5.15. Параметры эффективности работы
При анализе и разработке тепловых изображающих систем необходимо иметь возможность выбрать простые параметры, позволяющие определить, удовлетворяет ли система предъявляемым к ней требованиям. Цель этого раздела заключается в том, чтобы наметить пути решения поставленной задачи. Наиболее информативным для рассмотрения этого вопроса является опыт разработки систем тепловидения для военных целей.
Многие простые приемы, которые в первом приближении годились на ранней стадии развития систем тепловидения для военных целей, не пригодны теперь для всего разнообразия имеющихся в настоящее время систем. Если, например, разработка большинства систем идет по тому же пути, что и в приборах с параллельной обработкой информации, угловой размер чувствительного элемента приемника и соответствующий угловой размер элемента разложения на индикаторном устройстве примерно одинаковы и именно они определяют МПФ системы.
В результате можно говорить о «разрешении», понимая под этим угловой размер приемника, равный, например, 1 мрад, и подразумевая в значительной мере, что речь идет об общей характеристике системы. Такие системы будут относительно грубыми по разрешению, и дистанции, на которых возможно различение объектов, будут невелики. Соответственно, если известно, что система с данным разрешением обеспечивает определенную дальность раз-
личения, может показаться, что достаточно уменьшить или увеличить разрешение, чтобы соответствующим образом повлиять на результирующую дальность различения. При таком подходе в неявной форме предполагается, что тепловая чувствительность и потери излучения в атмосфере не изменяются, а влияние атмосферы на МПФ системы пренебрежимо мало.
Если за счет усовершенствования систем дальность увеличится и придется отказаться от неточных методов расчета, два последних предположения нарушатся и дистанция различения уже не будет непосредственно связана с разрешением. Теперь уже разрешение, понимаемое как основной параметр, характеризующий дальность действия системы, в значительной мере теряет смысл. Необходимы другие параметры и разработка более сложных расчетных методов оценки характеристик систем.
Бурное развитие систем FLIR чрезвычайно усложнило проблему: в настоящее время системы тепловидения так же, как вид наблюдаемых картин и способности наблюдателей, трудно классифицировать и стандартизовать. Две номинально эквивалентные системы могут иметь различные передаточные функции сигнала, разную степень влияния растра на изображение, разные увеличение и кадровую частоту. Общие характеристики чувствительны к этим различиям, и очень часто в результате сравнения двух номинально одинаковых систем может оказаться, что одна из них имеет существенные преимущества перед другой.
Эти неопределенности делают абсурдными кажущиеся корректными утверждения типа: система с оговоренными характеристиками и параметрами обеспечит видение человека на фоне кустарника на расстоянии 100 м в условиях умеренных помех ясной теплой ночью. Другой наблюдатель в другую ночь, используя систему с аналогичными паспортными данными, вероятно, не получит точно таких же результатов наблюдения. Однако специалисты, заказывающие и применяющие системы, часто могут выражать свои требования именно в плане приведенного выше утверждения, и разработчики систем вынуждены переводить эти неопределенные требования на язык технических параметров систем. При этом существует опасность проектирования с неоправданно высокой точностью определения параметров, превосходящей требуемую для решения поставленной задачи.
На возможность решения тепловизионной системой любой задачи влияют десятки факторов (разд. 10.1), определяющие выходные характеристики систем. Некоторые неконтролируемые переменные, которые относятся к характеристикам объектов и фонов, изменяются в широких пределах, как, например, режим работы объектов, помехи, конфигурация объектов, контраст, пропускание атмосферы и ее МПФ, а также радиационный обмен между объектом и его окружением. Кроме того, контролируемые наблюдателем переменные могут изменяться относительно своих номинальных значений, как, например, яркость окружающего экран индикатора фона, фокусировка изображения на приемнике и индикаторном устройстве, уровень яркости и контраста. Другими факторами, которые в меньшей степени поддаются контролю со стороны наблюдателя и которые оказывают очень большое влияние на выходные характеристики системы, являются обоснованная расшифровка изображения, разумный выбор кадра и умение извлекать информацию из изображения.
