Современные операциональные модели тепловизионных приборов при обнаружении и распознавании объектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные операциональные модели тепловизионных приборов при обнаружении и распознавании объектов

В.А.Балоев, В.А.Овсянников, В.Л.Филиппов

Выполнен критический анализ современных операциональных моделей, связывающих показатели эффективности тепловизионных приборов при обнаружении и распознавании объектов местности с основными техническими параметрами и характеристиками этих приборов и демаскирующими признаками объектов. Уточнены оценки ряда параметров, входящих в данные модели, и получены соответствующие выражения для оперативной оценки дальности действия приборов.

Одной из основных тенденций развития тепловизионных приборов (ТВП) в настоящее время является переход к разработке и использованию несканирующих, или «смотрящих», ТВП третьего, а в перспективе и четвертого поколения, использующих фотонные или тепловые матричные фотоприемные устройства (ФПУ). При этом за счет накопления сигналов в элементах ФПУ за время, близкое к периоду кадра, в несканирующих ТВП может быть получена весьма высокая температурная чувствительность, достигающая 0,01-0,02 К, что, обеспечивая эффективную работу ТВП, например, в неблагоприятных погодных условиях или при наблюдении слабоконтрастных или замаскированных объектов, «приближает тепловизионные изображения по информационной емкости к зрению человека и позволяет совершить качественный переход: от видения источников тепла к видению в тепловых лучах» [1]. В связи с изложенным, в зарубежной литературе повышенное внимание уделяется методам оценок эффективности ТВП, которые по сравнению с другими видовыми оптико-электронными системами имеют наивысшие показатели всепогодности и всесуточности, и эти методы постоянно совершенствуются. Нашей задачей является критический анализ современных операциональных моделей ТВП, связывающих их показатели эффективности при вскрытии объектов с основными техническими параметрами и характеристиками этих приборов и демаскирующими признаками объектов, а также получение соответствующих формул для оперативной оценки дальности действия ТВП.

Прогнозирование информационной эффективности ТВП, как правило, базируется на концепции эквивалентных мир, сводящей задачу вскрытия объектов местности к разрешению этих мир. При этом возможность реализации в несканирующих ТВП весьма малых значений разности температур, эквивалентной шуму, определяет тот факт, что пороговый, обнаруживаемый глазом оператора контраст полос данных мир ограничивается не только шумом прибора, но и контрастной чувствительностью зрительного анализатора оператора, а также диапазоном яркостей видеоконтрольного устройства, который к тому же нередко - при наблюдении изображения в темноте или полутьме - полностью не используется. тепловизионный демаскирующий распознавание

Контрастная чувствительность зрительного анализатора характеризуется функцией порогового контраста М(нґ) - зависимостью минимального обнаруживаемого оператором контраста М = (L_max - L_min )/(L_max + L_min ), где L_max, L_min - максимальное и минимальное значение яркости изображения разрешаемой синусоидальной миры от ее угловой частоты. Эта зависимость описывается следующим эмпирическим выражением [2]:

; , (1)

где нґ - угловая частота в пространстве изображений, град^-1; Lґ - яркость изображения фона, кд/м²; wґ- угловой размер изображения миры, град, составляющий для стандартной четырехполосной миры wґ= 3,5/нґ.

Связь частоты нґ в (1) с соответствующей угловой частотой н, мрад^-1, в пространстве предметов устанавливается формулой нґ = 17,45н/Г, где Г - видимое увеличение ТВП - отношение угловых размеров изображения объекта и самого объекта. Видимое увеличение ТВП подбирается оператором таким образом, чтобы угловой размер элемента изображения, соответствующего периоду элементов ФПУ, составлял 0,8-1 мрад. Комфортная яркость Lґ изображения фона определяется условиями освещения при дешифрировании изображений, и ее можно принять равной [2] 0,3-1 кд/м² при дешифрировании в темноте, 3-30 кд/м² при дешифрировании в полутьме и 100 кд/м² при дешифрировании на свету.

Согласно подходу, развитому в модели ТВП NVTherm [2], разрешаемая разность температур Т_раз(н) для угловой частоты стандартной прямоугольной миры н, мрад^-1, является квадратичной суммой величин Т_раз1 и Т_раз2, определяемых шумом ТВП и функцией порогового контраста зрительного анализатора соответственно:

. (2)

Для расчета Т_раз1 воспользуемся следующей формулой [3]:

; (3)

; ; ; ; (4)

где Т₀ - разность температур, эквивалентная шуму, К, для данной температуры фона T; r - коэффициент, учитывающий временное накопление визуальных сигналов в смежных кадрах; F - частота кадров, Гц; Т_гл - постоянная времени глаза, с; а, Да - размер и шаг элементов ФПУ соответственно, мкм; д₀ - элементарное поле зрения, мрад; д - эффективное значение элементарного поля зрения ТВП, мрад, определяемое всем информационным трактом прибора; К(н) - функция передачи модуляции ТВП; у - параметр гауссовской аппроксимации этой функции, мрад; f - фокусное расстояние объектива, мм; б - число выборок на элемент ФПУ.

