Система имитации обстановки инфракрасного диапазона
IMITATION SYSTEM OF INFRARED RANGE

Изобретение относится к области оптического приборостроения дальнего инфракрасного (ИК) и терагерцового (ТГц) диапазона и может быть использовано как в системах военного назначения (системы ночного видения, обнаружение безоболочечных взрывных устройств), так и в системах гражданского применения (системы технической и медицинской диагностики).
Одной из тенденций развития современной теоретической и прикладной физики является освоение частотного диапазона, включая терагерцовый диапазон, занимающего промежуточное положение между микроволновым и оптическим участками спектра электромагнитного излучения. Однако до последнего времени терагерцовый диапазон частот остается наименее исследованным. Это отставание обусловлено тем, что в терагерцовом диапазоне плохо работают и радиофизические методы обработки сигнала, и оптические.
Практические приложения терагерцового излучения вытекают из ряда уникальных свойств, как самого излучения, так и материалов в этом диапазоне: - терагерцовое излучение неионизирующее, энергия фотонов (0,04-0,004 эВ) меньше рентгеновского на девять порядков, а изображение в терагерцовых лучах для биосред является более контрастным по сравнению с ИК и оптическими волнами:
- электромагнитные волны терагерцового диапазона хорошо проникают через мутные и мелкодисперсные безводные среды из-за резкого подавления рэлеевского рассеяния (1/λ 4);
- в области терагерцового диапазона находятся резонансы вращательных и колебательных переходов многих молекул, колебаний биологически важных коллективных мод ДНК и белков, колебаний твердотельной плазмы. Это позволяет проводить идентификацию молекул по их спектрам. В сочетании с получением изображения в терагерцовом диапазоне это позволяет определить не только форму, но и состав исследуемого объекта;
- терагерцовое излучение может быть продетектировано во временной области, т.е. может быть измерена как амплитуда, так и фаза поля. Это позволяет напрямую измерять вносимый исследуемым объектом сдвиг фаз, а значит, позволяет исследовать быстропротекающие процессы;
- частота ТГц излучения на порядок больше по сравнению с рабочей частотой существующей элементной базы, что может обеспечить передачу больших объемов информации;
- терагерцовый диапазон частот характеризуется возможностью высоконаправленного излучения и концентрации больших мощностей излучения при сравнительно небольших массогабаритных характеристиках устройств.
Перечисленные свойства терагерцового излучения, открывают возможности его применения в следующих гражданских и военных системах:
• высокоточные РЛС с возможностью функционального воздействия на наблюдаемые объекты;
• системы слепой посадки воздушных судов;
• системы получения изображений с очень высоким разрешением;
• устройства дистанционной идентификации химических веществ;
• системы досмотра пассажиров и багажа;
• системы неинвазивного лечения и диагностики.
(Исаев В.М., Кабанов И.Н., Комаров В.В., Мещанов В.П. Современные радиоэлектронные системы терагерцового диапазона. Доклады ТУСУРа, №4 (34), декабрь 2014, Popovich Z., Grossman N.E. THz-metrology and instrumentation / IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - 2011. - Vol.1, No 1. - P. 133-144).
Известно техническое решение, представленное системе имитации инфракрасной обстановки (Патент РФ №2349040, «Способ формирования изображений в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне волн (варианты), система формирования изображений в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне волн (варианты), диффузорный осветитель (варианты) и приемо-передатчик (варианты)», МПК Н04В 15/00, Н04В 10/00, Н04В 10/30, G02F 1/015, опубликован 10.03.2009). Способ заключается в формировании излучения в этом диапазоне волн, состоящего из отдельных парциальных отличающихся друг от друга по физическим параметрам излучений, направлении сформированных излучений в сторону объекта наблюдения (ОН), приеме через фокусирующий элемент (ФЭ) рассеянного от ОН излучения, преобразовании принятого излучения в электрические сигналы (ЭС) и формировании по данным ЭС визуально воспринимаемого изображения ОН. При этом каждое отдельное парциальное излучение (ПИ) дополнительно кодируют путем его модуляции (М), отличной по параметрам от М других ПИ, направляют ПИ на диффузор (Д) для уменьшения их пространственной когерентности и/или рассеяния их различными пространственными частями Д для создания дополнительных ПИ с дополнительным модулированием, соответствующим углу падения на ОН. После отражения излучения от ОН осуществляют передачу излучения на приемное устройство, которое осуществляет перевод набора излучений в соответствующий матричный набор ЭС, осуществляют декодирование парциальных ЭС, соответствующих указанным ПИ. Из каждого из указанных ЭС указанного матричного набора формируют парциальные изображения из матричных наборов различных парциальных ЭС, а затем осуществляют объединение парциальных изображений или их фрагментов для формирования визуально воспринимаемого результатного изображения объекта.
Недостатком известного технического решения является невозможность имитации, моделирования и модификации по заданным параметрам формируемых инфракрасных изображений для целей задач тестирования и динамических испытаний тепловизионных приборов.
Известно техническое решение, представленное в системе обнаружения (Патент US 5227800 «Contraband detection system» МПК G01S 13/06; G01S 13/34; G01S 13/89; G01S 7/02; G01S 7/03; G01S 7/41; G01V 8/00; H01Q 1/24; H01Q 13/08; H01Q 15/24; H01Q 3/46, опубликован 13.07.1993). Множество источников квазикогерентного излучения миллиметрового диапазона расположены таким образом, чтобы равномерно освещать поле зрения. Испускаемое источниками излучение, линейно поляризовано в одной плоскости, так что поляризация излучения относительно плоскости, в которой линейно поляризованное излучение преимущественно принимается детекторами, может контролироваться. Для обнаружения диэлектрических объектов, таких как керамическое оружие или наркотики, эти плоскости поляризации должны быть ортогональны друг другу. Детектор представляет собой стартовый массив, который не требует сканирования для формирования изображения всего поля зрения; сигнал, предоставляемый каждым элементом матрицы детекторов, соответствует освещению, отраженному от объектов в одной части поля зрения. Таким образом, становится возможной визуализация скрытых диэлектрических и металлических объектов в реальном времени.
Недостатком известного технического решения является то, что при визуализации скрытых диэлектрических и металлических объектов в реальном времени нет возможности модифицировать исходные изображения и обеспечивать контрольно-испытательные функции прибора для диагностики его работоспособности.
Известно техническое решение, представленное системе имитации инфракрасной обстановки (патент РФ №2513674, МПК G06G 7/48, опубликован 10.02.2014), в котором описана система, состоящая из первого компьютера, выполненного с возможностью загрузки данных об объекте, описывающих объект в виде математической модели путем создания набора входных цифровых данных, и передачи этих данных через кабельный канал связи контроллеру, связанному с DMD-матрицей, выполненной с возможностью отображения на поле этой матрицы в графической форме изображения математической модели объекта, устройство подсветки инфракрасным излучением указанного изображения на поле DMD-матрицы, с которой связано проекционное устройство, выполненное с возможностью получения с этой матрицы данных, описывающих подсвеченное инфракрасным излучением изображение математической модели объекта, и передачи оптического потока этих данных из апертуры в апертуру тепловизионного приемного устройства, работающего в инфракрасном спектре излучения, с которым связан второй компьютер, выполненный с возможностью обработки полученных данных для формирования алгоритма функционирования объекта.
Недостатком известного технического решения является отсутствие замкнутой обратной связи между выходным устройством, на котором осуществляется обработка полученной ИК сцены и блоком входных данных, что исключает возможность автоматического распознавания объекта и автоматического многократного перебора различных входных данных, влияющих на показатели работы системы; отсутствие в составе системы имитации устройств метрологической аттестации ИК регистрирующего модуля и системы имитации в целом не позволяет оценить степень совершенства тестируемого оборудования и математических моделей его функционирования.
