СПОСОБ ЗАГОРИЗОНТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ
METHOD FOR OVER-HORIZONTAL DETECTION OF MAN-GENERAL MARINE OBJECTS

Изобретение относится к измерительной технике обнаружения объектов с помощью инфракрасных систем технического зрения и может быть использовано при проведении поисковых и аварийно-спасательных мероприятий, осуществляемых в морских условиях.
На современном уровне развития науки и техники известны следующие способы загоризонтного обнаружения объектов.
Известен способ поиска и обнаружения тепловых объектов, включающий в себя восприятие инфракрасного излучения, преобразование его в информационный электрический сигнал с помощью пироэлектрического преобразователя, преобразование информационного электрического сигнала в звуковой сигнал, при этом поток инфракрасного излучения от теплового объекта диафрагмируют, фокусируют и направляют на пироэлектрический преобразователь, одновременно с преобразованием информационного электрического сигнала в звуковой сигнал осуществляют световую индикацию расстояния до теплового объекта путем одновременной подачи на световые индикаторы усиленного информационного электрического сигнала и управляющего сигнала в виде магнитного поля, операция формирования области воздействия которого на средства управления включением соответствующего светового индикатора производится одновременно с операцией диафрагмирования (патент РФ №2037882, МПК G08B 17/06, опубл. 19.06.1995). Недостаток данного способа заключается в том, что он предназначен и применим только для нагретых объектов, температура которых превышает температуру окружающей объект среды, кроме того способ не позволяет обнаруживать загоризонтные тепловые объекты.
Известен также способ обнаружения тепловых объектов на фоне небесной полусферы, в котором фокусируют фоноцелевое изображение на приемнике излучения, преобразуют амплитуду снятого сигнала в цифровой код и запоминают в виде двумерного массива данных яркости излучения фона, затем определяют модуль порогового значения яркости для интервала принятия решения, выполняют преобразование массива данных, в преобразованном массиве данных выделяют ячейки, имеющие наибольшую контрастность по отношению к фону экрана монитора, и считают их отметками от точечных тепловых объектов (патент РФ №2407028, МПК G01S 3/78, G02B 23/12, опубл. 27.07.2010, БИ №35). Недостатки способа идентичны недостаткам предыдущего способа - способ предназначен и применим только для нагретых объектов, температура которых превышает температуру окружающей среды, кроме того способ не позволяет обнаруживать загоризонтные тепловые объекты.
Известен способ обнаружения точечных тепловых объектов на маскирующем атмосферном фоне, заключающийся в том, что для обнаружения точечного теплового объекта в условиях сложного фона предлагается использовать пороговую и пространственную обработки принятых сигналов, которые повышают отношение сигнал/фон и, как следствие, - вероятность принятия решения о наличии искомого точечного теплового объекта в поле зрения оптико-электронной системы (патент РФ №2480780, МПК G01S 3/78, опубл. 27.04.2013, БИ №12). Недостатки способа идентичны недостаткам предыдущего способа.
Наиболее близким по технической сущности является способ (прототип) автоматического обнаружения объектов на морской поверхности в видимом диапазоне, который заключается в регистрации фоноцелевой картины (сцены) акватории с помощью пассивного оптико-электронной системы в видимом диапазоне, и последующей построении модели ключевых объектов сцены с использованием ее пространственно-временного анализа и выполнении операций эрозии, дилатации, бинаризации изображения с помощью матрицы свертки (Тупиков В.А., Павлова В.А., Бондаренко В.А., Александров В.А. Способ автоматического обнаружения объектов на морской поверхности в видимом диапазоне // Известия ТулГУ: Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 3. С. 105-121). Указанный способ предназначен для видимого диапазона длин волн и предполагает нахождение обнаруживаемого объекта в угловом поле зрения оптико-электронной системы, следовательно, указанный способ не обеспечивает загоризонтное обнаружение объекта. В этом заключается недостаток способа.
Цель изобретения - увеличение дальности обнаружения морского техногенного объекта.
