Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ТЕМПЕРАТУРНОЕ И ТЕМПЕРАТУРНО-ЧАСТОТНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ

Температурное и температурно-частотное (температурно-пространственное) разре­шение ИКС по отношению к протяженным объектам (целям) оценивается с помощью ряда параметров, к которым прежде всего относятся [34, 142, 151]:

- эквивалентная шумовая температура (ЭШТ, NET), определяемая как температу­ра эквивалентного черного тела, помещенного в плоскость объекта, излучение которого создает на выходе ИКС отношение сигнал-шум, равное единице;

- эквивалентная шуму разность температур (АТп, ЭШРТ, Noise Equivalent Tem­perature Difference - NETD), определяемая как минимальная разность температур двух излучателей, например объекта и окружающего его фона или отдельных их фрагмен­тов, принимаемых за черные тела, при которой разность сигналов, создаваемых этими излучателями на выходе приемника излучения при последовательном во времени их наблюдении (сканирующие ИКС) или одновременно на отдельных элементах много­элементного приемника («смотрящие» ИКС), равна уровню шума приемника; иногда этот параметр определяется как изменение температуры наблюдаемого излучателя, вы­зывающее приращение выходного сигнала, равное уровню шума;

-минимальная разрешаемая разность температур (ATV, Minimum Resolvable Tem­perature Difference - MRTD) - разность температур элементов специального штрихово­
го тест-объекта (миры), при которой на выходе ИКС обеспечивается необходимое для разрешения этих элементов (штрихов с заданной пространственной частотой их распо­ложения) отношение сигнал-шум;

- минимальная обнаруживаемая разность температур (АТро, Minimum Detectable Temperature Difference — MDTD), определяемая необходимой тренированному наблю­дателю разностью температур тест-объекта (обычно квадратной или круглой цели) и однородного фона, на котором он наблюдается через ИКС, для обнаружения тест - объекта; при этом наблюдатель приблизительно знает местоположение тест-объекта и имеет в своем распоряжении достаточное время для его обнаружения;

- динамическая минимальная разрешаемая разность температур (Д Грд DMRTD), определяемая так же, как и Л Гр, но при относительном перемещении тест-объекта и ИКС с определенной скоростью и используемая для оценки разрешения ИКС при на­блюдении движущихся объектов [156]; при изменении скорости относительного пере­мещения объекта и ИКС ее значение может заметно изменяться;

- минимальный разрешаемый контраст Kpmjn (Minimum Resolvable Contrast - MRC), определяемый контрастным порогом чувствительности ИКС, т. е. минимальным контрастом между объектом и фоном, который различает система.

Зависимости этих величин от размеров тест-объектов, а также от пространственных частот мир, с помощью которых они измеряются, часто называют температурно­пространственными и температурно-частотными характеристиками.

Для оценки качества ИКС наиболее часто используются АТ„ (NETD) и ДТр (MRTD). На практике излучателями, разность температур и излучательных способностей кото­рых создает эквивалентный шуму сигнал, чаще всего являются цель (объект) и фон, на котором она наблюдается.

Если малой разности (перепаду) температур объекта и фона АТ = Т0ъ - 7ф соответст­вует малое приращение (изменение) сигнала на выходе приемника AV, т. е. дифферен­циальная чувствительность системы равна AV/AT, то, обозначая отношение сигнал-шум = АУ/сш, где ош - среднее квадратическое значение шума, можно записать

АТп = Д77|1ВЬ1Х.

(В §5.4 после рассмотрения формул для отношения сигнал-шум будут приведены зависимости для расчета АТП.)

В [54] введено понятие минимальной удельной обнаруживаемой разности темпера­тур ДГ*, эквивалентной фоновому (радиационному) шуму. Этот параметр равен отно­шению АТп при использовании идеального приемника, т. е. приемника, чувствитель­ность которого ограничена радиационным фоновым шумом, к полусферическому те­лесному углу 2тх, единичной площади приемника Аш и единичному времени накопле­ния В [54] показано, что с достаточной для практики точностью можно написать

Где к - постоянная Больцмана; Т - температура объекта; - длинноволновая граница

Спектральной характеристики ИКС, £)* - удельная обнаружительная способность при­емника излучения.

Отсюда следует, что теоретически предельная обнаружительная способность прием­ника И*(кгр), вычисленная для постоянного монохроматического сигнала с длиной волны Хгр, может быть без всякого пересчета использована для сравнительной оценки ИКС, ра­ботающих в различных спектральных диапазонах, по степени их приближения к идеаль­ному случаю ограничения энергетического разрешения ИКС шумами фона [54].

При ограниченном с двух сторон спектральном рабочем диапазоне.. А2 для ИКС с тепловыми приемниками излучения

АГЖУ

,*пм.

Часто критерием для одновременной оценки температурной и пространственной разрешающей способности ИКС является минимальная разрешаемая разность темпе­ратур ДГр. Этот показатель качества учитывает возможные потери пространственной разрешающей способности в электронном тракте, системе отображения (дисплее) и в глазу человека-наблюдателя [34, 144, 151, 167 и др.]. Он обычно определяется по раз­решению с помощью ИКС семиполосной миры, состоящей из равной толщины полос чередующихся четырех «горячих» и трех «холодных» с отношением высоты к ширине 7:1 (т. е. в целом мира представляет собой квадрат).

Величина Д7’р учитывает не только температурное, но и пространственное разреше­ние ИКС, что позволяет более полно характеризовать качество ее работы. Одним из наиболее распространенных выражений для расчета ДГр как функции пространствен­ной частоты /х (мрад-1), используемой в принятой в США модели одномерной ИКС со сканированием, является [34]

(4.4)

Где |!п - пороговое отношение сигнал-шум, необходимое для разрешения наблюдателем миры с вероятностью 50%; часто принимается цп= 2,0...2,5, но иногда при увеличении вероятности обнаружения или разрешения цп достигает значений 3,4...6,4 [144, 151]; Кшс([х) - передаточная функция (частотная характеристика) всей системы «ИКС + на­блюдатель»; ДР - угловой размер элемента приемника по вертикали, т. е. в направлении по оси у, перпендикулярном траектории сканирования, мрад; их - скорость сканирова­ния (мрад-с-1) по оси х;

- функция, учитывающая фильтрацию шумов в электронном тракте, системе отобра­жения и зрительном аппарате человека-наблюдателя; Фш(£) — спектральная плотность мощности шума на выходе приемника излучения; Кэ(/Х) - передаточная функция (частот­ная характеристика) электронного тракта; — передаточная функция (частотная ха­рактеристика) системы отображения, например видеоконтрольного устройства; Кгп (£) - передаточная функция (частотная характеристика) глаза наблюдателя; Нм(/Х) - простран­ственно-частотный спектр (частотная характеристика) полосной миры как фильтра про­странственных частот; Рк - частота кадров (кадр е-1); *гл - время, которое зрительный аппарат (система глаз-мозг) человека-наблюдателя затрачивает на суммирование и ос­мысление визуального сигнала (часто принимают £гл = 0,1 ...0,2 с); А/зкъ - эквивалентная ширина полосы пропускания шумов в электронном тракте.

В зависимости от типа ИКС при определении составляющих, входящих в формулы для Л Гр, приходится учитывать различные факторы. Одним из таких факторов является сложный характер шумов — пространственных и временных, определяющих рш. Во мно­гих работах для ИКС «смотрящего» типа предлагается пользоваться трехмерной моде­лью этих шумов (см. §7.3, а также [62, 142 и др.]).

Необходимо отметить прямо пропорциональную зависимость между А Гр и АТ’п и об­ратно пропорциональную связь между А Гр и Кшс(/Х). Поскольку Кшс(/Х) имеет обычно вид зависимости, монотонно убывающей с ростом пространственной частотызначе­ние АГр растет с увеличением/х (рис. 4.2).

При определении величины рВЬ1Х используются различные модели зрительного аппа­рата человека-наблюдателя и процесса восприятия им изображения, например различ­ных объектов на случайных ад дитивных и аппликативных фонах.

Для расчета А Гр предлагается ряд зависимостей. Например, в соответствии с разра­ботанной в США моделью РЫК 92 значения АГР для горизонтального (А Гр*) и верти­кального (АГру) направлений определяются как

Дг... Й/мхю дг ,п_иУагп^(Л)

" жшс, ю ’ ”и,) «кШСу(/у) '

Где Кшсх Ух) и Кж. Су (/у) ~ частотные характеристики (передаточные функции) всей ИКС по осям х и у соответственно; /хи/у- пространственные частоты по ортогональ­ным осям х и у; /Сщ*(£) и Кшу(/у) - составляющие так называемой трехмерной модели шума (см. §7.3), учитывающей изменения спектра шумов в следующих за приемником звеньях ИКС, включая глаз человека-наблюдателя с его способностью интегрировать сигнал во времени и в пространстве, по осям х и у соответственно.

Поскольку минимальная разрешаемая разность температур АГР является функцией пространственной частоты /х и параметров ИКС, а также АГП, по зависимости АГр(£) можно найти предел разрешения системы по /х, определяемый пределом чувствитель­ности (рис. 4.2), который во многом зависит от низкочастотных шумов, имеющих ме­сто в ИКС, а также от ряда субъективных факторов, в частности тренированности на­
блюдателей, определяющих ДГр. Для многих реальных систем этот предел составляет (0,3... 0,7) ДГП.

При определении Д7’р чувствительность к изменению температуры (крутизна или производная функции энергетической яркости с! Ье/с1Т или плотности излучения йМе/(1Т), зависящая от температуры излучателя, определяется при температуре фона Гф = 300 К, причем фон принимается за черное тело, т. е. его излучение описывается функцией Планка.

Критерий Д7р тесно связан с минимальным разрешаемым контрастом Кр т;п. Если принять, что Крпйп определяется отношением разности яркостей объекта и фона к ярко­сти фона [151], то несложно показать, что Кртш, как и Д7’р, изменяется обратно пропор­ционально отношению сигнал-шум и обратно пропорционально частотной характери­стике ИКС А"икс(£)- Этот критерий описывается семейством кривых, вид которых зави­сит от уровня яркости £ф или освещенности Еф фона (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Минимальный разрешаемый Рис. 4.2. Зависимость АТр от пространственной контраст как функция пространственной частоты/^ частоты

Использование АТР в качестве оценки качества работы ИКС, особенно «смотряще­го» типа, связано с рядом допущений и многих практических трудностей [34, 84]. Так, период и пространственная частота стандартной семиполосной (четырехпериодной) миры с соотношением ширины полосы к ее высоте 1:7 не соответствуют периоду и час­тоте одно - или двумерной пространственной выборки изображения, которая имеет ме­сто в реальных ИКС. Во многих случаях не учитывается произвольное или случайное взаимное расположение изображения и растра приемника ИКС, т. е. их случайный про­странственный фазовый сдвиг.

В ИКС «смотрящего» типа возникает ряд специфических проблем, например необ­ходимость работать с изображениями, содержащими пространственные частоты, пре­вышающие половину частоты пространственной выборки изображения элементами приемника излучения (частоту Найквиста), или использовать микросканирование (бо­лее подробно см. в гл. 9).

3 Инфракрасные системы «смотрящего» типа

Наконец, вероятностные критерии об­наружения и распознавания в очень большой степени зависят от субъектив­ных свойств зрительного аппарата чело - века-наблюдателя. Поэтому вопросы со­вершенствования в общем-то удобного критерия, каковым является ДГр, посто­янно привлекают внимание разработчи­ков и потребителей ИКС. В то же время появляются публикации, в которых наряду с ДГр (или вместо него) предлагаются и другие критерии, например информационные (см. §4.4).

В [85, 200] в качестве одного из достаточно простых способов оценки температур­но-пространственного (контрастного) разрешения используется набор мир - равно­сторонних треугольников различного размера с различной ориентацией одной из вершин в прямоугольной системе координат: «вверх», «вниз», «налево», «направо» (рис. 4.4). Критерий качества, определяемый с помощью набора таких тест-объектов и названный авторами [85] TOD (Triangle Orientation Discrimination threshold), позво­ляет устранить ряд отмеченных недостатков оценки качества ИКС с помощью ДГр [83, 84, 85].