СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ОБЪЕКТОВ НА ФОНЕ НЕБЕСНОЙ ПОЛУСФЕРЫ
DEVICE FOR DETECTING THERMAL OBJECTS ON BACKGROUND OF CELESTIAL HEMISPHERE

Изобретение относится к методам обработки оптического изображения, полученного оптико-электронной системой (ОЭС) пеленгации точечных тепловых объектов (теплопеленгаторами), работающей на атмосферном фоне в инфракрасном диапазоне волн. Рассматриваемые теплопеленгаторы имеют оптическую систему с широким полем зрения, коротким фокусным расстоянием и матричным приемником инфракрасного излучения. Их относят к обзорным ОЭС. Угловой размер наблюдаемого точечного объекта в них меньше или равен элементарному угловому полю матричных инфракрасных (ИК) приемников [1, с.58].
Для таких теплопеленгаторов известен способ обнаружения точечных тепловых объектов [2, с.64], основанный на применении порога при разделении отметок от теплового объекта и фона с учетом среднего значения излучения фона. Под точечным объектом (целью) понимается малоразмерный тепловой объект, изображение которого умещается в элементарном поле зрения (пиксель изображения) пеленгатора или одновременно попадает в несколько соседних вертикальных или горизонтальных пикселей.
N,M
n,m
n,m
Согласно способу [2] оптическую систему теплопеленгатора направляют и затем фиксируют в сегменте небесной полусферы поиска, равном угловому размеру поля зрения оптической системы теплопеленгатора, в котором предполагают нахождение теплового объекта. Фокусируют фоноцелевое изображение на чувствительных площадках матричного многоэлементного приемника излучения 1 (фиг.1) и, используя строчную схему считывания, снимают электрический сигнал, пропорциональный двумерному распределению энергетической яркости излучения фона и теплового объекта. Амплитуды сигнала преобразуют в цифровой код при помощи аналогово-цифрового преобразователя 2 (фиг.1). Цифровой код запоминают в оперативном запоминающем устройстве видеопроцессора в виде двумерного массива U=||u||, где N - число строк, а М - число столбцов массива соответственно, так что элемент этого массива u содержит информацию о напряжении, пропорциональном яркости излучения фона, снятого с ячейки многоэлементного приемника в n-й строке на m-м шаге.
N,M
N,M
Далее элементы массива U преобразуют в видеосигналы, и на экране монитора видеоприемного устройства формируют фоноцелевое изображение в виде яркостных отметок, номера столбцов и строк которых соответствуют номерам столбцов и строк массива U.
Для обнаружения теплового объекта используют пороговый алгоритм. Выбор порога производят с учетом того, что яркости излучения «холодного» атмосферного фона и теплового объекта отличаются по величине. Порог срабатывания зрительно выбирают по среднему уровню яркости фонового шума. Те области изображения, где яркость пикселя выше установленного порога, считают тепловым объектом (целью), остальные - фоном. При этом предполагают, что двумерное поле яркости случайного фона имеет нормальный закон распределения [2, с.65].
К недостаткам способа следует отнести необходимость получения заблаговременной информации о статистических характеристиках фона для выбора порога обнаружения. Такой подход практически нереализуем [2, с.65]. Это связано с тем, что радиус корреляции атмосферных фонов составляет в среднем 50 с [3, с.135]. Это означает, что время жизни фона с определенными статистическими характеристиками ограничено. Поэтому необходимо с определенной периодичностью изменять порог автоматического принятия решения для поддержания заданной вероятности обнаружения. Кроме того, известно, что закон распределения большей части атмосферных фонов является бимодальным, т.е. отличным от нормального [3, с.141]. Поэтому при использовании автоматического обнаружения с учетом среднего уровня фона повышается вероятность принятия ошибочных решений.
Задачей изобретения является разработка более совершенного амплитудного способа обнаружения тепловых объектов, автоматически и адаптивно учитывающего отличия уровней энергетической яркости и пространственных (угловых) размеров излучения малоразмерного теплового объекта и холодного протяженного атмосферного фона.
n,m
n,m
n,m
N,M
n,m
(n+m)
Для решения задачи изобретения предлагается использовать способ черезпериодной компенсации фона. Для реализации такой компенсации предлагается создавать массив черезпериодной компенсации (МЧПК), величины элементов которого рассчитываются по формуле w=u×(-1), где u элементы массива изображения U, который обязательно должен иметь четное количество N строк и четное число М столбцов. При попадании в угловое поле зрения прибора протяженной помехи в любой момент времени число облученных элементов по строкам и столбцам МЧПК W, дающих сигнал положительной полярности, будет примерно равно числу элементов, дающих сигнал отрицательной полярности. При сложении амплитуд разнополярных сигналов, снятых по строкам или столбцам МЧПК, будет происходить их взаимосокращение, и величина среднего арифметического по строкам или столбцам, содержащим сигналы от атмосферного фона, будет близка к нулю. При усреднении разнополярных значений элементарных сигналов по строке или столбцу МЧПК, содержащей амплитуду сигнала от теплового объекта, взаимной компенсации происходить не будет, т.к. яркости излучения «холодного» атмосферного фона и теплового объекта всегда отличаются по амплитуде [1, с.20]. Вследствие этого величина среднего арифметического в таких строках и столбцах будет отлична от нуля.
Таким образом, существует возможность, установив порог принятия решения для среднего арифметического, рассчитанного по строкам и столбцам МЧПК, определять номер строки и столбца, в которых записана амплитуда сигнала от объекта. Предлагаемый способ включает простые математические операции и может быть реализован в реальном масштабе времени в типовом видеопроцессоре [1, с.225].
Структурная схема теплопеленгатора, реализующая предлагаемый способ, представлена на фиг.1. Предлагаемый способ обнаружения тепловых объектов за счет черезпериодной компенсации фона включает следующие операции.
N,M
1. Получение массива изображения U из аналогово-цифрового преобразователя видеопроцессора 2 (фиг.1) размером N×M, где N - четное число строк, а М - четное число столбцов массива.
N,M
2. Расчет среднего значения яркости фонового шума массива изображения U 3 (фиг.1) по формуле
n,m
N,M
где u - элемент массива U, содержащий информацию о сигнале, пропорциональном яркости излучения фона, снятого с ячейки многоэлементного приемника в n-й строке на m-м шаге.
3. Определение модуля порогового значения р для интервала принятия решения 4 (фиг.1) по формуле
где k - весовой коэффициент, позволяющий адаптировать порог принятия решения.
N,M
n,m
4. Формирование МЧПК 5 (фиг.1) W=||u||, в каждый элемент, имеющий индексы n и m, которого записывают результат умножения в соответствии с формулой
n,m
N,M
где u элементы массива изображения U, который обязательно должен иметь четное количество N строк и четное число М столбцов.
N, M
5. Расчет средних значений величин элементов массива W в каждой его строке 6 (фиг.1) по формуле
6. Формирование вектора , где элементы вектора являются средними значениями, рассчитанными для соответствующих строк МЧПК 7 (фиг.1).
N,M
7. Расчет средних значений величин элементов массива W в каждом его столбце 8 (фиг.1), по формуле
8. Формирование вектора , где элементы вектора являются средними значениями, рассчитанными для соответствующих столбцов 9 (фиг.1).
N,M
n,m
n
m
n
m
9. Формирование двумерного массива E 10 (фиг.1), в каждый элемент с индексами n и m которого записывают результат умножения в соответствии с формулой e=µ1·µ2, где µ1 и µ2 - величины n-го и m-го элементов векторов M1 и М2 соответственно.
N,M
n,m
n,m
N,M
n,m
N,M
10. Пороговая обработка 11 (фиг.1), в процессе которой для всех элементов массива E проверяют выполнение двойного неравенства -р≤e≤р. Если величина элемента e массива E выходит за пределы интервала [-р, р], то ему присваивают единичное значение: =1, а если значение величины элемента e массива E находится в пределах интервала [-p, p], то величину элемента обнуляют: =0.
11. Формирование фоноцелевого изображения на мониторе видеоприемного устройства 12 (фиг.1) с использованием величин элементов массива , для чего прямоугольный экран монитора 13 (фиг.1) видеоконтрольного устройства делят на прямоугольные ячейки по числу строк и столбцов массива , ячейки , содержащие единичные значения, выделяют цветом, имеющим наибольшую контрастность по отношению к фону экрана монитора. Принимают решение, что в элементах массива со значениями =1 находятся отметки от точечных тепловых объектов. По номерам строк и столбцов элементов, отличающихся по цвету от фона экрана монитора, определяют пространственное положение тепловых объектов в сегменте полусферы поиска. При отсутствии элементов  c единичными значениями принимают решение об отсутствии тепловых объектов в анализируемом сегменте небесной полусферы поиска.
Блок-схема алгоритма способа череспериодной компенсации фона представлена на фиг.2.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что излучения точечного теплового объекта и атмосферного фона отличаются не только уровнем, но и угловыми размерами. Радиус корреляции облачного неба обычно не превышает в угловой мере 1-3° [3, с.129]. Это свидетельствует о том, что неоднородности протяженного холодного атмосферного фона (1-3°) имеют большие размеры по сравнению с малыми размерами излучающего точечного теплового объекта. Элементарное поле зрения, соответствующее одному пикселю (при размере матрицы 256×256) составляет 3,5 угловые секунды, т.е. изображение цели в несколько сотен раз меньше изображений неоднородностей атмосферного фона.
n,m
Для компенсации мешающих отражений предлагается использовать свойство излучения атмосферного фона, который имеет примерно одинаковый уровень флуктуации яркости в пределах сегмента полусферы с угловыми размерами 1-3° [3, с.129]. Размер поля зрения теплопеленгатора составляет 18° по углу места и 18° по азимуту. Размер МЧПК составляет 256×256 элементов, т.е. при переводе его в визуальное изображение оно будет содержать 256×256=65536 пикселей. Это позволяет выделить 42 сегмента углового поля зрения прибора размером 2°15'×2°15', что соответствует делению МЧПК на фрагменты размером 32×32 элемента. Таким образом, МЧПК может быть разделен на 42 или менее фрагментов, в пределах которых существует одинаковое число облученных элементов положительной и отрицательной полярности. Хаотическое размещение в сегменте обнаружения областей с различной интенсивностью излучения фона, а также их различная пространственная протяженность не оказывает существенного влияния на результат усреднения излучения в том или ином столбце (строке). Неполная компенсация излучения фона может быть обусловлена нечетным числом элементов, принадлежащих частной области излучения фона, отличающейся по уровню излучения от других частных областей. Тем не менее, при попадании в сегмент углового поля зрения теплопеленгатора протяженной помехи в любой момент времени число облученных элементов по строкам и столбцам МЧПК W, дающих сигнал положительной полярности, будет примерно равно числу элементов, дающих сигнал отрицательной полярности. При сложении амплитуд разнополярных сигналов, снятых по строкам или столбцам матрицы МЧПК, будет происходить их взаимосокращение, и величина среднего арифметического по строкам или столбцам, содержащим сигналы от атмосферного фона, будет близка к нулю. При усреднении разнополярных значений элементарных сигналов по строке (столбцу) МЧПК, содержащей амплитуду сигнала от теплового объекта, взаимной компенсации происходить не будет, т.е. среднее арифметическое будет значительно отличаться от нуля.
Таким образом, существует возможность, установив порог принятия решения, близким к среднему арифметическому, рассчитанному по строкам и столбцам МЧПК, различать строки и столбцы, в которых находится изображение фона, от строк и столбцов, в которых записана амплитуда сигнала от объекта, а также определять их номера.
Порог устанавливается каждый раз перед началом обработки массива изображения по формуле (2), используя расчет среднего арифметического по всему массиву изображения по формуле (1). Таким образом, меняющийся порог на каждом этапе обработки для каждого массива, адаптивно учитывает средний уровень энергетической яркости холодного протяженного атмосферного фона, поскольку элементов с отражениями фона на несколько порядков больше элементов с отражением от теплового объекта. При равномерном фоне в сегменте обнаружения порог по модулю уменьшается. При наличии участков с разной яркостью уровень порога р растет. То есть величина порога адаптивно реагирует на условия обнаружения тепловых объектов. Большое число строк и столбцов МЧПК и малое число неоднородных областей фона (более темных и менее темных) приводит к тому, что при усреднении по числу элементов МЧПК величина порога р изменяется несущественно, однако адаптивно реагирует на наличие неоднородностей в анализируемом сегменте небесной полусферы. Чтобы величина порога р была менее чувствительна к наличию неоднородных (разнояркостных) областей, существующих в пределах сегмента обнаружения, необходимо увеличивать число элементов МЧПК за счет применения более чувствительных приемников с большей дискретностью опроса.
N,M
n,m
n,m
N,M
N,M
n
Для проверки работоспособности предложенного способа череспериодной компенсации фона было проведено математическое моделирование. Примерный вид изображения, получаемый на мониторе видеоприемного устройства теплопеленгатора при наличии теплового объекта, по которому предлагается проводить зрительное обнаружение тепловых объектов, представлен на фиг.3. Изображение получено по данным массива U, каждый элемент u которого содержит информацию об количестве уровней яркости (оттенке серого), пропорциональном яркости излучения фона и цели, снятого с ячейки многоэлементного приемника в n-й строке на m-м шаге. Сигнал в каждой ячейке u массива изображения U в данном случае квантован на 2 уровней, где n=24. Допустимо использование другого числа уровней квантования, т.е. способ работоспособен при n≥8. Массив U, содержащий сигнал от точечного теплового объекта, и массив без сигнала от объекта, использованные при проведении математического моделирования, представлены на фиг.4, 5 соответственно.
