Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 12. -

Вып. 1. - 2013. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-37-html/TITL-37.htm

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-37-html/cont.htm

 

УДК 621.391.161

 

МЕТОД ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ПРЕДЕЛАХ МАТРИЦЫ ИЗМЕРЕННОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

 

Ó 2013 г. Якименко И. В., Жендарев М. В., Суханов В. В.

 

(yakimenko.doc)

 

В данной работе изложен метод обработки оптической информации  в  оптико-электронных координаторах (тепловизорах) с широким полем зрения. Предлагаемый метод основан на использовании отличий пространственных спектров излучения точечного теплового объекта и протяженного, более холодного, атмосферного фона.

Ключевые слова: обработка оптической информации, тепловизоры. 

 

Известны два основных метода обработки оптической информации в оптико-электронных координаторах (тепловизорах): амплитудная и корреляционная.

Амплитудную обработку применяют в системах, предназначенных для слежения за объектами, температура которых значительно превышает температуру окружающего фона. Таким образом, выбор порога, превышение которых указывает на наличие цели  на  фоне естественных помех, позволит обнаружить воздушную цель на фоне атмосферных помех.

Корреляционная обработка возможна  в  тех случаях, когда тепловой контраст объекта незначителен. Измерение угловых координат объекта производится сравнением текущего сигнала  с  эталонным, который получен априорно.

Оптико-электронные обнаружители имеют довольно сложную структуру  и  требуют либо идеальных величин контраста, либо большого объема априорной информации  об  излучении цели и фона.

Кроме этого, ОЭС разведки должны обладать большим полем зрения, поскольку чем оно шире, тем динамичнее обзор ответственного сектора пространства (зрение обычного человека характеризуется полем в 46о). Но с увеличением поля зрения уменьшается фокусное расстояние, что приводит к уменьшению размеров изображения цели в фокальной плоскости, что значительно снижает возможность обнаружения цели. Названные методы становятся еще менее эффективными из-за трудности наблюдения деталей изображения при широком поле зрения. Сужение поля зрения при увеличении фокусного расстояния увеличит изображение цели, но снизит скорость обзора пространства в ответственном секторе.

Для развития методов обработки оптической информации необходимо использовать характеристики излучения фонов и различия излучения фона  и  цели в оптическом диапазоне длин волн.

Таким образом намечается ряд путей развития существующих  амплитудного и корреляционного методов обработки оптической информации.

Корреляционный метод обработки оптической информации в пределах  матрицы измеренного пространственного распределения излучения может быть развит с использованием нескольких способов обработки оптической информации. К таким направлениям можно отнести:

1. Способ вычисления нормированных коэффициентов взаимной корреляции между соседними столбцами (строками) матрицы. В основе метода лежат вычисления нормированных коэффициентов взаимной корреляции между соседними столбцами (строками) матрицы, которые рассчитываются по формуле

 

,                       (1)

 

где   – нормированный коэффициент взаимной корреляции между j и j+1 столбцами (строками) матрицы;

 – энергетические яркости сигналов, расположенных в j и j+1 столбцах (строках) матрицы пространственного распределения излучения фона;

n – количество элементов в строке (столбце);

 – среднеквадратичные отклонения энергетических яркостей в j и j+1 столбцах (строках).

При использовании этого метода вывод о наличии цели можно будет сделать при нарушении корреляционной связи между соседними строками. Поскольку известно, что радиус пространственной корреляции  составляет 6 – 8 градусов.

2. Способ вычисления нормированных коэффициентов взаимной корреляции между двумя строками (столбцами) одного номера матрицы, измеренных  в  комплексированных диапазонах. В основе метода лежит вычисление нормированных коэффициентов взаимной корреляции между двумя комплексированными диапазонами пространственного распределения в j-й строке (столбце) при фиксированном угле места  или  фиксированном азимуте:

 

,           (2)

 

где  – величина нормированного коэффициента взаимной корреляции между двумя диапазонами 3 – 5 и 8 – 13 мкм;

n – количество чувствительных элементов приемников j-й строке (столбце);

 – значение энергетической яркости, снимаемой с i-й ячейки j-й строки (столбца) многоэлементного приемника диапазона 3 – 5 мкм;

 – значение энергетической яркости, снимаемой с i-й ячейки j-й строки (столбца) многоэлементного приемника диапазона 8 – 13 мкм;

 – среднеквадратические отклонения энергетической яркости в j-й строке (столбце) многоэлементного приемника диапазона 3 – 5 мкм;

 – среднеквадратические отклонения энергетической яркости в j-й строке (столбце) многоэлементного приемника диапазона 8 – 13 мкм;

При использовании этого метода вывод о наличии цели можно будет сделать при нарушении корреляционной связи между строками одного номера в комплексированных диапазонах, поскольку известно, что при углах места больше 10о коэффициент корреляции меняется незначительно и его значения лежат в интервале от 0,8 до 0,99.

