Методи проектування тепловізорів для безпілотних літальних апаратів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут

імені ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»

Магістерська дисертація

зі спеціальності (спеціалізації) 152 Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка

Методи проектування тепловізорів для безпілотних літальних апаратів

Виконав: студент Сокол Богдан Володимирович

Науковий керівник зав.кафедри ООЕП,

д.т.н., професор Колобродов В.Г.

Київ - 2018 року

РЕФЕРАТ

МЕТОДИ ПРОЕКТУВАННЯ ТЕПЛОВІЗОРІВ ДЛЯ БЕЗПІЛОТНИХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ

Актуальність. Тепловізійні камери можуть використовуватися у різних сферах життєдіяльності, одне з найпоширеніших застосувань тепловізорів - це застосування у воєнній сфері, для виявлення ворожих об'єктів. В таких тепловізорах зазвичай використовують неохолоджувальні мікроболометричні матриці, вага яких складає від 50 грамів і більше, в залежності від конструкції об'єктиву. Невеликі тепловізори зручно використовувати в безпілотниках. Вже неодноразово було розглянуто проблеми виявлення об'єктів, але всі вони розглядалися на невеликих відстанях, звідси і виникає проблема у збільшенні дальності виявлення з найменшими втратами якості. Тому досить актуальною проблемою є визначення оптимальної конструкції тепловізора, насамперед параметри об'єктива, щоб зберегти максимальну дальність виявлення, розпізнавання та тим самим мінімізувати розміри камери.

Мета дослідження: Мета роботи полягає в аналізі тепловізорів на основі мікроболометричних матриць, при зміні параметрів об'єктиву. Забезпечення необхідних характеристик для виявлення цілей. Визначення максимальної дальності виявлення та розпізнавання.

Завдання дослідження:

Обґрунтувати вимоги до характеристик тепловізорів.

Удосконалити математичну модель, яка описує процес перетворення інфрачервоного випромінювання від об'єкта, що проходить крізь атмосферу та об'єктив тепловізора та потрапляє до приймача випромінювання.

Розробити метод розрахунку максимальної дальності виявлення та розпізнавання об'єктів.

Провести розрахунок максимальної дальності виявлення та розпізнавання в залежності від конструктивних параметрів об'єктива та висоти польоту БПЛА.

Об'єкт дослідження: процес реєстрації оптичного випромінювання від об'єкта досліджування до дисплею тепловізійної камери безпілотного літального апарату.

Предмет дослідження: модель виявлення і розпізнавання об'єктів.

Публікації.

За матеріалами дисертації опубліковано одну статтю у фаховому виданні, дві наукові праці, опубліковано у збірниках тез - 2 тези конференцій, одна з яких у закордонному виданні.

1. Б. В. Сокол. Методология обнаружения цели тепловизором // ІХ Міжнародна науково-практична конференція студентій, аспіратнів, та молодих вчених «ПОГЛЯД У МАЙБУТНЄ ПРИЛАДОБУДУВАННЯ», м. Київ, ПБФ, НТУУ «КПІ». - 2016 - с.48

2. Б. В. Сокол. Тепловізійна система для виявлення безпілотних літальних апаратів // Х Міжнародна науково-практична конференція студентій, аспіратнів, та молодих вчених «ПОГЛЯД У МАЙБУТНЄ ПРИЛАДОБУДУВАННЯ», м. Київ, ПБФ, НТУУ «КПІ». - 2017 - с.42

3. Б. В. Сокол. Методы обнаружения беспилотных летательных аппаратов // Новые направления развития приборостроения, научно-техн. конф. - Минск: БНТУ. - 2017 - Т.2 - с.17

4. І.В. Карпенко, В.Г. Колобродов, Б.В. Сокол. Поляризаційний метод виявлення тепло контрастної цілі на фоні завад // ВІСНИК ХМЕЛЬНИЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ, серія: Технічні науки. - 2018. - №1. - С. 33 - 38.

5. І.В. Карпенко, В.Г. Колобродов, Є.Г.Балінський, Б.В. Сокол. Методика розрахунку максимальної дальності розпізнавання тепловізійного прицілу // ХІ Міжнародна науково-практична конференція студентій, аспіратнів, та молодих вчених «ПОГЛЯД У МАЙБУТНЄ ПРИЛАДОБУДУВАННЯ», м.Київ, ПБФ, НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського». - 2018.

6. Б.В. Сокол, В.Г. Колобродов, Є.Г.Балінський, І.В. Карпенко. Оптична та радіочастотні методи і засоби протидії безпілотним літальним апаратам // ХІ Міжнародна науково-практична конференція студентій, аспіратнів, та молодих вчених «ПОГЛЯД У МАЙБУТНЄ ПРИЛАДОБУДУВАННЯ», м. Київ, ПБФ, НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського». - 2018.

Ключові слова: тепловізійна камера, проектування тепловізора, безпілотні літальні апарати, максимальна дальність виявлення та розпізнавання.

ABSTRACT

METHODS OF DESIGNING HEATERS FOR SAFE LITERAL APPLIANCES

Scope of work - 90 pages;

Number of illustrations - 28;

Number of tables - 32;

Number of applications - 4;

Number of sources according to the list of references - 21.

Topicality. Thermal imaging cameras can be used in various spheres of life, one of the most common uses of thermal imagers - is the application in the military sphere, to detect enemy objects. In such thermal imagers, non-cooling microbolometric matrices are generally used, which weigh from 50 grams or more, depending on the design of the lens. Small cameras are easy to use in unmanned pilots. Problems of object detection have been discussed repeatedly, but all of them were considered at short distances; hence, there is a problem in increasing the range of detection with the least quality losses. Therefore, a very topical problem is to determine the optimal design of the thermal imager, especially the size of the lens, in order to maintain the maximum detection range, recognition and thus minimize the size of the camera.

Purpose of the research: The purpose of the work is to analyze the thermal imagers based on microbolometer matrices. when changing the lens parameters. Provide the necessary characteristics for the purpose of identification. Determining the maximum detection and recognition range.

Objectives of the study:

1. To substantiate requirements to the characteristics of thermal imagers.

2. To improve the mathematical model, which describes the process of transformation of infrared radiation from the object passing through the atmosphere and the objective of the thermal imager and enters the receiver of radiation.

3. Develop a method for calculating the maximum detection and recognition of objects.

4. Calculate the maximum detection and recognition range depending on the design parameters of the lens and the UAV flight altitude.

Object of research: the process of registration of optical radiation from the object of investigation to the display device thermal imaging camera unmanned aircraft.

