Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені ігоря сікорського»



Сторінка6/17
Дата конвертації09.09.2018
Розмір5.24 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17

Висновки до розділу


У даному розділі було розглянуто різні варіанти БПЛА, одні здатні пролітати десятки кілометрів на одному заряді, там мають великі розміри, інші невеликих розмірів – радіус дії яких складає кілька сотень метрів, та можуть провести в повітрі близько 20 хвилин. Всі вони мають свої переваги та мінуси. Умовно їх можна поділити на два типи:

  • локальні – невеликих розмірів, радіусом дії близько одного кілометра

  • глобальні – великих габаритів, радіус дії декілька кілометрів, час польоту більше 30 хвилин та корисним навантаженням більше 0.5 кг.

Розглянуті об’єктиви можуть бути розміщенні тільки на БПЛА глобального типу, бо всі вони вагою більше 1 кг. Для локальних є каталог готових об’єктивів фірми FLIR, з фокусною відстанню від 7.5 мм до 100 мм, вага яких від 70 г до 456 г (див. Додаток А). У тієї ж фірми є і готові модулі для БПЛА, які також були розглянуті.

У наступному розділі буде розглянуто фізико-математичну модель виявлення об’єктів, та розрахунку максимальної дальності виявлення та розпізнавання, що в подальшому (розділі 3) дозволить проаналізувати залежність МДВ та МДР від параметрів матриць, об’єктивів, габаритів тепловізора, висоти польоту дрона.


РОЗДІЛ 2. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РОБОТИ ТЕПЛОВІЗІЙНИХ КАМЕР


Будь-який об'єкт випромінює електромагнітні хвилі в дуже широкому діапазоні частот, в тому числі і хвилі в інфрачервоному спектрі, так зване «теплове випромінювання». При цьому інтенсивність теплового випромінювання безпосередньо залежить від температури об'єкта, і несуттєво залежить від умов освітленості у видимому діапазоні. Таким чином, за допомогою тепловізійного приладу може бути зібрана і візуалізована додаткова інформація, що недоступна людському оку, про будь-який спостережуваний об'єкт. Тепловізор – пристрій, що дозволяє візуалізувати картину теплового випромінювання об'єкта, що спостерігається. Це відкриває ряд унікальних можливостей для різних сфер діяльності: точних вимірювань, контролю технологічних процесів, і звичайно – забезпечення безпеки.

Принцип дії сучасних тепловізорів заснований на здатності деяких матеріалів фіксувати випромінювання в інфрачервоному діапазоні. За допомогою оптичного приладу, до складу якого входять лінзи, виготовлені із застосуванням рідкісних матеріалів, прозорих для інфрачервоного випромінювання (таких як германій), теплове випромінювання об'єктів проектується на матрицю датчиків, чутливих до інфрачервоного випромінювання. Далі складні мікросхеми зчитують інформацію з цих датчиків, і генерують відеосигнал, де різній температурі спостережуваного об'єкта відповідає різний колір зображення. Шкала відповідності кольору точки на зображенні до абсолютної температури спостережуваного об'єкта може бути виведена поверх кадру. Також можливе зазначення температур найбільш гарячої і найбільш холодної точки на зображенні. Залежно від моделі, тепловізори розрізняються по величині кроку вимірюваної температури. Сучасні технології дозволяють розрізняти температуру об'єктів з точністю до 0,01-0,1 К.

Точність зображення та інші характеристики тепловізора зазвичай визначаються сферою його використання. У наукових лабораторіях використовуються більш складні конструкції, що мають за рахунок вузької спеціалізації найменший крок вимірюваної температури. Для забезпечення безпеки на різних об'єктах використовуються моделі, які здатні фіксувати теплове випромінювання з трохи меншою точністю, проте працюють на більш широкому діапазоні частот і з більш ніж достатньою для ефективного виконання своїх функцій точністю. У будь-якому випадку, принцип дії тепловізора, вимір і візуалізація теплового випромінювання, затребувані у всіх сферах життя сучасного суспільства.

Основними технічними характеристиками тепловізійної системи спостереження (ТПСС), на які звертають увагу фахівці, є такі параметри, як тип матриці, фокусна відстань, чутливість матриці, кути огляду і температурний діапазон роботи. Звичайно, це тільки основні параметри, існують і інші, наприклад, для тепловізорів які встановлюються на БПЛА важливою характеристикою є максимальна дальність виявлення та розпізнавання об’єктів.


