Стартовая >> Архив >> Системы тепловидения

Системы тепловидения

Оглавление
Системы тепловидения
Назначение систем тепловидения
История систем тепловидения
Основы получения теплового изображения
Источники информации, пример системы
Теория теплового излучения
Пропускание излучения атмосферой
Теория линейной фильтрации
Сокращенная система обозначений в фурье-анализе
Эквивалентная полоса частот
Физиология зрительного восприятия
Пространственно-частотная характеристика
Визуальная чувствительность к пространственной частоте случайного шума
Интегрирующие свойства глаза
Влияние кадровой развертки на восприятие изображения
Обнаружение объектов на фоне случайных шумов
Субъективное восприятие резкости изображения
Обобщенные критерии
Минимальная разрешаемая разность температур
Параметры эффективности работы
Оптика
Оптические материалы для тепловизионных систем
Сканирующие устройства
Вращающиеся преломляющие клинья
Другие системы сканирования
Эффекты затемнения
Типы тепловизионных систем
Эвапорографы и видиконы
Инфракрасные квантовые счетчики
Выборка
Выборка в системах с коммутацией
Визуальное восприятие объектов
Разрешение эквивалентных штриховых мир
Вероятность обнаружения и опознавания
Эксперименты с обработкой на ЭВМ
Другие ограничения при наблюдении
Измерение характеристик систем
Тепловые изображения

Дж. Ллойд
Системы тепловидения
Перевод с английского канд. техн. наук
Н.    В. Васильченко
Москва 1978

Системы тепловидения

В книге изложены физические основы тепловидения и принципы построения тепловизионных приборов. В ней достаточно подробно описаны все основные процессы, происходящие в системах тепловидения,— от генерирования теплового излучения до зрительного восприятия тепловизионных изображений. Помимо энергетических характеристик приборов рассматриваются проблемы воспроизведения изображений с заданным качеством.
Книга предназначена для научных работников, инженеров и студентов, специализирующихся в области разработки и исследования систем тепловидения, а также для лиц, использующих такие приборы.
Редакция литературы по новой технике

Предисловие к русскому изданию
В послевоенные годы широкое применение получили оптико- электронные системы на основе полупроводниковых приемников излучения и оптико-механического сканирования. Первоначально эти системы применялись в качестве теплопеленгаторов, предназначенных для обнаружения различных объектов по их тепловому излучению и определения направления на них. Затем в связи с бурным развитием полупроводниковых приемников излучения их чувствительность практически достигла теоретического предела, а инерционность существенно уменьшилась. Это дало возможность использовать подобные оптико-электронные системы не только для обнаружения объектов, но и для их опознавания. Совершился логический переход от систем теплопеленгации к системам тепловидения. В настоящее время системы тепловидения широко применяются как в военной технике, так и в промышленности, медицине, научных исследованиях и т. п.
Физические основы тепловидения в части, касающейся энергетических соотношений, близки к физическим основам теплопеленгации. Однако в теплопеленгации решение об обнаружении объектов как правило принимается автоматическими устройствами. Задача автоматического распознавания образов еще не решена, поэтому в системах тепловидения решение об опознавании объектов принимается человеком на основе информации, поступающей через зрительный аппарат, и предшествующего опыта. В связи с этим для систем тепловидения главное значение приобретают вопросы качества воспроизведения изображения в сочетании с физиологией их зрительного восприятия.
Энергетические соотношения в оптико-электронных приборах с использованием полупроводниковых приемников излучения и оптико-механического сканирования достаточно подробно изложены в ряде монографий, например Джемисон Дж. Э. и др., Физика и техника инфракрасного излучения, «Советское радио», 1965; Криксунов Л. 3., Усольцев И. Ф., Инфракрасные системы, «Советское радио», 1968; Хадсон Р., Инфракрасные системы, «Мир», 1972; Павлов А. В., Оптико-электронные приборы, «Энергия», 1974, и др. В последние годы появилось большое количество литературы, посвященной анализу качества изображения в оптических системах с использованием методов линейных преобразований как в пространственной, так и в пространственночастотной области, например Марешаль А., Франсон М., Структура оптического изображения, «Мир», 1964; О’Нейл Э., Введение в статистическую оптику, «Мир», 1966; Гудмен Дж., Введение в фурье-оптику, «Мир», 1970; Папулис А., Теория систем и преобразований в оптике, «Мир», 1971, и др. Вопросы использования методов линейных пространственных и пространственно-частотных преобразований применительно к оптико-электронным системам изложены в монографии Н. С. Шестова «Выделение оптических сигналов на фоне случайных помех» (изд-во «Советское радио», 1967). Обширные, но пестрые и разнородные данные по качеству изображения в оптико-электронных системах с учетом физиологии их зрительного восприятия разбросаны в большом числе журналов, специальных сборников, отчетов и, следовательно, труднодоступны.
В предлагаемой книге Дж. Ллойда выполнены систематизация и анализ этих данных. В ней изложены физические основы тепловидения и принципы построения тепловизионных приборов. В книге рассматриваются:
закономерности теплового излучения объектов, прохождение излучения через атмосферу, теория линейных пространственных и пространственно-частотных преобразований, физиология зрительного восприятия;
основы расчета оптических элементов приборов, возможные способы сканирования изображения, методы электронной обработки сигнала;
энергетические соотношения в приборах, воспроизведение изображений, критерии оценки качества изображения, используемые в США;
технические пути построения приборов тепловидения; краткая история развития систем тепловидения в США (в основном типа FLIR);
методы испытания приборов.
Кроме того, в книге имеется значительное количество справочных данных и обширная библиография.
Рассмотрение большинства вопросов доведено в книге до практического уровня. В ней содержится целый ряд конкретных практических рекомендаций, которые разработчики, конструкторы и потребители могут непосредственно использовать каждый в своей области.
Хотя не все бесспорно в физическом и фактическом материале по вопросам оценки качества изображения с учетом физиологии зрительного восприятия, тем не менее собранный автором и изложенный в книге материал по этим вопросам может послужить серьезной базой для дальнейших исследований в данной области.
Книга представляет собой первую монографию, в которой на современном научном уровне рассмотрены основные проблемы тепловидения. Она, несомненно, будет полезна для всех специалистов, имеющих отношение к одному из наиболее перспективных направлений инфракрасной техники — визуализации тепловых изображений.
Л. Н. Курбатов