Subject of research: the model of detection and recognition of objects.

Keywords: thermal imaging camera, projection of the thermal imager, unmanned aerial vehicles, detection of infrared targets, maximum detection and recognition range.

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, ОДИНИЦЬ, СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ

ВСТУП

РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД ТА АНАЛІЗ ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Аналіз типів безпілотних літальних апаратів

1.2 Аналоги приладів

1.3 Висновки до розділу

РОЗДІЛ 2. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РОБОТИ ТЕПЛОВІЗІЙНИХ КАМЕР

2.1 Фізико-математична

2.1.1 Максимальна дальність розпізнавання

2.1.2 Максимальна дальність виявлення

Висновки до розділу

РОЗДІЛ 3. МЕТОД ПРОЕКТУВАННЯ ТЕПЛОВІЗОРІВ ДЛЯ БЕЗПІЛОТНИХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ

3.1 МДР тепловізорів для БПЛА локального використання

3.2 МДР тепловізорів для БПЛА глобального використання

3.3 МДВ тепловізорів для БПЛА локального використання

3.4 МДВ тепловізорів для БПЛА глобального використання

3.5 МДР та МДВ тепловізорів для БПЛА

3.5 Розробка програмного забезпечення для розрахунку МДР та МДВ

Висновки до розділу

РОЗДІЛ 4. СТАРТАП ПРОЕКТ МЕТОДУ ПРОЕКТУВАННЯ ТЕПЛОВІЗОРІВ ДЛЯ БПЛА

4.1 Опис ідеї проекту

4.2 Технологічний аудит ідеї проекту

4.3 Аналіз ринкових можливостей запуску стартап-проекту

4.4 Розроблення ринкової стратегії проекту

4.5 Розроблення маркетингової програми стартап-проекту

Висновки до розділу

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

ДОДАТКИ

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ

БПЛА - безпілотні літальна апарати

БДПЛА - безплотні дистанційно-пілотовані літальні апарати

UAV - unmanned aerial vehicle

МДВ - максимальна дальність виявлення

МДР - максимальна дальність розпізнавання

ТПСС - тепловізійна система спостереження

ПВ - приймач випромінювання

ВСТУП

Інтенсивний розвиток науки і технології постійно рухається вперед та створює нові технічні засоби, що побудовані на оптико-електронних пристроях. І завжди існує така тенденція до мінімізації та зменшенню розмірів пристрою і в той же час покращенню його характеристик. Безпілотні літальні апарати (БПЛА) є представником однією з найбільш швидко зростаючою технологією розвитку.

Для запобігання вторгнень, організації встановлюють замки і сигналізації на будівлі, міжмережеві екрани і системи виявлення вторгнень в мережу. Після значних досягнень в області технології дронів, прийшов час, щоб задуматися і про захист повітряного простору.

У одному із досліджень маркетинговою та інвестиційної фірмою Kleiner Perkins Caufield & Byers, світовий ринок споживчих безпілотних літальних апаратів зазнав збільшення кількості продажів на 80% всього за два роки (2016-2017 рр.). Світові продажі безпілотних літальних апаратів вже досягли 18 мільйона одиниць, а ринок оцінюється в суму близько $ 2,7 млрд.

У компанії DJI (Dajiang Innovation Technology Co - китайська приватна компанія, виробник мікроконтролерів, відеообладнання, мультикоптерів та ін.), заявляють, що продажі БПЛА у 2017 досягнули 18 млрд. юанів (2,7 млрд. доларів США). Продажі порівняно з 2016 роком збільшилися на 65%. У 2018 році DJI планує розширювати свій персонал, приділяючи особливу увагу сільському господарству, щоб збільшити загальний об'єм продаж, ще на 80%. Також міністерство промисловості та інформаційних технологій Китаю очікує, що сектор зростатиме на 40% щороку до 2020 року, а після цього - по 25% [1].

У той час як більшість споживачів проявляють великий інтерес до дронів для рекреаційного (активний відпочинок) використання, деякі компанії вивчають нестандартні способи їх використання. Служби безпеки уже повідомили про створення пристроїв, що здатні дистанційно взламувати та перехоплювати керування девайсів користувачів:

охоронна фірма Sense Post представила свій Snoopy безпілотник, який призначений для взлому смартфонів і крадіжки приватних даних без відома користувача [2].

David Jordan з Aerial Assault представив безпілотник, призначений для проникнення в комп'ютерні мережі [3].

Шпигування і крадіжки в корпоративному секторі - явище звичне, і зазвичай ще до релізів гучних (девайсів, виробів, товарів) майже все про них відомо. А ось у цивільній обороні, військових об'єктах, державних установах, такі «зливи» інформації можуть мати непередбачені наслідки. Насамперед мова піде про ворожі розвід-апарати, які можуть дізнатися про розміщення стратегічно-важливих об'єктів, локацій та ін.

Вже існують багато методів для виявлення наземних та повітряних цілей, як радіолокаційними так і візуальними системами. У даній роботі буде розглянутий метод проектування тепловізорів для БПЛА, в якому буде проаналізована залежність максимальної дальності виявлення та розпізнавання від конструктивних параметрів об'єктива (його розмірів), приймача випромінювання, адже кожен тип БПЛА має своє максимальне корисне навантаження.

Тепловізійні камери можуть використовуватися у різних сферах життєдіяльності, починаючи від аграріїв та будівельників і закінчуючи астрономічними дослідженнями, але найпоширеніше застосування тепловізорів знайшлося у воєнній сфері, для виявлення ворожих транспортних та літальних апаратів, розташування блок-постів, караулів, сбір військових сил та інших цілей. Але в той же час можливе використання і в охоронній системі, рятувальних службах, морській сфері та ін.

Сучасні тепловізори здатні розрізняти соті долі градуса і дозволяють виявляти об'єкти на значних відстанях, але такі камери потребують значного охолодження, що збільшую їхню вагу на декілька десятків кілограмів, або навіть сотень. У тепловізорах для БПЛА зазвичай використовують неохолоджувальні мікроболометричні матриці, розміри яких складають декілька квадратних сантиметрів. Вага таких камер, з такою матрицею складає від 50 грамів і більше, в залежності від конструкції об'єктиву. Вже неодноразово було розглянуто у статтях [4-5] проблеми виявлення об'єктів, але всі вони розглядалися на невеликих відстанях, тому і виникає проблема у збільшенні дальності виявлення з найменшими втратами якості.

Тому досить актуальною проблемою є визначення оптимальної конструкції тепловізора, насамперед розміри об'єктива, щоб зберегти максимальну дальність виявлення та тим самим мінімізувати розміри камери.

