STUDIUL TEORETIC SI EXPERIMENTAL PRIVIND [631732]
BUCUREȘTI
2016 ROMÂNIA
MINISTERUL APĂRĂRII NAȚIONALE
ACADEMIA TEHNICĂ MILITARĂ
Facultatea de Mecatronică și Sisteme Integrate de Armament
Specializarea „Armament, aparatură artileristică și sisteme de conducere a focului”
PROIECT DE DIPLOMĂ
Tema: „STUDIUL TEORETIC SI EXPERIMENTAL PRIVIND
CALITATEA IMAGINILOR OBTINUTE PRIN SISTEME OPTICE DE
VEDERE PE TIMP DE NOAPTE ”
Std. sg . maj. BOARCĂȘ Alin -Ionuț
Conducător științific:
Col. prof. univ. dr. ing. VEDINAȘ Ioan
Conține ___ _ file
Inventariat sub nr: ________
Poziția din indicator: ______ _
Termen de păstrare: ______
NECLASIFICAT
REFERAT
NECLASIFICAT
VEDINAȘ
NECLASIFICAT
ROMÂNIA NECLASIFICAT
MINISTERUL APĂRĂRII NAȚIONALE Exemplar unic
Academia Tehnică Militară
APROB
DECAN
FACULTATEA DE MECATRONICĂ ȘI
SISTEME INTEGRATE DE ARMAMENT
Colonel prof. univ. dr. ing .
Ioan VEDINAȘ
TEMA*
proiectului de diplomă aparținând student: [anonimizat], aparatură artileristică și sisteme de conducere a focului
din Facultatea MECATRONICĂ ȘI SISTEME INTEGRATE DE ARMAMENT
STUDIU L TEORETIC Ș I EXPERIMENTAL PRIVIND CALITATEA
IMAGINILOR OBTINUTE PRIN SISTEME OPTICE DE VEDERE P E TIMP
DE NOAPT E
D E T A L I I
1. PRECIZĂRI ȘI DATE INIȚIALE:
1.1 Studiul se va efectua asupra unor aparate de vede re pe timp de noapte portabile cu I.I. sau
termov iziune.
1.2 Se vor considera aparate echipate cu I.I. din gen. 2+ sau 3 și cu termoviziune.
2. MEMORIUL TEHNIC VA CONȚINE:
2.1 Studiul soluțiilor constructive și caracteristicil e de performanță ale aparatelor de
observare pe timp de noapte.
2.2 Analiza performanțelor ap aratelor de vedere pe timp de noapte .
2.3 Studiul teoretic al elementelor care definesc calitatea imaginii prin sistemele optice
studiate .
2.4 Metode experimentale și s isteme de control al mă rimilor care caracterizează cali tatea
imaginii prin sisteme opt oelectroni ce.
2.5 Evaluarea calității imaginii obținute prin sistem ele optoelectronice studiate .
2.6 Metode de optimizare a calității imaginii prin sisteme de vedere pe timp de noapte.
2.7 Concluzii finale și contribuții personale .
3. LUCRĂRI GRAFICE DE ÎNTOCMIT:
3.1 Schițe și desene de studiu ale aparatelor de observare analizate.
3.2 Schem e ale metodelor experimentale .
* Tema proiectului de diplomă a fost avizată în ședința Consiliului facultății din data de 27.02.2015
4. BIBLIOGRAFIE RECOMANDATĂ:
Crețu E., Tomiuc L. – Optică tehnică, ATM, 1994;
Crețu E. ș.a. – Aplicații în calculul și proiectarea sistemelor optice, ATM, 1995;
Crețu E., Mârzu M. – Optică ondulatorie și Fourier, ATM, 1996;
Vedinaș I., ș.a. – Aparatură optoelectronică de amplificare și conversie a radiației infraroșii,
ATM, 2002;
Pleșa C. ș.a. – Sisteme optoelectronice de vedere pe timp de noapte cu intensificator i de
imagine, Ed. Univers Științific, 2008;
Crețu E. ș.a. – Sisteme optoelectronice de vedere pe timp de noapte, ATM, 1999;
Nicoară I. – Calculul și construcția aparatelor optice, I.P. Timișoara, 1988;
Demian T. – Elemente constructive de mecanică fină, Ed . Tehnică, 1983.
5. PRACTICA DE DOCUMENTARE (perioada și locul):
– 5 zile (ianuarie -martie 20 16), PROOPTICA S.A. București;
– 5 zile (mai -iunie 20 16), A.C.T.T.M. București .
6. CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC : Col. prof. univ. dr. ing. Ioan VEDINAȘ
Consultanți pentru pr obleme speciale:
Dr. ing. Spulber Cătălin – PROOPTICA S .A;
Mr. dr. ing. Pleșa Cornel – A.C.T.T.M;
Ing. Guzulescu Niculae – A.C.T.T.M.
7. DATA PRIMIRII TEMEI PROIECTULUI DE DIPLOMĂ : 08.10.2015
8. DATA PREDĂRII PROIECTULUI DE DIPLOMĂ: 01.07.2016
DIRECTORUL DEPARTAMENTULUI DE INGINERIA
SISTEMELOR DE ARMAMENT ȘI MECATRONICĂ
Col. conf. univ. dr. ing.
Traian ROTARIU
ȘEFUL COLECTIVULUI DIDACTIC
Lt. col .conf. univ. dr. ing.
Marius CÎRMACI -MATEI
Întocmit
Col. prof. univ. dr. ing.
Ioan VEDINAȘ
NECLASIFICAT
5 din 178 CUPRINS
CUPRINS
CAPITOLUL 1
STUDIUL SOLUȚIILOR CONSTRUCTIVE ȘI CARACTERISTICILE DE
PERFORMANȚĂ ALE APARATELOR DE OBSERVARE PE TIMP DE
NOAPTE
1.1 Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………. 9
1.2 Stadiul actual al sistemelor de observare pe timp de noapte ………….. 10
1.2.1 Tipuri de intensificatoare de imagine ………………………….. .. 10
1.2.1.1 Generalități ………………………….. ………………………… 10
1.2.1.2 Clasificarea intensificatoarelor de imagine după
generații ………………………….. ………………………….. ….. 13
1.2.1.2.1 I.I. din generația 0 ………………………….. …… 13
1.2.1.2.2 I.I. din generația I ………………………….. ……. 14
1.2.1.2.3 I.I. din generația II ………………………….. …… 17
1.2.1.2.4 I.I. din generația III ………………………….. …. 23
1.2.1.2.5 I.I. din generația IV ………………………….. …. 24
1.3 Caracteristicile ce se urmăresc la alegerea intensificatorului ………… 27
1.4 Caracteristicile I.I. din industria globală a SOVTN -urilor …………….. 30
1.5 Echipamente pe bază de termoviziune supuse testelor …………………. 34
CAPITOLUL 2
ANALIZ A PERFORMANȚELOR APARATELOR DE VEDERE PE TIMP
DE NOAPTE
2.1 Generalități ………………………….. ………………………….. ……………………. 43
2.2 Performanțe globale ale sistemelor de viziune pe timp de noapte ….. 43
2.3 Condiții pe care trebuie să le îndeplinească aparatura de ochire pe
timp de noapte ………………………….. ………………………….. ………………… 52
2.4 Performanțe privind funcția de transfer optic ………………………….. …. 54
2.4.1 OTF și calitatea imaginii ………………………….. …………………. 55
2.4.2 Variabile de care depinde OTF ………………………….. ………… 59
2.5 Cerințe în momentul realizării unui aparat de vedere pe timp de
noapte ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 60
2.5.1 Performanța ………………………….. ………………………….. ………. 60
2.5.2 Factori externi care influențează performanța sistemelor
optice ………………………….. ………………………….. ……………….. 63
CAPITOLUL 3
STUDIUL TEORETIC AL ELEMENTELOR CARE DEFINESC
CALITATEA IMAGINII PRIN SISTEMELE OPTICE
3.1 Generalități ………………………….. ………………………….. ……………………. 67
3.2 Descrierea generală a modelelor matematice care caracterizează
performanțele echipamentelor pe bază de termoviziune ………………… 68
NECLASIFICAT
6 din 178 3.3 Modelul FLIR92 privind determinarea probabilității de detecție a
țintelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 71
3.3.1 Modelul observatorului ………………………….. …………………… 71
3.3.2 Raportul semnal -zgomot al detectorului ………………………… 72
3.3.3 Ecuațiile diferenței de temperaturi minim rezolvabile …….. 75
3.3.4 Zgomotul introdus de ochi ………………………….. ………………. 76
3.3.5 Selecția țintelor ………………………….. ………………………….. …. 77
3.3.6 Modelul funcției de transfer a modulației ………………………. 78
3.4 Modelul NVTherm privind predicția distanței de identificare ………. 80
3.4.1 Temperatura minimă rezolvabilă bidimensională …………… 81
3.4.2 Probabilitatea de detecție ………………………….. ………………… 83
CAPITOLUL 4
METODE EXPERIMENTALE ȘI SISTEME DE CONTROL AL
MĂRIMILOR CARE CARACTERIZEAZĂ CALITATEA IMAGINII PRIN
SISTEME OPTOELECTRONICE
4.1 Generalități ………………………….. ………………………….. ……………………. 87
4.2 Metode calitative de verificare a limitei de rezoluție ……………………. 87
4.3 Metode de verificare a calității imaginii prin metode bazate pe
trasarea razelor prin sistemul optic ………………………….. …………………. 88
4.3.1 Noțiuni generale privind aberațiile sistemelor optice ………. 91
4.3.1.1 Tipuri de aberații și cauzele lor ……………………….. 92
4.3.1.2 Suprafața caustică. Caracterul simetriei ei ………… 93
4.3.1.3 Planele meridian și sagital ale fasciculelor înclinate
………………………….. ………………………….. ………………. 94
4.3.1.4 Sticla optică ………………………….. ………………………. 94
4.3.2 Determinări experimentale ale aberațiilo r ……………………… 97
4.4 Evaluarea caracteristicilor de răspuns ………………………….. ……………. 99
4.4.1 Evaluarea semnalului ………………………….. ……………………… 99
4.4.2 Evaluarea zgomotului ………………………….. …………………… 102
4.4.2.1 Modelul 3D de zgomot ………………………….. ……… 102
4.4.2.2 Diferența de temperatură echivalentă cu zgomotul
………………………….. ………………………….. …………….. 110
4.5 Precizia ………………………….. ………………………….. ……………………….. 111
4.6 Exemple de calcul și determinări ale unor parametrii de performanță
pentru camerele cu termoviziune ………………………….. ………………… 117
4.6.1 Exemplul de calcul pentru distanța maximă de detecție …. 117
4.6.2 Calculul diferenței de temperatură minim detectabile ……. 120
4.7 Măsurarea MDTD și MRTD ………………………….. ………………………. 125
4.7.1 Metoda subiectivă ………………………….. ………………………… 125
4.7.2 Măsurarea obiectivă a MDTD și MRTD ……………………… 126
NECLASIFICAT
7 din 178 CAPITOLUL 5
EVALUAREA CALITĂȚII IMAGINII PRIN SISTEMELE
OPTOELECTRONICE STUDIATE
5.1 Generalități ………………………….. ………………………….. ………………….. 131
5.2 Analiza performanțelor echipamentului în funcție de focalizare ….. 131
5.3 Analiza performanțelor echipamentului în funcție de diferența de
temperatură ………………………….. ………………………….. …………………… 135
5.4 Analiza performanțelor echipamentului în funcție de MRTD ……… 138
5.5 Evaluarea performanțelor echipamentelor pe bază de termoviziune
ținând cont de rezoluția achiziției de imagini ………………………….. …. 142
5.6 Analiza sistemului optic de vedere termală din punct de vedere al
funcției de transfer optic ………………………….. ………………………….. …. 144
CAPITOLUL 6
METODE DE OPTIMIZARE A CALITĂȚII IMAGINII PRIN SISTEME DE
VEDERE PE TIMP DE NOAPTE PE BAZĂ DE TERMOVIZIUNE
6.1 Generalități ………………………….. ………………………….. ………………….. 149
6.2 Utilizarea unei rezoluții mai fine Analiza performanțelor
echipamentului în funcție de focalizare ………………………….. …………. 149
6.3 Înlocuirea unor materiale și scăderea prețului sistemelor de observare
pe bază de termoviziune ………………………….. ………………………….. …. 154
6.4 Îmbunătățirea procesului de detecție/identificare/recunoaștere prin
antrenarea corespunzătoare a operatorilor ………………………….. ……… 157
6.5 Utilizarea FMBF pentru îmbunătățirea calității imaginilor IR cu
vein-pattern ………………………….. ………………………….. …………………… 163
6.6 Îmbunătățirea calității imaginii prin utilizarea unei sensibilități
ridicate ………………………….. ………………………….. …………………………. 165
6.7 Îmbunătățirea calității imaginii prin utilizarea corecției de
neuniformitate ………………………….. ………………………….. ……………….. 168
CAPITOLU L 7
CONCLUZII FINALE ȘI PERSPECTIVE ………………………….. ……………….. 173
BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 175
NECLASIFICAT
8 din 178
PAGIN Ă ALBĂ
NECLASIFICAT
9 din 170 CAPITOLUL 1
STUDIUL SOLUȚIILOR CONSTRUCTIVE ȘI
CARACTERISTICILE DE PERFORMANȚĂ ALE
APARATELOR DE OBSERVARE PE TIMP DE
NOAPTE
1.1 Introducere
Războiul modern pune un accent deosebit pe operațiile desfășurate pe
timp de noapte, ceea ce permite, impune posibilit atea amplificării luminii
naturale până la valori care să permită observarea câmpului de luptă și ochirii.
Analizând conflictele armate desfășurate de -a lungul timpului se poate
afirmă că ne aflăm în mijlocul unei revoluții tehnologice în domeniul militar în
ceea ce privește desfășurarea operațiunilor pe timp de noapte. Manevrele
militare desfășurate de forțele aliate în Bosnia, Afganistan și Irak demonstrează
că tehnologia are un cuvânt important de spus în obținerea victoriei.
Desfășurarea luptelor cu pre cădere pe timp de noapte și în condiții grele de
transparență atmosferică ne îndreptățește să afirmăm că tehnologia vederii pe
timp de noapte și termoviziunea reprezintă apogeul revoluției tehnologice în
domeniul militar.
Studiind evoluția sistemelor de vedere pe timp de noapte și condiții grele
de observare, se poate afirma că tendințele producătorilor de astfel de
echipamente se canalizează, în principal, spre:
fuziunea imaginilor multispectrale;
reducerea masei și dimensiunilor de gabarit;
reducerea pu terii consumate;
creșterea rezoluției și distanței de observare;
obținerea imaginilor color.
Intensificatorul de imagine este componenta cea mai importantă și cea
mai complexă a unui astfel de sistem de vedere pe timp de noapte. De la
începutul apariției S OVTN cu intensificatori de imagine dezvoltarea acestora s -a
axat, în principal, pe modernizarea intensificatorului, cunoscându -se până în
prezent patru generații. Intensificatorul de imagine este construit pentru a
amplifica lumina ambientală focalizată de obiectiv pe fotocatodul acestuia, astfel
NECLASIFICAT
10 din 170 încât ochiul uman să se poată adapta cu ușurință și să atingă o putere separatoare
cât mai apropiată de cea pe care o posedă la niveluri de iluminare uzuale.1
Analizând evoluția sistemelor de vedere pe timp de noa pte, un rol
important pe această plajă a echipamentelor de achiziție de imagini, îl au și
echipamentele pe bază de termoviziune. Acestea se pot folosi pe timp de noapte
cu o înaltă eficacitate. În plus recunoașterea țintelor cu acest tip de echipamente
este mult mai ușoară. Necesitatea studiului performanțelor unor asemenea
echipamente este necesară atât datorită evaluării calității lor, cât și a estimării
raportului calitate/preț, în vederea obținerii a unor rezultate foarte bune în
câmpul tactic, la un ef ort financiar disponibil și direct proporțional cu
necesitățile misiunii.
Dintre principalele obiective ale acestei lucrări amintim:
identificarea tehnologiilor ce pot fi folosite pentru realizarea sistemului
optoelectronic modular pentru observare și oc hire pe timp de noapte;
analize comparativă a unor sisteme de vedere pe timp de noapte, de unde
va rezulta varianta optimă pentru realizarea obiectivelor propuse;
determinare principalilor parametri care influențează calitatea imaginii;
determinarea variaț iei parametrilor de calitate a imaginii;
analiza experimentală a parametrilor de performanță a unor sisteme des
întâlnite în domeniul militar și civil.
1.2 Stadiul actual al sistemelor de observare pe timp de noapte
1.2.1 Tipuri de intensificatoare de imagine
1.2.1.1 Gener alități
Intensificatorul de imagine este compus dintr -un tub de sticlă vidat de
formă cilindrică care are dispus la unul din capete un fotocatod, iar în celălalt un
ecran fluorescent. Între fotocatod și ecran se aplică o tensiune foarte ridicată, iar
în spațiul dintre ei este dispus unul sau mai mulți electrozi tubulari pe care se
aplică tensiuni de la 10 la 20 kV.
Performanța unui aparat de observare pe timp de noapte cu intensificator
de imagine este determinată exclusiv de numărul de fotoni (obiectivul și
fotocatodul intensificatorului de imagine). Este știut faptul că la un sistem de
observare pe timp de noapte cu intensificator de imagine valoarea eficienței
cuantice este dată de fotocatodul intensificatorului de imagine și nu de ochi.
Dacă ochiul are în randament cuantic de 0,5 -0,7% în vederea scotoptică, iar
1 D.Homei.s.a , Elemente de calcul ți construcție ale aparatelor de artilerie , București , 2006 ;
NECLASIFICAT
11 din 170 fotocatodul S -25 are 5 -25%, se poate aprecia avantajul utilizării
intensificatoarelor de imagine în vederea nocturnă.
Fig.1.1 Principiul de lucru al intensificatorului de imag ine
(1 – lentilele de intrare, 2 – fotocatod, 3 – plăcuța cu microcanale, 4 – sursă de înaltă tensiune,
5 – ecran de fosfor; 6 – ocular; sursa:
http://www.optica.ge/attachments/article/13/Night%20Vision%20technologies%20encompass%20te chniques%20of%20image%20conversion.pdf )
Fotocatodul este componenta majoră a intensificatorului de imagine,
acesta este realizat dintr -un metal ce are lucrul mecanic de extracție al
electronilor foarte mic (cesiu, rubidiu, potasiu, natriu, litiu stronțiu ). Acesta are
rolul de a converti o parte din lumina incidentă de fotoni în electroni, chiar și
atunci când este iluminat cu un fascicol a cărei energie este redusă.
Radiația provenită de la țintă este focalizată de obiectiv (Fig. 1.1 –
elementul 1) pe intr area tubului intensificator și transmisă prin fereastra de fibre
optice la fotocatodul multi -alcalin semitransparent. Acesta are rolul de a emite
electroni funcție de nivelul de luminanță a imaginii dată de obiectiv și de
randamentul său cuantic. Practic, fotocatodul este un convertor al fluxului de
fotoni (radiația luminoasă este sub forma unui flux de fotoni) în electroni.
Ecranul intensificatorului are proprietatea de a ceda fotonii atunci când
este bombardat de un fascicul de electroni și de a forma ima ginea în domeniul
vizibil în funcție de densitatea zonală a fascicolului de electroni. Pentru
realizarea ecranului se folosesc următoarele substanțe luminofore: luminofore pe
bază de oxizi, sulf, wolfram si de fosfor.
Suprafața dinspre fotocatod a ecranulu i se aluminizează în scopul de a
împiedica iluminarea fotocatodului cu radiația vizibilă dată de ecran și de a
realiza o îmbunătățire a imaginii. Prezența stratului de aluminiu îmbunătățește și
redarea imaginii întrucât reflectă fotonii cedați de ecran, ca re se deplasează spre
NECLASIFICAT
12 din 170 el și îi suprapune cu cei ce se deplasează în direcție normală, astfel ca ochiul
observatorului să primească o cantitate de energie luminoasă mai mare.
Diafragma de focalizare are rolul de a focaliza fluxul de electroni și prin
aceast a redresează imaginea și împiedică iradierea fotocatodului cu fotonii emiși
de ecran și permite mărirea sau micșorarea imaginii. În cazul unei măriri
subunitare, calitatea imaginii este superioară întrucât crește luminozitatea
ecranului.
Electrozii tubular i se realizează din materiale bune conducătoare de
electricitate și au rolul de a accelera electronii emiși de fotocatod. Folosirea mai
multor electrozi de accelerare este benefică pentru intensificator din următoarele
motive: permite mărirea treptată a câ mpului electrostatic de la fotocatod spre
ecran; permite folosirea unor tensiuni foarte mari de accelerare a electronilor
fără a provoca autoemisia forțată a unor electroni de pe fotocatod, care
denaturează imaginea; permite folosirea unui fotocatod sferi c, fapt care
micșorează dispersia fluxului de electroni; raza sferei se alege astfel încât
centrul sferei să se găsească pe suprafața de focalizare; se îmbunătățește puterea
separatoare a intensificatorului.
Plăcuța cu microcanale este realizată prin compa ctarea mecanică și
termică (chimică) a unui număr foarte mare de tuburi optice, pe interiorul cărora
se depune o substanță generatoare de electroni. Plăcuța cu microcanale este sub
forma unui disc subțire de sticlă care are rolul de a amplifica numărul de
fotoelectroni emiși de fotocatod. Acest disc este străbătut de canale cilindrice cu
o lungime de aproximativ 40 ori mai mare decât diametrul și la interior are
depus un strat semiconductor care emite electroni secundari când este bombardat
de electroni pri mari emiși de fotocatod și accelerați spre intrarea în plăcuța cu
microcanale. Electronii secundari sunt accelerați de -a lungul canalelor de un
câmp electric axial aplicat între electrozi și la fiecare impact cu pereții canalelor
vor produce alți electroni secundari, astfel încât la ieșirea din plăcuța cu
microcanale și lovirea ecranului numărul lor este suficient de mare pentru a
produce o imagine vizibilă a țintei.
Sursa de înaltă tensiune . Principiul amplificării luminii are la bază
proprietatea pe care o au anumite materiale ale elementelor receptoare
(fotocatozii) de a detecta fotonii și de a emite electroni, care sub influența unui
câmp electric provocat de o diferența de potențial bombardează și excită o
peliculă fosforescentă plasată pe un ecran de v izualizare, creând imaginea
câmpului (obiectului) observat. Imaginea astfel creată poate fi privită direct. Pe
acest principiu s -au construit patru generații de intesificatoare de imaginii. Dacă
NECLASIFICAT
13 din 170 durata scintilațiilor de pe ecranul intensificatorului de ima gine este mai mare
decât timpul de integrare al ochiului, întregul sistem va fi caracterizat de timpul
de integrare al intensificatorului. Totuși, se preferă intensificatoarele cu durata
de integrare mai mică decât a ochiului pentru evitarea dificultăților în percepția
vizuală a țintelor mobile.
Ecranul de fosfor are rolul de a afișa o imagine vizibilă atunci când este
bombardat de electronii ieșiți din plăcuța cu microcanale. Acesta fiind
fluorescent, se luminează atunci când este bombardat de electroni, c reându -se
astfel o imagine vizibilă. S -a ales pentru afișare ecranul de fosfor cu fondul
verde deoarece coincide acuității vizuale maxime a ochiului uman, acesta având
o sensibilitate sporită pentru această culoare.
Imaginea, indiferent dacă este în UV, VI S sau IR este proiectată pe
fereastra transparentă a tubului și ajunge la nivelul fotocatodului extrăgând
electroni prin efect fotoelectric.
1.2.1.2 Clasificarea intensificatoarelor de imagine după
generații
1.2.1.2.1 Intensificatoare de imagine din
generația 0
Intensifi carea electronică a luminii s -a început prin anul 1930, dar a
devenit utilizabilă doar prin anul 1950, odată cu realizarea tubului convertor de
imagine în infraroșu cu convertor de argint -oxid de cesiu (Ag -CsO). Nu era
vorba, în fond de o intensificare a i maginii, ci mai degrabă de un dispozitiv de
schimbare a frecvenței de la infraroșu la vizibil.2 Din acest motiv tuburile din
„generația 0” nu sunt socotite de specialiști ca făcând parte din categoria
intensificatoarelor de imagine. Sensibilitatea acestui fotocatod era mică, iar
emisia termică destul de mare, astfel că tubul putea opera în mod util dacă ținta
era luminată cu radiații infraroșii, de unde denumirea de sisteme active datorită
acestor mijloace. Apărea așadar, necesitatea folosirii unui proiecto r de raze
infraroșii. Schema unui intensificator din generația 0 este dată în Fig. 1.2.
2 Crețu E. ș.a . – Sisteme optoelectronice de vedere pe timp de noapte , ATM, 1999
NECLASIFICAT
14 din 170
12
3
Fig. 1.2 Schema intensificatoarelor din generația 0
(1 – ținta, 2 – reflector, 3 – aparatul de vedere în infraroșu)
Dezavantajul ma jor al convertizoarelor din generația 0 constă în aceea că
inamicul, echipat cu dispozitiv sensibil la radiațiile infraroșii, poate să localizeze
poziția celui care utilizează echipamentul, respectiv reflectorul de iluminare și
să-l combată cu foc. Alt dez avantaj este acela că sistemele de tip activ pot fi ușor
influențate de sursele de radiații infraroșii puternice, destul de frecvente în
câmpul tactic și care pot conduce la defectarea lor. Aceste dezavantaje au făcut
ca în majoritatea armatelor să se renu nțe la echiparea armamentului cu aparatură
de tip activ. Astfel de aparatură se află încă dispusă pe unele mijloace blindate
de fabricație mai veche, fiind destinată în general pentru conducerea pe timp de
noapte și în unele cazuri pentru observare. Începâ nd cu anii 1960 apar tuburile
intensificatoare de imagine de tip pasiv. Aceste tuburi erau capabile să răspundă
atât la radiația reziduală vizibilă provenită de la lună, stele, etc. cât și la radiația
invizibilă din domeniul infraroșu apropiat al spectrulu i. Astfel s -au dezvoltat
generațiile I, II, III, IV de tuburi intensificatoare de imagine. Diferențele între
GEN1, GEN II, GEN III și GEN IV sunt adesea dificil de înțeles. Prima dată
trebuie să înțelegem că intensificatorul de imagine este construit astfe l încât
imaginea formată de acesta să fie observată de utilizator.
1.2.1.2.2 Intensificatoare de imagine din
generația I
Intensificatoarele de imagine din prima generație folosesc fotocatozi tri –
alcalii (tip S -25) din policristalin evaporat din materiale cu afinit ate electronică
pozitivă, care se caracterizează prin focalizării electrostatice și accelerările
NECLASIFICAT
15 din 170 electronilor, sensibilitate mare în infraroșu și în roșu, emisie termică mai mare,
iar raportul semnal/zgomot mai mare de 150 pentru a obține o amplificare a
semnalului .
Aceste caracteristici permit ca peisajul să poată fi observat cel puțin în
condițiile de cer înstelat.
O amplificare mai mare s -a putut realiza prin cuplarea în cascadă a mai
multor intensificatori (Fig. 1.3), care este caracterizată de distorsi une
geometrică, viață scurtă, dimensiuni mari și performanță slabă.
Fig. 1.3 Generația I tub intensificator de imagine
(sursa: Lt. col. VEDINAȘ Ioan, Sisteme optoelectronice de vedere pe timp de noapte cu intensificatori de
imagine, Editura ATM, București, 2007, p. 19)
Diferența de potențial pentru accelerarea electronilor în spațial anod -catod
sunt dispozitive cu o rezoluție bună, dinamică mare și câștig moderat de câteva
sute de lm/mm. Focalizarea electronilor se realiză fie micșo rând spațiul anod –
catod (Fig. 1.4), fie folosind lentile electronice (Fig. 1.5).
Fig.1.4 Focalizarea prin apropierea anod -catod
NECLASIFICAT
16 din 170
Fig. 1.4 reprezintă o secțiune a unei trepte printr -un tub convertor de
imagine din prima generație. Un sistem de lentile (care nu apare în figură)
focalizează o imagine inversată a scenei pe fotocatod. Electronii emiși pe
fotocatod sunt accelerați de o tensiune de aproximativ 15 kV și focalizați
electrostatic pe ecranul fosforescent. Imaginea rezultată pe ecran e observată
direct prin fereastra de ieșire, de obicei cu un dispozitiv de mărire.
Fig. 1.5 Focalizarea utilizând lentile electronice
Câștigul de strălucire a unui tub depinde de sensibilitatea fotocatodului (în
special de imaginea roșu – IR), c reșterea tensiunii și puterea de mărire a tubului.
Pentru o mărire mai mică decât unitatea se asigură un câștig de strălucire de
aproximativ 2.000, suficient pentru obținerea unei imagini în condițiile de cer
înstelat. Dar, în cazul aparatelor de ochire, t ubul trebuie să aibă un câștig de
strălucire de cel puțin 10.000.
Un astfel de câștig de strălucire se realizează prin cuplarea cu fibre optice
a mai multor tuburi pentru a forma ansambluri de generare a imaginii cu mai
multe trepte (Fig. 1.6), în care str ălucirea imaginii e amplificată succesiv de
fiecare treaptă.
NECLASIFICAT
17 din 170
Fig. 1.6 Secțiune printr -un tub în cascadă în trei trepte din prima generație
cuplate cu fibre optice
Asemenea tuburi au câștiguri de luminiscență de peste 50.000, adecvate
pentru funcțio narea în condițiile de cer înstelat.
Dezavantajul acestor tuburi în cascadă este că sunt grele și voluminoase și
deci portabilitatea este limitată. În plus în cazul combinării simultane a mai
multor ecrane fosforescente, dispozitivul în cascadă prezintă o persistență mare
a imaginii, care poate fi dăunătoare în cazul scenelor în mișcare, producând
urme strălucitoare pe ecran. Tuburile suferă din cauza porțiunilor foarte
luminoase (o singură astfel de porțiune provocând albirea completă a imaginii),
iar ecra nele fosforescente pot fi distruse de fluxurile excesiv de luminoase; de
aici, necesitatea construirii unor mijloace de protecție contra fluxurilor foarte
luminoase.
1.2.1.2.3 Intensificatoare de imagine din
generația II
Datorită dezavantajelor pe care le prezintă intensificatoarele din prima
generație s -a introdus plăcuta cu microcanale (MCP) și, odată cu ea
intensificatoarele pasive din cea de -a doua generație (Fig. 1.7). Aceasta asigură
multiplicarea internă a curentului fluxului de electroni și deci un câștig
suplimentar prin intermediul unui mecanism de multiplicare a electronilor
secundari. Distanța de identificare în aceleași condiții atmosferice este mai mare
pentru tuburile din generația a doua.
NECLASIFICAT
18 din 170
Fig. 1.7 Structura unui sistem de vedere pe timp de noapt e cu intensificator
de imagine de generația a doua
(sursa: Lt. col. VEDINAȘ Ioan, Sisteme optoelectronice de vedere pe timp de noapte cu intensificatori de
imagine, Editura ATM, București, 2007, p. 20)
Plăcuța cu microcanale (Fig. 1.8) este realizată pri n compactarea
mecanică și termică (chimică) a unui număr foarte mare de tuburi optice, pe
interiorul cărora se depune o substanță generatoare de electroni, având canalele
din ce în ce mai subțiri și distanțele dintre axele canalelor din ce în ce mai mici.
Relația dintre diametrele canalelor, distantele dintre axele acestora și
rezoluția spațială a intensificatorului de imagine este redată în Tabelul 1.1.
Rezoluția spațială a fost calculată prin relații geometrice în ipoteza că toate
celelalte componente ale amplificatorului sunt aliniate axial și funcționează perfect.
Microcanalele cu diametrul mai mic de 50 µm, practicate în matrice din
sticle oxidice, se realizează prin extragerea pe cale chimică/electrochimică a
materialului ce ocupă locul microcanalelor și care este folosit la conformarea
dime nsională a acestora și respectiv a fasciculului de tuburi în ansamblu.
Diametrul canalului
[μm] Distanța între axele
canalelor [μm] Rezoluția teoretică
maximă [linii/mm]
4 6 83
6 8 63
8 10 50
10 12 42
12 15 33
25 32 16
Tabelul 1.1 Relații între parametrii dimensionali ai I.I.
Plăcuța cu microcanale are următoarea organizare: 104..107 tuburi/cm2,
distanța dintre axele tuburilor 10…15 μm, diametrul interior al tuburilor 8…12
NECLASIFICAT
19 din 170 μm, raportul lungime /diametrul tu burilor 40/1, axele tuburilor sunt înclinate cu
3…50 față de normală.
Fig.1.8 Dispunerea microcanalelor pe suprafața plăcuței
Fiecare microcanal cilindric are depus pe interiorul său un strat foarte
subțire (submicronic) dintr -o anumită substanță (exemplu -oxid de plumb), care
emite electroni secundari când este bombardat de electronii primari emiși de
fotocatod și accelerați spre intrarea în plăcuța cu microcanale. Electronii
secundari sunt accelerați de -a lungul canalelor de un câm p electric axial, aplicat
între electrozi și la fiecare impact cu pereții microcanalelor vor produce alți
electrozi secundari, astfel încât la ieșirea din plăcuța cu microcanale și lovirea
ecranului numărul lor este suficient de mare pentru a produce o ima gine vizibilă
a țintei. Amplificarea produsă de microcanale depinde de valoarea tensiunii
aplicate, de raportul lungime/diametru și de caracteristicile de emisie secundară
ale pereților acestora (Fig. 1.9).
Numărul de electroni secundari care se obțin la b ombardarea
suprafețelor interioare ale canalelor cu electroni primari este în funcție de
viteza electronilor prim ari, de unghiul de incidență, de proprietățile de
material, de funcția de lucru de ieșire și de starea suprafeței. Coeficientul
emisiei secunda re este exprimat de raportul:
(total) primari electroni nr.(total) secundari electroni nr.c
(1.1)
Raportul dintre numărul de electroni secundari și numărul de electroni
primari trebuie să fie mai mare decât 1. Aceasta nu contravine cu nimic la
legea conservar e a energiei deoarece viteza electronilor secundari este, de
regulă, mult mai mică decât cea a electronilor primari.