Существует много способов предварительной оценки характеристик систем тепловидения в реальных условиях. Однако, по мнению автора, даже при определенных значениях переменных в данной тактической обстановке нельзя предложить модель, которая точно предсказала бы заранее результаты натурных испытаний. Успешное последующее теоретическое объяснение этих результатов не должно затемнять того обстоятельства, что восприятие объекта — слишком сложное явление, чтобы его полностью количественно измерить, а тем более точно предсказать, каким оно будет. Это становится совершенно ясным, когда разница в прогнозах с помощью двух сильно различающихся моделей укладывается в пределы разброса оценки выходных характеристик.
Тем не менее специалисты-практики должны знать, какой тип систем необходим для решения данной тактической задачи, но они не всегда могут полагаться на результаты анализа проблемы, проведенного на бумаге. Они зачастую приблизительно представляют из опыта, как изменения параметров приемного устройства влияют на характеристики систем в реальных условиях, и неохотно обращаются к теоретическим методам, полагаясь больше на свои, выработанные на практике представления. Практический выход из этого положения заключается в проведении натурных испытаний в представляющих интерес условиях с приемным устройством, имеющим характеристики, похожие на характеристики устройства, с которым предполагается работать, и в экстраполяции результатов в ту или другую сторону с целью получения требуемых выходных характеристик системы.
Такой подход целесообразен, поскольку к настоящему времени уже имеются опытные данные, показывающие, как различные изменения характеристик влияют на выходное изображение. Это не значит, что мы не должны продолжать поиски простых обобщенных критериев, связанных с результатами натурных испытаний, мы хотим только подчеркнуть, что нельзя полагаться только на один теоретический анализ.
Однако в том случае, когда все параметры системы рассматриваются в процессе проектирования как переменные, нецелесообразно основывать проектирование систем на экстраполяции результатов натурных испытаний. При этом трудно оценить влияние
изменения одного или двух параметров, поскольку остальные параметры не сохраняются постоянными. При анализе систем можно применять простые критерии, только когда определенное число переменных параметров имеют фиксированные значения. Обычно для обеспечения такой возможности делают следующие предположения:
- Заданы размер кадра и размер элемента разрешения, а также Лпор = 0>2 °С на индикаторном устройстве, за исключением наиболее тяжелых условий применения.
- Требования к однородности изображения на экране по крайней мере такие же, что и в телевизионном вещании; желательно, чтобы не было помех от растра и фиксированных или движущихся помех на экране.
- Кадровая частота равна 30 Гц.
- Увеличение зафиксировано на оптимальном уровне оМ = = const.
- Динамический диапазон по разности температур в рассматриваемой картине составляет не менее 20 °С относительно окружающего фона.
- Требуемая МПФ системы должна быть лучше или эквивалентна МПФ гауссовой формы с величиной а, соответствующей половине углового размера приемника излучения.
Эти требования в ряде случаев уже выполняются в практике проектирования FLIR, если проектирование ведется на высоком уровне.
ЛИТЕРАТУРА
- Weihe W. К., Classification and Analysis of Image-Forming Systems, Proc. IRE, 47, 1593—1604 (1959).
- Hawkins J. A., Generalized Figures of Merit for Infrared Imaging Systems, Report DRL-TR-68-12, Defense Research Laboratory, University of Texas at Austin, 1968.
- Хадсон P., Инфракрасные системы, изд-во «Мир», 1972.
- Соболева Н. Ф., К расчету энергетической чувствительности ИК-сканирующей аппаратуры, Оптико-механическая промышленность, 37, «N*2 10, 9 — 11 (1970).
- Schade О. Н., Sr., An Evaluation of Photographic Image Quality and Resolving Power, JSMPTE, 73, 81 — 120 (1964).
- Genoud R., Hughes Aircraft Company, Culver City, California (частное сообщение).
- Sendall R. L., Xerox Electro-Optical Systems, Pasadena, California (частное сообщение).
- Hopper'G. S., Texas Instruments, Inc., Dallas, Texas (частное сообщение).
- DrydenJE., Aerojet Electro-Systems Corporation, Azusa, California (частное сообщение).
10. Kleinhans W. A., Optimum Spectral Filtering for Background-Limited Infrared Systems, JOS A, 55, 104-105 (1965).