Перед авторами ставилась задача разработать систему имитации обстановки инфракрасного диапазона, позволяющей осуществить создание автоматизированной модели реальной системы и постановки компьютерного эксперимента на этой модели путем многократного ее испытания с различными входными данными для изучения и прогнозирования ее поведения в целях улучшения ее характеристик и осуществлять метрологическую аттестацию оборудования.
Поставленная задача решается тем, что система имитации обстановки инфракрасного диапазона, состоящая из исследуемого тепловизионного приемного устройства; генератора динамической сцены, который выполнен с возможностью описания синтезированного изображения в виде математической модели путем создания набора выходных цифровых данных и, включающего в себя банк изображений тест-объектов; банк динамических параметров, банк признаков внешнего вида объектов-целей, банк физических свойств объектов, банк физических свойств атмосферы, блок геометрических преобразований, блок синтеза изображений, при этом выход банка изображений тест-объектов, выход банк физических свойств атмосферы, выходы банка динамических параметров и банка признаков внешнего вида объектов-целей, соединенные через блок геометрических преобразований; соединены с входом блока синтеза изображений для передачи набора выходных цифровых данных, дополнительно оснащена конвертором видимого изображения в видимый-инфракрасный диапазон выполненного содержащим широкополосный источник инфракрасного излучения, блок управления спектром инфракрасного излучения, преобразователь, который выполнен в виде инвертированной матрицы ячеек Голея, с возможностью модулирования инфракрасной подсветки излучения по фазе посредством отражения от гибкой мембраны матрицы ячеек Голея, узел преобразования фазовой модуляции инфракрасной подсветки в амплитудную выполненного в виде шлирен-системы, блоком распознавания и аттестации выполненного содержащим оптический узел переноса синтезированного изображения, блок метрологической аттестации, блок распознавания, блок выделения сигнатур, при этом выход блока синтеза изображений соединен с входом преобразователя, выход банка физических свойств объектов и выход широкополосного источника инфракрасного излучения соединены с входом блока управления спектром инфракрасного излучения, который через преобразователь соединен с узлом преобразования фазовой модуляции инфракрасной подсветки в амплитудную, при этом оптический узел переноса синтезированного изображения выполнен соединенным с выхода конвертора видимого изображения через узел преобразования фазовой модуляции инфракрасной подсветки в амплитудную на вход исследуемого тепловизионного приемного устройства, а первый выход исследуемого тепловизионного приемного устройства соединен с входом блока метрологической аттестации, второй выход соединен последовательно с блоком выделения сигнатур, блоком распознавания по цепи обратной связи на вход банка признаков внешнего вида объектов-целей, и выполненных осуществляющим автоматическое сопоставление предъявляемого синтезированного изображения исследуемого тепловизионного приемного устройства с множеством эталонных изображений банка признаков внешнего вида объектов-целей и с возможностью осуществления обработки полученной динамической инфракрасной сцены, а генератор динамической сцены выполнен дополнительно оснащенным банком свойств подстилающих поверхностей, соединенный с выхода банка изображений тест-объектов на вход блока синтеза изображений, при этом блок управления спектром инфракрасного излучения выполнен с возможностью оперативного управления амплитудно-частотным спектром инфракрасного излучения широкополосного источника инфракрасного диапазона инфракрасной подсветки пространственно-временного модулятора света преобразователя, далее шлирен-система выполнена с возможностью преобразования излучения света при отражении от гибкой мембраны матрицы ячеек Голея из фазовой формы представления изображений в амплитудную.
Технический эффект заявляемого устройства заключается в повышении быстродействия по выявлению ошибки алгоритмов обработки и автоматизированного анализа изображений, а также в расширении арсенала средств данного назначения.
