Эффективность работы инфракрасных систем и критерии качества

УДК 621.833

ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ

И КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА

Е.В. Филиппова, Т. А. Акименко

Излагаются критерии качества и показатели эффективности достижения цели, для которой создана инфракрасная система.

Ключевые слова: инфракрасная система, эффективность работы, критерии качества, пространственное разрешение, энергетическое разрешение, временное разрешение.

Мерой успешной работы инфракрасной системы (ИКС), эффективностью и успешным выполнением основных задач, стоящих перед ИКС, являются критерии качества инфракрасной системы. Однако полностью невозможно сформировать критерии по работе и возможностям ИКС при решении конкретной задачи. Поэтому, как правило, формируются первоначальные сведения о показателях эффективности работы инфракрасных систем, которые наиболее часто употребляются при разработке и эксплуатации.

Критерии качества работы ИКС, используемые на практике, можно классифицировать следующим образом [1]:

- критерии качества изображения, сформированного ИКС;

- тактико-технические параметры и характеристики аппаратуры;

- показатели эффективности достижения цели, для которой создана

ИКС;

- технико-экономические показатели.

Каждый из приведенных критериев включает в себя множество показателей, различных факторов, вариантов условий эксплуатации ИКС, которые также взаимодействуют и тесно между собой связаны, поэтому приведенная классификация во многом условна.

Вероятность обнаружения, классификации, распознавания объектов, находящихся в угловом поле зрения ИКС, среднее время на решение задач, для которых создана ИКС, отражают показатели эффективности работы.

Успешная реализация процессов обнаружения объектов в диапазонах 3...5 и 8...14 мкм, распознавания, классификации и идентификации зависит от ряда случайных факторов.

Системы показателей эффективности при решении задач в статике, т.е. при неограниченном времени наблюдения неподвижных объектов и в динамике, т.е. при ограниченном времени наблюдения и подвижных объ-

291

ектах, различны. Для систем, работающих в статическом режиме, наиболее важным является хорошее пространственное и энергетическое разрешение; для систем, функционирующих в динамическом режиме, помимо пространственного и энергетического разрешения важно временное разрешение [4].

Мерами пространственного разрешения являются критерий Рэлея, диаметр кружка Эри, размер аберрационного кружка рассеяния (изображение точки). Специфичным для ИКС является то, что критерии и меры их пространственного разрешения неразрывно связаны с энергетическим и временным разрешением.

Некоторые из критериев сильно зависят от свойств звеньев ИКС, от свойств человека-наблюдателя, от условий эксплуатации системы. К таким критериям можно отнести предел углового разрешения Дфн . Это минимальный угловой период разрешаемых наблюдателем на выходном изображении полос стандартной тепловой миры, соответствующий определенной разности радиационных температур миры и фона ДТ. [4]

Давно введенным и наиболее применяемым критерием является эквивалентная шуму разность температур ДТпор - это разность температур

объекта и фона, излучающих как черные тела в стандартном тест-объекте, при которой отношение пикового значения сигнала к среднеквадратичной величине шума на выходе стандартного эталонного электронного фильтра системы, рассматривающий тест-объект, равно единице. Пороговая разность температур ДТпор как обобщенный критерий имеет и целый ряд недостатков [3].

Другим критерием разрешения является угловой разрешаемый интервал Дуинт, равный угловому расстоянию между двумя линейными объектами, при котором отношение минимума сигнала на выходе ИКС к его максимуму составляет 0,5.

Пространственное разрешение также определяется оптической передаточной функцией (ОПФ), которая является нормированной величиной преобразования Фурье импульсной реакции Б(х). Модуль ОПФ - модуляционная передаточная функция (МПФ) определяет контраст изображения, формируемого системой на каждой пространственной частоте, содержащейся в объекте. Можно также выразить эту величину в функции временной частоты /. [2] Фазовая передаточная функция (ФПФ) используется для описания оптических и электронных звеньев, входящих в ИКС.

При определении ОПФ и ФПМ используют отношение контраста в изображении тест-объекта Киз к контрасту тест-объекта Кто , т.е.

ФПМ = Киз КТО

Г Ь - Ь  Л

'-щах '-тш

V Ьтт + Ьтах JИЗ I

Г ь - ь  Л

'-тах 'тш

V Ьтт + Ьтах JтО

где Ьтах и Ь т^п - максимальная и минимальная яркости соответственно.

