WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 15 |

Разработка и исследование оптико-электронных методов определения трехмерной формы объектов

-- [ Страница 11 ] --

Рассмотрим, в качестве примера, методику моделирования поляризационных тепловизионных изображений объектов в виде сферы, эллипсоида и диска с использованием понятия вектор-параметра Стокса собственного теплового излучения объектов. Как уже отмечалось раньше, неполяризованном свете имеют место практически одинаковые изображения, как по контуру, так и внутри контура, несмотря на явное различие формы этих объектов внутри контура изображения видимой части их поверхности с осесимметричного направления. Подробный вывод методики моделирования поляризационных тепловизионных изображений, которые содержат информацию об их форме внутри контура приведем для сферы, как наиболее наглядном и симметричном объекте. Рассмотрим рисунок 34, на котором приняты следующие обозначения: OXYZ – декартовая системы координат; n – нормаль к элементу поверхности сферы, имеющему сферические координаты R,, ; i, j, k – единичные орты осей декартовых координат OX, OY, OZ; – пространственный угол ориентации элемента поверхности сферы по отношению к направлению наблюдателя Н.

Рисунок 34 – Геометрия наблюдения тепловизионной системой объекта Уравнение формы сферы в декартовых координатах имеет вид [3]:

поляризации P’(N,K) и формой объекта через функцию распределения нормали n для каждого элемента поверхности объекта имеет вид [48]:

Тогда, вектор нормали к поверхности сферы равен:

Вектор наблюдения rн :

где l – расстояние, с которого наблюдается сфера.

Тогда, при наблюдении элемента поверхности сферы с этого расстояния l, по правилам векторного умножения для перпендикулярной составляющей поляризации теплового собственного излучения этих элементов имеем:

В развернутом и нормированном виде вектор равен:

Определим все остальные недостающие выражения для формулы (128):

В свою очередь параллельная компонента поляризации теплового собственного излучения элементов поверхности равна:

параллельную составляющие.

После подстановки формул (129)–(136) в (128) получим После упрощения это выражение принимает вид:

Выражение (137) и определяет степень поляризации теплового формирует распределение степени поляризации собственного теплового излучения в декартовых координатах элементов поверхности сферы при наблюдении ее на расстоянии l.

Перейдем к сферическим координатам Подставив эту замену переменных в (135) и (136) выражение (137) примет вид:

эллипсоида. Для этого необходимо начать вывод с функции, описывающей форму его поверхности:

и, с учетом обозначения kК=b/а – коэффициента сжатия эллипсоида (b – большая полуось эллипсоида, а – малая полуось эллипсоида), получить формулу для степени поляризации теплового собственного излучения поверхности эллипсоида в декартовых координатах:

С учетом сферических координат поверхности эллипсоида.

Распределение степени поляризации элементов поверхности эллипсоида принимает вид:

Что касается диска, то для него используется формула (142) с kК=0.1, что является эллипсоидом, сжатым до геометрии диска, когда ось 2b составляет всего лишь десятую часть от оси 2а; для сферы формула (142) справедлива при kК=1. Таким образом, для получения модели поляризационного пользоваться формулой (142) с использованием различных значений kК. При этом необходима связь углов и с номерами строк K и номерами элементов в строках N тепловизионного кадра.

На основе геометрии наблюдения и логических рассуждений были где K0- число всех строк в кадре; N0- число всех элементов в каждой В настоящей работе представлена также методика математического моделирования поляризационных тепловизионных изображений выпуклых объектов с использованием эллипса поляризации их собственного теплового Для рассмотрения этой методики моделирования поляризационных тепловизионных изображений воспользуемся рисунком 35 [46].

Рисунок 35 – Геометрия ориентации азимута поляризации элемента Допустим, что азимут поляризации (большая ось эллипса поляризации) излучения элемента dA поверхности объекта составляет угол t с плоскостью референции.

