Особенности моделирования тепловизионных изображений исследуемых объектов при их пересчете на другие условия наблюдения

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Особенности моделирования тепловизионных изображений исследуемых объектов при их пересчете на другие условия наблюдения

В.Г. Керков, В.Д. Мочалин, Г.Л. Тюрин

Аннотация

Рассмотрен методический аппарат для пересчета тепловых изображений объектов на другие условия наблюдения. Оценены возникающие погрешности пересчета радиационной температуры.

Ключевые слова: радиационная температура, тепловизионное изображение, пересчет, условия наблюдения, моделирование.

Для моделирования реальных сцен в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн методом пересчета на другие условия наблюдения используется подход, основанный на регистрации изображения фоноцелевой обстановки в определенных условиях наблюдения, оценке по этому изображению инвариантов - характеризующих тепловое состояние объекта и слабо зависящих от состояния внешней среды параметров - и последующем использовании этих инвариантов для формирования изображения объекта в других условиях наблюдения. Такой подход позволяет, с одной стороны, существенно сократить требуемый объем экспериментальных работ, с другой - применить более простые математические модели процессов теплообмена объектов с внешней средой [1].

Основное допущение, принимаемое при моделировании, состоит в замене элементов корпуса объекта и подстилающей поверхности находящимися в тепловом равновесии с внешней средой плоскими пластинами (фацетами), габаритные размеры которых намного превышают их толщину. Тогда в качестве основы тепловой модели используется решение стационарного уравнения теплопроводности для неограниченной пластины

(1)

с граничными условиями на внешней и внутренней поверхностях вида

,

, (2)

где - коэффициент теплопроводности корпуса объекта;

и - коэффициенты конвективной теплоотдачи и излучения поверхности корпуса соответственно;

- постоянная Стефана-Больцмана;

Т = Т(0) - температура элемента объекта на внешней стороне поверхности;

Т_а - температура воздуха;

Е и Е_с - облученности поверхности корпуса излучением внешней среды и солнечной радиацией соответственно;

- альбедо поверхности корпуса;

Т_вн - температура воздуха (газа) во внутренних полостях объекта;

Т_Э - эквивалентная температура элементов конструкции объекта, облучающих внутреннюю поверхность его корпуса;

d - толщина корпуса;

_э - коэффициент излучения внутренних элементов объекта;

_вн и _вн - коэффициенты конвективной теплоотдачи и излучения внутренней поверхности корпуса объекта соответственно.

Температура воздуха в полостях объекта формируется под влиянием элементов конструкции объекта и внутренней поверхности его корпуса, разность температур между которыми, в зависимости от режима функционирования объекта и состояния внешней среды, может быть как положительной, так и отрицательной. Для определенности в данной модели принято Т_э = Т_вн. Кроме того, с целью упрощения вычислений в выражении (2) воспользуемся аппроксимацией функции Т⁴ линейной зависимостью

,

где А и В - коэффициенты аппроксимации.

Из граничных условий (2), с учетом допущения Т_э = Т_вн, следует, что мощность внутренних источников теплоты характеризуется температурой

тепловизионный радиационный инфракрасный фоноцелевой

, (3)

где а₁, b₁, c₁, m - положительные коэффициенты [2];

М₁ - общая энергетическая светимость элемента объекта, определенная по его изображению;

Е₁ - облученность объекта в диапазонах 3...5 и 8...14 мкм.

Однако значение температуры Т_вн не является константой для рассматриваемого режима функционирования объекта. Так как все полости объекта непосредственно или посредством тепловых потоков через корпус объекта сообщаются с внешней средой, температура Т_вн в отношении внешних факторов зависит в основном от температуры атмосферы Т_а. Вследствие линейной зависимости приращения температуры тела от количества поглощенной им теплоты в качестве инварианта, характеризующего приведенную к внутренней поверхности корпуса мощность внутренних источников теплоты, целесообразно использовать разность температур Т = Т_вн-Т_а. Исключение составляют случаи, когда внутри объекта температура воздуха искусственно поддерживается постоянной. Наряду с внутренними источниками теплоты на разность температур Т может влиять солнечная радиация, поэтому в интересах повышения гарантированности результатов моделирования съемку изображения объектов целесообразно осуществлять при её наличии. Минимальное влияние на величину Т солнечная радиация оказывает при большой мощности внутренних источников и высоком тепловом сопротивлении корпуса объекта.