Магістерська дисертація складається із чотирьох розділів.

У першому розділі розглядаються стан проблеми на сьогодні, які існують типи БПЛА, їх габарити, висота, дальність та час польоту, корисна вага навантаження. Саме останній пункт буде визначати можливі габарити та конфігурації тепловізора. Також в розділі розглянуто два види мікроболометричних матриць, ІЧ об'єктиви та готові продукти компанії FLIR, які вже використовуються у БПЛА.

У другому розділі розглядаються фізичні основи тепловізійних камер на основі мікроболометричної матриці. Фізико-математична модель, існуючі методи виявлення та розрахунок максимальної дальності виявлення та розпізнавання.

Третій розділ присвячений дослідженню та розробці методів проектування тепловізорів для безпілотних літальних апаратів. Основною метою дослідження є визначення залежності максимальної дальності виявлення та розпізнавання об'єктів від фокусної відстані об'єктива тепловізора, висоти польоту, погодних умов, типу матриці.

У четвертому розділі розглядається створення стартап-проекту для методу проектування тепловізорів для БПЛА. Розроблено опис самого проекту та визначено загальні напрями використання потенційного методу, а також їх відмінність від конкурентів, проаналізовані ринкові можливості щодо реалізації проекту, на базі аналізу ринкового середовища розроблено стратегію ринкового впровадження потенційного товару в межах проекту.

РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД СТАНУ ПРОБЛЕМИ

1.1 Аналіз типів безпілотних літальних апаратів

Безпілотний літальний апарат - літальний апарат, який літає та сідає без фізичної присутності пілота на його борту. Створений для повітряної зйомки, спостереження та інших завдань, в реальному часі за наземними об'єктами.

Залежно від принципів керування, розрізняють такі різновиди безпілотних літальних систем:

безпілотні некеровані;

безпілотні автоматичні;

безпілотні дистанційно-пілотовані літальні апарати (БДПЛА).

У авіації після 2000 року йде стрімке розширення саме останнього типу апаратів, й про них йдеться, коли вживають термін «безпілотник», «дрон» або абревіатуру UAV. Тобто, під цими термінами мається на увазі саме повітряне судно, яким через канали зв'язку керує один або декілька пілотів. Екіпаж БПЛА може також включати командира, оператора сенсорів, оператора вогневих засобів. Екіпажі БПЛА під час довготривалих місій змінюються кожні 4 - 5 години.

Рисунок 1.1 - Панель керування безпілотниками

Безпілотні (англ. unmanned - без людини на борту) літальні апарати, відповідно до стандартів НАТО, так само, як і літаки із пілотом на борту (англ. manned aircraft), поділяються на 5 груп [6]:

Група 1 (мікро-, міні тактичні) - від 0 до 9 кг, до 300 метрів над землею, основний представник - «RQ-11 Raven».

Група 2 (малі тактичні) - від 9.5 до 25 кг; до 1000 метрів над землею, представник - «Scan Eagle»

Група 3 (тактичні) - менш, ніж 600 кг, представник - «RQ-7 Shadow»

Група 4 (персистентні) - більш, ніж 600 кг; представник - «MQ-1B Predator»

Група 5 (пенетрувальні) - більш, ніж 600 кг; представник - «MQ-9 Reaper»

БПЛА масово застосовуються у військовій справі, в першу чергу для ведення повітряної розвідки - як тактичної, так і стратегічної. Безпілотники під-класів «міні-» та «мікро-» все ширше застосовуються під час бойових дій на рівні взводу та відділення для термінового отримання інформації типу «що за тим пагорбом», тобто для вирішення задач військової розвідки. Такими державами, як США, Росія і Ізраїль, також використовуються БПЛА для нанесення вогневих ударів по наземним цілям [6].

Крім того, невійськові дрони застосовуються для розв'язання широкого кола завдань, виконання яких пілотованими літальними апаратами з різних причин недоцільно. Такими завданнями є:

моніторинг повітряного простору, земної й водної поверхонь,

екологічний контроль,

керування повітряним рухом,

контроль морського судноплавства,

розвиток систем зв'язку,

художня фотографія

RQ-11 Raven («Ворон») - малий розвідувальний БПЛА американського виробництва. Розроблений на основі конструкції безпілотного апарата FQM-151 «Пойнтер», випускається у декількох модифікаціях.

Рисунок 1.2 - RQ-11 Raven

Планер літального апарату виконаний у вигляді високоплана з Т-подібним хвостовим оперенням, захищений балістичною тканиною типу «кевлар». Крило не має елеронів, а управління креном здійснюється кермом напряму.

Корисне навантаження складається з цифрової відеокамери денного або нічного бачення.

RQ-11 може запускатись з руки (аналогічно до авіамоделі) й не потребує підготовленого майданчика для приземлення. Транспортування БПЛА здійснюється у трьох невеликих контейнерах. В комплект поставки входять три безпілотних апарати, запасна батарея і зарядний пристрій з живленням від бортової мережі автомобіля HMMWV, тому бойова обслуга може приземлити апарат, вкласти нову батарею і знову відправити його у політ.

RQ-11 може літати в автоматичному режимі з навігацією по GPS, а за необхідності може керуватись оператором вручну.

Станом 2013 рік було вироблено 7330 шт безпілотників цього типу. Вартість комплекту у мінімальній конфігурації становила 35 тис. дол., у максимальній - 250 тис. дол.

Характеристики[7]:

Розмах крил - 1,372 м.

Маса - 1,9 кг.

Крейсерська швидкість - 56 км/год.

Висота польоту - до 5000 м.

Радіус дії - 10 км.

Тип двигуна - електричний (Engine Aveox 27/26/7-AV)

Довжина - 0,915 м.

Тривалість польоту - 60…90 хв.

Варіанти й модифікації:

«Flashlight» SUAV (Small UAV) - дослідний зразок, прототип, що здійснив перший політ у жовтні 2001 року.

Block I Raven - перша модель, яка випущена невеликою серією. У травні 2003 року надійшла в армію США на випробування, у ході яких було виявлено певні недоліки, серед яких - складність здійснення посадки та незадовільна стійкість БПЛА у польоті.

RQ-11A (Block II Raven) - досконаліша модель, що надійшла на випробування у вересні 2003 року. За результатами випробування в Афганістані, в кінці 2004 року БПЛА було взято на озброєння. Першим замовником стало Командування сил спеціальних операцій США, яке в кінці 2004 року зробило замовлення 179 комплексів з трьома БПЛА в кожному. Знятий з виробництва.

