Вдосконалення методики розрахунку максимальної дальності розпізнавання тепловізійної системи спостереження
Аналіз основних фізичних засад і стану тепловізійної галузі. Розробка методики визначення максимальної дальності розпізнавання, дослідження впливу на неї зорового сприйняття оператора, електронного збільшення, руху та вібрацій зображення об’єкта.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 14.10.2015 |
| Размер файла | 61,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
УДК 535.21
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДИКИ
РОЗРАХУНКУ МАКСИМАЛЬНОЇ ДАЛЬНОСТІ РОЗПІЗНАВАННЯ ТЕПЛОВІЗІЙНИХ СИСТЕМ СПОСТЕРЕЖЕННЯ
Спеціальність 05.11.07 -
Оптичні прилади та системи
Овечкін Віталій Сергійович
Київ - 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України на кафедрі оптичних та оптико-електронних приладів
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Колобродов Валентин Георгійович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Воронов Сергій Олександрович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, заступник проректора з наукової роботи
доктор фізико-математичних наук, професор Сізов Федір Федорович, Інститут фізики напівпровідників ім. Лашкарьова НАН України, завідувач відділенням фізико-технологічних проблем напівпровідників та ІЧ техніки
Захист відбудеться 18 вересня 2007 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.18 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Київ, проспект Перемоги, 37, навчальний корпус №1, аудиторія № 293.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Київ, проспект Перемоги, 37.
Автореферат розісланий 9 серпня 2007 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук, доцент Н.І. Бурау
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. У наш час широке застосування знайшли системи, які працюють в інфрачервоному (ІЧ) діапазоні спектра. Ці системи використовуються у багатьох сферах людської діяльності, як за цивільним, так і військовим призначенням. Тепловізійні системи спостереження (ТСС) дозволяють ефективно і безпечно безконтактними методами отримати інформацію про об'єкт: форму, напрям руху, розподіл температури по поверхні об'єкта. Зазвичай, ці характеристики об'єкта необхідно визначати з відстані, яка може сягати кількох кілометрів. Розрізняють різні за рівнем складності задачі, які постають перед оператором: виявлення, розпізнавання, ідентифікація об'єкта. В останні роки, найбільш важливим для виконання поставлених завдань є саме розпізнавання об'єкта. Для кількісної оцінки можливостей ТСС по розпізнаванню об'єкта фахівці використовують характеристику, яка називається максимальна дальність розпізнавання (МДР). Ця характеристика вказує, з якої відстані оператор зможе розпізнати віддалений об'єкт на екрані ТСС з заданою ймовірністю при конкретних умовах спостереження і параметрах ТСС.
Для знаходження МДР, виходячи з параметрів ТСС та ймовірних умов її роботи, пропонується багато методик. Але вони мають ряд недоліків, які призводять до виникнення похибок у визначенні МДР, що у багатьох випадках не відповідають вимогам до точності. Внаслідок цього може виникнути потреба у доопрацюванні ТСС. Отже, пошук науково обґрунтованих методів і способів подолання недоліків існуючих методик розрахунку МДР та створення на цій основі нової має суттєве наукове та практичне значення.
Останнім часом західні спеціалісти в оцінці якості і можливостей ТСС використовують шкалу NIIRS (National Imagery Interpretability Rating Scale). Ця шкала дає чітке уявлення про те, який клас об'єктів може бути розпізнаний конкретною ТСС. Однак, існує проблема прогнозування рівня NIIRS за параметрами ТСС, оператора, станом атмосфери. Також існує проблема знаходження МДР при відомому рівні NIIRS, який відповідає об'єкту. Вирішення цих питань є актуальним завданням, адже воно пов'язане з сумісністю “американських” і “європейських” методик.
В Україні зараз задіяно багато великих установ і підприємств, які займаються розробкою і виробництвом нових ТСС. При умові успішного наукового розв'язання означеної проблеми та при впровадженні результатів цих досліджень у виробництво існує реальна можливість виходу на ринок сучасної тепловізійної техніки та конкурентоспроможної продукції на її основі не тільки в країнах СНД, але й в країнах дальнього зарубіжжя.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційного дослідження безпосередньо пов'язана з: 1. Державною цільовою програмою підготовки виробництва і створення спеціальних технологій для виготовлення озброєння та військової техніки на період 2005 - 2009рр. - Постанова Міністерства промислової політики України №01/7-2-2-326 від 24.12.2004р.; 2. Тематиками держбюджетних науково-дослідних робіт виконаних за участю автора: ДР №0100U002035 - в НТУУ “КПІ” № 2430 “Розробка теоретичних основ проектування тепловізорів різного призначення”, ДР 0103U000294 - в НТУУ “КПІ” № 2636-ф “Теоретичне обґрунтування принципів створення багатоканальних оптико-електронних систем”, ДР 0105U000928 - в НТУУ “КПІ” № 2804-ф “Теоретичне обґрунтування та дослідження оптико-електроних систем спостереження”.
Мета і задачі дослідження. Удосконалення методики визначення максимальної дальності розпізнавання тепловізійних систем спостереження з метою підвищення точності розрахунків.
Зазначена мета досягається розв'язанням таких наукових задач:
- дослідження методів врахування впливу атмосфери на МДР і застосування їх в методиці розрахунку МДР;
- дослідження впливу зорового сприйняття оператора, електронного збільшення, руху та вібрацій зображення об'єкта на МДР та розробка методів їх врахування при розрахунку МДР;
- розробка методики визначення МДР за NIIRS;
- експериментальна перевірка достовірності основних результатів теоретичних досліджень та практичних рекомендацій, обґрунтованих в дисертаційній роботі.
Об'єкт дослідження - методика розрахунку максимальної дальності розпізнавання тепловізійної системи спостереження.
Предмет дослідження - вплив атмосфери, окремих ланок ТСС, вібрацій, зорового сприйняття оператора на МДР, методи підвищення МДР.
Методи дослідження: 1) аналітичне моделювання атмосфери, ланок ТСС, зорового аналізатора оператора за допомогою комп'ютерних програм; 2) математичний аналіз і методи математичної статистики - при аналізі впливу окремих параметрів ТСС на МДР; 3) комп'ютерні математичні й чисельні методи при обробці результатів досліджень; 4) експериментальна перевірка ефективності застосування на практиці обґрунтованих в дисертаційній роботі удосконалень методики розрахунку МДР.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
1. Розвинуто метод врахування атмосфери у розрахунку МДР.
2. Розроблено новий метод врахування руху та вібрацій зображення об'єкта у розрахунку МДР.
3. Розроблено метод врахування впливу ЗА оператора на МДР при розгляді складних сцен (неоднорідний фон, у полі зору ТСС декілька об'єктів та ін.).
4. Розроблено метод врахування електронного збільшення у розрахунку МДР.
5. Встановлено математичний зв'язок між NIIRS та МДР і створено новий метод переходу від NIIRS до МДР та від МДР до NIIRS.
Практичне значення одержаних результатів визначається тим, що їх використання дозволяє:
1. Підвищити точність розрахунку МДР ТСС.
2. Визначити параметри ТСС на етапі проектування, при яких ця система буде відповідати вимогам до дальності розпізнавання.
3. Переходити від системи оцінки функціональних можливостей ТСС, яка базується на шкалі NIIRS до такої, що заснована на МДР.
4. Розраховувати МДР для ТСС, що працюють в умовах вібрацій або на рухливих платформах.
5. Обґрунтовано обирати найкраще цифрове збільшення і розраховувати МДР за різних його значень.
6. Основні наукові результати дисертаційної роботи використані на КП “ЦКБ “Арсенал”, м. Київ. Одержані в дисертації результати знайшли також застосування в навчальному процесі НТУУ “КПІ” на приладобудівному факультеті при підготовці фахівців в галузі оптичного приладобудування, зокрема за спеціальністю “Лазерна та оптоелектронна техніка”.