Для определения степени поляризации Р' необходимо найти величины видеосигналов U0 и U90 поляризационных тепловизионных изображений элементов dA поверхности объекта при азимутах поляризатора tп=0° и tп=90°.

Выразим U0 и U90 через параллельную и перпендикулярную составляющие коэффициента излучения элемента dA и азимут t поляризации этого элемента, который представляет собой угол между плоскостью поляризации (ось OA) и плоскостью референции (ось OY). В общем случае, когда азимут t поляризации излучения элемента dA не совпадает с азимутом поляризатора, обе компоненты коэффициента излучения дают вклады в величины видеосигналов U0 и U90 следующим образом:

множитель.

Согласно формуле [48]:

найдем степень поляризации P'(N,K) излучения элемента dA объекта в виде где P = / + – степень поляризации излучения элементов dA объекта.

В формуле (140) P’ записана в виде зависимости от номера строки K в кадре и номера элемента N в строке, так как ||, и P также являются функцией этих параметров.

Так как cos (n rн ), то с учетом (98) имеем:

Тогда, приняв во внимание тождество, cos2t=2cos2t-1, выражение (51) для расчета степени поляризации всех элементов поверхности объекта примет вид:

Таким образом, формулы (128) и (151) с учетом формул (121)–(142) тепловизионных изображений излучающих объектов [13, 16, 45, 48]. В тех случаях, когда необходимо моделировать поляризационные тепловизионные воспользоваться выражением:





поляризационного тепловизионного изображения конуса, с учетом того, что уравнение конуса записывается в виде:

где d – радиус основания; с – высота конуса.

В этом случае произведение n rн :

С использованием коэффициента сжатия конуса (kC =c/d) выражение (154) принимает вид:

степень поляризации P’ и cos2t определяется формулой:

На основе математической модели были получены смоделированные поляризационные термограммы сферы и конуса с азимутами поляризации tп=0° и tп=90°, которые приведены на рисунках 36 и 37 [16].

Рисунок 36 – Результат математического моделирования объекта Рисунок 37 – Результат математического моделирования объекта 3.2 Влияние оптических свойств материалов на поляризацию излучения объектов и их термограммы Поскольку на значение степени поляризации собственного теплового излучения объектов и методику определения их трехмерной формы оказывают влияние не только состояние окружающей фоновой обстановки, но и оптические свойства материалов из которых выполнен исследуемый объект, то важным моментом является исследование и анализ влияния типа и состояния поверхности исследуемых объектов на их поляризационные параметрами P(), и поляризованными компонентами коэффициента отражения и материала поверхности объекта [42, 50, 52]:

шероховатости материала поверхности объекта ( = 1, если высота неровности поверхности h = 0); P – значение степени поляризации собственного теплового излучения материала поверхности объекта при угле, которое определяется по формулам Френеля [17, 46].

Для непрозрачных материалов и материалов с комплексным показателем преломления n= n + ik, параметры b2 и c2 равны [17, 39, 42]:

где n, k – оптические постоянные материала покрытия объекта; n0 – показатель преломления среды, в котором находится объект; – угол излучения, при котором наблюдается значение P степени поляризации теплового излучения материала поверхности объекта.

Для случая (n2+k2)1 (металлы, сплавы), то имеем:

Следует отметить, что значение P определяемые по формуле (162) для конкретных металлов и сплавов соответствуют полированным поверхностям этих материалов.

На рисунке 38, в качестве иллюстрации, приведены расчетные и экспериментальные данные зависимости P=f() для полированной стали, а на рисунке 39 представлены индикатрисы степени поляризации по полученные Болотиным Г.А. и др. и приведенные в работе [13].

1 – Расчетные данные (=10 мкм); 2 – Расчетные данные (=1 мкм);

Рисунок 38 – Индикатрисы степени поляризации собственного 1 – Сталь (=0,7-2 мкм); 2 – Дюраль (=0,7-2 мкм);

3 – Дюраль (=5-12 мкм); 4 – Пластик (=0,7-2 мкм).

Рисунок 39 – Индикатрисы степени поляризации собственного теплового излучения материалов по данным экспериментальных Результаты наших экспериментальных исследований индикатрисы степени поляризации P=f() для дюралюминия в области спектра = мкм приведены на рисунке 40, а на рисунке 41 приведены результаты исследования влияния материала поверхности объекта на значение степени поляризации от угла наблюдения площадки для ряда металлических объектов с гладкой поверхностью.

– расчет P=(1-cos); – дюралюминий расчет P=a(1-cos);

Рисунок 40 – Индикатриса степени поляризации собственного теплового излучения дюралюминия по данным экспериментальных исследований и Рисунок 41 – Результаты теоретических исследований степени поляризации собственного излучения P от угла для ряда металлических представленных на рисунках 38–41 и формул (157)–(162) показывает, что определенное влияние на поляризационные тепловизионные изображения.

Кроме того, как еще отмечается в работе [13], степень поляризации собственного теплового излучения металлов, сплавов и конструкционных материалов довольно стабильна при изменении температуры, и слабо зависит от длинны волны в диапазоне от 2 до 10 мкм и сохраняет повышенные, по сравнению с диэлектриками, значения P даже для грубо обработанных поверхностей. Отсюда следует, что степень поляризации собственного теплового излучения металлических объектов и ее угловая зависимость (индикатриса) P=f() являются весьма информативными демаскирующими признаками при выделении этих объектов на слабополяризованных естественных фонах.

3.3 Методика и результаты экспериментальных исследований поляризационных термограмм выпуклых Для практического подтверждения разрабатываемых методов и результатов математического моделирования по определению формы выпуклых объектов проведены экспериментальные исследования по получению и обработке поляризационных термограмм.

Для экспериментального получения поляризационных тепловизионных изображений объектов был собран стенд (рисунок 42), который состоит из оптической скамьи ОСК-2 (1), тепловизионной камеры FLIR InfraCam (США) (2), инфракрасного поляризатора (3) с вожможностью вращения во круг его оптической оси и делениями, исследуемого объекта (4) и ЭВМ.

Инфракрасный поляризатор изготовлен в ОАО «Государственный институт прикладной оптики» (г. Казань) и представляет собой решетку поляризатор ИК–излучения, полученную путем формирования штрихов треугольного металлического покрытия.

Рисунок 42 – Стенд для получения поляризационных тепловизионных Технические характеристики составных устройств стенда приведены в таблицах 1-3.

Таблица 1 – Технические характеристики тепловизионной камеры.

Продолжение таблицы Пороговая температурная чувствительность (Разность температур, эквивалентная шуму 0, Tпор), К Запись изображений Таблица 2 – Параметры ИК–поляризатора Спектральная область пропускания, мкм 7- Таблица 3 – Параметры тест–объекта С помощью стенда были получены тепловизионные изображения объекта, в виде конуса, как в неполяризованном, так и в поляризованном свете, которые представлены на рисунке 43 [41].

Рисунок 43 – Экспериментальные поляризационные тепловизионные Для анализа экспериментальных поляризационных термограмм воспользуемся рисунками 44–46.

Рисунок 44 – Линии сканирования поляризационной термограммы Рисунок 45 – Распределение яркости вдоль линий сканирования Рисунок 46 – Распределение яркости вдоль диагоналей изображения На рисунке 44 приведена поляризационная термограмма тест-объекта в виде конуса с азимутом поляризации tп=90° и линии, вдоль которых проводился анализ распределения яркости изображения это (б) горизонтальная линия и (в) вертикальная линия.



Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 15 |
 


Похожие работы:

« ЛАРИН АЛЕКСЕЙ АНДРЕЕВИЧ СПОСОБЫ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ Специальность: 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель -кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бакулин В.Н. Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Резниченко В.И. Москва 2013 2 Содержание ...»








 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.