Модель состояний внешней среды при оценке оптической заметности наземных объектов в инфракрасном диапазоне длин волн

УДК 635.631

МОДЕЛЬ СОСТОЯНИЙ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ ПРИ ОЦЕНКЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЗАМЕТНОСТИ НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ

ДЛИН ВОЛН

В.Г. Керков, В.Д. Мочалин, Г.Л. Тюрин

Статья посвящена исследованию и выявлению закономерностей влияния различных состояний внешней среды на оценку оптической заметности наземных объектов в инфракрасном диапазоне длин волн и обоснованию модели состояний внешней среды, позволяющей проводить оценку максимальных значений абсолютного теплового контраста объекта по совокупности возможных состояний внешней среды.

Разработка данной модели определена необходимостью сокращения объема измерений, обусловленных большим количеством учитываемых параметров и характеристик внешней среды, изменяющихся в зависимости от состояния атмосферы, времени суток и времени года.

Для обоснования минимального количества состояний внешней среды, в которых наблюдаются экстремальные значения разности радиационных температур независимо от значений характеристик объектов, исследованы закономерности влияния различных состояний внешней среды на оптическую заметность наземных объектов в инфракрасном диапазоне длин волн. Выделены четыре группы состояний внешней среды, гарантирующих отыскание экстремумов контраста элементов поверхности объектов на множестве состояний внешней среды. Эта гарантия обеспечивается максимальным, при прочих равных условиях, отличием контраста элементов поверхности объекта при максимальной и минимальной облачности и учетом всех возможных качественных соотношений характеристик внешней среды.

Рассчитаны значения характеристик внешней среды, обеспечивающие оценки экстремальных по совокупности ее состояний величин контрастов элементов поверхности объекта

Ключевые слова: модель состояний внешней среды, оптическая заметность, тепловой контраст, распределение температур

Введение. Оценка оптической заметности (ОЗ) наземных объектов в инфракрасном диапазоне длин волн в различных условиях наблюдения часто затруднена большим количеством учитываемых параметров и характеристик внешней среды, изменяющихся в зависимости от состояния атмосферы, времени суток, года [13]. Декомпозиция возможных состояний внешней среды позволяет оценивать ОЗ объектов не на всем множестве ее возможных состояний, а в наименее благоприятных для скрытия образцов условиях их наблюдения [4]. При таком подходе обеспечивается получение гарантированных оценок ОЗ по совокупности возможных состояний внешней среды.

Традиционными методами оптимизации эту задачу решить невозможно, так как значения параметров внешней среды взаимозависимы, а описание этой зависимости ограничено небольшим объемом экспериментальных данных. Одним из путей ее решения является обоснование минимального количества состояний внешней

Керков Владимир Георгиевич - ВУНЦ ВВС «ВВА им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», канд. техн. наук, старший научный сотрудник, тел. 8-980-556-19-71

Мочалин Виктор Дмитриевич - ГНИИИ ПТЗИ ФСТЭК России, старший научный сотрудник, тел. 8-980-345-57-20 Тюрин Герман Леонидович - ВУНЦ ВВС «ВВА им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», канд. техн. наук, начальник отдела, тел. 8-908-139-57-58, e-mail: germtyr@yandex.ru

среды, в которых наблюдаются экстремальные значения разности радиационных температур независимо от значений характеристик объектов.

Целью настоящей работы является разработка модели состояний внешней среды, позволяющей получать оценки максимальных значений абсолютного теплового контраста объекта по совокупности возможных состояний внешней среды.

Основное содержание работы. Для обоснования способа разбиения множества всех возможных состояний внешней среды рассмотрим ее с позиций системотехники. В соответствии со сложившейся в системотехнике терминологией внешняя среда является сложной системой, имеющей автономную пространственно-временную метрику, которая, в свою очередь, определяет возможные способы декомпозиции системы [5,6].

Система «подстилающая поверхность-атмосфера» в полном объеме может быть описана в реальном времени и пространстве. Однако в данном случае нас интересует относительно небольшая часть параметров внешней среды, что обусловливает возможность перехода от реального к функциональному пространству. Физический смысл такого перехода состоит в следующем.

Из метрологии известно, что интересующие нас характеристики периодически изменя-

ются во времени (в течение времени суток, года) и зависят от состояния атмосферы. Используя тот факт, что различные состояния атмосферы (наличие туманов, облачности и т.п.) случайны во времени, будем рассматривать временную зависимость характеристик внешней среды при фиксированных состояниях атмосферы. Такое представление, очевидно, не позволяет исследовать динамику изменения состояния внешней среды, что в данном случае и не требуется, но значительно упрощает решение поставленной задачи.