Формулы (3), (4) учитывают, в отличие от модели NVTherm, реальное, постепенное исчезновение пространственно-временных интегрирующих свойств зрительного анализатора при увеличении периода миры и времени ее наблюдения и, следовательно, являются более точными.

Эффективное значение элементарного поля зрения д в (4) рассчитывается по формуле, полученной аналогично [3]

;;

; ,

где и_д, и_а, и - отношение диаметра дифракционного, аберрационного и суммарного кружка рассеяния объектива к размеру элемента ФПУ; d_д, d_а - диаметр дифракционного и аберрационного кружка рассеяния объектива соответственно с концентрацией энергии 85%, мкм; к - отношение числа элементов изображения монитора к числу элементов ФПУ (по одной координате); Z - электронное увеличение изображения; л - средняя длина волны спектрального рабочего диапазона ТВП Дл, мкм; е - относительное отверстие объектива.

При нахождении выражения для Т_раз2 в (2) учтем, что между этой разностью и соответствующей разрешаемой разностью яркостей изображения L_раз существует очевидное соотношение

,

где Т_м - диапазон регистрируемых разностей температур, К, определяемый рабочим диапазоном яркостей монитора L_м = L₂ - L₁, кд/м².

С другой стороны, учитывая, что яркость изображения фона соответствует середине рабочего диапазона яркостей монитора - это необходимо для воспроизведения как положительных, так и отрицательных тепловых контрастов объектов, - получаем выражение для Т_раз2:

; , (5)

где К_м - коэффициент сохранения контраста для протяженного объекта; при L₂ >> L₁ значение К_м ? 1, и величина Т_раз2 от диапазона яркостей монитора уже практически не зависит.

Согласно [2], значение Т_м в (5) должно составлять

,

где Т_Rср - средний по множеству объектов их тепловой контраст - средняя разность радиационных температур объектов и фона, К.

Для пересчета температурно-частотной характеристики от стандартной миры к эквивалентной мире отношение 7бж/2нд₀ в (3) следует заменить на отношение hбж/Dд₀, где h - критический размер объекта, м; D - дистанция до объекта, км [3]. При этом угловой размер изображения эквивалентной миры будет составлять wґ = hГ/17,45D.

Тогда значение н = н_max, являющееся корнем уравнения

, (6)

где Т_R - тепловой контраст объекта, К; ф_а - коэффициент пропускания атмосферы в диапазоне Дл на дистанции до объекта, рассчитываемый, например, по методике [3], определяет для заданной дистанции D до объекта фактическое разрешение на местности (полупериод разрешаемой эквивалентной миры) А, м, равное

,

или, наоборот, для требуемого разрешения на местности А искомую дальность действия ТВП D, км, составляющую

. (7)

Взаимосвязь разрешения на местности с вероятностью вскрытия объекта устанавливается соответствующей операциональной моделью ТВП. Одной из наиболее популярных моделей, широко апробированной мировой практикой дешифрирования тепловизионных изображений реальных объектов и получившей распространение во многих странах мира, является модель NVTherm Центра ночного видения и электронных датчиков (США), которую с учетом весьма существенного фактора - квалификации оператора - можно аппроксимировать следующей формулой [3]:

(8)

где г = 0,65-1,5 - показатель квалификации оператора (от низкой до высокой соответственно); С - критерий Джонсона - показатель уровня решаемой задачи вскрытия - число периодов разрешаемой эквивалентной миры, укладывающихся в критический размер объекта, необходимое для его вскрытия с вероятностью 0,5: в среднем С = 1 - при обнаружении, С = 3 - при классификации, С = 6 - при идентификации объекта.

Отсюда для заданной вероятности вскрытия Р получаем требуемое разрешение на местности А:

. (9)

Рассмотрим два частных случая, для которых формулы для оценки дальности действия ТВП могут быть получены в явном виде.

1. Объект находится на фоне со слабой степенью неоднородности или же существует возможность подбора для каждого фоно-целевого сюжета оптимальных значений яркости и контрастности изображения; такая возможность возникает при обнаружении объекта с известным местоположением или же при неограниченном ресурсе времени поиска объекта. В подобных случаях широкий диапазон регистрируемых разностей температур Т_м, необходимый в иных ситуациях для обеспечения поиска и наблюдения объектов, расположенных на горбах и впадинах температурных фоновых неоднородностей, не требуется, поэтому можно считать, что в (2) Т_раз1 >> Т_раз2, и, значит, ТВП является шумо-ограниченным прибором. При этом значение А в (8), равное А = Dд/2х, где х = нд - относительная частота эквивалентной миры, может быть найдено при использовании общей для всех образцов ТВП температурно-частотной характеристики Е(х) в относительных единицах, наиболее простая аппроксимация которой, соответствующая допущению о пренебрежимо малом влиянии на нее ограниченной контрастной чувствительности глаза оператора, имеет вид [3] (для х < 0,75)

.