Указанная цель достигается тем, что в заданном азимутальном направлении на заданной малой высоте от поверхности земли или от водной поверхности выполняют термографирование небесной полусферы и подстилающего слоя водной поверхности, полученное при термографировании инфракрасное изображение заданное количество раз подвергают цифровой фильтрации до достижения максимально возможного сглаживания изображения, после чего варьируют соотношение контрастности и яркости инфракрасного изображения на предмет выявления на нем одной или нескольких аномальных по теплу атмосферных зон, по наличию которых делают вывод о наличии загоризонтных техногенных морских объектов в заданном азимутальном направлении, при этом термографирование выполняют в заданном спектральном диапазоне длин волн инфракрасного излучения, а для цифровой фильтрации используют матричные фильтры с заданной бинарной матрицей свертки.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлен пример получаемого при термографировании инфракрасного изображения, на котором: 1 - морской техногенный объект, 2 - аномальная по теплу атмосферная зона, 3 - подстилающий слой водной поверхности. На фиг. 2 представлена принципиальная схема термографирования небесной полусферы и подстилающего слоя водной поверхности 3 в заданном азимутальном направлении, где: 4 -приемник инфракрасного излучения, с помощью которого выполняют термографирование и получают инфракрасное изображение.
Предлагаемый способ основан на обнаруженном ранее фантомном атмосферном явлении, систематически наблюдающимся в слое атмосферы, окружающем морской техногенный объект (морское судно, корабль и т.д.) (Ходунков В.П. «Явление анизотропии спектральной энергетической яркости в локальном слое атмосферы, охватывающем протяженный морской объект» // в сборнике статей 14-ой международн. науч.-практич. конф. «Высокие технологии, исследования, образование, экономика», 4-5 октября 2012 г. Санкт-Петербург: Изд-во СПб. Политехнического университета, 2012, Т. 2. - С. 173-175). Указанное явление проявляется в виде тепловых атмосферных аномалий, или т.н. фантомов, которые возникают в атмосфере над объектом на некоторой высоте от него. При этом размеры таких фантомов или, по-другому, тепловых атмосферных аномалий значительно превосходят размеры объекта (в 5-10 раз), а их изображения имеют достаточно отчетливые очертания и состоят из явно выраженных концентрических изофотных областей (фиг. 1).
Условия возникновения данного явления:
- наличие теплового излучения от объекта, которое может быть отраженным внешним излучением (солнечное или лунное излучение), либо собственным тепловым излучением объекта, т.е. когда объект перегрет относительно атмосферного фона;
- наличие в атмосфере аэрозольного слоя с достаточно высокой концентрацией аэрозольных частиц,
Причины возникновения данного явления:
- резонансное рассеяние теплового излучения объекта морским аэрозолем, в результате которого происходит девиация первой гармоники спектра излучения прилегающего к объекту слоя атмосферы по сравнению с фоновым спектром;
- термофорез, вызывающий анизотропию объемной концентрации аэрозольных частиц в атмосферном слое вблизи объекта.
По этим двум причинам в результате совместного влияния процессов комбинационного и резонансного рассеяния квантов энергии излучения от морского объекта происходит девиация основной гармоники потока излучения, при этом максимум энергии излучения смещается в сторону коротких длин волн, соизмеримых с диаметром аэрозольных частиц, при этом над объектом одновременно формируется пространственная анизотропия спектральной энергетической яркости атмосферы. Это приводит к тому, что атмосферный слой, находящийся над морским техногенным объектом, значительную часть энергии излучает на частоте, находящейся вне спектрального диапазона инфракрасного приемника, что при термографировании вызывает появление на получаемых изображениях атмосферного фона локальных аномальных зон с отрицательной энергетической яркостью относительно основного атмосферного фона (Ходунков В.П., Походун А.И., Дульнев Г.Н. Термография атмосферных фантомов. Часть 1: Теоретические аспекты // Измерительная техника. 2014. №2. С. 47-50).
Практически любой техногенный морской объект, будь то морское судно, корабль или сооружение, как правило, имеет излучательную способность, (меньшую, чем у морской поверхности (излучательная способность морской поверхности находится в пределах 0,95÷0,963). В результате этого плотность потока энергии, отраженной от объекта превышает аналогичную, отраженную от водной поверхности, поэтому аэрозольные частицы, находящиеся над объектом, получают большее количество лучистой энергии (радиации). Данные аэрозольные частицы, выполняющие функцию преобразователя частоты и излучающие на длине волны, близкой к их геометрическому размеру, излучают в окружающее пространство большее количество энергии, нежели аэрозольные частицы, находящиеся в фоновой по отношению к объекту периферии. Для морских объектов, у которых излучательная способность меньше 0,95, в атмосфере практически всегда будет наблюдаться указанное явление - как в дневное, так и в ночное время, поскольку практически все морские объекты имеют температуру пусть незначительно, но превышающую температуру атмосферного фона. При наличии солнечной радиации данное явление наиболее выражено и устойчиво регистрируется современными тепловизионными средствами. На практике, применительно к таким морским техническим объектам как корабли, суда и другие техногенные объекты, лакокрасочные покрытия которых обладают излучательной способностью 0,7-0,8, данное явление будет присутствовать всегда.