Полученные для отличающихся по температуре участков корпуса объекта значения Т используются для моделирования изображения в произвольных условиях наблюдения. Термодинамическая температура Т элементов поверхности корпуса объекта в новых условиях определяется решением уравнения (1) [3]:

, (4)

где , ,

,

а коэффициенты и зависят от характеристик объекта и внешней среды. Радиационная температура поверхности оценивается по методике, изложенной в [4].

Необходимые для оценки инварианта теплового состояния объекта значения характеристик внешней среды фиксируются при измерениях либо определяются с использованием имеющихся в известной литературе экспериментальных данных, а также эмпирических зависимостей, полученных на основе их анализа. При отсутствии информации по характеристикам объектов при моделировании используются справочные данные.

Радиационная температура фона Т_RF реальной сцены определяется с использованием зависимости энергетической светимости абсолютно черного тела (АЧТ) от температуры фона Т_F. Например, в спектральном диапазоне 3...5 мкм выражение для радиационной температуры фона имеет вид [3]

,

где

Температура Т_F и коэффициент излучения _F задаются при моделировании. При задании температуры фона необходимо учитывать зависимость разности температур атмосферы и фона от времени суток, года и состояния атмосферы.

Алгоритм пересчета ИК-изображений, основанный на описанной методике, включает следующие операции (рисунок):

- регистрацию изображения объекта и параметров условий наблюдения, при которых проводится съемка;

- расчет тепловых инвариантов по каждому элементу изображения объекта в соответствии с выражением (3) при Т = Т_вн-Т_а [1];

- расчет термодинамической температуры каждого элемента поверхности объекта при новых условиях наблюдения реальной сцены согласно выражению (4);

- расчет радиационного контраста элементов поверхности объекта в новых условиях наблюдения с использованием выражений, описанных в [3].

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. Алгоритм пересчета тепловизионных изображений

Таким образом, предложенная методика позволяет пересчитывать на другие условия наблюдения тепловые изображения объектов, полученные с небольших расстояний аппаратурой с высоким разрешением.

Пересчет осуществляется в два этапа. На первом этапе по измеренной радиационной температуре элемента поверхности объекта рассчитывается соответствующий ему тепловой инвариант, на втором этапе решается обратная задача для другого состояния внешней среды. Поскольку характеристики объекта (коэффициент излучения, теплопроводность) при пересчете используются дважды, при решении прямой и обратной задач, обусловленные их погрешностью ошибки частично компенсируются. Поэтому отклонения значений характеристик объекта от истинных на 1520% слабо влияют на результаты пересчета. Напротив, регистрируемые характеристики внешней среды используются только на одном из этапов, поэтому погрешность их измерения существенно влияет на результаты пересчета и не должна превышать 510%.

При пересчете тепловизионных изображений на больших дальностях точность оценок радиационной температуры снижается [5]. В данном случае пересчет результатов измерений (например, на трассе «воздух-земля») дополнительно предполагает учет трех основных факторов.

Прежде всего, необходима информация о прозрачности атмосферы в исследуемом спектральном диапазоне на трассе измерений. Для оценки прозрачности атмосферы могут использоваться косвенный либо прямой методы [6; 7]. Достоинством прямого метода является возможность достижения достаточно высокой точности, недостатком - необходимость размещения в окрестности объекта эталонных объектов с контролируемой радиационной температурой. Для реализации косвенного метода вместо эталонных объектов необходима труднодоступная информация о составе и давлении атмосферы на трассе измерения, вследствие чего теоретическая оценка ее прозрачности с погрешностью менее 20...30% проблематична.

Другим фактором, способным увеличить погрешность пересчета радиационной температуры при измерениях на протяженных трассах, является ее усреднение в элементе разрешения измерительной аппаратуры. Это обусловлено отличием усредненной температуры от реальной и нелинейной зависимостью приращения температуры объекта при изменении условий теплообмена от значения самой температуры.

Кроме того, при увеличении расстояния между объектом и средством измерения актуальным становится вопрос о целесообразности измерения необходимых для пересчета сопутствующих параметров внешней среды в окрестности объекта, поскольку пространственное разнесение элементов измерительной аппаратуры при условии их согласованного функционирования потребует значительного усложнения аппаратурного обеспечения измерений.

В работе [5] оценено влияние этих факторов на погрешность пересчета полученных результатов на другие метеоусловия. Предложены условия измерения радиационной температуры объектов на трассе «воздух-земля», позволяющие существенно снизить погрешность ее пересчета на другие метеоусловия.

Результаты анализа влияния перечисленных факторов на погрешность пересчета свидетельствуют о следующем. При наблюдении объекта с небольших расстояний погрешность пересчета радиационной температуры объекта, без учета влияния на нее теплоинерционных свойств последнего и погрешности измерительной аппаратуры, не превышает 1К. С увеличением расстояния между измерительной аппаратурой и объектом возможен рост разности температур участков его поверхности, попадающих в элемент разрешения, в результате чего увеличивается погрешность пересчета. Поскольку перепад температур по поверхности большинства наземных объектов, как правило, не превышает 50...60К, максимум погрешности пересчета, обусловленной усреднением радиационной температуры в элементе разрешения измерительной аппаратуры, составит 1...1,5К.

Погрешность оценки температуры атмосферы и обусловленная ею погрешность пересчета при коэффициенте излучения поверхности объекта = 1 примерно равны, что соответствует максимуму данной составляющей погрешности пересчета. Известно, что температура атмосферы в приземном слое существенно зависит от пространственных координат и времени ее измерения, причем в точках, разнесенных на несколько сотен метров в пространстве или десятков минут во времени, температура может отличаться на 2...3К и более [8]. Следовательно, аналогичную величину может иметь погрешность пересчета при использовании в качестве температуры атмосферы данных метеорологических станций или результатов измерений на трассе «воздух-земля» на значительном удалении от объекта.

Существенное влияние на точность пересчета оказывает погрешность оценки коэффициента прозрачности атмосферы в исследуемом спектральном диапазоне на трассе измерений. В частности, при реализации косвенного метода оценки максимальное значение погрешности пересчета составит не менее 2...3К. Причиной возникновения погрешности, как и в случае усреднения радиационной температуры в элементе разрешения измерительной аппаратуры, является неточная оценка температуры поверхности объекта в исходных условиях наблюдения.

Сочетание рассмотренных факторов может увеличить погрешность пересчета радиационной температуры на другие метеоусловия на 5...7К, при этом полная погрешность пересчета, учитывающая погрешность измерительной аппаратуры и методическую погрешность, становится соизмеримой со средним контрастом наземных объектов в ИК-диапазоне длин волн, что неприемлемо. В связи с этим при пересчете радиационной температуры объектов, измеренной на трассе «воздух-земля», на другие метеоусловия оценку сопутствующих параметров внешней среды целесообразно проводить в окрестности исследуемого объекта, а коэффициент прозрачности атмосферы на трассе измерений определять прямым методом, погрешность которого соизмерима с погрешностью используемой для его реализации аппаратуры [6]. Выполнение указанных мероприятий позволит повысить точность пересчета на 4...6К.

Список литературы

1. Поветко, В.Н. Система моделей для решения задач по проблеме снижения оптической заметности объектов вооружения и военной техники / В.Н. Поветко, Г.Л. Тюрин // Сборник материалов Всероссийской научной конференции.- Воронеж, 2001.- С. 56-59.

2. Костин, В.П. Аналитический способ оценки радиационного контраста нагретых тел / В.П. Костин, В.Д. Мочалин // Оптико-механическая промышленность.- 1989.- №7.- С. 24-26.

3. Мочалин, В.Д. Прогнозирование радиационного контраста объектов в спектральных диапазонах 3,5…5 и 8…14 мкм / В.Д. Мочалин // Оптический журнал.- 1991.- №6.- С.18-20.

4. Мочалин, В.Д. Оценка температуры тел, находящихся в естественных условиях теплообмена с внешней средой / В.Д. Мочалин, Г.Л. Тюрин // Межвуз. сб. ВГТА. Серия «Радиосистемы».- 2002.- С. 41-44.

5. Мочалин, В.Д. Особенности пересчета радиационной температуры наземных объектов на другие метеоусловия / В.Д. Мочалин, Г.Л. Тюрин // Научно-методические материалы 5 ЦНИИИ МО РФ.- 2000.- С. 68-70.

6. Гущин, Г.П. Методы, приборы и результаты измерения спектральной прозрачности атмосферы / Г.П. Гущин.- Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 200 с.

7. Криксунов, Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники / Л.З. Криксунов.-М.: Советское радио, 1978. - 400 с.

8. Матвеев, Л.Т. Курс общей метрологии: Физика атмосферы / Л.Т. Матвеев.-Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 639 с.

Размещено на Allbest.ru