NECLASIFICAT
20 din 170 Deoarece amplificarea nu depinde de dimensiunile absolute ale
microcanalelor, diametrul acestora se alege doar din considerente de realizar e a
rezoluției. În mod curent, distanța dintre centrele microcanalelor se alege în jurul
valorii de 15 μm. Teoretic se poate micșora această distanță, rezultând o creștere
a rezoluției, însă apar probleme de rezistență și de tehnologie. Din cauza
condițiil or de rigiditate impuse plăcuței, precum și dificultăților tehnologice de
fabricație raportul dintre suprafața transversală a tuburilor și suprafața totală a
plăcuței nu poate fi mai mare de 80 %.
La această generație de intensificatori a fost eliminat per icolul deteriorării
în urma iluminărilor accidentale, prin co ntrolul automat al amplificării și a
dispărut persistența pe ecran a imaginilor țintelor luminoase. Construcția este
mai compactă cu dimensiuni și mase mult reduse față de generația I.
Neajunsu ri ale intensificatorilor din generația II. Nu toți electronii emiși
de fotocatod vor intra în plăcuța cu microcanale. Un procent important din
aceștia vor lovi suprafețele dintre microcanale și vor fi pierduți pentru imagine.
Nu fiecare electron care int ră în microcanale va produce un plus de
electroni secundari. Proporția celor care eșuează depinde de numărul mediu de
electroni secundari emiși la prima coliziune și de distribuția statistică în jurul
acesteia. Datorită nenumăratelor ciocniri dintre electr oni și pereții
microcanalelor apar gaze și ioni, care sunt accelerați spre fotocatod și reduc
durata de viață a acestuia, de aceasta suprafața de intrare a plăcuței cu
microcanale a fost acoperită cu un strat subțire de aluminiu . Acesta împiedică
gazele și ionii să iasă din microcanale însă electronii cu energia mai mare de 5
keV sunt capabili să străpungă acest strat. De asemenea prezența stratului de
aluminiu determină creșterea factorului de zgomot, care la intensificatorii de
generația a II a este Fa = 3…4.
Electronii care intră în tuburi se lovesc de pereții laterali provocând
eliberarea electronilor secundari (Fig. 1.9). Sub acțiunea unei tensiuni, acești
electroni parcurg tuburile pe lungimea lor, eliberând alți electroni secundari,
care produc un efect de avalanșă.
NECLASIFICAT
21 din 170
Fig. 1.9 Principiul plăcii cu microcanale
(sursa: Lt. col. VEDINAȘ Ioan, Sisteme optoelectronice de vedere pe timp de noapte cu intensificatori de imagine,
Editura ATM, București, 2007, p. 21)
Informația spațială e stocată de șirul de tuburi. În acest fel electronii sunt
nu numai accelerați ci și multiplicați cu un factor de 10000. Efectul este
micșorarea rezoluției și a dinamicii. În schimb câștigul este curent peste
10000lm/mm și chiar cu 4 ordine de mărime mai ma re dac ă se folosesc 2 plăci
microcana l (vezi Fig. 1.10).
Câștigul unui astfel de amplificator de imagine poate fi între 1 și 50.000,
în funcție de tensiunea de accelerare pe placă și raportul între lungimea canalelor
și diametrul lor (de ob icei egal cu 40) .
O metodă mult mai bună de îmbunătățire a rezoluției sistemului constă în
utilizarea dispozitivelor de mărire electrono -optică în fața plăcii, permițând
utilizarea mai multor canale pentru a forma imaginea. Această soluție, reduce
mult efec tele zgomotului.
NECLASIFICAT
22 din 170
Fig. 1.10 Intensificator cu una și două placi microcanal
Cel de -al doilea tip de tub intensificator de imagine din a doua generație
folosește tehnica "focalizării de proximitate" atât între fotocatod și placa
microca nal, cât și între placă și ecranul fosforescent (Fig. 1.11). Acest lucru se
poate realiza printr -un vid înalt, prin metodele de prelucrare și construcție a
tuburilor cunoscute sub numele de "tehnologia transferului în vid". Tubul
obținut prin această tehno logie este foarte compact și din cauza structurii sale
interne este numit tub "Wafer".
Acest tub generează o imagine complet lipsită de distorsiuni, fără nici o
modificare a dimensiunii imaginii, deci mărire egală cu unitatea. Imaginea de
ieșire poate fi n ormală sau inversată prin utilizarea unui conductor din fibre
optice ca fereastră de ieșire. Acest conductor rotește imaginea cu 180° pe o
lungime axială foarte mică, cu o pierdere foarte mică de lumină. Aceste tuburi
au diametre de imagini de 18 mm, sunt compacte și ușoare, ceea ce le permite
montarea pe ochelari de vedere pe timp de noapte. Câștigurile sunt de 10.000,
iar dimensiunile mici sunt obținute pe seama clarității imaginii. Aceste tuburi
sunt sensibile la avarierea catodului, ceea ce impune folos irea unor mijloace
speciale de protecție.
NECLASIFICAT
23 din 170
Fig. 1.11Intensificator de imagine cu focalizare de proximitate
(1 –ecran, 2 -fotocatod, 3 – placă microcanale)
1.2.1.2.4 Intensificatoare de imagine din
generația III
Dezvoltarea intensificatoarelor d e imagine pasive din generația a treia se
bazează pe plăci microcanal cu tuburi, care folosesc fotocatozi cu afinitate
negativă, produse din elemente din grupele III și IV din tabelul periodic. La
generația a III a sunt îmbunătățiți semnificativ față de g enerația II următorii
parametrii: rezoluția, sensibilitatea fotocatodului, factorul de zgomot, funcția de
transfer optic.3
În Fig. 1.12 se prezintă un astfel de amplificator, format dintr -un tub
aproape identic cu cel "Wafer" și un fotocatod din arseniura de galiu. Suprafața
de arseniura de galiu este tratată cu cesiu și oxigen pentru a se crea o " afinitate
negativă " a electronilor. Fotoelectronii produși prin absorbția luminii de către
arseniura de galiu, care atinge suprafața de vid, scapă cu toții de pe suprafața cu
afinitate negativă. În cazul fotocatozilor convenționali, eficiența e mai scăzută.
Aceste tuburi în comparație cu cele din generația întâi și a doua, sunt mai
sensibile, realizează o rezoluție mai mare, funcționează pe o gamă efectiv mai
largă , dar sunt mai scumpe. Ele sunt recomandabile, în general pentru sistemele
de vedere pe timp de noapte ușoare, cum sunt ochelarii pentru piloții de
elicopter.
3 Iliescu I.G, Elemente constructive și ansambluri optice , I.P. Timișoara, 1988 ;
NECLASIFICAT
24 din 170
Fig. 1.12 Intensificator de imagine cu fotocatod de monocristal de
generația a III -a
(1 – ecran, 2 – fotocatod, 3 – electrozi de focalizare, 4 – placa microcanale)
1.2.1.2.5 Intensificatoare de imagine din
generația IV
Aceste tuburi au același fotocatod ca generația III, dar fără să utilizeze
bariera de ion, în plus aceste intensificatoare demonstrează creșteri substanțiale
în intervalul de detectare al țintei și de soluționare, în special la lumină niveluri
extrem de scăzute și oferă o calitate mai bună a imaginii (cu mai puține
scânteieri), dar se pot folosi și în medii cu un nivel de lumină mai mare, cum ar
fi lumina zilei.
În continuare am analizat diferențele dintre generațiile de intensificatoare
de imagine.
Diferențierea între generații stabilită de producători
Generația I
Generația II Plăcuța cu microcanale
Generația III Materialul fotocato dului
Generația IV Renunțarea la bariera protectoare
Tabelul 1.2 Diferențele între generațiile de I.I.
Calitatea imaginilor furnizate de tuburile intensificatoare și dependența
acestor sisteme de nivelurile de iluminare se poate face cu ajutorul unei țin te
standard USAF 1951 (Fig. 1.13).
NECLASIFICAT
25 din 170
Fig. 1.13 Țintă standard USAF 1951
(sursa: https://carlesmitja.net/2011/02/06/image -quality -of-photographic -cameras/)
În tabelul de mai jos am prezentat comparații ale caracteristicilor
intensificatoarelor de imagi ne din generații ceea ce permite evidențierea rapidă a
evoluției parametrilor de performanță specifice fiecărei generații.
Tipul/Caracteristici U.M. Gen. I -a
DEP Gen. a II -a
DEP Gen. a III –
a ITT
Tipul fotocatodului S 25 S 25 GaAs
Diametrul fotocatodulu i mm 23 18 18
Diametrul ecranului mm 25 18 18
Tipul ferestrei de intrare Fibre optice Fibre optice Fibre
optice
Tipul ferestrei de ieșire Fibre optice Fibre optice Fibre
optice
Tensiunea de alimentare V 6 2.6 2.6
Curentul de intrare mA 50 25
Masa Kg 0.880 0.180
Sensibilitatea
fotocatodului În lumina
alba μA/lp 220 350 1350
La
λ=800nm μA/W 15 35
La
λ=850nm μA/W 6 25 130
Luminozitatea medie a
ecranului cd/m2 550 5-10
φ=10mm
E=200μlx 2.4-7.2
Amplificarea
2cd
mh 50000
φ=14m m
E=200μlx 45000
φ=10mm
E=50μlx 20000 –
35000
Iluminarea echivalentă de
fond μlx 0.2 0.2 0.25
Raportul semnal/zgomot 3.8 0.25
Rezoluția Centru lp/mm 28 36 45
Extraaxial lp/mm 28 36 45
NECLASIFICAT
26 din 170 Mărirea 0.85±0.05
φ=2 mm 0.94-1.0
orice poziție –
MTF 2,5 lp/mm % 88 92 83
7,5 lp/mm % 70 67 58
16 lp/mm % 35 33 28
Alinierea imaginii m 0.75 0.8
Timpul de revenire s 1.5 0.5
Uniformitatea strălucirii 5:1 3:1
Durata de viață: E=1mlx ore 2000 10000
Tabelul 1.3 Evoluția parametrilor I.I.
În Fig. 1.14 sunt prezentate imagini asupra mirelor test ale tuburilor
intensificatoare de diferite generații la un nivel de iluminare de 25 mlx și în
Fig. 1.15 sunt imagini cu aparate de vedere pe timp de noapte ce folosesc
intensificatoare de imaginii.
Fig. 1.1 4 Calitatea vizionării mirei test, utilizând diferite I.I.
(Nivel de iluminare – 25 mlux)
NECLASIFICAT
27 din 170
Fig. 1.15 Calitatea imaginilor, utilizând diferite I.I.
1.3 Caracteristicile ce se urmăresc la alegerea intensificatorului
Caracteristicile ce se urmăresc la alegerea intensificatorului sunt:
a) Sensibilitatea fotocatodului
Proprietățile fotocatodului sunt descrise de către răspunsul spectral si
sensibilitatea acestuia. Răspunsurile spectrale sunt tipice pentru fotocatozii S -25,
Super -25 și GaAs.
b) Iluminarea maximă a fotocatodului
Aceasta reprezintă valoarea maximă de iluminare la care fotocatodul mai
poate fi utilizat. Datele se referă la o iluminare continuă și uniformă. Toți
intensificatorii acceptă și valori mai mari ale iluminării decât cea maxi mă
specificată. Intensificatorii din generațiile a II -a și a III -a dispun de control
automat al amplificării care reduce luminozitatea ecranului însă nu și de curentul
fotocatodului
c) Iluminarea de prag a fotocatodului
Reprezintă valoarea minimă a fluxului r adiant, în watt, care mai poate fi și
sesizată de către fotocatod.
d) Luminozitatea medie a ecranului
Aceasta este intensitatea luminoasă a ecranului mediată pe o suprafață
specificată.
e) Raportul luminozității ecranului
Este raportul luminozității dintre cent rul ecranului și luminozitatea medie
în orice punct de pe un cerc concentric definit.
f) Emitanța ecranului
În majoritatea aplicațiilor receptorul final este ochiul uman. De aceea
emisivitatea spectrală a ecranului trebuie sa respecte curba răspunsului spectr al
al ochiului uman.
NECLASIFICAT
28 din 170 g) Amplificarea
Se definește ca raportul dintre luminozitatea ecranului pe o direcție
normală la aceasta și iluminarea întregii suprafețe a fotocatodului.
h) Mărirea si distorsia
La tuburile inversoare cu focalizare electrostatică lentilele electrostatice
introduc o mică distorsiune în imagine. Ea se datorează variației măririi pe
diametrul tubului și de regulă este sub formă de pernă. La tuburile cu dublă
proximitatea mărirea este întotdeauna unitară și distorsiunea nulă.
Mărirea se măsoară de regulă în două zone. Mărirea centrală se determină
măsurând pe ecran dimetrul
E al unui cerc concentric de diametrul
FK , mic în
comparție cu diametrul total al fotocatodului, și se calculează cu relația:
(1.1)
În mod similar, mărimea extra -axiala se determină ca raport al diametrului
unui cerc
E de pe ecran și al diametrului unui cerc
FK care este de aproximativ
80% din diametrul total al fotocatodului.
Distorsiunea se calculează cu relația:
(1.2)
i) Alinierea imaginii
Axa geometrică și cea optică ale intensificatorului nu pot să coincidă.
Alinierea imaginii este o măsură a ace stei abateri și se exprimă ca distanță pe
ecran dintre axa geometrică și imaginea unui punct situat în centrul geometric al
fotocatodului.
j) Rezoluția
Exprimă valoarea frecvenței spațiale maximă vizibilă prin intensificator.
Se măsoară folosind o miră test (linii negre pe fond luminos) cu un contrast de
aproximativ 100%. Ea este proiectată pe un fotocatod de către un sistem optic de
înaltă claritate și se observă imaginea de pe un ecran cu un microscop cu mărirea
de cel puțin 10X . Se iau două valori: rezolu ția axială și la o distanță de (j>FK/2)
de centru (rezoluția extra -axială), exprimată de regulă în lp/mm.
k) Calitatea imaginii
Principalele elemente care afectează calitatea imaginii sunt:
Structura de grilă a plăcuței cu microcanale,
FKF
exM
%100)1 (
Cex
MMD
NECLASIFICAT
29 din 170 Spoturile luminoase mob ile datorate zgomotului de fond,
Spoturile luminoase fixe, a căror luminozitate depinde de tensiunea
aplicată plăcuței cu microcanale,
Spoturile luminoase intermitente, acre depind de tensiunea dintre
plăcuța cu microcanale și ecran.
l) Timpul de revenire
Intensificatorii de imagine sunt construiți să -și revină rapid după
schimbări rapide ale iluminării. Timpul de revenire este timpul necesar
repartiției pe ecran a unei imaginii după ce iluminarea fotocatodului este
modificată rapid de la valoarea maximă la ze ro și invers.
m) Funcția de transfer a modulației (MTF)
Este un parametru mai elocvent, pentru calitatea imaginii unui
intensificator de imagine, decât rezoluția și se apropie mai mult de modul de
judecare a sistemului optic cu care se combină intensificatori i de imagine. De
altfel, deoarece intrarea și ieșirea dintr -un intensificator sunt imagini, el poate fi
considerat ca o componentă optică.
Dacă se proiectează o miră a cărei intensitate luminoasă variază sinusoidal
pe intrarea sistemului optic care satisfa ce condițiile transformării Furier
(liniaritate și invariantă) imaginea la ieșire va fi de asemenea o miră sinusoidală
însă cu un contrast (modulație) mai scăzut. Funcția de transfer a modulației arată
cum transmisia modulației variază cu schimbarea frecve nței spațiale.
n) Rezistența la acțiuni mecano -climatice
Intensificatorii de imagine trebuie să răspundă la următoarele teste:
temperatura înalta și scăzută, șocuri termice, umiditate, șocuri mecanice,
vibrații.
Avantajele folosirii intensificatoarelor de imagine
Suprafața mai mare de colectare a luminii, rezultă un raport semnal –
zgomot mai ridicat .
Existența unei amplificări electro -optice mai mari ceea ce permite
utilizarea zonei foveale a ochiului, deci vederea foto -optică(rezoluția în vederea
foto-optic ă este de 10 -100 ori mai mare decât în vederea scotoptică).
NECLASIFICAT
30 din 170 1.4 Caracteristicile intensificatoarelor de imagine din industria
globală a SOVTN -urilor
Având în vedere faptul că firma olandeză Delft Electronic Products B.V.
deține standardul european în ceea ce p rivește aparatura de vedere pe timp de
noapte, mai jos vor fi prezentat câteva dintre cele mai reprezentative
intensificatoare de imagine.
a) Intensificatorul de imagine Supergen
Rezoluția u.m. Minimă Tipică Maximă
Rezoluția limită lp/mm 45 50
Funcția de t ransfer a modulației
2,5lp/mm % 86
7,5lp/mm % 62
15lp/mm % 36
25lp/mm % 20
Raportul
Semnal/Zgomot(la108µlx) 17 19
Fosfor: P20, P43
MTTF (S/N=12) ore 10000
Amplificarea la 2∙10-5lx cd/m2/lx 15.000/p 40.000/p
Luminanța cd/m2 2 17
E.B.I. µlx 0,15 0,25
Masa(18mm) grame 85 98
Șoc G 200 500
Sensibilitatea
fotocatodului la 2850K µA/lm 500 550
Sensibilitatea la 800nm mA/W 43 50
Sensibilitatea la 850nm mA/W 33 40
Tabelul 1.4 Caracteristicile I.I. Supergen
(sursa: https: //www.nightvisionforum.eu/thread -157.html)
b) Intensificatorul de imagine SHD -3
Rezoluția u.m. Minimă Tipică Maximă
Tip I lp/mm 45 48
Tip II lp/mm 50 54
Funcția de transfer a modulației
2,5lp/mm % 86 88
7,5lp/mm % 66 70
15lp/mm % 44 50
25lp/mm % 22 30
NECLASIFICAT
31 din 170 30lp/mm % 18 22
Raportul
Semnal/Zgomot(la108µlx) 18 20
Fosfor: P20, P43
MTTF (S/N=12) ore 10000
Amplificarea la 2∙10-5lx cd/m2/lx 30.000/p 50.000/p
Luminanța cd/m2 2 17
E.B.I. µlx 0,15 0,25
Masa(18mm) grame 80 95
Șoc G 500
Sensibilitatea
fotocatodului la 2850K µA/lm 500 600
Sensibilitatea la 800nm mA/W 43 55
Sensibilitatea la 850nm mA/W 33 45
Tabelul 1.5 Caracteristicile I.I. SHD -3
(sursa: http://www.lahouxoptics.ru/_files/editor/file/info/productguide.pdf, p. 37)
c) Intensificatorul de imagine XD -4
Rezoluția u.m. Minimă Tipică Maximă
Tip I lp/mm 55 58
Tip II lp/mm 60 64
Funcția de transfer a modulației
2,5lp/mm 88 92
7,5lp/mm 72 80
15lp/mm 54 58
25lp/mm 35 38
30lp/mm 25 30
Raportul
Semnal/ Zgomot(la108µlx) 20 24
Fosfor: P20, P43
MTTF (S/N=12) ore 15.000
Amplificarea la 2∙10-5lx cd/m2/lx 30.000/p 50.000/p
Luminanța cd/m2 2 17
E.B.I. µlx 0,15 0,25
Masa(18mm) grame 80 95
Șoc G 500
Sensibilitatea
fotocatodului la 2850K µA/lm 600 700
Sensibilitatea la 800nm mA/W 50 60
Sensibilitatea la 850nm mA/W 40 50
NECLASIFICAT
32 din 170 Tabelul 1.6 Caracteristicile I.I. XD -4
(sursa: http://www.lahouxoptics.ru/_files/editor/file/info/productguide.pdf, p.35)
d) Intensificatorul de imagine XR -5
Rezoluția u.m. Minimă Tipică Maximă
Rezoluția limită lp/mm 64 70
Funcția de transfer a modulației
2,5lp/mm % 93
7,5lp/mm % 82
15lp/mm % 67
25lp/mm % 46
30lp/mm 35
Raportul
Semnal/Zgomot(la108µlx) 25 28
Fosfor: P20, P43
Autonomie în funcționare ore 15.000
Amplificarea la 2∙10-5lx cd/m2/lx 30.000/p 50.000/p
Luminanța cd/m2 2 17
E.B.I. µlx 0,25
Șoc G 500
Sensibilitatea
fotocatodului la 2850K µA/lm 800 850
Sensibilitatea la 800nm mA/W 78 84
Sensibilitatea la 850nm mA/W 65 72
Tabelul 1.7 Caracteristicile I.I. XR -5
(sursa: http://www.lahouxoptics.ru/_files/editor/file/info/productguide.pdf, p. 33)
În Fig. 1.16 este prezentată variația funcției de transfer pentru
intensificatoarele de imagine din generația 3 produse de f irma olandeză Delft
Electronic Products B.V.
NECLASIFICAT
33 din 170
Fig. 1.16 Variația funcției de transfer4
Intensificatoarele prezentate sunt înșiruite în ordinea creșterii
performanțelor lor. Deci cel mai performant dintre ele este XR -5. Având în
vedere însă factorul economic aleg pentru luneta proiectată intensificatorul XD –
4, un intensificator cu caracteristici apropiate de cele ale lui XR -5, dar cu un preț
mai scăzut.
În continuare voi prezenta câteva caracteristici dimensionale ale lui XD -4:
Informați i generale ale tubului :
– pupila de ieșire : sticlă;
– pupila de intrare: fără fibră optică;
– controlul electric: Control automat al luminozității(ABC);
o Protecție asupra iluminării accidentale;
– greutate: 98g;
– diametrul fotocatodului:17,5 mm;
– fosfor: P20.
4 Leon BOSCH, Image intensifier tube performance is what matters , SPIE paper, 2000, p. 8;
NECLASIFICAT
34 din 170 Fig. 1.17 XD -45
Analizând caracteristicile intensificatoarelor de imagine din generația III
și cerințele impuse acestuia prin tema de proiect, prezentate în tabelul de mai
sus, intensificatorul de imagine XD -4 produs de firma olandeză DEP reprezintă
unul dintre echipamentele cele mai performante din categoria sa.
1.5 Echipamentele pe bază de termoviziune supuse testelor
În vederea testării aparaturii pe bază de termoviziune s -au folosit mai
multe dispozitive, printre care:
Colimator model LC -06
Colimatorul L C-06, produs de firma Electro Optical Industries, este un
sistem de laborator destinat testării sistemelor de vizualizare IR. Integrează o
serie de componente optice necesare efectuării unor teste standard pentru
caracterizarea senzorilor sistemelor IR. LC -06 este aparatul care oferă cel mai
înalt nivel de calitate existent la ora actuală.
Sistemul optic (LC -06) are o distanță focală de 30 inch și o apertură de 6
inch care îi conferă o imagine neobstrucționată a țintei. Oglinda primară este un
segment circu lar al unei oglinzi parabolice cu punctul de focalizare aflat în
totalitate în afara colimatorului. Oglinda secundară este una plată, dispusă astfel
încât să evite obscurarea undei.
Colimatorul este realizat din tubulatură de aluminiu, componentele fiind
asamblate pe o structură rigidă din material ușor. Întregul sistem este susținut de
trei picioare ajustabile, permițând poziționarea aparatului la unghiul și înălțimea
dorită.
Locul de dispunere al țintei se află în planul focal al oglinzii parabolice.
Țintele sunt selectate folosind rampa circulară de prezentare.
Caracteristici tehnice
5 Catalog de produ se, Delft Electronic Products, Versiunea: 21.09.2004;
NECLASIFICAT
35 din 170 LC-06
Apertura 6 inch, neobstrucționată
Distanța focală 30 inch
Câmpul vizual 2°
Protecția oglinzilor Acoperiri de argint
Reflectivitatea >98%
Abatere 0,03 mrad
Tabel ul 1.8 Caracteristicile colimatorului LC -06
(sursa: http://www.electrooptical.com/eoi_page.asp?h=Collimators)
Sursă infraroșu:
Sursa diferențială de temperatură face parte dintr -o familie de etaloane de
radiații infraroșii fabricate de Electro Optical Ins truments pentru calibrarea
sistemelor pe bază de radiații infraroșii, instrumente și componente. Este de
asemenea etalonul pentru calibrarea altor surse. Sursa și controller -ul de
temperatură au fost testate atât individual cât și împreună pentru a asigura
maximul de stabilitate și exactitate.
Sursa diferențială de temperatură dispune de o placă pătrată cu
temperatură controlată și poate fi ajustată peste sau sub temperatura mediului.
Temperatura plăcii față de temperatura ambientală este monitorizată și af ișată pe
un afișajul digital al controller -ului de temperatură.
Controller -ul de temperatură dispune de un microprocesor și furnizează un
control stabil și repetitiv al sursei diferențiale de temperatură. Controller -ul a
fost proiectat pentru un minim de s usceptibilitate la schimbările mediului
ambiant.
Controller -ul de temperatură poate fi calibrat de la panoul frontal de
comandă sau prin interfață cu ajutorul unui computer, procedură ce poate fi
automată.
Rezoluția afișajului frontal, poziția obturatorulu i și a roții țintelor precum
și fereastra de confirmare a temperaturii sursei pot fi controlate de computer prin
interfață sau de la panoul frontal.
Fereastra de confirmare a temperaturii poate fi ajustată de către utilizator
de la ±0.001°C la ±5°C cu un i ncrement de ±0.001°C de la panoul frontal sau de
la computer.
Problemele apărute în controller -ul de temperatură sunt afișate ca mesaje
de eroare pe ecranul panoului frontal și pe computer. Erorile raportate sunt:
convertorul A/D nu răspunde, senzorul nu e ste în configurație pentru funcționare
și un centralizator de erori ale datelor de calibrare.
NECLASIFICAT
36 din 170 Un indicator de confirmare a temperaturii se poate atașa opțional șirului
de informații despre temperatură furnizat de controller -ul de temperatură. Acest
câmp de confirmare adițional se poate activa sau dezactiva prin comandă de la
computer.
Indicatorul temperaturii
Domeniul diferențial de temperatură -20°C ÷ 70°C
Domeniul absolut de temperatură 5°C ÷ 95°C
Acuratețea absolută a temperaturii 0,015°C
Stabilitat ea 0,001°C
Viteza de salt a temperaturii ±10°C în 80s
Emisivitatea 0,97 ± 0,02, 2 μm la 20 μm
Emisivitatea cu ajustare fină 0,99 ± 0,004, 2 μm la 20 μm
Uniformitate ±0,01 °C în cadrul unei diferențe de
temperatură ambientală de ±5°C,
±0,3°C în centrul u nei suprafețe egale
cu 80% din aria care emite
Suprafața utilizată a țintei 7,36 x 7,36 cm
Suprafața emisivă 10,16 x 10,16 cm
Rezoluția 0,001 °C
Rezoluția de afișare a temperaturii 0,0001 °C, selectată de utilizator
Element sensibil termistor
Tabelul 1 .9 Caracteristicile tehnice ale indicatorului de temperatură
Regulatorul
Dimensiuni 133 x 483 x462 mm
Masa 11,34 kg
Alimentare 100, 120, 220, 240V±10/50 -60Hz
Puterea maximă de intrare la încălzire 300
Puterea maximă de intrare pentru
control 150
Tabe lul 1.10 Caracteristicile tehnice ale regulatorului
NECLASIFICAT
37 din 170 Mire țintă
Tipul țintei Dimensiuni repere
(mrad) Dimensiuni repere
(inch) Frecvența spațială
(cicluri/mrad)
4 bare – Tip 1 0,0800 0,0025 0,167
4 bare – Tip 2 0,1280 0,0041 0,273
4 bare – Tip 3 0,204 8 0,0061 0,407
4 bare – Tip 4 0,5243 0,0165 1,100
Matrice 5×5 găuri 0,8518 0,0600 –
Semicerc 0,0000 0,790 rază –
Pătrat centrat 8,6071 0,4276 (latura) –
USAF 1951 – – –
Tabelul 1.10 Caracteristicile mirelor țintă
Echipamentele cu bază de termoviziu ne folosite în cadrul testelor provin
de la compania FLIR Systems care produce aparatură atât pentru domeniul civil,
cât și militar. Tradiția acestei companii este una bazată pe principii de calitate,
sistemelor lor făcând parte din suita Android, cât și M AC.
FLIR SC6000
FLIR SC6000
Detector QWIP (8 -9,2μm)
Arie de senzori 640 x512 px fizici
Rată de date 50 Mpx/sec
Rată de scanare (full frame) programabilă între 1Hz și 125 Hz
Rată maximă de scanare 36000 cadre/sec
Sensibilitate termică <0,025°C (tipic 0,018°C)
Domeniul de măsurare Conform solicitărilor
Sistem de răcire Stirling (tehnologie MIL)
Interfețe date/control USB/Ethernet Gigabit
Analog video RS170A
Domeniu temperatură operare -40 ÷ +71°C
Tabelul 1.11 Caracteristicile tehnice ale FLIR SC60 006
6 Catalog de produs cu specificații, sursa: http://www.flir.com/assets/e2d37ad1bffc4599bb9e2e64e9cfb400.pdf ;
NECLASIFICAT
38 din 170 Fig. 1.18 Camera SC60006
FLIR SC4000
FLIR SC4000
Detector InSb (3 -5μm)
Arie de senzori 320 x 256 px fizici
Rată de date 50 Mpx/sec
Rată de scanare (full frame) programabilă între 1Hz și 125 Hz
Rată maximă de scanare 125 cadre/sec
Sensibilitate t ermică <0,025°C (tipic 0,018°C)
Domeniul de măsurare Conform solicitărilor
Sistem de răcire Stirling (tehnologie MIL)
Interfețe date/control USB/Ethernet Gigabit
Analog video RS170A
Domeniu temperatură operare -40 ÷ +71°C
Tabelul 1.12 Caracteristicil e tehnice ale FLIR SC40007
7 Catalog de produs cu specificații, sursa: http://www.flir.com/assets/f606a0fb4c7d4186905390 7a8900a6ef.pdf ;
NECLASIFICAT
39 din 170 Fig. 1.19 Camera SC40007
FLIR A20
FLIR A20
Detector FPA microbolometru fără răcire,
Spectru: 7,8 -13 μm
Rezoluție detector 160 x 120 px fizici
Acuratețe ±2°C sau ±2%
Domeniul de măsurare Conform solicitărilor
Interfețe dat e/control USB/Ethernet Gigabit
Domeniu temperatură operare -40 ÷ +71°C
Domeniul temperaturilor măsurate -20 ÷ +250°C
Tabelul 1.13 Caracteristicile tehnice ale FLIR A208
Fig. 1.20 Camera A208
Caracteristicile obiectivelor folosite sunt prezentate în Tab elul 1.14.
Distanța focală Câmpul de vedere
13 mm 40,5° x 32,9°
8 Catalog de produs cu specificații, sursa: http://alacron.com/clientuploads/directory/Cameras/FLIR/A20M –
Datasheet.pdf ;
NECLASIFICAT
40 din 170 25 mm 21,7° x 17,5°
50 mm 11° x 8,8°
100 mm 5,5° x 4,4°
Tabelul 1.14 Caracteristicile obiectivelor FLIR
(sursa: www.flir.eu)
Concluzii
În executarea focului asupra unei ținte este foart e important timpul de
ochire. Acesta este influențat în diferite proporții de distanța la care se află ținta,
de dinamica țintei și gradul de expunerea al trăgătorului.
O depărtare mare a țintei presupune un timp ridicat de ochire chiar dacă
sunt folosite dispozitive optice cu grosismente mai mari decât 1x, și ca urmare o
cadență de tragere scăzută. Totuși acești timpi mari de ochire sunt acceptați
datorită faptului că precizia loviturilor la distanțe mari este scăzută pentru ambii
trăgători, deschiderea f ocului fiind condiționată de obținerea unei alinieri bune a
armei cu ținta.
Pentru tragerile către ținte apropiate, ochirea trebuie să se facă rapid din
cauza timpului scurt de expunere a țintei sau a vitezei de deplasare, sau pentru a
evita o expunere în delungată a trăgătorului.
Dispozitivele de ochire pe bază de termoviziune, denumite și lunete de
ochire cu termoviziune, au ca principiu de funcționare colectarea radiației
infraroșii din câmpul vizat și transformarea ei pentru a se obține o imagine
detect abilă de ochiul uman. Conversia se realizează prin intermediul unui senzor
în infraroșu, a unui grup de componente electronice de prelucrare a semnalului
electric emis de senzor și a unui display de afișare a imaginii procesate care este
prevăzut cu ocular .
Datorită evoluțiilor descoperirilor tehnologice în domeniul termoviziunii,
utilizarea camerelor cu termoviziune oferă o mulțime de avantaje. Comparându –
le cu sistemele de vedere pe timp de zi, sunt mai scumpe și nu oferă o imagine
de o calitate superioar ă dar permit detectarea țintelor și obținerea în timp real a
imaginii câmpului vizat indiferent de gradul de încărcare a aerului cu obscuranți.
De asemenea, dispozitivele de ochire pe bază de termoviziune permit observarea
țintelor camuflate în vizibil sau acoperite într -un anumit grad.
De asemenea, lunetele de ochire cu termoviziune pot fi utilizate și
noaptea, ca alternativă pentru aparatele de vedere pe timp de noapte care
utilizează intensificatoare de imagine. Deși sunt mai scumpe, ele pot oferi
imag ini mai bune ale câmpului vizat în condițiile unui întuneric profund sau
atunci când în atmosferă există diverși obscuranți.
NECLASIFICAT
41 din 170 Pentru achiziționarea unui sistem complet este necesară o analiză a
specificul misiunii pentru a identifica nivelul de dotare a al fiecărui luptător.
Într-o grupă de luptă nu este necesar ca toți luptătorii să aibă în dotare
sistemul complet. Analizând fiecare dispozitiv în parte privind competențele sale
se poate observa că nu este necesar tuturor luptătorilor. Fiecare luptător în ca drul
unui grup de luptători are un rol bine definit și misiunea personală trebuie să fie
acoperită de sistemul de ochire multisenzor.
Pentru echipele de cercetare este utilă o lunetă cu termoviziune și canal de
zi pentru a spori capacitatea de detecție a i namicului și telemetru laser pentru
determinarea distanțelor până la țintă în vederea localizării corecte.
Așadar studiul calității imaginii printr -un dispozitiv cu termoviziune este
strict necesară evaluării performanțelor acestuia,cât și estimării eficie nței lui,
raportându -se la prețul destul de ridicat al acestui tip de dispozitiv.
NECLASIFICAT
42 din 170
PAGINĂ ALBĂ
NECLASIFICAT
43 din 170 CAPITOLUL 2
ANALIZA PERFORMANȚELOR
APARATELOR DE VEDERE PE TIMP DE NOAPTE
2.1 Generalități
Sistemele optoelectronice de vedere pe timp de noapte cu intensificatori
de imagine, fiind constituite din subsisteme complexe ce contribuie la formarea
imaginii, atât optice cât și optoelectronice, trebuie analizate pe o bază comună
care să permită evaluarea globală, pe criterii ce conțin v ariabile comune.