RQ-11B

RQ-11B DDL (Digital Data Link)

Solar Raven - модель, оснащена сонячними панелями, що збільшило на 60% час перебування апарата у повітрі.

Skylark

Skylark («Жайворонок») - БПЛА, розроблений ізраїльською компанією Silver Arrow, дочірньою фірмою компанії Elbit Systems [11].



Рисунок 1.3 - Skylark

«Skylark-I» («Жайворонок-I»):

Переносний варіант з ручним запуском БПЛА. Маса апарату - 5 кг, час знаходження в повітрі - 90 хвилин. Призначений для спостереження за територією площею 10 кмІ. Електронна апаратура здатна з висоти в кілька сотень метрів «розгледіти» окремих людей на землі і передати картинку на монітор оператора. Посадка здійснюється введенням БПЛА в плоский штопор на надувну подушку. Вперше був пред'явлений в 2003 році на авіасалоні в Парижі.

Skylark® I LE:

Злітна вага - 7,5 кг.

Розмах крил - 3 м.

Максимальне корисне навантаження - 2,5 кг.

Практична стеля - 5000 м.

Відстань ефективного використання - 20-40 км.

Час перебування в повітрі - до 180 хвилин.

Привід електричний. При підйомі на висоту більш ніж 100 м - на землі не чути. Обслуговується двома операторами. Поставляється більш ніж двадцяти країнах світу.

Skaylark® II («Жайворонок-II»):

Злітна вага - 65 кг.

Розмах крил - 6,5 м.

Максимальне корисне навантаження - 9 кг.

Практична стеля - 5000 метрів.

Відстань ефективного використання - 60 км.

Час перебування в повітрі - до 240 хвилин.

Привід електричний. При підйомі на висоту більш ніж 150 м - на землі не чути. Перевозиться на двох легкових машинах з причепом [7].

Skaylark® III («Жайворонок-III»):

Розмах крил - 4,8 м.

Максимальне корисне навантаження - 10 кг.

Практична стеля - 1500 метрів.

Відстань ефективного використання - 100 км.

Час перебування в повітрі - до 6 годин.

Запуск з катапульти.

Skylite

Skylite - ізраїльський розвідувальний міні БПЛА, призначений для ведення видової розвідки в міських умовах.

Існує дві модифікації: «Skylite A» (розробник - концерн Rafael) і «Skylite B» (спільна розробка Rafael і компанії BlueBird Aero Systems). Має складальне крило, що дозволяє переносити апарат в складеному вигляді. Оснащений електродвигуном.

Skylyte B був продемонстрований 8 жовтня 2007 року на авіаційній базі Тель-Ноф ВВС Ізраїлю.

Рисунок 1.4 - Skylite B

Характеристики [7]:

Розмах крила - 1,5 м.

Вага - 6 кг.

Радіус - 10 км.

Час польоту - 1 година.

Довжина - 110 см.

Корисне навантаження - 1,5 кг.

MJX Bugs 3

Квадрокоптер MJX Bugs 3 - абсолютно новий представник і першопроходець в серії дронів з безколекторними моторами Bugs від компанії MJX. Модель вийшла настільки вдалою, що всього за пару місяців розійшлася багатотисячними тиражами по всьому світу. Bugs 3 перевершує аналогічні за розміром і ціною великі квадрокоптера з колекторними двигунами за всіма ключовими параметрами, такими як: швидкість польоту, час польоту, дальність управління, вантажопідйомність, ресурс двигунів, безшумність і плавність польоту (мінімальні вібрації при відеозйомці) [8].

Рисунок 1.5 - MJX Bugs 3 [8]

Квадрокоптер MJX має такі особливості:

- Безколекторні мотори.

- 6-ти осьової гіроскоп з акселлерометром. Надає польоту стабільність і точність, значно полегшує боротьбу Мультикоптер з вітром.

- Захист гвинтів з еластичного нейлону, допомагає запобігти поломки при зіткненні моделі з перешкодами.

- Гвинти, в залежності від напрямку обертання мотора, мають як звичайну, так і зворотну різьблення (тобто. Самозатягивающиеся), що виключає мимовільне відкручування під час польоту.

- Наявність кронштейна для камер (GoPro і аналогів).

- Час польоту до 20 хвилин.

- Розміри: 445x445x145 мм

- Вага: 472 г

- Корисне навантаження: 146 г

- Радіус дії передавача: 500 м.

- Висота польоту: до 200 м.

DJI Phantom 4 Advanced

Phantom 4 Advanced продуманий до дрібниць. Тепер цей квадр здатний розвивати швидкість в польоті до 72 км / год, а також дальність польоту складається близько 7 км. На таку відстань дрон здатний залітати за умови, що на території, де відбувається пілотування, немає перешкод і об'єктів, які будуть заважати управлінню і створювати додаткові перешкоди. Завдяки надточної системі фіксації перешкод, дрон практично неможливо розбити по необережності. БПЛА саме уникне зіткнення з будинком або деревом, обігнувши його або зависнувши на місці.

Рисунок 1.6 - DJI Phantom 4 Advanced [9]

Час польоту до 28 хвилин.

Розміри: 303x411x117 мм

Вага: 1386 г

Корисне навантаження: 280 г

Радіус дії передавача:6000 м.

Максимальна швидкість: 20 м/c.

DJI Matrice 600 Pro

Matrice 600 Pro (M600 Pro) - нова політна платформа, розроблена компанією DJI для професійної аерозйомки. Дрон M600 оснащений за останнім словом техніки: польотний контролер А3, система передачі відеосигналу Lightbridge 2, інтелектуальні акумулятори та система управління електроживленням забезпечують швидке налаштування і максимальну продуктивність платформи. Посилена стійкість передачі сигналу. Посилена конструкція. Збільшений час польоту. Система висувних стійок для посадки. Складаний дизайн для зручності перенесення. Харчування від шести батарей. Новий хаб для швидкої одночасної зарядки акумуляторів в комплекті [10].

Рисунок 1.7 - DJI Matrice 600 [10]

Час польоту до 40 хвилин.

Розміри: 1668 мм x 1518 мм x 727 мм

Вага: 10 кг

Корисне навантаження: 5,5 кг

Радіус дії передавача:5000 м.

Максимальна швидкість зниження: 3 м/c.

Максимальна швидкість підйому: 5 м/c.

Максимальна швидкість польоту: 18 м/c.