3. Способ вычисления нормированных коэффициентов взаимной корреляции между столбцами (строками) матрицы измеренного пространственного распределения излучения  и пространственной модели. В основе метода лежит вычисление нормированных коэффициентов взаимной корреляции между столбцами (строками) матрицы измеренного пространственного распределения излучения  и пространственной модели:

 

,                                     (3)

 

где  – нормированный коэффициент взаимной корреляции между j-ми столбцами (строками) матрицы пространственного распределения и полученной априорно модели;

 – энергетические яркости сигналов, расположенных j-х столбцах (строках) матрицы пространственного распределения и полученной априорно модели;

n – количество элементов в строке (столбце);

 – среднеквадратичные отклонения энергетической яркости в j-х строках (столбцах) матрицы пространственного распределения и полученной априорно модели.

При использовании этого метода вывод о наличии цели можно будет сделать при нарушении корреляционной связи между строками одного номера в наблюдаемом растре и его модели. Если цели нет, то предполагается высокий коэффициент корреляции наблюдаемого растра и его модели.

4. Метод вычисления нормированных коэффициентов автокорреляции в каждой j-й строке (столбце)  матрицы. В  основе метода лежат вычисления нормированных коэффициентов автокорреляции в каждой j-й строке (столбце) матрицы пространственного распределения излучения, которые рассчитываются по формуле

 

,           (4)

 

где  – нормированный коэффициент взаимной корреляции j-го столбца (строки) матрицы, снятые в моменты времени tk и tp;

 – энергетические яркости сигналов, расположенные в j-м столбце (строке) матрицы, снятые в моменты времени tk и tp;

n – количество элементов в строке (столбце);

 – среднеквадратичные отклонения энергетической яркости в j-м столбце (строке).

При использовании этого метода вывод о наличии цели можно будет сделать при нарушении автокорреляционной связи внутри строки, поскольку известно, что радиус автокорреляции составляет 30 – 40 секунд.

5. Способ вычисления нормированной  автокорреляционной функции в каждой ячейке матрицы. В основе метода лежит вычисление нормированной  автокорреляционной функции в каждой ячейке матрицы пространственного распределения излучения, которая рассчитывается по формуле

 

,                            (5)

 

где  – нормированная автокорреляционная функция в ячейки матрицы i-й строке и j -м столбце;

n – количество отсчетов в одном сеансе измерений;

m – количество дискрет, определяющих временной сдвиг контролируемого нормированного коэффициента автокорреляции;

 – значение энергетической яркости в i-й строке и j -м столбце матрицы пространственного распределения в момент tk;

 – значение энергетической яркости в i-й строке и j -м столбце матрицы пространственного распределения в момент tk+m;

 – среднее значение энергетической яркости i-й строке и j -м столбце матрицы пространственного распределения за один сеанс измерения;

 – дисперсия энергетической яркости в i-й строке и j -м столбце матрицы пространственного распределения за один сеанс измерения.

При использовании этого метода вывод о наличии цели можно будет сделать при нарушении автокорреляционной связи внутри строки. Поскольку известно, что радиус автокорреляции составляет 30 – 40 секунд.

Таким образом предполагаем, что если на фоне облачных образований будет присутствовать воздушная цель, собственное излучение которой незначительно превышает уровень фонового, корреляционные связи между флуктуациями яркости в пределах поля зрения ОЭС нарушаются (уменьшаются). Если же цель отсутствует, то корреляционные связи между флуктуациями яркости в пределах поля зрения ОЭС сохраняются. Эти обстоятельства могут лечь в основу нескольких направлений развития корреляционного метода обнаружения воздушных целей на фоне естественных помех. Ос тается лишь установить порог обнаружения.

Для проверки работоспособности названных методов необходимо провести математическое моделирование процесса обнаружения цели на фоне облачной атмосферы. Результаты моделирования обозначат направления адаптации и комплексирования  обзорных многоэлементных ОЭ и позволят выработать рекомендации по их  применению в вооружении войсковой ПВО.

 

Литература

 

1. Криксунов Л.. Справочник по основам инфракрасной техники. М, Советское радио, 1978.

 

METHOD OF PROCESSING OF OPTICAL INFORMATION WITHIN THE MATRIX OF MEASURED PROSTRANST-VENNOGO OF DISTRIBUTION OF RADIATION

 

Yakimenko I. V., Zhendarev M. V., Sukhanov V. V.

 

In this work the method of processing of optical information in optical-electronic coordinators (thermal imagers) with a wide field of sight is stated. The offered method is based on use of differences of spatial ranges of radiation of dot thermal object and an extended, colder, atmospheric background.

Key words: of processing of optical information, of processing of optical information.

 

Академия войсковой ПВО Вооруженных Сил РФ

им. Маршала Советского Союза А.М. Василевского,

г. Смоленск

 Поступила в редакцию 29.01.2013.