- Минимальная разрешаемая разность температур
В гл. 4 указывалось, что на субъективное восприятие качества изображения сильное влияние оказывают следующие факторы: резкость, зернистость, передача контраста и искажения структуры изображения. Влияние каждого из этих факторов описывает соответствующая объективная характеристика в случае, когда три остальных фактора постоянны или несущественны. Обычно все четыре фактора действуют одновременно, и, поскольку точно неизвестно, насколько ухудшение одной характеристики эквивалентно ухудшению другой, предсказание поведения системы для большого многообразия конкретных задач представляет сложную проблему.
Эта проблема является общеизвестной для оптико-электронных приборов, но в тепловых системах она становится особенно острой, поскольку обычно контрасты в тепловом изображении выглядят не совсем так, как в видимой картине, так что трудно предложить набор стандартов, подобный применяемому в вещательном телевидении. Мы очень чувствительны к изменениям в изображении па домашнем телевизоре или на полутоновых газетных фотографиях, однако в изображении FLIR можно не заметить сравнительно серьезного ухудшения качества из-за несколько необычного вида даже изображения высокого качества и нестандартности различных систем FLIR.
Таким образом, необходимо иметь обобщенный критерий, включающий все четыре элемента качества изображения, т. е. единый критерий, характеризующий систему прибор — наблюдатель. Имеется много возможных путей сформировать такой приближенный критерий, учитывающий ограничения порогового восприятия наблюдателя, вызванные случайными шумами, помехами, контрастом, пространственно-частотным спектром или временем наблюдения. В системах FLIR пространственное разрешение и тепловая чувствительность являются доминирующими характеристиками. В этом разделе основное внимание уделяется такому распространенному критерию, как тепловая чувствительность для данного отношения сигнала к шуму в функции пространственной частоты.
Шаде [51 вывел такой критерий для фотографических, кинематографических и тепловизионных систем. Это — отношение сигнала к шуму в изображении, требуемое наблюдателю для разрешения трехштрихового стандартного тест-объекта ВВС США в присутствии шумов. Жину [61 и Сендалл [7! обнаружили, что критерий Шаде с весьма небольшими изменениями применим к тепловому изображению, и вывели выражение, определяющее разность температур штрихового тест-объекта, которая обеспечивает необходимый для разрешения порог отношения сигнала к шуму по Ша-
де. Теперь общепринятое название этой функции — минимальная разрешаемая разность температур ΔTра3р 1)- Чаще всего она определяется не по трехштриховому, а по четырехштриховому тест- объекту. Важным является случай ограничения шумами, поскольку инфракрасные системы изображения дают максимальную чувствительность, когда шумы видны наблюдателю, как это бывает, когда усиление в системе устанавливается на высоком уровне, чтобы скомпенсировать неблагоприятные особенности картины или внешние условия наблюдения.
В приведенном ниже выводе используются те же допущения, что и при выводе АГ р, и, кроме того, принято, что
- Временное суммирование в системе глаз — мозг наблюдателя FLIR приблизительно описывается постоянной времени, принятой равной 0,2 с. Предполагается, что глаз линейно суммирует сигналы и оценивает среднеквадратичную величину шума в пределах каждого интервала 0,2 с, хотя на самом деле представление о таком механизме не точное, но удобное.
- Узкополосная пространственная фильтрация в зрительном аппарате наблюдаемой периодической структуры прямоугольных полос, имеющей частоту /т, приближенно учитывается согласованным фильтром для одной полосы. Форма такого фильтра принимается без доказательств и считается, что для глаза фильтр описывается формулой
(5.46)
Шаде и др. показали, что система глаз — мозг действует подобно согласованному фильтру (или в данном случае подобно согласованному пространственному сумматору), суммирующему малые участки площади, в связи с чем необходимо брать двойной интеграл от яркости картины на экране индикатора. Для простоты будем полагать, что полосы достаточно длинные, и краевыми эффектами можно пренебречь.
- Электронная система обработки сигнала и контрольное устройство не вносят дополнительных шумов.
- Система сравнительно проста, без перекрытия при сканировании и характеризуется определенной МПФ и спектром мощности шума g2 (/).
- Система работает линейно, так что реакция на объект описывается МПФ.
- Образование изображения пространственно-инвариантно в направлении сканирования.
Соответствующее сокращение на английском языке MRTI) (minimum resolvable temperature difference).— Прим. перев.
Фиг. 5.5. Тест-объекты для определения A71pa3p.
Этапы измерения ΔTразр следующие. Пусть система визирует наибольший тест-объект (фиг. 5.5), где полосы и промежутки излучают как черные тела с различной, но постоянной температурой и высота полос в семь раз больше ширины. Пусть система отрегулирована таким образом, что шумы ясно видны на экране индикатора, и пусть начальная разность температур полос и промежутков равна нулю. Затем будем увеличивать разность температур, пока полосы не станут явно разрешимыми для наблюдателя на экране индикатора. Полученная АТ есть ΔTразр, соответствующая основной пространственной частоте тест-объекта. Повторение опыта для последующих более высоких частот дает кривую ΔTразр, показанную на фиг. 5.6. Этапы экспериментального определения ΔTразр на данной частоте заключаются в обнаружении тест-объек-
Фиг. 5.6. Типичная форма кривой зависимости А7ра3р от /т.
5.14, Факторы, характеризующие коэффициент полезного действия собирающей инфракрасной оптической системы
Часто бывает полезно определить и рассчитать различные факторы, характеризующие эффективность оптической системы, для использования их в уравнениях чувствительности систем. Основным свойством оптической системы является функция пропускания Т (х, у, 0, X), которая описывает ослабление луча света длиной волны Я, проходящего под углом 0 к оптической оси через точку зрачка объектива с координатами (х, у). Будем считать, что функцию Т (х, г/, 0, Л,) можно представить действительной (а не комплексной) функцией зрачка р (х, у) и коэффициентом спектрального пропускания т0 (0, X)
(5.105)
Эффективная площадь собирающей оптической системы А0 равна
(5.106)
а средний коэффициент спектрального пропускания т0 для определенного угла поля зрения 0 определяется уравнением
(5.107)
Эффективный коэффициент пропускания можно определить формулой
(5.108)
Однако для приемников, работающих в режиме ОФ, т0 не очень удачный параметр, поскольку ослабление излучения атмосферой исключает многие спектральные компоненты сигнала, уменьшая тем самым отношение сигнала к шуму. Более подходящей величиной является коэффициент полезного действия r]s, равный
(5.109)