GoPro Karma

Квадрокоптер GoPro Karma здатний віддалятися від пілота до 1 кілометра. Час польоту близько 20 хвилин. Трансляція відеопотоку з камери відбувається за допомогою Wi-Fi, відповідно, можуть бути невеликі затримки в отриманні потоку. Трансляція по Wi-Fi буде працювати на відстань до 500 метрів. Підвіс має трьохосьову стабілізацію, тому можна бути впевненим, що відео буде плавним, без ривків, як при зйомці з дрона, так при зйомці з електронного стедікама. Зйомний підвіс знімається і прикріплюється до ручки і виходить повноцінний стедикам для зйомки з рук. Датчики GPS і барометр дозволяють досить надійно орієнтуватися в просторі. Різні інтелектуальні функції у GoPro Karma теж є, наприклад, автоматичне повернення на місце зльоту.

Час польоту до 20 хвилин.

Розміри: 303x411x117 мм

Вага: 1006 г

Корисне навантаження: 186 г

Радіус дії передавача:1000 м.

Максимальна швидкість: 15 м/c.

1.2 Аналоги приладів

Розглянувши деякі типи БПЛА, і визначившись з навантаженням яке можливо використати для встановлення тепловізора, можна розділити на дві групи: глобальні та локальні. Глобальні - це безпілотники великих розмірів, які можуть проводити розвідку на відстанях більше 2-3 км, та проводити в повітрі близько години. Локальні - компактні, невеликі за розміром, час роботи в повітрі близько 20 хв., відстань роботи - близько 1км.

Розглянемо аналоги таких тепловізорів.

FLIR VUE PRO

FLIR Vue Pro, призначена для професійного використання - це пристрій для вимірювання температури та реєстратор даних, що додає величезну цінність для ваших операцій та послуг БПЛА. Завдяки флеш-пам'яті FLIR Vue Pro додає повний запис даних термічного відео та 14-розрядних зображень. При підключенні до сумісних систем управління польотом він автоматично вставляє повну інформацію про географічне розташування літальних апаратів та даних про польоти на кожен знімок для зручного зшивання зображення, необхідного для картографічних, опитувальних та точних сільськогосподарських програм [12].

FLIR Vue Pro R надає операторам БПЛА можливість збирати точні, безконтактні вимірювання температури з аерофотозйомки. Кожне нерухоме зображення, яке зберігається в Vue Pro R, містить точні, відкалібровані дані температури, вбудовані в кожен піксель, що додає ще більшу цінність для операцій ніж будь-коли.

Рисунок 1.7 - Vue Pro/ Vue Pro R [12]

Таблиця 1.1. Параметри Vue Pro/ Vue Pro R [12]

Тип матриці	Мікроболометрична неохолоджувальна
Роздільна здатність	640x512	336x256
Поле зору	f'=9 мм: 69°х56° f'=13 мм: 45°х37° f'=19 мм: 32°х26°	f'=6.8 мм: 45°х35° f'=9 мм: 35°х27° f'=13 мм: 24°х19°
Спектральний діапазон	7.5-13.5 мкм
Вхідна напруга	4,8 - 6,0 В постійного струму
Потужність	2,1 Вт (3,9 Вт)
Розміри	5.74х4.45х4.45 мм
Вага	98 г
Робоча температура	-20°С - +50°С
Висота над рівнем моря	до 10 км

FLIR DUO

FLIR Duo: компактний, легкий, наявність двох сенсорів дозволяє знімати як в тепловізійному так і видимому спектрі, розміщується на БПЛА. FLIR Duo таких же розмірів і форми, що і найпопулярніші GO-камери (екшн -камери). Duo поєднує в собі теплові зображення з кольоровим відео 1080p у розмірі та формі популярної камери. Його аналогові та цифрові виходи дозволяють переглядати теплові або видимі зображення окремо або ж об'єднати в форматі MSX або Picture-in-Picture. Також випускається версія Duo R, що додає калібровані вимірювання радіометричної температури [12].

Таблиця 1.2. Параметри FLIR Duo/ Duo R[12]

Тип матриці	Мікроболометрична неохолоджувальна
Роздільна здатність	160x120
Поле зору	57°х44°
Спектральний діапазон	7.5-13.5 мкм
Роздільна здатність	1920х1080
Поле зору	90
Спектральний діапазон	видимий
Вхідна напруга	4,8 - 6,0 В постійного струму
Потужність	2,1 Вт (3,9 Вт)
Розміри	41х59х30 мм
Вага	84 г
Робоча температура	-20°С - +60°С
Висота над рівнем моря	до 3км

У вищенаведеній моделі тепловізійної камери FLIR Duo та FLIR Duo R використовується матриця тієї ж компанії - FLIR Lepton 3 з роздільною здатністю 160х120, та розміром пікселя 12 мкм, а у Vue Pro та Vue Pro R - матриця FLIR Muon з роздільними здатностями 640х512 та 336х256, в яких розміром пікселя складає 17 мкм. Тому їх параметри також необхідно розглянути.

FLIR Lepton 3

Lepton 3 - це повнофункціональний довгохвильовий інфрачервоний (LWIR) модуль камери, призначений для легкої взаємодії з інтерфейсами мобільних пристроїв та іншої побутової електроніки. Він захоплює випромінювання від об'єкта, що потрапляють на матрицю в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль (від 8 до 14 мікрон) і виводить рівномірне теплове зображення. Розмір такої матриці менше 12 мм, що дозволяє їй поміститися усередині смартфона і обійдеться в декілька десять разів дешевше традиційної ІЧ-камери.

Таблиця 1.3. Параметри FLIR Lepton 3 [13]

Тип матриці	Мікроболометрична, неохолоджувальна
Роздільна здатність	160x120
Тип сканування	Прогресивне сканування
Поле зору	71°х56°
Спектральний діапазон	8-14 мкм
Розмір пікселя	12 мкм
Температурна чутливість	0.05 ?
Робоча температура	-10°С - +65°С
Ефективна частота кадрів	8.8 Гц
Вхідна напруга живлення	2.8-3.1 В
Розміри	11.5х12.7х6.9 мм
Вага	0.9 г

FLIR Muon

FLIR Muon - це калібрований неохолоджуваний тепловізійний модуль. Розроблено для ОЕМ-виробників з метою його інтеграції у власні розробки. Ядро тепловізійної камери з відмінно збалансованим розміром, вагою і споживаної потужністю, Muon вимагає тільки наявності стандартних протоколів жвлення і зв'язку для формування вихідного відеосигналу через паралельний інтерфейс CMOS. Так як кожен модуль Muon проходить калібрування в діапазоні температур для роботи незалежно від термоелектричного перетворювача, ОЕМ-виробникам більше не потрібно розробляти власні складні системи заводського калібрування і обладнання або процесів, що допомагає зробити виробництво швидше, простіше і дешевше.