Caracterizarea clasică a unui sistem optoelectronic de vedere pe timp de
noapte prin puterea separatoare nu permite o evaluare obiectivă a calității
imaginii finale și nici posibilitatea adoptării unor soluții flexibile pentru
optimizarea ei, deoarece puterea separatoare reprezintă valoarea frecvenței
spațiale maxime, transmisă prin sistemul optoelectronic respectiv și care mai
poate fi distinsă de ochiul observatorului, în timp ce ar interesa modul cum sunt
transmise anumite frecvențe spa țiale de interes. Se impune utilizarea unui alt
criteriu în analiza și evaluarea sistemelor optoelectronice de vedere pe timp de
noapte, care să permită tratarea globală, pe o bază comună, a tuturor părților din
compunerea sistemelor optoelectronice, și ap recierea corectă și globală a calității
imaginii finale, cu implicații asupra corectitudinii deciziei utilizatorului final, de
obicei ochiul uman.
Analiza și calculul sistemelor optoelectronice de vedere pe timp de noapte
este orientată, cu precădere, spre o direcție comună, obiectivă, în sensul
evaluării succesive a distanței maxime de observare a unui anumit obiect în
teren, dar și implicațiile pe care le au parametrii subsistemelor componente
asupra acestei distanțe.
2.2 Performanțe globale ale sistemelor d e viziune pe timp de noapte9
În cazul ideal, o imagine optică este o distribuție bine definită în timp și
spațiu a fluxului de fotoni (număr de fotoni pe unitatea de suprafață și în unitatea
de timp). În realitate, fluxul din fiecare punct din imagine vari ază aleatoriu în
jurul unei valori medii, care este o funcție de poziție și timp, astfel încât
imaginea este prin definiție un proces stohastic.
9 Col. prof. dr. ing. CREȚU Emil, Mr. lect. ing. VEDINAȘ Ioan, ș.a., Calculul și construcția aparaturii
optoelectronice, Editura Academiei Tehnice Militare, București, 2001, pp. 77 -105;
NECLASIFICAT
44 din 170 În cazul imaginilor formate de aparatele optice în condiții normale de
iluminare, aceste fluctuații ale fluxul ui (zgomotul) pot fi ignorate.
Totuși, când observarea se realizează în condiții de prag, aceste fluctuații
nu mai pot fi ignorate, deoarece ele determină limita capacității de percepție. În
imaginile formate de sistemele de ochire și vedere pe timp de noa pte , mărimea
fluctuațiilor fluxului de fotoni (zgomotul) reprezintă o parte importantă din
diferența acestora (semnalul).
Teoria fluctuației stabilește limita superioară a performanței ochiului
uman în perceperea imaginilor optoelectronice, luând în consi derare zgomotul
prezent în acestea. Este evident că dacă acceptăm ochiul ca receptor final, un
sistem optoelectronic bine calculat va trebui să -i ofere acestuia o imagine ai
cărei parametrii să permită detecția.
Se poate determina astfel, pe baza teoriei fluctuației, performanța limită a
sistemelor de ochire și observare pe timp de noapte cu intensificatori de
imagine. Prin amplificare, luminanța imaginii trebuie să fie suficientă pentru o
observare confortabilă.
Conținutul de informație din imagine poate fi crescut prin amplificare
numai dacă ochiul are puterea separatoare limitată de luminanța imaginii și nu
de raportul semnal/zgomot al acestuia.
Amplificarea peste nivelul la care acuitatea ochiului observatorului este
limitată de luminanța imaginii nu nu mai că nu este necesară. Dar conduce la
scăderea capacității de percepție.
Un sistemelor de ochire și observare pe timp de noapte cu intensificatori
de imagine colectează fotonii reflectați de țintă și -i convertește în electroni în
vederea multiplicării nu mărului acestora. Procesul este însoțit de apariția unui
zgomot de fluctuație, a cărui mărime este proporțională cu rădăcina pătrată a
numărului de fotoni convertiți într -o perioadă predeterminată.
Astfel, raportul semnal/zgomot al imaginii limitează conți nutul de
informație al acesteia.
Perceperea vizuală a imaginilor cu scintilații electronice depinde de
abilitatea observatorului de a recunoaște frecvențele spațiale joase, mai bine
reprezentate în imagine, și de a ignora frecvențele spațiale înalte „zgomo toase”,
asociate observării fiecărei scintilații în parte.
Capacitatea de percepere a imaginilor formate din scintilații poate fi
apreciată analizând raportul semnal/zgomot. Senzorul ideal de nivel redus de
lumină trebuie să îndeplinească trei condiții:
NECLASIFICAT
45 din 170 a) să nu degradeze semnalul dat de fotoelectroni și să nu adauge zgomot în
procesul de amplificare;
b) amplificarea semnalului trebuie să fie suficientă pentru ca acuitatea
vizuală a ochiului ce privește ecranul să nu fie limitată de luminanța
acestuia;
c) împreună c u optica aferentă să colecteze și să convertească suficienți
fotoni de la țintă pentru obținerea unui raport semnal/zgomot în imaginea
de pe ecran care sa permită ochiului detecția.
Se presupune că sunt îndeplinite condițiile a) și b) și se ia în discuție
condiția c).
Performanța sistemului de ochire și observare pe timp de noapte ideal este
determinată exclusiv de “numărătorul de fotoni” (obiectivul și fotocatodul
intensificatorului de imagine) și este limitată doar de fluctuațiile statice ale
numărului c uantelor de lumină absorbite.
Pentru analiza limitărilor impuse de fluctuațiile statice asupra perceperii
imaginilor formate la niveluri reduse de lumină, este convenabil să se împartă
suprafața fotocatodului și a ecranului în elemente de mărime arbitrară dar egală.
Perceperea diferențelor de lumină dintre două elemente adiacente 1 și 2
ale ecranului depinde de mărimea relativă a diferenței medii a numărului de
scintilații, în timpul de integrare al ochiului,
2 1 12 N N H (2.1)
și de fluctuațiile acestei diferențe,
12 .
Diferența medie
12H se numește semnal de ieșire, iar fluctuațiile acesteia
12
formează zgomotul de ieșire. Dacă semnalul, pe durata timpului de in tegrare
al ochiului
t , este
tN N2 1 , atunci zgomotul, după Rose, este
21
2 1 tN N .
Raportul semnal/zgomot pe ecran, determinat pe baza teoriei fluctuației și
necesar pentru ca cele două elemente de rezoluție 1 și 2 să fie percepute distinct
este:
tN NtN N N
ZS
fl 2 12 1
1212
(2.2)
NECLASIFICAT
46 din 170
Diferența
12N este exprimată de obicei în termeni de contrast C:
2 1 2 1 / BB BB C
(2.3)
unde :
–
1B și
2B sunt luminanțele celor două zone de pe ecran care trebuie
distinse. Deoarece numărul scintilațiilor de pe ecran, pe durata timpului de
integrare al ochiului, este proporțional cu luminanța, contrastul C mai
poate fi scris:
2 1 2 1 / N N N N C (2.4)
Diferența
2 1 12 N N N se poate exprima doar funcție de
1N și :
C CN N 1/ 21 12 (2.5)
Dacă fluctuațiile intensității scintilațiilor sunt mici în comparație cu
fluctuațiile aleatoare ale generării lor, atunci pentru cele două elemente 1 și 2 ale
ecranului
12
1N și . Deoarece fluctuațiile aleatoare au proprietatea de
aditivitate, rezultă:
2 12
12 N N (2.6)
C N 1/212
12
(2.7)
Ținând cont de relațiile (2.5) și (2.7), raportul semnal/zgomot din relația
(2.2) se poate scrie:
CNCZS
fl
121
(2.8)
C
22
2N
NECLASIFICAT
47 din 170
Se ține cont că
1N se înlocuiește cu
tanee1 , unde
en1 este numărul mediu al
scintilațiilor pe unitatea de suprafață și unitate de timp, generat pe ecran ca
urmare a absorbției fotonilor de către fotocatodul intensificatorului de imagine,
ta
este aria elementului minim perceptibil de pe ecran datorită fluctuației și
t
este timpul de integrare al ochiului.
Rezultă:
(2.9)
Dacă se adoptă metoda de măsurare a rezoluției limită cu mire test, atunci
ta
are formă dreptunghiulară și este egală cu
2w , unde
este raportul
lungime/lățime și
w este lățimea.
Rezoluția limită pe ecran, în lp/mm, se obține punând condiția ca raportul
flZS
să fie egal cu raportul semnal/zgomot de prag necesar ochiului pentru
detecția mirei.
) 1(2 21] /[1
2Ctn
kC
wmmlpRe
(2.10)
Fig. 2.1 Mira test
tnCCZSa
fle 122
2/ 1
NECLASIFICAT
48 din 170 Coltman și Anderson au stabilit experimental că valoarea factorului
pentru mire test dreptunghiulare depinde de capacitatea observatorului de a
integra și corela scintilațiile de -a lungul liniil or. Ei au determinat și o valoare
optimă:
1614 , ceea ce înseamnă mire cu 7 -8 lp.
Pentru mire test sub formă de discuri,
= 1.
Aria elementului minim perceptibil și rezoluția limită de pe ecran pot fi
transferate la nivelul fotocatodului, ținând cont de ipoteza a) despre senzorul
ideal:
tnCC k afk fk 12 22/ 1 (2.11)
unde:
–
fkn1este numărul fotoelectronilor emiși de fotocatod pe unitatea de suprafață și
în unita tea de timp.
Rezoluția limita a sistemelor de ochire și observare pe timp de noapte
este:
3 1
lim 10102]/[Ctn
kCmmlpRfk (2.12)
sau:
3
lim 1012]/[eCtES
kCmmlpRfk fk
(2.13)
unde:
–
]/[lmASfk , este se nsibilitatea fotocatodului;
–
][lxEfk , este iluminarea fotocatodului;
–
][Ce , este sarcina electrică elementară
19106,1 C.
Iluminarea fotocatodului se determină folosind relația:
NECLASIFICAT
49 din 170
2 20
1 41
mfETTE
nrt a
fk
(2.14)
unde:
–
, este reflectivitatea țintei;
–
aT și
0T , sunt factorii de transmisie ai atmosferei și, respectiv, obiectivului
aparatului de vedere pe timp de noapte;
–
tE , este iluminarea țintei;
–
nrf, este numărul de deschidere al obiectivului ;
–
m, este mărirea sistemului optic.
Combinând relațiile (2.13) și (2.14), se obține expresia rezoluției limită a
sistemului de ochire și observare pe timp de noapte cu intensificator de imagine
funcție de parametrii țintei și ai „numărătorului de fotoni” :
3
20
lim 101 412] /[eC ftETTS
kCmmlpR
nrt a fk (2.15)
Corespunzător acesteia se determină distanța limită de observare:
'
lim lim obfRMHL
(2.16)
unde:
–
mH , este dimensiunea minimă a țintei;
–
M, numită funcția de dificultate a observării, este numărul de linii perechi pe
dimensiunea min im a țintei ce trebuie rezolvat prin sistem pentru asigurarea
gradului de observare impus ;
–
'
obf
mm , este distanța focală a obiectivului.
NECLASIFICAT
50 din 170 În observarea pe timp de noapte se discută, de regulă, despre trei faze ale
observării:
detecția;
recunoașterea;
identificarea.
Detecția presupune sesizarea țintei ca ceva diferit de fond și care este de
interes.
Recunoașterea presupune stabilirea formei țintei, permițând clasificarea
acesteia (de exemplu: tanc, camion sau autoturis m).
Identificarea , ca fază finală a procesului de observare, trebuie să permită
individualizarea țintei (de exemplu: precizarea tipului tancului, camionului sau
autoturismului, dacă este amic sau inamic).
Matematic, mărimea acestor detalii este exprimat de raportul
MH din
Fig. 2.2.
După B.D. Wave, valoarea factorului M pentru recunoașterea unui om
este 3,8, iar pentru autoturism și camion, M = 4,5 . J Johnson arată că M = 4
0,8, pentru o recunoaștere cu o probabilitate de 50%, v aloare confirmată de J.M.
Lloyd, care adaugă că M =61, pentru o recunoaștere cu probabilitatea de 90%.
Fig. 2.2 Identificarea și observarea unui tanc
În general, se acceptă pentru M următoarele valori:
detecție: M = 1 0,25;
recunoaștere: M = 4 0,8;
identificare: M = 6,4 1,5.
NECLASIFICAT
51 din 170 În literatura de specialitate sunt prezentate mai multe expresii pentru
determinarea performanței ideale a sistemelor de ochire si observare pe timp de
noapte, care nu diferă esențial, însă s -a preferat relația (2.15) datorită modul ui de
deducere mai logic și verificării sale în experimentele proprii efectuate.
Conform teoriei fluctuației asupra percepției vizuale, rezoluția exprimată
de relația (2.15), crește la infinit cu creșterea iluminării fotocatodului. Pentru
sistemele reale v aloarea lui
limR se saturează la un anumit nivel al iluminării
fotocatodului datorită aberațiilor sistemului optic de formare a imaginii.
Rezumând cele prezentate până în acest punct, se poate afirma că sistemul
de ochire și observare pe timp de noapte ideal formează o imagine a țintei cu un
raport semnal/zgomot determinat doar de fluctuațiile statistice în colectarea
cuantelor de lumină.
Aceasta înseamnă că fiecare foton absorbit de fotocatod se regăsește în
imaginea finală.
Din condiția ca acest raport semnal/zgomot să fie cel puțin egal cu cel
determinat experimental ca necesar ochiului pentru perceperea imaginii de pe
ecran, s -a dedus relația de calcul a rezoluției limită a sistemului (relația 2.15 ) și
distanța maximă de observare (rel ația 2.16).
În realitate, raportul semnal/zgomot al imaginii finale este mai mic decât
cel determinat pe baza teoriei fluctuației datorită zgomotului introdus de
intensificatorul de imagine în procesul de amplificare și deteriorării semnalului
(contrastulu i) prin sistemul optoelectronic.
Este evident că teoria fluctuației conduce la stabilirea limitei superioare a
performanțelor sistemelor de ochire și observare pe timp de noapte și ca aceasta
trebuie amendată prin considerarea efectelor sistemului real.
De asemenea, relațiile determinate plecând de la teoria fluctuației, nu
conțin nici un parametru care să permită proiectarea sistemului optic să -și
conducă procesul de calcul în mod logic și controlat, să cunoască ce trebuie să
optimizeze în calitatea sistem ului optic și când să se oprească, având
certitudinea că va obține performanța impusă întregului sistem optoelectronic,
fără să exagereze complexitatea și costul acestuia.
Se impune deci găsirea unui model de detecție a imaginilor sistemelor de
ochire și o bservare pe timp de noapte, mai apropiat de realitate, mai util în
determinarea performanței finale și care să ofere opticianului elementele
necesare pentru un calcul corect.
NECLASIFICAT
52 din 170 De regulă, pentru îmbunătățirea raportului semnal/zgomot se apelează la
un senzor mai sensibil (adică
fkS mai bun )sau la un sistem optic de colectare a
fluxului de radiație cu deschiderea relativă mai mare.
Se pierde din vedere faptul că numărătorul acestui raport, semnal, este
influențat puternic și de capacitatea sistemului optic de a transmite frecvențele
spațiale ale țintei (fluctuația de transfer a modulației).
Calcului eficient al sistemului optic trebuie să fie guvernat de ideea
pierderii minime a mărimii semnalului de interes.
La aparatul de ochire pe timp d e noapte, schema optică aleasă este
formată din obiectiv, intensificator de imagine și ocular; toate acestea aflându -se
pe aceeași axă optică; de asemenea în schema optică avem și un sistem de
redresare a imaginii.
2.3 Condiții pe care trebuie să le îndepline ască aparatura de ochire pe
timp de noapte
Prin complexitatea sa, aparatura de ochire pe timp de noapte presupune
îndeplinirea unei game largi de condiții. În acest sens este necesar un studiu mai
aprofundat asupra condițiilor pe care trebuie să le îndep linească asupra
deosebirilor față de aparatura de ochire pe timp de zi.
Spre deosebire de aparatele de ochire pe timp de zi, la aparatura de ochire
pe timp de noapte, mărirea, capacitatea de colectare a fotonilor (aria pupilei de
intrare) cât și câmpul viz ual sunt independente.
În plus, sensibilitatea de prag, eficiența cuantică și timpul de integrare ale
sistemului sunt optimizabile, în scopul creșterii capacității de percepere vizuale
la nivele scăzute de lumină.
La aparatura de ochire pe timp de noapte c u intensificator de imagine
pupila de ieșire nu este imaginea prin sistem a unei diafragme de apertură din
obiectiv, ci chiar pupila de intrare a ochiului observatorului, deoarece ocularul
acționează ca o lupă prin care se privește ecranul.
Acesta permite creșterea diametrului obiectivului pentru o cât mai bună
capacitate de colectare a radiației, fără a influența mărirea aparatului.
O suprafață mai mare de colectare a luminii cu menținerea constantă a
măririi aparatului, va conduce la îmbunătățirea raportu lui semnal/zgomot, pentru
un diametru al obiectului de 70 mm și un diametru al pupilei de ieșire de 7 mm,
creșterea fluxului colectat este (70/7)2 = 100 ori.
Câmpul vizual este limitat de diametrul ferestrei de intrare a
intensificatorului de imagine, care acționează ca o diafragmă de câmp.
NECLASIFICAT
53 din 170 Semi -unghiul de câmp vizual w este:
obfkf D arctgw'2/
(2.17)
unde:
–
fkD este diametrul fotocatodului;
–
obf' este distanța focală a obiectivului.
Considerând numărul de deschidere al obiectivului
obob
nrDff'
, relația
devine:
nr obfk
fDDarctgw2
(2.18)
Deoarece numărul de deschidere
nrf este limitat la valori în jurul unității,
se observă din relația (2.18) că dacă
obD crește trebuie să crească și
fkD pentru
menținerea câmpului vizual. De remarcat că
w și mărirea pot fi ajustate
independent.
În sistemele de ochire pe timp d e noapte cu intensificatori de imagine
valoarea eficienței cuantice este dată de fotocatod și nu de ochi. Dacă ochiul are
un randament cuantic de 0,5 -0,7% în vederea scotopică. Iar fotocatodul SHD –3
are 5 -25%, se poate aprecia avantajul utilizării intensif icatorului de imagine în
vederea nocturnă.
Dacă durata scindațiilor de pe ecranul intensificatorului de imagine este
mai mare decât timpul de integrare al ochiului, întregul sistem va fi caracterizat
de timpul de integrare al intensificatorului. Totuși, se preferă intensificatoare cu
durata de integrare mai mică decât a ochiului pentru evitarea dificultăților în
percepția vizuală a țintelor mobile.
Cantitatea de informație transmisă de o imagine la creier depinde de
numărul de senzații vizuale create pe du rata timpului de integrare a ochiului. La
rândul său, aceasta depinde de eficiența cuantică, de fluxul de fotoni colectat de
pupila de intrare și de timpul de integrare al sistemului vizual.
Un aspect de care se ține cont în proiectarea sistemelor de ochir e pe timp
de noapte este faptul că în regim nocturn spațiul obiect este caracterizat de:
a) contrast redus între țintă și fond;
NECLASIFICAT
54 din 170 b) număr redus de fotonii reflectați de țintă și utilii pentru formarea
imaginii acestuia (semnal slab);
c) zgomot puternic și aleator;
d) domeniul spectral de lucru diferit față de regimul diurn și variabil de la
o noapte la alta pe parcursul anului sau chiar în aceeași noapte.
2.4 Performanțe privind funcția de transfer optic
Exista o mare varietate de dispozitive și sisteme căror funcție prin cipală
este generarea unei imagini . Aceste dispozitive și sisteme sunt folosite pentru
diferite scopuri și se regăsesc în mai multe aplicații în diferite domenii ale vieții .
Suntem cu toții foarte familiari cu unele din aceste sisteme , cum ar fi aparatul d e
fotografiat și televizorul . Mai puțin familiare sunt sisteme , cum ar fi o lunetă cu
intensificator de imagine care este folosită pentru a amplifica intensitatea unei
scene foarte slab luminată (de exemplu, luminată doar de lumina stelelor ), astfel
încât să poată fi văzută clar de un observator , sau cameră pe bază de
termoviziune care generează o imagine a unui obiect din radiațiile infraroșii pe
care acesta le emite . Sistemele optoelectronice găsesc aplicații în știință ,
medicină , industrie , apărare , supraveghere , spațiu , educație , recreere și o serie de
alte domenii .
Dacă un dispozitiv optoelectronic își poate îndeplini în mod adecvat
sarcinile pentru care este construit , trebuie să fie capabil să producă imagini de o
anumită calitate minimă . Capacitatea de a defini această calitate în termeni
obiectivi este foarte importantă pentru atât pentru utilizator cât și pentru
proiectantul și producătorul sistemului optoelectronic .
Există câțiva parametri care sunt necesari pentru a descrie în totalitate
performa nța unui sistem optoelectronic. O parte din ei sunt specifici unui anumit
tip de aparatură optoelectronică, alții sunt general valabili. Această lucrare este
canalizată pe cea mai importantă caracteristică a unui sistem optoelectronic –
abilitatea de a rep roduce distribuția relativă a intensității din scena în imaginea
finală generată de sistem. Parametrul folosit pentru a descrie acest aspect este
funcția de transfer optic .
NECLASIFICAT
55 din 170 2.4.1 OTF și calitatea imaginii
OTF a unui sistem optic sau optoelectronic este folosit oare ca și
caracteristică de performanță dacă poate fi folosită în anticiparea reacției
sistemului într -un caz particular.
Imaginea unui obiect sau a unei scene generată de un sistem optic este
întotdeauna degradată. În particular, zonele cu intensitate m are sunt transformate
în zone cu intensitate mai mică rezultând astfel o pierdere de contrast și o
rotunjire și prelungire neregulată a contururilor. Acest efect este ilustrat în Fig.
2.3.
Fig. 2.3 Distribuția intensităților unui obiect și imaginii sale,
ilustrând efectele degradării imaginii
Există câteva diferențe între a observa direct un obiect și a observa același
obiect printr -un sistem optic sau optoelectronic. Acesta din urmă va afecta
contrastul de prag pentru obiecte simple cum ar fi țintele disc sau bare verticale.
Factorii principali sunt următorii:
Contrastul imaginii generat pe retină va fi diferit deoarece va fi afectat de
MTF a sistemului optoelectronic ;
Dimensiunile unghiulare ale obiectului pot fi diferite datorită măririi
sistemului optoel ectronic ;
Nivelul general de iluminare aparent va fi diferit ca rezultat al transmisiei
sau amplificării luminii prin sistem ;
Nivelurile de zgomot vor fi diferite datorită transmisiei sistemului,
ineficienței conversiei electronilor în fotoni, zgomotului sup limentar
introdus de curentul de întuneric și datorită limitărilor date de performanța
amplificatoarelor, diferențele de diametru ale pupilelor de intrare și de aici
diferențele de număr de fotoni colectați de la obiect etc.
NECLASIFICAT
56 din 170 Curbele contrastului de prag po t fi determinate experimental pentru
diferite sisteme optoelectronice și apoi utilizate pentru a anticipa distanța la care
un disc de diametru și contrast date poate fi detectat sau diametrul și contrastul
minim necesare a detecta un disc la o distanță dat ă. Aceste curbe reprezintă o
metodă importantă de evaluare a performanței sistemelor optoelectronice, mai
ales în cazurile de detecție a țintelor la distanțe mari. În cazul sistemelor care
operează în zona vizibil și infraroșu apropiat curbele sunt de obic ei reprezentate
de MRC (contrastul minim rezolvabil). Pentru sistemele de termoviziune acestea
sunt reprezentate de MDTD (diferența de temperatură minim detectabilă) când
țintele sunt discuri, sau de MRTD (diferența de temperatură minim rezolvabilă)
când ț intele sunt periodice (bare verticale).
Țintele reale sunt foarte rar atât de simple ca și cele disc sau bare
verticale. În cele mai multe situații practice se impune anticiparea nivelelor
contrastului de prag pentru ținte mult mai complexe. În particular se dorește a se
cunoaște nu numai nivelurile de contrast care permit detecția unui obiect ci și
nivelurile care permit recunoașterea acestuia. Este evident faptul că se pot face
măsurători folosind astfel de ținte. Oricum, este o sarcină relativ dificilă ș i nu
poate fi folosită ca o metodă uzuală de evaluare a sistemelor optoelectronice. În
plus, utilizarea țintelor complexe măresc dificultatea calculului de anticipare a
parametrilor de performanță în faza de proiectare a unui sistem optoelectronic.
Criteri ul Johnson. J Johnson a efectuat o serie de măsurători ale curbelor
contrastului de prag pentru diferite ținte cum ar fi tanc, autoturism de teren,
obuzier, soldat etc. A comparat aceste măsurători cu cele efectuate cu ținte
periodice cu aceleași aparate ș i a făcut o corelare între abilitatea de a executa o
anumită misiune (detecția sau identificarea unei ținte) și abilitatea de a rezolva
un model periodic cu dimensiunea minimă cât dimensiunea minimă a țintei, cu
contrast egal cu cel al țintei și cu un numă r precis de bare (vezi Fig. 2.4).
Rezultatul acestei comparații este dat în tabelul următor.
NECLASIFICAT
57 din 170
Fig. 2.4 Criteriul Johnson pentru recunoașterea unei ținte
Ținta reală Număr de bare pe dimensiunea minimă a țintei
Detecție Orientare Recunoaștere Identificar e
Camion 0.9 1.25 4.5 8.0
Tanc 0.75 1.2 3.5 7.0
Transportor
blindat pe
șenile 1.0 1.5 4.0 5.0
Autoturism de
teren 1.2 1.5 4.5 5.5
Soldat 1.5 1.8 3.8 8.0
Obuzier
105mm 1.0 1.5 4.8 6.0
Tabelul 2.1 Rezultatele corelării între anumite ținte reale
și mo dele de bare paralele
Acțiunile din Tabelul 2.1 sunt definite astfel:
– Detecție: decizia că ținta este prezentă;
– Orientare: determinarea orientării țintei;
– Recunoaștere: asocierea unui obiect cu o anumită clasă de obiecte;
– Identificare: capacitatea de a num i exact obiectul.
Rezultatele acestui studiu reprezintă baza utilizării MDTD și MRTD ca
parametri de performanță a sistemelor pe bază de termoviziune. MDTD face
NECLASIFICAT
58 din 170 posibilă prezicerea distanței la care sistemul termal permite utilizatorului să
detecteze preze nța unei ținte iar MRTD distanța la care utilizatorul poate
recunoaște ținta.
MDTD reprezintă cea mai mică diferență de temperatură între o țintă disc
și fundal care permite observatorului să detecteze ținta folosind camera termală.
MDTD este de obicei rep rezentată ca o funcție de inversul mărimii unghiulare a
țintei.
MRTD reprezintă cea mai mică diferență de temperatură între o țintă
patru bare și fundal ce permite observatorului să rezolve barele țintei folosind
camera termală. Ținta are lățimea spațiilor egală cu cea a barelor, iar lungimea
barei este egală cu de 3.5 ori lățimea unei perechi.
Metoda utilizării curbei MDTD sau MRTD pentru a prezice distanța de
detecție sau de recunoaștere constă în transformarea inversului mărimii spațiale
sau frecvenței s pațiale în distanțe folosind relațiile:
Distanța = h x ρ pentru MDTD, unde h este înălțimea țintei implicate iar ρ
este inversul mărimii spațiale de pe scala MDTD.
Distanța = (h x s)/3.5 pentru MRTD, u nde h este înălțimea țintei
implicate iar s este inversul mărimii spațiale de pe scala MRTD.
Pentru o anticipare exactă a distanțelor este necesar a se lua în considerare
efectul absorbției atmosferice. Aceasta înseamnă că diferența aparentă de
temperatură între țintă și fundal nu este constantă ci se reduce odată cu creșterea
distanței. Funcția ce descrie această atenuare cu distanța va fi diferită în condiții
atmosferice diferite. Poate fi măsurată experimental sau poate fi determinată cu
ajutorul unor ba ze de date cu modele atmosferice, cum ar fi „Lowtran”, și a unui
software specializat.
Teoretic, transmisia atmosferei la o anumită lungime de undă este dată de
legea Lambert -Beer:
D ke D
(2.19)
unde k(λ) este coeficientul de atenuare al atmosferei pentru o lungime de undă λ
și o distanță D. Valoarea coeficientului k(λ) va fi în general diferită pentru
NECLASIFICAT
59 din 170 diferite condiții atmosferice. Factorul cu care diferența de temperatură dintre
țintă și fundal este atenua tă la distanța D este dat de relația:
dr dR ND D
(2.20)
unde N(λ) este radianța relativă a țintei ca funcție de lungimea de undă, R(λ) este
răspunsul spectral relativ al camerei termale ia r integrarea se face pe toată banda
de lungimi de undă la care camera termală răspunde. Dacă admitem că sistemul
termal răspunde la o bandă de lungimi de undă cuprinsă între λ 1 și λ 2 și că N(λ)
și r(λ) sunt constante în această bandă, atunci ecuația de mai sus de simplifică la:
a dD D 2 1 (2.21)
Unde τa(λ) este transmisia atmosferică medie pe toată banda de lungimi de
ungă în care răspunde camera termală.
2.4.2 Variab ile de care depinde OTF
Pentru a defini performanța unui sistem optoelectronic, în mod normal,
este nevoie de mai mult decât o curbă a OTF/MTF. De asemenea, este nevoie de
multă atenție în definirea condițiilor exacte de testare. Principalele variabile de
care depinde OTF/MTF a unui sistem optoelectronic sunt următoarele:
Poziția din câmpul de vedere a sistemului optoelectronic. Pentru
majoritatea sistemelor optice și optoelectronice performanța este diferită în
diferite părți ale câmpului de vedere. De obi cei performanța cea mai bună este în
centrul câmpului și scade spre margini. Schimbările în OTF/MTF fiind mici,
pentru a caracteriza performanța sistemului OTF/MTF se reprezintă doar în
câteva puncte esențiale, in cele mai multe cazuri în centru, la mijloc și la
marginea câmpului.
În general, OTF/MTF este diferit pentru diferite orientări ale mirei de test
(azimutul). În mod normal este suficientă caracterizarea performanței sistemului
din perspectiva OTF/MTF pentru mira așezată orizontal și vertical în fie care din
pozițiile câmpului.
Focalizarea are o influență deosebită asupra OTF/MTF. Cea mai bună
focalizare în orice punct din imagine oferă practic cea mai bună MTF. În orice
caz, în cazul sistemelor de lentile, MTF nu atinge maximul pentru toate
frecvențe le spațiale în aceeași poziție de focus și nici pentru același azimut.
Deci, alegerea frecvenței spațiale și a azimutului sunt variabile semnificative
NECLASIFICAT
60 din 170 pentru definirea poziției de focus pentru care se exprimă MTF. În plus, de obicei
tot în cazul sistemelor de lentile, datorită curburii câmpului, cea mai bună
poziție de focus nu apare în același plan pentru toate pozițiile din câmp. Astfel,
poziția din câmp aleasă pentru focalizare trebuie specificată. În majoritatea
cazurilor aceasta este centrul câmpului.
MTF a sistemelor de lentile depinde foarte mult de numărul de apertură
f/#, care, în cazul multor sisteme optoelectronice, depinde de variabile cum ar fi
amplificarea.
Caracteristicile spectrale ale radiației utilizate de către sistemele și
dispozitivele o ptice și optoelectronice pot afecta semnificativ MTF.
2.5 Cerințe în momentul realizării unui aparat de vedere pe timp de
noapte
2.5.1 Performanța
Reprezintă un factor major în analiza sistemelor de vedere pe timp de
noapte. Multe echipamente de vedere pe timp d e noapte disponibile astăzi
furnizează o imagine adecvată în condițiile unui cer cu lună plină. Evaluând
parametrii sistemelor opto -electronice de vedere pe timp de noapte putem să ne
dăm seama dacă acesta formează cu adevărat o imagine de bună calitate în
condiții de întuneric.
Este foarte posibil ca un tub intensificator de imagine foarte bun în
condiții de lumină scăzută să nu fie cea mai bună alegere pentru nivele de
iluminare mai mari. De asemenea, un intensificator de imagine poate avea
performanțe di ferite în deșert față de o zonă împădurită.
La nivele reduse de iluminare datorită apariției zgomotului se pierde
abilitatea sistemului de a vedea detalii mici; rezoluția și calitatea imaginii va fi
dependentă de cantitatea de lumină. Dacă există suficien tă lumină zgomotul
dispare iar calitatea imaginilor este mult mai bună și nu va mai depinde de
intensitatea luminoasă. Fig. 2.5 ne arată că rezoluția limită la nivele scăzute de
lumină este dependentă de iluminare în timp ce la nivele mai ridicate de lumin ă
este constantă.
NECLASIFICAT
61 din 170 Fig. 2.5 Rezoluția limită
Fotosensibilitatea reprezintă abilitatea sistemelor opto -electronice de
vedere pe timp de noapte de a detecta energia luminoasă și a o converti în
electroni. De obicei, valorile mari reprezintă abilitatea mai bu nă să “vadă”
în condiții de întuneric. Totuși noaptea multă energie luminoasă se găsește
în spectrul infraroșu apropiat decât în zona vizibilă a spectrului. O
fotosensibilitate ridicată la radiația albastră sau la domeniul vizibil al
spectrului nu poate fi la fel de performantă ca a unui sistem cu o
fotosensibilitate scăzută în general, dar cu valori înalte în domeniul
infraroșu apropiat.
Raportul semnal/zgomot acesta este probabil cel mai important factor în
determinarea abilității sistemului să vadă în în tuneric. Acesta poate fi
calculat în mai multe feluri luând rezultatul dorit. Raportul semnal/zgomot
trebuie să ia în calcul fotosensibilitatea fotocatodului la fel de bine ca
eficacitatea ecranului de fosfor în reconvertirea electronilor în imagine
vizibi lă cât și zgomotul introdus de plăcuțele cu micro -canale.
Într-un regim de lumină scăzută densitatea de informație este în principal
determinată de zgomot. În Fig. 2.6 se prezintă două tipuri de mire test
(frecvențe spațiale de 20lp/mm și 60lp/mm) la difer ite niveluri de
iluminare. La niveluri de iluminare foarte scăzute nici o miră nu este
vizibilă. Dacă nivelul de iluminare crește mira de 20lp/mm devine
vizibilă. La aceste niveluri de iluminare informația este dată de
intensificatorul de imagine și este d eterminată în principal de performanța
de zgomot a acestuia.