Особистий внесок автора. В роботі узагальнено результати досліджень за темою дисертації, початих в 2001 році і висвітлених в 10 працях [1 - 10]. Автором розвинуто або розроблено методи врахування атмосфери, варіювання ймовірністю розпізнавання об'єкта, руху та вібрацій зображення об'єкта, впливу ЗА оператора, електронного збільшення у методиці розрахунку МДР ТСС. Здобувачем встановлено математичний зв'язок між NIIRS та МДР і запропоновано новий метод переходу від NIIRS до МДР. В роботі зі співавторством [1, 5, 7, 9, 10] безпосередньо здобувачу належить вибір та обґрунтування напрямків досліджень, методика досліджень, в роботі [4] - методика досліджень, в роботах [2, 3, 6, 8] - математичний апарат, алгоритми розрахунку і методики досліджень. У всіх роботах зі співавторством здобувач приймав безпосередню участь в проведенні теоретичних чи експериментальних досліджень, в аналізі одержаних результатів та формулюванні висновків. Наукові положення, що виносяться на захист, та висновки дисертації належать автору. Основна частина отриманих результатів доповідалась автором особисто на вітчизняних та міжнародних конференціях.
Апробація результатів дисертації здійснена на 5 науково-технічних конференціях: 1. Приладобудування - 2003. Стан і перспективи, м. Київ, Україна, 2003 р.; 2. Приладобудування - 2004. Стан і перспективи, м. Київ, Україна, 2004 р.; 3. Приладобудування - 2005. Стан і перспективи, м. Київ, Україна, 2005 р.; 4. Приладобудування - 2006. Стан і перспективи, м. Київ, Україна, 2006 р.; 5. Instrument-Making 2006. Optical Instruments and Systems, Kyiv, Ukraine, 2006.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 статей, в тому числі 5 у фахових журналах.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з переліку умовних скорочень і позначень, вступу, 4 розділів, висновків, переліку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи - 173 сторінки з обсягом основного тексту 134 сторінки, 31 рисунки на 16 сторінках, 9 таблиць на 4 сторінках, список використаної літератури з 90 найменувань на 9 сторінках, 5 додатків на 10 сторінках.
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.
Максимальна дальність розпізнавання - це максимальна відстань між ТСС і стандартним тест-об'єктом, який випромінює, як АЧТ, при якій тест-об'єкт розпізнається на екрані дисплея з заданою ймовірністю при необмеженому часі спостереження.
На основі аналізу існуючих методик розрахунку МДР ТСС висунуто вимоги до нової методики. Було знайдено, що сучасним вимогам в найбільшій мірі, з огляду на повноту врахування параметрів спостереження, що впливають на МДР, відповідають методики, які побудовані на основі мінімально роздільної різниці температур ( - minimum resolvable temperature difference) і на основі таблиці NIIRS (National Imagery Interpretability Rating Scale). Таким чином, були визначені найпоширеніші недоліки, які зустрічаються у сучасних методиках, а саме: фіксована ймовірність розпізнавання об'єкта, не враховується рух та вібрації об'єкта, не враховується або частково враховується зорове сприйняття оператора.
Показано, що на сьогоднішній день існує два найпоширеніших напрямки оцінки можливості виконання оператором покладеного на нього завдання по розпізнаванню: 1) на основі і 2) на основі емпірично отриманої таблиці NIIRS. Так, методики основані на температурно-просторовій роздільній здатності оцінюють функціональні можливості за максимальною дальністю між об'єктом та ТСС, з якої оператор може розпізнати ціль з ймовірністю в 50%. В методиці ж, що заснована на NIIRS, якість ТСС оцінюється за якістю зображення сформованого нею, після чого їй призначають, так званий “рівень NIIRS”. На сьогоднішній день не існує методу, який би пов'язував ці дві методики між собою, і тому виникали ускладнення в порівнянні систем, функціональні можливості яких зазначені за різними шкалами.
