Методика моделирования

тепловизионных изображений.

В теории и практике проектирования тепловизионных оптико-электронных систем немаловажную роль играет моделирование тепловизионных изображений.
Яркость тепловизионных изображений зависит как от распределения температуры по поверхности наблюдаемого объекта, так и от коэффициента излучения и ориентации визируемых элементов его поверхности - его формы. Кроме того, качество тепловизионного изображения зависит от передаточных характеристик оптической системы и всех звеньев тепловизора.

В основу теории моделирования тепловизионных изображений заложен процесс формирования видеосигналов, пропорционально потоку теплового излучения объекта для всего тепловизионного кадра, в котором содержится L строк и N элементов в строке. Величина видеосигнала U( N, L ) элемента разложения кадра описывается выражением: l2
U ( N, L ) = ( 1/ p)Чe (y)Чw Чcosy(N,L)ЧdS(N,L)Чт
SlЧW(l,T,y,z)Чt0(l)Чta(l)Чdl ( 1 );

l1 где w - передний апертурный угол оптической системы тепловизора; y - угол между нормалью к элементу dS( N,L ) поверхности объекта и направлением наблюдения;

W(l,T,y,z) - спектральная светимость элемента dS(N,L) поверхности объекта, имеющего абсолютную температуру T; e(y) - индикатриса спектрального коэффициента излучения поверхности объекта;

Sl - абсолютная спектральная чувствительность приёмника излучения тепловизора; l1 ,l2 - границы спектральной чувствительности приемника излучения; t0(l), ta(l) - спектральный коэффициент пропускания оптической системы и слоя атмосферы; y,z - координаты элемента dS(N,L) поверхности объекта в пространстве предметов [ 2 ] .

Для анализа влияния на качество изображения передаточных характеристик оптической системы тепловизора, приёмника излучения, электронного блока обработки информации и видеоконтрольного устройства
(ВКУ) используется распределение освещённости E(y’, z’), которое определяется по формуле:

00 jЧ2ЧpЧ(nЧy’+mЧz’)
E(y’, z’)= t0Чw’Чтт L(n, m)Чh0(n,m)Чhп(n,m)Чhэ(n,m)Чhв(n,m)Чe dnЧdm. (2)

-00

где w’ - задний апертурный угол оптической системы тепловизора с интегральным коэффициентом пропускания t; h0(n,m),hп(n,m),hэ(n,m),hв(n,m) - модуль передаточной характеристики соответственно оптической системы, приёмника излучения, электронного блока обработки информации и ВКУ тепловизора; y’, z’ - координаты элемента dS поверхности объекта в пространстве изображений;

L(n,m) - пространственно-частотный спектр яркости поверхности объекта;

(n,m) - пространственные частоты, приведённые к плоскости изображений.

Тепловизионные методы в настоящее время широко используются в задачах распознавания и идентификации объектов. Но следует отметить, что пользуясь только обычными тепловизионными изображениями, величина видеосигналов в которых определяется выражением ( 1 ), распознать объекты внутри их контура практически невозможно. В чём причина потери информации о форме объекта внутри контура в обычных тепловизионных изображениях? Чтобы это выяснить рассмотрим рис.1. Согласно этому рисунку, справедливо равенство:

dS1 Ч cos y1 = dS 2 Ч cos y2 = dS3 Ч cos y3

( 3 )

Анализируя рис.1 и эту связь, можно сделать вывод, что именно здесь и происходит потеря информации о форме объекта внутри контура. Сопряжённость всех элементов dS’ и dS, соответственно, приводит к тому, что площадки, расположенные под меньшими углами(yЮ0, cosyЮ1), должны иметь меньшие размеры dS, чтобы равняться тем площадкам, которые расположены под большими углами(yЮ900, cosyЮ0).

В связи с этим становится ясной необходимость использования таких информационных оптических характеристик теплового излучения объектов, которые исключали бы пропорциональную связь параметров dS и cosy. К таким величинам относятся поляризационные свойства теплового излучения поверхности объектов. По этой причине и представляют интерес задачи моделирования и обработки поляризационных тепловизионных изображений.

2.Теория и методы моделирования поляризационных тепловизионных изображений объектов.

2.1.Теория моделирования поляризационных тепловизионных изображений на основе вектор-параметра Стокса теплового излучения.

Для подробного описания теории моделирования поляризационных тепловизионных изображений рассмотрим объект произвольной формы, который в декартовой системе координат описывается уравнением:

f(x,y,z) = 0.

Допустим, что этот объект ( рис.2 ) наблюдается из точки Н, где расположен чувствительный элемент тепловизионной системы. Выбираем на поверхности этого объекта элемент dS, который соответствует одному элементу разложения кадра. Наклон площадки dS по отношению к элементу приёмника определяется углом y между нормалью и направлением наблюдения rн. Тогда векторы n и rн определяют плоскость наблюдения. Коэффициент излучения рассматриваемого объекта имеет две составляющие: параллельную eпп, которая лежит в плоскости наблюдения ( n*rн ), и перпендикулярную eыл , которая перпендикулярна плоскости наблюдения. Положение элемента dS определяется в декартовой системе координат радиус-вектором R , а в сферической системе координат углами q и j.

Один из методов анализа поляризации пучка света - это метод вектор- параметра Стокса [ 3 ], характеризующий все виды и формы поляризации излучения поверхности объекта, который для нашего случая собственного излучения элементов dS(N, L) имеет вид:

й U0 ( N, L) + U90 ( N, L) щ

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки