Д.т.н. Скворцов Б.В., аспирант Перцович А.С., студент Курылева П.А.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ), Россия

Средства измерения характеристик фоно-целевой обстановки

Комплексные оптоэлектронные системы (ОЭС) наблюдения и контроля, работающие в широком диапазоне спектра от ультрафиолетового (УФ) до инфракрасного (ИК) в настоящее время активно развиваются и используются в различных производственных технологиях. [1-3]. Эффективность использования многоспектральных ОЭС во многом зависит от знания параметров и характеристик объектов, таких как сигнатура целей, помех и фонов. Под сигнатурами многоспектральных ОЭС понимаются параметры, которые можно измерить и которые характеризуют объект пеленгации.

Для решения задач информационного фоно-целевого обеспечения разработок многоспектральных комплексированных ОЭС различного назначения требуется специальная измерительно-регистрирующая аппаратура, которая способна одновременно работать в нескольких диапазонах оптического спектра, обладать гибкими возможностями современной вычислительной техники.

К параметрам фоно-целевой обстановки (ФЦО) относятся энергетическая яркость и контрастность на фоне окружающего пространства, температура окружающей среды, сила излучения, распределение яркостно-энергетических характеристик по площади наблюдения и их статистическая оценка.

По данным НИИ комплексных испытаний оптикоэлектронных приборов и систем [4], в общем случае поток излучения, исходящий от объекта наблюдения в направлении ОЭС равен:

_{, (1)}

где, Ф_об(Т) - поток испускаемый объектом при температуре Т; Rоб и τ_об - коэффициенты отражения и пропускания объекта (в случае полупрозрачного объекта); Ф_ф – поток, испускаемый окружающим фоном, Т_ф - температура фона; τ_ср – коэффициент пропускания среды; k - постоянная, определяемая геометрией объекта и конструкционными параметрами ОЭС.

В докладе рассматривается экспериментальная аппаратура для оценки ФЦО, которая базируется на проведении реальных натурных измерений при помощи специальной ОЭС и может быть использован для решения следующих задач: набора исходных достоверных данных об излучении целей, фонов, прозрачности атмосферы; создание библиотеки реальных фоновых сцен обеспечивающих моделирование различных ситуаций ФЦО; проверки результатов теоретических исследований и математических моделей поведения объектов в реальных условиях функционирования. Исходя из вышеизложенных задач специальная ОЭС должна включать в себя следующие составные части: высокоточное опорно-поворотное устройство сопровождения целей, телевизионная следящая измерительная система, тепловизионная (двухспектральная) следящая измерительная система, УФ измерительная система, набор спектральных фильтров в УФ и ИК диапазонах длин волн, набор нейтральных ослабительных фильтров в УФ и ИК диапазонах длин волн, аппаратура контроля и управления системами комплекса и регистрации информации, калибровочные источники излучения (имитаторы).

На рисунке 1 представлена функциональная схема построения ОЭС наблюдения и регистрации ФЦО.

Рисунок 1 − Функциональная схема ОЭС наблюдения и регистрации ФЦО

Тепловизоры-радиометры Flir Titanium 560M и Thermo Vision A325 используются для получения изображения контролируемого пространства в среднем и дальнем ИК диапазонах (с использованием спектральных и нейтральных ослабительных фильтров в ИК поддиапазонах спектра). Являются метрологическими измерительными средствами, имеющими сертификаты калибровки завода-изготовителя. Hamamatsu C8000-10 используется в качестве УФ измерительной системы, обеспечивающей оценку и анализ уровней излучения фоновых образований и целей в УФ диапазоне спектра (с использованием спектральных и нейтральных ослабительных фильтров в УФ поддиапазонах спектра). Промышленная видеокамера Fastek In Line 1000 используется в качестве следящей системы видимого диапазона спектра. Управление вышеперечисленных приборов осуществляется от ЭВМ.

Результаты измерений представляются в виде двумерных распределений радиационных полей (радиационной температуры) Т(x,y) области наблюдения, [К]; его энергетической яркости В(x,y) [Вт/ср·м²], либо цифровых уровней сигнала [D]. Обработка результатов измерений производится в программной среде "Altair" - для Flir Titanium 560M, и "Researcher Pro 2.9" - для Thermo Vision A325 соответственно.

С использованием данных программы производится конечный расчет интересующих характеристик ФЦО с учетом дальности до цели, геометрических размеров цели, состояния оптической погоды. Учет коэффициента пропускания для данных условий измерений определяется при помощи верифицированной (истинной) модели пропускания атмосферы для спектрального диапазона 0,2…15 мкм.

Энергетическая яркость ОИ прибором Thermo Vision A325 не определяется, а рассчитывается программой "Researcher Pro 2.9" по реализации радиационных температур ОИ в соответствии с выражением [5]:

где λ – длина волны, λ₁, λ₂ –границы спектрального диапазона чувствительности измерительного канала;

Сила излучения J объекта, (Вт/ср), определяется по формуле:

J=B·S/ τ_Δλ, (3)

где где B − величина энергетической яркости ОИ (его части), определяемая прибором; S - площадь проекции ОИ (его части), τ_Δλ − коэффициент пропускания атмосферы в заданном спектральном интервале на трассе "ОИ - прибор";

Для подтверждения характеристик Flir Titanium 560M и Thermo Vision A325, а так же увеличения динамического диапазона измерений на базе предприятия ОАО "НИИ ЭКРАН" проводится его периодическая калибровка оборудования по эффективной яркости входного зрачка, при помощи калиброванных абсолютно черных тел. В частности находится коэффициент градуировки - К, связывающий величину яркости эталонного АЧТ и среднего цифрового уровня сигнала – DL, тепловизора-радиометра Flir Titanium 560M или Thermo Vision A325 от АЧТ:

где В_ачт (λ) - спектральная плотность энергетической яркости АЧТ (для заданной температуры), определяемая по формуле Планка [5],

DL_ачт - величина цифрового уровня сигнала прибора от АЧТ; S(λ) – спектральная характеристика измерительного канала (включая спектральную характеристику используемых фильтров, объектива, спектральную характеристику приемника); ∆λ - спектральный диапазон работы прибора; λ -длина волны; τ_а(λ) - коэффициент пропускания атмосферы на трассе "ОИ - АЧТ";

Выходной информацией с Hamamatsu C8000-10 является двухмерное распределение цифровых уровней сигнала D(x,y), пропорционального потоку излучения от ОИ. Калибровка Hamamatsu C8000-10 проводится по эффективной облученности входного зрачка от образцового УФ источника Е_вх. (Вт/м²), которая определяется по формуле:

где L − дальность до источника излучения;

I_и(λ) – спектральная плотность силы излучения УФ источника; S(λ) – спектральная характеристика измерительного канала (включая спектральную характеристику используемых фильтров, объектива, спектральную характеристику приемника); τ(λ) – спектральный коэффициент пропускания атмосферы на трассе длиной L.

Далее находится коэффициент градуировки - К, который определяется отношением эффективной облученности входного зрачка Е_вх.эф и суммы (по выделенному контуру ОИ) цифрового уровня сигнала DL с Hamamatsu C8000-10:

Таким образом, с учётом рассмотренной функциональной схемы построения ОЭС наблюдения и регистрации ФЦО, а также экспериментальной аппаратуры, можно разработать аппаратно-методический комплекс, как средство измерения характеристик фоно-целевой обстановки, обеспечивающий получение количественных характеристик ФЦО (энергетическая яркость типовых объектов и фонов, распределение их энергетической яркости и силы излучения), который будет использоваться при создании многоспектральных ОЭС для информационного фоно-целевого обеспечения.

Список используемых источников:

1. Смирнов В.П. Эффективность комплексирования разноканальных изображений при опознавании объектов.//Оптический журнал, 1992. — № 2. - С. 20-24.

2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Многоспектральные оптико-электронные системы. // Специальная техника. 2002. - №4. - С. 56-62.

3. Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. М.: МГТУ. 2001.-352с.

4. Дмитриев Е.И., Степанов А.И. Оптический имитатор нагретых движущихся объектов // Вопросы оборонной техники. Серия 16., 2005.

5. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники -М.: Сов. Радио, 1978.- 50 с.