Розгляд існуючих методик засвідчив, що дальність розпізнавання залежить від багатьох параметрів і характеристик самого приладу, випромінювача (об'єкта), умов спостереження (стану погоди, наявності хмарності, метеобачення), середовища поширення (атмосфери), від характеру фону і завад, що потрапляють у кутове поле зору системи, від властивостей ока оператора.
Головним висновком, що слідує з проведеного дослідження є те, що найбільш поширені методики розрахунку МДР є недосконалими. Тому постала задача проаналізувати вплив окремих ланок ТСС, атмосфери, зорового сприйняття оператора на МДР і розробити нову вдосконалену методику, яка б усунула виявлені недоліки існуючих аналогів.
Другий розділ присвячено аналізу впливу атмосфери, окремих ланок ТСС, зорового сприйняття оператора та умов спостереження на МДР ТСС. Мета - вдосконалення методики розрахунку максимальної дальності розпізнавання тепловізійної системи спостереження, що в кінцевому результаті дозволить підвищити точність знаходження МДР, розширить сферу її застосування і надасть можливість оцінювати функціональні можливості ТСС за різних умов спостереження ще на етапі проектування, що має важливе практичне значення при створенні нових зразків тепловізійної техніки.
Порівняльний аналіз відомих методів розрахунку впливу атмосфери на проходження інфрачервоного випромінювання дозволив обґрунтувати необхідність врахування не лише ослаблення сигналу від об'єкта, але і спотворення кінцевого його зображення за рахунок турбулентності і розсіювання під малими кутами, що досягається шляхом використання модуляційної передавальної функції (МПФ) атмосфери. Таким чином, замість звичного закону Бугера, запропоновано використовувати вираз для МПФ атмосфери, який може бути представлений, як:
; (1)
; (2)
, (3)
де - МПФ турбулентності; - аерозольна МПФ; - показник ослаблення атмосфери; - це 1 для плоского хвильового фронту і 3/8 для сферичного; - коефіцієнт сили турбулентності; й - показники поглинання й розсіювання атмосфери відповідно; - кутова просторова частота уздовж горизонтального напрямку.
В сучасних умовах дуже часто зображення на екрані ТСС інтерпретує оператор. Аналіз робіт, присвячених зоровому розпізнаванню та власні спостереження показали, що критерії, які застосовуються на сучасному етапі є ефективними і коректними лише за певних умов спостереження і мають вузьке коло застосування. Тому в дисертаційній роботі були проведені дослідження особливостей зорового сприйняття тепловізійних зображень, результатом яких стало впровадження більш поглибленого методу врахування ЗА оператора у методиці розрахунку МДР. Це дало можливість розраховувати МДР при різних значеннях ймовірності розпізнавання об'єкта на екрані ТСС і за різної складності сцени спостереження. Таким чином, замість загальноприйнятого критерію Джонсона було запропоновано розраховувати мінімально необхідну кількість пар штрихів за виразом:
, , , (4)
де - задана ймовірність розпізнавання; - гранична кількість пікселів (за рівномірного фону); , при розпізнаванні об'єкта на екрані ТСС; , при стандартному методі розпізнавання, і - при дослідницькому; - кількість об'єктів, які одночасно спостерігаються на екрані.
Проведений аналіз показав, що існуючі методики розрахунку МДР призначені для систем, що спостерігають нерухомі об'єкти. Однак, як показало дослідження МДР для об'єктів, які рухаються відносно ТСС, істотно відрізняється від даних, отриманих за “стаціонарними” методиками, тому що вібрації й рух ТСС впливають на сприйняття зображення об'єкта, а отже й на МДР. В реальній ситуації, об'єкт відносно ТСС може рухатися за довільним законом, однак найчастіше зустрічається:
1) рух об'єкта відносно ТСС із рівномірною швидкістю;
2) рух об'єкта відносно ТСС із постійним прискоренням;
3) високочастотні вібрації;
4) низькочастотні вібрації.