Наличие облачности, туманов, дымки и т.д. в атмосфере формально можно описать ее прозрачностью для солнечного излучения и собственного излучения подстилающей поверхности. Наиболее существенное влияние на прозрачность атмосферы в этом смысле оказывает облачность, поэтому для установления метрики функционального пространства состояния атмосферы целесообразно характеризовать количеством облаков, т.е. долей обозреваемой площади, занятой облаками. Наиболее часто оно оценивается в баллах [7].

Таким образом, внешнюю среду, применительно к решаемой задаче, целесообразно исследовать в реальном времени и функциональном пространстве, представляющем собой совокупность возможных состояний атмосферы, характеризуемых ее облачностью.

В соответствии с предложенной метрикой системы очевидны возможные способы ее декомпозиции: по времени суток, года и по состоянию облачности в баллах (п). В этом случае для каждого значения облачности (в баллах) множество состояний внешней среды разбивается на подмножества, характеризующихся качественно однородными в пределах каждого из

них соотношениями ее параметров (рис. 1). -

Состояния внешней среды

ясно (п=0) п=1...9 пасмурно (п=10) У

/

Время года

лето осень зима весна

V У

Время суток \

V день ночь У

Рис. 1. Возможные состояния внешней среды

Поведем анализ влияния характеристик внешней среды на контраст объектов (ЛТ) в зависимости от состояния атмосферы, времени

суток, года. Значения коэффициента теплоотдачи (а) для неподвижных объектов примем равным а=10 Вт/м2К, что соответствует отсутствию ветра и обеспечивает пессимистическую оценку экстремумов контраста поверхностей объекта. Средние значения коэффициента излучения фона (подстилающей поверхности) Вф=0,95 [8]. На основе этого анализа сформулированы следующие выводы.

1. На состояния внешней среды, с точки зрения качественных соотношений ее параметров, наиболее существенно влияет количество облаков. При сплошной облачности (п=10), солнечная радиация в значительной степени экранируется облаками, причем между подстилающей поверхностью и слоем облаков образуется частично замкнутая система, характеризующаяся примерно равномерным распределением в ней температуры. При этом характеристики внешней среды определяются значением температуры фона (Тф) независимо от времени суток и года, т.е. Тф = Та, где Та -температура атмосферы.

2. Уменьшение количества облаков п < 9 сопровождается снижением их экранирующего эффекта, что обусловливает нарушение указанных выше качественных соотношений между параметрами внешней среды, причем наибольшие их количественные отличия, при прочих равных условиях, имеют место при ясной погоде (п=0). В этом случае в дневное время суток поток солнечной радиации ЕС>0 максимален, а разность температур атмосферы и фона ЛТ<0 и облученность элементов поверхности объекта (ЭПО) и фона в ИК диапазоне длин волн максимальны. В ночное время суток ЕС=0, разность температур атмосферы и фона ЛТ>0 максимальна, а облученность в ИК диапазоне спектра минимальна. Снижение облученности ЭПО и фона в ИК диапазоне длин волн при ясной погоде (п=0) обусловлено отсутствием облаков, являющихся достаточно мощным источником ИК излучения. Перечисленные изменения характеристик внешней среды при уменьшении п воздействуют на контраст ЭПО в противоположных направлениях: возрастание ЕС и ЛТ увеличивают его, а уменьшение облученности внешней среды Е - уменьшают, причем преобладание той или иной тенденции зависит от значения коэффициента излучения (в) ЭПО. Однако при любом в максимальное отличие контраста ЭПО при прочих равных условиях наблюдается при п=0 и п=10, а значения коэффициента в влияют на абсолютное значение и

знак разности контрастов поверхности объекта в этих условиях: при небольшом в контраст ЭПО при n=0 меньше, чем при n=10, при большом - наоборот. Это обусловлено тем, что при в^0 основное влияние на контраст ЭПО оказывает их облученность Е; в исследуемых спектральных диапазонах, а при в^1 - изменение температуры ЭПО.

3. При n<10 особенностью с точки зрения качественного соотношения параметров внешней среды обладает период таяния снега и льда весной, когда при наличии значительного потока солнечной радиации ЕС>0 температура фона и атмосферы примерно одинаковы и равны 273 К. Вследствие этого указанное состояние внешней среды целесообразно рассматривать отдельно.

Таким образом, в интересах оценки оптической заметности наземных объектов ВВТ в ИК диапазоне длин волн, целесообразно выделить 4 группы состояний внешней среды, гарантирующих отыскание экстремумов контраста ЭПО на множестве состояний внешней среды (рис. 2). Эта гарантия обеспечивается максимальным, при прочих равных условиях, отличием контраста ЭПО при n=0 и n=10 и учетом всех возможных качественных соотношений характеристик внешние среды. Постоянство этих соотношений в каждом из выделенных подмножеств обеспечивает, в свою очередь, постоянство тенденций изменения контраста ЭПО при изменении их характеристик, что существенно упрощает поиск состояний внешней среды, дающих экстремальные значения контраста ЭПО в каждой группе ее состояний. С этой целью рассмотрим более подробно каждое выделенное из подмножеств состояний внешней среды (Vk).

Состояния внешней среды

л

✓ Состояние атмосферы (показатель облачности в баллах) \

ясно (n=0) пасмурно (n=10) V4 /

и

/ Время суток \

день ночь V3 /

и

/ Время года \

ч лето, зима, осень V2 весна V! /

Рис. 2. Ограничение числа возможных состояний внешней среды

При сплошной облачности (У4) контраст ЭПО зависит в основном от мощности внутренних источников теплоты. В этом случае уравнение теплового баланса элемента поверхности объекта можно представить в виде

а

где а - коэффициент конвективной теплоотдачи, То, Тф - температуры объекта и фона, £о, £ф - коэффициенты излучения объекта и фона, Рвн - тепловой поток через поверхность ЭПО, обусловленный внутренними источниками, с -постоянная Стефана - Больцмана.

Если не учитывать нелинейный член в уравнении (1), температурный (а значит, и радиационный) контраст объекта ЛТ=Та-Тф при изменении температуры фона и неизменном потоке Рвн мощности внутренних источников теплоты остается постоянным. Наличие нелинейного члена приводит к тому, что при сохранении постоянства левой части уравнения (при увеличении температуры фона), температура объекта должна увеличиваться в меньшей степени. Следовательно, максимальный и минимальный контраст ЭПО будут иметь место, соответственно, при минимальной (Тф=258 К) и максимальной (Тф=293 К) температуре фона в рассматриваемых условиях.

В ночное время суток при безоблачной атмосфере (У3) разность температур атмосферы и фона ЛТ=Та-Тф после захода солнца изменяется примерно от нуля до максимального значения, а облученность ЭПО излучением атмосферы, вследствие ее более низкой излучательной способности, меньше энергетической светимости фона. Рост температуры фона сопровождается увеличением максимальной разности температур ЛТ и облученности ЭПО излучением атмосферы.

Предположим, что значение коэффициента излучения ЭПО в близко к нулю, т.е. контраст определяется только облученностью поверхности ЭПО и радиационной температурой фона. В этом случае с ростом температуры фона контраст ЭПО уменьшается, т.е. излучательная способность атмосферы в окнах ее прозрачности (спектральных диапазонах работы ИК-камер) в 2...2,5 раза ниже излучательной способности фона [4]. Следовательно, максимум контраста ЭПО наблюдается при минимальной (Тф=243 К), а минимум - при максимальной (Тф=288 К) температуре фона в рассматриваемых условиях, причем значения разности тем-

ператур атмосферы и фона ЛТ=0.. .7 К в данном случае практически не влияют на контраст ЭПО.

Допустим теперь, что коэффициент излучения ЭПО в—^1, т.е. контраст определяется только температурой ЭПО и фона. В этом случае направление и степень изменения контраста зависит от нескольких факторов. В частности, если рассматривать время непосредственно после захода солнца, когда ЛТ=0, с ростом температуры фона контраст ЭПО из-за нелинейности уравнения теплового баланса и низкой излуча-тельной способности атмосферы уменьшается. Однако это уменьшение не превышает погрешности вычисления контраста (1... 1,7 К) и становится еще менее значительным при увеличении интенсивности конвективного теплообмена с атмосферой. Если рассматривать интервалы времени, соответствующие максимальной разности температур атмосферы и фона, то с ростом температуры фона контраст ЭПО увеличивается тем значительнее, чем выше интенсивность их конвективного теплообмена. Наиболее существенное увеличение контраста наблюдается при одновременном росте температуры фона и разности температур ЛТ=Та-Тф от нуля до ее максимального для средней полосы значения ЛТмах=7 К [9]. Следовательно, минимум и максимум контраста ЭПО можно определить при минимальных (Тф=243 К, ЛТ=0) и максимальных (Тф=288 К, ЛТ=7 К) значениях температуры фона и разности температур атмосферы и фона в рассматриваемых условиях.