Таблиця 1.4. Параметри FLIR Muon [14]

Тип матриці	Мікроболометрична неохолоджувальна
Роздільна здатність	336x256	640x512
Поле зору	f'=9 мм: 69°х56° f'=13 мм: 45°х37° f'=19 мм: 32°х26°	f'=6.8 мм: 45°х35° f'=9 мм: 35°х27° f'=13 мм: 24°х19°
Температурна чутливість	0.05 ?	0.06 ?
Спектральний діапазон	7.5-13.5 мкм
Розмір пікселя	17 мкм
Робоча температура	-40°С - +80°С
Висота над рівнем моря	до 10 км
Ефективна частота кадрів	50 Гц, 60 Гц та <9Гц
Вхідна напруга живлення	2.8-3.1 В
Розміри	22 х 22 х 8 мм
Вага	5 г

Для використання подібної матриці на висоті до 10 км, що вказана в технічних характеристиках, необхідно додатково застосовувати інфрачервоні об'єктиви з фокусними відстанями, що перевищують 100 мм.

Об'єктив для тепловізора LWIR 60/180 Dual

Табл.1.6. Технічні характеристики об'єктива Об'єктив LWIR 60/180 [15]

Фокусна відстань	60 мм, 180 мм, атермальна
Відносний отвір	1: 1.4
Поле зору	15.8° (60 мм), 5.1° (80 мм)
Механізм фокусування	авто
Спектральний діапазон	8 - 12 мкм
Діапазон фокусування	від 10 м до ?
Маса	6200 г
Габарити	200х222мм, довжина - 215 мм
Робоча температура	- 20 °С.. + 50 °С

Табл.1.7. Технічні характеристики об'єктива LWIR 15-100CZ [16]

Фокусна відстань	15 - 100 мм, безперервне оптичне збільшення
Відносний отвір	1: 1.6
Тип фотоприймача	640x480, 320х240, 384х288, 17мкм або 25мкм, F / 4
Розмір фотоприймача	17,408 х 13,056 мм
Механізм фокусування	моторизація
Спектральний діапазон	8 - 12 мкм
Діапазон фокусування	від 1 м до ?
Маса	1395 г
Габарити	Ш105 мм, Довжина - 133 мм
Живлення	12 В, 0,5 А
Інтерфейс обміну	RS-422
Робоча температура	- 40 °С.. + 80 °С

Об'єктив для тепловізора LWIR 25-150CZ

Табл.1.7. Технічні характеристики об'єктива LWIR 25-150CZ [17]

Фокусна відстань	25 - 150 мм, безперервне оптичне збільшення
Відносний отвір	1: 1.4
Механізм фокусування	авто
Спектральний діапазон	8 - 12 мкм
Розмір фотоприймача	17.41 х 13.56 мм
Поле зору	19.2° 3.3°Ч15.2° - 2.6°
Діапазон фокусування	від 0.5 м до ?
Маса	1920 г
Габарити	Ш141 мм, Довжина - 133 мм
Споживання	12 В, 0,5 А
Інтерфейс обміну	RS-422
Робоча температура	- 32 °С.. + 80 °С

Об'єктив для тепловізора LWIR 25-225CZ

Табл.1.8. Технічні характеристики об'єктива LWIR 25-225CZ [18]

Фокусна відстань	25 - 225 мм, безперервне оптичне збільшення
Відносний отвір	1: 1.5
Тип фотоприймача	640 x 480, 28 мкм и 17 мкм, F/1.4
Розмір фотоприймача	17,92 х 13,44мм
Механізм фокусування	моторизація
Спектральний діапазон	8 - 12 мкм
Діапазон фокусування	від 2 м до ?
Маса	4300 г
Габарити	Ш178 мм, Довжина - 239 мм
Споживання	12 В, 0,5 А
Інтерфейс обміну	RS-422
Робоча температура	- 32 °С.. + 80 °С

Об'єктив для тепловізора FLIR QD100 Lens

Табл.1.7. Технічні характеристики об'єктива FLIR QD100 Lens [19]

Фокусна відстань	100 мм
Відносний отвір	1: 1.6
Тип фотоприймача	320х240, 17мкм
Поле зору	5° Ч 3°
Спектральний діапазон	8 - 12 мкм
Діапазон фокусування	від 0.2 м до ?
Маса	1360 г
Габарити	Ш102 мм, Довжина - 180 мм
Робоча температура	- 40 °С.. + 75 °С

Висновки до розділу

У даному розділі було розглянуто різні варіанти БПЛА, одні здатні пролітати десятки кілометрів на одному заряді, там мають великі розміри, інші невеликих розмірів - радіус дії яких складає кілька сотень метрів, та можуть провести в повітрі близько 20 хвилин. Всі вони мають свої переваги та мінуси. Умовно їх можна поділити на два типи:

локальні - невеликих розмірів, радіусом дії близько одного кілометра

глобальні - великих габаритів, радіус дії декілька кілометрів, час польоту більше 30 хвилин та корисним навантаженням більше 0.5 кг.

Розглянуті об'єктиви можуть бути розміщенні тільки на БПЛА глобального типу, бо всі вони вагою більше 1 кг. Для локальних є каталог готових об'єктивів фірми FLIR, з фокусною відстанню від 7.5 мм до 100 мм, вага яких від 70 г до 456 г (див. Додаток А). У тієї ж фірми є і готові модулі для БПЛА, які також були розглянуті.

У наступному розділі буде розглянуто фізико-математичну модель виявлення об'єктів, та розрахунку максимальної дальності виявлення та розпізнавання, що в подальшому (розділі 3) дозволить проаналізувати залежність МДВ та МДР від параметрів матриць, об'єктивів, габаритів тепловізора, висоти польоту дрона.

РОЗДІЛ 2. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РОБОТИ ТЕПЛОВІЗІЙНИХ КАМЕР

Будь-який об'єкт випромінює електромагнітні хвилі в дуже широкому діапазоні частот, в тому числі і хвилі в інфрачервоному спектрі, так зване «теплове випромінювання». При цьому інтенсивність теплового випромінювання безпосередньо залежить від температури об'єкта, і несуттєво залежить від умов освітленості у видимому діапазоні. Таким чином, за допомогою тепловізійного приладу може бути зібрана і візуалізована додаткова інформація, що недоступна людському оку, про будь-який спостережуваний об'єкт. Тепловізор - пристрій, що дозволяє візуалізувати картину теплового випромінювання об'єкта, що спостерігається. Це відкриває ряд унікальних можливостей для різних сфер діяльності: точних вимірювань, контролю технологічних процесів, і звичайно - забезпечення безпеки.

