Диссертация По Поиску Людей Тепловизором С Воздуха
Диссертация По Поиску Людей Тепловизором С Воздуха
i
Надоели баннеры? Вы всегда можете
отключить рекламу .
i
Надоели баннеры? Вы всегда можете
отключить рекламу .
Особенности навигации беспилотного летательного аппарата при полете в пограничном слое атмосферы
Методика оценки эффективности автоматического обнаружения цели тепловизионным координатором с фотоприемным устройством матричного типа в условиях аэрозольных помех
Обнаружение нагретых движущихся малоразмерных объектов в ИК-диапазоне
Моделирование оптико-электронных систем космического назначения
Методика обоснования требований к оптическим характеристикам аэрозольных помех для прерывания видения цели оператором тепловизионной системы
Разработка и исследование перспективной системыоптико-электронной обработки сигналов в тепловизорах с матричными приемниками излучения
Квантово-каскадные лазеры и их применение в системах обеспечения безопасности и связи
Сравнительная оценка возможностей обнаружения объектов приборами ночного видения разных поколений
Анализ методов и средств контроля систем дистанционного зондирования земли
Аналитическая методика и результаты расчета радиационного контраста наземных объектов в инфракрасном диапазоне длин волн
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы .
i
Надоели баннеры? Вы всегда можете
отключить рекламу .
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы .
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы .
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы .
i
Надоели баннеры? Вы всегда можете
отключить рекламу .
Подобрать и оформить по ГОСТ список литературы 🚀 Подбор литературы
Излагаются принципы построения и основные положения методики расчета вероятности обнаружения объектовтепловизионными средствами на заданной дальности
The principles of basic provisions and methodology for calculating the probability of detection of objects by means of thermal imaging in a given range
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ТЕПЛОВИЗИОННЫМИ СРЕДСТВАМИ
Излагаются принципы построения и основные положения методики расчета вероятности обнаружения объектовтепловизионными средствами на заданной дальности
Ключевые слова: методика оценки эффективности, математические модели, тепловизионные средства, инфракрасный диапазон, коэффициенты пропускания, разность температур
Рассматриваемая методика предназначена для оценки возможностей тепловизионных средств разведки по обнаружению объектов в диапазонах 3-5и 8 - 14 мкм.Выходными показателями
методики являются вероятностиобнаружения объекта на заданной дальности тепловизионными приборами (ТВП) наземного и воздушного базирования, использующими матричные (несканирующие)фотоприемные устройства(МФПУ).Эти показатели могут использоваться в качестве исходных в методиках более высокого уровня [1].
В основу методики положены математические модели современных тепловизионных приборов [2-4], математические модели процесса обнаружения пространственно-протяженных
объектов по их изображениям [5,6], процессы рассеяния и поглощения инфракрасного (ИК) излучения в атмосфере [7,8], процессы линейной фильтрации излучения многокомпонентной системой [9].
При разработке методики были приняты следующие ограничения и допущения:
определяется в статическом режиме работы, то есть при неограниченном времени наблюдения (поиска) объекта на тепловизионном изображении или при наблюдении объекта, возможное местоположение которого точно известно;
б) в методике не учитываются аберрационные искажения на изображениях, полученных ТВП с короткофокусной оптикой;
модуляции ТВП, как многокомпонентной системы, содержащей объектив, фотоприемник, усилитель, видеоконтрольное устройство, аппроксимируется гауссовской зависимостью;1
г) при проведении расчетов предполагается,
Исходными данными для проведения расчетов с использованием
Афанасьева Елена Михайловна - ВУНЦ ВВС «ВВА», канд. техн. наук, ст.науч.сотрудник, тел. 8(903) 859-95-13 Керков Владимир Георгиевич - ВУНЦ ВВС «ВВА», канд. техн. наук, доцент, тел. 8(908) 136-05-42
рассматриваемойметодики являются следующие характеристики:
- изображение исследуемого объекта, полученное в результате непосредственных измерений или с помощью компьютерного синтезирования;
- линейные размеры объекта1обхЬоб м;
-средняя разность радиационных температур
-фокусное расстояние объектива £ мм; -спектральный коэффициент пропускания объектива тоб(1);
-относительное отверстие объектива Є; -нижняя и верхняя границы спектрального рабочего диапазона 11 и 12 мкм;
-спектральный коэффициент пропускания
- размеры элементов по строке и по кадру асхак, мкм;
-шаг элементов по строке и по кадруДасхДак,
-число элементов (формат) по строке и по кадру Яс хЯк;
-удельная обнаружительная способность
-частота кадров, для которой определены пороговые характеристики ФПУ, ^0, Гц;
-разброс (неоднородности) чувствительности отдельных элементов ФПУ, оотн;
-разность температур, эквивалентная шуму МФПУ ДТо, К;
г) по видеоконтрольному устройству (ВКУ): -число элементов (формат изображения) по
-частота кадров Г, Гц (обычно 25 Гц); -постоянная времени глазаТгл.