NECLASIFICAT
62 din 170 Factorii care joacă un rol important în determinarea performanței de
zgomot a unui intensificator sunt:
cantitatea de lumină disponibilă. Zgomotul reprezintă rădăcina pătrată
a cantității de lumi nă. O creștere de 4 ori a nivelului de iluminare
determină o reducere a zgomotului de 2 ori.
Sensibilitatea catodului; eficiența cuantică a fotocatodului este
cuprinsă în domeniul 10% -30%. Plăcuța cu microcanale introduce și
aceasta un zgomot.
Fig. 2.6 Mire test de 20lp/mm și 60lp/mm la diferite condiții de iluminare
(sursa: http://www.lahouxoptics.ru/_files/editor/file/info/productguide.pdf)
Raportul semnal/zgomot este măsurat cu o sursă de wolfram având
distribuția spectrală definită, așa numita sursă 2850 K. Distribuția
spectrală a acestei surse este aleasă să fie similară cu distribuția în
infraroșu a stelelor. Distribuția spectrală a scenei reale depinde nu doar de
circumstanțele de iluminare (infraroșu pentru lumina stelelor și
albastru/verde pentru lună) dar și de capacitatea de reflectare a scenei.
Pădurea reflectă mai bine radiația infraroșie, iar plajele mărilor și
deșerturile mai bine radiația albastru/verde a spectrului. Prin urmare
precizarea valorii raportului semnal/zgomot spectral este de asemenea
foarte importantă în stabilirea performanțelor sistemului de vedere pe
timp de noapte cu intensificatori de imagine.
Câștigul sistemului – trebuie știut că o valoare foarte mare a câștigului
tubului intensificatorului de imagine n u este suficient. Câștigul sistemului
pe ansamblu este hotărâtor și este cuprins între valorile 2000 și 3000.
NECLASIFICAT
63 din 170 Valorile înalte reprezintă o abilitate mai bună a sistemului de a amplifica
lumina și deci o performanță mai bună. Dacă un sistem opto -electronic de
vedere pe timp de noapte posedă o fotosensibilitate și un raport
semnal/zgomot de slabă calitate dar o valoare a câștigului foarte bună
înseamnă că vom avea o imagine strălucitoare dar de slabă calitate. Sau, o
valoare a câștigului foarte mare ar putea să însemne o durată de viață a
tubului scăzută.
Rezoluția – de obicei aceasta este măsurată în lp/mm sau cy/mr. Rezoluția
se măsoară în condiții de iluminare scăzute cât și în condiții de iluminări
de prag. Multe sisteme opto -electronice de vedere pe timp de noapte
prezintă o diferență de valoare a rezoluției între cele două tipuri de
iluminări. Valorile mai mari ale rezoluției determină o abilitate a
sistemului de a forma imagini de calitate. Trebuie avut în vedere faptul ca
multe sisteme opto -electronice de vedere pe timp de noapte prezintă
imagini de bună calitate în centrul câmpului vizual iar calitatea acesteia
scăzând spre periferia câmpului vizual.
2.5.2 Factori externi care influențează performanța sistemelor
optice
Pentru a obține performanțe cât m ai notabile ale unui sistem optic, și în
special în cazul sistemelor optice de vedere pe timp de noapte trebuie să ținem
cont și de următorii factori în demersurile făcute pentru realizarea unui
dispozitiv nou:
Factorii umani
Unul dintre cei mai importanți factori este stresul care este determinant în
condiții de întuneric. Trebuie, de asemenea, ținut cont de faptul ca utilizatorul nu
poate vedea sistemele opto -electronice de vedere pe timp de noapte în momentul
folosirii ceea ce se răsfrânge asupra pozițio nării comutatorului de pornit/oprit.
De asemenea trebuie văzut dacă acest comutator trebuie apăsat tot timpul fiindcă
aceasta produce o oboseală asupra degetului. Fiecare tub de intensificator de
imagine produce la început o imagine strălucitoare după care scade din
intensitate treptat micșorând astfel capacitatea utilizatorului de a vedea scena
dacă acesta nu repornește sistemul. Aceasta poate cauza pierderea unei imagini
la un moment crucial.
Integrarea în domeniul de aplicații dorit
NECLASIFICAT
64 din 170 În această categorie intră caracteristici cum ar fi câmpul de vedere (FOV),
mărirea, mobilitatea, rezistența la intemperii, și faptul dacă distorsiunea10
imaginii afectează calitatea imaginii ținând cont de utilizarea sistemului.
Mărirea și câmpul vizual – dând atenție măriri i și câmpului vizual se ia în
calcul distanța pe care o dorim și câmpul de vedere pe care se face căutarea și
observarea țintelor.
Distorsiunea – Gen 0, Gen I și Gen II cu diametru fotocatodului de 25 mm
cu focalizare electrostatică care realizează și inv ersarea imaginii produc o
distorsiunea geometrică a imaginii cu siguranță. În Gen III și Gen II cu
diametrul fotocatodului de 18 mm distorsiunea geometrică este eliminată sau
este foarte slabă.
Masa se răsfrânge asupra mobilității sistemului. Ultimele gene rații de
intensificatoare de imagine au dimensiuni foarte reduse. Se poate opta, dacă este
permis, pentru alegerea unui intensificator de imagine cu diametrul
fotocatodului 16mm a cărui dimensiuni sunt substanțial diminuate iar
performanțele per ansamblu s unt aceleași (Fig. 2.7).
Fig. 2.7 Intensificatoare de imagine
Rezistența la intemperii
Capacitatea sistemelor opto -electronice de vedere pe timp de noapte de a
opera în diferite condiții meteorologice reprezintă un factor important.
Rezistența la umiditate și umezeală este vitală. Dacă un sistem opto –
electronice de vedere pe timp de noapte este folosit de trupe care luptă pe
ape, flotabilitatea acestuia este necesară și, deci, va constitui un factor
hotărâtor.
10 DISTORSIÚNE s.f. 1. Aberație a unei imagini sau a unei oscilații de la forma inițială. 2. Răsucire, torsiune a
unei părți a corpului. [Pron. -si-u-, var. (rar) distorsie s.f. / cf. fr. distorsion , lat. distorsio ] (sursa: http://dictio.ro);
NECLASIFICAT
65 din 170 Costul
Evaluarea factori lor de mai sus au un impact asupra costului aparatului.
Trebuie ținut cont de posibilitatea reparării aparatului. Trebuie să ținem cont de
cât de des ai nevoie de un nou tub intensificator de imagine, (durata de viață a
I.I.); Care este probabilitatea de r eparație?; Dacă bateriile sunt disponibile?; Ce
se întâmpla la expunerea la lumină puternică? Gen II și III dispun de un sistem
de protecție la lumină puternică. Acesta protejează tubul intensificatorului de
imagine (I.I.) și sporește viața acestuia.
Tendi nțe de dezvoltare
În ceea ce privește realizarea aparatelor de vedere pe timp de noapte pe
plan mondial se manifestă următoarele tendințe:
– perfecționarea sistemelor cu intensificatoare de imagine;
– înlocuirea sistemelor cu intensificatoare de imagine cu sis teme cu
imagine termală sau combinarea acestora pentru obținerea unei marginii
cât mai clare;
– reducerea dimensiunilor și gabaritului.
Concluzii
Importanța studierii parametrilor de performanță ale aparatelor de vedere
pe timp de noapte atât cu I.I, cât și pe bază de termoviziune crește odată cu
nivelul de dificultate al misiunilor de îndeplinit ale aparatelor respective. În
cadrul acestui studiu trebuie să se țină cont și de caracteristicile minime ale
fiecărui sistem, cât și de factorii care pot influența calitatea imaginii obținută cu
ajutorul acestuia.
Studiul teoretic al funcției de transfer optic, cât și a celorlalți parametri
care caracterizează calitatea imaginii a scos în evidență că nu se poate defini o
limită pe care un sistem trebuie să o ating ă, ci trebuie respectate intervalele de
performanță impuse de misiunea de îndeplinit.
Performanța unui sistem de observare pe timp de noapte trebuie analizată
și din punct de vedere al factorului financiar, cât și al factorilor externi, precum
rezistența la intemperii, masa.
NECLASIFICAT
66 din 170
PAGINĂ ALBĂ
NECLASIFICAT
67 din 170 CAPITOLUL 3
STUDIUL TEORETIC AL ELEMENTELOR CARE DEFINESC
CALITATEA IMAGINII PRIN SISTEMELE OPTICE
3.1 Generalități
Performanța unui sistem optoelectronic reprezintă totalitatea aspectelor ce
sunt în legătură cu capacitatea acestuia de a executa o anumită misiune. Această
misiune poate fi definită în termeni relativ obiectivi, cum ar fi capacitatea de a
detecta sau urmări o anumită țintă la o distanță dată, sau în termeni subiectivi,
cum ar fi capacitatea de a reda o imagine care să convină observatorului.
Exista o mare varietate de dispozitive și sisteme căror funcție principală
este generarea unei imagini . Aceste dispozitive și sisteme sunt folosite pentru
diferite scopuri și se regăsesc în mai multe aplicații în diferite domenii ale vieții .
Suntem cu toții foarte familiari cu unele din aceste sisteme , cum ar fi aparatul de
fotografiat și televizorul . Mai puțin familiare sunt sisteme , cum ar fi o lunetă cu
intensificator de imagine care este folosită pentru a a mplifica intensitatea unei
scene foarte slab luminată (de exemplu, luminată doar de lumina stelelor ), astfel
încât să poată fi văzută clar de un observator , sau cameră pe bază de
termoviziune care generează o imagine a unui obiect din radiațiile infraroșii pe
care acesta le emite . Sistemele optoelectronice găsesc aplicații în știință ,
medicină , industrie , apărare , supraveghere , spațiu , educație , recreere și o serie de
alte domenii .
Aparatele care realizează formarea de imagini se individualizează prin
urmă toarele proprietăți:
Semnalul optic purtător este furnizat de un sistem de iluminare;
Informația preluată, transmisă și „prelucrată” de aceste aparate optice este
descrisă de funcția obiect, adică distribuția transmitanței sau reflectanței
unui obiect tran sparent sau, respectiv, opac;
Traductorul sau senzorul este practic planul de punere la punct al
sistemului optic, materializat de plasarea receptorului utilizat (peliculă
fotosensibilă, fotodetector, ochi);
Transmiterea și prelucrarea optică a informației sunt realizate de sistemul
optic (obiectivul foto sau de proiecție, obiectivul lunetei sau de
microscop).
NECLASIFICAT
68 din 170 Calitatea și acuratețea observării prin aparatura de vedere pe timp de
noapte cu intensificatori de imagine depinde de modul în care spectrul de radi ații
emise din câmpul obiect este convertit (prin intermediul sistemului optic și al
intensificatorului de imagine din componența aparatului) în senzații și percepție
vizuală. Creșterea performanțelor de vedere se poate realiza fie prin
modernizarea intens ificatorului, fie prin calitatea concepției și execuției
sistemului optic.
Arhitectura performanțelor de observabilitate ale unui aparat de vedere pe
timp de noapte cuprinde următoarele structuri fizice funcționale:
– fotocatodul și ecranul intensificatorulu i de imagine;
– acoperirile optice antireflex;
– compoziția și forma lentilelor sistemului optic.
Aceste structuri sunt sensibil dependente de domeniul spectral al radiației
primite din câmpul obiect, ultimul fiind global conceput sub forma unei ținte
profilat e pe un fundal, ambele caracterizate spectral de factorul lor de reflexie.
Analizând similitudinile dintre aparatele de vedere pe timp de noapte cu
intensificatori de imagine, cât și aparatele de vedere pe timp de noapte pe bază
de termoviziune, suportul teoretic al estimării calității imaginilor obținute
utilizând unul dintre cele două sisteme este aproape identic. În vederea
îndeplinirii obiectivelor lucrării se vor analiza elemente teoretice care descriu
capacitatea și performanțele unui aparat de veder e pe timp de noapte pe bază de
termoviziune. În cadrul acestei analize vor fi prezentate două modele pentru
determinarea probabilității de detecție a țintelor, ceea ce implică calitatea
imaginilor captate din câmpul de luptă, cât și capacitatea sistemului de a
identifica ținta.
3.2 Descrierea generală a modelelor matematice care caracterizează
performanțele echipamentelor pe bază de termoviziune
NVTherm (Night Vision Thermal Imaging System Performance Model)
este un model matematic utilizat pentru radiația ter mică, corespunzătoare
spectrului infraroșu mediu și îndepărtat ce estimează diferența de temperatură
minimă rezolvabilă care poate fi rezolvată de sistemul om -echipament de bază
de termoviziune și performanțele echipamentului pe bază de termoviziune
referi toare la distanța de detecție a țintelor.
NECLASIFICAT
69 din 170 Fig. 3.1 Schema unei activități de cercetare
(sursa: Lt. ing. ȚURCANU Eugen, Contribuții la analiza de sistem a echipamentelor pe bază de termoviziune,
Teză de doctorat, ATM, București, 2009)
Fig. 3.1 indică rel ațiile dintre Modelul NVTherm, măsurătorile efectuate
în laborator și performanțele operaționale din teren. Modelul estimează diferența
de temperatură minimă rezolvabilă obținută, utilizând un anumit detector și un
display, iar aceasta poate fi verificată prin măsurătorile efectuate în laborator.
Modelul estimează și performanțele de observare a unor ținte, care pot fi
obținute pe baza experimentelor efectuate în laborator și în teren, unde se
utilizează parametrii unui detector de bază pentru a estima perf ormanțele
obținute, făcând astfel legătura între diferența de temperatură minimă
rezolvabilă și performanțele operaționale.
În cadrul sistemului NVTherm, funcțiile de transfer ale modulației (MTF)
pentru întreg sistemul sunt presupuse ca fiind independente , detectorii fiind
analizați separat pe verticală și orizontală, totodată efectuându -se calculul
estimativ al performanței pe baza celor două analize. Funcția de împrăștiere a
punctului și cea de transfer a modulației asociată, sunt presupuse a fi separabi le
în sistemul de coordonate carteziene. Această presupunere reduce analiza la o
singură dimensiune, astfel încât calculele complexe nu mai sunt necesare.
Această ipoteză permite determinarea, printr -un calculul rapid a performanțelor
NECLASIFICAT
70 din 170 detectorilor.
NVTherm este ultimul model din gama modelelor termale „Night Vision
Laboratory Static Performance Model for Thermal Viewing Systems"
(N.V.E.S.D.), inițial acesta fiind numit Night Vision Laboratory (N.V.L.).
Primul model termal N.V.E.S.D., care include versiunile ulterioare FLIR90 și
FLIR92, a fost studiat și publicat de către J.A. Ratches și alții, în 1975. Modelul
original din 1975, include atât estimarea diferenței de temperatură minimă
rezolvabilă cât și performanțele de observare a țintelor utilizând criteriu l
Johnson. FLIR90 și FLIR92 estimează doar diferența de temperatură minimă
rezolvabilă, aceasta fiind dată de intrare pentru modelul Acquire care utilizează,
de asemenea, criteriul Johnson pentru a se evalua observarea țintelor. NVTherm
folosește tipologia originală ce include estimarea distanței și a diferenței de
temperatură minimă rezolvabilă, în cadrul aceluiași soft.
Modelele FLIR92 și Acquire utilizează estimări ale performanțelor de
observare a țintelor care pot fi detectate de aparatura ce utilizeaz ă prima și a
doua generație de senzori termali. NVTherm extinde aceste modele pentru a
oferi estimări ale performanțelor și pentru aparatura matriceală. Acesta
generează temperatură minimă rezolvabilă pe două dimensiuni, care este folosită
în criteriul Joh nson, pentru a estima probabilitatea de detecție, recunoaștere și
identificare a unei ținte, în funcție de distanță. În versiunea curentă a NVTherm,
a fost modificată doar estimarea diferenței de temperatură minimă rezolvabilă,
față de modelele anterioare NVESD, așa cum este FLIR92. Criteriul Johnson
este utilizat ca probabilitate de a estima performanțele pe baza diferenței de
temperatură minimă rezolvabilă.
NVTherm înlocuiește modelul termal FLIR92, deoarece modelele pentru
aparatura matriceală au două ca racteristici care pot conduce la erori în modelul
amintit. Mai întâi, datorită sensibilității noului model de matrice, limitările
contrastului pentru ochi pot fi importante în stabilirea limitelor performanțelor,
această limitare a contrastului nefiind inc lusă în teoria modelului FLIR92. În al
doilea rând, pentru senzorii matriceali, limitările referitoare la dimensiunile
detectorului, intervalele și factorul de umplere pot conduce la o subeșantionare,
iar eșantionările ulterioare pot afecta performanțele. În ceea ce privește
eșantionarea, FLIR92 a impus reducerea la jumătate a numărului acestora.
Aceasta cuplată cu criteriul Johnson de estimare a performanțelor în funcție de
distanță, a condus la evaluări nerealiste pentru majoritatea senzorilor matriceali.
NECLASIFICAT
71 din 170 3.3 Modelul Flir92 privind determinarea probabilității de detecție a
țintelor
3.3.1 Modelul observatorului
Teoria estimează abilitatea observatorului de a detecta o singură bară din
cele patru ale unei mire. Abilitatea ochiului uman de a identifica „mire", într -o
imagine plină de zgomot, se evaluează presupunând că sistemul vizual deține un
anumit filtru care scoate în evidență obiectul. Semnalul trecut prin sistemul
vizual este detectat, expresia zgomotului este derivată, iar formula pentru
temperatura minimă rezo lvabilă (MRT) este determinată utilizând nivelul
zgomotului pentru fiecare frecvență.
Funcția de transfer a modulației (MTF) a senzorului și ochiului va
distorsiona imaginea mirei test. Efectul de distorsiune poate fi modelat în
frecvență prin multiplicare a Transformatei Fourier a „mirelor" din senzor și
funcția de transfer a modulației. După trecerea de filtrul sistemului vizual,
semnalul maxim S L de-a lungul lungimii mirelor este:
11 ( ) ( ) ( ) ( )L e L LS LL H f H f H f H f df
(3.1)
unde:
H(f) – funcția de transfer a modulației (MTF) a sistemului;
He(f) – transformata Fouriei a mirei;
sin( )()efLHff
(3.2)
( ) ( ) ( )eL H f H f H f
– transformata Fourier a mirei studiate;
SL – se determină din inversa transformatei Fourier, la centrul mirelor (cantitatea
de sub integrală din ecuația 3.1);
L1HL1 – filtrul realizat de sistemul vizual care integrează semnalul în zona
mirelor.
HL1 este egal cu H L doar pentru mire test scurte, ochiul neintegrând
intensitatea de -a lungul barelor lungi. Integrarea ochiului este limitată la un
unghi de 4mrad în cazul utilizării modelului NVTerm, iar la modelul tradițional
NECLASIFICAT
72 din 170 HL1 este egal cu H L pentru toate lungimile mirelor.
Funcția de transfer a modulației H(f) a siste mului, pentru detectori
termici, este în general dată de funcția de transfer a opticii, de cea a circuitelor
părții electronice și de cea a display -ului. Zgomotul detectorului este cel mai
important, așa că H N(f) constă din multiplicarea funcției de transf er a modulației
detectorului cu cea a display -ului.
3.3.2 Raportul semnal -zgomot al detectorului
În descrierea modelului de calcul se va ține cont doar de zgomotul generat
de detector. Acest model de calcul permite predicția corectă a performanței unui
echipamen t pe bază de termoviziune. Din punct de vedere practic este probabil
ca sistemele de termoviziune să fie limitate de zgomotul detectorului.
Detectivitatea spectrală (D λ) este folosită pentru a specifica zgomotul într –
un sistem de termoviziune:
1DNEP
(3.3)
unde:
NEP λ – reprezintă puterea echivalentă a zgomotului spectral și reprezintă
puterea semnalului monocromatic necesar să producă un zgomot a cărui
rădăcină medie pătratică este egală cu unitatea.
*
det D D A f
(3.4)
unde:
Δf – lățimea de bandă temporală iar A det este aria unui detector din matricea de
detectori.
Pentru caracterizarea performanței echipamentului pe bază de
termoviziune, se utilizează valorile
D și răspunsul relativ al detectorului la alte
lungimi de undă.
*
peakDD la lungimea de undă corespunzătoare răspunsului de vârf;
s(λ) – răspunsul la lungimea de undă λ normaliz ată la răspunsul de vârf.
NECLASIFICAT
73 din 170 Puterea spectrală radiantă pe matricea de detectori este calculată cu
formula:
2
#4scene
fpaLEF
(3.5)
unde:
Efpa = watt · cm-2 · u-1 pe matricea de detectori;
Lscenă = watt · cm-2 · u-1 · str-1 de la scena termală;
τ – transmisia atmosferică a părții optice.
Toți cei trei parametri sunt dependenți de lungimea de undă λ.
Puterea spectrală radiantă pe un singur detector al matricii va fi:
det
det 2
#4scene ALEF
(3.6)
Așadar, rezultă raportul semnal/zgomot într-un singur detector:
*
peak det
det det2()et SD E S dNA
(3.7)
*2
peak #
det det2()4e
scenet SD F L S dNA
(3.8)
unde:
Δλ – banda spectr ală a snezorului;
Adet – aria detectorului;
te – timpul de integrare a ochiului.
Măsurarea temperaturii minime rezolvabile (MRT) se face cu ajutorul
unui corp negru și a unor mire tip bare orizontale și verticale așezate în fața
acestuia.
NECLASIFICAT
74 din 170 Pentru estimare a diferenței de radianță spectrală care rezultă la o
temperatură de 300[K], se folosește următoarea ecuație:
()( , )
scene
tempLTLT
(3.9)
unde:
L(λ,T) – ecuația lui Planck pentru radiația emisă de un corp n egru;
T – temperatura;
Γ – amplitudinea diferenței de temperatură aparentă a corpului negru.
Constatare:
– Atâta timp cât barele sunt în preajma temperaturii de 300[K], natura
spectrală a diferenței de semnal este aproximată cu derivata parțială a
ecuației corpului negru, considerând temperatura de evaluare ca fiind
300[K].
Așadar rezultă ecuația raportului semnal/zgomot:
*2
peak #
det det2
4et SDFNA
(3.10)
unde:
( , )()LTSdT
(3.11)
Se observă că valoarea raportului semnal/zgomot al unui singur detector
este invers proporțională cu valoarea ariei detectorului respectiv.
Constatare:
– Într-un unghi solid de 1 steradian, raportul semnal/zgomot va crește cu
rezultatul relației
2
0
detF
A , unde F 0 este distanța focală efectivă a
NECLASIFICAT
75 din 170 obiectivului.
– În acest caz rezultă un raport semnal/zgomot dat de relația:
*2
0 peak #
det24eSF D t FN
(3.12)
3.3.3 Ecuațiile diferenței de temperaturi minim rezo lvabile
Mai jos sunt prezentate ecuațiile raportului semnal/zgomot perceput de un
observator uman pentru două bare de temperaturi diferite:
detrad W L
WLSN S S S
N BB
(3.13)
*
0 peak
2
det #2
4e W L
WLF D t S S S
N F B B
(3.14)
unde:
Bw, BL – filtrele de zgomot.
Ecuația (3.14) se utilizează în cazul senzorilor în care detectorii ocupă
întreaga suprafață a imaginii. Dacă factorul de umplere, pentru detectori, este
subunitar, raportul semnal/zgomot v a descrește și este nevoie de a se defini un
factor de eficiență în ecuația semnal zgomot:
____efdurata necesar ăfactorul de umpleredurata disponibil ă
(3.15)
*
0 peak
2
det #2
4e ef W L
WLF D t S S S
N F B B
(3.16)
La nivel prag, Γ este temperatura minim ă rezolvabilă (MRT). De
asemenea, raportul semnal/zgomot al ochiului
detS
N
este echivalent cu raportul
detS
N
prag (SNRT). Pentru echipamentul pe bază de termoviziune, nivelul
temperaturii minim rezolvabile este dat de următoare ecuație:
NECLASIFICAT
76 din 170
2
#
*
0 peak 2 ( )WL
e ef LSNRT F f B BMRT
F D t H f S
(3.17)
Timpul de scanare este redus cu raportul dintre suprafața detectorului și
suprafața imaginii pe matrice. Aceasta, se poate utiliza substituind următoarea
expresie pentru eficiența sistemului :
2()scan d d
effNA
FOVH FOVV
(3.18)
unde:
ηscan – eficiența de scanare;
Nd – numărul de detectori;
FOVH – câmpul de vedere orizontal, în radiani;
FOVV – câmpul de vedere vertical, în radian i.
3.3.4 Zgomotul introdus de ochi
Când zgomotul senzorului se apropie de zero și funcțiile de transfer a
modulației senzorului se apropie de 1, predicția performanței temperaturii minim
rezolvabile (MRT) dată de ecuația (3.18) este nelimitată, limitările date d e ochi
lipsind evident din această ecuație. Kornfeld și Lawson au apreciat că,
introducerea influenței ochiului în ecuația de zgomot a senzorului, ar conduce la
îmbunătățirea modelului. Se presupune că zgomotul dat de ochi este o fracție
constantă din func ția de transfer a contrastului (CTF). Dacă N e reprezintă
zgomotul dat de ochi , Se reprezintă semnalul înainte de a ajunge la ochi și A L
este luminanța adaptivă, atunci:
2 2 tmp L L
eS K CTF A CTFNSNRT SNRT
(3.19)
unde:
Se – semnal ul înaintea ochiului;
AL – media luminanței display -ului;
KL – convertește diferența de temperatură a scenei, în diferența de luminanță a
NECLASIFICAT
77 din 170 display -ului;
L
tmp
LASK
– diferența de temperatură din scenă, care este transformată în diferență
de luminanță a display -ului și este egală cu luminanța medie a acestuia.
Imaginea termală este alcătuită din diferențe mici de temperatură și
emisivitate ale țintei. Luminanță zero pe display corespunde energiei radiante
minime a scenei și nu energiei radiant e zero.
Așadar, raportul semnal/zgomot total devine:
22
221
4 1
( ( ))ttmp
senS
N S CTF
SN SNRT H f
(3.20)
La prag, raportul semnal/zgomot total devine egal cu SNRT, MRT se află
rezolvând ecuația de mai sus pentru Γ, deoarece Γ devine temperatu ra minimă
rezolvabilă la nivel de prag.
2
2
# 22
*
0 peak() 14
2WL
tmp
e ef LSNRT F f B BMRT S CTFH F D t S
(3.21)
Această ecuație nu efectuează predicții ale MRT măsurate în
laborator , deoarece S tmp variază de -a lungul procedurii fără nici un control
asupra luminanței display -ului sau contrastului.
3.3.5 Selecția țintelor
Tendința unui echipament format din matrice de detectori, de a produce
grupuri de răspunsuri este cuantificată în funcția de răspunsuri greșite (false) a
sistemului. Rezultatele obținute privind modalitățile de rec unoaștere și
identificare a țintelor au fost determinate prin două experimente intuitive. Astfel
a fost dezvoltat modelul de MTF restrânsă. Modelarea performanței ca urmare a
acestui fenomen s -a făcut în sensul creșterii nivelului de „întunecare" a imagini i
sistemului, sau, echivalent, o restrângere (o contracție) a MTF echipament.
Rezultatele acestor experimente au fost folosite la calibrarea modelului de MTF
„restrâns", pentru recunoașterea și identificarea țintelor. Ecuațiile au fost
dezvoltate atât pent ru recunoașterea cât și pentru identificarea țintelor, în sensul
cuantificării cantității de „restrângere" ce trebuie aplicată MTF, pentru a se ține
NECLASIFICAT
78 din 170 cont de scăderea performanței sistemului cauzată de răspunsurile false.
Recunoașterea țintei este afectată de ambele tipuri de răspunsuri false (în
bandă și în afara benzii). Identificarea țintei a fost afectată doar de răspunsurile
false din afara benzii, pe măsură ce gradul sarcinii de realizat (detecție,
recunoaștere, identificare) crește, influența răspunsu lui fals din afara benzii fiind
tot mai pronunțată.
3.3.6 Modelul funcției de transfer a modulației
Prin experimente succesive, s -a încercat determinarea influenței
eșantionării asupra recunoașterii și identificării vehiculelor tactice. Au fost
utilizate o varie tate de distorsii: preeșantionate, posteșantionate sau din
intervalul de eșantionare. Datele pentru fiecare combinație au fost stocate fără
nici un răspuns parazit (acest lucru se întâmplă dacă se folosește un interval
restrâns de eșantionare). Aceste date ne furnizează probabilitatea de
recunoaștere și identificare în funcție de distorsiile totale când nu este răspuns
parazit.
Pentru fiecare caz în care avem răspuns parazit, găsim alternativele fără
răspuns parazit care ne conferă aceeași probabilitate de recunoaștere și
identificare. S -a folosit o curbă pentru a asocia distorsia la un moment dat (cu
răspuns parazit) cu distorsia de bază (fără răspuns parazit) care ne conferă
aceeași probabilitate de recunoaștere și identificare.
Efectul eșantionării asupr a performanței s -a dovedit a fi o funcție separate
a răspunsului parazit în fiecare dimensiuni. Pentru cazul în care sunt aplicate
eșantionări pe verticală și orizontală, distorsiunile relative cresc (RI) pentru
cazul recunoașterii:
1
1 0,32RISR
(3.22)
unde:
SR – reprezintă un răspuns parazit.
Conform teoriei Similarității, o creștere proporțională în domeniul spațial
este echivalentă cu o contracție în domeniul frecvenței. Aceasta transformă o
creștere a distorsiei echivalente într -o contracție a funcției de transfer a
NECLASIFICAT
79 din 170 modulației, sau a MTF restrânse, și permite ca tehnica distorsiei echivalente să
poate fi ușor aplicată performanțelor modelelor. În locul unei creșteri în mărime
a punctului de împrăștier e al funcției, funcția de transfer a modulație se
contractă.
MTF restrânsă pentru recunoaștere este:
1 0,32 1 0,32restrâns H V MTF SR SR
(3.23)
unde:
SR VsauH – reprezintă răspunsul parazit în cazul în care se aplică eșantionarea pe
verticală sau pe orizontală.
Rezultatul experimentului de identificare folosind vehicule ne sugerează
faptul că identificarea țintei este afectată într -o mare măsură de răspunsul parazit
din afara benzii și mai puțin de cel din bandă.
Constatări:
În fiecare pun ct al curbei MTF, frecvența este scalată de factorul de
contracție f (Fig. 3.2).
Fig. 3.2 MTF redusă
(sursa: Lt. ing. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 48)
NECLASIFICAT
80 din 170 Factorul de identificat MTF redus se calculează folosind ecuația de mai
jos, iar efectul eșantionării s -a dovedit a fi diferit dacă ne raportăm la
dimensiunile pe verticală și orizontală.
11redus Hdinafarabenzii VdinafarabenziiMTF SR SR
(3.24)
unde:
inafarabenzii inbandaSR SR SR
(3.25)
3.4 Modelul NVTherm privind predicți a distanței de identificare
Temperatura minimă rezolvabilă cuantifică pragul de vizualizare a unei
scene cu ajutorul unei camere termale. Performanța metrică, reprezintă liantul
dintre caracteristicile senzorului și performanța sarcinii, modelul NVTherm
utilizând criteriul Johnson pentru a determina domeniul de performanță așteptat
pentru un anumit senzor.
Senzorul este modelat în detaliu, dar ținta, fundalul și observatorii sunt
tratați per ansamblu. Țintele sunt descrise după dimensiuni și contrastul medi u
față de fundal (modelul nu tratează o țintă specifică într -un fundal specific). O
situație generalizată se poate însă modela cu precizie folosind criteriul Johnson.
De exemplu, identificarea în mod sigur a unui tanc 7 -62 nu poate fi
estimată cu precizie. O problemă deosebită ce poate apare atunci când se fac
astfel de predicții, este faptul că sensibilitatea vizuală nu este definită. Această
sensibilitate vizuală reprezintă întotdeauna o comparație. Identificarea corectă a
faptului că un tanc este un mode l T-62 și nu T -72, este mult mai dificil de
realizat decât distingerea unui tanc model T -62 sau unul M1.
NECLASIFICAT
81 din 170 Fig. 3.3 Generarea diferenței de temperatură minimă rezolvabilă (DTMR sau
MRTD) în 2D folosind MRTD orizontal (H MRTD) și vertical (V MRTD)
(sursa: Lt . ing. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 49)
Problema identificării sau a recunoașterii vehiculelor tactice devine mai
complicată deoarece sunt necesare identificarea anumitor grupuri de vehicule,
nu unele singulare. O problemă care apare la folosirea criteriulu i Johnson este
aceea că mărimea și contrastul fundalului nu reprezintă informații suficiente
pentru a viza o țintă.
Observatorii pot fi mai numeroși, iar performanța se obține din vizarea și
identificarea unui grup de ținte. Pentru ca probabilitatea de a s e face o
identificare corectă să fie de 90%, trebuie ca 9 din 10 observatori să fi identificat
corect, fiecare, cel puțin 9 vehicule dintr -un grup de 10. Din fericire, vehiculele
militare pot fi catalogate și grupate după mărime și alte caracteristici. De
exemplu, la întrebarea ,,care este probabilitatea ca un observator antrenat,
folosind un anume sistem de observare, poate face deosebirea între un tanc
european și unul asiatic, aflate la o distanță de 5km", se poate răspunde destul de
precis folosind acea stă metodă.
3.4.1 Temperatura minimă rezolvabilă bidimensională
O singură temperatură minimă rezolvabilă bidimensională este generată
prin combinarea senzorilor pe verticală și pe orizontală. Această procedură este
ilustrată în Fig. 3.3, iar frecvențele orizonta le și verticale obținute la fiecare
temperatură sunt mediate geometric.