2.1 Фізико-математична модель


Для оптико-електронних систем спостереження головні узагальнені характеристики – максимальна дальність виявлення (МДВ) та максимальна дальність розпізнавання (МДР) із певними заданими ймовірностями виявлення і розпізнавання. Ці характеристики залежать від просторової роздільної здатності; енергетичної роздільної здатності; функції передачі сигналу; передавальної функції; освітленості, еквівалентної шуму; еквівалентної шуму різниці температур (для ТПСС); мінімальної виявлювальної різниці температур (для ТПСС); мінімальної роздільної різниці температур (для ТПСС); мінімально роздільного контрасту (для ТВСС); спектрального робочого діапазону; динамічного діапазону [20, c 220].

Максимальна дальність виявлення (Maximum Detectable Range – MDR) Rd – це максимальна дальність між ОЕСС і стандартним тест- об’єктом, за якої тест-об’єкт виявляється на екрані дисплея із заданою ймовірністю Pd у разі необмеженого часу спостереження.

Максимальна дальність розпізнавання (Maximum Recognizable Range – MRR) Rr – це максимальна дальність між ОЕСС і стандартним тест-об’єктом, за якої тест-об’єкт розпізнається на екрані дисплея із заданою ймовірністю Pr у разі необмеженого часу спостереження.

Для ОЕСС важливе значення має якість сформованого зображення, яке суб’єктивно визначає спостерігач. Сприймаюча якість одного і того ж зображення істотно відрізняється у різних спостерігачів, а також змінюється у часі для одного спостерігача. Тому якість зображення не можна оцінювати в абсолютних величинах. Існують численні формули для оцінки якості зображення, кожна з яких отримана для конкретних умов спостереження емпіричним шляхом. Усі вони тією чи іншою мірою використовують дві основні характеристики – просторову й енергетичну роздільну здатність [20].



Існують різні методики розрахунку МДВ та МДР, в основі якої лежить визначення відношення сигнал/шум SNR на виході приймача випромінювання. Для визначення МДВ та МДР необхідно, перш за все, вказати тип об’єкти (цілі) і фону та їх характеристики, стан атмосфери, а також ймовірності виявлення та розпізнавання (рис.2.1).

Рисунок 2.1 – Блок-схема фізико-математичної моделі



Стандарт NАТО 4347

У стандарті NАТО 4347 визначено статичні характеристики дальності дії ТПСС у разі відсутності пошуку, коли об’єкт знаходиться в полі зору системи, а оператор має необмежений час для виявлення об’єкта. Стандарт стосується тільки тих ТПСС, які відповідають характеристикам MRTD і застосовується для наземних цілей. Використовуються спектральні діапазони 3...5, 8... 14 мкм або частина цих діапазонів.

Країни, що беруть участь в угоді за стандартом 4347, дали згоду використовувати такі дальності дії: номінальні статичні дальності виявлення, розпізнавання, ідентифікації, [км].

Для кожної дальності слід указувати умови пропускання атмосфери (добрі чи обмежені), поле зору системи (у градусах або мілірадіанах), а також спосіб отримання MRTD (вимір або розрахунок). Залежно від типу системи може застосовуватись одна або дві з наведених вище видів дальності.

Номінальні значення статичної дальності для ТПСС визначаються на основі усередненої МИТИ і за таких умов:

- розмір об’єкта – = 2,3x2,3 м2;

- температурний контраст між об’єктом і заднім фоном (відносно температури АЧТ в 288 К) – = 2 К;

- коефіцієнт пропускання атмосфери в межах робочого спектрального діапазону визначається законом Бугера:



(2.1)

де - дальність, км; 0,2 км-1 – показник ослаблення для сприятливих умов пропускання атмосфери; 1,0 км-1 – показник ослаблення для обмежених умов пропускання атмосфери;

- критерії розділення для ймовірності 50 %:

- виявлення – 1 лінійна пара/об’єкт;

- розпізнавання – 3 лінійні пари/об’єкт;

- ідентифікація – 6 лінійних пар/об’єкт.



Зміна початкового температурного контрасту між об’єктом і заднім фоном унаслідок ослаблення випромінювання в атмосфері враховується як

(2.2)

2.1.1 Максимальна дальність розпізнавання


Вихідними при одержанні рівняння для розрахунку МДР є рівність мінімальної роздільної різниці температур [20, c.296]: температурному контрасту об’єкта і критерій Джонсона.