Пространственное разрешение ИКС оценивают по функции передачи контраста (ФПК), определяемой реакцией системы на периодический тест-объект с прямоугольным, а не синусоидальным законом изменения яркости или прозрачности. Для перехода от ФПК к ФПМ пользуются разложением прямоугольной униполярной функции в ряд Фурье:

ФПК(/Х) = 4-

71

£ (_1)кФПМ[(2к + \)/х]

к=о 2к + 1

Достаточно давно используется критерий пространственного разрешения Шаде, требующий, чтобы ФПМ системы на частоте /у не превышала ОД 5:

о 1 - 1

КЭКВ

2А/кэкв <*> 9

2\\KHKcifxfdf О

где А[жв ~ эквивалентная частота пропускания пространственных частот Кшс(/Х) - пространственно-частотная характеристика всей ИКС. Поскольку серое тело (объект) испускает меньше излучения, чем черное тело (фон) при той же температуре, видеосигнал, получаемый в системе от серого объекта, будет отрицательным относительно уровня фона. Излучательная способность г дает отношение видеосигнала к шуму, равное единице относительно фона, излучающего как абсолютно черное тело, эквивалентное шуму излучательной способности [3].

1 дт 0 дТ ° (V еЯОР = 1 - Ь1пОР —-*-•

о О

Часто для оценки энергетического разрешения ИКС пользуются

понятием удельной обнаружительной способности приемника излучения

*

В , отнесенной к приемнику с единичной площадью чувствительного

✓ 9 ч

элемента (1 см ), в единичном интервале частот (1 Гц):

0*=З^АПИА/э/сш,

где £ - чувствительность приемника; Ацц - площадь чувствительного слоя; А/з - эффективная (эквивалентная) полоса пропускания шумов; Сщ - среднее квадратическое значение шума на выходе приемника.

Для ИКС «смотрящего» типа [4], в которых используются матричные фотоприемные устройства (ФПУ) с присутствием геометрических шумов из-за неоднородности параметров отдельных элементов чувствительного слоя приемника и схем сигналов с этих элементов, удельная об-наружительная способность ФПУ описывается таким выражением:

* AVk^AnH/

Uqk<PIiy ~-1 2

A0qXhc^GlUqB+GllIqr

где ои <3¡jjqf - средние квадратические значения временного и геометрического (пространственного) шумов; АФс^=АФе^/(Ьс/Х) ; h - постоянная Планка; с - скорость распространения электромагнитных колебаний.

Кроме указанных выше зависимостей, существует зависимость вероятности обнаружения объекта от времени наблюдения сцены t:

Роб (0 = До {1 - ехр[- (tf*.) / 3,4]},

где Роо- приближение вероятности обнаружения для бесконечно большого времени наблюдения, определяемое как доля достаточно большого числа наблюдений, обнаруживающих объект за неограниченное время наблюдения.

Таким образом, объект, для которого Р^ больше, обнаружится быстрее, чем объект, для которого Р^ меньше. В случаях отсутствия фона, на котором наблюдается объект, выражение для P0Q{t) имеет следующий вид:

где т - постоянная времени экспоненциальной зависимости, соответствующая 0,63 установившегося ее значения; t^ - время, затрачиваемое наблюдателем на фиксацию факта обнаружения объекта.

При увеличении зашумляемости наблюдаемого процесса (пестрого фона) постоянная времени г процесса обнаружения увеличивается на некоторое значение, составляющее 0,5 с для больших и 1 с для малых Р^.

Произведя оценку показателей качества ИКС, становится возможным нахождение оптимальной структуры инфракрасной системы, а также параметров и характеристик отдельных звеньев при проектировании системы. Тем не менее, для решения конкретной тактической задачи не всегда достаточно полагаться только на результаты вычислений. Необходима комплексная оценка опытных и расчетных данных.

Список литературы

1. Алеев Р.М., Иванов В.П., Овсянников В.А. Основы теории анализа и синтеза воздушной тепловизионной аапаратуры. Казань: Казан. ун-т, 2000. 252 с.

2. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: пер. с фр. М.: Мир, 1988. 416 с.

3. Ллойд Дж. Системы тепловидения: пер. а англ. М.: Мир, 1978.

414 с.

4. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004. 444 с.

5. Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства видимого и инфракрасного диапазонов: учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. / СПбГУАП; БГТУ «Военмех». СПб., 2004. 127 с.

Филиппова Екатерина Вячеславовна, лаборант, kisskin@,bk.ru Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доц., tantan72@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE EFFICIENCY OF INFRARED SYSTEMS AND QUALITY CRITERIA

E. V. Filippova

Outlines quality criteria and performance indicators the purpose for which the infrared system are given.

Key words: infrared system, efficiency, criteria of quality, spatial resolution, energy resolution, temporal resolution.

Filippova Ekaterina Vyacheslavovna, laboratory assistant, kisskin@,bk.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical sciences, docent, tqntan 72@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University