Această metodologie se bazează pe studiile lui John Johnson, iar testele
NECLASIFICAT
82 din 170 din teren și laborator au demonstrat că modelul de achiziție a țintei prezentat
poate fi destul de precis în ge neral, însă când se încearcă o descriere mai
amănunțită a țintei, rezultatele pot fi destul de variate:
Pașii în măsurare distanței de observare:
a) Sunt măsurate rădăcina pătrată a ariei țintei și contrastul termic între țintă
și fundal. Ținta standard are a ria de 2 -3m2 și contrastul de 1,25°K
(Exemplu: aria țintei = 1m2, contrastul = 0,5°K);
b) Temperatura aparentă falsă de distanță, este calculată folosind legile lui
Beer sau un program de transmisie atmosferică. (Exemplu: transmisia
atmosferică= 0,7/km);
c) Se a lege un criteriu ciclic în funcție de caz, precizia măsurării și
dificultatea analizei (Exemplu: probabilitatea de recunoaștere = 50%);
d) Pentru N cicluri în jurul dimensiunii minime a țintei H țintă (m) la o distanță
de R (km), frecvența spațială F (cicluri/ miliradian) poate fi calculată cu
ecuația de mai jos:
tintaNRFH
(3.26)
Utilizând această ecuație se poate trasa graficul MRT ca o funcție de R
(Fig. 3.4)
Fig. 3.4 Determinarea distanței de observare folosind criteriul Johnson
NECLASIFICAT
83 din 170 Diferența de temperatură minimă rezolvabilă (MRTD) bidimensională se
determină folosind MRTD verticală și orizontală.
Frecvența spațială H și V, determină frecvența spațială a MRTD
bidimensionale.
2d
(3.27)
unde:
ξ – frecvența spațială orizontală;
η – frecvența spațială verticală.
MRTD trasată grafic în funcție de cele 2 frecvențe reprezintă MRTD
bidimensională.
Constatare:
– Această conversi e nu conduce la aplicarea unei corecții temperaturilor.
3.4.2 Probabilitatea de detecție
Procedura pentru trasarea curbelor probabilităților de detecție,
recunoaștere sau identificare este simplă. Sunt necesari patru parametri pentru a
genera probabilitatea stat ică a curbei de discriminare ca funcție de distanță:
contrastul țintei, dimensiunile caracteristice, o estimare a transmisiei atmosferice
în banda de interes pentru o serie de distanțe în jurul celei de interes, precum și
diferența de temperatură minimă re zolvabilă (MRTD) bidimensională a
senzorului.
NECLASIFICAT
84 din 170 Fig. 3.5 Estimarea grafică a MRTD
(sursa: Lt. ing. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 51)
Se determină transmisia atmosferică și se calculează temperatura aparentă
a unui corp negru, pe baza reduceri semnalului dator ită atmosferei. Odată
obținută temperatură diferențială aparentă, se determină frecvența spațială
corespunzătoare cea mai înaltă care poate fi detectată de către senzor. Aceasta se
realizează prin determinarea frecvenței spațiale (pe curba MRTD) care
cores punde temperaturii diferențiale aparente a țintei. „Linia de detectare a
țintei" este contrastul țintei modificat de către transmisia atmosferică. Numărul
de cicluri de -a lungul dimensiunii critice a țintei care poate fi rezolvat de către
senzor la o anumi tă distanță determină probabilitatea de discriminare
(detecție, recunoaștere sau identificare) a țintei la acea distanță.
cdNR
(3.28)
unde:
ρ – frecvența spațială maximă rezolvabilă [cy/ mrad];
dc – dimensiunea caracteristică a țintei [m];
R – distanța de la senzor la țintă [km].
cd wh
(3.29)
unde:
NECLASIFICAT
85 din 170 w – lungimea țintei;
h – înălțimea țintei.
Concluzii
Așadar se observă că ec hipamentele pe bază de termoviziune, pe lângă
atingerea unor rezoluții superioare, posedă și un raport semnal/zgomot net
superior, comparativ cu generațiile mai vechi ale acestor tipuri de echipamente.
Modelele care abordează echipamentele pe bază de termoviziune, baza pe
teoria tradițională (FLIR92 – pentru aparatura care utilizează senzori din prima
și a doua generație), nu au luat în considerare și caracteristicile psihologice ale
observatorului și li mitările ochiului. NVTherm îmbunătățește teoria adăugând o
variabilă SNRT și luând în considerare limitările de contrast ale ochiului când se
construiește MRT. Aceste schimbări au un efect minor asupra stabilirii
performanțelor primelor camere termale însă pot fi semnificative când vorbim
de performanța unui șir de imagini.
Există un număr de caracteristici care îmbunătățesc probabilitatea de
detecție, recunoaștere sau identificare a sistemelor care funcționează în spectrul
infraroșu:
– ținte de dimensiuni ma ri;
– contrast țintă -mediu înconjurător mare;
– emisivitate mai mare a țintei;
– valori mai mici ale diferenței de temperatură minimă rezolvabilă (ca
funcție a frecvenței spațiale);
– câmpuri vizuale mai mici.
NECLASIFICAT
86 din 170
PAGINĂ ALBĂ
NECLASIFICAT
87 din 170 CAPITOLUL 4
METODE EXPERIMEN TALE ȘI SISTEME DE
CONTROL AL MARIMILOR CARE
CARACTERIZEAZĂ CALITATEA IMAGIN II PRIN
SISTEME OPTOELECTRONICE
4.1 Generalități
Performanța unui sistem optoelectronic reprezintă totalitatea aspectelor ce
sunt în legătură cu capacitatea acestuia de a executa o an umită misiune. Această
misiune poate fi definită în termeni relativ obiectivi, cum ar fi capacitatea de a
detecta sau urmări o anumită țintă la o distanță dată, sau în termeni subiectivi,
cum ar fi capacitatea de a reda o imagine care să convină observator ului.
Termenul de „calitatea imaginii” este de obicei utilizat într -un sens
restrictiv pentru a descrie finețea detaliilor din imagine ce pot fi rezolvate.
Acesta este doar unul dintre parametrii de performanță ai unui sistem
optoelectronic de vedere pe ti mp de noapte și poate cel mai important. De
asemenea este parametrul care se află în strânsă legătură cu funcția de transfer
optic.
Problema verificării sistemelor optice se pune încă din momentul
proiectării, apoi în timpul procesului tehnologic și în sfâ rșit, când sistemul optic
este realizat. Verificările urmăresc toate aspectele: calitatea materialelor utilizate
(a sticlei optice în particular); verificarea componentelor optice (calitatea
suprafețelor optice, planeitatea, razele de curbură, unghiurile p rismelor,
grosimi); verificarea sistemului optic ca produs finit. De asemenea, trebuie arătat
că toate metodele de reglare a sistemelor optice constituie metode de verificare
(de exemplu, metode de centrare a lentilelor, de aliniere a imaginilor, de
autoco limație11).
În acest capitol se vor descrie metode de verificare a sistemelor optice și
implicit a produselor finale. În principiu, aceste verificări urmăresc12:
11 AUTOCOLIMÁȚIE s. f. corectare mecanică, prin intermediul unui dispozitiv, a erorii de colimație a unei
lunete topografice. (< fr. autocollimation ); COLIMÁȚIE s. f. (Fiz.) Reglare a instrumentelor optice în scopul
realizării unei coincidențe între axa lor optică și cea de vizare. – Din fr. collimation, germ. Kollimation (sursa:
http://www.dictio.ro/dex);
12 CURATU Eugen, Calitatea sistemelor optice. Funcția de transfer optic, Editura Academiei Române,
Bucu rești, 1992, p. 21;
NECLASIFICAT
88 din 170 Respectarea caracteristicilor sistemului optic: distanța focală, relația de
conjugare obiect -imagine (mărirea transversală sau grosismentul), câmpul
obiect (liniar sau unghiular); deschiderea;
Calitatea imaginii furnizate (valorile reziduale ale aberațiilor, limita de
rezoluție, factorul de contrast).
În practică ordinea este de obicei inversă: dacă calitatea imaginii este sub
nivelul admisibil, nu mai este cazul să se verifice celelalte caracteristici.
Calitatea imaginii poate fi apreciată prin calcul (modelarea sistemului
optic pe calculator și determinarea unor funcții de calitate), dar măsurarea ei
constituie o obligație a fiecărui producător de aparate optice. Metodele clasice
de verificare a calității imaginii pot fi împărțite, după interesul prezentat, în:
Metode de recepție a sistemelor optice (calitatea imaginii furnizate de un
sistem optic fără a -l interesa cauzele);
Metode de „analiză” (constructorul de aparate optice urmărește
remedierea continuă a aberațiilor reziduale, deci dorește să determine o
dată cu calitatea imaginii și cauzele care determină unele atenuări ale
acesteia).
4.2 Metode c alitative de verificare a limitei de rezoluție
Procedeul cel mai utilizat constă în examinarea unor obiecte test (mire).
Deși este rapid și economic acest procedeu este numai calitativ, el indică dacă
imaginea este satisfăcătoare sau nu, în plus este și su biectiv, rezultatul verificării
depinzând de acuitatea operatorului. Obiectul test depinde de sistemul optic de
verificat. Obiectele test cele mai utilizate sunt compuse din linii de diferite
grosimi și lungimi, de contraste diferite și dispuse pe direcții diferite.
Iluminarea acestor teste are o mare influență asupra limitei de rezoluție.
Utilizarea obiectelor test pentru verificare limitei de rezoluție este
recomandată ca metodă de verificare la recepția aparatelor otice: cazul cel mai
interesant pentru t estare este cel cu diafragma deschisă la maximum. Totuși,
limita de rezoluție variază în funcție de deschiderea relativă: există relații
determinate experimental și explicate pe baza teoriei difracției între limita de
rezoluție, diametrul diafragmei de des chidere și distanța focală; în cazul
obiectivelor fotografice sau de microlitografiere frecvența limită de rezoluție
este maximă pentru deschiderea maximă dacă distanța focală este mai mică sau
egală cu o distanță focală critică; pentru distanțe focale sup erioare acestei valori
NECLASIFICAT
89 din 170 critice limita de rezoluție maximă se obține la deschiderea critică a diafragmei,
inferioară deschiderii maxime.
Determinările acestor valori critice ale distanței focale și deschiderii
diafragmei sunt deosebit de importante pentru exploatarea optimă a sistemelor
optice în special în cazul obiectivelor de luat vederi cu focală variabilă (Zoom)
și în microlitografie, unde lupta pentru o rezoluție înaltă și contrast foarte bun
este încă departe de a fi încheiată.
În cazul aparatelor a stronomice verificare experimentală a limitei de
rezoluție se face prin observarea unor grupuri de stele duble a căror distanță
unghiulară a componentelor este cunoscute.
Lunetele de dimensiuni reduse (f’<1500 mm) sunt verificate cu mire test
constituite d in grupuri de rețele de frecvențe spațiale ν[linii/m] așezate la
distanța D[m], rezultând limita de rezoluție:
𝜎𝑚𝑖𝑛 =206265
𝐷𝜈[𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑐] (4.1)
Fig. 4.1 Obiecte de test de tip linii13
13 CURATU Eugen, op. cit., p. 23 ;
NECLASIFICAT
90 din 170 Obiectivele fotog rafice sunt verificare, în ceea ce privește limita de
rezoluție, prin fotografierea unor mire test analoage celor utilizate la verificarea
lunetelor cu dimensiuni reduse. Se utilizează, de asemenea, și mira de test
Siemens (Fig. 4.2) care are 72 de sectoar e alternativ albe și negre: imaginea
fotografiată printr -un obiectiv testat prezintă o zonă centrală, de diametru d,
lipsită de netitate; frecvența limită de rezoluție este: 𝜈𝑚𝑎𝑥 =72
2𝜋𝑑𝑚𝑚−1.
Fig. 4.2 Mira de test Siemens14
Se utilizează și teste având frecvența spațială variabilă după o progresie
geometrică.
4.3 Metode de verificare a calității imaginii prin metode bazate pe
trasarea razelor prin sistemul optic
Metoda Hartman constă în materializare unor raze (fascicule paralele
foarte înguste) cu ajutorului unui ecran care prezintă orificii (diametrul unui
orificiu cuprins între 0,005 și 0,002 din distanța focală a obiectivului verificat),
plasat în fața sistemului optic verificat. Metoda se aplică cu succes obiectivelor
foto, de proiecție, de filmat, obiectivelor de lunetă.
Montajul (Fig. 4.3) se remarcă prin prezența unei surse îndepărtate (la 20 –
100 m) a cărei radiație poate fi monocromatizată prin filtre corespunzătoare: se
preferă această aproximare a „infinitului”, de care de altfel se po ate ține seama
14 CURATU Eugen, op. cit, p. 23;
NECLASIFICAT
91 din 170 în calcule, utilizării unui colimator ale cărui aberații sau cea mai mică nepunere
la punct alterează măsurările efectuate. Bancul optic pe care se realizează
montajul trebuie să permită măsurarea deplasărilor plăcilor fotosensibile,
precum și rotirea sistemului optic în jurul unei axe (verticale) tangentă suprafeței
de intrare a sistemului optic verificat.
Fig. 4.3 Montajul pentru determinarea calității imaginii prin metode bazate pe
trasarea razelor prin sistemul optic15
4.3.1 Noțiuni generale p rivind aberațiile sistemelor optice
Imaginile obținute cu ajutorul unui aparat optic dat, de regulă diferă ca
poziție, formă și colorit de imaginile obținute prin sistemul ideal echivalent
15 CURATU Eugen, op. cit, p.25;
NECLASIFICAT
92 din 170 (calculul în paraxial).
Deosebirile de poziție, formă și colorit su nt determinate de două cauze
principale:
a) în fabricarea sistemelor optice se admit toleranțe, cauzate de:
imperfecțiunea fabricării sticlei optice, erorii accidentale în uzinarea și centrarea
sistemului optic;
b) condițiile reale de lucru a aparatelor op tice, diferă radical de condițiile
riguroase impuse în calculul sistemului optic ideal echivalent adică:
– fasciculul de lumină nu este monocromatic, ci cuprinde întreg spectrul
vizibil, fasciculul de lumină nu este foarte îngust și în domeniul paraxial el poate
fi larg și înclinat.
Definiție:
Prin noțiunea de aberație numim, deviația de poziție, diferența de formă și
colorit a imaginii obținute într -un sistem optic real dat, comparativ cu imaginea
obținută în sistemul optic ideal echivalent.
Aberațiile se pot încadra fie în limitele premizelor fundamentale ale
opticii geometrice, în care caz se numesc aberații geometrice, fie că se datoresc
variației indicelui de refracție cu lungimea de undă a luminii, în care caz se
numesc aberații cromatice.
4.3.1.1 Tipuri de ab erații și cauzele lor
a) Aberațiile geometrice
Aberațiile geometrice se datorează abaterilor de la condițiile de
stigmatism stabilite în optica sistemelor ideale (aproximația Gausiană).
Aberațiile geometrice se produc în următoarele cazuri:
– deschidere ma re a sistemului optic (diametrul util al sistemului optic
mare) chiar în condițiile în care obiectul este situat la infinit pe axa optică;
– fascicule înguste înclinate față de axa optică sau fascicule largi care
provin de la puncte obiect apropiate de axa optică;
– fascicule largi mult înclinate față de axa optică ce provin de la puncte
îndepărtate de axa optică.
NECLASIFICAT
93 din 170 Denumirea aberațiilor geometrice:
– aberația de sfericitate – singura aberație ce se produce și în cazul în care
fasciculul de raze de lumină est e paralel cu axul optic;
– aberația coma – aberația cauzată de fascicule largi înclinate;
– astigmatismul – aberație ce apare datorită înclinării fasciculului de
lumină față de axa optică, ea se produce și în cazul fasciculelor înclinate înguste;
– curbura câmpului – aberație ce are aceleași cauze cu astigmatismul și
care apare în urma corectării astigmatismului;
– distorsiunea – aberație ce apare în cazul fasciculelor largi și înclinate
datorită variației măririi liniare a sistemului optic, cu depărtarea e lementelor
studiate față de axă.
b) Aberațiile cromatice
Aberația cromatică se datorează faptului că lumina albă este descompusă
la trecerea prin sisteme optice.
Denumirea aberațiilor cromatice:
– cromatism de poziție – imaginea în lumină roșie este mai de părtată de
sisteme în comparație cu imaginea în lumină albastră (în cazul sistemelor
convergente);
– cromatism de mărire – mărirea liniară diferă pentru imaginea roșie față
de cea albastră deoarece pentru obiectul în lumină albă există două imagini
conjuga te roșie respectiv albastră ce diferă ca poziție și mărime.
4.3.1.2 Suprafața caustică. Caracterul simetriei ei.
Definiție:
Suprafața care înfășoară totalitatea razelor periferice ale fasciculului
refractat de o piesă optică sau de un sistem optic, poartă denumire a de suprafață
caustică.
Dacă la trecerea printr -un sistem optic, fasciculul de raze de lumină își
păstrează homocentricitatea, caustica degenerează într -un punct care reprezintă
vârful fasciculului homocentric refractat (Caustica degenerează într -un punct în
cazul sistemelor stigmatice). Încălcarea homocentricității datorită cauzelor ce
NECLASIFICAT
94 din 170 produc aberațiile optice produce o deformare mai mare sau mai mică a
suprafeței caustice.
Analizând gradul de deformare a suprafeței caustice în funcție de
caracterul micșo rării simetriei se pot stabili observațiile sistemului optic:
– în cazul aberației de sfericitate, caustica ia forma unei suprafețe care are
o singura axă de simetrie;
– în cazul astigmatismului, caustica corespunde unei și mai pronunțate
micșorări a simet riei nemaiavând o axă de simetrie (cazul sfericității) ci două
plane de simetrie perpendiculare între ele;
– coma face ca suprafața caustică să aibă un singur plan de simetrie.
4.3.1.3 Planele meridian și sagital ale fasciculelor înclinate
În scopul stabilirii val orilor aberațiilor în cazul fasciculelor înclinate se
impune calculul aberațiilor în cel puțin două plane perpendiculare conținute în
fasciculul de lumină.
Plan meridian: Se numește plan meridian, planul care conține atât raza
principală a fasciculului cât și axa optică a sistemului. Din întreg planul
meridian interesează în calcul numai fasciculul plan de raze meridiane.
Plan sagital: Se numește plan sagital, planul perpendicular pe planul
meridian în care însă este conținută raza principală a fasciculului .
Raza principală: axa de simetrie atât a fasciculelor homocentrice cât și a
fasciculelor paralele.
4.1.3.4 Sticla optică
Piesele optice sunt fabricate din substanțe solide transparente ca: sticla,
cristale optice și materiale sintetice. Materialul principal pentr u fabricarea
pieselor optice este sticla optică care are în compoziția sa în afară de SiO 2 și
diferiți oxizi ca: oxid de sodiu (Na 2O), oxid de calciu (CaO), oxid de potasiu
(K2O), oxid de magneziu (Mg 2O), oxid de plumb (PbO), oxid de bariu (BaO),
oxid de a luminiu (Al 2O3) , oxid de zinc (ZnO) sau oxizi de elemente din
pământuri rare (lantan, toriu, ceriu, etc.). Variind compoziția chimică, se obțin
sticlele de diferite calități cu diferiți indici de refracție și diferiți coeficienți de
dispersie, precum și d iferite grade de transparență pentru diferite radiații. În
principiu întreaga gamă de sorturi de sticlă se împarte în două grupuri mari.
NECLASIFICAT
95 din 170 Criteriul de încadrare a unui sort de sticlă într -unul din cele două grupuri este
valoarea indicelui de refracție care la rândul lui este influențat în mod substanțial
de cantitatea de oxid de plumb din compoziția sticlei. Cele două grupuri de sticlă
sunt sticla Crown și sticla Flint.
Mărimea caracteristică care precizează sortul sticlei (în afară de
compoziția sa) este in dicele de refracție în care se determină față de aer pentru
radiația galbenă a heliului (d) sau pentru radiația verde a mercurului (e)16.
Gama indicilor de refracție pentru sticla optică se extinde între 1,365
(sort: sticlă fluorid) și 2,075 (sticla cu plum b și titaniu). În general sticlele care
conțin oxizi de metale grele au indicele de refracție ridicat și fac parte din
sticlele flint17.
Clasificarea sticlei optice se face prin anumite mărimi care caracterizează
dispersia prezentată de fiecare sort de stic lă. Mărimile respective sunt înseriate
în cataloagele sticlelor optice:
nd = indicele de refracție mijlociu (indicele de refracție pentru lumina galbenă);
nF-nC = dispersia mijlocie;
nd-1 = refringența;
nd-nC = dispersia parțială;
(nF-nC)/(n d-1) = dispersi a relativă;
υ=(n d-1)/(n F-nC) = numărul lui Abbe.
Observație: una din mărimile principale ce caracterizează sticla este
numărul lui Abbe care variază în limitele υ=20,5 (sortul de sticlă specială Schott
Jena – SFSI) și υ=105 (fluorid – glas).
Corelația apro ximativ existentă între indicele de refracție n d numărul lui
Abbe și sortul sticlelor obișnuite se poate reprezenta grafic astfel:
16 În unele cataloage se dau indicii de refracție pent ru radiația galbena a sodiului;
17 C.SPULBER.s.a. Sisteme optoelectronice de vedere pe t imp de noapte, Editura București 1999;
NECLASIFICAT
96 din 170 Fig. 4.4 Graficul corelațiilor dintre indicele de refracție n d numărul lui Abbe
și sortul sticlelor obișnuite
În figura de mai sus suprafața hașurată cu hașura înclinată spre dreapta
reprezintă domeniul valorilor n d și υ pentru sticle optice obișnuite. Suprafața cu
hașuri înclinate spre stânga reprezintă domeniul sticlelor în compoziția cărora s –
au introdus oxizi ai elementelo r din pământuri rare.
În industria constructoare de aparate optice se folosesc în afară de sticla
optică cristale optice ca: spatul de Islanda, cuarțul natural, fluorura de calciu,
fluorura de litiu, cristalele de NaCl, AgCl, NaI, safirul ,etc. Una din sub stanțele
ce s-a impus în practică este cuarțul însă nu cristalul de cuarț ci cuarțul optic
care este bioxidul de siliciu pur topit (SiO 2). Piesele turnate din cuarț optic au
parametri optici superiori și nu prezintă în mod practic modificarea indicelui de
refracție la variația temperaturii mediului ambiant, întrucât temperatura de
turnare a cuarțului optic este de 1900°C și prelucrarea pieselor optice prezintă
mari dificultăți. Din cuarț optic se execută numai anumite piese din schemele
optice ale aparatelo r de măsură și de mare precizie și a spectrografelor.
În ultimul timp, cererea mare de aparate optice ieftine și ușoare (aparate
foto, binocluri teatru) a dus la înlocuirea pieselor fabricate din sticlă optică cu
piese fabricate din sticlă sintetică. Piese le optice fabricate din sticlă sintetică au
o rezistență mecanică și o stabilitate fizică și chimică inferioară. Din categoria
sticlelor sintetice mai des utilizate sunt: plexiglas, polimetil metacrilat și
polistiren.
NECLASIFICAT
97 din 170 4.3.2 Determinări experimentale ale aberaț iilor
Metoda interferențială de determinare a aberațiilor are la bază un
interferometru Michelson modificat prin înlocuirea unei oglinzi plane cu o
oglindă sferică, metoda Twyman permite testarea sistemelor optice, punând în
evidență aberația undei reflec tate de ansamblul format de sistemul optic testat și
oglinda sferică (Fig. 4.5).
Fig. 4.5 Interferometru Michelson utilizat în metoda Twyman (AutoCAD 2014)
Interferometrul este iluminat de o undă plană Σ. Centrul de curbură al
oglinzii sferice este plasat în focarul imagine al sistemului optic testat. Dacă
sistemul optic este perfect, unda emergentă Σ’ este plană și interferând cu unda
plană de referință dă un câmp uniform iluminat, a cărei iluminare depinde de
diferența de fază între cele două unde care i nterferă, diferență ce poate fi
modificată deplasând plan -paralel oglinda plană (în montaj această oglindă
poate fi înlocuită cu succes printr -o prismă colț de cub). Dacă sistemul optic
testat prezintă aberație de sfericitate de ordinul trei, suprafața ech ifază Σ’
reflectată nu mai este plană, prezentând simetrie de rezoluție. Prin interferență
cu unda plană de referință, rezultă franje circulare de aspecte depinzând de
poziția centrului oglinzii sferice între focarul paraxial și cel marginal (Fig. 4.6).
Dacă obiectivul testat prezintă aberația de coma, aspectele franjelor de
interferență (Fig. 4.7) depind de poziția centrului oglinzii sferice față de „pata
imagine”, obiectivul fiind ușor înclinat față de axa optică. Dacă obiectivul testat
este afectat de as tigmatism, atunci când este montat înclinat față de axa optică
NECLASIFICAT
98 din 170 franjele de interferență iau aspectele din Fig. 4.8, depinzând de poziția centrului
oglinzii sferice față de focalele lui Sturm.
Fig. 4.6 Aspectul franjelor în cazul în care apar aberații de sfericitate18
Fig. 4.7 Aspectul franjelor în cazul în care apare aberația coma19
18 CURATU Eugen, op. cit, p. 33;
19 Ibidem, p. 33;
NECLASIFICAT
99 din 170 Fig. 4.8 Aspectul franjelor în cazul în care sistemul este afectat de astigmatism20
4.4 Evaluarea caracteristicilor de răspuns (semnal și zgomot)
4.4.1 Evaluarea semnalului
Configurați a necesară măsurării funcției de răspuns este schițată în Fig.
4.9. În cazul ideal, fundalul ar trebui să acopere întregul câmp vizual.
Fig. 4.9 Configurația necesară măsurării funcției de răspuns
20 Ibidem. P. 33;
NECLASIFICAT
100 din 170 Pentru un sistem bine proiectat, funcția de transfer a se mnalului ar trebui
să respecte valorile obținute din ecuațiile 4.2 și 4.3.
2
1) ,()()/#(42
dTT MRfA T T TTGVfundal e d sursă sis atm col
(4.2)
T SiTFV
(4.3)
unde:
ΔV – variația tensiunii;
G – amplificare electronică;
colT
– transmisia colimatorului;
Tatm – transmisia atmosferică;
Tsis – transmisia sistemului;
ΔTsursă – diferența de temperatură a sursei;
Ad – aria detectorului;
f/# – f number;
R(λ) – responsivitatea spectrală a detectorului;
δM e – diferența de radianță spectrală.
Funcția de transfer a semnalului poate să varieze în funcție de sistem
(variază cu răspunsul spectral al sistemului). Funcția de transfer a semnalului,
folosită singular, nu este întotdeauna un parametru de comparare foarte bun între
diferite sisteme, deoarece poate fi modificată prin schimbarea amplificării
liniare. Atunci când se specifică valoarea funcției de transfer a semnalului, este
un indiciu că sistemul funcționează la amplificare maximă.
NECLASIFICAT
101 din 170 Funcția de transfer a semnalului este panta părții liniare a curbei
responsivității prezentată în Fig. 4.10.
Fig.4.10 Funcția de responsivitate
Cea mai bună estimare a pantei se poate obține utilizând teoria celor mai
mici pătrate pentru N perechi de puncte ( ΔVi, ΔT i):
N
iN
ii iN
iN
iN
ii i i i
T T NT V T V N
SiTF
12
121 1 1
)(
(4.4)
Funcția responsivității poate prezenta unele abateri cauzate de
imposibilitatea de a măsura exact temperatura pentru diferiți factori de
emisivitate ai țintei și ai fundalului. Valoarea abaterii este dată de:
T SiTFV Vabatere
(4.5)
Semnal
intrare
Satura
Satura
Intrare
Ieșire
NECLASIFICAT
102 din 170 unde:
NT
TN
ii
1 (4.6)
și
NV
VN
ii
1 (4.7)
4.4.2 Evaluarea zgomotului
Zgomot ul este un fenomen care poate reduce semnificativ calitatea
imaginii și limita abilitatea sistemului de a detecta ținte cu un contrast scăzut.
Caracteristicile de zgomot sunt foarte importante când măsurăm performanța
unei camere termale.
Zgomotul prezent în imaginile termale poate fi divizat în două grupuri:
zgomotul temporal și zgomotul spațial. Zgomotul temporal se referă la variațiile
semnalului generat de pixelii detectorului în timpul observării unei ținte
uniforme: variațiile semnalului în linii sing ulare pentru camerele cu sistem de
baleiere sau variațiile în secvențe pentru camerele termale cu matrice detectoare.
Zgomotul spațial se referă la diferențele dintre semnalele generate de diferiți
pixeli în timpul observării unei ținte uniforme care nu se schimbă de la o
secvență la alta. Fiecare tip de zgomot are propria densitate de putere spectrală
(NPSD).
4.4.2.1 Modelul 3D de zgomot
Caracteristica zgomot a camerelor termale este divizată în opt
componente aflate în strânsă legătură cu dimensiunile spațiale ș i temporale ale
sistemului de coordonate 3 -D (Fig. 4.11), ceea ce conferă și o simplificare a
înțelegerii acestui fenomen complex. Mai mult de atât, acest lucru îi oferă
proiectantului o imagine structurată a factorilor hardware și software generatori
de zgomot, iar evaluatorului performanței de sistem o introducere mai facilă a
factorilor de zgomot în modelele de analiză.
NECLASIFICAT
103 din 170
Fig. 4.11 Sistemul de coordonate al zgomotului 3D
Dimensiunea T reprezintă timpul sau intervalul dintre secvențe.
Dimensiunile H și V ne oferă informații spațiale. În cazul camerelor termale cu
matrice detectoare m și n reprezintă locația pixelilor, iar în cazul camerelor cu
sistem de baleiere m se referă la locația pixelilor și n se referă la timp. Modelul
3D de zgomot înglobează dife rența de temperatură echivalentă cu zgomotul
(DTEZ), zgomotul cu curbă fixă sau zgomotul fix (FPN) și neuniformitatea.
Zgomotul se poate manifesta în foarte multe moduri, de la
neuniformitatea liniilor și până la grupuri de linii care se mișcă pe ecran și
variază în intensitate. Aceste efecte sunt foarte dificil de cuantificat din cauza
naturii tranzitorii a fenomenului de zgomot. Anumite efecte sunt foarte ușor de
sesizat dar foarte dificil de măsurat. De exemplu, ochiul uman are o sensibilitate
crescută l a variații de intensitate ce apar la trecerea de la un frame la altul.
Această variație poate fi mică și greu de măsurat pe un singur frame, dar poate fi
ușor perceptibilă pe o secvență video.
În Tabelul 4.1. sunt prezentate componentele zgomotului și posi bilii lor
contribuitori. Oricare dintre aceste componente poate să domine. Cauzele lor
sunt diferite, iar existența și modul de manifestare depind de proiectarea
sistemului și execuția lui. Nu este obligatoriu ca toate componentele zgomotului
să fie prezen te în fiecare sistem de termoviziune în parte. Anumite surse de
zgomot, cum ar fi cele de tipul microfoniilor, sunt foarte dificil de descris din
cauza faptului că ele pot apare într -o mare varietate de forme. Acest aspect este
reprezentat în tabelul 4.1 p rin formularea „indicatoare electronice”. Modelul 3D
de zgomot oferă cadrul de bază pentru analiza numeroaselor surse de zgomot.
NECLASIFICAT
104 din 170 Nr.
crt. Componentă
zgomot 3D Descriere Cauze
1
VHTZ Zgomot 3D aleator Zgomot aleator și
zgomot 1/f
2
VHZ Zgomot spațial care nu
se schimbă de la un
cadru la altul Zgomot cu curbă fixă
și neuniformitatea
3
HTZ Variații pe coloane la
trecerea de la un cadru
la altul Indicatoare electronice
4
VTZ Variaț ii pe linii la
trecerea de la un cadru
la altul Indicatoare electronice
5
vZ Variații fixe în timp pe
linii Interpolare linie -linie,
Indicatoare electronice
6
HZ Variații fixe în timp pe
coloane Indicatoare electr onice
7
TZ Variația intensității de
la un cadru la altul Procesarea cadrelor
8
Z Valoarea mediei
globale –
Tabelul 4.1 Componentele zgomotului
Componentele spațiale și temporale sunt prezentate în Tabelul 4.2 iar
numărul de elemente pentru fiecare componentă este dat în Tabelul 4.3 și ilustrat
în Fig. 4.12.
Componenta zgomotului
temporal Componenta zgomotului
spațial
Variații ale pixelului
VHTZ
VHZ
Variații ale liniei
VTZ
vZ
Variații ale coloanei
HTZ
HZ
Variații ale cadrului
TZ
Z
Tabelul 4.2 Componentele spațiale și temporale
Componentă zgomot
3D Numărul d e elemente, Ne
VHTZ
m x n x N
VHZ
m x n
HTZ
n x N
VTZ
m x N
vZ
m
NECLASIFICAT
105 din 170
Componentă zgomot
3D Numărul d e elemente, Ne
HZ
n
TZ
N
Z 1
Tabelul 4.3 Numărul de elemente pentru fiecare componentă a zgomotului
Set date Z VH Set date Z TV Set date Z TH
Fiecare pixel Fiecare linie Fiecare coloană
este mediat este mediată este mediată
pe N cadre pe n pixeli pe m pixeli
Set date Z V Set date Z H Set date Z T
Fiecare linie Fiecare coloană Fiecare cadru
este mediată este mediată este mediat
pe n pixeli pe m pixeli pe mxn pixeli
și N cadre și N cadre
Fig. 4.12 Seturi de date pentru modelul tridimensional
Zgomotul spațial (generează variații spațiale ale intensității pixelilor
camerei chiar și atunci când ținta uniformă se încadrează în câmpul vizual al
camerei)și zgomotul temporal (generează variații temporale ale intensității
pixelilor camerei chiar dacă radiația emisă de țintă nu se schimb ă în timp) poate
fi divizat după tipul de frecvență (Tabelul 4.4).
Componenta zgomot 3D Frecvența Descriere
ZVHT Înaltă DTEZ
Joasă 1/f
ZVH Înaltă ZCF
Joasă Neuniformitate
Tabelul 4.4 Divizare zgomot în funcție de frecvență
Frecvențele înalte ale zgo motului generează variații temporale rapide ale
intensității pixelilor camerei. Dacă facem referire la interpretarea inițială a
DTEZ, valabilă pentru camerele termale mai vechi, cu sistem de baleiere,
NECLASIFICAT
106 din 170 aceasta poate fi considerată o măsură a componentei tem porale de frecvență
înaltă a zgomotului total.
Zgomotul temporal de frecvență joasă generează variații lente ale
intensității pixelilor camerei. Această componentă a zgomotului creează efectul
denumit zgomot 1/f. Efectul este notabil dacă se capturează și compară imagini
generate de cameră la perioade relativ lungi de timp (cel puțin câteva zeci de
minute).
Zgomotul spațial de frecvență înaltă generează variații rapide ale
intensității pixelilor. Această componentă a zgomotului creează efectul numit
zgomot cu curbă fixă (ZCF) sau zgomot fix.
Zgomotul spațial de frecvență joasă generează variații spațiale lente ale
intensității pixelilor. Această componentă a zgomotului creează efectul denumit
,,neuniformitate”.
