СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЯРКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ СПЕКТРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASUREMENT OF BRIGHTNESS CHARACTERISTICS OF OBJECTS IN OPTICAL BAND OF SPECTRUM AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области измерения оптических характеристик объектов, более конкретно к области измерений яркостных характеристик объектов в лабораторных и натурных условиях. Применение предлагаемых способа и устройства включает исследования яркостных характеристик красок, покрытий, средств оптической маскировки в видимом и инфракрасном диапазонах оптического спектра с целью оценки заметности объектов на окружающем фоне. Преимущественное применение способ и устройство имеют в случаях необходимости экспресс-оценки достоинств или недостатков одного метода или средства снижения заметности по сравнению с другим во всем спектральном диапазоне работы какого-либо средства обнаружения.
В качестве показателей, характеризующих заметность объектов в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, обычно используются значения контраста объектов на окружающем фоне К, определяемые как [11:
ф
о
где В и В - соответственно значения яркостей фона и объекта в спектральном диапазоне измерений.
При использовании лазерных средств заметность объектов в соответствии с ГОСТ [2], принято характеризовать значением коэффициента яркости поверхности объекта β, определяемым как отношение энергетической яркости облучаемой поверхности объекта к энергетической яркости идеального рассеивателя (эталона), находящегося в тех же условиях облучения;
о
э
где В и В - значения яркостей поверхностей объекта и эталона на длине волны излучения лазера.
Как следует из изложенного, в большинстве случаев задача исследования оптической заметности объектов сводится к измерениям значений яркости поверхностей исследуемого объекта, фона и эталона.
Известны два основных способа световых измерений [3]: субъективный, который называют также визуальным, и объективный (физический). При субъективном способе измерений приемником служит человеческий глаз, который используется, как правило, для сравнения полей яркости различных участков фотометрического поля, а при объективном используют физические приемники лучистого потока - фотоприемники. Для расширения пределов измерения в большинстве случаев используют светофильтры с известными коэффициентами пропускания. При этом в процессе измерений светофильтры подбирают таким образом, чтобы уровень входного сигнала попадал в пределы линейного участка амплитудной характеристики измерительного устройства.
Известен принятый в качестве прототипа объективный способ измерения в медицине и промышленности бактерицидного ультрафиолетового излучения [4] (RU 2222007, 7 G01N 27/64, G01J 1/00), отличающийся тем, что в качестве светофильтра используется газовая камера, а интенсивность излучения определяют по разности падения напряжения измерителя.
Как прототипу, так и всем другим известным способам измерений присущ ряд существенных недостатков:
- известные способы измерений основаны на применении специализированных измерительных устройств, достаточно дорогостоящих, выпускаемых крайне ограниченными сериями и поэтому малодоступных;
- использование специализированных измерительных устройств требует их периодической градуировки во всем диапазоне измеряемых величин, что возможно только в специализированных организациях и также требует существенных материальных и временных затрат;
- большинство выпускаемых промышленностью измерительных средств, в том числе прототип, предназначено для использования в лабораторных условиях и не может быть применено в полевых условиях на значительных дистанциях измерений.
Предлагаемый способ направлен на достижение технического результата, заключающегося в расширении номенклатуры средств, используемых для проведения измерений, вплоть до общедоступных бытовых приборов широкого распространения, в исключении необходимости градуировки измерительного устройства во всем диапазоне измеряемых величин, обеспечении возможности измерений как в лабораторных, так и в натурных условиях, удешевлении процесса проведения исследований.
Существенными признаками заявляемого способа, достаточными для достижения указанного технического результата являются:
1. Сочетание субъективного и объективного способов измерений, заключающееся в том, что непосредственная регистрация полезного сигнала осуществляется с использованием фотоприемника, а измерения производятся с использованием человеческого глаза и набора ослабляющих фильтров.
2. Использование фотоприемного устройства, отградуированного не во всем диапазоне измеряемых величин, а только по порогу чувствительности.
3. Использование в качестве регистрирующего устройства не специализированных фотометрических средств, а широко распространенных и относительно дешевых фотоприемных устройств, например цифровых фотоаппаратов, видеокамер, тепловизоров, лазерных дальномеров, спектральные характеристики чувствительности которых соответствуют характеристикам средств обнаружения.
Сущность заявляемого способа характеризуется следующим.
Оценка оптической заметности объектов производится исходя из возможности их обнаружения фотографическими, телевизионными, тепловизионными или лазерными техническими средствами. Поэтому исследования яркостных характеристик объектов и фонов производятся в спектральных диапазонах работы этих средств. С учетом этого, наиболее предпочтительным является проведение измерений с использованием именно этих технических средств, т.е. сразу во всем спектральном диапазоне работы каждого из этих средств. С этой точки зрения в качестве фотоприемных устройств для измерений могут быть использованы бытовые цифровые фотоаппараты, видеокамеры, тепловизоры, лазерные дальномеры, работающие в тех же спектральных диапазонах, что и аналогичные средства обнаружения.
Еще одним преимуществом использования указанных средств для проведения измерений является то обстоятельство, что они предназначены для работы по объектам, находящимся в широком диапазоне дальностей, т.е. могут быть использованы как в лабораторных, так и в натурных условиях.
Возможность применения указанных приборов для проведения исследований по оценке заметности объектов обусловлена тем, что фотоприемные каналы этих приборов обладают присущими им пороговыми чувствительностями. С учетом этого, при использовании фотоаппаратуры, видеокамеры или тепловизора процесс измерения заключается в следующем. Используемый для проведения измерений прибор наводится на исследуемый объект, находящийся на окружающем фоне. Рядом с исследуемым объектом размещается эталонный отражатель, представляющий собой щит, одна часть которого окрашена белой краской, а вторая часть - черной краской с известными коэффициентами отражения и излучения в спектральном диапазоне измерений. Размеры эталонного отражателя таковы, что каждая из двух его частей превышает не менее чем в 15 раз размеры элемента разрешения измерительного устройства на дистанции измерений, т.е. не менее порога распознавания объекта человеческим глазом. Оператор глазом наблюдает на экране (мониторе отображения) используемого измерительного прибора изображение панорамы, включающей исследуемый объект, эталонный отражатель и фон. После этого перед объективом прибора устанавливается ослабляющий нейтральный фильтр с известным коэффициентом пропускания. Световой поток на входе фотоприемного устройства уменьшается. Устанавливается следующий ослабляющий фильтр и так далее, до тех пор, пока на экране (мониторе) используемого прибора глаз оператора не перестанет различать сначала черную часть эталонного отражателя, а потом область пространства, имеющую меньшую яркость (объект или фон). Признаком отсутствия различения является регистрируемое глазом равенство яркостей участков поля зрения, занимаемых черной частью эталонного отражателя и объектом или фоном (например, фоном). Это свидетельствует о том, что сигнал в этой области пространства достиг порогового уровня чувствительности прибора. В этом состоянии регистрируется общий (суммарный) коэффициент пропускания установленных ослабляющих фильтров, определяемый как произведение коэффициентов пропускания всех установленных фильтров. После этого оператор продолжает устанавливать ослабляющие фильтры до тех пор, пока глаз оператора не перестанет различать область пространства, имеющую большую яркость (например, объект). При этом также регистрируется суммарный коэффициент пропускания всех установленных фильтров. На основании этих измерений контраст объекта К определяется как:
ф
о
где τ и τ - суммарные показатели ослабления фильтров, соответствующие порогам различения фона и исследуемого объекта.
Как следует из вышеизложенного, заявляемый способ содержит основные отличительные признаки как визуального, так и физического способов измерения одновременно.
э
о
В случае исследования значений коэффициентов яркости объектов с использованием лазерного дальномера методика измерений состоит в следующем. Лазерный дальномер наводится на исследуемый объект и производится измерение дальности до объекта. Оператор наблюдает наличие отсчета дальности нa шкале дальномера. После этого перед входным окном приемного тракта дальномера устанавливаются ослабляющие фильтры до тех пор, пока не прекратится отсчет дальности по шкале дальномера. Признаком отсутствия отсчета дальности является появление нулевых отсчетов дистанции до объекта. Это свидетельствует о том, что входной сигнал достиг порога чувствительности фотоприемника. Регистрируется суммарный коэффициент пропускания установленных ослабляющих фильтров. После этого на месте исследуемого объекта перпендикулярно направлению наблюдения устанавливается эталонный отражатель с известным коэффициентом яркости β. Лазерный дальномер наводится на белую часть эталонного отражателя и вновь устанавливаются ослабляющие фильтры до прекращения отсчета дальности. Также регистрируется суммарный коэффициент пропускания ослабляющих фильтров. Коэффициент яркости поверхности исследуемого объекта β определяется как:
о
э
где τ и τ - суммарные показатели ослабления фильтров,
соответствующие порогам отсчета дальности до исследуемого объекта и эталонного отражателя;
э
β - значение коэффициента яркости поверхности эталонного отражателя.
Практическая реализация предлагаемого способа и возможность достижения заявляемого положительного эффекта подтверждаются широким распространением и доступностью используемых для проведения измерений технических средств, наличием серийно выпускаемых ослабляющих фильтров для различных спектральных диапазонов с широким диапазоном известных характеристик пропускания, апробацией предлагаемого способа в лабораторных и натурных условиях с использованием в качестве регистрирующего устройства цифрового фотоаппарата и видеокамеры.
Известно достаточно большое количество фотометрических устройств, предназначенных для определения яркостных характеристик различных объектов, которые могут быть использованы для оценки оптической заметности [3, 5…7]. В качестве прототипа рассматривается лабораторная установка для измерения коэффициента отражения диффузно рассеивающих поверхностей [8] (патент 38059, G01j 1/22 1/58), отличающаяся тем, что в ее состав входят фотометрическая камера-шар и фильтр, выполненный в виде стеклянной пластины.
Общим для известных фотометрических устройств является наличие в них:
- поворотного стола для наведения на измеряемый объект;
- окуляра для наблюдения фотометрического поля и наведения устройства на объект;
- оптической системы, формирующей поле зрения;
- набора светофильтров с известными показателями ослабления;
- визуального или фотоэлектрического измерителя, основанного на применении в качестве чувствительного элемента человеческого глаза или фотоприемника.
Окончательный результат измерения яркости определяется из соответствующих градуировочных графиков, построенных для различных сочетаний ослабляющих светофильтров.
Однако все известные фотометрические устройства являются узко специализированными, достаточно сложными, в большинстве случаев предназначены для проведения лабораторных исследований (например, прототип или спектрофотометры). В силу указанных свойств такие устройства дорогостоящи, выпускаются крайне ограниченными партиями и поэтому малодоступны для широкого использования, особенно при натурных исследованиях. Кроме того, рабочие спектральные диапазоны таких устройств в большинстве случаев не соответствуют спектральным диапазонам чувствительности оптико-электронных приборов обнаружения, по отношению к которым производится оценка заметности исследуемых объектов.
Предлагаемое устройство направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении более доступной практической возможности проведения измерений в широком диапазоне дальностей в требуемых спектральных диапазонах без необходимости построения градуировочных графиков.
Существенным признаком, достаточным для достижения технического результата, обеспечиваемого заявляемым устройством, является применение в качестве измерителя оптико-электронных устройств, аналогичных устройствам обнаружения, по отношению к которым оценивается оптическая заметность исследуемых объектов, работающих в тех же спектральных диапазонах и обладающих фиксированным уровнем пороговой чувствительности.
Поскольку оптическая заметность объектов в подавляющем большинстве случаев оценивается исходя из возможности их обнаружения оптико-электронными средствами разведки. работающими в видимом и инфракрасном участках оптического диапазона спектра, а также лазерными дальномерами и локационными устройствами, в качестве измерителей могут использоваться цифровые фотоаппараты, видеокамеры, приборы ночного видения, тепловизоры, а также лазерные дальномеры. При использовании таких измерителей отсчет показаний (порога регистрации изображения объекта, фона или дальности до цели) производится за счет одноэлементного или многоэлементного фотоприемника, мозаичного индикатора и человеческого глаза. Применение указанных измерителей позволяет производить измерения в тех спектральных диапазонах, в которых работают аналогичные средства обнаружения. Такие измерители находятся в массовом производстве, имеются в продаже, относительно дешевы и доступны. Каждое из упомянутых устройств обладает пороговой чувствительностью, которая определяет минимальный регистрируемый уровень сигнала. В связи с этим отпадает необходимость градуировки таких устройств во всем диапазоне их чувствительности и построения градуировочных графиков, что существенно упрощает процесс подготовки и проведения измерений. Высокая пространственная разрешающая способность подобных измерителей позволяет производить измерения удаленных и малоразмерных объектов как в лабораторных, так и в полевых условиях.
На чертеже представлен общий вид устройства. Устройство содержит поворотную станину 1, предназначенную для наведения измерительной части устройства на исследуемый объект 2, участок фона 3 и эталонный отражатель 4. На поворотной станине размещаются кассета 5 для установки ослабляющих фильтров 6. Позади кассеты 5 установлено измерительное устройство 7, состоящее из входного объектива фотоприемника, схемы преобразования (не показана) и монитора визуального отображения 8. При использовании в качестве измерительного устройства 7 лазерного дальномера в состав измерительного устройства входит также лазерный излучатель. За монитором визуального отображения 8 размещается оператор, который глазом 9 наблюдает изображение на мониторе сигналов от цели, фона или эталонного отражателя, регистрируя ослабление сигналов и достижение равенства яркостей полей наблюдаемых целей.