-высота расположения объекта Н2, км;
-угол визирования объекта, отсчитываемый от вертикали г?, град;
-метеорологическая дальность видимости8т,
-абсолютная влажность воздуха Ш, г/м3; -относительная влажность воздуха f %; -коэффициенты п0, п1, п2, отвечающие данной метеосиноптической ситуации;
-структурная постоянная турбулентной атмосферы Сп(0), м-2/3.
Ниже приводится содержание разработанной методики, основные положения которой сводятся к следующему.
Изображение объекта в картинной плоскости представляется в виде совокупности распределения радиационных температур элементов объектаи фона наблюдения. На ВКУ человек-оператор осуществляет обнаружение объекта. Согласно современным представлениям зрительный
анализатор человека, наблюдающего изображение объектов, при определенных условиях ведет себя подобно оптимальному линейному фильтру, согласованного с формой этого изображения [9]. Поэтому вероятность обнаружения объекта Р определяется исключительно воспринимаемым отношением сигнал/шумq на выходе данного анализатора [9,11].
Р = 1 / 2[1 + F (ц - ц 0] ,(1) где Г(х) - интеграл вероятности; ц0=3,2 -
соответствующий субъективно оптимальному уровню видности шума на изображении фона.
спектра; n0 - коэффициент, учитывающий
где Т ,т0,тф - коэффициенты пропускания
атмосферы, оптики и оптического фильтра соответственно в рассматриваемом диапазоне
зрительном анализаторе; а - коэффициент,
учитывающий уменьшение контраста изображения объекта за счет его линейной (пространственной и временной) фильтрации в канале ТВП и зрительного анализатора; Г - коэффициент, учитывающий временное накопление сигналов зрительным анализатором в смежных кадрах;
$0 - коэффициент, учитывающий тот факт, что в
отличие от сканирующих ТВП, в современных ТВП основные компоненты шума (фотонный и тепловой шум элемента МФП), определяющие его порог чувствительности, существуют в шумовой полосе не эталонного фильтра, равной [10] А/ = Р / 4 т
, где т - время считывания (аналог времени опроса), а интегратора, составляющей
А/ = 1/21 , что дает для современных ТВП
температур, эквивалентная временному пространственному шуму, соответственно.
Рассмотрим порядокрасчета коэффициентов П0, а ^входящих в (2).
Величина и находится из зависимости
обнаруживаемого контраста от углового размера изображения объекта и в соответствии с [2] определяется в виде
10 yj l + lO/Ci'/mo)1' ^ yj l + lO/Cb'/mo)1' *(3)
Здесь l', b' - эффективные размеры объекта, то есть, пересчитанные в картинную плоскость размеры его эквивалентного изображения (с учетом размытия изображения в канале ТВП); m0 = DSo где D - дальность до объекта, D = (H - H2) sec J; So -элементарное поле
ОТ (VSoehe / b об + 1,95m0 ) (yfsJOJT об + 1,95 m 0 ) (6)
допущении, что зрительный анализатор является оптимальным линейным фильтром, согласованным с изображением объекта [10]
эквивалентными размерами I, Ь то есть с
площадь и соотношение сторон такие же, как у объекта, и определяемые как
v, m - угловые частоты, Ks (v , m) -
функция передачи модуляции (ФПМ) ТВП, как многокомпонентной системы, представляющая произведение ФПМ объектива, фотоприемника, усилителя и видеоконтрольного устройства, которая в соответствии с [9] аппроксимирована гауссовской зависимостью вида
S = 0,55 S .Ошибка! Закладка не определена.
Исходя из данного определения коэффициент ((° представлен в виде [9]
а о = f (I / m ° ) f (Ь / m ° ) .(10)
Рассчитанные по формуле (10) значения функции f (x) представлены в табл. 1.
Зависимость f (x) в [10] аппроксимирована формулой вида
и тогда коэффициент Х) определяется из выражения
Коэффициент Г, учитывающий временное накопление сигналов зрительным анализатором в смежных кадрах в соответствии с [11] находится из выражения
Далее рассмотрим порядок расчета разностей
температур, эквивалентных временному (ДТ ) и
пространственному (ДТ ) шуму, входящих в (2).