Тогда, согласно (6)-(7), дальность действия ТВП находится из уравнения

Коэффициент пропускания атмосферы нередко допустимо аппроксимировать выражением

ф_а = exp(- вD), где в - показатель ослабления излучения в атмосфере, км^-1. Тогда, учитывая, что по определению н = D/2A, решая данное уравнение, получаем следующую формулу для дальности действия ТВП D:

(10)

где А определяется по (9).

2. Объект находится на неоднородном фоне, а время его поиска ограничено, поэтому для эффективной работы ТВП требуется достаточно широкий диапазон регистрируемых разностей температур Т_м. При этом, особенно для современных несканирующих ТВП, использующих фотонные ФПУ, в (2) имеет место соотношение Т_раз1 << Т_раз2, и, следовательно, такие ТВП являются контрастно-ограниченными приборами. Тогда, учитывая, что для рабочего интервала угловых частот нґ = 5-15 град^-1, отвечающего оптимальному видимому увеличению ТВП, функция порогового контраста М(нґ) достаточно хорошо аппроксимируется формулой

где параметры m и ж в среднем составляют: m = 0,04, ж = 0,0059 град² при дешифрировании в темноте; m = 0,015, ж = 0,0024 град² при дешифрировании в полутьме; m = 0,0086, ж = 0,0015 град² при дешифрировании на свету, дальность действия ТВП, согласно (6)-(7), определяется из уравнения

Используя те же соотношения ф_а = exp(- вD), н = D/2A, находим, решая данное уравнение, дальность действия ТВП D:

(11)

Поскольку на практике в общем случае не всегда известно, является ли тот или иной ТВП шумо-ограниченным или контрастно-ограниченным прибором, в качестве искомой оценки его дальности действия следует принять наименьшее из значений, даваемых формулами (10) и (11).

В Центре ночного видения и электронных датчиков в последнее десятилетие создана и активно внедряется в практику новая операциональная модель ТВП NVThermIP [4]. Данная модель, в отличие от модели NVTherm, основанной на критериях Джонсона, связывает вероятность вскрытия объектов не с одной-единственной величиной - максимальной угловой частотой н_max разрешаемой эквивалентной миры, по сути определяющей разрешающую способность ТВП, - а с целой совокупностью угловых частот этой миры, не превышающих максимальную, что позволяет более полно и точно отразить зависимость этой вероятности от всего рабочего участка температурно-частотной характеристики, в частности от значений Т₀ и д в отдельности. Аппроксимация соответствующей формулы для этой вероятности в наших обозначениях имеет следующий вид:

(12)

где А_э, С_э - параметры модели, имеющие смысл эквивалентного разрешения на местности и эквивалентного критерия Джонсона соответственно: в среднем С_э = 2,7 - при обнаружении, С_э = 14,5 - при классификации, С_э = 18,8 - при идентификации объекта.

Требуемое эквивалентное разрешение на местности А_э, м, определяемое заданной вероятностью вскрытия объекта Р, вытекает из формулы (12):

.

При этом значение эквивалентной предельной разрешаемой угловой частоты н_э, определяющее дальность действия ТВП , рассчитывается по формуле, которую в данном случае можно привести к следующему выражению:

,

где н_max, н_min - минимальное и максимальное значения угловой частоты, в пределах которых температурно-частотная характеристика ТВП не превышает значения эффективного (с учетом прозрачности атмосферы) теплового контраста объекта, равного Т_Rф_а; обычно принимается, что н_min = 0.

Полученные по данной модели значения дальности действия ТВП более тесно, чем даваемые моделью NVTherm, коррелированны с экспериментальными оценками этой дальности, особенно для ТВП с выборкой, и учитывают цифровую обработку изображений, в частности высокочастотную фильтрацию, видоизменяющую температурно-частотную характеристику прибора, а также наличие окрашенного (небелого) шума. При этом значения С_э - в отличие от значений С в формуле (9) - определяют вероятность распознавания объектов только по их прямым демаскирующим признакам (без учета возможности угадывания). Отсюда следует, что соотношения между параметрами С и С_э не являются однозначными, они зависят от алфавита распознаваемых объектов.

Литература

1. Таубкин И.И., Тришенков М.А. Предельная чувствительность и информативность тепловизоров и других оптико-электронных преобразователей изображения//Оптический журнал. 1996. № 6.

2. Holst G. Electro-optical imaging system performance. 3 ed. - US: SPIE press, 2003.

3. Иванов В.П., Овсянников В.А., Филиппов В.Л. Особенности расчета дальности действия несканирующих тепловизионных приборов //Оборонная техника. 2010. № 6-7.

4. Driggers R., Jacobs E., Vollmerhausen R., O'Cane B., Self M., Mouer S., Hixson J., Page G. Current infrared target acquisition approach for military sensor design and wargaming //Proc. SPIE. 2006. V.

Размещено на Allbest.ru