Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Овсянников Владимир Александрович
Системная оценка и оптимизация несканирующих тепловизионных приборов
Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Казань - 2007
Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Научнопроизводственное объединение Государственный институт прикладной оптики, г. Казань Научный консультант доктор физико-математических наук, профессор Филиппов Вадим Львович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гибин Игорь Сергеевич доктор технических наук, профессор Ильин Герман Иванович доктор физико-математических наук, профессор Козлов Владимир Константинович
Ведущая организация: Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Защита состоится 25 апреля 2008 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.082.01 при Казанском государственном энергетическом университете по адресу: 420066, г.Казань, ул. Красносельская 51, зал заседаний Ученого совета (ауд. Д-223)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного энергетического университета
Автореферат разослан л___________________________ 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Батанова Н.Л.
1.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время в мире широким фронтом ведутся работы по совершенствованию информационно-измерительных средств дистанционного зондирования и мониторинга земной поверхности, которые нашли применение в самых разных областях человеческой деятельности. Важнейшим направлением этих исследований является обеспечение их комплексности, подразумевающей, в частности, создание технических систем, регистрирующих тепловые поля объектов местности.
Научная и практическая значимость разработки техники и технологии исследований пространственного распределения радиационной температуры подстилающей поверхности с различных носителей определяется тем фактом, что тепловое поле этой поверхности отражает наличие, количество, категорию и энергетическое состояние находящихся на ней искусственных или естественных объектов, и данное обстоятельство успешно используется для решения целого ряда военных и гражданских задач: инфракрасной разведки, исследования природных ресурсов, контроля состояния различных инженерных сооружений, особенно в энергетике и строительстве, экологического контроля окружающей среды, обеспечения поисково-спасательных работ и т.д. Одним из наиболее эффективных технических средств решения подобных задач являются тепловизионные приборы (ТВП) воздушного или наземного базирования, обеспечивающие визуализацию тепловых полей объектов местности, в том числе низкотемпературных.
В современных ТВП широко используются разнообразные фотонные (квантовые) охлаждаемые, а в последнее время и тепловые неохлаждаемые приемники излучения, являющиеся по существу основными компонентами этих приборов.
Именно уровень совершенства и значения основных параметров фотоприемных устройств определяют существующий сегодня принцип деления ТВП на соответствующие поколения.
Существенной особенностью приборов последнего, третьего, поколения - несканирующих, или смотрящих, ТВП - является отсутствие оптикомеханической системы сканирования, поскольку число чувствительных элементов используемого матричного фотоприемника (МФП) настолько велико, что он перекрывает все поле зрения ТВП. Замена оптико-механического сканирования электронным устраняет искажения изображения, упрощает аппаратуру, снижает ее стоимость, массу, габариты и энергопотребление (благодаря отсутствию блока сканирования, а с тепловыми МФП - и блока охлаждения), повышает надежность и виброудароустойчивость. При этом за счет накопления сигналов в элементах МФП за время, близкое к периоду кадра, в несканирующих ТВП, в принципе, может быть получена чрезвычайно высокая температурная чувствительность, достигающая 0,001 К, что, обеспечивая эффективную работу ТВП, например, в неблагоприятных погодных условиях или при наблюдении слабоконтрастных или замаскированных объектов, по мнению И.И.Таубкина и М.А.Тришенкова, приближает тепловизионные изображения по информационной емкости к зрению человека и позволяет совершить качественный переход: от видения источников тепла к видению в тепловых лучах. Внедрение в оптико-электронное приборо строение МФП считается в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений как при создании сложных систем с весьма высокими техническими характеристиками, так и при разработке малогабаритных, недорогих ТВП с неохлаждаемыми тепловыми матрицами, пригодных для решения широкого круга задач в промышленности, военном деле, в медицине, на транспорте и в быту. При этом отметим, что именно с появлением МФП была реализована единственная оставшаяся возможность радикального снижения (улучшения) порога чувствительности ТВП, ибо все другие возможности для этого (повышение удельной обнаружительной способности фотоприемника, относительного отверстия объектива, эффективности сканирования и т.д.) уже были исчерпаны.
Для анализа и синтеза ТВП первых поколений ранее использовались хорошо известные, ставшие уже классическими, методы, описанные, например, в трудах Дж. Ллойда, Ж. Госсорга, Л.З. Криксунова, М.М. Мирошникова, Л.Ф. Порфирьева, Ю.Г. Якушенкова и др. Однако при разработке несканирующих ТВП необходимо учитывать следующие основные факторы, которые требуют иных подходов к их системной оценке и оптимизации, а именно:
Х существование феномена накопления сигналов в элементах МФП за время, близкое к периоду кадра, и возможность его функционирования в режиме ограничения фоном;
Х наличие выборки (дискретизации) сигналов, что вызывает необходимость соответствующей модификации традиционных основных технических параметров и характеристик ТВП и методов их измерения, обусловленной, в частности, возникновением псевдочастот, отсутствующих в спектре оригинального видеосигнала, и соответствующих артефактов изображения;
Х появление на тепловизионном изображении пространственного, или геометрического, шума, связанного, в основном, с остаточным разбросом интегральной чувствительности элементов МФП и, следовательно, в отличие от временного, коррелированного в смежных кадрах ТВП;
Х присутствие в информационном тракте ТВП дополнительных, искажающих видеосигнал компонентов, определяемых особенностями схем считывания накопленных сигналов и их усиления.
Таким образом, несканирующие ТВП обладают качественно новыми возможностями при поиске, наблюдении и контроле объектов местности, поэтому соответствующие научно обоснованные концептуальные, методологические и технические решения, связанные с их разработкой и испытаниями, учитывающие специфику этих ТВП, безусловно, вносят весомый вклад в развитие экономики и укрепление обороноспособности государства.
Подробнейший обзор состояния, схем построения, конструкций и параметров ИК систем смотрящего типа и их элементной базы представлен в недавней книге В.В.Тарасова и Ю.Г.Якушенкова - по существу, первой отечественной монографии на эту тему. Однако немаловажную роль играют работы не только фактологического, но и, особенно в долгосрочном плане, методологического характера, посвященные систематизации, обобщению и дальнейшему развитию методов прикладной теории анализа и синтеза современных ТВП, которые, не привязываясь к конкретным техническим параметрам, схемам построения и особенно стям конструктивного и технологического исполнения ТВП и, следовательно, не завися от эволюции данных факторов, являлись бы своего рода рабочим инструментом в руках проектировщика при создании и прогнозе эффективности вновь разрабатываемых приборов. Именно подобное основное практическое значение представляемой работы и видится ее автору.
При проектировании любой аппаратуры, в том числе несканирующих ТВП, как правило, возникает триединая проблема системного моделирования, оптимизации и аттестации этой аппаратуры, последовательно охватывающая все основные этапы ее создания (исключая конструкторско-технологическую проработку и изготовление). Под системным моделированием ТВП здесь понимается системно-структурный анализ внутренних взаимосвязей всех основных факторов, влияющих на важнейший критерий качества ТВП как целого - его эффективность, а именно: фоно-целевой обстановки, основных технических параметров ТВП и его элементов, характеристик атмосферы, условий применения ТВП и наблюдения изображения, индивидуальных особенностей зрительного анализатора оператора и его квалификации.
Анализ состояния вопросов системного моделирования, оптимизации и аттестации несканирующих ТВП выявил следующее:
Х существующие методики расчетной оценки тепловых контрастов объектов местности, определяющих входные сигналы ТВП, недостаточно полны и не учитывают, в частности, местоположения и условий наблюдения этих объектов;
Х имеющиеся практические методики приведения паспортных показателей пороговой чувствительности МФП к реальным условиям их применения не предусматривают возможности работы МФП в режиме ограничения фоном;
Х не разработаны достаточно точные, пригодные для широкого диапазона условий применения, методики прогнозирования информационной эффективности, в частности дальности действия, несканирующих ТВП в статическом режиме работы. Отсутствуют методики комплексной оценки эффективности ТВП в динамическом режиме работы;
Х не разработаны методики оценки эффективности многоспектральных видовых оптико-электронных систем (ОЭС), использующих комплексирование разноспектральных изображений. Недостаточно обоснованы рекомендации по выбору спектральных рабочих диапазонов этих ОЭС, в том числе ТВП;
Х отсутствует методология оптимизации несканирующих ТВП, в частности по критерию обеспечения требуемой эффективности при минимальных массогабаритных и стоимостных показателях, и параметров движения носителей ТВП;
Х известные методы натурной и стендовой аттестации несканирующих ТВП недостаточно представительны, точны и достоверны.
Обобщение этих и других противоречий, требующих разрешения, однозначно указывает на наличие актуальной научной проблемы, заключающейся в разработке концептуального, теоретического и методологического обеспечения системной оценки и оптимизации несканирующих ТВП, что позволило бы в максимально полной мере оценить и реализовать их потенциально высокие функциональные возможности. Тематика и содержание наших исследований, направлен ных на решение этой проблемы, соответствуют планам выполняемых ФГУП НПО Государственный институт прикладной оптики НИОКР, являющихся составной частью Федеральной целевой программы Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002Ц2006гг.
В соответствии с изложенным, объектом настоящего исследования являются современные ТВП третьего поколения, использующие матричные фотоприемники, как фотонные охлаждаемые, так и тепловые неохлаждаемые. Его предмет составляют насущные вопросы расчета, прогнозирования и повышения эффективности, а также испытаний этих ТВП. Цель работы заключается в разработке научно обоснованного комплекса методов системной расчетноэкспериментальной оценки и оптимизации несканирующих ТВП воздушного и наземного базирования, предназначенных для поиска, наблюдения и контроля искусственных и природных объектов местности. Постановка обозначенной цели определяет соответствующие задачи исследований:
1. Разработка инженерных методов прогнозирования тепловых контрастов объектов местности, наблюдаемых посредством ТВП, с учетом местоположения и условий визирования этих объектов.
2. Совершенствование процедуры пересчета различных паспортных показателей пороговой чувствительности МФП на реальные условия их применения в ТВП, в том числе для режима ограничения фоном.
3. Формирование иерархической системы описания ТВП, расширение области применения и уточнение существующих характеристических и операциональных математических моделей несканирующих ТВП для статического режима работы.
Разработка операциональных моделей ТВП воздушного и наземного базирования для динамического режима работы при поиске, наблюдении и контроле объектов местности. Исследование влияния на эффективность ТВП турбулентности атмосферы. Разработка методики оценки вероятности обнаружения объектов по их поляризационному тепловому контрасту.
4. Оценка эффективности комплексирования изображений, формируемых многоспектральными ОЭС, в частности ТВП, обоснование и формулирование практических рекомендаций по выбору их спектральных рабочих диапазонов.
5. Разработка методологии рационального выбора основных технических и конструктивных параметров несканирующих ТВП при решении соответствующих задач землеобзора, а также параметров движения носителей этих ТВП.
6. Обоснование принципов и разработка методов повышения представительности, точности и достоверности результатов аттестации несканирующих ТВП в натурных и стендовых условиях по дальности действия.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В основу выполненных исследований положен системный подход, при котором с единых методологических позиций, с учетом внутренних взаимосвязей, формирующих в итоге целостную теоретическую картину, рассмотрены все основные аспекты прикладной теории анализа, синтеза, аттестации, оценки и повышения эффективности несканирующих ТВП. Фундаментом, исходной базой для исследований послужили главным образом результаты соответствующих экспериментальных и теоретических работ зарубежных авторов, опубликованные в основном в журнале Optical Engineering за последние 10-15 лет и позднее обобщенные и систематизированные в монографии Д.Холста (издание SPIE Рress, США, 2003г.), а также разработки отечественных специалистов. Дальнейшее развитие этих результатов, существенно дополненных результатами наших оригинальных исследований, и легло в основу настоящей диссертации. При выполнении работы на различных ее этапах использовались расчетно-аналитические и, отчасти, эмпирические методы исследований, в том числе математическое моделирование, вероятностные и статистические методы. Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена достоверностью, непротиворечивостью и достаточностью исходных положений, как правило апробированных или полученных экспериментально, логическим обоснованием и корректностью использованных математических моделей и приемов, критическим и сопоставительным анализом этих результатов, их сходимостью с экспериментальными данными и возможностью предельного перехода к известным частным результатам, а также успешной реализацией при разработке ряда образцов современных ТВП.
Научная новизна работы заключается в решении новой научной проблемы - обосновании и разработке методологии системной оценки и оптимизации несканирующих ТВП за счет комплексного рассмотрения вопросов:
Х формирования и прогнозирования входных сигналов ТВП - теплового контраста наземных объектов в спектральных рабочих диапазонах ТВП с учетом местоположения и условий наблюдения этих объектов;
Х пересчета паспортных показателей пороговой чувствительности фотонных охлаждаемых и тепловых неохлаждаемых МФП на фактические условия их использования в ТВП, в том числе для режима ограничения фоном;
Х создания иерархической системы описания ТВП, обоснования состава и расчета основных технических параметров и характеристик несканирующих ТВП;
Х прогнозирования эффективности несканирующих ТВП в статическом и динамическом режимах работы при поиске, наблюдении и контроле объектов местности;
Х оценки влияния на эффективность ТВП турбулентности атмосферы и использования поляризационного теплового контраста объектов;
Х оценки эффективности комплексирования спектральных каналов видовых ОЭС и оптимального выбора спектральных рабочих диапазонов этих ОЭС, в том числе ТВП;
Х оптимизации основных технических и конструктивных параметров несканирующих ТВП и параметров движения их носителей;
Х совершенствования принципов и методов повышения представительности, достоверности и точности результатов аттестации несканирующих ТВП по дальности действия.
Новые научные результаты, полученные лично автором. Автором на базе комплексного, критического анализа состояния и перспектив развития методологии проектирования и испытаний ТВП поставлена и решена актуальная, вытекающая из нужд практики, проблема совершенствования теоретических основ современного тепловизионного приборостроения - существенно развиты имею щиеся и разработаны качественно новые методы системного моделирования, оптимизации и аттестации несканирующих ТВП:
1. Предложена инженерная методика оценки теплового контраста наземных объектов в спектральных рабочих диапазонах ТВП 3-5 и 8-14 мкм в зависимости от местоположения и условий наблюдения этих объектов.
2. Обоснованы процедуры пересчета пороговой чувствительности фотонных и тепловых МФП, определяемой их пороговой облученностью или разностью температур, эквивалентной шуму, полученных в нормированных условиях паспортизации, на реальные условия их применения в ТВП, в частности для режима ограничения фоном.
3. Впервые сформирована взаимоувязанная, замкнутая и внутренне непротиворечивая иерархическая система описания современных ТВП, позволяющая проводить анализ и оптимизацию ТВП на различных уровнях - от показателей эффективности в статическом или динамическом режиме функционирования до показателей полезности, определяемых экономическим эффектом, возникающим от применения разработанного прибора. Определен состав основных и дополнительных показателей эффективности, перечень основных технических параметров несканирующих ТВП, необходимый и достаточный (со стороны ТВП) для оценки их эффективности, и найдены предельно достижимые значения отмеченных параметров. Показано, что между различными основными техническими параметрами, характеризующими разрешающую способность ТВП, имеют место жесткие и предельно простые соотношения.
Расширены области применения и значительно уточнены характеристические модели несканирующих ТВП с фотонными охлаждаемыми или тепловыми неохлаждаемыми МФП, обеспечивающие расчет основных технических параметров и характеристик этих ТВП, и их операциональные модели для статического режима работы, дающие возможность оценки вероятности и дальности вскрытия - обнаружения или распознавания - объектов местности. Впервые установлены значения критериев Джонсона применительно к вскрытию объекта класса ростовая фигура человека.
Впервые созданы операциональные модели ТВП для динамического режима работы - комплексные методики расчета их показателей эффективности - с учетом движения, ограниченного времени жизни и времени поиска объектов на местности и на изображении и стратегии этого поиска. Предложены упрощенные показатели эффективности ТВП воздушного и наземного базирования для динамического режима работы. Исследовано влияние на эффективность ТВП турбулентности атмосферы. Разработана методика расчета вероятности обнаружения объектов посредством ТВП, использующих их поляризационный тепловой контраст.
4. Представлена методика оценки эффективности комплексирования (объединения) разноспектральных изображений. Предложен критерий и сформулированы практические рекомендации по рациональному выбору спектральных рабочих диапазонов многоспектральных ОЭС, в том числе ТВП.
5. Впервые разработана методология аналитической оптимизации основных технических (разности температур, эквивалентной шуму, эффективного значения элементарного поля зрения) и конструктивных (диаметра и фокусного расстояния объектива) параметров несканирующих ТВП, обеспечивающей решение кардинальной задачи проектирования - достижения требуемых значений дальности вскрытия заданной совокупности объектов при минимальных массогабаритных, а значит, и стоимостных показателях этих ТВП. Определен критерий целесообразности использования в несканирующих ТВП микросканирования. Обоснованы оптимальные соотношения размеров кружка рассеяния объектива и элемента МФП. Даны рекомендации по рациональному выбору высоты и скорости носителя ТВП воздушного базирования.
6. Предложена процедура приведения результатов экспериментальных оценок дальности действия ТВП к нормированным условиям с одновременным повышением достоверности полученных результатов и уточнены сами такие условия.
Обоснованы способы повышения достоверности натурного и стендового - объективного и субъективного - контроля дальности действия ТВП, а также простые и, вместе с тем, достаточно представительные и точные методы измерения температурно-частотной характеристики и эффективного значения элементарного поля зрения несканирующих ТВП.
На защиту выносится научно-методический аппарат аналитического и зкспериментального оценивания и оптимизации несканирующих ТВП, включающий:
Х инженерную методику расчетной оценки входных сигналов ТВП - теплового контраста наземных объектов в зависимости от их местоположения и условий наблюдения;
Х методику приведения паспортных показателей пороговой чувствительности МФП на фактические условия их использования в ТВП;
Х иерархическую систему описания, характеристические и операциональные математические модели несканирующих ТВП воздушного и наземного базирования в статическом и динамическом режимах работы при поиске, наблюдении и контроле объектов местности;
Х методику оценки эффективности комплексирования изображений, формируемых многоспектральными видовыми ОЭС, и рационального выбора спектральных рабочих диапазонов этих ОЭС, в том числе ТВП;
Х методологию аналитической оптимизации основных технических и конструктивных параметров несканирующих ТВП и параметров движения их носителей;
Х принципы и методы повышения представительности, достоверности и точности результатов аттестации несканирующих ТВП в натурных и стендовых условиях по дальности действия.
Теоретическая значимость. Полученные при выполнении данной работы новые научные результаты раскрывают роль и глубинные взаимосвязи множества различных факторов, воздействующих на основной показатель качества любого ТВП - его эффективность, и, выявляя закономерности изменения этих факторов в тех или иных ситуациях и соответствующие обменные соотношения в ТВП, прямо способствуют повышению уровня концептуального, теоретического и методологического обеспечения решения целого ряда задач, возникающих при разработке и испытаниях современных ТВП, стимулируя тем самым развитие науч ного фундамента тепловизионного приборостроения. Представленное на основе единого подхода изложение предмета, затрагивающее в той или иной степени все основные аспекты кардинальной проблемы анализа и синтеза этих ТВП, может послужить аналитическим базисом и для дальнейших исследований и расчетов в сфере прикладного тепловидения.
Практическая значимость и внедрение. Практическая значимость результатов, представленных в диссертации, определяется выраженной прикладной направленностью поставленных в ней задач и технически реализуемыми способами их решения и проявляется в создании научно обоснованной и апробированной на практике системы методов разработки и испытаний современных ТВП:
1. Усовершенствованные, а также вновь разработанные характеристические и операциональные модели несканирующих ТВП дают возможность значительного повышения точности прогнозирования показателей эффективности, в том числе дальности действия, несканирующих ТВП в широком диапазоне условий применения для статического и динамического режимов работы.
2. Предложенная методология оптимизации основных технических и конструктивных параметров несканирующих ТВП, используемых для поиска, наблюдения и контроля объектов местности, позволяет обеспечить максимально полную реализацию потенциально высоких функциональных возможностей этих ТВП при их минимальных массогабаритных и стоимостных показателях.
3. Разработанные принципы и методы измерения и контроля дальности действия несканирующих ТВП повышают представительность, точность и достоверность результатов их аттестации в натурных и стендовых условиях.
4. Представленные научные результаты, связанные с развитием теоретических основ современного тепловизионного приборостроения, позволяют улучшить качество учебного процесса при подготовке студентов вузов по соответствующим приборостроительным специальностям.
5. Полученные в ходе исследований математические модели, процедуры и алгоритмы, а также широкий спектр графиков, таблиц, отдельных формул и численных результатов представляют практическую ценность как систематизированная база данных, способная обеспечить упорядочение, формализацию и автоматизацию этапов разработки и испытаний современных ТВП, а в перспективе - и решение многих новых задач в области прикладной теории тепловизионного приборостроения.
6. Предложенные подходы к анализу, синтезу и аттестации современных ТВП могут быть с успехом адаптированы применительно к решению соответствующих задач, возникающих при проектировании и аттестации иконической аппаратуры и других видов - телевизионной и приборов ночного видения.
Представленные в диссертации результаты, в полном объеме отраженные в публикациях автора, знакомых широкому кругу специалистов профильных предприятий и вузов страны, внедрены и используются для рационального проектирования, аттестации и прогнозирования эффективности современных ТВП различного класса и назначения. В частности, они внедрены на ФГУП НПО Государственный институт прикладной оптики, в ЗАО НПФ Оптоойл, а также использованы в Государственном научно-исследовательском и испытательном ин ституте проблем технической защиты информации (г.Воронеж). Ряд вопросов, рассмотренных в диссертации, излагается в лекционном курсе Проектирование ИК систем, читаемом автором в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева.
Публикации и апробация работы. Полученные в работе результаты опубликованы в четырех монографиях, 20 статьях в журналах, соответствующих перечню ВАК, и были доложены на 18-й и 19-й Международных конференциях по фотоэлектронике и приборам ночного видения (г.Москва, 2004г. и 2006г.), Втором международном форуме Оптика-2006 (г.Москва) и 19-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля окружающей среды, веществ, материалов и изделий (г.Казань, 2007г.). Перечень основных публикаций по теме диссертации представлен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 387 страницах, включая 69 рисунков, 34 таблицы и библиографический список из 315 наименований.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы проблема, объект, предмет, цель, задачи и научная новизна исследований, их теоретическая и практическая значимость, новые научные результаты, полученные лично автором, положения, выносимые на защиту.
Неотъемлемой составной частью системной модели любого ТВП являются методы определения его входных сигналов. Однако известные методики их расчета не учитывают такие важные факторы, как локализация и условия наблюдения объектов местности. Поэтому в первом разделе диссертации описана разработанная автором инженерная методика оценки разности радиационных температур объекта и фона в различных условиях применения ТВП и развиты методы расчета температурных полей типового объекта - плоской пластины, имитирующей стенки корпуса объекта, - в стационарном и нестационарном режимах теплообмена - при линейном, скачкообразном и гармоническом законах изменения эффективной температуры окружающей среды (с учетом солнечного излучения).
Поскольку ТВП воспринимает в качестве входного сигнала разность радиационных температур объекта и фона TRj в соответствующем спектральном рабочем диапазоне 1 = 3-5 мкм или 2 = 8-14 мкм, то для оценки его эффективности практически важно выполнить расчетную оценку этой разности.
Анализ полученных нами соответствующих экспериментальных данных показал, что для известной разности температур Т = Тоб - Т и коэффициентов излучения = обj - объекта и фона в спектральном рабочем диапазоне ТВП j j j значения искомой разности радиационных температур TRj - теплового контраста объекта - могут быть оценены по формуле TRj = обjT + Tj*;
Т* = + 0,09[(1 - ) -(1 - 1)]Е (1);
об1 о 1 1 1 (1) (2);
Т* = 2 2 = Еоб Е, о где Еоб, E - интегральная облученность от Солнца объекта и фона соответственно, Вт/м2, j - параметр, К, значения которого в зависимости от местоположения, состояния облачности и ориентации визируемой поверхности объекта (горизонтальная, вертикальная) приведены в табл. 1.
Таблица 1. Значения параметра j, К Облачность Высокая Низкая Низкая Местоположение Безоблачно перистая слоистая слоистая объекта 5 баллов 5 баллов 10 баллов гор. вер. гор. вер. гор. вер. гор. вер.
Открытая местность 24/42 13/17 17/25 8/9 12/15 4/4 5/5 2/Лесная поляна 14/18 4/4 12/15 4/4 9/10 3/3 4/4 2/Среди деревьев 7/7 2/2 5/5 2/2 4/4 2/2 3/3 1,5/1, Примечание. Значение j в числителе отвечает диапазону 3-5 мкм, в знаменателе - 8-14 мкм.
Для практических расчетов значений TRj по (1) в работе приведены литературные сведения по коэффициентам излуTRj 1, день чения различных материалов и типов фонов и методы оценки облученности от Солнца 2, день, ночь соответствующих поверхностей. В частности, для объекта, покрытого эмалью защит1, ночь ного цвета и находящегося на фоне зелени, имеют место средние значения об1 = 0,74, об2 = 0,93, 1 = 0,88, 2 = 0,93. Этому по (1) отвечают зависимости теплового контраста -2 2 4 T TRj объекта в указанных диапазонах спек-тра от его температурного контраста Т для ночного и дневного времени суток (высота -Рис. Солнца 30, ясно, визирование в надир), представленные на рис. 1. Из него, в частности, следует, что днем для данного объекта имеет место соотношение TR1 > TR2, а ночью - TR1 < TR2. При этом погрешность расчета TRj определяется главным образом погрешностью оценок значений обj и j, и она обычно не превышает 1 К.
На основе представления о зрительном анализаторе оператора как оптимальном пространственном фильтре в разделе также показано, что для объекта с не равномерной по поверхности радиационной температурой средняя, эффективная разность T составляет R n 1/ T =, i TRiSi R Soб = где Si - площадь i-го фрагмента объекта с соответствующей разностью радиационных температур TRi; Sоб - общая видимая площадь объекта.
Приведенные сведения обеспечивают возможность прогнозной оценки тепловых контрастов TRj типовых объектов местности, для чего необходимо измерить или рассчитать по представленным в разделе полуэмпирическим или аналитическим методикам, развитым автором, разность температур объекта и фона Т, а затем, воспользовавшись описанной выше методикой, определить искомое значение TRj.
Во втором разделе диссертации разрабатываются модифицированные процедуры приведения различных паспортных показателей пороговой чувствительности МФП к реальным условиям их применения в ТВП.
Одним из таких показателей является пороговая облученность Ео, Вт/см2, определяемая как интегральная облученность элемента МФП от эталонного черного тела с нормированной температурой Тн (обычно, согласно ГОСТ 17772Ц88, Тн = 500 К), создающая на выходе системы считывания отношение сигнал/шум, равное 1. При этом предполагается, что при измерении шумов угол зрения МФП на фон с температурой То = 295 К ограничен круглой охлаждаемой диафрагмой с плоским углом 2о и соответствующим относительным отверстием = 2 1 sin2 o - 1, охлаждаемый оптический фильтр имеет спектральный коэфo фициент пропускания фо() (нередко при паспортизации МФП этот фильтр отсутствует, и тогда формально фо() = 1).
В реальном ТВП, использующем конкретный образец МФП с известным значением пороговой облученности Ео, относительное отверстие охлаждаемой диафрагмы, согласованное с заданным апертурным углом объектива, вообще говоря, отличается от о, используемый оптический фильтр имеет спектральный коэффициент пропускания ф(), не совпадающий с фо(), а температура фона Т отлична от нормированного значения То = 295 К. Кроме того, фактическое (с учетом степени заполнения потенциальных ям МФП) время интегрирования tи,с, может не совпадать с временем tи0, использованным при паспортизации. При этом возникает необходимость пересчета паспортного значения Ео от указанных выше нормированных условий на реальные. Как показано в разделе, для искомого значения пороговой облученности МФП Еm на длине волны m, соответствующей максимальному значению его относительной спектральной чувствительности S(), в реальных условиях имеет место выражение (шум считывания и усилителя здесь считаем пренебрежимо малым) 1/ 2 Kн Eotuo hс M Em = + - Mэф ; Мэф=Мо/Во; К = М/М; m =(m);
tu mmSntuKn B 4 M = ()d = T ; M = ()S()ф()d; B = + 1; B = + 1, (2) M M o 2 o o где Кн - значение К при Т = Тн и ф() = фо(); М(), Мо() - спектральная плотность энергетической светимости черного тела с температурой Т и То соответственно, Вт/см2мкм; () - спектральная квантовая эффективность МФП; Кn - коэффициент переноса зарядов в МФП; Sn - площадь элемента МФП, см2; h = 6,6210-34 Джс; c = 31014 мкм/с; = 5,6710-12 Вт/см2К4.
При этом автоматически учитывается возможность работы МФП и в режиме ограничения фоном.
Иногда значение пороговой облученности Ео указывается для заданного уровня интегральной облученности Еф, Вт/см2, элемента МФП от фона с температурой То. Это значение Еф связано с о следующим образом: KoEф = М Bo, о где Ко - значение К при Т = То и ф() = фо().
В ряде случаев (в основном для опытных образцов МФП) вместо значения Еф, Вт/см2, приводится значение облученности элемента МФП Qф, фотон/см2с, для которого была получена данная величина пороговой облученности Ео. Связь между этими величинами устанавливается формулой Еф = hcQф/о Ко. Аналогичное соотношение имеет место и между значениями пороговой облученности МФП Ео и Qо, которые измеряются в Вт/см2 и фотон/см2с соответственно:
o ( o) Ео=hcQо/оКн*, где Ко* и Кн* - значения Ко и Кн при S()= ;
( 0 > o) 0 - длинноволновая граница спектральной чувствительности МФП.
Нередко пороговая чувствительность МФП определяется разностью температур, эквивалентной временнму шуму, То, вычисленной при тех же условиях, что и Ео. Можно показать, что между Ео и То имеет место соотношение TоУо Мо 1,44 104 Eo = ; Уо = = Мо()S()фо()d / ..
КнB То То о o Для расчета значения Еm для неохлаждаемых тепловых МФП можно воспользоваться той же формулой (2) при Мэф = М/В, Кн = 1.
Данная методика пересчета использует традиционные для разработчиков ТВП понятия и характеристики и пригодна для оценки пороговой чувствительности практически любых МФП.
Третий раздел диссертации посвящен дальнейшему совершенствованию существующих и разработке новых характеристических и операциональных моделей ТВП воздушного и наземного базирования в статическом и динамическом режимах работы при решении задач поиска, наблюдения и контроля объектов местности. Формирование данных моделей следует начать с создания иерархической системы описания ТВП (рис.2).