В [3] показано, что величина ДТ для
фотонных ФПУ может быть определена из выражения
где Д/э - эквивалентная полоса шума,
равная Д / = —___, где Ґ - время интегрирования
сигнала, снимаемого с элемента ФПУ; £ -
относительное отверстие объектива, равное отношению диаметра (Бо) к фокусному расстоянию объектива (^б); Sпр - площадь элемента ФПУ;
М (Л,Т) - спектральная плотность излучения АЧТ при температуре фона Т ;Тф (Л),То (Л) -
спектральные коэффициенты пропускания фильтра и объектива, соответственно; О* (Л) - удельная
обнаружительная способность ФПУ, см Гц1/2/Вт.
Время интегрирования сигнала, снимаемого с элемента ФПУ, определяется как
^ = 1 / ^0, где ^0 - частота кадров, для
которой определяется пороговая чувствительность ФПУ.
Имея в виду, что рабочий спектр ТВП ограничен конечными границами Л1Л2, в пределах которых ?ф (Л),То (Л), О* (Л) , можно считать
постоянными (средними интегральными) в
диапазоне, выражение (15) можно представить в виде
Значения ймдх , рассчитанные для ДХ:=3-йТ
5мкм и ДХ2=8-14 мкм для различных температур фона Т, приведены в табл.2.
Значения йм дх для диапазонов спектра йТ
ДХ1=3-5мкм и ДХ2=8-14 мкм и ряда значений
Т, К ёМ ДЛ , Вт/см2К ёТ Т,К ёМ ДЛ , Вт/см2К ёТ
240 0,25х10-5 1,25х10-4 290 0,15х10-4 2,4х10-4
250 0,35х10-5 1,5х10-4 295 0,18х10-4 2,5х10-4
260 0,5х10-5 1,7х10-4 300 0,21х10-4 2,6х10-4
270 0,7х10-5 2,0х10-4 310 0,28х10-4 2,9х10-4
280 1,1х10-5 2,2х10-4 320 0,38х10-4 3,2х10-4
Величина порога чувствительности, обусловленная пространственным шумом для температуры фона Т, зависит от разброса (неоднородности) чувствительности (оотн) отдельных элементов ФПУ. В [11] показано, что для не слишком широких диапазонов спектра величина ДТпр имеет следующее приближение
где хср - средняя для ограниченного диапазона длина волны излучения в сантиметрах.
Иногда в качестве пороговой чувствительности ТВП в паспортных данных указывают не удельную обнаружительную способность £)* (X), а разность температур,
эквивалентную шуму, определенную при температуре фона Т=Т0=295°К. Очевидно, это значение порога составляет
соответствующих порогов чувствительности, определенные для Т=Т°=295°К.
Переход от величины ДТо к значению порога
чувствительности, отвечающему реальной, фактической температуре фона Т, может быть выполнен по формуле
ДТ = л/(ДТ 7~и )2 + (ДТ 7~и Ї7 (18)
где Пер, №пр - коэффициенты пересчета значений ДТ , ДТ к ДТ и ДТ
Для прямоугольного вида функций Тф (Л),То (Л) и типовых значений спектральной чувствительности некоторых видов ФПУ коэффициент Мвр приближенно равен [10]
*вр = (ТО) .(19) Значения показателя п даны в табл.3.
Значения показателя п для типовых ФПУ матричного типа и режимов их работы
3-5 мкм 3-5 мкм 8-14 мкм 3-5 мкм 8-14 мкм
Аналогично коэффициент пересчета /ЛПр имеет вид
Значения показателя т приведены в табл. 4.
Значения показателя т для ФПУ матричного типа
В случае если в паспортных данных приведена только суммарная разность температур, эквивалентная шуму (ДТо), а пространственные и
временные составляющие не даны, то последние могут приближенно оценены по формуле
Ниже рассмотрен порядок учетавлияния атмосферы наэффективность ТВП.
Атмосфера воздействует на эффективность ТВП трояким образом:
-ослабляет воспринимаемый ТВП тепловой контраст объекта;
- размывает изображение наблюдаемых через нее объектов, действуя как низкочастотный пространственный фильтр, с соответствующей функцией передачи модуляции (ФПМ);
-излучает, изменяя тепловой контраст объекта, обусловленный различием излучательных характеристик объекта и фона.
Влияние третьего фактора в данной методике не рассматривается, так как в качестве исходных данных выступает радиационный контраст объекта
с фоном (измеренный или рассчитанный), в котором влияние атмосферы уже учтено.
Рассмотрим порядок расчета пропускания атмосферы в диапазонах 3-5 и 8-14 мкм.
Для любого интервала ИК диапазона значение Т (1) может быть записано в виде [13]
Та (1) = Тр (1 )Тп (1 )Ту (1) = exp [-t(1 )]
т(1) = тр (1) + тп (1) + ту (1), (23)
толщина атмосферы на длине волны 1 , обусловленная аэрозольным рассеянием, поглощением излучения парами воды и углекислым газом соответственно. Порядок расчета этих величин приведен в [10].
