WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 15 |

Разработка и исследование оптико-электронных методов определения трехмерной формы объектов

-- [ Страница 8 ] --

где а – коэффициент пропускания атмосферы; L – яркость излучения элемента dA объекта; dA – площадь элементарной площадки, вырезаемой мгновенным полем зрения системы,, – вертикальная и горизонтальная составляющие телесного апертурного угла оптической системы. На выходе осесимметричной оптической системы формула имеет вид:

где о – коэффициент пропускания оптической системы.

Такой поток dФ’ попадая на чувствительный элемент (ЧЭ) приемной системы, формирует величину сигнала [15]:

где S – абсолютная спектральная чувствительность приемника.

Если формулу (43) подставить в формулу (44), опустить функцию sin в виду малого угла, учесть, что площадка dA имеет свой коэффициент излучения () и полученное выражение проинтегрировать по диапазону длин волн от 1 до 2 чувствительности приемника излучения, то выражение для сигнала примет вид:

Если при наблюдении излучающего объекта, площадка dA наклонена под углом к направлению наблюдения, то формула (45) запишется в виде:

Выражение для сигнала через спектральную светимость W(,T) объекта выглядит так [15, 49]:

На основании закона Кирхгофа, светимость излучения реального объекта может быть записана в виде:

где W°(,T) – функция Планка для светимости абсолютно черного тела (АЧТ) с температурой T:

где С1=3,74104 Втмкм4/см2; С1=1,438104 мкмК.

Следует отметить, что выражение (47) получено в приближении геометрической оптики, то есть без учета функции рассеяния точки (ФРТ) оптической системы тепловизора. В работе [46] в приближении физической оптики и на основании работ [21, 22] получено следующее выражение для видеосигнала U:

где -1W(,T;x’,y’) представляет собой свертку яркости теплового излучения объекта и функции рассеяния точки H(x’-x;y’-y), которая имеет вид:

На основании данного соотношения для линейных тепловизионных систем справедливо применять выражение для видеосигнала U элемента изображения с координатами (x’,y’) представляется в виде:

где -1W(,T;x’,y’) представляет собой яркость в изображении элемента поверхности объекта, формируемая в результате обратного преобразования Фурье от произведения пространственно-частотного спектра яркости объекта W(,T;,) тепловизора h(,):

где A – площадь поверхности объекта в пространстве предметов; о() и а() – спектральный коэффициент пропускания оптической системы тепловизора и слоя атмосферы между объектом и прибором; dA – элемент поверхности наблюдаемого объекта, нормаль которого составляет угол с направлением наблюдения; (x,y) и (x’,y’) –декартовые координаты элементов изображений; S – абсолютная спектральная чувствительность приемника излучения; 1, 2 – соответственно левая и правая граница чувствительности приемника излучения;, – пространственные частоты в изображении по координате x’,y’.

где (,T; x,y) – функция распределения спектрального коэффициента излучения элемента поверхности объекта; () – индикатриса коэффициента излучения элемента dA поверхности объекта.

В целом, необходимо подчеркнуть, что формулы (49)-(52) являются как физико-математической основой анализа видеосигналов тепловизионных изображений объектов, так и их моделирования.

В этой связи, величина тепловизионного сигнала U(x’,y’) в пространстве изображений функционально зависит от абсолютной температуры T поверхности объекта, значений его коэффициента (,T;x,y) которые в свою очередь зависят от оптических постоянных материала и шероховатости поверхности, а также от угла ориентации элемента dA поверхности объекта по отношению к направлению наблюдения. Кроме того, видеосигнал U(x’,y’) зависит от параметров оптической системы тепловизора (S, 1-2, о(), ), слоя атмосферы между объектом и прибором (а()), а также передаточных функций всех звеньев оптико-электронной системы прибора:

где hi(,) – передаточные функции составных звеньев прибора [12]; n – количество звеньев прибора.

К настоящему времени практически во всех областях науки и техники широко распространены методы моделирования. Это можно объяснить тем, что моделирование упрощает и ускоряет поиск правильных решений, является выгодным экономически и удобным в использовании. В области определения (установление принадлежности объекта к сравнительно узкому классу (типу), например, что объект является не просто объектом военной техники, а танком или автомобилем, самолетом или вертолетом и т.п.) образов условно можно выделить два, на наш взгляд, направления в методах моделирования:

1) математическое – применяется для обработки готовых изображений с помощью сложного математического аппарата (разложение в ряд Фурье, Адамара–Уолша и т.д.) с целью улучшении качества изображения и дальнейшей его обработки в соответствии с конечной задачей;

2) оптико-математическое – применяется для обработки изображений непосредственно в процессе их получения и опирается на предварительные теоретические разработки и оптико-физическое обоснование, результатом которой является алгоритм решения поставленной задачи (обнаружение, распознавание, классификация, идентификация).

Суть оптико-математического моделирования заключается в том, что при построении модели изображений объектов используются его свойства оптического излучения. Так, например, по обычным тепловизионным изображениям (полученным в неполяризованном свете) определение трехмерной формы объекта затруднено из-за специфики формирования тепловизионного изображения (изображение нагретого объекта строится за счет разницы температур объекта и фона, следовательно, равномерно нагретые тела в тепловизионном изображении будут иметь информативным только контур изображения объекта, форма же внутри контура практически теряется). Следовательно, основная проблема тепловидения состоит в том, что классические тепловизионные системы строят форму контура объекта и не могут построить форму объекта внутри контура.