Высший уровень этой системы соПоказатели полезности ТВП ставляют показатели полезности, которые очень часто могут быть отождествПоказатели Показатели назначения лены с соответствующим экономичестоимости ским эффектом, возникающим от приКонструктивные Показатели эффективности менения разработанного прибора. На показатели в динамическом режиме типовом примере минимизации общих Условия средних ожидаемых затрат, равных + применения сумме затрат на периодическое патрулирование посредством ТВП воздушноПоказатели эффективно- Показатели сти в статическом режиме производительности го базирования нефтепровода с целью раннего выявления утечки нефтепроПараметры Параметры + + объекта и атмосферы носителя дукта и потерь от существования этой утечки в разделе показано, что констТЧХ, ТПХ руирование подобных показателей Условия наблюдения Условия наблюдеСвойства полезности дает принципиальную воз+ изображения ния изображения оператора можность оптимизации и сравнения обОсновные технические параметры ТВП разцов ТВП по весьма общему критерию типа стоимость - эффективРис.ность, причем обычно максимизация функционала полезности может быть реализована не только посредством рационального построения ТВП, но и путем одновременной оптимизации тактики его применения - выбора высоты, скорости и траектории движения носителя, периодичности поиска и т.д.
Статический режим работы ТВП имеет место при неограниченном времени наблюдения оператором изображения постоянно существующего неподвижного объекта местности. Основными показателями эффективности ТВП в этом режиме являются вероятность вскрытия Р = f(D) объекта на заданной дальности D, даль-ность вскрытия D = f (P) объекта с заданной вероятностью - дальность действия ТВП, - а также тесно связанное с величиной Р разрешение на местности А - полупериод разрешаемой эквивалентной тепловой миры - и рабочее угловое разрешение o =2А/D. Кроме того, ТВП принято характеризовать дополнительными показателями эффективности - обнаруживаемой разностью температур Тобн, разрешаемой разностью температур Траз, угловым разрешением (все по ГОСТ 27675 - 88), коэффициентом всесуточности с - средней долей суток, в течение которой эффективность ТВП не ограничена тепловым контрастом объектов, коэффициентом всепогодности п - средней долей времени, в течение которой эффективность ТВП не ограничена погодными условиями, - а также основными рабочими характеристиками - температурно-частотной (ТЧХ) и температурно-пространственной (ТПХ).
Динамический режим работы возникает при ограниченном времени поиска объектов или наблюдения изображения, при движении аппаратуры или объектов относительно друг друга или при вскрытии эпизодически появляющихся объектов местности. Для этого режима в литературе предложено использовать следующие показатели эффективности: интенсивность поиска n1 - математическое ожидание числа объектов, вскрытых в единицу времени, вероятность Р(t) вскрытия объекта за заданное время; среднее число n(t) объектов, вскрытых за заданное время; среднее время t вскрытия объекта. Очевидно, эти показатели зависят не только от самого ТВП и параметров объекта, фона и атмосферы, но, например для ТВП воздушного базирования, и от его производительности - площади местности, просматриваемой в единицу времени, - а также от стратегии поиска, состояния облачности и других условий применения ТВП.
Однако показатели эффективности непригодны для описания собственно ТВП, ибо они зависят не только от него самого, но также от условий его использования и параметров объекта и фона. Поэтому на этапе разработки ТВП целесообразно использовать систему его основных технических параметров, зависящих только от самого прибора, которые должны быть необходимыми и достаточными для оценки (со стороны ТВП) его эффективности. В эту систему нами рекомендуется включить: разности температур, эквивалентные временному и пространственному шуму, Твр и Тпр соответственно, эффективное значение элементарного поля зрения , поле зрения 2c х 2к, cпектральный рабочий диапазон , частоту кадров F.
Анализ свидетельствует, что для уточненного расчета разности температур, эквивалентной суммарному шуму, T следует учитывать как остаточный (после коррекции) разброс интегральной чувствительности элементов МФП, так и вариации обнаружительной способности этих элементов, а эффективного значения элементарного поля зрения - выборку и другие факторы, вызывающие деградацию тепловизионного изображения, - неэффективность переноса зарядов и их диффузионное размытие. В разделе показано, что для расчета значений Твр, Тпр и можно использовать и приближенные выражения:
(4 +1)ЕmК 1,44 104 p 2,Tвр = ; У = p М ()S()об()ф()d ; К = exp(25 );
У Т Мотн Tпр = - для охлаждаемых фотонных МФП с охлаждаемыми апертурными У 4 5,67 10-12T (4/ +1)отн диафрагмами и спектральными фильтрами; Tпр = - У для неохлаждаемых тепловых МФП;
0,52 ;
= 0; = 1+ 0,22(об -1) + + 0,22 (3) 22Z 2 -1 2 = а/а; об = dоб/a; = n / n, где - относительное СКО разброса обнаружительной способности элементов МФП; отн - относительное СКО остаточного разброса интегральной чувствительности элементов; 0 - элементарное поле зрения ТВП; dоб - диаметр кружка рассеяния объектива; a - размер элемента МФП; а - шаг (период) структуры МФП; Z - электронное увеличение изображения; n и n - число элементов изображения и МФП соответственно.
При работе ТВП в режиме ограничения фоном для Тпр = 0, типовых значений об = 2, = 1, tи = 0,04 с и практически максимального диаметра дифракционно-ограниченного объектива 30 см нами найдены соответствующие предельно достижимые значения основных технических параметров ТВП (табл.2).
Таблица 2. Предельные значения T и для несканирующих ТВП , мкм T, К , мрад Фотонный Тепловой МФП МФП 3-5 0,006 0,3 0,8-14 0,001 0,006 0,Поскольку значение T для ТВП с неохлаждаемыми тепловыми МФП для спектрального рабочего диапазона 3-5 мкм, как видно, слишком велико, ТВП на этих МФП имеет смысл разрабатывать лишь на диапазон спектра 8-14 мкм.
Обычная, статическая ТЧХ, традиционно используемая для описания сканирующих ТВП, для характеризации несканирующих ТВП малопригодна. Возможности этих ТВП при выделении (обнаружении на неоднородном фоне), классификации и идентификации объектов, как известно, наиболее полно и точно определяются динамической ТЧХ, которая, в отличие от статической, однозначна (не зависит от фазы миры), монотонна во всей области определения и не ограничена частотой Найквиста; для ее оценки необходимо учитывать, в частности, смаз изображения, возникающий при движении миры, и соответствующую декорреляцию пространственного шума ТВП в смежных кадрах. Полученное нами с использованием известной из литературы уточненной модели зрительного анализатора, учитывающей его реальные (а не идеальные) пространственно-временные интегрирующие свойства при восприятии визуальных сигналов, выражение для этой ТЧХ имеет следующий вид (в относительных единицах):
Tразar = max 0,073m;
To (4) 0,42m z 1+10 (7 2z)1,2 2 = F1(z); T = Tвр + Тпр ;
K(z) 1+ exp(-1 FTгл) 2 2 r = ; K (z)= exp(- 2 o z ) ; o = 0,55, o =1,25; z =, 1- exp(-1 FTгл) где - угловая частота миры; a - коэффициент пропускания атмосферы; Tгл - постоянная времени глаза, зависящая от яркости изображения; K(z) - результирующая функция передачи модуляции ТВП; m - требуемое отношение сигнал/шум (для вероятности разрешения миры Р = 0,5 имеем m =3,2).
Если оператор не имеет возможности оптимизировать яркость изображения разрешаемой им миры каждой данной частоты, то, как можно показать, выражение для относительной ТЧХ примет вид:
Tразаr F1(z) = = F2(z).
T0 1- 0,05F1(z) Эффективность ТВП при обнаружении объектов на однородном фоне определяется его ПЧХ. Для расчета ПЧХ с учетом той же модели зрительного анализатора нами получено следующее выражение (в относительных единицах):
Tобн r 0,8m 11 a = ; n = ; 0 =, To noo 1+10 (( +1,95))1,2 1+ 3,8 ( )где - угловой размер объекта.
Общепризнанной моделью обнаружения и распознавания объектов на неоднородном фоне посредством ТВП является эмпирическая модель Центра ночного видения и электронных датчиков (США), основанная на концепции эквивалентных мир. Однако эта модель не учитывает такой существенный фактор, как квалификация оператора. Поэтому была поставлена задача представить эту модель в форме, соответствующей известным теоретическим предпосылкам, и дополнительно учесть квалификацию оператора, что, как показано в разделе, приводит к выражению 2 N h P =1- exp 0,7 o ; N =, (5) 2C A где 0 - показатель квалификации оператора (0,65 - низкая, 1 - средняя, 1,5 - высокая); h - критический размер объекта - корень квадратный из его видимой площади; С - критерий Джонсона, средние значения которого при вскрытии объектов военной и транспортной техники (ВТТ), как известно, в среднем составляют: 0,75 - при выделении, 3 - при классификации, 6 - при идентификации.
На основании выполненных в ГИПО экспериментов нами впервые установлены значения С и при вскрытии объекта класса ростовая фигура человека (РФЧ): 0,8 - при выделении, 2 - при классификации, 4 - при идентификации.
Для оценки входящего в (5) значения разрешения на местности А может быть использовано выражение D A =, TR r a 2Fi-1 To где ТЧХ Fi (z) отвечает значению m = 3,2.
В случае, когда тепловой контраст объектов ВТТ носит случайный характер, то, как показано в работе, средняя вероятность их вскрытия равна вероятности вскрытия этих объектов с фиксированным тепловым контрастом, равным его среднему значению, уменьшенному в 1,1 - 1,2 раза.
Приближенная оперативная оценка дальности действия ТВП D, км, для ТВП воздушного или наземного базирования может быть получена при использовании для ТЧХ Fi(z) и коэффициента пропускания атмосферы a в спектральных рабочих диапазонах 1 = 3-5 мкм и 2 = 8-14 мкм экспоненциальных аппроксимаций, которые, как свидетельствует анализ формулы (4) и соответствующих литературных данных, могут быть представлены в виде:
Fi(z) = 0,25ехр(оz);
(2,26 - 0,49ln Sм) Sм a = exp[-(Lp + Ln)]; (1) 6,1 (i =1) o = = p (i (1,66 - 0,35ln Sм) Sм (2);
6,6 = 2); Lp = K D; p p 0,15ln(W 217)+1,n KnD ; = Ln = (1) n 0,05 + 0,015W KnD n (2);
[ (- )] [ (- )] K = 2,2 1 - exp H 2,2 H ; K = 1,2 1 - exp H 1,2 H, n p где Sм - метеорологическая дальность видимости (МДВ), км; W - абсолютная влажность воздуха, г/м3; Н - высота носителя ТВП, км; Kп, Kр - коэффициенты приведения данной наклонной трассы к эквивалентной приземной горизонтальной (для Н = 0 имеем Kп = Kр = 1).
Тогда находим для диапазонов спектра 1 и 2 соответствующие выражения для искомой дальности действия ТВП D, км, отвечающие значениям N, определяемым из формулы (5) для заданной вероятности вскрытия объекта Р:
Kn Kn 2 oN n TR r n + + K ln р p To + 1,4 2 2h 2 1,5h;
D = min ;
oN 2h + K N p p TR r ln +1, To 1,5h .
D = min ;
o p p N 2h + K + Knn N Следовательно, в отличие от известных, полученные нами характеристические и операциональные модели несканирующих ТВП для статического режима работы дополнительно учитывают целый ряд существенных факторов:
Х остаточный разброс не только интегральной чувствительности, но и обнаружительной способности элементов МФП;
Х использование не статической, а динамической ТЧХ;
Х более точную, реальную модель зрительного анализатора при пространственно-временном интегрировании визуальных сигналов;
Х возможность (или ее отсутствие) выбора условий наблюдения изображения;
Х вариации радиационной температуры по площади объектов;
Х случайный характер среднего теплового контраста объектов;
Х квалификацию оператора-дешифровщика;
Х дифференциацию значений критериев Джонсона для объектов различных классов, в том числе - впервые - ростовой фигуры человека.
Все это позволяет до 3-х раз снизить относительную погрешность расчетной оценки дальности действия ТВП, доведя ее до значения, определяемого реализа цией в соответствующих операциональных моделях самой концепции эквивалентных мир и составляющего - практически для любых условий применения - не более 15-20%.
Для оценки всех обозначенных выше показателей эффективности ТВП в динамическом режиме работы автором впервые разработаны соответствующие операциональные модели. В частности, наиболее представительный показатель эффективности ТВП воздушного базирования - интенсивность поиска - определяется формулой Sn1 = Pc Pп Рд Р Рл, (6) S где S - площадь зоны поиска; S1 - площадь, обследуемая ТВП в единицу времени; Рс - вероятность существования - вероятность того, что в момент обследования района местоположения объекта он существует и будет существовать еще в течение времени t, необходимого для обработки данных наблюдения и принятия решения о дальнейших действиях по объекту; Рп - вероятность прямого видения - вероятность того, что линия визирования ТВП - объект не будет перекрыта облачностью; Рд - вероятность дешифрирования - вероятность того, что оператор в результате визуального поиска объекта на изображении завизирует его (будет смотреть на соответствующий фрагмент изображения), а времени этого визирования будет достаточно для его возможного вскрытия; Р - статическая вероятность вскрытия - вероятность того, что оператор, визируя объект неограниченно долго, вскроет его; Рл - вероятность локализации - вероятность того, что к моменту принятия решения о дальнейших действиях по объекту его расстояние от точки локализации - первоначальной оценки местоположения объекта - не будет превосходить некоторую допустимую величину хо.
В разделе, в частности, показано, что для типового случая регулярного поиска с периодом осмотра зоны tп неподвижного объекта, время существования которого подчинено показательному закону со средним значением tс, вероятность Рс равна tc tn t Pc = Pc(t)= exp- exptn 1- tc tc .
Вероятность Рп определяется на основе представленных в диссертации данных о высотном распределении облачности. Для вероятности Рд нами найдено выражение 5,5103o NH o P =1- exp- o = cos2в, 2VC2c o ;
где V - скорость носителя; в - угол выноса вперед оси ТВП от надира.
Вероятность Рл здесь составляет Рл = 1 - ехр(-r2/2); r = xo , где - СКО оценки координат объекта.
Поскольку расчет показателей эффективности ТВП в динамическом режиме работы в общем случае достаточно сложен, нами предложены и упрощенные показатели эффективности. Для ТВП воздушного базирования - это максимизированная по высоте носителя эффективная производительность - площадь местно сти, просматриваемая в единицу времени, при условии, что в ней обеспечивается разрешение на местности не хуже заданного значения, и равная (при визировании в надир) 1/ - объемный объект HT 1+ ( 2) VHo SM = ; Ho = 3/ *VHo - плоский объект ( T H 1+ * 2) (* = min(;2,8); = 2tgc), где НТ - высота, для которой в надире обеспечивается требуемое разрешение на местности.
Следовательно, при вскрытии плоского объекта посредством ТВП с относительной полосой захвата > 2,8 для оптимальной высоты Но = 0,44 НТ эта полоса полностью не используется; при этом эффективная производительность ТВП составляет SM = 1,24VНТ.
Для ТВП наземного базирования упрощенным показателем эффективности может служить объем пространства, в котором обеспечивается одновременное наблюдение объектов с возможностью их вскрытия с вероятностью не ниже заданной, составляющий V = (2c 2 )D3 / 3, где D - дальность действия ТВП.
Одним из факторов, ограничивающих возможности ТВП, является турбулентность атмосферы, размывающая изображение объекта и описываемая функцией передачи модуляции, близкой к гауссовской. Нами установлено, что ее влияние эквивалентно действию дополнительного, включенного в информационный тракт ТВП, звена, которое имеет некоторое эквивалентное элементарное поле зрения т, для горизонтальных трасс на высоте h равное т = 41Сn0,6(h)D0,6-0,2, (7) где Сn(h) - вертикальный профиль структурной характеристики атмосферы, м-2/3, в зависимости от текущей высоты h, м; - средняя длина волны излучения, мкм.
Ниже в табл. 3 приведены рассчитанные по (7) зависимости т = f(D) для горизонтальных приземных трасс и высокого (для Центральной Европы летней ночью) уровня турбулентности (Сn(0)=110-13 м-2 / 3).
Таблица 3. Значения т для различных дистанций D т, мрад , мкм D = 1 км D = 2 км D = 3 км D = 5 км D = 10 км D = 15км 3-5 0,031 0,047 0,06 0,082 0,12 0,8-14 0,025 0,039 0,049 0,067 0,1 0,Учитывая, что функция передачи модуляции самого ТВП также близка к гауссовской, влияние турбулентности можно чрезвычайно просто учесть, если во всех расчётах вместо воспользоваться его результирующим значением *, полученным с учётом турбулентности: * = + т2 = 1+ (т ).
Значения предельно достижимой горизонтальной дальности действия, ограниченной лишь турбулентностью, при этом составляют Dm = 0,13Cn-3/8(h)1/8А5/8. (8) Зависимости Dm = f(А) для того же значения Cn(0) приведены в табл. 4.
Таблица 4. Предельная дальность действия ТВП Dm для ряда значений А Dm, км , мкм А = 0,15 м А = 0,25 м А = 0,5 м А = 1 м 3-5 3,5 4,9 7,5 11,8-14 4 5,5 8,5 13,Из формулы (8), в частности, следует, что в пустыне, в солнечный полдень, когда значение Cn(0) достигает 2.10-12м-2/3, приземная горизонтальная дальность классификации объектов ВТТ при требуемом разрешении на местности А = 0,4 м не будет превышать 2,5 км даже в диапазоне спектра 8-14 мкм, в котором влияние турбулентности атмосферы на эффективность ТВП минимально.
Для ТВП воздушного базирования влияние турбулентности обычно пренебрежимо мало.
Повышение эффективности ТВП при обнаружении объектов может быть обеспечено за счет использования их поляризационного теплового контраста, особенно значительного для металлических плоских объектов, наблюдаемых под большими углами визирования. Для определения степени поляризации Р излучения объекта с неизвестным азимутом поляризации в ТВП обычно применяется МФП, поделенный на блоки из 4 элементов; перед каждым элементом блока в качестве анализаторов установлены поляризаторы, плоскости поляризации которых развернуты на 0, 45, 90 и 135 градусов соответственно. Обработка выходных сигналов с этих элементов ТВП производится согласно формуле 2 P = S1 + S2 So ;
S1 = M0 - M90 ; S2 = M45 - M135 ; So = M0 + M90, где М - воспринимаемая энергетическая светимость объекта в для компонентов излучения, прошедших анализаторы с соответствующими азимутами .
Нами показано, что, поскольку шумы элементов МФП независимы и имеют нормальное распределение, при достаточно большом отношении сигнал/шум вероятность обнаружения протяженного объекта по его поляризационному тепловому контрасту приближенно равна P = [1+ (m - 0)]; о = 3,2; m = Pn0r 2 ;
s 2T on ; P = P0 *a ; P0* = Po [ 1+ (o -1) об ] ;o = M (M T ), s где Ф(х) - интеграл вероятности; Р0 - степень поляризации излучения объекта;
s - СКО величины S1 S0 или S2 S0 ; п - коэффициент пропускания в материала анализатора; - определяется по табл. 1.
Отметим, что представленные в разделе математические модели несканирующих ТВП носят достаточно унифицированный характер и могут быть легко адаптированы для анализа и традиционных, сканирующих ТВП.
В четвертом разделе проанализированы особенности и оценена эффективность видовых многоспектральных ОЭС, использующих комплексирование (объединение) разноспектральных изображений, определен критерий выбора оптимального сочетания спектральных рабочих диапазонов ОЭС, в частности ТВП.
Современные тенденции в развитии систем поиска, наблюдения и контроля состоят в комплексировании видеоинформации, получаемой средствами, работающими в различных диапазонах спектра. При этом для любого спектрального канала ОЭС существует определенное обменное соотношение, связывающее его температурное, спектральное и угловое разрешение, в связи с чем на практике при разработке многоспектральных ОЭС выбирают один из двух путей:
Х всемерное повышение числа спектральных каналов с одновременным уменьшением ширины соответствующих спектральных рабочих диапазонов - использование гиперспектральных ОЭС (ГОЭС);
Х всемерное уменьшение разрешения на местности, что достигается как за счет уменьшения элементарного поля зрения системы, так и, по возможности, при работе ее на малых дистанциях до объектов.
Оценим перспективность обозначенных направлений.
ГОЭС эффективно используются, в частности, для решения задач экологического мониторинга, а также при распознавании объектов, если под распознаваемыми классами объектов понимать такие их укрупненные категории, как, например, всю сухопутную ВТТ, корабли, маскировочные покрытия, самолеты, - все те группы объектов, которые имеют практически одинаковые, характерные для каждой такой категории, оптические свойства поверхностей. Однако более детальный уровень распознавания (например, установление наличия танков, БТР, артустановок, вертолетов и т. д.), т. е. классификацию и, тем более, идентификацию объектов ВТТ, ГОЭС, имеющие, как правило, невысокое угловое разрешение, обеспечить не могут, ибо все такие объекты обычно покрыты эмалью, марка, а значит, и оптические свойства которой связаны не с классом объекта, а с характером окружающего фона. Более того, объекты даже одного и того же класса могут быть покрыты эмалями с различными оптическими характеристиками. В связи с изложенным, при построении ОЭС, основным назначением которых является поиск, наблюдение и контроль, обычно идут по пути максимально возможного уменьшения элементарного поля зрения, что улучшает их угловое разрешение, обеспечивая тем самым и эффективное решение задачи распознавания объектов по их форме. При этом спектральные рабочие диапазоны каналов оказываются достаточно широкими, что ограничивает их число. Подобные ОЭС называются многоспектральными (МОЭС).
Из приведенного сравнительного описания ГОЭС и МОЭС вытекает, что существенное отличие между ними заключается в том, что задачи поиска, наблюдения и контроля решаются посредством МОЭС за счет их высокого углового (а не спектрального, как в ГОЭС) разрешения; при этом необходимость в большом числе спектральных каналов отпадает, и оно обычно не превышает М = 6-7, составляя в типовых случаях М = 2-3.
При совместной обработке формируемых МОЭС разноспектральных изображений, предназначенных для визуального дешифрирования, весьма эффектив ным является простой алгоритм, сводящийся к суммированию изображений, полученных в М каналах, с весом j, пропорциональным отношению сигнал/шум M m : L = L (j = 1, M ). При этом на синтезированном изображении резуль j j j j = M тирующее отношение сигнал/шум для данного объекта, равное m = m, j j = будет не меньше любой из величин m : m m и, следовательно, в данном слуj j чае комплексирование изображений, в принципе, всегда целесообразно (если не учитывать неизбежное усложнение их обработки).
Оценим, насколько улучшается при подобном способе комплексирования изображений разрешение на местности МОЭС, эффективные значения j элементарного поля зрения каналов которой не обязательно равны друг другу. Обозначим через к номер канала, которому отвечает минимальное эффективное значение элементарного поля зрения: = min . Очевидно, величина к j (j) к m m = F Fi- 1 j, где Fi() - ТЧХ канала в относительных единицах, имеет j i j смысл эффективного отношения сигнал/шум для j-го канала - отношения сигнал/шум для к-го канала, которому соответствует такая же угловая частота разрешаемой миры, что и для данного j-го канала. Тогда значение относительной частоты z = к, отвечающее синтезированному изображению, будет равно М - , а соответствующее разрешение на местности, определяющее z = F m* i j j = D к по (5) вероятность вскрытия объекта, составит А =, причем А Аj. Очевидно, 2z для МОЭС с одинаковыми эффективными значениями j элементарного поля зрения каналов имеет место соотношение m* = m. Полученное значение А может j j служить и в качестве достаточно обоснованного и представительного критерия выбора оптимального сочетания спектральных рабочих диапазонов МОЭС. Показано, что, например, для трехспектральной ОЭС искомое сочетание включает в себя два тепловых канала (3-5 и 8-14мкм) и один яркостный для диапазона спектра 0,7-1,1мкм. При этом, за счет повышения результирующего отношения сигнал/шум, разрешение на местности для синтезированного изображения улучшается на 15-30 % относительно такового для наиболее информативного исходного изображения.
Значение разрешения на местности А целесообразно использовать как критерий оптимального выбора спектрального рабочего диапазона и ТВП. Выполненный в разделе анализ свидетельствует:
Х для достаточно большой МДВ (более 5 км) и сравнительно невысокой турбулентности атмосферы (ночь, утро и вечер, когда значение структурной характеристики атмосферы не превышает 10-13-10-12 м-2/3) при вскрытии объектов на горизонтальных и наклонных трассах использование в ТВП диапазона спектра 1 = 3-5мкм обеспечивает их более высокую эффективность, чем диапазона 2 = 8-14мкм, для значений температуры фона t > -(25-30)0С, причем первый диапазон при прочих равных условиях тем предпочтительнее, чем меньше аберрации объектива и размеры элемента МФП, длиннее трасса, больше абсолютная влажность воздуха, больше остаточный разброс чувствительности элементов МФП, больше высота носителя ТВП, ниже и тяжелее облачность (ночью), меньше вероятность применения засветочных помех;
Х в условиях задымленной атмосферы (МДВ менее 1-2 км) или при ее высокой турбулентности (день, ясно, особенно в аридной или пустынной зоне), или при температуре фона t < Ц(25-30)0С использование в ТВП диапазона спектра обеспечивает большую дальность действия, нежели диапазона 1.
Поэтому для поддержания высокой эффективности ТВП независимо от условий их применения, в принципе, целесообразно разрабатывать двухспектральные или адаптивные ТВП - с перестраиваемым спектральным рабочим диапазоном.
В пятом разделе диссертации автором впервые разработана аналитическая методология оптимального выбора основных технических и конструктивных параметров несканирующих ТВП, обеспечивающая требуемый уровень их эффективности при обнаружении и распознавании любого заданного набора различных объектов, и, вместе с тем, их минимальные массогабаритные и стоимостные показатели с учетом существующих принципиальных и технических ограничений.
При работе ТВП в статическом режиме нами сформулирована следующая задача оптимизации: для выбранного МФП необходимо найти значения основных технических параметров ТВП Т и , а также соответствующие технически реализуемые значения диаметра объектива Dоб и его фокусного расстояния f, чтобы для этого ТВП, обеспечивающего вероятности вскрытия Рi каждого из s различных объектов (i = 1,s, s - любое целое число) с соответствующими параметрами, находящихся на заданных дальностях Di, не меньшие требуемых значений Pi, величина Dоб была минимальной. Предложенный метод оптимизации базируется на установлении относительной угловой частоты разрешаемой эквивалентной миры z, для которой обеспечивается равенство Рк = Pк для любого к-го объекта и соотношения Рi Pi для всех остальных объектов. При поиске z учитываются ограничения на относительное отверстие объектива: снизу, обусловленное еще допустимым превышением дифракционного кружка рассеяния объектива ТВП элемента МФП, и сверху, определяемое возможностью коррекции аберраций объектива, а также ограничения на поле зрения (снизу) и фокусное расстояние объектива (сверху). Найденное значение z определяет искомые параметры ТВП через посредство относительной ТЧХ, общей для любых ТВП. При этом требуемое значение разности температур, эквивалентной шуму, определяется тепловым контрастом основного объекта вскрытия и коэффициентом пропускания атмосферы на трассе, а эффективное значение элементарного поля зрения - заданной вероятностью вскрытия и критическим угловым размером этого объекта.
Разработанный метод учитывает зависимость Рi от степени различия объектов, неоднородности фона и квалификации оператора, пространственный шум МФП, выборку, возможное наличие микросканирования, тип МФП (фотонный или тепловой), режим работы МФП (обычный или ограничения фоном), обеспечивает согласование кружка рассеяния объектива и элемента МФП, достаточно универсален и легко адаптируется для оптимизации других видов ТВП.
В разделе также рассмотрена актуальная задача рационального выбора основных технических параметров ТВП в статическом режиме работы, в котором обеспечивается аналитическое решение задачи оптимизации, не требующее никаких итеративных процедур, при следующих условиях: пространственный шум ТВП пренебрежимо мал; имеет место обычный режим работы прибора; существует один-единственный объект, находящийся на дальности D и подлежащий вскрытию с вероятностью Р; ограничения на фокусное расстояние и поле зрения ТВП, а также на относительное отверстие его объектива отсутствуют; в ТВП используется дифракционно-ограниченный объектив. Оптимальные значения искомых параметров ТВП при этом определяются формулами:
0,15h a ;
= ; o = ; f = ; Твр = 0,65 ТR ar1 DN o 1+ 1+ oR 0,18310-4 = (1+ 1+ oR);
У TR ar a 9,6E2 a2R = ; Eo = ;
5,7 (i =1) 4K o Dоб = f ; 0 = 6,3 (i = 2); Eo(1,22 10-4) p Е2 = E0Kн tио / tи, где - средняя длина волны в , мкм; N - находится по (5) для заданной вероятности вскрытия Р, - определяется по (3) при об = 0, а значения 0 отвечают относительной ТЧХ Fi (z).
При этом найдено, что отклонение, например, величины от оптимального значения на 20% (при соответствующей коррекции величины Твр, обеспечивающей сохранение заданной эффективности ТВП) вызывает возрастание требуемого диаметра объектива ТВП приблизительно на 10%.
Необходимо отметить, что, несмотря на принципиальную возможность реализации весьма малой разности температур, эквивалентной шуму, Т, достигающей 0,001 К, для значений этой разности существует некоторый практический предел, определяемый по принципу минимальной достаточности - из условия обеспечения приемлемой эффективности ТВП при наиболее неблагоприятных условиях ведения наблюдения - и равный 0,01 К. Именно к этой величине и близки значения разности температур, эквивалентной шуму, большинства современных ТВП.
Далее в разделе рассмотрена зависимость значения разрешения на местности ТВП А, определяющего его эффективность, от соотношения об = dоб/a размеров кружка рассеяния объектива ТВП и элемента МФП. Установлено, что оптимальное значение об, обеспечивающее минимальную величину А, вообще говоря, зависит от достигаемого значения отношения сигнал/шум, режима работы МФП (обычный или ограничения фоном), а также от того, подбирается ли объектив для имеющегося МФП или же МФП для уже выбранного объектива, и варьирует в пределах от 2 до 4, однако, во избежание существенного снижения эффективности ТВП при обнаружении малоразмерных объектов, его целесообразно выбирать близким к 2 независимо от отмеченных обстоятельств.
В несканирующих ТВП нередко используется микросканирование, снижающее значение ; при этом, однако, существенно уменьшается время накопления сигналов и, как следствие, увеличивается величина Т в случае, если при микросканировании уровень заполнения потенциальных ям МФП снижается соответственно времени интегрирования. Поскольку данные факторы оказывают конкурирующее воздействие на эффективность ТВП, в разделе определены условия целесообразности применения в ТВП этого микросканирования по критерию минимума величины А. Найдено, что микросканирование эффективно, если выходное отношение сигнал/шум превышает величину m0, значения которой в зависимости от об и представлены на рис. 3. Видно, что для типовых значений об = 1,5-2 и = 0,75-1 использование в ТВП микросканирования целесообразно уже при m0 = 3-4.
