РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ. РАЗРАБОТКА ОЦЕНОК КАЧЕСТВА
Поскольку в процессе оптимизации ТС решается задача выбора меры качества и установления ее зависимости от свойств ТС (см.п.1.2), рассмотрим две проблемы: влияние элементов тепловизионного тракта на качество выходного ТИ и оценивание качества ТС в целом. В рамках первой проблемы остановимся на характеристиках (параметрах) ТС, в рамках второй - на оценивании качества ТИ и разработке его показателей.
2.1. Влияние элементов тепловизионного тракта на качество
выходного изображения
В зависимости от области применения ТС призвана выполнять определенные функции и состоит из элементов с соответствующими этим функциям параметрами. Именно область применения определяет приоритет и значение характеристик ТС при их разработке. Так, например, для медицинских ТС очень важным параметром является минимальная обнаруживаемая разность температур MDTD, значение которой должно быть достаточно малым (не более 0.1?С). Для обзорных же ТС столь малое значение вышеуказанной характеристики не является первичным, а приоритетными являются характеристики дальности (действия, обнаружения и опознавания), которые должны быть достаточно велики. Область применения ТС определяет также и то, в какой мере учитывать влияние конкретного элемента тепловизионного тракта (рис.2.1) [11] на конечный результат - выходное ТИ.
Рассмотрим, как влияют элементы тепловизионного тракта на качество выходного ТИ.
Рис.2.1. Функциональная схема обобщенной ТС
Наличие фона является одной из причин перераспределения потока излучения от объекта. Второй причиной является окружение исследуемого объекта другими телами, имеющими иные температуры, часто более высокие, чем температура исследуемого объекта. Третья причина - наличие атмосферных помех.
В ТС, предназначенных для наблюдения за удаленными объектами, необходимо учитывать тот факт, что прежде, чем попасть в ОС, ИК излучение от нагретых объектов наблюдения и фонов проходит атмосферу, где оно ослабляется. Наряду с равномерным ослаблением происходят и структурные искажения излучения, обусловленные градиентом температуры и турбулентностью, что вызывает неоднородность показателя преломления воздуха. Кроме того, атмосфера является источником собственного излучения, которое преобладает при длинах волн больше 4 мкм с максимумом в спектре излучения области около 10 мкм [35,36]. Все эти явления ухудшают качество ТИ удаленных объектов. Пропускание атмосферы характеризуют коэффициенты ослабления и пропускания (спектральный, средний, интегральный), дающие информацию об окнах прозрачности атмосферы, от которых зависит рабочий спектральный диапазон, и учитывающие поглощение излучения атмосферой. Таким образом, чтобы правильно оценить энергию излучения, достигающего чувствительного элемента ПИ, при разработке обзорных ТС необходимо учитывать влияние атмосферы на распространение излучения. В зарубежных обзорных ТС для учета влияния атмосферы используют встроенную модель атмосферы (например, в ТС фирмы FLIR SYSTEMS (США - Швеция) [37]).
В данной диссертационной работе исследовались в основном ТИ, полученные с помощью ТС на расстоянии 1-3 м. Следовательно, в такой ТС атмосферными помехами можно пренебречь.
ОС выполняет следующие функции: 1) с помощью ИК объектива формирует ТИ объекта в плоскости ПИ в заданном спектральном диапазоне (в нашем случае это диапазон 8-14 мкм). При этом должно обеспечиваться необходимое пространственное разрешение (качество изображения) и температурное разрешение (энергетическое разрешение);
2) посредством системы сканирования обеспечивает пространственный анализ в заданном поле зрения с целью увеличения отношения величины излучения от объекта к величине излучения от фона. В данной работе использована ТС на пировидиконе, которая не имеет оптико-механического сканирования.
Параметры ОС, в частности - ИК объектива, влияют на температурное и пространственное разрешение ТС. Так, выражение для пороговой разности температур NETD (см. табл.Б.1 Приложения Б, позиция 1.4) позволяет проанализировать влияние характеристик ОС на температурное разрешение ТС. Наибольшее влияние имеет эффективное диафрагмовое число keff (квадратичная зависимость). Линейное увеличение ?' определяется, главным образом, удалением объекта от ТС. При удалении же объекта на расстояние, значительно превышающее фокусное расстояние ОС , а выражение в скобках будет равняться единице. В выражения для MDTD и MRTD (табл.Б.1, позиции 1.5 и 1.6, соответственно) также входит NETD, кроме того MRTD является еще и функцией пространственной частоты в плоскости объекта.
Важным параметром ОС является ее разрешающая способность (табл.Б.1, позиция 1.8), которая также определяется объективом и зависит от контраста в изображении миры [5,11], поэтому чаще всего разрешающая способность объективов определяется при заданном контрасте.
Параметры объектива пирокамеры в используемой ТС следующие: фокусное расстояние - 60 мм, угловое поле зрения - 15?, разрешающая способность - 20-1 мм в центре и 10-1 мм на краю, коэффициент пропускания - 0.55.
Параметры ОС являются исходными при определении характеристик дальности (максимальной дальности действия (NER), максимальной дальности обнаружения (MDR) и максимальной дальности опознавания (MRR)) в обзорных ТС (табл.Б.1, позиции 2.1-2.3).
Использованная в данной диссертационной работе ТС не является обзорной, поэтому вышеуказанные характеристики дальности не являются определяющими.
ПИ (детектор) осуществляет преобразование слабых потоков излучения с низким контрастом в электрический сигнал и является основным элементом, определяющим возможности ТС. Рабочая область спектра (8-14 мкм или 3-5 мкм) зависит прежде всего от материала ПИ и определяет область применения ТС. Шумовые характеристики ПИ (эффективная шумовая полоса, пороговый поток, удельная обнаружительная способность, отношение си