторов, определяющих характер протекающего процесса, выбрано улучшение видимости z/z0, характеризующее отношение дальности видимости z с применением оптико-электронной системы улучшения видимости к метереологической дальности видимости z0 без применения системы.
При проведении исследований применяется методика визуального определения дальности видимости с помощью щита-ориентира, разработанная согласно [8].
Для математического описания объекта исследования с нужной точностью принят полином второй степени. В качестве плана для проведения многофакторного эксперимента был выбран ортогональный центральный композиционный план типа Вп [9]. Для исключения влияния на функцию отклика систематических ошибок, вызванных внешними условиями, опыты, предусмотренные матрицей планирования, проводились в случайной последовательности.
Таким образом, определена методика, выбраны и обоснован план проведения многофакторного эксперимента по определению влияния длительности лазерных импульсов, длительности включенного состояния ЭОПа и частоты следования лазерных импульсов на качество получаемого изображения объекта наблюдения с помощью оптико-электронной системы улучшения видимости в условиях задымления. Данная работа позволила разработать и оптимизировать технические характеристики узла системы, позволяющего улучшать видимость и ориентирование пожарных-спасателей при проведении поиска пострадавших в помещениях различного назначения в среде непригодной для дыхания.
Список использованной литературы
1. Горобец В. А. Оптико-электронная система видения в условиях ограниченной прозрачности атмосферы/ В. А. Горобец, Б. Ф. Кунцевич, В. О. Петухов, И. Н. Пучковский// Вестник АИН - 2008. - № 3 - С. 65-82.
2. Гейхман И. Л., Волков В. Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. - 286 с.: ил. - ISBN 5-83650001-0.
3. Волков В. Г. Активно-импульсные ПНВ и тепловизионные приборы. Анализ возможностей применения. - Фотоника, 2007, № 4, с.24-28.
4. Ю. Р. Кирпиченко, М. И. Курячий, И. Н. Пустынский. Видеоинформационные системы наблюдения и контроля при сложных условиях видимости. Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, № 2 (26), часть 1, декабрь 2012. С 105-110.
5. Дегтярев П. А. Исследование и разработка устройств получения видеосигнала в активно-импульсной телевизионной системе наблюдения: дис. канд. техн. наук: 05.12.04. / П. А. Дегтярев; Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, - Томск., 2005. - 232 с.
6. Сивцев С. С., Шалимов В. А. Генераторы наносекундной длительности в современных технологических процессах. Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, № 6, 2006. С 103-105.
7. Всепогодная система видения для летательных аппаратов с нашлемной визуализацией/ В. А. Горобец, В. В. Кабанов, В. П. Кабашников, Б. Ф. Кунце-вич, Н. С. Метельская, В. О. Петухов, И. Н. Пучковский, Д. В. Шабров// Вестник АИН - 2012. - № 1 - С. 41-44.
8. РД 52.21.680 - 2006. Руководящий документ «Руководство по определению видимости на взлетно-посадочных полосах».