При русі об'єкта відбуваються наступні зміни у зображенні об'єкта спостереження:
- зменшується контраст зображення;
- розмиваються деталі зображення об'єкта;
- збільшується розмір зображення об'єкта у напрямку руху.
При цьому змінюється як сигнал з апаратної частини ТСС, так і зорове сприйняття зображення оператором. Вплив руху й вібрацій зображення об'єкта на вихідний сигнал може бути врахований за допомогою МПФ:
, (5)
де - МПФ для нерухомої ТСС; - МПФ, що враховує рух і вібрації зображення об'єкта по координаті .
Для врахування різних типів вібрацій та рухів було запропоновано розраховувати МПФ наступним чином:
- для рівномірного прямолінійного руху:
, (6)
де ; - швидкість руху об'єкта на екрані дисплея ТСС, вимірювана в пікселях у секунду; - час експозиції.
- для високочастотних синусоїдальних вібрацій:
, (7)
де ; - функція Бесселя першого роду нульового порядку; - амплітуда синусоїдальних коливань; - розмір об'єкта на екрані в пікселях.
- для низькочастотних синусоїдальних коливань:
, (8)
де ; - період синусоїдальних коливань.
При всіх типах вібрацій і рухів об'єкта відносно ТСС присутнє розмиття зображення (рис. 2) за рахунок зсуву об'єкта під час формування одного кадру. Отримані результати засвідчили, що саме воно має найбільший вплив на сприйняття оператором спостерігаємої сцени.
Було знайдено, що при низькочастотних синусоїдальних вібраціях основний вплив на розпізнавання має розмиття зображення об'єкта, викликане зсувом об'єкта при формуванні одного кадру. Причому, 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.
Проведені дослідження показали, що рух та вібрації значно впливають на МДР і залежності мають неліний характер (рис. 3).
Наступні дослідження розділу були присвячені впливу електронного збільшення ТСС на МДР. Відомо, що людина має складну систему аналізу зображення. Хоча вже існує досить велика кількість автоматизованих систем розпізнавання зображень (автомобільних номерних знаків, відбитків пальців, обличь), яка за інформацією виробників базується на принципах нейрофізіології, але все ж досягнуті результати далекі від тих, що можуть бути отримані при спостереженні за зображенням людиною.
Проведений аналіз показав, що сприйняття зображення оператором можна покращити за рахунок приведення значимих для розпізнавання деталей зображення об'єкта до таких розмірів, які відповідають максимальному значенню МПФ ока. Було знайдено, що кращим з точки зору сприйняття зображення є електронне збільшення, яке може бути знайдене з виразу:
, (9)
де - цифрове збільшення, при якому сприйняття зображення найкраще; - розмір чутливого елемента ПВ; - розмір зображення сформованого однією чутливою площадкою приймача випромінювання при =1; - кутовий розмір об'єкта на екрані, при якому МПФ ока приймає максимальне значення; - кутовий розмір проекції об'єкта на ПВ; - фокусна відстань об'єктива ТСС; - відстань між екраном ТСС і оператором. тепловізійний дальність розпізнавання зоровий
Дослідження впливу електронного збільшення засвідчили, що воно значним чином впливає на МДР і тому було запропоновано враховувати його через просторову частоту, що входить до функції температурно-просторового розділення за формулою
, , (10)
, (11)
де - відношення сигнал/шум, яке сприймає оператор; - еквівалентна шуму різниця температур; - кутове збільшення в системі ТСС-оператор; - кутова просторова частота у просторі спостерігача; - МПФ ТСС; - частота кадрів; с - постійна ока; - кутові розміри чутливої площадки ПВ.
Третій розділ присвячено створенню аналітичного апарату для розрахунку МДР ТСС, виходячи з аналізу досліджень проведених у попередніх розділах.