Для оперативной оценки интегрального коэффициента пропускания в диапазонах спектраД11=3-5 и Д12=8-14 мкм для случая отсутствия в атмосфере гидрометеоров и континентальных климатических условий можно воспользоваться результатами работы [12], в которой приведены следующие соотношения
где sp - коэффициент рассеяния; К -
коэффициент приведения наклонной трассы к эквивалентной приземной трассе для аэрозольного рассеяния.
Коэффициент аэрозольного рассеяния (коэффициент молекулярного рассеяния равен 1) в приземном слое атмосферы для диапазона 3-5 мкм определяется как
s р =(1,66 - 0, 3 5 ln S м ) / S м , (26)
Коэффициент Кр определяется из выражения
Kр =(Kр 1 - Kр2 ) / (Н1 - Н2 ) .(27)
Здесь H, Н2 - высоты расположения ТВП и объекта соответственно.
Значения K . с учетом модели вертикального
профиля коэффициента аэрозольного рассеяния, приведенной в [10], находятся из формул
Значения параметров s1 , s2 , h1 , h2 для стандартной атмосферы приведены в табл.5 [14].
Осредненные параметрымодели высотной стратификации атмосферного аэрозоля________
Время года S, км S2, км hl, км h , км "2
Весна, осень 0,077 0,025 0,22-0,33 1,2-1,7
атмосферными газами, для диапазона 3-5 мкм находится из выражения [12] т— = 0.145(HnD)OS3ln(N/217) + 1.19(HnD)a46,(31) для диапазона 8-14 мкм
t = [0,049 + 0,0156W - 0,011ln( KnD)] (KnDm) (32)
Для расчета абсолютной влажности W ,г/м3можно воспользоваться формулой [13]
W = 2,168 х 10-2 /отнej (273 + t,), (53)
где /отн - относительная влажность воздуха, %; е0 - упругость насыщенного водяного пара Па; tg - температура воздуха, 0С.
Для оценки е0 известна аппроксимация [14]
e0 = exp(-0,000311tg2 + 0,0738tg + 6,41) .(34)
поглощению излучения парами воды находится из соотношения [15]
kп = (Kп1 - Kп2) / (Н1 - н 2); (35)
Kп. = 2,2 [1 - exp (-Н. /2,2 )] .(36)
Разбросы значений 8ми W для европейских климатических условий приведены в табл. 6. При этом вероятность того, что 8м<8мтт или W>Wmax, не превышает 2-3%.
Значения Smu W для европейских климатических
Сезон Наиболее вероятные Минимум S,, км Максимум W, гЛм3
турбулентности при оценке эффективности ТВП
целесообразно учитывать через эквивалентное
элементарное поле зрения 8оэ , полученное с
дТ = 41 (В 2Сп (0 ) / Н 4/3 )°’6 X-0’2
Здесь С п ( 0 ) - характеристическая функция
турбулентной атмосферы в приземном слое
Для горизонтальных приземных трасс на высоте Н значение дТ равно[10]
При Н>>1м на эффективность ТВП воздушного базирования турбулентность
практически не влияет. Напротив, для ТВП наземного базирования, визирующих воздушные объекты, влияние турбулентности,
Для получения представления о порядке величин дТ для горизонтальных приземных трасс (Н »1м) в табл.7 приведены рассчитанные по формуле (40) зависимости дТ = / (В) для среднего
уровня турбулентности (С (0 ) = 10-13 м~2/3).
Значения dT для различных дальностей
Для учета влияния турбулентности на вероятность обнаружения объекта необходимо в формулы (3-6) вместо т0 = Вд0 следует
подставить т'0 = Вдоэ, где величина 5 оэ
Ориентировочные значения С (0) для разных
Далее рассмотрим порядок учета размытия изображения за счет влияния атмосферы.
Размытие изображения обусловлено аэрозольным рассеянием и атмосферной турбулентностью. В [10] показано, что в диапазонах 3-5 и 8-14 мкм функция передачи модуляции, обусловленная рассеянием, близка к 1,
Таблица 8 Ориентировочные значения С (0)
>10-12 Очень высокая (пустыня, ясно, полдень)
5xl0-13 Высокая (пустыня, ясно, утро и вечер)
10-13 Средняя (тропики, ясно, утро и вечер)
10-14 Низкая (пустыня, тропики, ясно, восход и заход Солнца)
Русский Сочинение По Картине Золотая Осень
Сочинение Что Правит
Как Нужно Писать Сочинение По Литературе
Контроль Финансовых Результатов Курсовая
Мини Сочинение По Татарскому Языку Про Хлеб