Принцип дії сучасних тепловізорів заснований на здатності деяких матеріалів фіксувати випромінювання в інфрачервоному діапазоні. За допомогою оптичного приладу, до складу якого входять лінзи, виготовлені із застосуванням рідкісних матеріалів, прозорих для інфрачервоного випромінювання (таких як германій), теплове випромінювання об'єктів проектується на матрицю датчиків, чутливих до інфрачервоного випромінювання. Далі складні мікросхеми зчитують інформацію з цих датчиків, і генерують відеосигнал, де різній температурі спостережуваного об'єкта відповідає різний колір зображення. Шкала відповідності кольору точки на зображенні до абсолютної температури спостережуваного об'єкта може бути виведена поверх кадру. Також можливе зазначення температур найбільш гарячої і найбільш холодної точки на зображенні. Залежно від моделі, тепловізори розрізняються по величині кроку вимірюваної температури. Сучасні технології дозволяють розрізняти температуру об'єктів з точністю до 0,01-0,1 К.

Точність зображення та інші характеристики тепловізора зазвичай визначаються сферою його використання. У наукових лабораторіях використовуються більш складні конструкції, що мають за рахунок вузької спеціалізації найменший крок вимірюваної температури. Для забезпечення безпеки на різних об'єктах використовуються моделі, які здатні фіксувати теплове випромінювання з трохи меншою точністю, проте працюють на більш широкому діапазоні частот і з більш ніж достатньою для ефективного виконання своїх функцій точністю. У будь-якому випадку, принцип дії тепловізора, вимір і візуалізація теплового випромінювання, затребувані у всіх сферах життя сучасного суспільства.

Основними технічними характеристиками тепловізійної системи спостереження (ТПСС), на які звертають увагу фахівці, є такі параметри, як тип матриці, фокусна відстань, чутливість матриці, кути огляду і температурний діапазон роботи. Звичайно, це тільки основні параметри, існують і інші, наприклад, для тепловізорів які встановлюються на БПЛА важливою характеристикою є максимальна дальність виявлення та розпізнавання об'єктів.

2.1 Фізико-математична модель

Для оптико-електронних систем спостереження головні узагальнені характеристики - максимальна дальність виявлення (МДВ) та максимальна дальність розпізнавання (МДР) із певними заданими ймовірностями виявлення і розпізнавання. Ці характеристики залежать від просторової роздільної здатності; енергетичної роздільної здатності; функції передачі сигналу; передавальної функції; освітленості, еквівалентної шуму; еквівалентної шуму різниці температур (для ТПСС); мінімальної виявлювальної різниці температур (для ТПСС); мінімальної роздільної різниці температур (для ТПСС); мінімально роздільного контрасту (для ТВСС); спектрального робочого діапазону; динамічного діапазону [20, c 220].

Максимальна дальність виявлення (Maximum Detectable Range - MDR) Rd - це максимальна дальність між ОЕСС і стандартним тест- об'єктом, за якої тест-об'єкт виявляється на екрані дисплея із заданою ймовірністю Pd у разі необмеженого часу спостереження.

Максимальна дальність розпізнавання (Maximum Recognizable Range - MRR) Rr - це максимальна дальність між ОЕСС і стандартним тест-об'єктом, за якої тест-об'єкт розпізнається на екрані дисплея із заданою ймовірністю Pr у разі необмеженого часу спостереження.

Для ОЕСС важливе значення має якість сформованого зображення, яке суб'єктивно визначає спостерігач. Сприймаюча якість одного і того ж зображення істотно відрізняється у різних спостерігачів, а також змінюється у часі для одного спостерігача. Тому якість зображення не можна оцінювати в абсолютних величинах. Існують численні формули для оцінки якості зображення, кожна з яких отримана для конкретних умов спостереження емпіричним шляхом. Усі вони тією чи іншою мірою використовують дві основні характеристики - просторову й енергетичну роздільну здатність [20].

Існують різні методики розрахунку МДВ та МДР, в основі якої лежить визначення відношення сигнал/шум SNR на виході приймача випромінювання. Для визначення МДВ та МДР необхідно, перш за все, вказати тип об'єкти (цілі) і фону та їх характеристики, стан атмосфери, а також ймовірності виявлення та розпізнавання (рис.2.1).

Рисунок 2.1 - Блок-схема фізико-математичної моделі

Стандарт NАТО 4347

У стандарті NАТО 4347 визначено статичні характеристики дальності дії ТПСС у разі відсутності пошуку, коли об'єкт знаходиться в полі зору системи, а оператор має необмежений час для виявлення об'єкта. Стандарт стосується тільки тих ТПСС, які відповідають характеристикам MRTD і застосовується для наземних цілей. Використовуються спектральні діапазони 3...5, 8... 14 мкм або частина цих діапазонів.

Країни, що беруть участь в угоді за стандартом 4347, дали згоду використовувати такі дальності дії: номінальні статичні дальності виявлення, розпізнавання, ідентифікації, [км].

Для кожної дальності слід указувати умови пропускання атмосфери (добрі чи обмежені), поле зору системи (у градусах або мілірадіанах), а також спосіб отримання MRTD (вимір або розрахунок). Залежно від типу системи може застосовуватись одна або дві з наведених вище видів дальності.

Номінальні значення статичної дальності для ТПСС визначаються на основі усередненої МИТИ і за таких умов:

- розмір об'єкта - = 2,3x2,3 м2;

- температурний контраст між об'єктом і заднім фоном (відносно температури АЧТ в 288 К) - = 2 К;

- коефіцієнт пропускання атмосфери в межах робочого спектрального діапазону визначається законом Бугера:

(2.1)

де - дальність, км; 0,2 км-1 - показник ослаблення для сприятливих умов пропускання атмосфери; 1,0 км-1 - показник ослаблення для обмежених умов пропускання атмосфери;

- критерії розділення для ймовірності 50 %:

- виявлення - 1 лінійна пара/об'єкт;

- розпізнавання - 3 лінійні пари/об'єкт;

- ідентифікація - 6 лінійних пар/об'єкт.

Зміна початкового температурного контрасту між об'єктом і заднім фоном унаслідок ослаблення випромінювання в атмосфері враховується як

(2.2)

2.1.1 Максимальна дальність розпізнавання

Вихідними при одержанні рівняння для розрахунку МДР є рівність мінімальної роздільної різниці температур [20, c.296]: температурному контрасту об'єкта і критерій Джонсона.

