Компьютерное моделирование работы приборов ночного видения в поляризованном и неполяризованном свете

УДК 535.4

Л.В. Тымкул, И.В. Валиахметов СГГ А, Новосибирск

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ В ПОЛЯРИЗОВАННОМ И НЕПОЛЯРИЗОВАННОМ СВЕТЕ

L.V. Tymkul, I.R Valiakhmetov

Siberian State Academy of Geodesy

10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

COMPUTER SIMULATION OF NIGHT-VISION DEVICES OPERATION IN POLARIZED AND NON-POLARIZED LIGHT

The work deals with methods, algorithm, and the structure of computer simulation of night-vision devices (passive type) operation in polarized and non-polarized light.

Интерес к анализу возможностей и моделированию работы поляризационных приборов ночного видения (ПНВ) вызван, в основном, двумя факторами, которые сформулированы в работе [1]. Согласно этой работе, первый фактор связан с возможностью повышения наблюдаемого контраста в поляризованном свете за счет подавления поляризационным фильтром уровня излучения фона. Это позволяет увеличить дальность действия и распознавания ПНВ. Однако, имеет место и другой, противоположный фактор, который заключается в потере энергии оптического излучения при прохождении через поляризационный фильтр в виде линейных поляризаторов и фазовых пластинок. Этот фактор может привести к уменьшению дальности действия и распознавания. Очевидно, что сопоставление этих двух противоположных факторов и формирует суммарный положительный или отрицательный эффект функционирования поляризационных ПНВ.

В основу компьютерного моделирования работы ПНВ пассивного типа в произвольно поляризованном свете заложены теория и математические модели работы этих приборов в поляризованном и неполяризованном свете

[1-3].

Согласно этим работам, математические модели работы ПНВ пассивного типа содержат следующие информационные соотношения:

- Выражения для модуля пространственно-частотного спектра (ПЧС) яркости изображения объекта L04l,/u^ и фона Ьф С, на экране ПНВ в

произвольно поляризованном свете;

- Выражения для модуля ПЧС абсолютного AL С, И- _ и относительного K С„ контрастов в изображении объектов на экране ПНВ в произвольно поляризованном свете;

- Составляющие модуля ПЧС яркости изображения объекта, формирующегося за счет подсветки излучением неба Ьон^,м^ и Луны

^ОЛ ^5 № -5

- Составляющие модуля ПЧС яркости изображения фона, формирующегося за счет подсветки излучением неба Ьфн С, м ___ и Луны

- Выражение для модуля ПЧС яркости рассеянного излучения слоя атмосферы £с С, _ между объектом и прибором;

- Выражения для частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) оптической системы ПНВ к0 С, и _ и электронно-оптического преобразователя (ЭОП) кэ ^

- Выражение для модуля ПЧС яркости темновош свечения экрана Ьэ^,/и^ как внутренней помехи;

- Выражения, связывающие пространственные частоты у и ^ разрешаемых элементов в пространстве изображений по координатам х и у с критическими размерами объекта ах и а у , фокусным расстоянием

объектива ПНВ /', линейным увеличением ЭОПа Уэ, дальностью решения поставленной задачи I и числом периодов Nр пространственной миры,

разрешаемых вдоль критического размера объекта.

На основе работ [1-3] указанные соотношения в математических моделях имеют следующий вид:

1о ^ = \ьон ПА +ь0л ]-[1 + Р0со82 10-а ] +

+ьс у,ц

х кэ у,м +ьэ у,м ;

1 + Рф соз2 1ф- сс

'хп'К х

Ьф у>» = [Ьфн у>» +Ьфл у>» _

1 + Рф соз2 tф - а

+

+ьс У,М  х кэ у,м +ЬЭ у,Ц ;

1 + Рф соз2 1ф - сс

'тп'К у^ х

АЬ у, ц =

К у^ ~£ф у ^

К У,!Л =

1о У^ ~1ф У^

1о У^ +1ф У^

-25 2 уг+/и1

К У,Ц =е ‘

; ^ "1. ~2324(2+]и2

ьэ К,Ц > е э -

у = Ыр-1/ах-/'-У

// = ^ -1/ау-ГУ

В выражениях (1) - (8), кроме указанных выше, приняты следующие обозначения:

€*0^0^ Ъф, ^ф - степень и азимут поляризации излучения объекта и

фона соответственно;

д0 , 8 э - диаметр пятна рассеяния объектива и ЭОПа ПНВ

соответственно;

а - азимут поляризации линейного поляризатора, установленного перед объективом ПНВ;

тп - коэффициент пропускания поляризатора.

Алгоритм компьютерного моделирования работы ПНВ пассивного типа в поляризованном и неполяризованном свете содержит следующую структуру:

1. Ввод исходных данных для следующих информационных модулей:

1.1 Параметры ПНВ и его составных звеньев;

1.2 Условия естественного освещения и метеорологическое состояние атмосферы;

1.3 Параметры объектно-фоновой обстановки и условия наблюдения;

1.4 Поляризационные характеристики объекта и фона;

2. Формирование операторов расчета модулей ПЧС яркости изображения объекта и фона согласно соотношениям (1) и (2).

3. Представление соотношений (3) и (4) в виде:

Л£ у, Ц = Ь0 у,ц ~ Ьф у, ц >пг-Ьэ у,ц ;

>К„

К У,М = [ьо У,и -Ьф У,М ]/[^о У,И +Ьф У,М

где т - отношение сигнал/шум в изображении объекта на экране ПНВ; Кп - пороговый контраст глаза оператора-наблюдателя.

4. Формирование операторов расчета абсолютного Аи относительного К {у,/л) контрастов на экране ПНВ при заданном числе периодов N р.

5. Организация цикла по дальности / до выполнения условий:

А£<,//>т-£э <,/0 кС,мУк„.

6. Выдача значения дальности решения поставленной задачи 1р которое соответствует условию (11):

АЬ =т-Ь у,М ; К V,// =К

э п

На основании указанного алгоритма была разработана программа моделирования работы ПНВ в среде Вог1а^ Delphi 7.

Для подтверждения достоверности предлагаемой методики компьютерного моделирования работы ПНВ в поляризованном и неполяризованном свете, в работе проведены исследования зависимости дальности обнаружения, распознавания и идентификации ПНВ МПН-8КМ от наблюдаемого контраста Кп, метеорологической дальности видимости £м .

Получено, что дальность обнаружения, распознавания и идентификации в поляризованном свете больше, чем в неполяризованном приблизительно в полтора раза. При этом параметры поляризации отражения объекта и фона следующие: = 0,4;/^ = 0,5; / = 0;= 90°. Коэффициент пропускания

поляризатора тп = о,85; азимут поляризации линейного поляризатора сс = 0.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тымкул, Л. В. Математическая модель работы приборов ночного видения в поляризованном свете [Текст] // Сб. материалов III Междунар. науч. конгр. "ГЕО-Сибирь-2007", 25-27 апр. 2007 г., г. Новосибирск. Т.4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника Ч.2. / Л. В. Тымкул. - Новосибирск: СГГА, 2007 г. - С. 14-18.

2. Тымкул, Л. В. Оптико-математическая модель приборов ночного видения пассивного типа [Текст] // Сб.тез. докл. Междунар. конф. "Прикладная оптика-2000" / Л. В. Тымкул, В. М. Тымкул - СПб, 2000. - С. 216.

3. Тымкул, В. М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета [Текст]: учеб.пособие / В. М. Тымкул, Л. В. Тымкул. -Новосибирск: СГГА, 2005. - 215 с.

© Л.В. Тымкул, И.В. Валиахметов, 2008