Аналіз проведених в попередніх розділах досліджень дозволив створити вдосконалену методику, яка дає можливість розраховувати МДР ТСС для широкого кола умов і складності сцени спостереження. Було отримано рівняння для розрахунку МДР:
, (12)
де - різниця температур між об'єктом та фоном; - МПФ атмосфери; - МПФ ТСС з врахуванням впливу руху та вібрацій зображення об'єкта; - кутова просторова частота уздовж горизонтального напрямку.
При цьому, вираз (12) дозволяє ще на етапі проектування оцінити вплив окремих складових ТСС на МДР і визначити конструктивні параметри для створення ТСС з необхідними функціональними можливостями. Результати, отримані за допомогою запропонованої методики, добре узгоджуються з експериментальними даними, як для експериментальних даних, що приведені в наукових працях, так і натурними дослідженнями, проведеними на базі КП “ЦКБ “Арсенал”.
Дослідження існуючих методик розрахунку МДР ТСС виявили гостру проблему в сучасному приладобудуванні, яка полягає в тому, що склалося дві системи оцінки функціональних можливостей ТСС: на основі МДР і на базі шкали NIIRS, що значно ускладнює порівняння ТСС. Завдяки аналізу методики, заснованій на NIIRS, були проведені математичні перетворення і знайдено вираз для переходу від однієї системи до іншої:
, км. (13)
де - відносний граничний відгук; - перерегулювання через граничну різкість; - рівень шкали, якому відповідає якість зображення.
Коефіцієнти визначаються як:
і для ;
і для .
В запропонованій методиці вирішені всі задачі поставлені перед дисертантом, а саме: розроблено новий підхід до врахування атмосфери в методиці розрахунку МДР; розроблено метод врахування впливу зорового сприйняття оператора на МДР; розроблено метод варіювання ймовірністю розпізнавання у методиці визначення МДР; враховано вплив руху та вібрацій зображення об'єкта на МДР; розроблено методику визначення рівня NIIRS за відомою МДР; розроблено методику визначення МДР за певним рівнем NIIRS. Також, розроблені дисертантом методики враховують умови спостереження, такі як погодні умови, робота ТСС при вібраціях та інше.
Четвертий розділ присвячено перевірці експериментальним шляхом отриманих результатів за запропонованими в третьому розділі методиками.
Експериментальні дослідження проводились на базі КП “ЦКБ “Арсенал”. Це дало можливість визначити МДР з досить великою точністю за рахунок використання промислового вимірювального устаткування і пристрою відтворення теплових полів УВСТП-250 (рис. 4). Для отримання більш достовірних даних для досліджень було взято дві ТСС: KENIS-38 (KENTRON, ПАР) (рис. 5) і CATHERINE-FC (Thomson, Франція), з технічними характеристиками, представленими в табл. 1.
Для знаходження використовувалось візуальне розділення у зображенні штрихової міри із періодичною структурою (міра Фуко) і по можливості низьким температурним контрастом. Схема експериментальної установки представлена на рис. 6.
Таблиця 1. Технічні характеристики ТСС
|
№ |
Найменування характеристик |
CATHERINE-FC |
KENIS-38 |
|
|
1 |
Спектральний діапазон, мкм |
8 - 10,5 |
3 - 5 |
|
|
2 |
Поле зору, град: - вузьке - широке |
2,25Ч3 6,75Ч9 |
2,25Ч3 13,5Ч18 |
|
|
3 |
Фотоприймальний пристрій: кількість елементів, матеріал, покоління |
4Ч288, КРТ, друге покоління |
384Ч288, КРТ, третє покоління |
|
|
4 |
Діаметр вхідної апертури, мм |
70 |
107,4 |
|
|
5 |
, К |
<0,15 |
<0,02 |
|
|
6 |
Заявлена дальність розпізнавання (км) для цілі розміром: 2,3Ч2,3 м з К |
>3,7 |
>3,5 |
|
|
7 |
Габаритні розміри, мм |
250Ч240Ч116 |
300Ч150Ч140 |
В результаті вимірів були знайдені функції для двох значень цифрового збільшення, які приведені в табл. 2. Використовуючи ці дані були розраховані величини МДР на перетині з кривими пропускання атмосфери для різних значень різниці температур між об'єктом та фоном (рис. 7, 8).