Відповідно до цього критерію для розпізнавання об'єкта необхідно, щоб уздовж його критичного розміру розташовувалося чотири періоди штрихової міри Фуко. З геометричних міркувань легко визначити просторову частоту, що відповідає розпізнаванню за критерієм Джонсона, мрад-1:

Відношення сигнал/шум така система у зображенні, що сприймає оператор з дисплея матиме вигляд [20, c.298, с.237]:

Підставимо вираз для (2.6) у (2.5). Якщо температурний контраст об'єкта дорівнює різниці температур міри Фуко, тобто то із співвідношення (2.5) знайдемо рівняння для розрахунку МДР:

Після підстановки закону Бугера для коефіцієнта пропускання атмосфери та (2.6) в (2.7), а також врахуємо, що система обмежена шумами, отримуємо трансцендентне рівняння для пошуку МДР:

де - кутові розміри чутливої площадки пікселя приймача випромінювання по горизонталі та вертикалі, - критичний розмір об'єкта (для двовимірної моделі в якому розміщуються штрихів, за критерієм Джонсона, - частота кадрів відображувального пристрою,

- час сприйняття оком інформації,

- апроксимоване значення кружка розсіювання,

- відношення сигнал/шум, що сприймає оператор, знаходимо із таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 Залежність ймовірності розпізнавання від відношення сигнал/шум або від числа () [20, c.309]

0	0,000	1,0	0,500	2,0	0,945
0,1	0,002	1,1	0,582	2,1	0,957
0,2	0,010	1,2	0,656	2,2	0,966
0,3	0,029	1,3	0,721	2,3	0,973
0,4	0,061	1,4	0,776	2,4	0,979
0,5	0,108	1,5	0,821	2,5	0,983
0,6	0,169	1,6	0,858	2,6	0,987
0,7	0,243	1,7	0,887	2,7	0,990
0,8	0,326	1,8	0,911	2,8	0,992
0,9	0,413	1,9	0,930	2,9	0,994

Отже, розв'язавши рівняння відносно буде знайдено МДР.

тепловізор безпілотний об'єктив мікроболометричний

2.1.2 Максимальна дальність виявлення

Вихідною для одержання рівняння для розрахунку МДВ є рівняння мінімальної виявлювальної різниці температур температурному контрасті об'єкта. Функція визначають для просторової частоти , де - кутовий розмір об'єкта:

Після підстановки закону Бугера (2.1) для коефіцієнта пропускання атмосфери та значення (2.6) в (2.3), отримуємо трансцендентне рівняння для пошуку МДВ [20]:

Рівняння (2.12) можна спростити, якщо врахувати, що об'єкти будуть малих розмірів. При реєструванні випромінювання на чутливу ділянку пікселя буде потрапляти інформація як від фона, так і від об'єкта, тому рівняння для виявлення МДВ можна записати в наступному вигляді [20]:

Будемо також спочатку вважати, що об'єкт спостереження має малі розміри, тобто де

Для ефективних температур об'єкта і фону рівняння (2.13) матиме вигляд:

де I - інтеграл, - температурний контраст:

Розрахуємо інтеграл І, в якому для виявлення питомої виявлювальної здатності використовуємо параметр МПВ NETD. Цей параметр визначимо за формулою (3.183) [20]:

Тоді інтеграл (2.15) матиме вигляд:

де - діафрагмове число.

Середнє нормоване значення яскравості зображення об'єкта визначимо з таблиці 2.2. Для цього потрібно знати відношення кутового розміру зображення об'єкта до радіуса кружка розсіювання [20].

Таблиця 2.2

	0	1	2	3	4	5	6	7	8
	0	0.084	0.174	0.256	0.327	0.387	0.438	0.481	0.519
	9	10	11	12	13	14	15	16	17
	0.551	0.58	0.605	0.628	0.648	0.666	0.682	0.697	0.71
	18	19	20	21
	0.723	0.734	0.744	0.753

З урахуванням інтегралу (2.17) остаточне рівняння матиме вигляд:

Висновки до розділу

Розв'язками рівнянь (2.10) та (2.18) є МДР та МДВ. Ці рівняння є основою для третього розділу, в якому буде проводитися їх аналіз в залежності від конструктивних параметрів об'єктивів та матриць тепловізора, розмірів об'єкта та стану атмосфери.

РОЗДІЛ 3. МЕТОД ПРОЕКТУВАННЯ ТЕПЛОВІЗОРІВ ДЛЯ БЕЗПІЛОТНИХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ

В даному розділі буде розглянуто залежність дальності виявлення та розпізнавання для двох типів використання БПЛА, які розглядалися у першому розділі: локальні і глобальні.

Локальні будуть побудовані на базі мікроболометричної матриці FLIR Lepton 3 (див. Додаток Б), та об'єктивів з фокусними відстанями від 7.5 мм до 35 мм. Загальна вага тепловізорів для даного типу літальних апаратів повинна в середньому складати близько 190-200 г. Висота польоту може складати до 1000 м, тому у першому наближенні будемо вважати, що дальність виявлення складає , 0.2 км-1 - показник ослаблення для сприятливих умов пропускання атмосфери.

Локальні будуть побудовані на базі мікроболометричної матриці FLIR Muon (див. Додаток В), та об'єктивів з фокусними відстанями від 50 мм до 225 мм. Загальна вага тепловізорів для даного типу літальних апаратів може складати до 3 кг, а в деяких випадках і до 10 кг. Висота польоту може складати до 5 км, тому у першому наближенні будемо вважати, що дальність виявлення складає , 0.2 км-1.

3.1 МДР тепловізорів для БПЛА локального використання

Для знаходження максимальної дальності розпізнавання скористаємося формулою (2.10):

де 0.2 км-1 - показник ослаблення для сприятливих умов пропускання атмосфери при сприятливих умовах, та 1.0 км-1 - при обмежених умовах пропускання атмосфери;

- апроксимоване значення кружка розсіювання, в якому - кутові розміри чутливої площадки пікселя приймача випромінювання по горизонталі та вертикалі. Враховуючи те, що у матриці FLIR Lepton 3 форма пікселя квадратна та складає . Тому

м2 - розмір об'єкта, визначені стандартом NАТО 4347; - температурний контраст; визначені стандартом NАТО 4347;

- частота кадрів відображувального пристрою;

- час сприйняття оком інформації;

=0.05 К - еквівалентна шуму різниця температур;

число пар штрихів згідно критеріям Джонсона, який забезпечує ймовірність розпізнавання 50%.

відношення сигнал шум, визнача...