ОЦЕНКА МАКСИМАЛЬНОЙ ДАЛЬНОСТИ ТП ИП

Оценка максимальной дальности ИК – прибора при инженерных расчетах выполняется с помощью «геометрического» критерия, «энергетического» критерия с учетом дифракционного разрешения ИК – прибора.

«Геометрический» критерий исходит из условия, что температурный контраст цели относительно фона достаточно высок и поглощение излучения в атмосфере относительно невелико. «Геометрический» критерий определяет максимальную дальность ИК – прибора, при которой с вероятностью более 90% оператор на экране тепловизионного индикатора обнаруживает, а затем распознает цель. Критерий определяет максимальную дальность ИК – прибора в зависимости от размера теплоизучающей цели, угла поля зрения объектива тепловизора и максимальной разрешающей способности тепловизора.

«Энергетический» критерий определяет максимальную дальность работы ИП – прибора в зависимости от силы излучения цели, состояния прозрачности атмосферы, величины относительного отверстия объектива, его прозрачности, угла поля зрения объектива, обнаружительной способности приемника излучения и ряда характеристик системы обработки информационного сигнала.

Учитывая, что длина волны инфракрасного излучения в среднем и дальнем ИК – диапазоне относительно велика, то максимальное разрешение деталей наблюдаемой оператором сцены при достаточно большой дальности будет ограничиваться дифракционными явлениями. Особенно этот эффект велик при получении тепловизионных изображений местности с ИК – приборов космических ЛА.

7.1 «Геометрический» критерий оценки максимальной дальности ТП ИП

«Геометрический» критерий оценки дальности установлен экспериментально. Критерий не учитывает энергетических соотношений и исходит из условия, что соотношение сигнал/шум, реализуемое в ИК – приборе при работе в данных атмосферных условиях при наличии цели с высокой энергетической яркостью, достаточно велико.

В процессе летных экспериментов по широкому классу военных объектов было установлено, что с вероятностью более 90% оператор на экране телевизионного индикатора обнаруживает цель, если на ее «видимом» на экране размере укладываются две телевизионные линии. Если на изображении цели укладывается 4…6 телевизионных линий, то оператор различает класс цели. Он может по ТВ – изображению цели отличить, например, грузовик от танка.

Если на «видимом» размере цели укладывается 8…12 телевизионных линий, то оператор с вероятностью более 90% идентифицирует цель, т.е. он точно определяет, например, тип танка. Этот критерий носит название «критерий Джонсона»[8].

Пусть площадь цели S_ц, м². Тогда ее средний линейный размер есть , м.

Пусть наклонная дальность до цели L, м.

Пусть обнаружение/распознавание цели осуществляется с помощью ТП ИП, угол поля зрения которого α.

Пусть ТП ИП обеспечивает на тепловизионном экране разрешение Z ТВЛ. Это означает, что Z ТВ – линий на экране ТВ – индикатора эквивалентны полному углу поля зрения ТП ИП α, град.,

.

Для обнаружения/распознавания цели размером , м, необходимо, чтобы на экране ТВ – индикатора на «видимом» размере цели укладывалось m строк, (m = 2 – обнаружение; m =8…12 - распознавание).

Угловой размер цели величиной , м будет равен

,

где L – дальность до цели, м.

Можно составить пропорцию:

.ТВЛ;

ТВЛ.

Это дает

Из данного соотношения может быть определена максимальная дальность обнаружения/распознавания цели, обеспечиваемая ТП ИП.

Данное соотношение позволяет, зная угол поля зрения ТП ИП, или фокусное расстояние оптической системы и размер чувствительной площадки преобразователя «излучение – сигнал», определить не только дальность обнаружения/распознавания цели по ее размеру, но и сделать оценку размера цели, которая может быть обнаружена оператором на конкретной дальности.

Из формулы видно: чем уже поле зрения объектива, тем больше дальность обнаружения/распознавания. Но при этом, естественно, оператору сложнее ориентироваться на местности по ее ТП – изображению из-за относительно малого участка местности, воспроизводимого на визуальном экране.

Естественно, дальность обнаружения/распознавания зависит от типа цели, ее энергетической яркости, насыщенности фона другими объектами, от тренированности оператора и других факторов. Следует помнить, что тепловизионные портреты цели не имеют цвета и теней.

В качестве примера в таблицах 7.1 и 7.2 приведены дальности обнаружения/распознавания самолетов типа СУ-27ИБ (истребитель) и В-52 (стратегический бомбардировщик) на стоянке с помощью ТП ИП, углы поля зрения объектива которого варьируются от 6,5 до 18 градусов, а разрешение ТП ИП соответствует 200,300, 350, 400 ТВЛ. В табл.7.1 и 7.2 дальность обнаружения/распознавания дана в км.

Самолет типа СУ-27ИБ на стоянке S_ц = 360 м²

m = 4 – обнар. цели;

m = 8 – распозн. цели;

Таблица 7.1

Z/α				6,5
Z =200 ТВЛ
Z = 300 ТВЛ
Z =350 ТВЛ
Z =400 ТВЛ

Самолет типа B – 52 на стоянке:

длина 47,6 м. ширина 56,4 м;

S=2685 м²;

Таблица 7.2

Z/α				6,5
Z =200 ТВЛ
Z = 300 ТВЛ
Z =350 ТВЛ
Z =400 ТВЛ

7.2 «Энергетический» критерий оценки максимальной дальности работы ТП ИП.

Максимальная дальность обнаружения и распознавания цели тепловизионным информационным прибором (ТП ИП) определяется в зависимости от температурного контраста цели относительно фона, площади цели, состояния атмосферы (ее прочности), диаметра объектива ТП ИП, прозрачности объектива, площади чувствительного детектора преобразователя «излучение-сигнал», пороговой облученности требуемого соотношения «сигнал-шум», реализуемого на максимальной дальности от цели.

Пусть цель имеет площадь S_ц и находится на расстоянии L м от ТП ИП. Пусть диаметр объектива -D_об; его фокусное расстояние -f_o; площадь преобразователя «излучение – сигнал» - S_ч.э..

Энергетическая освещенность E_ч.э. чувствительной площадки преобразователя «излучение-сигнал» будет равна

,

где Ф_ч.э.- поток мощности излучения, попадающего на чувствительную площадку преобразователя «излучение-сигнал».

Если коэффициент прозрачности (пропускания) ИК – объектива τ_об, а Ф_вх – поток мощности излучения на входе объектива, то

Поток мощности излучения на входе объектива ТП ИП в соответствии с [3…8] равен

,

где I – сила излучения цели;

Ω - телесный угол, опирающийся на объектив ТП ИП,

τ_АТМ – коэффициент прозрачности атмосферы в спектральном диапазоне 8-14 мкм на дальности L от цели.

Таким образом, для облученности детектора «излучение-сигнал» имеем

.

Сила излучения цели в соответствии с [3…8] равна

,

где В_Ц – энергетическая яркость цели;

S_Ц –площадь цели.

Тогда

;

Для излучающих поверхностей, у которых энергетическая яркость излучающей поверхности во всех направлениях одинакова (В=const), поверхностная плотность потока мощности излучения R в соответствии с [8] имеет вид

.

В свою очередь, поверхностная плотность потока мощности излучения R в соответствии с [8] равна плотности теплового потока от наблюдаемой цели, имеющей температурный контраст относительного фона

где значения зависят от абсолютной температуры фона. Отсюда

Таким образом, получаем, что

Значения при различных температурах фона имеют следующие значения: при t°C =20°C(Т_Ф=253 °К) имеем ; при t°C =+27°C(Т_Ф=300 °К) имеем ; при t°C =+37°C(Т_Ф=310°К) имеем Вт/м²°К. Плотности тепловых потоков от наблюдаемой цели приведены в таблице 7.3.

Таблица 7.3.

Плотность теплового потока от наблюдаемой цели

Оператор в соответствии с критерием Джонсона обнаруживает и распознает цель с вероятностью более 90%, если качество изображения местности и цели на экране визуального индикатора достаточно высокое.

Приемлемое качество тепловизионного изображения на экране индикатора может быть достигнуто только в том случае, если соотношение сигнал/шум

не менее 20.

В этом случае системы фильтрации изображения и его коррекции работают достаточно эффективно.

В бытовых телевизорах в соответствии с техническими требованиями реализуется соотношение сигнал/шум не менее 28-50.

Максимальная дальность распознавания реализуется, если

Поэтому для оценки максимальной дальности распознавания целей в соответствии с «энергетическим» критерием получаем соотношение

;

из которого находим величину

; .

Наиболее перспективным преобразователем «излучение-сигнал» является неохлаждаемая жидким азотом микроболометрическая матрица.

Для ТП ИП с микроболометрической матрицей имеем:

Коэффициент прозрачности атмосферы, рассчитанный для спектрального диапазона 8-14мкм в соответствии с [3,5,8], может быть принят равным 0,7.

7.3 Максимальная дальность, определяемая дифракционным разрешением ИК – прибора

В соответствии с разделом 6.5 минимальное угловое расстояние между точечными источниками яркости, мрад, которые разрешаются ИП, есть

где λ – длина волны максимальной спектральной чувствительности

ИП, мкм;

Д – входной диаметр объектива, см.

При этом δ – вычисляется в мрад.

Минимальный линейный размер в картинной плоскости цели, который может разрешить ИП из-за дифракционного рассеивания, есть

∆L = L∙δ = L .

где ∆L – разрешение на местности в метрах,

L – дальность до цели, км.

Так, например, при прицеливании на дальности 7 км с помощью инфракрасной аппаратуры, максимум спектральной чувствительности которой 10,0 мкм и диаметр входного объектива 7 см, максимальное разрешение деталей на местности будет не лучше ∆L ≈ 1,2 м.