Так как степень влияния собственного излучения (температуры) и облученности ЭПО на контраст монотонно зависит от значения коэффициента излучения ЭПО в [1], рассмотренные случаи определяют диапазон возможных изменений контраста в ночное время суток при безоблачной атмосфере и могут быть использованы для оценки в этих условиях как экстремальных значений контраста ЭПО, так и наземных объектов в целом.

В дневное время суток при ясной погоде (п=0), (У2, VI) доминирующей характеристикой внешней среды с точки зрения влияния на контраст ЭПО является солнечная радиация, что подтверждается многочисленными экспериментами в натурных условиях. Поэтому максимальный контраст ЭПО соответствует максимуму облученности их поверхности солнечной радиацией (летний полдень), а минимальный -ее минимуму. Уменьшение облученности поверхности объекта солнечной радиацией

наблюдается в утренние и вечерние часы, а также при изменении пространственной ориентации ЭПО (в вертикальной, либо горизонтальной плоскостях). В подмножестве V2 минимальный контраст достигается в летний полдень для затененных поверхностей ЭПО, так как смещение времени суток относительно полудня сопровождается увеличением разности температур атмосферы и фона, что в значительной степени компенсирует уменьшение облученности ЭПО солнечной радиацией. Наоборот, в подмножестве VI (период таяния) разность температур атмосферы и фона в течение суток не изменяется, поэтому минимальный контраст ЭПО достигается в часы захода (Ес*0).

Рассчитанные значения характеристик внешней среды, обеспечивающие оценки экстремальных по совокупности ее состояний величин контрастов ЭПО, приведены в таблице. Для их определения использовались известные из метеорологии экспериментальные данные, а также эмпирические зависимости, полученные на основе их анализа. В частности, для оценки облученности поверхностей объектов излучением внешней среды при отсутствии облачности применялись выражения, полученные на основе анализа экспериментальных данных, приведенных в работах [4, 9], а также аналитические выражения, полученные в [2, 3].

Наиме нова-ние величины, един. изме- Ясно, день, весна (период таяния снега) /VI/ Ясно, день, лето ГЯ2/ Ясно, ночь, лето ЛУ3/ Сплошная облачность т/

рения максим. контраст мин. контраст максим. контраст мин. контраст максим. контраст мин. контраст максим. контраст мин. контраст

Ес, Вт/м2 660 195 910 225 0 0 0 0

Тф, К 273 273 314 314 288 243 258 293

ЛТ, К 0 0 11 11 7 0 0 0

Е Вт/м2 273 248 366 440 350 162 251 416

Ориентация ЭПО в пространстве (горизонтальная или вертикальная) выбиралась из условия «усиления» экстремальных значений величин контрастов.

Выводы. Таким образом, разработанная модель обладает достаточной для практического использования точностью и позволяет про-

водить оценку максимума абсолютного контраста объекта по совокупности возможных состояний внешней среды.

Литература

1. Мочалин В.Д. Прогнозирование радиационного контраста объектов в спектральных диапазонах 3,5...5 и 8...14 мкм / В.Д. Мочалин // ОМП - 1991.- № 6.

2. Мочалин В.Д. Оценка температуры тел, находящихся в естественных условиях теплообмена с внешней средой / В.Д. Мочалин, Г.Л. Тюрин // Радиотехника и система связи: межвузовский вестник. - Воронеж: ВГТУ, 2002. - Вып. 4.2. - С. 31-33.

3. Керков В.Г. Моделирование и анализ эффективности средств снижения теплового контраста с учетом формы и рельефа их поверхности / В.Г. Керков, В.Д. Мочалин, Г.Л. Тюрин // Вестник Воронежского госу-

дарственного технического университета. - 2015. - Том 11. - № 2. - С. 107-112.

4. Беляев Н.М. Методы теории теплопроводности / Н.М. Беляев, А.А. Рядно. - М.: Высшая школа, 1982.