Відповідно до цього критерію для розпізнавання об’єкта необхідно, щоб уздовж його критичного розміру розташовувалося чотири періоди штрихової міри Фуко. З геометричних міркувань легко визначити просторову частоту, що відповідає розпізнаванню за критерієм Джонсона, мрад-1:



Відношення сигнал/шум така система у зображенні, що сприймає оператор з дисплея матиме вигляд [20, c.298, с.237]:







Підставимо вираз для (2.6) у (2.5). Якщо температурний контраст об’єкта дорівнює різниці температур міри Фуко, тобто то із співвідношення (2.5) знайдемо рівняння для розрахунку МДР:

Після підстановки закону Бугера для коефіцієнта пропускання атмосфери та (2.6) в (2.7), а також врахуємо, що система обмежена шумами, отримуємо трансцендентне рівняння для пошуку МДР:







де – кутові розміри чутливої площадки пікселя приймача випромінювання по горизонталі та вертикалі, – критичний розмір об’єкта (для двовимірної моделі в якому розміщуються штрихів, за критерієм Джонсона, – частота кадрів відображувального пристрою,
– час сприйняття оком інформації,



– апроксимоване значення кружка розсіювання,

– відношення сигнал/шум, що сприймає оператор, знаходимо із таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 Залежність ймовірності розпізнавання


від відношення сигнал/шум або від числа () [20, c.309]



















0

0,000

1,0

0,500

2,0

0,945

0,1

0,002

1,1

0,582

2,1

0,957

0,2

0,010

1,2

0,656

2,2

0,966

0,3

0,029

1,3

0,721

2,3

0,973

0,4

0,061

1,4

0,776

2,4

0,979

0,5

0,108

1,5

0,821

2,5

0,983

0,6

0,169

1,6

0,858

2,6

0,987

0,7

0,243

1,7

0,887

2,7

0,990

0,8

0,326

1,8

0,911

2,8

0,992

0,9

0,413

1,9

0,930

2,9

0,994

Отже, розв’язавши рівняння відносно буде знайдено МДР.







2.1.2 Максимальна дальність виявлення


Вихідною для одержання рівняння для розрахунку МДВ є рівняння мінімальної виявлювальної різниці температур температурному контрасті об’єкта. Функція визначають для просторової частоти , де – кутовий розмір об’єкта:

Після підстановки закону Бугера (2.1) для коефіцієнта пропускання атмосфери та значення (2.6) в (2.3), отримуємо трансцендентне рівняння для пошуку МДВ [20]:



Рівняння (2.12) можна спростити, якщо врахувати, що об’єкти будуть малих розмірів. При реєструванні випромінювання на чутливу ділянку пікселя буде потрапляти інформація як від фона, так і від об’єкта, тому рівняння для виявлення МДВ можна записати в наступному вигляді [20]:





Будемо також спочатку вважати, що об’єкт спостереження має малі розміри, тобто де



Для ефективних температур об’єкта і фону рівняння (2.13) матиме вигляд:



де I – інтеграл, – температурний контраст:



Розрахуємо інтеграл І, в якому для виявлення питомої виявлювальної здатності використовуємо параметр МПВ NETD. Цей параметр визначимо за формулою (3.183) [20]:



Тоді інтеграл (2.15) матиме вигляд:



де – діафрагмове число.



Середнє нормоване значення яскравості зображення об’єкта визначимо з таблиці 2.2. Для цього потрібно знати відношення кутового розміру зображення об’єкта до радіуса кружка розсіювання [20].
Таблиця 2.2



0

1

2

3

4

5

6

7

8



0

0.084

0.174

0.256

0.327

0.387

0.438

0.481

0.519



9

10

11

12

13

14

15

16

17



0.551

0.58

0.605

0.628

0.648

0.666

0.682

0.697

0.71



18

19

20

21





0.723

0.734

0.744

0.753

З урахуванням інтегралу (2.17) остаточне рівняння матиме вигляд:






Каталог: bitstream -> 123456789
123456789 -> 1. Коротко про симетрію…
123456789 -> Звіт про науково-дослідну роботу регіональні особливості стану кишкової мікрофлори у дітей із соматичними захворюваннями Оцінка стану кишкової мікрофлори у дітей раннього віку, хворих на пневмонію на фоні залізодефіцитної анемії
123456789 -> Звіт про науково-дослідну роботу регіональні особливості стану кишкової мікрофлори у дітей із соматичними захворюваннями зміни мікробіоценозу кишечника у дітей, хворих на гострий обструктивний бронхіт бронхіальну астму (проміжний)
123456789 -> Використання науково-технічних бд у наукових дослідженнях Васильєв О. В., к т. н
123456789 -> Розвиток банківського споживчого кредитування
123456789 -> Реферат дипломна робота містить 128 сторінок, 17 таблиць, 21 рисунок, список використаних джерел з 108 найменувань, 6 додатків
123456789 -> Урок з хімії у 9-му класі на тему: "Жири. Склад жирів, їх утворення. Жири в природі. Біологічна роль жирів"


Поділіться з Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17




База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2020
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка