Вдосконалення методики розрахунку максимальної дальності розпізнавання тепловізійної системи спостереження

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, наведені дані щодо їх апробації і впровадження.

В першому розділі розглянуто основні фізичні засади і стан тепловізійної галузі, зроблено огляд існуючих методик розрахунку МДР.

Висновки

1. В роботі вирішено задачу удосконалення методики розрахунку максимальної дальності розпізнавання тепловізійних систем спостереження шляхом впровадження нових або вдосконалених методів врахування атмосфери, руху та вібрацій, електронного збільшення, зорового сприйняття оператора, що дозволило підвищити точність визначення МДР та розширити сферу застосування методики. Теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено, що нова методика дозволяє дослідити зв'язок параметрів об'єкта та фону, загальних метеорологічних даних, окремих елементів тепловізора, параметрів ЗА оператора, умов спостереження з МДР ТСС.

2. У дисертації досліджена наукова задача розрахунку МДР за шкалою NIIRS. Одна з найбільш розповсюджених систем, яка визначає порогові функціональні можливості ТСС, була пов'язана з характеристиками об'єкта, атмосфери, ланок ТСС, ЗА оператора, умов спостереження. Це дає можливість:

- дослідити вплив окремих ланок ТСС на рівень NIIRS;

- синтезувати нову ТСС для забезпечення необхідної якості зображень за NIIRS;

- визначити з якої найбільшої відстані буде забезпечуватись виконання завдання по розпізнаванню об'єкта виходячи з його рівня NIIRS, параметрів ТСС та умов спостереження без проведення експериментальних досліджень.

3. Теоретично досліджено вплив руху і вібрацій зображення об'єкта на МДР та підтверджено припущення про їх значний вплив на МДР. Було виявлено, що:

- при малих значеннях частоти (до 10 - 13 Гц) і амплітуді вібрацій (до 28 мрад) ефект розмиття в кадрі й коливання осі візування мають приблизно однаковий вплив на МДР;

- усунення розмиття в зображенні веде до значно кращого розпізнавання об'єкта.

Розроблено метод розрахунку МДР з врахуванням погіршення якості тепловізійного зображення об'єкта під впливом прямолінійного рівномірного руху, низько- та високочастотних синусоїдальних вібрацій, що є новим для такого роду методик.

4. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено положення про значний вплив електронного збільшення на МДР. Впроваджено метод врахування цифрового збільшення і запропоновано вираз для знаходження найкращого його значення з точки зору сприйняття оператором.

5. Досліджено проходження теплового випромінювання через атмосферу. Було показано, що модель, яка враховує загальні метеорологічні дані (температура, метеорологічна дальність видимості, вологість, швидкість вітру), параметри об'єкта (розміри важливих для розпізнавання деталей, спектральний склад випромінювання) та турбулентність, є на сьогоднішній день найбільш точною. Тому було запропоновано враховувати вплив атмосфери на температурний контраст за допомогою МПФ атмосфери.

6. Запропоновано новий підхід до врахування сприйняття зображення об'єкта оператором за різних умов спостереження, таких як: фонова завада, обумовлена присутністю в спостережуваній сцені декількох схожих об'єктів, що зменшує ймовірність розпізнавання цільового об'єкта в групі; шум у зображенні, обумовлений нерівномірністю яскравості фону; освітленість у приміщенні, яскравість екрану, стан погоди, наявність хмарності, метеобачення; властивості ока оператора. Основною відмінністю даного методу є можливість врахування тренованості оператора по розпізнаванню об'єктів.

7. Подальший розвиток методики розрахунку МДР потребує удосконалень і автоматизації: 1) методу розрахунку впливу атмосфери; 2) розширення можливостей методики розрахунку МДР для багатоспектральних систем; 3) здійснення розрахунку МДР для систем з автоматичним виявленням і розпізнаванням об'єкта.

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

1. Колобродов В.Г., Овечкин В.С., Лихолит Н.И. К выбору критерия распознавания тепловизионных изображений // Артиллерийское и стрелковое вооружение. 2004. № 2. С. 30 - 34.