Observatorul percepe efectele ambelor tipuri de zgomot, atât temporal cât
și spațial. Componentele de frecvență joasă apar ca variații ale luminanței
monitorului, lucru care afectează măsurătorile pentru determinarea diferenței de
temperatură rezolvabile. Componentele de joasă frecvență nu afectează ca litatea
măsurătorilor doar dacă sistemul de termoviziune este proiectat pentru
observarea țintelor de dimensiuni mari, cu contrast scăzut. În schimb,
componentele de frecvență înaltă pot diminua semnificativ abilitatea de a
rezolva detalii mici.
Pentru un format standard RS 170, zgomotul de joasă frecvență este
definit ca fiind orice tip de zgomot care are componente de frecvență mai mică
de 150kHz, iar zgomotul de frecvență înaltă este orice zgomot cu componente
de frecvență mai mare de 150kHz. Pot fi imp lementate hardware sau simulate
software filtre trece bandă de 150kHz. Deoarece formatul standard RS 170 are o
lățime de bandă de aproximativ 5MHz, componenta de frecvență joasă
reprezintă 3% din aceasta. Pentru celelalte formate video, pragul de frecvență
joasă ar trebui să fie la 3% din lățimea de bandă a formatului.
În Fig. 4.13 sunt prezentate diverse metode de măsurare a semnalului de
ieșire de la sistemele de termoviziune.
NECLASIFICAT
107 din 170
Fig. 4.13 Scenarii de măsurare a semnalului de ieșire
Semnalul analog poate fi achiziționat prin intermediul plăcilor de captură,
înregistratoarelor sau osciloscoapelor. Luminanța monitorului poate fi măsurată
cu un microfotometru sau cu o cameră CCD. Avantajul măsurării luminanței
monitorului îl reprezintă adaptabilitatea. În tim pul testării a diferite tipuri de
sisteme de termoviziune, cu diferite formate de semnal video, nu trebuie
schimbat echipamentul și nici tehnicile de măsurare.
Configurația necesară măsurării tuturor surselor de zgomot este prezentată
în Fig. 4.14. Matrice a de detectori trebuie iluminată uniform fie utilizând un
material opac cu reflexie nulă în fața senzorului, fie folosind un corp negru
uniform, cu suprafața de emisie mare. Măsurarea componentelor spațiale și
temporale ale zgomotului ține doar de tehnicil e și de echipamentele utilizate.
Corp negru
Colimator
Cameră
termală
Monitor
Video
analog
Micro
fotometru
Cameră
CCD
Placă
achiziție
Osci lator
Digital
Calculator analiză date
Osciloscop
NECLASIFICAT
108 din 170
a) iluminare creată utilizând un material opac cu reflexie nulă
b) iluminare creată folosind un corp negru uniform, cu suprafața de emisie mare
Fig. 4.14 Configurația necesară măsurării tuturor surselor de zgomot
În Fig. 4.15 este trasată, sub formă de histogramă, probabilitatea funcției
de densitate a unui zgomot tipic. De asemenea este reprezentată grafic și
distribuția gausiană unde media și deviația standard sunt calculate cu ecuațiile
4.8 și 4.9.
a)
Valorile semnalului ( Volți)
Timpul de evoluție al undei
NECLASIFICAT
109 din 170
b)
Fig. 4.15 Zgomotul măsurat
(a) pentru o undă de zgomot și b) histogramă reprezentând probabilitatea de distribuție de tip Gauss)
Deoarece toate componentele zgomotului sunt dependente de temperatura
fundalului, specificațiile sistemelor de termoviziune trebui e să includă și
condițiile de măsurare (Tabelul 4.5) .
DTEZ DTEZ nu trebuie să fie mai mare de 0,2°C dacă
temperatura fundalului este de 23°C
ZCF ZCF nu trebuie să fie mai mare de 1% din DTEZ
dacă temperatura fundalului este de 23°C
ZCF nu trebuie să fie m ai mare de 5% din DTEZ
pe întreg domeniul operațional -20°C la +40°C
NU Neuniformitatea nu trebuie să fie mai mare de
5% din DTEZ dacă temperatura fundalului este
de 23°C
Tabelul 4.5 Specificații tipice
Componentele zgomotului pot fi calculate și convert ind indicii 3D într -o
serie de indici 2D și 1D. Formulele de conversie sunt prezentate în Tabelul 4.6.
Transformarea indicilor 3D TVH
în indici 2D VH
Nkji Z
jiZN
kTVH
vh
),,(
),(
I poate varia de la 1 la n – orizontal
j poate varia de la 1 la m – vertical
k poa te varia de la 1 la N – temporal
Distribuția valorilor
Valorile semnalului ( Volți)
NECLASIFICAT
110 din 170
dDTLNAf fDTEZ
s d An
*
02)/#(4Transformarea indicilor 3D TVH
în indici 2D TH
mkji Z
kj Zm
iTVH
HT
),,(
),(
Transformarea indicilor 3D TVH
în indici 2D TV
nkji Z
kiZn
jTVH
VT
),,(
),(
Transformarea indicilor 3D TVH
în indici 2D TV
Nmkji Z
jZN
km
iTVH
H ),,(
)(
Transfor marea indicilor 2D TV în
indici 1D V
Nnkji Z
iZN
kn
jTVH
V ),,(
)(
Transformarea indicilor 2D TH în
indici 1D T
mnkji Z
kZm
in
jTVH
T ),,(
)(
Transformarea indicelui 3D TVH
într-un singur număr
knmnki Z
Zn
iTVH
),,(
Tabelul 4.6 Formulele de conversie a indicilor 3D
4.4.2.2 Diferența de temperatură echivalentă cu zgomotul
(DTEZ )
DTEZ este o reprezentare convențională a sensibilității unui sistem de
termoviziune și reprezintă diferența de temperatură dintre o țintă de suprafață
(un dreptunghi sau pătrat cu latura de cel puțin 10 ori mai mare decât coarda
unghiului minim subîntins de detector) și fundalul ei, diferență necesară
producerii unui semnal prag.
După Ratches, DTEZ este dată de expresia:
(4.8)
unde:
= radianța spectrală (W cm-2 sr-1 µm-1);
= numărul de deschidere;
= transmisia optică;
L
/#f
0
NECLASIFICAT
111 din 170 = transmisia atmosferică specifică laboratorului în care se efectuează
măsurătorile;
= aria detectorului;
= numărul detectorilor;
= banda spectrală (µm);
= derivata radianței spectrale în raport cu temperatura;
= detectivitatea spectrală (cm Hz1/2 W-1);
= (4.9);
= spectrul normalizat al puterii zgomotului [S(f t) = 1 la f 0];
= frecvența măsurată pentru care S(f t) este normalizat;
= funcția de transfer electronic = (4.10);
= funcție de transfer a proceselor de amplificare;
= funcția de transfer a dispozitivului cu care se măsoară, în mod normal
el fiind un filtru trece jos cu 3 -dB la .
DTEZ a fost folosită pe scară largă în determinarea senzitivității
sistemului dar are și anumite la cune. Kennedy propune ca un pixel DTEZ să fie
egal cu rădăcina pătrată a variației semnalului unui element detector. De
asemenea, în același punct de bibliografie el analizează posibilitatea de
introducere a fenomenului neuniformității în procesul de măsur are.
4.5 Precizia
În cazul camerelor termale militare calitatea imaginii și distanța de
observare reprezintă caracteristicile cele mai importante. În cazul camerelor
termale comerciale (civile), calitatea imaginii este, de asemenea, necesară, însă
parametrul care este cel mai important este precizia măsurării. Apar două tipuri
de erori la măsurarea temperaturii cu ajutorul camerelor termale: erorile externe
A
dA
sN
TL/
*
D
nf
t tMDtBtelectt dff Hf Hf HfS )( )( )( )(2
02 2
)(tfS
0f
)(t electf H
2
0)/(11
fft
)(t Bf H
)(t MDf H
D2/1
NECLASIFICAT
112 din 170 și erorile intrinseci. Erorile intrinseci de măsurare apar când emisivitatea
obiectului vizualizat este aproape de 1 și distanța între cameră și obiect este
foarte mică. Erorile externe care pot apărea și care sunt datorate transmisiei
atmosferice, reflexiei radiației sau emisivității necunoscute pot fi neglijabile.
Producătorii camerelor termale de măsurare a temperaturii folosesc de
obicei un parametru numit ,,precizie” care reprezintă un domeniu legat de
temperatura reală a obiectului
obT pentru care temperatura de ieșire
iesT este
localizată când sursele externe de ero ri sunt neglijabile. Valorile tipice ale
acestor parametri sunt
%1 din temperatura de ieșire
iesT dar nu mai mici de
C01
pentru camerele termale cu sistem de baleiere sau
%2 din temperatura de
ieșire dar nu mai puțin de
C02 pentru camerele termale cu matrice detectoare.
Termenul precizie, conform normelor internaționale, este un concept calitativ
care nu trebuie asociat cu valori numerice. Din aceste motive folos irea acestui
parametru este destul de limitată.
Acest parametru ne -ar putea ajuta să determinăm incertitudinea intrinsecă
de măsurare a camerei termale. Presupunând o distribuție uniformă a variației
temperaturii reale între anumite limite, determinate de parametrul numit
,,precizie”, putem spune:
3preciziaintrinseca precizia
(4.11)
În realitate, acest parametru nu ne poate ajuta să facem o estimare cu
privire la incertitudine intrinsecă a camerei termale deoarece condițiile în car e
precizia este măsurată nu sunt clar definite de fabricanți. Întrebarea care apare
este dacă precizia trebuie să fie măsurată pentru condiții optime de calibrare,
când erorile de măsurare sunt minime sau pentru condiții reale când erorile pot fi
de câteva ori mai mari. Producătorii menționează foarte rar condițiile în care s -a
făcut determinarea preciziei. De obicei, aceasta se măsoară în laborator la o
temperatură ambientală de
C023 .
În timpul măsurărilor reale temperatura poate varia se mnificativ între
limitele determinate de producător de la
C010 la aproximativ
C040 .
Schimbarea temperaturii ambientale poate avea un efect semnificativ asupra
rezultatelor măsurătorii din mai multe motive. Un motiv ar pu tea fi faptul că
radiația emisă de componentele optice ale camerei depind direct de temperatura
acestor componente, deci indirect de temperatura ambientală. În al doilea rând,
NECLASIFICAT
113 din 170 variația temperaturii ambientale poate duce la variația temperaturii detectorulu i
și la schimbarea senzitivității acestuia. Un alt motiv ar putea fi schimbarea
temperaturii blocurilor electronice care ar putea duce la amplificări sau deviații.
Această influență a temperaturii ambientale poate fi corectată. Camerele termale
moderne sun t echipate cu soft și componente hardware care corectează automat
această influență. Corecțiile se fac într -o anumită măsură, nu total, din cauza
limitărilor tehnologice. Precizia măsurătorilor executate în mediul natural poate
diferi semnificativ de cea a măsurătorilor de laborator.
De asemenea, și parametrii prezentați în cataloagele de măsurători pentru
camerele termale ne pot oferi indicații cu privire la erorile intrinseci ale acestora.
Unii dintre aceștia sunt ,,senzitivitatea termală”, ,,rezoluția te rmală”, ,,rezoluția
de temperatură” sau ,,DTEZ” care ne oferă informații cu privire la influența
zgomotului asupra canalului electric. Se știe că DTEZ reprezintă deviația
standard a dispersiei temperaturii de ieșire cauzată de zgomotul sistemului. Din
acest motiv DTEZ poate fi tratat ca o bună estimare a incertitudinilor induse de
zgomotul sistemului.
Trebuie să ne amintim faptul că DTEZ depinde de temperatura obiectului.
Aceasta se măsoară pentru o valoare fixă a acestei temperaturi, care, de obicei,
trebu ie să fie apropiată de
C030 însă se obțin valori de câteva ori mai mari
pentru temperatura obiectului la limita inferioară de temperaturi disponibile,
apropiată de
C020 .
Producătorii de camere termale prezintă, de asemen ea, în specificațiile
produselor lor și alți parametric, cum ar fi: DTMR, DTMD, IFOV sau rezoluția
spațială a imaginii ISR. În cazul în care camera termală este folosită pentru
măsurarea temperaturii suprafețelor obiectelor testate, caracteristicile DTMR ș i
DTMD sunt nefolositoare deoarece este imposibilă conectarea acestor parametri
cu erorile de măsurare ale camerei termale. DTMR și DTMD sunt funcții de
merit importante atunci când ne interesează și calitatea imaginii pe lângă
indicațiile de temperatură.
Câmpul vizual instantaneu (IFOV) este un parametru care apare în cazul
camerelor termale moderne. Se referă la mărimea minimă unghiulară a
obiectului testat pentru care influența acestei mărimi asupra rezultatelor
măsurătorii este neglijabilă. Acest parame tru depinde și de parametrii camerei
termale, cum ar fi: aberațiile blocului optic, efectele de difracție, lărgimea de
NECLASIFICAT
114 din 170 bandă a frecvenței canalului electric. Deci, nu este posibilă determinarea
obiectului minim care poate fi detectat doar pe baza IFOV.
Rezoluția spațială a imaginii (ISR) reprezintă o bună măsură a abilității
camerei de a crea imagini termale ale obiectelor. Acest parametru nu ne oferă
informații dacă mărimea obiectelor vizualizate este suficient de mare pentru a
asigura o influență neglijab ilă asupra rezultatelor măsurătorii. Aceste informații
sunt date de măsurarea rezoluției spațiale (MSR). Mărimea aceasta este destul de
incertă, motiv pentru care producătorii preferă să publice decât ISR.
Un set de patru parametri (eroarea minimă ME, eroa rea generată de
zgomot NGE, stabilitatea temperaturii TS și rezoluția spațială MSR) este
suficient pentru caracterizarea camerelor termale.
Eroarea minimă ME a fost definită ca un domeniu în jurul temperaturii de
ieșire
iesT pentru care t emperatura reală
obT este localizată când măsurătorile se
fac în aceleași condiții ca în momentul calibrării camerei termale. Condițiile de
calibrare apar în momentul în care obiectul testat este un corp negru suficient de
mare, aflat la o distanță de camera termală suficient de mică pentru a nu apărea
erori de transmitanță, temperatura mediului ambiant este de
C030 20 , obiectul
se află în centru câmpului vizual al sistemului iar camera a fost lăsată mai mult
timp în labora tor pentru acomodare cu mediul. De asemenea, se fac mai multe
măsurători, rezultatul fiind media acestora. Eroarea minimă este, de fapt, un
echivalent pentru precizie, parametru ce a fost prezentat anterior.
Eroarea generată de zgomot NGE este definită ca deviația standard a
dispersiei valorilor temperaturii cauzată de zgomotul sistemului. Pentru
camerele termale tipice NGE este egal cu DTEZ (sistemele cu o singură bandă
spectrală).
NGE teoretic descrește cu temperatura obiectului. Practic, apar diverse
oscilații din diferite motive. Unele sunt legate de filtrele folosite pentru a extinde
banda de temperaturi măsurate, ceea ce determină scăderea semnificativă a
semnalului și creșterea valorii NGE (DTEZ).
NECLASIFICAT
115 din 170
Fig. 4.16 Erorile de măsurare pentru mai multe came re termale
(pătrate – camera 1, triunghiuri – camera 2, cercuri – camera 3, plusuri – limitele preciziei)
Fig. 4.17 Valorile NGE pentru diferite camere termale
Stabilitatea temperaturii TS a fost definită ca fiind domeniul în care
rezultatele măsurători lor cu ajutorul camerei, pentru diferite temperaturi
ambientale, sunt precise, în limitele stabilite de producător.
Rezoluția spațială MSR este definită ca fiind dimensiunea minimă
unghiulară pentru obiectul observat când dimensiunea obiectului observat nu
influențează cu nimic rezultatele măsurătorii.
Mărimea rezoluției spațiale se poate măsura ca dimensiunea unghiulară a
liniei, când funcția de răspuns a liniei SRF este egală cu 0,99. Aceasta este
metoda clasică de măsurare a MSR pe baza SRF.
NECLASIFICAT
116 din 170 MSR se mai poate calcula folosind conceptul de funcție de răspuns a liniei
de temperatură STRF.
O altă metodă de măsurare a rezoluției spațiale este de a o măsura ca
dimensiune a liniei unghiulare când funcția de răspuns a liniei de temperatură
STRF este egală cu 0 ,99.
Fig. 4.18 Caracteristicile de stabilitate a temperaturii
pentru câteva camere termale
(erorile de măsurare a temperaturii
T pentru un corp negru de temperatură
C Tbb090
cu diferite camere termale la diferite temp eraturi ambientale
enT )
Fig. 4.19 Funcția de răspuns a liniei de temperatură pentru două camere termale
STRF reprezintă varianta modificată a funcției de răspuns a liniei SRF.
STRF se bazează pe temperatura de ieșire normalizată, pe c ând conceptul de
SRF se bazează pe semnalul de ieșire normalizat. Măsurarea STRF pentru
NECLASIFICAT
117 din 170 camerele termale reprezintă, de fapt, determinarea diferenței normalizate între
temperatura maximă a liniei și temperatura fundalului uniform.
Practic, diferența dintre SRF și STRF este mică, aproape neglijabilă și
ambele metode de măsurare pentru MSR generează aproape aceleași rezultate,
fapt pentru care depinde de producător sau de cel care testează camera ce
metodă alege.
După cum se poate vedea în Fig. 4.19, MSR pent ru prima cameră ajunge
la 3,5 mrad iar pentru cea de -a doua la 10 mrad. Aceasta însemnă că prima
cameră poate fi folosită pentru măsurători precise pentru ținte de dimensiuni de
3,5 mrad iar cea de -a doua pentru ținte cu dimensiuni de 10 mrad.
4.6 Exemple de calcul și determinări ale unor parametrii de
performanță pentru camerele cu termoviziune
4.6.1 Exemplul de calcul pentru distanța maximă de detecție
Teoretic:
Varianta I de calcul analitic
1) Pentru detecția unei ținte tip om, a cărui suprafață A este de aprox. 2
2m
, având temperatura de 27
C = 300 K, demersul de calcul imediat
este următorul:
– se aproximează temperatura fundalului; să presupunem că se aleg
trei cazuri tipice: 0
C, 10
C, 30
C. Deci,
2731T K;
2832T
K;
3033T K;
– se alege raportul semnal/zgomot S/N = 1, corespunzător detecției
(de ex., pentru recunoaștere, acest raport se adoptă între 3 și 5,
similar co eficientului de certitudine statistică din aparatura bazată
pe tehnica intensificării imaginii);
– se specifică principalii parametri ai echipamentului
dAD, ,
ob,Af
;
– distanțele de detecție se pot calcula folosind relația:
4/14/1 2/1 4
ob max /
f A TT AAD Ld f
(4.12);
pentru cele trei cazuri se vor obține 3 valori:
max3 max2 max1 ; ; L L L .
NECLASIFICAT
118 din 170 2) Pentru detecția unei ținte tip grup compact de 4 oameni, în aceleași
condiții ca cele din cazul precedent, se ține seama de faptul că dista nța
de detecție variază cu rădăcina pătrata din suprafața de emisie; ca
urmare , deoarece
2m24A , distanța în cauză va reprezenta dublul
distanțelor calculate în exemplul precedent.
3) Pentru prelucrarea optimă a semnalului,
1 /ss pVV . Dacă Δ f = 3 dB,
atunci din relația
5,0f rezultă v = 2.
În situația în care în sistem există și un modulator de fază cu transmisia
efectivă
2/11 (adică modulatorul conține o singură zonă de obturare și o
singură zon ă de trecere a radiației) ecuația distanței ideale se descrie prin relația:
2/12/1
ob ob 2/ /
f VV JDND Lss p a A i
(4.13)
Varianta a II -a de demers analitic
Fie un obiectiv definit de
obD și
obf . Presupunând o țintă aflată la infinit,
aceasta va da în focarul obiectivului o imagine punctuală. Dacă
ob este
transmisia obiectivului, fluxul radiant
d primit de detector este:
ob obd , (4.14)
unde
ob – fluxul radiant colectat de pupila de intrare a obiectivului.
Dacă ținta este definită de emitanța radiantă W și de suprafața A și se află
la distanța L de obiectiv, iradianța
obE a pupilei de intrare a obiectivului va fi:
2
ob ob /L WAA E , (4.15)
iar iradianta
dE a elementului de detecție este:
2
ob ob /L WAA Ed . (4.16)
În cazul unei ținte plane corp negru,
4T W .
Distanța maximă de detecție a unei astfel de ținte este limitată de radianta
minimă sesizabilă de detector (sau de PEZ a acestuia). Lui îi este asociată
detectivitatea specifică
D , caracteristică ce nu depinde nici de geometria
detectorului, nici de lățimea de bandă a amplificatorului și este constantă pentru
un detector dat.
D este definită cu ajutorul relației:
NECLASIFICAT
119 din 170
PEZf ADd* , (4.17)
unde f = lățimea de bandă a amplificatorului asociat detectorului.
Fluxul minim detectabil va fi dat de relația:
Df Ad
d PEZmin , (4.18)
valoare care corespunde distanței maxime de detecție
maxL :
f AD AAWL
d
ob obmax . (4.19)
Se observă din această relație că distanța de detecție este direct
proporțională cu rădăcina pătrată a diametrului pupilei de intrare în obiectiv.
Astfel, de exemplu, dacă se reduce
obD de la 200 mm la 100 mm, deci se
împarte cu 2, distanța de detecție se micșorează cu
2 ; aceasta va reduce deci
interesul în cursa (tendința) pentru realizarea unor pupile de intrare mari, și
aceasta cu atât mai mult cu cât sunt dificultăți tehnologice mari pentru
prelucrarea componentelor optice cu gabarit mare.
Exemplu:
Definirea problemei:
Fie un obiect de culoare neagră, de formă pătrată, cu dimensiunea laturii
de 2 m, care radiaz ă ca un corp negru și care este adus la temperatura de
227
C = 500 K. Acest obiect este vizat de un echipament de
termoviziune în a cărui compunere se află un obiectiv (cu pupila de intrare
de 60 mm diametru și distanța focală de 100 mm), un element de detecție
(cu suprafața sensibilă de
2mm1 și detectivitate specifică de
1010
cmHz1/2/W) și un amplificator (cu lățimea de bandă de 1 kHz). Se
consideră că transmisia atmosferică este unitară.
Distanța m aximă de detecție se obține pentru un raport semnal –
zgomot unitar; așadar:
NECLASIFICAT
120 din 170 Rezolvare:
./W mHz 10 W/ cmHz 10;Hz 1000 ;m 10 mm1; W/m 500 1067,5 ;m4;m 109 mm4604/ ;K 500
1/2 8 2/1 102 6 22 4 8 4 22 4 22
ob ob
Df AT W AD A T
d
Rezultă:
km40m 40170
1000 1010 10 94 1025 1067,5
68 4 8 8
max
L
.
Concluzii:
Imaginea țintei, pentru această distanță, are ca dimensiuni
mm005,0 mm 2000
maxobLf
(fără a se ține se ama de aberații); această imagine
este mult mai mică decât suprafața sensibilă a elementului de detecție și decât
câmpul vizual instantaneu.
4.6.2 Calculul diferenței de temperatură minim detectabile
În acest caz, mărimea radiometrică importantă este radia nta B:
/WB . (4.20)
Dacă nu se ia în considerare transmisia atmosferică, iradianta elementului
(elementelor) de detecție este independentă de distanța L și se exprimă prin
relația:
BH . (4.21)
S-a arătat în cap. 6 că dacă două suprafețe diferă prin radiantă, această
diferență se poate datora fie unei diferențe de temperatură, fie uneia de
emisivitate, fie simultan ambelor diferențe, astfel încât:
e tB B B . (4.22)
În cazul în care ținta este de tip corp n egru, variațiile de radiantă se
datorează doar diferențelor de temperatură, căci emisivitățile sunt unitare pentru
NECLASIFICAT
121 din 170 țintă și fundal. Pe baza acestei ipoteze, performanța echipamentului poate fi
caracterizată de diferența de temperatură echivalentă cu zgomot ul (NETD), care
reprezintă diferența de temperatură dintre două elemente de suprafață adiacente
care oferă un semnal egal cu zgomotul echipamentului.
Varianta I de calcul analitic
Iradierea elementului de detecție este independentă de pupila de intrare în
obiectiv, ea va depinde numai de emitanța radiantă a țintei (scenei) și de unghiul
sub care elementul de detecție vede pupila de intrare.
Dacă:
2
ob ob/ 4/ Df W Ed , (4.23)
pentru o țintă corp negru
2
ob ob4/ 4/ Df T Ed . (4.24)
Contrastul de iradiere minim se obține prin derivarea expresiei anterioare
în raport cu temperatura T, astfel că se obține:
2
ob ob min3
min/ 4/ Df TT Ed , (4.25)
expresie din care, în urma egalității
DAfDf TT
d2
ob ob min3/ 4/ , (4.26)
rezultă:
*) / (
3ob ob2
min
DA TDffT
d . (4.27)
Varianta a II-a de calcul analitic
În acest caz, distanța de detecție este limitată de iradianta
dN [W/m2]
sesizabilă, care se poate exprima folosind relația:
*DAfN
dd . (4.28)
NECLASIFICAT
122 din 170 S-a constatat că în cazul unei ținte punctuale pe detect or sosește un flux
radiant:
2
obob /L WAAd . (4.29)
Această relație este valabilă și în cazul țintelor întinse, cu condiția de a
lua, pentru A, suprafața efectivă de radiație, adică aceea a cărei arie acoperă
exact aria
dA . Într ucât distanța dintre obiectiv și țintă este mare, se poate scrie:
2
ob2
fL
AA
d . (4.30)
Cum
42
obobDA , fluxul radiant incident pe elementul de detecție este:
22
obob
4LDAWd , (4.31)
de unde rezultă iradianta acestuia:
22
obob
4LD
AAWAE
d ddd (4.32)
sau:
2
ob2
obob4fDWEd . (4.33)
Dacă se ia în considerare o țintă corp negru (ex.: un corp a cărui
emisivitate este practic unitară, atunci radianta B a țintei se poate exprima prin
relația:
42
10081,1 srm/W
T WB (4.34)
srm/W24TB
(4.35)
T T B d d 3 4 sau
TTBB d d4 (4.36)
NECLASIFICAT
123 din 170 Luând
4
10081,1TB , rezultă
srm/W d 1010081,14 d2 23
TTB . (4.37)
Din egalitatea:
2
obob2
ob* fDW
A Df
d (4.38)
În final rezultă difer ența de temperatură minim detectabilă:
min
ob*3
2
ob2
ob2
1008,110d T
DATDf fT
d
. (4.39)
Varianta a III -a de calcul analitic
Relațiile uzuale de analiză sunt următoarele:
TWAD fAed ddd/ NETDob2/1 (4.40)
2
1d / NETDob ob2/1
TWD A fabe R . (4.41)
O formă utilă de lucru pentru relația de mai sus se poate obține folosind
valoarea relativă
max /D D cu care se aproximează
D :
maxmax max max
pentru , 0 pentru, /
D D (4.42)
și, cu o altă nouă aproximare:
2
2 /, , T T Wc TTW , (4.43)
se obține:
NECLASIFICAT
124 din 170
max
1d, / NETD2 max ob2
max2/1T W c D A T fabeob R . (4.44)
Astfel, dacă temperatura scenei (egală cu aceea a țintei pentru cazul
diferenței de temperatură minime detectabile) T = 300 K, iar
81 μm și
5,11max
μm, se poate scrie că:
max ob ob4 2/148,1/10 NETD D A fabe R , (4.45)
dimensiunile a, b și
obA exprimându -se în [cm], respectiv [cm2].
Exemplu:
Definirea problemei:
Pentru cazul unui echipament de termoviziune cu matrice liniară de
elemente de detecție, în care:
20obD mm; a = b = 5 μm; α = β = 1
mrad;
m5,11…8 …2 1 ; A = 400 mrad; B = 300 mrad;
64,0c ;
8,0ob
; frecvența de baleiaj totală (frecvența de cadre)
30cf Hz;
m5,11D
W/ cmHz 1022/1 10 ,
150N elemente de detecție,
se pot calcula următoarele:
Rezultate:
timpul de baleiaj necesar:
sec. 1067,2 /5
ob c c ABf N
;
lățimea de bandă electrică:
KHz4,294/Rf
2/1KHz4,29 cm05,0 cm05,04)C27 pentru( NETDT
C.36,0 W/ cmHz1028,064,0 cm2 mrad1 mrad148,1/10
2/1 102 4
NECLASIFICAT
125 din 178
4.7 Măsurarea MDTD și MRTD
4.7.1 Metod a subiectivă
Schema de aranjare a unui stand de măsurare a MDTD și MRTD ale unui
sistem pe bază de termoviziune este prezentat în Fig. 4.20. Acesta este alcătuit din:
– colimator
– corp negru și controler de temperatură
– carusel cu ținte de diferite frecvențe s pațiale
– computer placă de achiziție de imagine și soft specializat în testarea
aparaturii pe bază de termoviziune.
Fig. 4.20 Schema de aranjare a unui stand destinat măsurării performanțelor unui
sistem pe bază de termoviziune
Corpul negru și țintele sunt părți foarte importante ale sistemului. Ele trebuie
să fie capabile să genereze o diferență de temperatură între miră și fundal de
0,01șC sau mai mică.
Deoarece măsurătorile se fac cu mai multe ținte de diferite dimensiuni,
acestea sunt de obicei montate într-un carusel motorizat ce permite utilizatorului să
selecteze ținta dorită.
NECLASIFICAT
126 din 178
Măsurătorile sunt făcute prin observarea imaginii țintei pe ecranul camerei
termale sau pe ecranul computerului. Se ajustează valoarea diferenței de
temperatură până când ținta este detectată (MDTD) sau rezolvată (MRTD). Pentru
a elimina o parte din erori, măsurătorile se fac atât pentru diferențe de temperatură
pozitive cât și negative, iar valoarea finală a măsurării este media celor două.
Fig. 4.21 MDTD măsurată pentru diferi te modele de
camere pe baza de termoviziune
4.7.2 Măsurarea obiectivă a MDTD și MRTD
Metoda de măsurare a MDTD și MRTD prezentată anterior este subiectivă și
depinde în mare măsură de judecata observatorului. Astfel au fost dezvoltate mai
multe metode de a fac e măsurătoarea obiectivă.
O astfel de metodă presupune măsurarea parametrilor de performanță
obiectivi ai sistemului termal, cum ar fi MTF și NETD (diferența de temperatură
echivalentă cu zgomotul) și utilizarea acestora într -un model de calcul al
performa nței observatorului pentru a determina MDTD și MRTD. Această metodă
poate fi folosită de asemenea și în faza de proiectare a sistemului termal pentru a
anticipa performanțele acestuia. În acest caz se folosesc valori teoretice pentru
diferiți parametri de performanță.
0,30,53,9
1,92,55,9
0,551,14,5
0,010,1110
0,906 1,492 2,439
Frecvența spațialăMDTDFLIR SC4000HS
FLIR S45
LOT1
NECLASIFICAT
127 din 178
Pentru a determina MDTD se admite faptul că ținta este pătrat și că
observatorul își alterează distanța de observare pentru a optimiza abilitatea de a
vedea ținta. MTF a ochiului atenuează contrastul imaginii cu un factor independent
de mărime a țintei. Un efect ce trebuie luat în considerare este acela că timpul de
integrare al ochiului alterează valoarea NETD cu un factor √𝑡𝑚𝑡𝑒⁄, unde tm este
timpul de integrare folosit la măsurarea NETD iar te este timpul de integrare al
ochiulu i. Ecuația de determinare a MDTD este:
𝑀𝐷𝑇𝐷 (𝜌)=Δ𝑇(𝜌)=𝐾∙𝑁𝐸𝑇𝐷 √𝑡𝑚𝑡𝑒⁄ 𝛼′⁄(𝜌) (4.46)
unde:
ρ este inversul mărimii spațiale a țintei;
ΔT(ρ) este diferența de temperatură;
K este o constantă și reprezintă raportul semnal/zgomot de prag necesar ochiului să
detecteze ținta;
α’(ρ) este dat de ecuația:
𝛼′(𝜌)={∫𝑀𝑇𝐹 𝑡𝑖ℎ(𝑠𝑥)[sin(𝜋𝑠𝑥𝜌⁄)(𝜋𝑠𝑥𝜌⁄) ⁄ ]∞
0𝑑𝑠𝑥}{∫𝑀𝑇𝐹 𝑡𝑖𝑣(𝑠𝑦)∞
0
×[sin(𝜋𝑠𝑦𝜌⁄)(𝜋𝑠𝑦𝜌⁄) ⁄ ]𝑑𝑠𝑦}∫[sin(𝜋𝑠𝑥𝜌⁄)(𝜋𝑠𝑥𝜌⁄) ⁄ ]2∞
0𝑑𝑠𝑥 ⁄ (4.47)
unde MTF tih(sx) și MTF tiv(sy) sunt MTF ale întregului sistem termal (inclusiv
ecranul) pe orizontală și respectiv pe verticală. Dacă presupunem că cele două
MTF sunt egale cu MTF ti(s), ecuația se simplifică la:
𝛼′(𝜌)={∫𝑀𝑇𝐹 𝑡𝑖(𝑠)[sin(𝜋𝑠𝜌⁄)(𝜋𝑠𝜌⁄) ⁄ ]𝑑𝑠}2∫[sin(𝜋𝑠𝜌⁄)(𝜋𝑠𝜌⁄) ⁄ ]2𝑑𝑠 ⁄
(4.48)
Trebuie menționat faptul că valoarea NETD folosită în ecuația (4) trebuie să
fie cea măsurat ă pe ecranul folosit de observator. Mai mult, în teorie, determinarea
NETD ar trebui să fie limitată de frecvența spațială a ochiului. În practică întregul
sistem și în particular ecranul vor avea o plajă mai mică decât cea a ochiului, în
condițiile în car e observatorul își optimizează distanța de observare.
NECLASIFICAT
128 din 178
O comparație între MDTD măsurată subiectiv pentru un sistem termal și cea
calculată folosind ecuația (4.46) este arătată în figura următoare. În acest caz
valoarea K a fost aleasă pentru a găsi cea mai bună potrivire.
Fig. 4.22 Comparație între rezultatele unei măsurători subiective a MDTD
(punctele) și valorile calculate din măsurarea obiectivă a MTF și NETD (linia
continuă)
O metodă similară poate fi folosită pentru determinarea MRTD.
Diferențele mari care apar la frecvențe spațiale mari sunt rezultatul atât al
incertitudinilor mari ale măsurătorilor cât și al incertitudinilor mari (procent din
valoarea reală) în valorile MTF, care pot fi de ordinul a câtorva procente.
O alternativă în determinarea obi ectivă a MDTD și MRTD este măsurarea
diferențelor de intensitate, sau modulație, direct de pe imaginea de pe ecranul
camerei termale, ca funcție diferenței de temperatură a țintei, precum și valoarea
eficace a zgomotului. Astfel, se poate determina diferen ța de temperatură (MDTD
sau MRTD) pentru care raportul S/Z va avea o valoare de prag necesară
observatorului să detecteze sau să rezolve o țintă.
NECLASIFICAT
129 din 178
Concluzii
Se remarcă imposibilitatea utilizării metodei Twyman la verificarea
obiectivelor cu distanță foca lă mică (de microscop sau fotolitografiere). Față de
metoda Foucault, această metodă este mai spectaculoasă, dar implică componente
mult mai pretențioase. Deși franjele de interferență permit, în cazurile simple,
interpretarea cantitativă a aberației de un dă, metoda interferometrică Twyman
rămâne o metodă de apreciere calitativă, pe baza aspectului franjelor, a aberațiilor
unui sistem optic.
Minimizarea emisivității componentelor optice și reducerea dimensiunii
oricăror componente optice care se află în câ mpul vizual instantaneu al
detectorului sunt măsuri imperios necesare în creșterea calității observării.
Pentru a se atinge o valoare maximă a
D , trebuie aleasă o tensiune de
polarizare care să anuleze tensiunea proprie din detector ap ărută în urma iradierii
acestuia de către mediul ambiant.
În scenă diferențele de temperatură sunt, practic, foarte mici și, ca urmare,
relevante sunt diferențele de emisivitate.
Dintre doi detectori similari sub aspectul factorilor de merit, cel mai bun e ste
acela la care PEZ are valoare mai mică.
În aparatura de vedere, zgomotele care apar sunt condiționate în principal de
două cauze:
a) zgomotul sistemului electronic (al intensificatorului electrono -optic) la
vibrațiile mecanice sau la lucrul următoarelo r sisteme. Aceste zgomote se modifică
în timp, astfel că în sistemele proiectate corect, principalele surse de zgomot rămân
doar elementul sensibil și schema amplificatoare.
b) zgomote apărute din cauza neuniformității radiației atmosferice, a
fondului cer ului sau pământului.
Relația semnal zgomot permite ca mărimea cunoscută a zgomotului să
aprecieze distanța de acțiune a aparatului.
Se poate trage concluzia, că pentru un raport semnal – zgomot dat (M),
NECLASIFICAT
130 din 178
distanța de acțiune a aparatului de vedere pe timp de noapte de tip pasiv este
condiționată de puterea radiației (i), suprafața pupilei de intrare (A i) și fluxul de
prag (ф pr).
Distanța de acțiune a aparatului creste odată cu creșterea pupilei de intrare și
puterea radiației țintei și cu scăderea fluxului de prag.
NECLASIFICAT
131 din 178
CAPITOLUL 5
EVALUAREA CALITĂȚII IMAGINII PRIN SISTEMELE
OPTOELECTRONICE STUDIATE
5.1 Generalități
Analiza performanțelor aparatelor de vedere pe timp de noapte pe bază de
termoviziune, atât cu aplicabilitate în domeniul militar, cât și cu utilizare în mediul
civil, constituie elemente definitorii în procesul de achiziție și de evaluare a
capacităților de observare, utilizând acest tip de echipamente.
Această activitate de măsurare a parametrilor de performanță ale acestor
echipament e contribuie și la o alegere corectă a aparatelor în funcție de nevoile
misiunii de îndeplinit. Cunoscând misiunile pe care trebuie să le îndeplinească
aceste echipamente, se pot analiza și influențele factorilor perturbatori asupra
parametrilor de perform anță ale echipamentului.
5.2 Analiza performanțelor echipamentului în funcție de focalizare
Setarea unui nivel optim al focalizării unui echipament pe bază de
termoviziune se face manual de către operator în funcție de claritatea imaginii
observate în ocular sau pe ecranul echipamentului de termoviziune. La acest nivel,
setarea focalizării se face la nivel grosier, dar dacă misiunea nu se execută în câmp
deschis este nevoie de un echipament de testare, pentru o reglare optimă a
focalizării.
Există două metode de apreciere a performanțelor unui echipament pe bază
de termoviziune în ceea ce privește focalizare:
De către operator privind claritatea imaginii;
În laborator urmărind curbele ESF și LSF.
Pentru a observa foarte bine diferențele în calitatea imaginilor , utilizând
niveluri diferite de focalizare trebuie studiate atât imaginile, cât și curbele
menționate mai sus. Astfel se observă în Fig. 5.1 două imagini ale aceleiași mire
test, la aceeași diferență de temperatură între miră și fundal, dar cu niveluri di ferite
ale focalizării.
NECLASIFICAT
132 din 178
Nivelu 1 Nivelul 2
Fig. 5.1 Imagini obținute cu diferite niveluri de focalizare
(sursa: Lt. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 97)
Urmărind linia de separație dintre cele două zone de semnal, de la sursa de
radiații și fundal, de la corpul mirei test, nu se observă diferențe evidente de contur.
Pentru a observa aceste diferențe mai clar, se analizează graficele ESF și
LSF, prezentate în Fig. 5.2. Se observă cum graficul corespunzător utilizării
nivelului 1 de focalizare este mai di ferit față de graficul nivelului 2 de focalizare.
Nivelu 1 Nivelul 2
Fig. 5.2 Graficele LSF și ESF pentru diferite niveluri de focalizare (negru –
ESF, albastru LSF)
(sursa: Lt. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 97)
NECLASIFICAT
133 din 178
În urma analizei rezultatelor obținute pentru determinarea curbelor ESF și
LSF a rezultat faptul că aceste funcții de împrăștiere a liniei și a conturului variază
cu focalizarea.
Diferența de temperatură echivalentă cu zgomotul este o caracteristică
intrinsecă a echipamentului pe bază de termo viziune, care, teoretic, nu ar trebui să
fie influențată de nivelul de reglare al focalizării, deoarece NETD analizează două
arii de imagine care cuprind semnalul de la țintă, respectiv semnalul de la fundal,
conturului de separație dintre cele două nefiin d supus analizării. Aceste aspecte
sunt reflectate și de rezultatele măsurătorilor efectuate asupra NETD pentru
diferite niveluri de focalizare (Fig. 5.3)
Nivelul 1 de focalizare – nivel superior
Nivelul 2 de focalizare – nivel inferior
Fig. 5.3 Gr aficul NETD pentru diferite niveluri de focalizare
(sursa: Lt. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 99)
Cum era de așteptat se observă că nivelul NETD pentru o focalizare bună,
54mK și pentru o focalizare inferioară, 55mK este de aproximativ 2%, diferență ce
scoat e în evidență că NETD nu depinde de nivelul de reglare a focalizării.
Gradul de reglare al uniformității este și funcția de transfer a modulației,
notată cu MTF. Acest lucru este datorat faptului că forma imaginii, în sens
calitativ, este în strânsă legăt ură cu frecvența spațială pentru care funcția de
transfer a modulației este 50%. Ținând cont de legătura dintre MTF și frecvența
spațială, se poate folosi ca indicator pentru calitatea imaginii tocmai valoarea
NECLASIFICAT
134 din 178
frecvenței spațiale pentru care MTF ia valoare 50%. Rezultatele obținute pentru
analiza MTF sunt prezentate în Tabelul 5.1.
Parametru Valoare obținută
Focalizare bună
Frecvența spațială [cy/mrad] 0,46
Focalizare mai puțin bună
Frecvența spațială [cy/mrad] 0,41
Tabelul 5.1 Valorile frecvenței sp ațiale în funcție de focalizare
Fig. 5.4 MTF = f(frecvența spațială)
(alura superioară – focalizare bună)
Pentru a obține un MTF mai mare este nevoie de o focalizare bună a
echipamentului pe bază de termoviziune. Așadar, pentru o focalizare bună se
poate obține un MTF mai mare cu până la 12% față de situația în care se utilizează
o focalizare mai puțin bună.
NECLASIFICAT
135 din 178
5.3 Analiza performanțelor echipamentului în funcție de diferența de
temperatură
Procedurile de evaluare a performanțelor echipamentelor pe bază de
termo viziune au ca principal instrument de variere a datelor de intrare, diferența de
temperatură dintre sursa de radiații infraroșii și fundalul reprezentat de partea plină
a mirelor țintă.
Echipament de testare : cameră pe bază de termoviziune FLIR SC 4000;
distanța focală: 100 mm.
După cum s -a mai amintit, MTF (Fig. 5.5 b) este un parametru important de
calitate al echipamentului de termoviziune. De aceea evaluarea acestui parametru
trebuie făcută cu atenție, atât mai mult cu cât forma graficului și valorile
rezultatelor variază în timp în jurul valorii reale și de aceea, forma graficului
funcției de transfer a modulației nu prezintă acea „netezime” de la senzorii în
vizibil (Fig. 5.5 a).
a) b)
MTF vizibil MTF infraroșu
LSF și ESF vizibil LSF și ES F infraroșu
(ESF – albastru, LSF – roz)
Fig. 5.5 Alura curbelor MTF, LSF și ESF
(sursa: Lt. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 101)
NECLASIFICAT
136 din 178
Dacă testul se repetă pentru aceeași diferență de temperatură dintre miră și
sursa de radiații infraroșii și la aproximativ ace eași temperatură ambientală, se
observă că graficul MTF prezintă aceleași caracteristici de formă. Această variație
ar putea fi pusă pe seama variației temperaturii ambientale, dar testele au arătat că
pentru aceeași valoare a temperaturii ambientale (Fig. 5.6), se păstrează forma
graficului MTF.
Fig. 5.6 MTF pentru T amb=ct și ΔT=ct
(sursa: Lt. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 102)
În Fig. 5.6 se observă că pentru o diferență de temperatură mai mare de 20°C
graficul MTF nu mai prezintă anomalii în zona MTF 50%. Pentru diferențe de
temperaturi mai mici, curba MTF prezintă două valori de frecvențe spațiale pentru
MTF 50%. Acest lucru poate induce în eroare operatorul, de aceea sunt preferate
diferențele de temperatură mai mari. Analizând graficele, MTF crește odat ă cu
creșterea diferenței de temperatură. Deci, se dorește folosirea diferențelor mari de
temperatură, dar să nu se ajungă la saturarea senzorului.
După se poate observa derularea testului MTF este foarte complexă. În
aceste condiții se poate ține cont ș i de posibilitatea inversării polarității
echipamentului pe bază de termoviziune. Se cunosc două posibilități de polaritate:
NECLASIFICAT
137 din 178
Black -hot (Fig. 5.7);
White -hot.
Uzual, se folosește polaritatea white -hot, fiind mai sugestivă utilizatorilor.
(Fig. 5.8). Ținân d cont de valorile obținute pentru MTF 50%, de feedback -ul primit
de la operatori, cât și de analiza vizuală a imaginilor obținute cu cele 2 posibilități
a polarității, se sugerează utilizarea modului white -hot a polarității. În graficul
MTF se observă o ne tezime atunci când se utilizează modul de polaritate black -hot
(Fig. 5.9).
Fig. 5.7 Imagine black -hot
(sursa: http://www.thermbright.com/thermal -targets/reverse -polarity)
Fig. 5.8 Imagine white -hot
(sursa: http://www.thermbright.com/thermal -targets/revers e-polarity)
NECLASIFICAT
138 din 178
Fig. 5.9 MTF 50% în cazul utilizării BH sau WH
(sursa: Lt. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 104)
Un alt motiv care indică faptul că utilizare modului white -hot nu este
deficitară în analiza parametrilor de performanță ale aparatului, îl constitui e
valorile apropiate ale MTF:
MTF 50%(BH) = 0,586 cy/mrad ;
MTF 50%(WH) = 0,546 cy/mrad.
5.4 Analiza performanțelor echipamentului în funcție de MRTD
În vederea determinării MRTD se poate descrie abilitatea sistemului
observator -echipament pe bază de termovizi une de a detecta detalii cu un contrast
mic pe țintă. Pentru figurarea acestor detalii mici, se folosește mira cu patru bare
verticale, de diferite frecvențe spațiale.
Principiul de măsurare este acela că temperatura mire este variată cu
incremenți mici, în sensul egalării temperaturii fundalului, până când observatorul
nu mia poate diferenția barele de pe miră. În acel moment, diferența dintre cele
două valori ale temperaturii, pentru care observatorul a diferențiat barele verticale,
reprezintă MRTD (Fig. 5.10).
NECLASIFICAT
139 din 178
Fig. 5.10 Schema experimentală de măsurare a MRTD
(sursa: Lt. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 58)
Imaginile observate de către operator în urma testului pentru măsurarea
MRTD sunt prezentate în Fig. 5.11, iar graficul MRTD pentru un echipament d e
termoviziune este prezentat în Fig. 5.12.
Fig. 5.11 Imagini pe timpul desfășurării testului de MRTD
(a-d: ΔT=15°C, ΔT=10°C, ΔT=5°C, ΔT=1°C, sursa: Lt. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 58)
NECLASIFICAT
140 din 178
Fig. 5.12 Alura MRTD pentru un echipament de termoviziune
(a-d: ΔT=15°C, ΔT=10°C, ΔT=5°C, ΔT=1°C, sursa: Lt. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 59)
Ordinul de mărime al MRTD este prezentat în Tabelul 5.2.
Frecvența spațială
[1/mrad] MRTD [°C]
Câmp vizual
Larg (aprox. 10°) Îngust (aprox. 3°)
0,5 < 0,1
1 < 0,38 < 0,1
1,5 < 2
2 < 0,18
3 < 0,4
4 < 1
5 < 6
Tabelul 5.2 Valori ale MRTD
NECLASIFICAT
141 din 178
Aplicând modelul de calcul pentru determinarea distanței de detecție,
recunoaștere și identificare pentru țintele NATO este necesară curba MRTD. Astfel
s-au obținut graficele MRTD în funcție de frecvența spațială și în funcție de
distanța de observare R (Fig. 5.13, Fig. 5.14).
Fig. 5.13 Alura MRTD utilizând FLIR SC6000
(sursa: Lt. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 64)
Fig. 5.14 Alura MRTD = f(R), utilizând FLIR SC6000
NECLASIFICAT
142 din 178
5.5 Evaluarea perf ormanțelor echipamentelor pe bază de termoviziune
ținând cont de rezoluția achiziției de imagini
Caracteristicile de rezoluție ale unei imagini ne informează cu privire la
abilitatea echipamentului de a percepe detalii mici pe imagini cu un contrast
ridica t. În literatura de specialitate există foarte multe confuzii cu privire la aceste
aspecte deoarece sunt folosiți o multitudine de parametri care să exprime această
abilitate. În general parametrii care reprezintă abilitatea echipamentelor pe bază de
termo viziune de a percepe detalii mici (rezoluția) pot fi grupați în patru categorii:
1) Parametrii din specificațiile tehnice ele echipamentelor pe bază de
termoviziune;
2) Parametrii rezultați din funcția de transfer a modulației;
3) Parametrii rezultați din răspunsul echipamentului la surse punctiforme sau
liniare;
4) Parametrii rezultați din evaluarea pe baza mirelor pentru determinarea
rezoluției.
Echipamentele pe bază de termoviziune se încadrează în trei standarde de
rezoluție (cu unele mici variații ale unor producă tori):
– rezoluție mică – < 160 x 120 (19200 pixeli);
– rezoluție medie – 320 x 240 (76800 pixeli);
– rezoluție mare – >640 x 480 (307200 pixeli).
Aplicația în care se folosește echipamentul de termoviziune și calitatea dorită
a imaginii determină rezoluția de c are avem nevoie. De cele mai multe ori, însă, se
dorește un echipament de rezoluție mare (chiar și această valoare a rezoluției, de
640 x 480, reprezintă doar o parte din rezoluția unui monitor mediu). De aceea,
atunci când se evaluează un echipament de te rmoviziune, numărul de detectori este
foarte important. O creștere a rezoluției are efect imediat asupra calității imaginii
(Fig. 5.15).
Aceste date cu privire la matricea de detectori sau la sistemul optic implicat
într-un echipament pe bază de termoviziu ne, sunt destul de ușor de determinat,
motiv pentru care, adesea, rezoluția echipamentelor pe bază de termoviziune este
exprimată folosind parametrii trecuți în specificațiile tehnice ale echipamentelor
NECLASIFICAT
143 din 178
(Tabelul 5.3).
Există cazuri când un echipament pe ba ză de termoviziune cu un număr mic
de detectori poate genera o imagine mult mai bună decât una care are un număr
mai mare de detectori.
Dacă în urma calculelor obținem pentru DAS o valoare de x mrad acest lucru
nu înseamnă că putem vedea ținte cu dimensiun i unghiulare de x mrad. În unele
cazuri se pot vedea ținte de două ori mai mari, însă există posibilitatea ca ținte de
trei ori mai mari decât DAS să nu poată fi observate. Parametrii de rezoluție bazați
pe specificațiile tehnice ale matricei de detectori trebuie tratați ca indicatori ai
abilității echipamentului pe bază de termoviziune de vedea detalii mici. Cu câți
sunt mai mulți detectori cu atât ar fi mai mare, teoretic, capacitatea echipamentului
de a vedea detalii mici. În realitate nu se întâmplă înt otdeauna așa.
Același lucru se întâmplă și în cazul DAS sau IFOV. Se caută valori cât mai
mici pentru DAS (IFOV) însă acestea nu indică întotdeauna îmbunătățiri în
abilitatea echipamentului de a vede detalii mici.
Nr.
crt. FPA Dimensiunea
pixelului Distanț a
focală
[mm] Numărul de
detectori DAS
1 320×256 30×30 50 mm 81920 px 0,6 mrad
2 640×512 15×15 50 mm 327680 px 0,3 mrad
3 320×240 45×45 50 mm 76800 px 0,9 mrad
Tabelul 5.3 Parametrii de evaluare a rezoluției privind calitatea imaginii
NECLASIFICAT
144 din 178
Fig. 5.15 Rez ultate ale măririi/micșorării rezoluției asupra calității imaginii
unde:
IFOV (câmpul vizual instantaneu) sau DAS (valoare de detecție unghiulară), chiar
dacă au denumiri diferite, reprezintă dimensiunile unghiulare subîntinse la țintă de
un singur detecto r folosit de echipamentul pe bază de termoviziune
(DAS[mrad]=a/f’; unde a=dimensiunea detectorului [μm], f’ = distanța focală a
obietivului [mm]).
5.6 Analiza sistemului optic cu vedere termală din punct de vedere al
funcției de transfer optic
OTF a unui siste m complex, cum ar fi o cameră pe bază de termoviziune
destinată mentenanței industriale, poate fi anticipată calculând produsul OTF
specific fiecărei componente din care este alcătuit sistemul. O cameră de
termoviziune destinată mentenanței industriale est e alcătuită, în general, din
următoarele subsisteme: obiectiv, senzor, sistem electronic și ecran. MTF a
întregului sistem la o anumită frecvență spațială este dat de relația:
sk MTFsk MTFsk MTFsk MTFs MTFecran electric senzor obiectiv sistem 4 3 2 1
(5.1)
NECLASIFICAT
145 din 178
unde:
sk MTFobiectiv 1 , etc. sunt MTF a le subsistemelor componente iar ki sunt constante ce
fac legătura între frecvența spațială a acelui subsistem cu frecvența spațială a
sistemului.
Fig. 5.16 MTF al unui sistem
Funcția de transfer a fazei PTF a întregului sistem este dată de relația:
sk PTFsk PTFsk PTFsk PTFs PTFecran electric senzor obiectiv sistem 4 3 2 1
(5.2)
Fig. 5.17 Reprezentarea PTF pentru un sistem optic
Posibilitatea de a calcula MTF a unui sistem prin înmulțirea MTF a
subsistemelor componente este deosebit de importantă pentru proiectant. Asta
înseamnă că performanțele subsist emelor pot fi relaționate pentru a optimiza
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 100.10.20.30.40.50.60.70.80.91
MTF optica
MTF detector
MTF electric
MTF ecran
MTF sistem
Frecventa spatiala normalizataMTF
0.2
0.4
0.6
0.8
1
MTF
PTF
Frec vența spațială
2
4
6
8
10
11
NECLASIFICAT
146 din 178
întregul sistem. De exemplu, subsistemul electronic poate fi proiectat astfel încât
lățimea de bandă a frecvențelor să se potrivească cu echivalentul limitei de
rezoluție a subsistemului care limitează întregul s istem, minimizând astfel
zgomotul fără a limita rezoluția spațială a sistemului.
Este important de menționat că în cazul sistemelor de lentile ale unui
obiectiv nu este posibilă determinarea MTF a întregului sistem din produsul MTF a
lentilelor componente, deoarece aberațiile frontului de undă ale unui element pot fi
în sens opus celor ale altui element și astfel aberația frontului de undă pentru întreg
sistemul este mai mică iar MTF mai bună decât MTF a fiecărui element în parte.
De altfel, acest fenomen s e utilizează în proiectarea obiectivelor pentru a le
optimiza performanța.
OTF/MTF ale unui sistem optic sau optoelectronic poate fi măsurat într -o
manieră complet obiectivă, ceea ce permite specificarea clară a performanțelor
sistemului, spre deosebire de testele de rezoluție care pot fi uneori foarte
subiective. În plus sunt disponibile câteva standarde internaționale pentru a
îmbunătăți acest proces.
De asemenea MTF poate fi definită ca mărimea funcției de transfer optic
complexe:
𝑂𝑇𝐹 (𝑣)=𝑀𝑇𝐹 (𝑣)𝑒𝑖𝑃𝑇𝐹 (𝑣) (5.3)
unde:
OTF – funcția de transfer optic;
MTF – funcția de transfer a modulației;
PTF – funcția de transfer a fazei care reprezintă schimbarea de fază în funcție de
frecvența spațială.
Un sistem optic perfe ct ar avea MTF egală cu unitatea și PTF egal cu zero
pentru toate frecvențele spațiale. În cazul sistemelor reale MTF întotdeauna scade
spre zero pentru unele frecvențe spațiale, iar PTF este nesemnificativă, motiv
pentru care putem considera că OTF este e gală cu MTF. În general este folosită
MTF și nu OTF pentru a caracteriza calitatea sistemelor optice.
Sunt disponibile pe piață echipamente destinate măsurării OTF/MTF pentru
majoritatea tipurilor de sisteme sau dispozitive optice și optoelectronice.
NECLASIFICAT
147 din 178
Concluzii
Urmărind schema de testare a echipamentelor pe bază de termoviziune (Fig.
5.18), se poate susține faptul că în acest capitol s -au studiat principalii factori care
influențează mărimile care caracterizează calitatea imaginii prin sistemele optice
supuse testelor.
Supraveghere Supraveghere militară Științific
Distorsia, teste
radiometrice,
neuniformitatea în
funcție de timp,
componentele
tridimensionale ale
zgomotului și testele
anterioare
NETD spațial și temporal,
FOV/IFOV, FPN, alte
caracterist ici de răspuns
și testele anterioare
SiTF, NETD, MTF, teste
subiective (MDTD,
MRTD)
……………………….1h ………………………..2h ……………………3h
Fig. 5.18 Principalele teste pentru determinarea performanțelor sistemelor optice
pe bază de termoviziune
Analiza performanțelo r unui sistem de observare pe bază de termoviziune în
funcție de focalizare scoate în evidență nevoia ca echipamentele pe bază de
termoviziune să fie focalizate înainte de a începe fie un proces de evaluare a
parametrilor de calitate, fie un proces de dete cție/recunoaștere/identificare în câmp
real.
Analiza funcției de transfer a modulației în urma varierii diferenței de
temperatură dintre țintă și fundal a scos în evidență faptul că aparatele de observare
pe bază de termoviziune funcționează în parametrii normali. Pentru o analiză mai
aprofundată a MTF este necesară o modificare a diferenței de temperatură de
aproximativ 20°C, la o temperatură ambientală constantă.
NECLASIFICAT
148 din 178
PAGINĂ ALBĂ
NECLASIFICAT
149 din 178
CAPITOLUL 6
METODE DE OPTIMIZARE A CALITĂȚII IMAGINII
PRIN SISTEME DE VE DERE PE TIMP DE NOAPTE PE
BAZĂ DE TERMOVIZIUNE
6.1 Generalități
Calitatea imaginii constituie un factor care influențează alegerea sistemului
de observare atât pe timp de zi, cât și pe timp de noapte. În continuarea voi
prezenta anumiți factori care pot fi îm bunătățiți pentru obținerea unor imagini mai
calitative, necesare în îndeplinirea unor misiuni mai delicate. Se va putea observa
că nu este necesar un nivel de complexitate și un preț ridicat ale elementelor
sistemelor optice pentru a obține performanțe ac ceptabile ale aparatelor utilizate.
Toate aprecierile vor fi făcute în concordanță cu precizările din standardul
STANAG 4349, în care se stipulează cerințe tehnice pentru sistemele de observare
pe bază de termoviziune.
În vederea definirii unor metode de o ptimizare a calității imaginii prin
sistemele de vedere pe timp de noapte pe bază de termoviziune, se vor face
precizări în legătură cu:
Utilizarea unei rezoluții mai fine (using fine resolution);
Înlocuirea unor materiale și scăderea prețului și a comple xității
(creșterea raportului calitate/preț);
Antrenarea operatorilor pe anumite segmente ale activităților de
observare cu ajutorul acestor tipuri de sisteme;
Utilizarea FMBF (filtru rapid pe bază mediana; fast median -based
filter);
Utilizarea unei sensib ilități termale ridicate;
Utilizarea corecției de neuniformitate (NU).
6.2 Utilizarea unei rezoluții mai fine21
Imaginile digitale au făcut posibilă apariția unor noi posibilități de utilizarea
a spațiului media -social odată cu includerea acestuia într -un spa țiu obișnuit,
21 Notă de aplicație, Using fine resolution to improve thermal images, Agilent Technologies, 30 Iunie 2014, sursa:
http://cp.literature.agilent.com/litw eb/pdf/5991 -4606EN.pdf;
NECLASIFICAT
150 din 178
accesibil tuturor. Cu ajutorul digitizării imaginilor, imaginile pot fi stocate, copiate
și împărtășite digital aproximativ fără nici o barieră. În orice caz, imaginile
digitale fac parte încă dintr -un sistem discret – ceea ce cu adevărat ve dem depinde
foarte mult de rezoluția pe care sistemul de achiziție de imagini digitale o are. Cu
toate acestea, sistemele de imagini digitale cunosc o dezvoltare continuă și mai
mult decât atât sunt foarte accesibile în ziua de astăzi. În contradictoriu cu aceste
precizări este prețul unui sistem de observare pe bază de termoviziune, care crește
semnificativ odată cu rezoluția detectorului.
Tehnologia folosită pentru creșterea rezoluției imaginilor digitale este super
rezoluția (super resolution technology ). În decursul dezvoltării sistemelor de
imagini digitale, au apărut diferite tehnici ale super rezoluției cu avantajele și
dezavantajele sale. Un sistem de observare pe bază de termoviziune asimilează
evoluția tehnologiei rezoluției sistemelor de imagini digitale pentru a -și îmbunătăți
rezoluția propriului sistem de observare. Imager -ul termal TrueIR folosește o
tehnică de super rezoluției specifică bazată pe multi -frame -uri și un algoritm
cunoscut ca Fine Resolution (FR), care crește rezoluția imaginii te rmice cu până la
4 ori.
Câmpul vizual instantaneu (iFOV), cunoscut ca rezoluția spațială, definește
cel mai mic detaliu din câmpul vizual (FOV) pe care un imager termal îl poate
detecta. Pentru o măsurare corectă a temperaturii obiectul țintă trebuie să f ie mai
mare ca câmpul vizual instantaneu fizic al imager -ului temal. Depinzând de
distanța până la obiect, fiecare pixel al detectorului imager -ului termal măsoară
temperatura medie a ariei din interiorul iFOV fizic. Rezoluția mare este în
particular mai i mportantă când se analizează obiecte largi, precum pereții caselor,
acoperișuri, dispozitive de luptă în defensivă, obiecte la distanță, precum utilaje
uriașe, instalații la mare distanță, cât și obiecte mici, precum plăcuțe de circuite
electronice – PCBA.
Un imager termal cu o rezoluție mare oferă posibilitatea observării mai
multor detalii ale obiectelor analizate și o imagine în infraroșu (IR) mai clară, în
consecință crește acuratețea măsurătorilor. Cunoscând faptul că prețul unui imager
termal crește odată cu creșterea rezoluției, bugetul disponibil indică soluția
disponibilă în ceea ce privește imager -ul termal. Spre exemplu, prețul unui imager
NECLASIFICAT
151 din 178
termal cu rezoluția 320×240 px poate fi dublu față de prețul unui imager termal cu
rezoluția 160×120 px.
În sistemele de imagini digitale există câteva limitări fundamentale. Evoluția
sistemele de imagini termale este influențată de evoluția tehnologiei imaginilor
digitale. Natura discretă a rețelelor de detector și numărul limitate de pixeli
limitează aria de tectabilă de sistemul termal. Prin urmare există câteva informații
care lipsesc în ceea ce privește imaginile digitale. Acest lucru este mai evident în
cadrul sistemelor de imagini termale, datorită rezoluțiilor lor relativ mici.
Rezoluția fine utilizată în imager -ul termal TrueIR oferă posibilitatea
îmbunătățirii rezoluției termale efective de până la 4 ori și asigură un iFOV de 1.5x
ori mai bun. Acest lucru este posibil folosind un algoritm complex în detectoarele
de rezoluție mică. Cuplat cu un proceso r puternic pentru imagini digitale,
algoritmul poate fi utilizat fără nici o întârziere în sistem. Per ansamblu rezoluția
fină îmbunătățește efectiv calitatea imaginilor și crește totodată acuratețea
măsurătorii fără a crește prețul considerabil a unui sis tem de observare pe bază de
termoviziune.
În Fig. 6.1 este prezentat modelul simplificat al rezoluției fine. Fiecare pas al
procesului este construit pentru a duce la bun sfârșit diferite sarcini. Achiziția
multi -frame oferă imagini sau date pentru proc esarea la următorul nivel. Super –
poziționarea analizează și îmbină toate datele și le pregătește pentru reconstrucție,
unde conexiunile finale sunt făcute pentru a asigura o imagine clară și precisă – o
imagine cu o rezoluție de 4 ori mai bună.
Fig. 6.1 M odelul simplificat al Rezoluției Fine (Fine Resolution Model)
NECLASIFICAT
152 din 178
Analizând în detaliu procesul de achiziție multi -frame, se poate observa că
sunt capturate în continuu frame -uri IR ale imaginii în aceeași scenă. Se ține cont
că fiecare secvență va fi ușor di ferit de celălalt datorită mișcării naturale a mâinii a
operatorului imager -ului. Fiecare secvență diferită posedă informații termale ușor
diferite, care sunt extrase cu ajutorul secvențelor de achiziție de informații.
În acest proces, toate frame -urile sunt scalate la o rezoluție superioară (spre
exemplu de la 160×120 la 320×240) folosind o tehnică de interpolare simplă.
Interpolarea este o tehnică care scalează pixelii imaginii prin predicția de noi sub –
pixeli folosind date de la pixelii adiacenți captu rați folosind detectorul de rezoluție
mică. Tehnica utilizată este asemănătoare construirii unei curbe aproximative a
unei funcții matematice.
Procesul de interpolare este rapid, prin urmare, imaginea interpolată de
înaltă rezoluție este în timp real. În locul afișării pe display a unei imagini la
rezoluție mică, pe LCD va fi afișată imaginea cu rezoluția înaltă, ceea ce va face
din sistemul de observare pe bază de termoviziune, un sistem cu capacități
asemănătoare unei camere digitale.
Întrucât fiecare secvență este ușor deplasată una față de cealaltă, simpla
suprapunere a secvențelor nu e tocmai potrivită. Procesul de super -poziționare
(Fig. 6.2) începe prin identificarea unui set de puncte comune în fiecare secvență.
Aceste puncte formează un registru care reprezintă identitatea tuturor secvențelor.
Apoi secvențele sunt poziționate și aliniate conform registrului înainte ca ele să fie
suprapuse pentru a forma o imagine de înaltă rezoluție.
Reconstrucția este necesară pentru a îmbunătăți și intensifica i maginea
termală. Sunt multe modele matematice și tehnici de procesare a imaginii, precum
folosirea unui algoritm de reducere a zgomotului și un algoritm pentru
intensificarea muchiilor imaginii.
Imaginea rezultată în urma aplicării modelului de rezoluției fină poate fi
justificată prin măsurarea temperaturii unei linii verticale de grosime de 1mm
dispusă la o anumită distanță de măsurare. Fig. 6.3 ilustrează capacitatea rețelei de
detectori TrueIR de a capta imaginea termală a acelei linii subțiri. Datorit ă
limitărilor fizice ale iFOV -ului, dacă se utilizează doar o singură secvență se poate
obține numai temperatura medie a liniei test, ceea ce ar fi inexact.
NECLASIFICAT
153 din 178
Fig. 6.2 Procesul de super -poziționare
Fig. 6.3 Rețeaua de pixeli
NECLASIFICAT
154 din 178
Utilizând achiziția multi -frame, rezoluția fină este capabilă să recupereze
informația din sub -pixeli. Fig. 6.4 arată diferența între utilizarea unui detector cu o
rezoluție 160×120 și a unui detector căruia i se aplică modelul rezoluției fine, care
generează o imagine cu rezoluția 3 20×240. Îmbunătățirea iFOV -ului cu 1,5x, duce
la creșterea precizia măsurării temperaturii cu până la 1,5x.
Fig. 6.4 Temperatura rezultată utilizând modelul Fine Resolution
Așadar utilizând modelul Fine Resolution propus de compania Agilent
Technologies , detectoarele pentru sistemele cu imagini termale vor duce la
creșterea calității imaginii, fără a modifica prețul sistemului cu o valoare
considerabilă.
6.3 Înlocuirea unor materiale și scăderea prețului sistemelor de
observare pe bază de termoviziune22
În general calitatea imaginii unui sistem optic poate fi îmbunătățită utilizând
un design mai complex, cu mai multe elemente optice. Totuși, în majoritatea
aplicațiilor comerciale, unde costul, dimensiunile și greutate sunt factori important,
22 George CURATU, Design and fabrication of low -cost thermal imaging optics using precision chalcogenide glass
molding, LightPath Technologies, Orlando, U.S.A;
NECLASIFICAT
155 din 178
de preferat sunt sistemele optice compacte cu un număr mic de elemente. Un alt
factor important în aplicațiile cu imagini IR este creșterea cantității de lumină care
pătrunde la detector. Utilizând un număr redus de elemente, se vor reduce
pierderile de transmitere a infor mației, fapt ce constituie un factor critic.