N,M
Математическое моделирование включало предварительные вычисления по расчету среднего значения µ яркости фонового шума массива изображения U по формуле (1) и модуля порогового значения, рассчитываемого по формуле (2).
N,M
N,M
Основная часть моделирования включала формирование МЧПК W, в каждый элемент, имеющий индексы n и m, которого записывали результат умножения в соответствии с формулой (3). Варианты массивов W, полученных для случаев наличия и отсутствия теплового объекта, представлены на фиг.7, 6 соответственно.
N,M
n
n
Для массивов W были рассчитаны средние значения µ1 по столбцам по формуле (4). Затем значения µ1 заносились в соответствующие элементы вектора M1. Варианты векторов Ml, полученных для случаев наличия и отсутствия теплового объекта, представлены на фиг.8, 9.
N,M
m
m
N,M
n,m
n
m
n
m
N,M
Далее для массивов W были рассчитаны средние значения µ2 по столбцам по формуле (5). Затем значения µ2 заносились в соответствующие элементы вектора М2. Варианты векторов М2, полученные для случаев наличия и отсутствия теплового объекта, представлены на фиг.10, 11. Полученные вектора M1, М2 были использованы для получения массивов E, в каждый элемент, имеющий индексы n и m, которого записывался результат умножения в соответствии с формулой e=µ1-µ2, где µ1 и µ2 - величины n-го и m-го элементов векторов М 1 и М2 после пороговой обработки соответственно. Варианты массивов E, полученных для случаев наличия и отсутствия теплового объекта, представлены на фиг.13 и 12 соответственно.
n,m
N,M
n,m
В результате пороговой обработки, при которой сравнивались величины элементов e массива E с порогом принятия решения -р≤e≤р, был получен выходной массив  в соответствии с правилом:
n,m
N,M
при попадании величины элемента e массива E в интервал принятия решения [-р, р], величину элемента обнуляют =0;
n,m
n,m
если значение элемента e массива  не попало в интервал принятия решения - р≤e≤р, ему присваивают единичное значение =1.
Варианты выходных массивов , полученных для случаев наличия и отсутствия теплового объекта, представлены на фиг.15 и 14 соответственно.
N,M
Массив  был использован для создания фоноцелевого изображения на мониторе видеоприемного устройства. Для этого прямоугольный экран монитора видеоконтрольного устройства делили на прямоугольные ячейки по числу строк и столбцов массива E. Ячейки , содержащие единичные значения, выделяли цветом, имеющим наибольшую контрастность по отношению к фону экрана монитора. Считали, что в элементах массива со значениями =1 находились отметки от точечных тепловых объектов (целей). По номерам строк и столбцов элементов, отличающихся по цвету от фона экрана монитора, определяли пространственное положение цели в сегменте полусферы поиска. Изображение на мониторе с обнаруженной точечной тепловой целью представлено на фиг.16.
Способ ориентирован на обнаружение тепловых объектов на больших дальностях, при которых отметка от воздушной цели будет занимать один пиксель. При попадании четного количества точечных отметок от нескольких тепловых объектов в одну строку или столбец возможен пропуск цели. Однако после завершения первого этапа обнаружения процесс селекции цели на фоне неба не прекращается, а повторяется многократно. Неизменное положение теплового объекта, в роли которого выступает воздушная цель, в одном и том же пикселе изображения является маловероятным событием. Поэтому пропуск цели на одном из этапов за счет случайного попадания отметок от тепловых объектов в одну строку или столбец не приводит к полной потере цели.
Таким образом, предложенный амплитудный способ обнаружения тепловых объектов позволяет автоматически без участия оператора получать на экране монитора контрастные изображения тепловых объектов, позволяющие определять их угловые координаты, количественный состав групповой цели и другие характеристики воздушных целей без предварительной подготовки человека-оператора, что приводит к расширению информационной способности теплопеленгатора. Кроме этого, способ позволяет адаптивно учитывать отличия уровней энергетической яркости и пространственных (угловых) размеров излучения малоразмерного теплового объекта и холодного протяженного атмосферного фона при любых метеоситуациях.
Источники информации
1. Якушенков Ю.Г., Тарасов В.В. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: «Логос», 2004, 430 с.
2. Приходько В.Н., Хисамов Р.Ш. Обнаружение «точечных» объектов теплопеленгатором на основе матричного фотоприемного устройства // Оборонная техника, 2007. №1-2. С.64-66 (прототип).
3. Алленов А.М., Алленов М.И., Соловьев В.А. Иванов В.Н. Стохастическая структура излучения облачности. С-Пб.: Гидрометеоиздат, 2000, 175 с.