5. Прозоров А.В. Декомпозиция системы. Критерии декомпозиции на подсистемы / А.В. Прозоров. - Спб.: Питер, 1991.

6. Таненбаум Э. Распределенные системы / Э. Таненбаум, М. Свен. - Спб.: Питер, 1999.

7. Зуев В.Е. Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей / В.Е. Зуев. - М.: Советское радио, 1966.

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

9. Матвеев Л.Т. Курс общей метрологии. Физика атмосферы / Л.Т. Матвеев. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1976.

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

Государственный научно-исследовательский испытательный институт проблем технической защиты информации Федеральной службы по техническому и экспортному контролю

MODEL OF EXTERNAL ENVIRONMENT STATES IN ASSESSING THE OPTICAL VISIBILITY OF GROUND OBJECTS IN THE INFRARED WAVELENGTHS RANGE

V.G. Kerkov1, V.D. Mochalin2, G.L. Tyurin3

'PhD, Senior Staff Scientist, Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E.Zhukovsky and JU.A. Gagarin Military-Air academy, Voronezh, Russian Federation e-mail: vaiu@mil.ru 2Senior Staff Scientist, FSTEC of Russia, Voronezh, Russian Federation e-mail: gniii@fstec.ru

3PhD, Head of department, Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E.Zhukovsky and JU.A. Gagarin MilitaryAir academy, Voronezh, Russian Federation e-mail: germtyr@yandex.ru

The article is devoted to investigation and revealing the regularities of the influence of various external environment states on the evaluation of the ground objects optical visibility in the infrared wavelength range and justification of the model of external environment states that allows to estimate the maximum values of the absolute thermal contrast of an object according to the set of possible external environment states.

Development of this model is determined by the need to reduce the quantity of measurements provided by a large number of parameters and environmental characteristics that are taken into account, varying depending on the state of the atmosphere, time of day and season.

To substantiate the minimum number of the environment states in which the extreme values of difference in radiation temperatures are observed, regardless of the characteristic values of objects, the influence patterns of various environment states on the optical visibility of ground objects in the infrared wavelength range are studied. Four groups of external environment states that guarantee finding for contrast extremes of surface object elements in a set of external environment states are defined. This guarantee is ensured, with other things being equal, by the maximum difference in the contrast of the surface object elements in the maximum and minimum cloudiness and taking into account all possible qualitative relations of the external environment characteristics.

The values of the external environment characteristics that provide assessment of the extreme values of the contrasts of the surface object elements are calculated.

Key words: model of the external environment states, optical visibility, thermal contrast, temperature distribution

References

1. Mochalin V.D. "Forecasting the radiation contrast of objects in the spectral ranges 3.5...5 and 8...14 ^m", WMD, 1991,

no. 6.

2. Mochalin V.D., Tyurin G.L. "Estimation of the temperature of bodies in natural conditions of heat exchange with the external environment", Radiotekhnika i Sistema svyazi, Mezhvuzovskiy vestnik, VSTU, 2002, vol. 4.2, pp.31-33

3. Kerkov V.G., Mochalin V.D., Tyurin G.L. "Modeling and analysis of the effectiveness of means to reduce the heat contrast, taking into account the shape and topography of their surface", The Bulletin of Voronezh State Technical University, 2015, vol. 11, no. 2, pp. 107-112.

4. Belyaev N.M., Ryadno A.A. "Methods of the heat conductivity theory" ("Metody teorii teploprovodnosty"), Moscow, Vysshaya shkola,1982.

5. Prozorov A.V. "Decomposition of a system. Criteria for decomposition into subsystems" ("Dekompozitsiya sistemy. Kriterii dekompozitsii na podsistemy"), Saint Petersburg, Piter, 1991.

6. Tanenbaum E., Sven M. "Distributed Systems" ("Raspredelyennye sistemy"), Saint Petersburg, Piter, 1999.

7. Zuev V.E. "Transparency of the Atmosphere for Visible and Infrared Rays" ("Prozrachnost' atmosfery dlya vidimykh i infrakrasnykh luchey"), Moscow, Sovetskoe radio, 1966.

8. Kriksunov L.Z. "Handbook on the basics of infrared technology" ("Spravochnik po osnovam infrakrasnoy tekhniki"), Moscow, Sovetskoe radio,1978.

9. Matveev L.T. "The course of general metrology" ("Kurs obshchey metrologii"), Fizika atmosfery, Gidrometeoizdat, Leningrad, 1976.