Оптимизация параметров полета носителя аппаmратуры наблюдения рассмотрена на характерном = примере использования ТВП с автоматизирован = 0,ным дешифрированием изображения, когда поиск = 0,и отбор фрагментов изображения, содержащих объект, производится автоматом, а окончательное решение об обнаружении и распознавании этого объекта - оператором-дешифровщиком. Хотя 1 2 3 об операция поиска и отбора отмеченных фрагментов изображения производится автоматом практичеРис. ски мгновенно, ресурс времени дешифрирования оператором данных фрагментов конечен и случаен, ибо по мере поступления на вход ТВП сигналов от других объектов местности предъявляемые оператору фрагменты изображения будут заменяться в том же темпе все новыми и новыми.
Наиболее подходящим показателем эффективности ТВП здесь можно считать интенсивность поиска п1, в данном случае равную, с учетом (6), n1 = VHP; P = Pn(H )P(H )exp(- toVH ), где = L/Н - относительная (в долях высоты) полоса захвата ТВП на местности;
tо - среднее время дешифрирования изображения (2-3 с); - средняя плотность объектов на местности, км-2.
Максимизация величины п1, выполненная при условии, что полная вероятность Р вскрытия объекта в динамическом режиме работы задана и равна Р*, показывает, что оптимальное значение Н высоты носителя равно максимальной высоте Н, при которой Рп(Н) = Р(Н) = 1, а оптимальное значение V скорости но* сителя составляет V = ln(1 P ) toH.
Последний, шестой, раздел охватывает вопросы совершенствования принципов и методов аттестации несканирующих ТВП в натурных и стендовых условиях по дальности действия D.
Для получения сопоставимых и представительных оценок дальности действия ТВП его испытания, в принципе, следует проводить в нормированных условиях, т. е. для определенных значений температуры фона, теплового контраста объекта и метеосиноптической ситуации. Однако для реальных объектов и условий испытаний ТВП вероятность одновременной реализации этих нормированных условий крайне мала (порядка 0,01), и на практике обычно прибегают к пересчету значений D, измеренных для реальных условий аттестации ТВП, в значения дальности, которые были бы получены для нормированных условий. При этом одновременно должна решаться и задача повышения достоверности аттестации ТВП, которая, в связи с ограниченным числом задействованных в испытаниях операторовдешифровщиков, как правило, недостаточно высока. Разработанная нами процедура пересчета решает поставленную задачу. Из нее, в частности, следует, что обычно используемый при полигонных испытаниях ТВП критерий вскрытия объектов вида n/n0 = 4/5 (четверо из пяти операторов вскрывают объект по его изображению), которому отвечает оценка вероятности вскрытия 0,8, не обеспечивает достаточно высокой достоверности прямой оценки D. Для повышения этой достоверности до минимально приемлемого уровня следует либо применять критерий вскрытия объекта вида n0/n0 при n0 6, либо использовать описанную в разделе методику пересчета, реализующую косвенную оценку искомой дальности действия ТВП в нормированных условиях.
Регламентируемые существующими техническими требованиями нормированные условия проведения испытаний ТВП слишком произвольны, поэтому дальность действия одного и того же ТВП, рассчитанная или измеренная для этих условий, может сильно варьировать. Для получения более однозначных и сопоставимых оценок дальности действия образцов ТВП указанные условия целесообразно сузить, придав соответствующим параметрам (МДВ, температуре и влажности воздуха, тепловому контрасту объектов) более определенные, фиксированные значения. При этом для реализации сопоставимых оценок дальности действия образцов ТВП, работающих в различных диапазонах спектра, следует использовать существующие вполне определенные соотношения значений теплового контраста типовых объектов (ВТТ и РФЧ) в диапазонах спектра 1 и 2, характерные для ночного времени суток. Исходя из этого соответствующие значения данного контраста нами рекомендуется устанавливать равными:
1K (1 = 3 - 5мкм) 1,5K (1 = 3 - 5мкм) TR = - ВТТ; TR = - РФЧ.
1,5K (2 = 8 -14мкм) 2,5K (2 = 8 -14мкм) Во многих случаях целью аттестации является не измерение дальности действия ТВП, а лишь контроль ее реализации. Нами показано, что для повышения достоверности этого контроля заданную дистанцию D2 до объекта, отвечающую нормированным условиям, целесообразно изменить (обычно увеличить) до некоторого значения D1 = (1-1,5)D2, соответствующего фактическим, реальным условиям контроля, таким образом, чтобы ему отвечала расчетная вероятность вскрытия объекта Р, близкая к 0,5. Тогда, определив (по представленной в разделе таблице) для полученной оценки P1* = n / n0 этой вероятности и выбранной достаточно высокой доверительной вероятности R(PP1), определяющей достовер ность контроля, соответствующую нижнюю границу P1 доверительного интервала, нижнюю границу P2 доверительного интервала, отвечающую нормированной дальности D2, можно оценить по формуле P2 =1- (1- P1)1/Q ; Q = А2/А1, где А1 и А2 - значения разрешения на местности ТВП для дистанций D1 и D2 соответственно. При этом ТВП удовлетворяет требованиям по дальности действия, если P Р*, где Р* - требуемая вероятность вскрытия, обычно 0,8.
Очевидно, вероятность вскрытия объекта P и дальность действия ТВП D зависят от множества факторов, не связанных с самим ТВП - вида и алфавита объектов, квалификации оператора, степени неоднородности фона, распределения температуры по площади объекта, условий наблюдения изображения и др., - которые к тому же весьма трудно поддаются количественному определению. Поэтому любой ТВП, как правило, аттестуется и по отношению к тест-объектам - периодическим мирам, причем при контроле дальности действия ТВП в стендовых условиях длина hM, ширина AM и температурный контраст TM полос эквивалентной миры, устанавливаемой в фокальной плоскости коллиматора, должны составлять TR a hh = hfk D; A = Afk D; A = ; TM =, M M 2,4C - ln(1- P) k где fk - фокусное расстояние коллиматора; a - коэффициент пропускания атмосферы на дальности действия D в спектральном рабочем диапазоне ; k - коэффициент пропускания объектива коллиматора в диапазоне ; - коэффициент излучения миры в диапазоне .
Как показано в разделе, для повышения достоверности контроля температурный контраст эквивалентной миры ТМ2 = ТM целесообразно уменьшить до некоторого уровня ТM1 = (0,8-0,9)ТM2, при котором оценка P1* = n/n0 вероятности разрешения миры еще не снижается. Аналогично, определив нижнюю границу Pдоверительного интервала для вероятности разрешения этой миры, нижнюю границу P2 соответствующего доверительного интервала, отвечающую значению ТМ2, можно найти из выражения ( + -1(2P1 - 1))+ P2 = ; = lg( TM2 TM1 ) ; = 0,2.
При этом можно считать, что ТВП удовлетворяет требованиям по дальности действия, если P2 0,5.
Поскольку методы контроля ТВП по разрешению миры весьма субъективны, то, особенно при контроле высокочувствительных и высокоразрешающих ТВП, аттестация которых требует изготовления весьма малоразмерных и слабоконтрастных мир, более продуктивным и производительным является объективный контроль дальности действия, реализуемый путем измерения основных технических параметров ТВП, которые объективны, допускают простую и весьма точную экспериментальную оценку и зависят только от самого прибора, удовлетворяя, таким образом, всем требованиям к аттестационным параметрам. К наиболее важным таким параметрам, определяющим рабочее угловое разрешение o, а значит, и дальность действия ТВП, относятся разность температур, эквивалентная шуму, Т, частота кадров F и эффективное значение элементарного поля зрения . Взаимосвязь между ними для вероятности разрешения миры 0,5 имеет вид:
TR ar o = ; m =.
Fj-1(m) To Таким образом, измерив значения Т и и зная (или определив) величину F, можно найти дальность действия ТВП из уравнения D = 2А/ o, где А - требуемое разрешение на местности.
Наиболее сложно здесь измерить эффективное значение элементарного поля зрения . Для оценки значения несканирующих ТВП в диссертации обоснованы следующие три метода.
j 1. Измеряется угловая ширина наклонной излучающей ще ли (рис.4), при которой среднее по j из максимальных по i N значений выходного сигнала L' = max L' составляет ij N j = 1 (i) величину, равную половине выходного отклика, достигаемого при . Далее для определения величины используется полученное нами простое соотношение = 1,32, общее для всех 0,7.
2. Измеряется глубина модуляции К0 = L / Lm выходного сигнала ТВП, отвечающего трем смежным элементам МФП, на прямоугольную миру, находящуюся в оптимальной фазе i (рис.5), с шириной полос, равной периоду МФП. Найдено, что Рис. значению отношения К0 соответствует параметр гауссовской аппроксимации ФПМ согласно формуле 2(0,5 ) + (2,5 ) - 2(1,5 ) K0 =, (0,5 ) + (2,5 ) -(1,5 ) который и определяет (с учетом влияния выборки) искомое значение :
= 0; = ( / 0,55)2 + 0,26 2. (9) 3. Измеряется отношение Ко = L / Lm сигнала, возникающего вследствие эффекта линейной фильтрации на смежном, (n+1)-ом, элементе МФП, к максимальному значению сигнала, отвечающего среднему, (n+1)/2-му, элементу (n5, n -нечетное), на излучающую щель с угловой шириной = o +1, находя щуюся в оптимальной фазе (рис.6). Оценка значения , определяющего по (9) искомый параметр , как нами показано, производится по формуле 1 = - Ф-1(1- 2K0).