Предисловие к американскому изданию
Эта книга была задумана как введение в технику тепловидения и как краткое руководство, содержащее основные положения современной практики разработки тепловизионных систем с быстрой разверткой изображения (FLIR). Важные для тепловидения общие вопросы, изложенные на соответствующем уровне в других книгах, здесь не обсуждаются. Поэтому специально не рассматриваются такие элементы систем, как приемники излучения, системы охлаждения, электронные схемы, индикаторные устройства телевизионного типа. Полезная информация из малоизвестных публикаций упомянута в ссылках на литературу как полученная из частных сообщений.
По-видимому, каждый, с кем я сотрудничал в области тепловидения, внес определенный вклад в эту книгу, делясь со мной своими соображениями и идеями. Я выражаю свою признательность всем, кто таким образом помог появлению данной книги. Пятеро из них заслуживают, однако, специального упоминания. Это — Р. Сендалл, JI. Биберман, П. Лаакман, Дж. Хоппер и Н. Стетсон. Они в большей степени, чем другие, содействовали формированию моих суждений.
Многие официальные лица оказывали мне поддержку в течение трех лет работы над книгой. Я особенно благодарен Э. Шиэну и Р. Луфту из военной лаборатории ночного видения, поддержавшим эту работу в самом начале, а также Р. Норлингу, Р. Райнирсону и Ш. Бузанскому из фирмы «Ханиуэлл» за помощь в последующей работе. Издание книги стало возможным благодаря включению ее в серию книг по физической и технической оптике. За это выражаю признательность редактору серии У. Уолфу. Его доверие, терпение и благожелательная критика заслуживают высокой оценки. Я также благодарю г-жу Э. Уиттмор (фирма «Ханиуэлл») за неоднократную перепечатку рукописи и г-жу Г. Логен (фирма «Фрэнк Томпсон ассошиейтс») за подготовку окончательного варианта рукописи. Наконец, приношу глубокую благодарность моему «домашнему редактору», Ла Вонн, чье редакторское искусство придало стилистическую законченность тексту книги.
Я обращаюсь к читателям с просьбой сообщить мне в фирму «Ханиуэлл» свои замечания, соображения, а также сведения о новых источниках информации по вопросам, затронутым в книге.
Дж. Ллойд
Актон,
шт. Массачусетс
Обозначения