Поэтому, после теоретического анализа оптических свойств излучения объектов предложено при определении формы объекта внутри контура использовать поляризационные свойства его собственного теплового излучения, так как степень и азимут поляризации, а так же степень эллиптичности излучения связаны с формой объекта [44, 46].

В этой связи, основную проблему тепловидения можно сформулировать следующим образом: так как величина видеосигнала в классических тепловизионных системах зависит как от формы объекта внутри контура, так и от температуры T и коэффициента излучения, то однозначно определять его форму внутри контура практически невозможно.

Для выяснения причины потери информации о форме объекта в классических тепловизионных изображениях, рассмотрим, согласно рисунку 25, тепловизионной системой наблюдения с матричным приемником оптического излучения [46].

Рисунок 25 – Схема формирования информации о форме объекта в Согласно этому рисунку, справедливо равенство:

То есть, справедливо соотношение где dA – элемент поверхности наблюдаемого объекта, нормаль n к которому составляет угол с направлением наблюдения.

При анализе выражения (51) с учетом формулы (53), величина видеосигнала для каждого элемента разложения кадра имеет вид:

где U(N,K) – величина видеосигнала тепловизионного изображения; N – номер строки элемента изображения; K – номер элемента в строке тепловизионного кадра; – коэффициент излучения; – значение угла наклона нормали элемента на поверхности объекта по отношению к направлению наблюдателя; T – температура поверхности объекта.

Проведя анализ между рисунком 25 и этой связью, был сделан вывод, что именно здесь и происходит потеря информации о форме объекта внутри контура. Сопряженность всех элементов dA’ и dA, соответственно, приводит к тому, что площадки, расположенные под меньшими углами (0°, cos1), должны иметь меньшие размеры dA, чтобы равняться тем площадкам, которые расположены под большими углами (90°, cos0).

В связи с этим, становится ясной необходимость использования таких информационных оптических характеристик теплового излучения объектов, которые исключали бы пропорциональную связь параметров dA и cos. К таким величинам относятся поляризационные свойства собственного теплового излучения поверхности объектов. По этой причине исследование этой области получения информации о форме (рельефе) поверхности объектов внутри контура представляет собой особый научный и практический интерес [45].

2.2 Физическое обоснование поляризации собственного характеристиках (объеме) наблюдаемого объекта внутри теплового контура можно использовать поляризационные тепловизионные изображения, получаемые путем введения в оптическую схему прибора поляризационных фильтров. Исследования, проведенные в этой области, показывают, что явления поляризации излучения открывают ряд возможностей для определения многих характеристик, в том числе и формы поверхности в частности для металлов, сплавов, конструкционных материалов и других непрозрачных веществ, и сред.

В общем случае поляризация собственного излучения материалов возникает из-за явлений отражения и преломления на границе «вещество– воздух», которые обстоятельно описываются теорией отражения Френеля для металлов и диэлектриков [2, 39]. При этом степень поляризации собственного излучения поверхности повышается по мере увеличения угла между направлением излучения и нормалью к излучающей поверхности [36].

Для наглядности, с использованием рисунка рассмотрим формирование собственного излучения элемента dA поверхности объекта, его энергетические и поляризационные характеристики.

Рисунок 26 – Схема физического обоснования поляризации собственного теплового излучения объекта На данном рисунке приняты обозначения: n и k –действительная и мнимая части комплексного показателя преломления материала элемента dA поверхности объекта; n – нормаль элемента dA поверхности; – угол излучения элемента поверхности; T – абсолютная температура поверхности объекта; (,T), (,T) и (,T) – коэффициенты отражения, поглощения и излучения поверхности объекта.

Энергетическая яркость L(,T;x,y) собственного излучения, которое регистрируется приемником оптического излучения при наблюдении элемента dA поверхности объекта [22, 46, 56] описывается законом Кирхгофа (см. формулу (53)) Согласно этому фундаментальному закону излучения тел, собственное излучение наблюдаемого объекта формируется двумя факторами: первый фактор – это непосредственно излучение объема тела, которое описывается формулой Планка (48), и зависит от теплового состояния тела; второй фактор – это вклад поверхности тела, который определяется коэффициентом излучения материала поверхности и состоянием шероховатости.

При этом, коэффициент излучения (,T) зависит от температуры T и постоянных материала n и k [2, 17], а состояние поверхности формирует, совместно с оптическими постоянными индикатрису излучения () [36].

(,T)=(,T) [54], коэффициенты отражения и излучения (,T) и (,T) связанны между собой соотношением:

Что касается поляризационных свойств, то степень поляризации излучения определяет различие коэффициентов излучения объекта || и для компонентов этого излучения, поляризованных в плоскости выхода его из поверхности объекта и перпендикулярно ей соответственно. В конечном виде, значение степени поляризации собственного излучения элемента dA поверхности объекта описывается выражением:

Значения || и для непрозрачных материалов определяются по поляризационных составляющих излучательной способности от таких параметров материала как действительная часть n комплексного показателя преломления и показателя поглощения k (мнимая часть комплексного показателя преломления материала): = n+ik:

В свою очередь, энергетическая яркость элемента наблюдаемой поверхности объекта для параллельной и перпендикулярной компоненты излучения равны:

Подставив (60)–(61) в (59) получим выражение для степени поляризации собственного теплового излучения элемента поверхности для угла :



Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 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.