Як можна бачити з результатів, наведених в табл. 2, максимальна розбіжність між експериментальними та теоретичними даними склала 4% для ТСС CATHERINE-FC при км.
Враховуючи те, що теоретично знайдені значення МДР знаходяться у межах експериментальної похибки, можна стверджувати, що запропоновані методики дають результати з високою точністю і можуть бути застосовані на практиці.
Таблиця 2. Результати експериментальних досліджень і теоретичних розрахунків МДР
|
KENIS-38 |
CATHERINE-FC |
||||
|
Експ. |
Теор. |
Експ. |
Теор. |
||
|
К |
3,80±0,38 |
3,79 |
3,90±1,06 |
3,95 |
|
|
К |
4,10±0,32 |
3,95 |
4,20±0,53 |
4,13 |
|
|
К |
4,15±0,34 |
4,05 |
4,40±0,36 |
4,27 |
|
|
К |
4,15±0,38 |
4,27 |
4,20±0,98 |
4,47 |
|
|
К |
4,50±0,57 |
4,43 |
4,90±0,45 |
4,73 |
|
|
К |
4,70±0,39 |
4,55 |
5,10±0,42 |
4,97 |
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.
Підписано до друку 01.08.2007 р. Формат 60Ч84 1/16.
Папір офсетний. Умовн. др. арк. 1,8
Друк різограф. Тираж 100 прим. Зам. № 0108/07.
Підприємство УВОІ “Допомога” УСІ”
“КАПРІ”
03056, м. Київ, пров. Політехнічний 6, корп. 5 (КПІ)
Тел.: 241-71-46.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Поняття про ідеальну оптичну систему і її властивості. Лінійне збільшення. Кардинальні елементи ідеальної оптичної системи. Залежності між положенням і розміром предмету і зображення. Зображення похилих площин. Формули для розрахунку ходу променів.
дипломная работа [4,9 M], добавлен 12.09.2012Розробка заходів щодо вдосконалення системи електропостачання аеродромних вогнів злітно-посадкової смуги в світлосигнальних системах аеродрому. Визначення показників надійності, оцінка їх впливу на рівень безпеки польотів на етапі візуального пілотування.
дипломная работа [4,7 M], добавлен 25.08.2012Аналіз стану та основних проблем енергетичної галузі Вінницької області. Впровадження енергозберігаючої технології на Соколівському цукровому заводі. Визначення витрат пари на турбіну і теплофікацію. Розрахунок техніко-економічних показників роботи ТЕЦ.
курсовая работа [181,5 K], добавлен 27.07.2015Розрахунок максимальної швидкості підйомного крана і сили тяги кривошипно-шатунного механізму. Визначення зусилля для підняття щита шлюзової камери. Обчислення швидкості води у каналі та кількості теплоти для нагрівання повітря; абсолютного тиску.
контрольная работа [192,6 K], добавлен 08.01.2011Формування системи нелінійних алгебраїчних рівнянь вузлових напруг у формі балансу струмів, у формі балансу потужностей. Імовірність події перевищення активної потужності максимальної потужності. Дійсна максимальна потужність трансформаторної підстанції.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 04.05.2014Розрахунок реле постійного струму. Криві намагнічування, тягова характеристика. Розрахунок обмотки катушки реле й максимальної температури, до якої вона може нагріватися в процесі роботи. Визначення мінімального числа амперів-витків спрацьовування.
курсовая работа [484,1 K], добавлен 28.11.2010Обґрунтування необхідності визначення місця короткого замикання в обмотках тягового трансформатора. Алгоритм діагностування стану тягового трансформатора. Методика розрахунку частоти генератора. Визначення короткозамкнених витків в обмотці трансформатора.