Так как согласно многочисленным исследованиям, дисперсность морских аэрозолей описывается 4-мя модами с модальными радиусами: 0,0015÷0,002 мкм; 0,025÷0,03 мкм; 0,15 мкм; 1,8 мкм, то поэтому логично считать, что основная энергия излучения аэрозоля приходится именно на эти длины волн. Из-за этого при термографировании имеет место несоответствие спектра излучения аномальной зоны атмосферы и спектрального диапазона инфракрасного средства измерения, например, тепловизора, у которого используемые спектральные диапазоны составляют 3-5 мкм и 8-14 мкм. В результате инфракрасное средство измерения большую часть излучения, исходящего из аномальной зоны, не воспринимает и поэтому на выдаваемом им инфракрасном изображении представляет данную аномальную зону более холодной, чем основная фоновая атмосфера. Наличие аномальной атмосферной зоны на инфракрасном изображении свидетельствует о том, что под ней находится некий морской объект. Таким образом, предлагаемый способ заключается в регистрации теплового возмущения в атмосферном слое, находящимся непосредственно над морским техногенным объектом и обусловленным морским техногенным объектом.
Так как разница между средней температурой аномальной зоны и средней температурой основной фоновой атмосферы составляет не более нескольких градусов, а в ряде случаев может быть и менее одного градуса, то поэтому выделить аномальную зону на исходном инфракрасном изображении сложно. Для выделения необходимо сглаживание изображения, которое может быть выполнено за счет операции свертки и матрицы свертки. В результате сглаживания изображения и варьирования соотношения его яркости и контрастности можно выделить аномальную зону. Операции сглаживания и регулирования яркости и контрастности изображения являются стандартными опциями всех тепловизоров и поэтому могут быть легко осуществлены.
Условия, при которых возможна регистрация данного явления средствами технического зрения (тепловизорами, в частности):
- отсутствие облачности или незначительная облачность в пригоризонтном слое атмосферы;
- достаточная для регистрации метеорологическая дальность видимости;
- достаточная для регистрации оптическая и тепловая разрешающая способности средства технического зрения (тепловизора).
Способ осуществляют следующим образом.
Для выполнения измерений используют тепловизор с заданной высокой тепловой разрешающей и оптической способностями и с заданным спектральным диапазоном, при этом предпочтителен спектральный диапазон 8-14 мкм. С заданной высоты над земной или водной поверхностью, например с высоты 1-10 м), в интересующем азимутальном направлении выполняют инфракрасную съемку (термографирование) небесной полусферы и подстилающего слоя водной поверхности и получают их инфракрасное изображение. Затем, используя стандартные опции тепловизора, выполняют многократное сглаживание полученного инфракрасного изображения до достижения максимально возможного сглаживания, после чего варьируют соотношение яркости и контрастности сглаженного изображения и пытаются выделить на нем аномальную (холодную) зону или зоны. При этом, при выполнении операции сглаживания, предпочтительнее, используют матричные фильтры с бинарной матрицей свертки. По окончании указанных операций в случае выделения такой аномальной зоны (или нескольких зон) считают, что под ней (ними) находится некий морской техногенный объект (объекты). Таким образом, по результатам термографирования принимают решение о нахождении либо об отсутствии какого-либо морского техногенного объекта в заданном азимутальном направлении.
В отличие от способов-аналогов и прототипа предлагаемый способ позволяет обнаруживать объекты на значительно больших расстояниях (в 5-10 раз), чем обеспечивают известные способы. Другие преимущества способа - обнаружение осуществляется в пассивном режиме, процесс измерения занимает малый промежуток времени и не требует сложных измерительных схем. Ограничения на применение способа определяются приведенными выше условиями возникновения и регистрации фантомного явления, на котором основан данный способ.