На фиг. 1 представлена блок схема система имитации обстановки инфракрасного диапазона, где 1 - генератор динамической сцены, 2 - конвертор видимого изображения, 3 - блок распознавания и аттестации, 4 - банк изображений тест-объектов, 5 - банк свойств подстилающих поверхностей, 6 - банк динамических параметров, 7 - блок геометрических преобразований, 8 - банк признаков внешнего вида объектов-целей 9 - банк физических свойств объектов 10 - банк физических свойств атмосферы, 11 - блок синтеза изображений, 12 - преобразователь, 13 - широкополосный источник инфракрасного излучения, 14 - блок управления спектром инфракрасного излучения, 15 - узлом преобразования фазовой модуляции инфракрасной подсветки в амплитудную, 16 - оптический узел переноса синтезированного изображения, 17 - исследуемое тепловизионное приемное устройство, 18 - блок метрологической аттестации, 19 - блок распознавания, 20 - блок выделения сигнатур.
Заявляемая система имитации обстановки инфракрасного диапазона работает следующим образом. Имитационное моделирование является эффективным инструментом при исследовании вновь создаваемых, сложных оптико-электронных систем. Такое моделирование позволяет оценить основные показатели качества системы еще до создания ее экспериментального образца, сделать обоснованный выбор функциональной схемы проектируемого устройства, а также алгоритмов оптимальной обработки сигналов.
Оператор составляет сценарий имитационной обстановки и в зависимости от поставленной задачи и результатов моделирования, работая в диалоговом режиме, многократно меняет часть исходных параметров осуществляет статистическое моделирование, отрабатывая алгоритмы оптимальной обработки сигналов.
Центральное место при построении динамической сцены занимает представление заданного объекта-цели. Блок-схема предлагаемого технического решения приведена на фиг.1. Система имитации обстановки инфракрасного диапазона содержит генератор динамической сцены 1, который выполнен с возможностью описания синтезированного изображения в виде математической модели путем создания набора выходных цифровых данных, и включающего в себя банк изображений тест-объектов 4, сигнатурные (генерализованные) образы объектов-целей хранятся в банке признаков внешнего вида объектов-целей 8. Затем образ объекта-цели дополняется дополнительными изображениями, характеризующими динамические параметры объекта из банка динамических параметров 6 и свойствами подстилающих поверхностей из банка свойств подстилающих поверхностей 5, которым дополнительно оснащен генератор динамической сцены 1, и соединенный с выхода банка изображений тест-объектов4 на вход блока синтеза изображений 11. К дополнительным изображениям относятся и изображения геометрических и температурных тестовых объектов, предназначенных для определения качества ИК (ТГц) из блока геометрических преобразований 7. Выход банка динамических параметров 6 и выход банка признаков внешнего вида объектов-целей 8 соединены с входом блока геометрических преобразований 7, который соединен с блоком синтеза изображений 11. В блоке синтеза изображений 11 осуществляют объединение дополнительных изображений или их фрагментов для формирования визуально воспринимаемого результирующего изображения объекта из банка изображений тест-объектов 4 через банк свойств подстилающих поверхностей 5, которым дополнительно оснащен генератор динамической сцены 1, и банка физических свойств атмосферы 10. Синтезированное изображение в виде математической модели путем создания набора выходных цифровых данных, через блок синтеза изображений 11 поступает на вход конвертора видимого изображения 2 в видимый-инфракрасный диапазон, которым дополнительно оснащена система, и выполненного содержащим широкополосный источник инфракрасного излучения 13, блок управления спектром инфракрасного излучения 14, преобразователь 12, который выполнен в виде инвертированной матрицы ячеек Голея, с возможностью модулирования инфракрасной подсветки излучения по фазе посредством отражения от гибкой мембраны матрицы ячеек Голея. Обычно матрицы ячеек Голея применяются для визуализации ТГц излучения. В нашем случае используется инвертированная матрица, осуществляющая преобразование пространственного распределения интенсивности света на входе в деформацию гибкой мембраны с отражающим покрытием на выходе. Формирование динамической сцены в ТГц диапазоне осуществляется за счет отражения излучения широкополосного источника инфракрасного излучения 14 инфракрасной подсветки, модулированного по фазе при отражении от гибкой мембраны. Так же конвертор видимого изображения 2 содержит узел преобразования