  1. размер чувствительного элемента приемника излучения по горизонтали, см;
  2. размер поля зрения системы по горизонтали, град;
  3. площадь корреляции шума на индикаторе, см2;
  4. площадь чувствительного элемента приемника излучения, см2;
  5. эффективная площадь входного зрачка оптической системы, см2;
  6. площадь объекта на индикаторе, см2;
  7. оператор «аргумент комплексного числа»;
  8. размер чувствительного элемента приемника излучения по вертикали, см;
  9. размер поля зрения системы по вертикали, град;
  10. скорость света в вакууме, см/с;
  11. постоянные в законе Планка;
  12. контраст; емкость, Ф; коэффициент сложности приемного устройства, см;
  13. радиационный контраст;
  14. коэффициент сферической аберрации, см~3;
  15. круговая функция;
  16. периодическая последовательность дельтафункций;
  17. линейный диаметр кружка рассеяния, см;
  18. удельная обнаружительная способность в функции длины волны, Вт-см-Гц1/2;

удельная обнаружительная способность в максимуме спектральной характеристики, Вт-см-Гц1/2;

  1. световой диаметр входного зрачка оптической системы, см;
  2. относительное отверстие оптической системы;
  3. напряжение в функции времени;
  4. коэффициент полезного действия приемного устройства;
  5. фокусное расстояние оптической системы, см; временная или пространственная частота (в зависимости от контекста) соответственно Гц или мрад-1;
  6. характеристическая частота эталонного фильтра, Гц;
  7. пространственная частота объекта, мрад”1;

  1. пространственные частоты по двум взаимно перпендикулярным осям с угловым масштабом, мрад-1;
  2. характеристические частоты, Гц или мрад-1;
  3. предельная пространственная частота, мрад"1;
  4. эквивалентная шумовая полоса, Гц;
  5. критическая частота мельканий, Гц;
  6. частота кадров, Гц;
  7. оператор прямого преобразования Фурье;
  8. оператор обратного преобразования Фурье;
  9. спектр напряжения шума, В-Гц"1/2;
  10. коэффициент усиления;
  11. постоянная Планка, Вт-с2;
  12. абсолютная влажность, г*см“3;
  13. абсолютная влажность в условиях насыщения, г-см"3;
  14. относительная влажность;
  15. расстояние до изображения, см;
  16. ток в функции времени;
  17. кратность чересстрочной развертки; относительный температурный коэффициент показателя преломления, К"1;
  18. оператор «мнимая часть комплексного числа»;
  19. распределение яркости изображения в декартовых координатах с угловым или линейным масштабом;
  20. энергетическая сила света, Вт*ср-1;
  21. показатель поглощения излучения атмосферой, км”1;
  22. постоянная Больцмана, Вт* с-К-1;
  23. волновой вектор, см"1;
  24. (световая) яркость, кд-м~2; число строк, укладывающихся по высоте изображения объекта;
  25. яркость фона, кд*м“2;
  26. оптическое угловое увеличение;
  27. показатель преломления; число чувствительных элементов приемника излучения;
  28. угол нормали к поверхности (отсчитываемый от горизонтали), рад; энергетическая яркость, Вт-см-ср"1;
  29. эквивалентное число линий, или эквивалентная полоса частот системы, мрад"1;
  30. распределение яркости объекта в декартовых координатах с угловым или линейным масштабом; О — расстояние до объекта, см;

-г гиперфокальное расстояние, см;

  1. функция входного зрачка;
  2. оптическая сила линзы или поверхности линзы, см”1; поток излучения, Вт; парциальное давление водяного пара, мм рт. ст.; показатель качества приемного устройства с”1/2• мрад-1 - К"1;
  3. вероятность события в функции критерия С;
  4. электрический заряд, Кл;
  5. плотность потока фотонов от фона, фотон • см “2-с-1;
  6. спектральная плотность потока фотонов, фотон • см“2 • с”1 • мкм”1;
  7. импульсная реакция;
  8. ОПФ или МПФ в зависимости от контекста;
  9. МПФ оптической системы;
  10. МПФ приемника излучения;
  11. МПФ электронной системы;
  12. МПФ видеоконтрольного устройства;
  13. МПФ системы;
  14. реакция на прямоугольную волну;
  15. сопротивление, Ом; радиус, м; наклонная дальность до объекта, м; чувствительность, В-Вт-1;
  16. радиус Петцваля, см;
  17. оператор «действительная часть мнимого числа»;
  18. прямоугольная функция;
  19. площадь поверхности, см2;
  20. оператор системы;
  21. функция (sin х)/х;
  22. время, с; толщина оптического элемента, см; толщина в центре линзы, см;
  23. абсолютная температура, К;
  24. постоянная времени глаза, с;
  25. время кадра, с;
  26. абсолютная температура объекта, фона и атмосферы соответственно, К;
  27. разность температур, К;
  28. минимальная обнаруживаемая разность температур, К;
  29. эквивалентная шуму разность температур, К;
  30. минимальная разрешаемая разность температур, К;
  31. энергия излучения, Дж;

  1. напряжение, В; показатель дисперсии;
  2. толщина слоя осажденной воды, см-км”1;
  3. толщина слоя осажденной воды в условиях насыщения, см-км-1;
  4. поверхностная плотность потока излучения, Вт-см“2;
  5. спектральная плотность потока излучения, Вт-см“2*мкм_1,
  6. аберрационная функция, см;
  7. поверхностная плотность потока излучения фона и объекта соответственно, Вт-см“2;
  8. дифференциальное изменение плотности потока излучения с температурой в пределах данного спектрального диапазона, Вт-см“2-К_1;
  9. прямоугольные декартовы координаты с линейным или угловым масштабом (в зависимости от контекста), соответственно м или мрад;
  10. модуляционная передаточная функция;
  11. оптическая передаточная функция;
  12. передаточная функция сигнала, кд-м-К”1;
  13. реакция глаза на синусоидальную волну (штриховой тест-объект с синусоидальным распределением яркости);
  14. отношение сигнала к шуму;
  15. отношение сигнала к шуму в точке изображения;
  16. воспринимаемое отношение сигнала к шуму;
  17. фазовая передаточная функция;
  18. функция рассеяния линии;
  19. угловой размер чувствительного элемента приемника излучения по горизонтали, мрад; коэффициент теплового расширения, см-см""1-К”1.
  20. угловой размер чувствительного элемента приемника излучения по вертикали, мрад;
  21. угол отклонения сканирующего зеркала, рад;
  22. показатель ослабления излучения атмосферой км”1;
  23. угловой диаметр кружка рассеяния, рад;
  24. дельта-функция Дирака;
  25. расстояния между главными плоскостями и вершинами линз соответственно, см;
  26. излучательная способность; линейная расфокусировка, см;
  27. эквивалентная шуму излучательная способность;

  1. относительная экранировка входного зрачка;
  2. квантовый выход;
  3. коэффициент использования развертки по вертикали;
  4. коэффициент использования развертки по горизонтали;
  5. коэффициент эффективности охлаждаемой диафрагмы;
  6. коэффициент полезного действия оптической системы;
  7. полный коэффициент использования развертки;
  8. угол сканирования в пространстве объектов, рад;
  9. критический угловой размер объекта, мрад;
  10. длина волны, мкм;
  11. статистическое среднее;
  12. декартовы координаты в линейном или угловом масштабе соответственно, м или мрад;
  13. среднеквадратичное отклонение функции рассеяния линии, .мрад; постоянная Стефана — Больцмана, Вт-см“2-К“4;
  14. показатель рассеяния излучения атмосферой, км”1;
  15. постоянная времени, с;
  16. время элемента разложения на приемнике, с;
  17. коэффициент спектрального пропускания атмосферы;
  18. средний коэффициент пропускания атмосферы в пределах данного спектрального диапазона;
  19. коэффициент спектрального пропускания оптической системы;
  20. средний коэффициент пропускания оптической системы в пределах данного спектрального диапазона;
  21. оптическая частота, с-1;
  22. телесный угол, ср;
  23. апертура охлажденной диафрагмы, ср.


 
« Система обслуживания и ремонта оборудования энергохозяйств промпредприятий   Совершенствование управления энергетическим объединением на основе локальных вычислительных сетей »
электрические сети