Методика моделирования тепловизионных изображений (tymkul)

Посмотреть архив целиком

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’+z’)

E(y’, z’)= t0ЧwЧтт L(n, m)Чh0(n,m)Чhп(n,m)Чhэ(n,m)Чhв(n,m)Чe ddm. (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

Ui( N, L ) = к U0 ( N, L) - U90 ( N, L) к , ( 4 )

к U45 ( N, L) - U135 ( N, L) з

л 0 ы


где i = 1, 2, 3, 4;

U0, U45, U90, U135 - величины сигналов, поляризованные, соответственно, под углами 00, 450, 900, 1350 относительно плоскости референции ( плоскости отсчёта ).

Степень поляризации теплового изображения зависит от величины видеосигналов поляризационных составляющих тепловизионных изображений элементов поверхности объекта с азимута поляризации соответственно равны 00, 450, 900, 1350. Величины видеосигналов U0, U90 в соответствии с тем, что коэффициент излучения e(y) можно представить в виде параллельной eчч и перпендикулярной eыл составляющих, запишем в виде:


U0 (N, L) = A (N, L) Ч[eчч (y) Ч (n * j)2 + eыл(y) Ч (eыл Ч j)2 ], ( 5 )

U90 (N, L) = A (N, L) Ч[eчч (y) Ч (n * k)2 + eыл(y) Ч (eыл Ч k)2 ]. ( 6 )


где l2

A ( N, L ) = ( 1/ p)Чe (y)Чw Чcosy(N,L)ЧdS(N,L)Чт SlЧW(l,T,y,z)Чt0(l)Чta(l)Чdl.

l1


Тогда, например, зависимость степени поляризации теплового изображения, с азимутом tn=0, от величины видеосигналов двух поляризационных тепловизионных изображений элементов поверхности объекта, с азимутами поляризации 00, 900, можно представить в виде:


P’ (N, L) = [ U0 (N, L) - U90(N, L)] / [U0 (N, L)+U90(N, L)], ( 7 )

где

P’ (N, L) - степень поляризации изображений с азимутом tn=0.


Если пронумеровать вектор-параметр Стокса, то формула (4) примет вид:



й 1 щ

U1(N, L) = U(N, L) ф P(N, L) Чcos2Чt(N, L) к , ( 8 )

ф P(N, L) Чsin2Чt(N, L) к

л 0 ы

где P(N, L) - степень поляризации излучения элемента dS(N, L) объекта;

t(N, L) - азимут поляризации излучения элемента dS(N, L).

На основе выражений (7) и (8) получим:


P’(N, L) = P(N, L) Ч cos2 Чt(N, L). ( 9 )

Подставив формулы (5) и (6) в выражение (7), получим следующее выражение для степени поляризации P’(N, L):


eчч (y)Ч[(n*j)2 - (n*k)2] + eыл(y)Ч[(eыл*j)2 - (eыл*k)2]

P’(N, L) = ------------------------------------------------------------------ , ( 10 )

eчч (y)Ч[(n*j)2 + (n*k)2] + eыл(y)Ч[(eыл*j)2 + (eыл*k)2]


где j , k - единичные орты координатных осей OY и OZ;

eыл, eчч - единичные векторы, соответственно, параллельной и перпендикулярной компонент коэффициента излучения элемента dS.

Преобразуем выражение (10) в виде:



[eчч (y)/eыл ]Ч[(n*j)2 - (n*k)2] + [(eыл*j)2 - (eыл*k)2]

P’(N, L) = ------------------------------------------------------------------ , ( 11 )

[eчч (y)/eыл ]Ч[(n*j)2 + (n*k)2] + [(eыл*j)2 + (eыл*k)2]






Принимая во внимание выражение:


P(y) =[ eчч (y) - eыл (y)] / [ eчч (y) + eыл (y)] ,


получим связь величин eчч (y) и eыл (y) со степенью поляризации P(y):

eчч (y)/eыл (y)= [1+ P(y)] / [1- P(y)]. ( 12 )


Анализируя данные исследований степени поляризации различных материалов, индикатрису P(y) можно представить в виде зависимости:


P(y) = a Ч (1- cosy),

где а - параметр, зависящий от типа и шероховатости материала.

Принимая во внимание, что косинус угла y между нормалью к элементу dS и единичным вектором наблюдения rн определяется как скалярное произведение этих векторов, получим:


Случайные файлы

Файл
24295.rtf
2933-1.rtf
50783.doc
3174.rtf
29112.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.