фазовой модуляции инфракрасной подсветки в амплитудную, выполненного в виде шлирен-системы 15 с использованием ножа Фуко, при этом, широкополосный источник инфракрасного излучения 13, блок управления спектром инфракрасного излучения 14, преобразователь 12, узел преобразования фазовой модуляции инфракрасной подсветки в амплитудную соединены последовательно. Далее вход преобразователя 12 соединен с выходом блока синтеза изображений 11, выход банка физических свойств объектов 9 соединен с входом блока управления спектром инфракрасного излучения 14. Выход с узла преобразования фазовой модуляции инфракрасной подсветки в амплитудную 15 соединен с блоком распознавания и аттестации 3, которым дополнительно оснащена система имитации обстановки инфракрасного диапазона на вход узла переноса синтезированного изображения 16. Информация о спектральном составе излучения объекта, энергетической яркости и контрастности объекта-цели, хранящаяся в банке физических свойств 9, поступает в блок управления спектром инфракрасного излучения 14 обеспечивающим возможность оперативного управления амплитудно-частотным спектром широкополосного источника инфракрасного излучения 13 инфракрасной подсветки преобразователя 12. Блок распознавания и аттестации 3 выполнен содержащим оптический узел переноса синтезированного изображения 16, исследуемое тепловизионное приемное устройство 17, блок метрологической аттестации 18, блок распознавания 19, блок выделения сигнатур 20, при этом оптический узел переноса синтезированного изображения выполнен соединенным с выхода конвертора видимого изображения 2 на вход исследуемого тепловизионного приемного устройства 17 через узел переноса синтезированного изображения 16, а первый выход исследуемого тепловизионного приемного устройства 17 соединен с входом блока метрологической аттестации 18, второй выход соединен последовательно с блоком выделения сигнатур 20, блоком распознавания 19 по цепи обратной связи на вход банка признаков внешнего вида объектов-целей 8, и выполненных осуществляющим автоматическое сопоставление предъявляемого синтезированного изображения исследуемого тепловизионного приемного устройства с множеством эталонных изображений банка признаков внешнего вида объектов-целей 8 и с возможностью осуществления обработки полученной динамической инфракрасной сцены.
Качество изображения на выходе исследуемого тепловизионного приемного устройства 17 характеризует преобразование информации во всех элементах системы и оценивается по среднеквадратическим отклонениям измеренных значений полезных параметров изображения тест-объекта от их истинных значений в блоке метрологической аттестации 18.
Изменение исходных данных, характеризующих тест-объект, позволяет проводить многопараметрический анализ моделируемой системы и определять условия достижения предельных метрологических характеристик.
Блок выделения сигнатур 20 и блок распознавания 19 осуществляют автоматическое сопоставление предъявляемого выходного изображения исследуемого тепловизионного приемного устройства 4 с множеством эталонных изображений реальных объектов, хранящихся в блоке признаков внешнего вида 8 объектов-целей с целью определения вероятности правильного обнаружения и распознавания. Помимо этого, блок управления спектром инфракрасного излучения 14 может быть выполнен с возможностью оперативного управления амплитудно-частотным спектром инфракрасного излучения широкополосного источника 13 инфракрасного диапазона инфракрасной подсветки преобразователя 12, а шлирен-система может быть выполнена с возможностью преобразования излучения света при отражении от гибкой мембраны матрицы ячеек Голея из фазовой формы представления изображений в амплитудную.
Повышение быстродействия по выявлению ошибок алгоритмов обработки и автоматизированного анализа изображений происходит за счет того, что в предлагаемом приборе обеспечивается возможность оперативного в реальном времени управления амплитудно-частотным спектром инфракрасного излучения, а также за счет введения обратной связи с выхода тепловизионного устройства на вход блоков распознавания и банка признаков внешнего вида целей путем автоматического сопоставления предъявляемого синтезированного изображения с множеством эталонных изображений признаков внешнего вида объектов-целей.
Кроме того, система имитации обстановки инфракрасного диапазона позволяет повысить эффективность имитационного моделирования, уточнить математическую модель, воспроизведение характеристик обнаруживаемых объектов для различной фоноцелевой обстановки и оценка степени совершенства исследуемых тепловизионных приемных устройств.