În pofida utilizării materialelor clasice, se propune utilizarea sticlelor din
calcogenuri (CG), pentru a reduce costul și a face posibilă utilizarea lor în multe
aplicații cu imagini IR. Totodată, CG se pot t urna la temperaturi reduse și transmit
foarte bine radiația IR, având proprietăți termale foarte bune comparându -le cu alte
materiale IR.
CG este un sistem binar sau ternar care conține cel puțin un element din seria
calcogenurilor: Sulf, Seleniu, Telur. Cele mai utilizare CG în optica IR sunt
sisteme ternare care conțin și Germaniu. Acest element chimic este adăugat
compoziției pentru a crește temperatura de tranziție și durabilitatea, făcând posibilă
utilizarea CG într -o gamă largă de aplicații și în med ii diferite. CG transmite foarte
bine în ambele regiuni spectrale: în 3 -5μm, cât și în 8 -12μm IR, și mențin o bună
transmisie până la 120°C, chiar și mai mult. Această limitare apare din cauza Ge,
care se opacizează la 80°C.
O cerință generală a sistemelo r optice termale (IR) utilizate în aplicațiile
comerciale este aceea de a oferi imagini termale cu aceeași calitate pe o plajă cât
mai largă de temperaturi ( -40°C – +80°C). Principala cauză a degradării calității
imaginii cu temperatura este deplasarea dis tanței focale, cauzată la rândul ei de
modificarea indicelui de refracție a sticlei cu temperatura dn/dt și modificarea
distanțelor între elementele sistemului optic. Indicele de refracție crește deseori cu
temperatura, făcând EFL și BFL mai mici (distanțe focale efectivă). Crearea
spațiilor între ultima suprafață și planul imagine duce la defocalizarea lentilelor.
Avantajul utilizării CG în optica IR este acela că elementele optice vor avea
valori relativ scăzute ale dn/dt. Spre exemplu la temperatura ca merei, dn/dt pentru
elementele optice cu CG este egal cu 72 ppm/°C. Această valoare este de 5 ori mai
mică ca cea a Ge (400 ppm/°C). Dacă toate elementele optice ale sistemului ar fi
confecționate din CG, atunci deplasarea focală cu temperatura ar fi foart e mică și
totodată ar putea fi compensată cu utilizarea doar a câtorva elemente mecanice.
NECLASIFICAT
156 din 178
Compensarea deplasării focale cu temperatura este prezentată în Fig. 6.5,
care prezintă MTF atât la -40°C, cât și la 80°C după compensarea cu elemente
mecanice.
a)
b)
Fig. 6.5 MTF măsurată la temperaturile limită pentru sistemul optic cu elementele
CG (a – -40°C, b – +80°C)
NECLASIFICAT
157 din 178
În concluzie, un sistem optic alcătuit din elemente optice cu CG, oferă
calități mai bune ale imaginii la un preț mai scăzut față de sis temele optice cu
elemente optice clasice din sticlă netratată cu elemente calcogenice. Prețul scăzut
este datorat și metodei de fabricare a lentilelor. Acestea pot fi turnate datorită
proprietăților elementelor CG în matrițe, ceea ce ar ușura procesul fabr icare pentru
producția de serie mare.
6.4 Îmbunătățirea procesului de detecție/identificare/recunoaște prin
antrenarea corespunzătoare a operatorilor
Analizând recomandările uneia dintre cele mai importante companii care
produce sisteme de observare pe bază de termoviziune, Flir, prezentate în
materialul 12 Things to consider before buying an infrared camera. A guide for
investing in infrared, se poate spune că performanțele unui sistem IR pot fi
influențate și de operator.
Echipamentele pe bază de termovizi une reprezintă echipamentele militare
standard pentru supravegherea câmpului de luptă. Eficacitatea acestor sisteme
depinde foarte mult de pregătirea operatorilor. De obicei, nu sunt probleme delicate
în instruirea operatorilor pentru folosirea camerelor T V deoarece aceste sisteme
generează imagini similare cu imaginile generate de ochiul uman. Antrenarea
operatorilor de echipamente pe bază de termoviziune este mult mai dificilă și
necesită mai mult timp din cauza a patru motive de bază:
spectrul folosit de echipamentele pe bază de termoviziune fiind diferit de
spectrul folosit de ochiul uman, imaginea termală diferă semnificativ de
imaginea în vizibil a aceluiași scenariu;
imaginea furnizată de sistemele pe bază de termoviziune nefiind
stereoscopică, operat orilor le este mult mai dificil să perceapă obiectele
apărute în câmpul tactic;
în imaginile termale nu apar umbrele obiectelor vizualizate;
un proces performant de analiză a imaginilor termale se obține după
antrenarea operatorilor în utilizarea sistemelo r pe bază de termoviziune, care
este o muncă costisitoare, atât din punct de vedere financiar cât și în ceea ce
privește resursele de timp.
NECLASIFICAT
158 din 178
Din motivele amintite mai sus, interpretarea imaginilor termale este mai
dificilă decât interpretarea imaginilor în spectrul vizibil. Operatorii începători
adesea nu sunt siguri dacă obiectul de interes este țintă sau obiect din natură. De
asemenea, aceștia au probleme în recunoașterea și identificarea obiectelor sau în
determinarea distanțelor până la acestea. Datorită nevoilor militare este imperativ
să se dezvolte continuu generatoare hardware/software de imagini adaptate
misiunilor forțelor terestre, navale, militare sau paramilitare. Toate aceste aspecte
conduc la definirea probabilității de rezolvare a unei ținte d in câmpul vizual al
echipamentului pe bază de termoviziune. Asupra acestei probabilități se vor face
anumite precizări din punct de vedere teoretic. Îmbunătățirea rezultatelor activității
desfășurate de observatorii umani presupune realizarea unui program de
antrenament. A vorbi despre antrenament, ca factor cheie în îmbunătățirea gradului
de recunoaștere a țintelor, înseamnă a descrie un întreg proces, cu toate
componentele sale, hardware și software, instructori, operatori, condiții precise de
laborator ș i nu în ultimul rând proceduri ce vor fi urmărite atât de operatori cât și
de instructori.
Un program de antrenament ar trebui să permită simularea tuturor factorilor
prezentați în Fig. 6.6.
Fig. 6.6 Factori de stimulat
NECLASIFICAT
159 din 178
De aceea, programul de antrenament trebuie să aibă următoarele
caracteristici:
În primul rând, trebuie să permită generarea de imagini tridimensionale
dinamice, atât în infraroșu cât și în vizibil, cu ținte dispuse în fundaluri
diferite.
În al doilea rând, ar trebuie să simuleze influența condițiilor de observare,
cum ar fi distanța până la țintă, temperatura și emisivitatea fundalului,
transmitanța și emitanța atmosferei, asupra imaginii de la ieșire.
În al treilea rând, ar trebui să permită simularea caracteristicilor
echipamentelor pe ba ză de termoviziune cu efecte directe în imaginea de la
ieșire (rezoluția de temperatură, rezoluția spațială, câmpul de vedere sau
anumite setări, cum ar fi: contrastul, strălucirea sau polaritatea imaginii).
O strategie cadru recomandată pentru îmbunătățir ea capacității de
recunoaștere și identificare a vehiculelor trebuie să aibă următoarele elemente de
bază:
Pretestarea, pentru stabilirea nivelului de performanță la care se află
operatorul instruit;
Predarea conceptuală și informarea necesară pentru a înț elege nivelul pe care
îl dorește;
Antrenamentul începe de la nivelul declarat în urma pretestării (începător
sau avansat) și include o comunicare performantă instructor/operator iar
problematica se va pune de la general la particular și de la ușor la dific il;
Verificarea nivelului de performanță atins prin teste rapide de identificare
punctuală;
Continuarea antrenamentului conform cerințelor impuse de nivelul dorit;
Vehiculele învățate trebuie repetate în teste, o dată cu cele noi.
Succesul antrenamentului pentru recunoașterea și identificarea vehiculelor
depinde direct proporțional de imaginile disponibile. Când vorbim de succes ne
referim la capacitatea operatorului de a -și transfera nivelul atins și la altă categorie
de imagini, sau, ideal, la situațiile cu ținte reale. Succesul antrenamentului nu
înseamnă faptul că operatorii au memorat imaginile prezentate în timpul
antrenamentului.
NECLASIFICAT
160 din 178
Când se pune problema imaginilor folosite la antrenament, următorii factori
minimali trebuie analizați:
Considerații genera le:
Imagini de fidelitate mare;
Imagini cu indicii specifice puține sau deloc;
Vehicule potrivite în funcție de misiunile operatorilor;
Considerații specifice vehiculelor:
Imaginile aceluiași vehicul să fie făcute din mai multe unghiuri;
Imaginile aceluiaș i vehicul să fie făcute la mai multe distanțe;
Imaginile vehiculelor la diferite distanțe trebuie să fie la scară;
Imagini cu ținte pe timp de zi dar și de noapte;
Imagini white -hot și imagini black -hot;
Imagini non -tactice;
Imagini tactice (prin fum sau p raf, în timpul focului, cu turela în
diferite direcții);
Imagini făcute în diferite perioade ale anului și în diferite climate;
Imagini care să indice variația amprentei termice a vehiculului ca
funcție de timpul de operare;
Imagini pentru testări cu calif icative;
Imagini color în vizibil pentru comparări cu imaginile în IR.
O bază de date cu acești factori implementați asigură operatorilor o varietate
crescută de exemple. Operatorii trebuie să învețe „vehiculul” și nu „imaginea” sau
„poza”. Pe de altă par te, dacă ei au văzut foarte multe exemple sunt mult mai
pregătiți să aplice acest lucru în condiții reale.
În antrenarea operatorilor trebuie să se țină cont și de probabilitatea de
rezolvare a unei ține. Aceasta descrie posibilitatea ca o țintă din câmpu l vizual al
unui sistem optoelectronic să fie descoperită.
𝑃𝑑𝑒𝑡=𝑝1𝑝2𝜂 (6.1)
unde:
– p1 este probabilitatea ca observatorul, scanând o arie din câmpul tactic care
conține o țintă posibilă, privește c u zona foveală a ochiului pentru un anumit
NECLASIFICAT
161 din 178
timp (1/3 s) în direcția țintei;
– p2 este probabilitatea ca imaginea afișată pe un ecran, privită cu zona foveală
a ochiului observatorului, în absența zgomotului, are suficient contrast și
dimensiune pentru a fi detectată.
Probabilitatea p 1 este dificil de estimat deoarece este afectată de unghiul
solid care subîntinde câmpul cercetat cu vârful în planul focal al ochiului
observatorului, de timpul disponibil pentru cercetarea zonei respective, de numărul
de elemen te confuze prezente în câmpul tactic și de existența oricăror informații
precedente cu privire la prezența țintei în câmpul tactic.
Relația matematică care definește această probabilitate este:
𝑝1=1−𝑒−700
𝐺(𝑎𝑡
𝐴𝑠)𝑡 (6.2)
unde:
at – aria țintei;
As – aria ce urmează a fi scanată, reprezintă aria câmpului vizual în planul obiect;
t – timpul de observare;
G – factor de aglomerare, de obicei cu valori între 1 și 10 pentru marea majoritate a
imaginilo r de interes.
În Fig. 6.7 și 6.8 este prezentată probabilitatea de detecție în funcție de
distanța de observare și în funcție de factorul de aglomerare. Analizând cele două
grafice se poate spune că detecția unei ținte presupune o calitatea minimă a
imagi nii furnizate de sistemul de observare. Această calitate poate fi oferită într -un
anumit timp t minim.
În concluzie pentru a detecta o anumită țintă într -un interval de timp optim
avem nevoie de o anumită calitate a imaginii. Această probabilitate este ma i mare
într-un interval de timp cât mai scurt cu cât calitatea imaginii este mai mare.
NECLASIFICAT
162 din 178
Fig. 6.7 Probabilitatea de detecție la aceeași distanță dar cu factori de aglomerare
diferiți
(sursa: Lt. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 116)
Fig. 6.8 Probabilitatea de detecție șa distanțe de observare diferite, dar cu aceeași
factori de aglomerare
(sursa: Lt. ȚURCANU Eugen, op. cit., p. 116)
NECLASIFICAT
163 din 178
6.5 Utilizare FMBF pentru îmbunătățirea calității imaginilor IR cu
vein-pattern23
Utilizarea acestui concept apare de la calit atea imaginilor IR cu vein –
patterns. Acestea sunt caracterizate de zgomot accentuat, un contrast scăzut,
luminozitate scăzută și obiecte țintă de dimensiuni reduse.
Filtrul rapid pe bază mediană (FMBF) este de fapt o metodă de reducere a
zgomotului din im agine. Avantajul acestei metode este acela că nu necesită resurse
de calcul foarte ridicate. În plus, când dimensiunile ferestrei de filtru cresc, în urma
aplicării FMBF se pot obține informații bune pentru muchiile și textura imaginii
analizate.
Calitat ea imaginilor obținute este mai bună și din privința amplitudinii
maxime a semnalului la rata de zgomot (PSNR), care în cazul FMBF este mai mare
în comparație cu PSNR datorată filtrului median din sistemele optice clasice.
Filtrul median standard (MF) a fost conceput pentru a reduce zgomotul din
imaginile IR. Atâta timp cât MF are anumite limitări în ceea ce privește resursele
de calcul, s -a propus utilizarea CWMF, care reprezintă un filtru median mai greu și
un filtru median cu greutatea centrată. Cercet ările în domeniul eliminării limitărilor
filtrului median standard au condus la concluzia că este nevoie de o nouă soluție
care să nu crească foarte mult costul produsului și complexitatea resurselor de
calcul. Așa a apărut FMBF pentru imagini IR. Aceasta a fost introdus în
mecanismul de achiziție de imagini IR pentru a reduce impulsul de zgomot cu
resurse de calcul mici.
Pentru automatizarea procesului a fost conceput HCHE, care generează
histograme hibride cumulative.
Fig. 6.9 prezintă diagrama bloc a noului concept de îmbunătățire a calității
imaginii.
23 Chih -Lung LIN, An approach to improve the quality of infrared images of vein-patterns, 2011, sursa:
https://www.researchgate.net/publication/221749915_An_Approach_to_Improve_the_Quality_of_Infrared_Images_
of_Vein -Patterns;
NECLASIFICAT
164 din 178
Fig. 6.9 Modelul FMBF pentru îmbunătățire a calității imaginii
Scopul utilizării FMBF este clar și anume acela de a elimina efectul
zgomotului din calitatea imaginii.
Generarea unei histograme hibri de cumulative reprezintă scoaterea în
evidență a obiectelor (obiectelor calde) din imagine și nu a fundalului.
Rezultatele aplicării acestui model sunt prezentate în Fig. 6.10 și 6.11.
NECLASIFICAT
165 din 178
Fig. 6.10 Aplicarea FMBF
(a1-a4 reprezintă imaginile cu zgomot, b1 -b4 reprezintă imaginile asupra cărora s -a aplicat FMBF)
Fig. 6.11 Aplicarea HCHE
(a1-a4 reprezintă imaginile asupra cărora s -a aplicat FMBF, cât și HCHE)
În concluzie reducerea zgomotului din imagine se realizează prin modelul
FMBF cu resurse de calcul reduse. În plus prelucrarea zgomotului este mai rapidă
datorită filtrului median. Un alt avantaj îl constituie utilizarea HCHE, bazată pe
HCH, care crește calitatea imaginii IR utilizând informații din histograma imaginii.
Ținând cont că aceste modele nu p resupun introducerea manuală a nici unui
parametru, se concluzionează că operatorul nu va influența procesul și calitatea
imaginii.
6.6 Îmbunătățirea calității imaginii prin utilizarea unei sensibilități
ridicate24
Un impact major asupra calității imaginii î l are și sensibilitatea termală a
echipamentului. Dacă se fac un anumit număr de teste care să cuantifice acest
parametru, o definiție de gază a sensibilității termale este: capacitatea sistemului de
24 Electrophisics Resourse Center, Understanding infrared camera thermal image quality , sursa: http://blo g.lk-
shop.com/wp -content/uploads/2015/06/WP -Understanding_IR.pdf);
NECLASIFICAT
166 din 178
a achiziționa imaginea în timp ce crește contrastul imag inii. Sensibilitatea termală
variază odată cu temperatura obiectului. Așadar, dacă temperatura obiectului
crește, panta semnalului de ieșire a detectorului crește și ea. Acest lucru înseamnă
că raportul semnal/zgomot crește odată cu observare unor obiecte mai fierbinți. Cu
toate acestea nu este întotdeauna un avantaj, deoarece situațiile în care poate fi
exploatată sensibilitatea termală a sistemului sunt acelea la temperatură scăzută
(temperatura camerei), unde contrastul termal este foarte scăzut.
Analiz ând literatura de specialitate, sensibilitatea termală a sistemelor pe
bază de termoviziune variază între 0,25°C (250mK) și 0,05°C (50mK). Dacă se
consideră un sfert de grad, sensibilitatea termală adecvată observând o anumită
imagine, se va putea vedea cu m calitatea imaginii este dominată de zgomot.
Imaginile termale sunt adesea prezentate într -o paletă care conține 256 de
culori distincte și diferite niveluri de gri. Presupunem o țintă care are o diferență de
temperatură de la 0 -256°C, fiecare nuanță de gri sau nivel de culoare înseamnă 1
grad din diferența de temperatura. Acum trebuie să aplicăm acestui obiect țintă un
fundal cu temperaturi între 25 -30°C. Fiecare culoarea reprezintă 0,03°C (10/256), o
valoare mai mică ca a celei mai sensibile cameră fără sistem de răcire. Rezultatul
este afișarea unui anumit zgomot. Există aplicații în care este foarte important să se
seteze manual domeniul de măsurare al temperaturilor pentru a putea fi vizibile și
cele mai mici variații de temperatură posibile. Dacă s -ar folosi o cameră cu o
sensibilitate termică de 0,25°C și se dorește menținerea unui nivel constant al
zgomotului, ar trebui ca domeniul temperaturilor măsurate să fie de 65°C. Astfel
calitatea imaginii rezultate în urma utilizării unei sensibilități terma le de 50mK și a
unei sensibilități termale de 100 mK este de 100% ori mai bună, cu toate că
diferența este de doar 0,05°C.
Pentru a observa aceste diferențe se pot folosi precizările din capitolul IV, cu
referire la modalitățile experimentale de determinar e ale diferenței de temperatură
cu zgomotul și ale temperaturii minime rezolvabile.
În Fig. 6.12 este prezentat efectul sensibilității termale în calitatea imaginii
obținute.
NECLASIFICAT
167 din 178
Imaginea de referință
Sensibilitate termală 100mK
Sensibilitate terma lă 70mK
Sensibilitate termală 50mK
Fig. 6.12 Efectul varierii sensibilității termale
NECLASIFICAT
168 din 178
6.7 Îmbunătățirea calității imaginii prin utilizarea corecției de
neuniformitate25
Conform Ioan VEDINAȘ, Evaluarea sistemelor de termoviziune , zgomotul
spațial de frecven ță joasă generează variații spațiale lente ale intensității pixelilor.
Această componentă a zgomotului creează efectul denumit ,,neuniformitate”.
Cum numărul de pixeli crește și sensibilitatea lor crește, calitatea imaginii
crește printr -un proces dependen t de calibrarea neuniformității (Non uniformity
calibration or NUC). Datorită dimensiunilor foarte mici ale rezistorilor din rețeaua
de detectori a microbolometrelor26 există câteva variații în ceea ce privește
răspunsul fiecărui pixel la energia infraroșie a obiectului.
În timpul fabricației senzorii infraroșii ale camerelor trebuie să fie
normalizați, cea ce înseamnă ca diferența în răspuns a fiecărui detector să fie
anulată la final.
Nivelul neuniformității poate fi apreciat ca fiind un procent din inte nsitatea
medie a zonei analizate sau ca procent a NETD (procedura de măsurare prezentată
în capitolul IV).
Pentru a măsura acest nivel se urmează următorii pași și se aplică formula
(6.3):
Se capturează o secvență video scurtă a unei imagini cu un echipam ent de
termoviziune (presupunem că efectul 1/f este neglijabil);
Se înlocuiește un grup de secvențe cu una singură reprezentând media
(componenta temporală a zgomotului este eliminată sau redusă);
Secvența medie este filtrată cu un filtru de frecvențe joas e;
Neuniformitatea pentru aria analizată (sau pentru întreaga imagine) se
calculează ca o deviație spațială standard a variației spațiale a intensității
pentru diferiți pixeli din zona analizată;
Neuniformitatea calculată în unități digitale este convertit ă în unități de
25 Electrophisics Resourse Center, op. cit. p. 10;
26 BOLOMÉTRU, bolometre, s. n. Instrument pentru determinarea intensității radiației termice prin măsurarea
încălzirii unui element sensibil expus radiației. – Din fr. bolomètre., sursa: www.dex.ro;
NECLASIFICAT
169 din 178
temperatură:
𝑁𝑈[°𝐶]=𝑁𝑈 𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙
𝑆𝑖𝑇𝐹 (6.3)
unde:
SiTF – funcția de transfer a semnalului.
Fig. 6.13 Alura funcției de răspuns
În Tabelul 6.1 sunt prezentate valori pentru componen tele zgomotului,
printre care și pentru neuniformitatea semnalului.
Tip cameră NETD[°C] FPN[°C]27 NU[°C] 1/f[°C]28
Echipamente de termoviziune
răcite cu sistem de baleiere 0,1 0,007 0,08 0,005
Echipamente de termoviziune 0,05 0,03 0,1 0,005
27 FPN – zgomot cu curbă fixă;
28 1/f – zgomot temporal de joasă frecvență;
NECLASIFICAT
170 din 178
răcite cu matrice detectoare
Ecipamente de termoviziune
nerăcite cu matrice detectoare 0,13 0,19 0,2 0,12
Tabelul 6.1 Valori de referință pentru componentele zgomotului
În Fig. 6.14 se poate observa diferența dintre o imagine căreia nu i s -a
aplicat corecția de uniform itate și aceeași imagine căreia i s -a aplicat această
operație.
Imaginile termale
Alura histogramelor
Imaginea de referință Imaginea căreia i s -a aplicat corecția
de neuniformitate
Fig. 6.14 Efectul corecției de neuniformitate
NECLASIFICAT
171 din 178
Concluzii
Aplica rea uneia dintre aceste metode de îmbunătățire a calității imaginii
termale constituie anumite beneficii aduse operatorului și a procesului de evaluare
a imaginilor. Printre cele mai importante beneficii se amintesc:
Flexibilitate mult mai mare în inspecta rea țintelor la diferite distanțe;
Abilitatea de a vizualiza ținte cu un contrast termal scăzut;
Analiză termală intuitivă a diferitelor probleme;
Creșterea calității imaginii datorită îmbinării rezoluțiilor în domeniul IR și
vizibil al camerelor;
Flexibil itatea de a încorpora un cost redus și o greutate redusă a altor
elemente optice;
Diagnosticarea intuitivă a anomaliilor de temperatură .
NECLASIFICAT
172 din 178
PAGINĂ ALBĂ
NECLASIFICAT
173 din 178
CAPITOLUL 7
CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE
Studiul calității imaginilor obținute prin sistemele optice de vedere pe timp
de noapte, atât în cazul acelor sisteme cu intensificatori de imagine, cât și în cazul
sistemelor pe bază de termoviziune, reprezintă un factor importa nt în ceea ce
privește asocierea de tip instrument de observare -misiune. Complexitatea și
precizia necesară îndeplinirii misiunilor militare, fie ele de observare, fie ele de
măsurare, este dată de capacitatea unui sistem optic de a oferi informațiile nece sare
îndeplinirii acelor misiuni.
Întrucât în ziua de astăzi, acțiunile militare se desfășoară îndeosebi pe timp
de noapte, militarului îi este necesar un dispozitiv cu o ergonomie potrivită, cu o
masă relativ scăzută și de dimensiuni relativ mici, rapor tându -ne la performanțele
sistemului optoelectronic. Evoluția acestor sisteme optoelectronice este alertă și
constituie evoluția dependentă a mai multor domenii precum: optică, electronică,
mecanică. Mai mult decât atât desfășurarea luptelor cu precădere p e timp de noapte
și în condiții grele de transparență atmosferică ne îndreptățește să afirmăm că
tehnologia vederii pe timp de noapte și termoviziunea reprezintă apogeul revoluției
tehnologice în domeniul militar.
Alegerea studiul performanțelor sistemel or optoelectronice pe bază de
termoviziune a constituit un motiv în plus pentru a deschide noi viziuni asupra
importanței utilizării sistemelor termale în domeniul militar.
Necesitatea familiarizării cu sistemele optoelectronice existente și cu
sistemele termale supuse testelor se dovedește a fi necesară din perspectiva
performanțelor și parametrilor care trebuie urmăriți, în vederea enunțării unor
concluzii în ceea ce privește calitatea imaginii prin sistemele studiate. Aceste
aspecte sunt surprinse în Ca pitolul I al lucrării.
Performanța unor echipamente de vedere pe timp de noapte, constituie un
factor important, foarte complex,, care implică și aportul operatorului în ceea ce
privește evaluarea finală a sistemului optoelectronic. De aceea, cunoașterea
cerințelor de bază care se impun acestor sisteme optoelectronice face subiectul
Capitolului II.
NECLASIFICAT
174 din 178
Mărimile care caracterizează calitatea imaginii printr -un sistem
optoelectronic pe bază de termoviziune sunt prezentate în Capitolul III. Noutatea
modelelor c are surprind aceste mărimi este foarte importantă, dat fiind faptul că
evoluția acestor sisteme este incontestabilă.
Importanța metodelor de determinare a mărimilor prezentate la capitolul
anterior este prezentată în Capitolul IV. În acest capitol sunt p rezentate, metodele
experimentale prin care se pot evalua unii dintre cei mai importanți parametri de
calitate ai imaginii.
Factorii care influențează parametrii de performanță ai echipamentelor pe
bază de termoviziune sunt prezentați în Capitolul V. Pos ibilitatea evaluării
obiective ai acestor factori constituie unul dintre obiectivele acestui capitol, care
oferă posibilitatea enunțării unor noi metode de optimizare a calității imaginii,
surprinse în capitolul următor.
Capitolul VI constituie prezentare a celor mai noi metode de optimizare a
calității imaginii prin sisteme de vedere pe timp de noapte pe bază de
termoviziune. Aceste metode sunt însoțite de metode matematice complexe și de
un aport științific ridicat al cercetătorilor în domeniu. Fiecare di ntre aceste metode,
aplicate în cadrul unor sisteme termale de ultimă generație, au oferit rezultate net
superioare sistemelor de generație inferioară, atât prin optimizare, cât și prin
introducerea unor noi elemente mai performante.
În concluzie, siste mele optoelectronice pe bază de termoviziune cunosc o
aplicabilitate ridicată în domeniul militar și civil, în misiuni de observare,
măsurare, ghidare a autovehiculelor și asistare a acțiunilor de luptă, iar lucrarea
prezentată constituie un punct de pleca re în ceea ce privește dezvoltarea sistemelor
termale în corelație cu necesitățile militarilor și a operatorilor, atât pe câmpul de
luptă, cât și în activitățile de cercetare -evaluare. Studiul teoretic și experimental
prezentat, îndeplinește cerințele stan dardelor impuse de literatura de specialitate, în
ceea ce privește, complexitatea, originalitatea, acuratețea și veridicitatea
chestiunilor luate în calcul pentru realizarea unui model de estimare a calității
imaginilor prin sistemele optoelectronice pe ba ză de termoviziune.
NECLASIFICAT
175 din 178
BIBLIOGRAFIE
CĂRȚI
[1] C.SPULBER.s.a. Sisteme optoelectronice de vedere pe timp de noapte,
Editura București, 1999;
[2] Constantinescu P. – Bazele construcției și proiectării aparaturii artileristice,
Editura Academiei Tehnice Militare, București, 1970;
[3] Constantinescu P. – Construcția și exploatarea aparaturii artileristice, Editura
Academiei Tehnice Militare, București, 1973;
[4] E. CREȚU , I. NICOARĂ, I. VEDINAȘ, ș.a , Calculul și con strucția aparaturii
optoelectronice, Editura Academiei Tehnice Militare, București, 2001;
[5] D. HOMEI, s.a, Elemente de calcul ți construcție ale aparatelor de artilerie,
București, 2006;
[6] T. DEMIAN, Elemente constructive de mecanică fină, Editura Te hnică,
1983;
[7] Emil CREȚU, Aplicații în calculul și proiectarea sistemelor optice, ATM
1995;
[8] Emil CREȚU, Mîrzu M, Optică ondulatorie și Fourier, Academia Tehnică
Militară, 1996;
[9] Chrzanowski KRZYSZTOF, Testing thermal imagers, Practical guide,
Military University of Technology, Warsaw, Poland, 2010;
[10] Emil CREȚU, Tomiuc L, Optică tehnică, Academia Tehnică Militară,
1994;
[11] Eugen CURATU, Calitatea sistemelor optice. Funcția de transfer optic,
Editura Academiei Române, București, 1992;
[12] G. MOISIL, E. CURATU, Optica. Teorie si aplicații, Editura Tehnică,
București, 1986;
[13] I. NICOARĂ, Calculul și construcția aparatelor optice, Editura Institutului
Politehnic “Traian Vuia”, Timișoara, 1988;
[14] C. PLEȘA, E. CREȚU, I. VEDINAȘ, ș.a, Sisteme optoelectronice de
vedere pe timp de noapte cu intensificatori de imagine , Editura Academiei
Tehnice Militare, București, 2007;
[15] C. SPULBER, M. MÎRZU, E. CREȚU, Sisteme optoelectronice de vedere
pe timp de noapte , Editura Academiei Tehnice Militare, București, 1999;
[16] I. VEDINAȘ, C. SPULBER, E. CREȚU, Aparatură optoelectronica de
NECLASIFICAT
176 din 178
amplificare și conversie a radiației infraroșii, Editura Academiei Tehnice
Militare, București, 2002;
[17] Col. prof. dr. ing. CREȚU Emil, Mr. lect. ing. VEDINAȘ Ioan, ș.a.,
Calculul și construcția aparaturii optoelectronice, Editura Academiei Tehnice
Militare, București, 2001;
ARTICOLE
[18] Chih -Lung LIN, An approach to improve the quality of infrared images of
vein-patterns, 2011;
[19] Electrophisics Resourse Center, Understanding infrared camera thermal
image quality;
[20] George CURATU, Design and fabrication of low -cost thermal imaging
optics using precision chalcogenide glass molding, LightPath Technologies,
Orlando, U.S.A;
[21] Leon BOSCH, Image intensifier tube p erformance is what matters, SPIE
paper, 2000;
[22] Notă de aplicație, Using fine resolution to improve thermal images, Agilent
Technologies, 30 Iunie 2014;
[23] Cohn E. THEODORE, Integration by the human eye: implications for
warning signal design, Visual Detection Laboratory, University of California,
Berkeley, 1993;
[24] Flir Systems Company, Security Application Note with thermal cameras.
Image Matters, 2011;
[25] Pelco by Schneider Electric, Evolution of thermal imaging, Sarix TI,
March 2012;
[26] Sn. P LESHKOVA, Al. BEKYARSKI, K. PEEVA, Testing thermal images
characteristics for thermal images quality estimation,Sofia, Bulgaria, 2011;
[27] TESTOsolutions Company, Detailed thermal imagers with
SuperResolution, 2012;
SURSE INTERNET
[28] http://alacron.com
[29] http://blog.lk -shop.com
[30] http://cp.literature.agilent.com
[31] http://www.flir.com
[32] https://www.researchgate.net
NECLASIFICAT
177 din 178
CATALOAGE DE PRODUS
[33] Catalog de produs cu specificații, sursa:
http://alacron.com/clientuploads/directory/Cameras/FLIR/A20M -Datasheet.pdf;
[34] Catalog de produs cu specificații, sursa:
http://www.flir.com/assets/e2d37ad1bffc4599bb9e2e64e9cfb400.pdf;
[35] Catalog de produse, Delft Electronic Products, Versiunea: 21.09.2004;
[36] The Delft Electronic Products, Image intensifiers , Dihitised Image
Intensifiers, Intensified CCD’s, Photon Counters, Netherlands, 2004;
[37] Yiwu Tianying Optical Instrument Co., Mil -Spec Night Vision Goggles Kit
Gen 3, SHD -3, XD -4, Yiwu City, China,;
TEZĂ DE DOCTORAT
[38] Lt. ing. ȚURCANU Eugen, Contribuții la analiza de sistem a
echipamentelor pe bază de termoviziune, Teză de doctorat, ATM, București,
2009;
STANDARDE
[39] STAS 303 -79, Optică geometrică, Terminologie și simboluri;
[40] STANAG 4349, Measurement of the Minimum Resolvable Temperatur e
Difference (MRTD) of Thermal Cameras;
[41] RTO -TR-075(II), Experimental assessment parameters and procedures for
characterization of advanced thermal imagers, Technical Report, France,
NATO, 2003.
NECLASIFICAT
178 din 178
PAGINĂ ALBĂ
NECLASIFICAT ANEXA NR. 1
NECLASIFICAT ANEXA NR. 2
NECLASIFICAT ANEXA NR. 3
NECLASIFICAT ANEXA NR. 4
Numărul
țintei Descrierea țintei Denumire engleză Test la care se
folosește
1 4-bare 4-bar MRTD
2 Țintă punct Pinhole target MDTD
3 Țintă pătrat Square target ATF, SiTF, NETD,
FPN
4 Țintă cu o fantă Slit target SRF, MTF
5 Țintă încrucișare Interlace target Ajustări
6 Edge target ESF, MTF
7 Țintă pentru aliniere Alignment target Aliniere
8 Țintă dublă cu 4 bare Double 4 -bar target MRTD
9 Țintă multiplă cu 4
bare Multiple 4 -bar targets MRTD
10 Țintă cu puncte
multiple Multiple pinhole MDTD
11 Țintă Abingdon Abingdon cross target Testarea sistemelor
de urmărire
12 Țintă pentru distorsiuni Distorsion target Distorsiune
13 Țintă gri Gray target Funcția de răspuns
14 Țintă siluetă Silhouette target Evaluarea câmpului
de supraveghere
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: STUDIUL TEORETIC SI EXPERIMENTAL PRIVIND [631732] (ID: 631732)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.