Здобувачем обрано та обґрунтувано напрямки досліджень, запропонована методика досліджень впливу критеріїв розпізнавання на максимальну дальність розпізнавання.

2. Лихоліт М.І., Колобродов В.Г., Овечкін В.С. Визначення дальності розпізнавання об'єктів тепловізором з мікроболометричною матрицею // Вісник НТУУ “КПІ”. Приладобудування. 2004. № 27. С. 43 - 50.

Здобувачем запропоновано математичний апарат, алгоритми розрахунку і методики досліджень.

3. Колобродов В.Г., Лихолит Н.И., Овечкин В.С., Ридила А.С. Влияние вибраций и перемещения тепловизионных систем относительно наблюдаемых объектов на максимальную дальность распознавания // Артиллерийское и стрелковое вооружение. 2005. № 4. С. 41 - 45.

Здобувачем запропоновано математичний апарат, алгоритми розрахунку і методики досліджень.

4. Колобродов В.Г., Лихоліт М.І., Овечкін В.С., Ріділа О.С. Вплив атмосфери на максимальну дальність розпізнавання тепловізійною системою спостереження // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. 2006. № 5. С. 93 - 99.

Здобувачем запропоновано методику досліджень і виконано розрахунки впливу атмосфери на максимальну дальність розпізнавання тепловізійної системи спостереження.

5. Лихолит Н.И., Ридила А.С., Колобродов В.Г., Овечкин В.С. Влияние электронного увеличения тепловизионной системы наблюдения на максимальную дальность распознавания // Артиллерийское и стрелковое вооружение. 2006. № 4. С. 26 - 29.

Здобувачу належить вибір та обґрунтування напрямків досліджень, методика досліджень.

6. Колобродов В.Г., Овечкін В.С. Визначення дальності розпізнавання об'єктів з мікроболометричною матрицею // “Приладобудування 2003: стан і перспективи”: Тези доповідей науково-технічної конференції. Київ, Україна. 2003. С. 55 - 56.

Здобувачем запропоновано математичний апарат, алгоритми розрахунку і методики досліджень.

7. Колобродов В.Г., Овечкін В.С., Лихоліт М.І. До вибору критерію розпізнавання тепловізійних зображень // “Приладобудування 2004: стан і перспективи”: Тези доповідей науково-технічної конференції. Київ, Україна. 2004. С. 53 - 54.

Здобувачем обрано та обґрунтувано напрямки досліджень, запропонована методика досліджень впливу критеріїв розпізнавання на максимальну дальність розпізнавання.

8. Лихоліт М.І., Ріділа О.С., Колобродов В.Г., Овечкін В.С. Вплив руху та вібрацій на максимальну дальність розпізнавання // “Приладобудування 2005: стан і перспективи”: Тези доповідей науково-технічної конференції. Київ, Україна. 2005. С. 59 - 60.

Здобувачем запропоновано математичний апарат, алгоритми розрахунку і методики досліджень.

9. Liholit N.I., Ridila A.S., Kolobrodov V.G., Ovechkin V.S. Influence of electronic magnification of the Thermal Imaging Device on the Maximal Recognition Range // Proceedings of the conference “Instrument-Making 2006. Optical Instruments and Systems”. Kyiv (Ukraine). 2006. P. 15.

Здобувачем запропоновано алгоритми розрахунку, методики досліджень і експериментальну установку.

10. Лихоліт М.І., Ріділа О.С., Колобродов В.Г., Овечкін В.С. Вплив електронного збільшення ТСС на максимальну дальність розпізнавання // “Приладобудування 2006: стан і перспективи”: Тези доповідей науково-технічної конференції. Київ, Україна. 2006. С. 54.

Здобувачем запропоновано алгоритми розрахунку, методики досліджень і експериментальну установку.

У всіх роботах здобувач приймав безпосередню участь в проведенні теоретичних чи експериментальних досліджень, в аналізі одержаних результатів та формулюванні висновків.

Анотація

Овечкін В.С. Вдосконалення методики розрахунку максимальної дальності розпізнавання тепловізійної системи спостереження. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.07 - оптичні прилади та системи. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007.

Удосконаленнями методики вирішено задачу підвищення точності розрахунку максимальної дальності розпізнавання (МДР) тепловізійної системи спостереження (ТСС) і розширено область її застосування.

У дисертації досліджена наукова задача розрахунку МДР за шкалою NIIRS. Одна з найбільш розповсюджених систем, яка визначає порогові функціональні можливості ТСС, була пов'язана з характеристиками об'єкта, атмосфери, ланок ТСС, ЗА оператора, умов спостереження. Це дає можливість дослідити вплив цих параметрів на рівень NIIRS, синтезувати нову ТСС для забезпечення необхідної якості зображень за NIIRS, визначити з якої найбільшої відстані буде забезпечуватись виконання завдання по розпізнаванню об'єкта виходячи з його рівня NIIRS, параметрів ТСС та умов спостереження без проведення експериментальних досліджень.

Розглянуто математичні моделі атмосфери, ланок ТСС (ОС, ПВ, блоку електронної обробки сигналу, дисплея), а також властивості і характеристики зорового аналізатору оператора. Створено вдосконалену методику, в якій застосовано новий підхід до врахування атмосфери, враховано зорове сприйняття оператора, вплив руху та вібрацій зображення об'єкта, електронного збільшення на МДР. Це дозволяє аналізувати зв'язок параметрів об'єкта та фону, загальних метеорологічних даних, окремих елементів тепловізора, параметрів зорового аналізатора (ЗА) оператора, умов спостереження з МДР ТСС.

Використання замість закону Бугера МПФ атмосфери, дозволяє розраховувати МДР за умов сильного вітру, турбулентності, що було неможливо раніше, і дає результати близькі до експериментальних.

Досліджено вплив електронного збільшення, руху та вібрацій на МДР. Запропоновано методи їх врахування у методиці розрахунку МДР, що має важливе практичне значення для сучасних систем, які працюють на рухомих платформах.

Як засвідчили експериментальні дослідження, запропонована методика має високу точність і цілком придатна для практичного застосування. Показано, що використання запропонованої методики дає можливість синтезувати ТСС з необхідними функціональними можливостями.

Ключові слова: максимальна дальність розпізнавання, тепловізійна система спостереження, модуляційна передавальна функція.

Аннотация

Овечкин В.С. Усовершенствование методики расчета максимальной дальности распознавания. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07 - оптические приборы и системы. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2007.

Усовершенствованием методики решена задача повышения точности расчета максимальной дальности распознавания (МДР) тепловизионной системы наблюдения (ТСН) и расширена область её применения.

В диссертации исследована научная задача расчета МДР по шкале NIIRS. Одна из наиболее распространенных систем, которая определяет пороговые функциональные возможности ТСН, была связана с характеристиками объекта, атмосферы, блоков ТСН, зрительного анализатора (ЗА) оператора, условиями наблюдения. Это дает возможность исследовать влияние этих параметров на уровень NIIRS, синтезировать новую ТСН для обеспечения необходимого качества изображений в соответствии с уровнем NIIRS, определять с какого наибольшего расстояния будет обеспечиваться выполнение задания по распознаанию объекта исходя из его уровня NIIRS, параметров ТСН и условий наблюдения без проведения экспериментальных исследований.

Рассмотрены математические модели атмосферы, цепей ТСН (оптической системы, приемника излучения, блока электронной обработки сигнала, дисплея), а также свойства и характеристики ЗА оператора. Создана усовершенствованная методика, в которой реализован новый подход по учету атмосферы, учтено зрительное восприятие оператора, влияние движения и вибраций изображения объекта, электронного увеличения на МДР. Это позволяет анализировать связь параметров объекта и фона, общих метеорологических данных, отдельных компонентов тепловизора, параметров ЗА оператора, условий наблюдения с МДР ТСН.

Использование вместо закона Бугера МПФ атмосферы позволяет расчитывать МДР при условии наблюдения в сильный ветер и с большой турбулентностью воздушных масс, что было невозможно ранее, и дает результаты близкие к экспериментальным.

Проведен анализ существующих критериев распознавания и показано, что все они пригодны для использования в методиках расчета МДР, но при определенных ограничениях. Применен критерий, который устраняет недостатки рассмотренных аналогов, что позволяет учитывать уровень тренированности оператора по распознаванию целей и находить МДР при наблюдении за несколькими объектами на неоднородном фоне. Также, включена возможность изменения вероятности распознавания при расчете МДР ТСН.

Предложенные методы учета движения и вибраций в методике расчета МДР позволяют оценить МДР при прямолинейном равномерном движении объекта, а также при высоко- и низкочастотных синусоидальных вибрациях, что имеет важное практическое значение для систем, которые работают на подвижных платформах. Исследования показали, что наиболее вредными, с точки зрения ухудшения качества изображения, являются высокочастотные синусоидальные вибрации. При малых же значениях частоты (до 10 - 13 Гц) и амплитуды вибраций (до 28 мрад) эффект размытия в кадре и колебания оси визирования имеют приблизительно одинаковое влияние на МДР. При этом устранение размытия в изображении ведет к значительному улучшению распознавания объекта.

Исследовано влияние электронного увеличения на МДР и показано, что путем его изменения можно достичь значительного улучшения восприятия изображения, и таким образом, увеличить МДР. Был разработан метод учета электронного увеличения в методике расчета МДР и предложено выражение для нахождения цифрового увеличения, наилучшего с точки зрения восприятия изображения оператором.

Анализ предложенных усовершенствованных методик расчета МДР позволил найти зависимости МДР от наиболее значимых параметров ТСН и разработать предложения по увеличению МДР путем их изменения. Это позволит инженерам обоснованно подходить к выбору конструктивных параметров ТСН для обеспечения необходимой МДР.

Экспериментальные исследования проведенные на базе КП “ЦКБ “Арсенал” подтвердили, что предложенные методики полностью отвечают требованиям к точности расчета МДР и могут быть применены как на раннем этапе проектирования, так и на этапе проверки готовых образцов ТСН на соответствие требованиям по обеспечению МДР при различных условиях эксплуатации.

Ключевые слова: максимальная дальность распознавания, тепловизионная система наблюдения, модуляционная передаточная функция.

Abstract

Ovechkin V.S. Improvement of the method of calculation of the maximum recognition range for the thermal imaging device

Thesis for a doctor of philosophy degree by the speciality 05.11.07 - optical instruments and systems. - National Technical University of Ukraine “Kyiv polytechnic institute”, Kyiv, 2007.

The task of making the calculation of the Maximum Recognition Range (MRR) of the Thermal Imaging Device (TID) more precise was solved by the improvements of the method and the field of implementation for the method was expanded.

The mathematical models of the atmosphere, blocks of the TID (optical system, detector, block of electronic data processing, display), eye perception were considered. The improved method was created. This method includes evolved atmospheric model, accounts visual perception, influence of the movements and vibrations of the object's image, electronic magnification on the MRR. The connection between the NIIRS and MRR was found. It allows to analyse the connection between parameters of an object, background, common meteorological data, different blocks of the TID, eye perception, conditions of observation and MRR.

Usage of the atmospheres' MTF instead of Bouguer's law allows to calculate MRR in conditions of strong wind and turbulance that was impossible before and gives results which are close to those obtained experimentally.

The influence of the electronic magnification, movements and vibrations on the MRR was investigated. The methods to account them in the method of calculation of the MRR were proposed. This has important practical value for systems that work on the movable platforms.

In the thesis the scientific task of calculation of the MRR using the NIIRS was investigated. One of the most widespread systems that determins the threshold potential of the TID was connected with the parameters of an object, atmosphere, blocks of the TID, eye perception, conditions of observation. This allows to analyse the influence of such parameters on the NIIRS, to synthesize new TID with the needed quality of the images in accordance with the level of NIIRS. Also on the basis of the level of NIIRS and parameters listed above it allows without experiments to determine the distance from which the task of recognition may be fulfiled.

The method was experimentally proved and the increase in precision of results was shown. It was demonstrated that the usage of the performed method gave the opportunity to evaluate the influence of different constituents of the TID on the MRR and to choose design factors on the engineering phase.

Key words: maximum recognition range, thermal imaging device, modulation transfer function.

Размещено на Allbest.ru