магистерская работа [2,3 M], добавлен 11.12.2012Апробація нової навчальної програми. Класифікація фізичних задач. Розв’язування задач на побудову зображень, що дає тонка лінза, застосування формули тонкої лінзи, використання алгоритмів, навчальних фізичних парадоксів, експериментальних задач.
научная работа [28,9 K], добавлен 29.11.2008Різниця координат ідентичних точок реального й ідеального зображень. Проектування ходу променів через реальні оптичні системи. Особливості використання програм для обчислення аберацій оптичних систем. Якість зображення та дозволяюча здатність об'єктиву.
реферат [789,7 K], добавлен 12.02.2011Вивчення основних закономірностей тліючого розряду. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів. Дослідження впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників.
методичка [389,4 K], добавлен 20.03.2009Вивчення основних фізичних закономірностей, визначаючих властивості та параметри фототранзисторів, дослідження світлових характеристик цих приладів. Паспортні дані для фототранзистора ФТ-1К. Вимірювання струму через фототранзистор без світлофільтра.
лабораторная работа [1,3 M], добавлен 09.12.2010Характеристика методики розрахунку та побудови температурних полів, які виникають під час електродугового зварювання та наплавлення деталей. Аналіз способів побудови ізотерми 500 К, 800 К, 1100 К, 1600К у площині переміщення зварювального джерела.
курсовая работа [825,6 K], добавлен 15.01.2014Вивчення конструкції трансформатора та його паспорту. Дослідження методики виконання маркування виводів фазних обмоток. Визначення індукції у стрижні трансформатора, обмоток вищої і нижчої напруги. Розрахунок напруги та числа витків додаткової обмотки.
лабораторная работа [127,5 K], добавлен 28.08.2015Спостереження броунівського руху. Визначення відносної вологості повітря, руйнівної напруги металу. Вивчення властивостей рідин. Розширення меж вимірювання вольтметра і амперметра. Зняття вольт амперної характеристики напівпровідникового діода.
практическая работа [95,3 K], добавлен 14.05.2009Визначення показника заломлення скла. Спостереження явища інтерференції світла. Визначення кількості витків в обмотках трансформатора. Спостереження явища інтерференції світла. Вимірювання довжини світлової хвилі за допомогою дифракційної решітки.
лабораторная работа [384,9 K], добавлен 21.02.2009- Моделювання перехідних процесів у системі електропривода ТП-Д за допомогою програмного пакету MatLab
Система електропривода ТП-Д. Введення структури моделі системи ТП-Д у програму MatLab. Перехідний процес розгону системи ТП-Д з нерухомого стану до сталого при подачі на систему східчастого впливу. Наростання вихідного сигналу. Напруга на вході системи.
лабораторная работа [713,1 K], добавлен 19.09.2013 Енергія - універсальна міра руху форм матерії. Механічна робота як міра зміни енергії. Потужність, кінетична енергія. Сили з боку інших фізичних тіл, що викликають зміни механічного руху. Випадок руху матеріальної точки уздовж криволінійної траєкторії.
реферат [137,3 K], добавлен 22.03.2009Розрахунок відстані від лінзи до зображення, використовуючи формулу лінзи. Визначення фокусної відстані лінзи і відстані від лінзи до зображення. Найменша можлива відстань між предметом та його дійсним зображенням, створюваним збиральною лінзою.
контрольная работа [119,0 K], добавлен 10.06.2011Поведінка системи ГД перехідних режимів. Експериментальне дослідження процесів при пуску, реверсі та гальмуванні електричних генераторів. Алгоритм побудування розрахункових графіків ПП при різних станах роботи машини. Методика проведення розрахунку ПП.
лабораторная работа [88,2 K], добавлен 28.08.2015Застосування індуктивних нагромаджувачів, розрахунок параметрів. Процеси розмикання струму та генерації електронного пучка. Дослідження характеристик електронного прискорювача з плазмоерозійним розмикачем в залежності від індуктивності нагромаджувача.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 22.09.2011