Устройство работает следующим образом. Оператор наводит поворотную станину 1 в направлении на исследуемый объект 2. При этом в поле зрения прибора должны попадать также участок фона 3 и эталонный отражатель 4. Изображение целей, попавших в поле зрения объектива измерительного устройства 7, оператор наблюдает на мониторе визуального отображения 8. После этого оператор последовательно устанавливает в кассету 5 ослабляющие фильтры 6, наблюдая одновременно уменьшение яркостей и контрастов изображений целей. Так продолжается до тех пор, пока яркость изображения одной из целей (наименее яркой, например фона 3) не достигнет пороговой, т.е. ее изображение перестанет наблюдаться глазом оператора 9 на мониторе визуального отображения 8 (поле яркости наблюдаемого изображения цели достигнет уровня, соответствующего отсутствию полезного сигнала, т.е. достигнет уровня яркости изображения черного участка эталонного отражателя. 4). После этого определяется суммарное значение показателя ослабления установленных ослабляющих фильтров 6. Затем оператор продолжает последовательно устанавливать ослабляющие фильтры 6 до тех пор, пока яркость изображения другой цели (наиболее яркой, например исследуемого объекта 2) также не достигнет порогового уровня. При этом вновь определяется суммарное значение показателя ослабления установленных ослабляющих фильтров 6. Далее по формуле (3) определяется значение контраста исследуемого объекта на окружающем фоне в спектральном диапазоне не работы используемого типа измерительного устройства.
Для определения значения коэффициента яркости поверхности исследуемого объекта 2 на определенной длине волны излучения кассета с ослабляющими фильтрами 5 устанавливается перед входным окном объектива приемного канала измерительного устройства, в качестве которого в данном случае используется лазерный дальномер, работающий на определенной длине волны излучения, например на длине волны 1,06 мкм. Наблюдая на мониторе визуального отображения 8 исследуемый объект 2, оператор наводит на него маркерную метку измерителя дистанции и производит замер дистанции до объект 2. Значение дистанции высвечивается на мониторе визуально отображения. После этого оператор последовательно устанавливает в кассету 5 ослабляющие фильтры 6, производя каждый раз замер дистанции. Эти действия продолжаются до тех пор, пока сигнал в приемном канале измерительного устройства не будет ослаблен до порогового уровня чувствительности фотоприемника, т.е. пока не исчезнут показания дистанции до объекта. После этого определяется суммарное значение показателя ослабления установленных ослабляющих фильтров 6. Ослабляющие фильтры извлекаются из кассеты 5. Далее на место исследуемого объект 2 устанавливается эталонный отражатель 4, ориентированный перпендикулярно направлению визирования, и оператор, устанавливая поочередно ослабляющие фильтры, производит измерения дистанции до эталонного отражателя 4, наводя маркерную метку на ту часть эталонного отражателя 4, которая окрашена белой краской с известным значением коэффициента яркости на рабочей длине волны излучения. После исчезновения показаний дистанции так же определяется суммарное значение показателя ослабления установленных ослабляющих фильтров 6. С использованием выражения (4) производится вычисление значения коэффициента яркости поверхности исследуемого объекта 2.
Представленный чертеж и описание позволяют изготовить предлагаемое устройство из известных материалов и комплектующих по известным технологиям и использовать устройство по прямому назначению, что характеризует заявляемое устройство как промышленно применимое. Практическая реализуемость описанного устройства и возможности достижения технического результата подтверждаются наличием в широкой продаже используемых в устройстве технических измерительных средств, их доступностью и относительной дешевизной фактическим использованием устройств, в которых в качестве измерителя применялись видеокамера и цифровой фотоаппарат для проведения измерений в лабораторных и полевых условиях.
Источники информации
1. «Телевидение»./Под ред. Шмакова П.В. М., «Связь», 1970, стр.32.
2. ГОСТ 7601-73, «Физическая оптика. Термины, буквенные обозначения и определения основных величин». М., Госстандарт СССР, 1978, стр.15.
3. Апенко М.И., Гвоздева Н.П., «Физическая оптика», М., «Машиностроение», 1979, стр.182…189.
4. «Изобретения. Полезные модели», №2-2004 г., стр.783.
5. Ламехов О.А и др. «Светотехника и светоизмерения». М., «Машиностроение", 1980, стр.249…255.
6. Борбат A.M. и др. «Оптические изменения.», Киев: «Техника», 1967, стр.70…140.
7. Волькенштейн А.А., Кувалдин Э.В. «Фотоэлектрическая импульсная фотометрия», Л., «Машиностроение», 1975, стр.158…178.
8. «Изобретения. Полезные модели», №14-2004 г., стр.479.