Как свидетельствует представленный в разделе анализ, для того, чтобы погрешности оценки основных технических параметров ТВП не были доминирующими при прогнозе его дальности действия (т.е., чтобы погрешность оценки дальности действия ТВП, определяемой его операциональной моделью, не пре восходила погрешности, присущей самой такой модели), необходимо, чтобы эти погрешности не превышали 15% от соответствующих величин.
o / о / о o / 1 2 3 4 5 о L Lm Lm L Рис.5 Рис.Для повышения точности оценки ТЧХ аттестуемого ТВП, определяющей его рабочее угловое разрешение o, в работе развит следующий комбинированный метод. Подбирается представительный (эталонный) образец данного класса ТВП (здесь - несканирующих ТВП) с достаточно большими значениями разности температур, эквивалентной шуму, и элементарного поля зрения - для облегчения экспериментальной оценки его ТЧХ - и тщательно, с привлечением группы квалифицированных операторов, измеряется эта ТЧХ Tраз = fэ ( ). Затем, по возможности одними и теми же методами и в одинаковых условиях (для уменьшения систематических погрешностей результатов), измеряются основные технические параметры эталонного образца - разность температур, эквивалентная шуму, Tэ, эффективное значение элементарного поля зрения , частота кадров Fэ - и э испытуемого ТВП - T,, F. Тогда искомая ТЧХ Tраз = f ( ) этого ТВП может быть найдена по формуле Tаэrээээ fэ( э), Т = раз Tэаr где индекс лэ относится к параметрам эталонного ТВП.
Данный подход к оценке ТЧХ достаточно прост и точен, не требует для реализации никакого дополнительного оборудования и пригоден для аттестации ТВП с любыми параметрами.
Показано, что в состав аттестационных параметров ТВП должны входить все основные технические параметры прибора и, по согласованию с заказчиком, некоторые дополнительные технические, конструктивные и эксплуатационные параметры ТВП, перечень которых зависит от конкретной ситуации.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Теоретическое осмысление, систематизация, обобщение и развитие существующих и создание новых методов системной расчетно-экспериментальной оценки и оптимизации несканирующих ТВП были реализованы (в рамках существующей сегодня парадигмы) при анализе в диссертации всех сформулированных выше задач. При решении этих задач автором были получены важнейшие новые и имеющие большое теоретическое и практическое значение результаты, благодаря чему:
Х значительно (до 3-х раз) снижается погрешность и расширяется диапазон условий применения методик прогнозирования информационной эффективности, в частности дальности действия, несканирующих ТВП в статическом режиме работы и появляется возможность оценки их эффективности в динамическом режиме работы;
Х обеспечивается достаточно полная реализация потенциально высоких функциональных возможностей несканирующих ТВП при их минимальных массогабаритных и стоимостных показателях;
Х повышается представительность, точность и достоверность результатов аттестации несканирующих ТВП в натурных и стендовых условиях по их дальности действия.
Главный результат исследований автора, отраженных в настоящей диссертации, заключается в достижении анонсированной цели и решении всех поставленных выше задач - разработке научно обоснованных новых и совершенствовании действующих методов моделирования, оптимизации и аттестации несканирующих ТВП. Развитая в диссертации методология анализа, синтеза и испытаний ТВП носит достаточно унифицированный характер и не ассоциирована с какимилибо конкретными схемотехническими решениями при построении ТВП и значениями их параметров, сохраняя, таким образом, свою актуальность на всех этапах научно-технического прогресса в этой области. Отмеченные обстоятельства повышают теоретическую и прикладную значимость соответствующих исследований, особенно в долгосрочной перспективе. Представляется, что выполненная нами работа, раскрывающая резервы повышения как самой эффективности современных ТВП, так и точности расчетной и экспериментальной оценки ее показателей в различных режимах функционирования, будет способствовать успешной реализации и дальнейшему совершенствованию данного вида аппаратуры дистанционного зондирования, и это позволяет надеяться на обеспечение необходимых условий для создания в стране конкурентоспособных образцов ТВП различного класса и назначения, удовлетворяющих самым высоким требованиям.
4. СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ, ОТРАЖАЮЩИХ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Алеев Р.М. Воздушная тепловизионная аппаратура для контроля нефтепродуктопроводов / Р.М.Алеев, В.А. Овсянников, В.Н.Чепурский. - М.: Недра, 1995.
Ц 160с.
2. Алеев Р.М. Основы теории анализа и синтеза воздушной тепловизионной аппаратуры / Р.М. Алеев, В.П. Иванов, В.А. Овсянников. - Казань: Изд-во Каз. унта, 2000. - 252с.
3. Алеев Р.М. Несканирующие тепловизионные приборы / Р.М. Алеев, В.П.
Иванов, В.А.Овсянников. - Казань: Изд-во Каз. ун-та, 2004. - 228с.
4. Иванов В.П. Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов / В.П. Иванов, В.И. Курт, В.А. Овсянников, В.Л. Филиппов. - Казань: Изд-во Отечество, 2006. - 595с.
5. Алеев Р.М. Оценка эффективности тепловизионной аппаратуры, использующей поляризационный контраст объектов / Р.М. Алеев, В.А. Овсянников //Оптический журнал. - 1992. - № 3. - С.35-37.
6. Алеев Р.М. Влияние атмосферы на эффективность тепловизионной аппаратуры / Р.М. Алеев, В.А. Овсянников, Н.А. Румянцева //Оптический журнал. - 1992.
Ц № 5. - С.7-10.
7. Алеев Р.М. Повышение достоверности статистического контроля углового разрешения тепловизионной аппаратуры / Р.М. Алеев, В.А. Овсянников //Оптический журнал. - 1992. - № 9. - С.19-21.
8. Алеев Р.М. Эффективность воздушной тепловизионной аппаратуры при обнаружении нефтяных загрязнений акваторий по их поляризационному контрасту / Р.М. Алеев, В.А. Овсянников //Оптический журнал. - 1992. - № 10. - С.18-20.
9. Алеев Р.М. Метод учета интегрирующих свойств зрительного анализатора при наблюдении тепловизионных изображений / Р.М. Алеев, В.А. Овсянников //Оптический журнал. - 1993. - № 9. - С.23-25.
10. Алеев Р.М. Эффективность воздушной тепловизионной аппаратуры при контроле продуктопроводов / Р.М.Алеев, В.А. Овсянников, В.Н. Чепурский //Оптический журнал. - 1993. - №1. - С.3-5.
11. Галиакберов Д.Ш. Оценка эффективности многоспектральных оптикоэлектронных систем с цветовой индикацией изображения / Д.Ш. Галиакберов, В.А. Дорофеев, В.А. Овсянников //Оптико-механическая промышленность. - 1978. - № 11. - С.5-8.
12. Галиакберов Д.Ш. Критерий качества приемников излучения для тепловизионных систем / Д.Ш.Галиакберов, В.А.Дорофеев, А.И.Лоскутников, В.А. Овсянников //Оптико-механическая промышленность. - 1979. - № 8. - С.1214.
13. В.А. Овсянников. Критерий качества и оптимизация основных технических параметров поисковой воздушной тепловизионной аппаратуры / В.А.Овсянников, С.В.Косковский//Изв. ВУЗов. Сер. Авиационная техника. - 2000.Ц № 3. - С.3941.
14. Овсянников В.А. Эффективность тепловизионной аппаратуры при ледовой разведке //Оптико-механическая промышленность. - 1985. - № 2. - С.16-18.
15. Овсянников В.А. Расчет температурно-частотной характеристики тепловизионной аппаратуры по кадру / В.А. Овсянников, Р.И. Ситдиков //Оптико-механическая промышленность. - 1991. - № 10. - С.34-36.
16. Овсянников В.А. Влияние условий наблюдения наземных объектов на их эффективный тепловой контраст / В.А. Овсянников, Р.И. Ситдиков, Г.Н. Хитров //Оптико-механическая промышленность. - 1991. - № 12. - С.24-25.
17. Овсянников В.А. К развитию методик оценки эффективности видовой оптико-электронной аппаратуры / В.А. Овсянников, В.Л. Филиппов //НПО Государственный институт прикладной оптики. Научно-технический сборник.Ц Казань: Дом печати, 1997. - С.646-661.
18. Овсянников В.А. Оценка предельно достижимой разности температур, эквивалентной шуму, и эффективного значения элементарного поля зрения тепловизионных приборов / В.А. Овсянников, В.Л. Филиппов //Прикладная физика. - 2005. - № 2. - С.82-85.
19. Овсянников В.А. Упрощенный показатель эффективности воздушной тепловизионной аппаратуры / В.А. Овсянников, В.Л. Филиппов //Прикладная физика. - 2005. - № 4. - С.109-111.
20. Овсянников В.А. К вопросу об обнаружении и распознавании посредством тепловизионного прибора ростовой фигуры человека / В.А. Овсянников, Н.Л.
Пантелеев, С.Д. Питик, В.Л. Филиппов //Прикладная физика. - 2005. - № 5. - С.112-114.
21. Овсянников В.А. Согласование размеров кружка рассеяния объектива с элементом фотоприемного устройства тепловизионных приборов / В.А. Овсянников, В.Л. Филиппов //Оптический журнал. - 2007. - № 1. - С.77-79.
22. Овсянников В.А. Дальность действия активно-импульсных систем низкоуровневого телевидения / В.А. Овсянников, В.Л. Филиппов //Оптический журнал.
Ц 2007. - № 1. - С.24-27.
23. Овсянников В.А. Метод измерения функции передачи модуляции несканирующих тепловизионных приборов / В.А. Овсянников, В.Л. Филиппов, С.Н. Шушарин //Оптический журнал. - 2007. - № 1. - С.74-76.
24. Овсянников В.А. Повышение достоверности стендового контроля дальности действия тепловизионных приборов / В.А. Овсянников, В.Л. Филиппов //Оптический журнал. - 2007. - № 3. - С.16-18.
25. Овсянников В.А. Влияние вращения изображения в авиационном тепловизионном канале на дешифрируемость изображений / В.А. Овсянников, В.Л. Филиппов, С.Н. Шушарин //Оптический журнал. - 2007. - № 3. - С.47-50.
26. Овсянников В.А. Оценка вероятности обнаружения и распознавания посредством тепловизионного канала препятствий, мешающих пилотированию / В.А.
Овсянников, В.Л. Филиппов //Оборонная техника. - 2007. - № 1. - С.78-84.
27. Ovsyannikov V.A. The estimated value of minimum NETD and the effective value of IFOV of the thermal imaging devices / V.A. Ovsyannikov, V.L. Philippov //Proc.
SPIE. - 2005. - V. 5834. - Р.20-23.
28. Ovsyannikov V.A. To the problem of the detection, recognition and identification of the figure of man by means of the thermal imaging devices/ V.A. Ovsyannikov, N.L.
Panteleev, S.D. Pitik, V.L. Philippov //Proc. SPIE. - 2005. - V.5834. - Р.24-27.
29. Ovsyannikov V.A. Simplified figure of merit of the aerial thermal imaging equipment / V.A. Ovsyannikov, V.L. Philippov //Proc. SPIE. - 2005. - V. 5834. - Р.317-319.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям