Ллойд Дж. Системы тепловидения (1978)

Дж. Ллойд СИСТЕМЫ ТЕПЛОВИДЕНИЯ Перевод с английского канд. техн. наук Н. В. Васильченко Под редакцией канд. техн. наук А. И. Горячева с предисловием чл.-корр. АН СССР Л. Н. Курбатова Издательство «Мир» Москва 1978 УДК 621.384.3 В книге изложены физические основы тепловндения и принципы построения тепловизнонных приборов.

В ней достаточно подробно описаны все основныс процессы, происходящие в системах тепловидення,— от генерирования теплового иалучения до зрительного восприития тепловнаионных изображений. Помимо знергетяческих характеристик приборов рассматриваются проблемы воспроизведения изображений с заданным качеством. Книга предназначена для научных работников, инженеров и студентов, специализирующихся в области разработки и исследования системтепловидення. а также для лпц, использующих такие приборы. Редакция хая~ературы но новой технике © 1975 Р!евою Ргезз, Мече Тоги © Перевод на русский язык, еМнр», 1978 Л 20405 — 160 041(01) — 78 Предисловие к русскому изданию В послевоенные годы широкое применение получили оптико- электронные системы на основе полупроводниковых приемников излучения и оптико-механического сканирования.

Первоначально эти системы применялись в качестве теплопеленгаторов, предназначенных для обнаружения различных объектов по их тепловому излучению и определения направления на них. Затем в связи с бурным развитием полупроводниковых приемников излучения их чувствительность практически достигла теоретического предела, а инерционность существенно уменыпилась.

Это дало возможность использовать подобные оптико-электронные системы не только для обнаружения объектов, но и для их опознавания. Совершился логический переход от систем теплопеленгации к системам тепловидения. В настоящее время системы тепловидения широко применяются как в военной технике, так и в промышленности, медицине, научных исследованиях и т. п. Физические основы тепловидения в части, касающейся энергетических соотношений, близки к физическим основам теплопеленгации. Однако в теплопеленгации решение об обнаружении объектов как правило принимается автоматическими устройствами.

Задача автоматического распознавания образов еще не решена, поэтому в системах тепловндення решение об опознавании объектов принимается человеком на основе информации, поступающей через зрительный аппарат, и предшествующего опыта. В связи с этим для систем тепловндения главное значение приобретают вопросы качества воспроизведения изображения в сочетании с физиологией их зрительного восприятия.

Энергетические соотношения в оптико-электронных приборах с использованием полупроводниковых приемников излучения и оптико-механического сканирования достаточно подробно изложены в ряде монографий, например Джемисон Дж. Э. и др., Физика и техника инфракрасного излучения, «Советское радио», 1965; Криксунов Л. 3., Усольцев и. Ф., Инфракрасные системы, ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ «Советское радио», 1968; Хадсон Р., Инфракрасные системы, «Мир», 1972; Павлов А.

В., Оптико-электронные приборы, «Энергия», 1974, и др. В последние годы появилось большое количество литературы, посвященной анализу качества изображения в оптических системах с использованием методов линейных преобразований как в пространственной, так н в пространственно- частотной области, например Марешаль А., Франсон М., Структура оптического иэображения, «Мир», 1964; О'Нейл Э., Введение в статистическую оптику, «Мир», 1966; Гудмен Дж., Введение в фурье-оптику, «Мир», 1970; Папулис А., Теория систем и преобразований в оптике, «Мир», 1971, и др. Вопросы использования методов линейных пространственных и пространственно-частотных преобразований применительно к оптико-алектронным системам наложены в монографии Н.

С. Шестова «Выделение оптических сигналов на фоне случайных помех» (над-во «Советское радио», 1967). Обширные, но пестрые и разнородные данные по качеству изображения в оптико-электронных системах с учетом физиологии их зрительного восприятия разбросаны в большом числе журналов, специальных сборников, отчетов и, следовательно, труднодоступны. В предлагаемой книге Дж. Ллойда выполнены систематизация и анализ этих данных. В ней изложены физические основы тепло- видения и принципы построения тепловизионных приборов. В книге рассматриваются: закономерности теплового излучения объектов, прохождение излучения через атмосферу, теория линейных пространственных и пространственно-частотных преобразований, физиология зрительного восприятия; основы расчета оптических элементов приборов, воаможные способы сканирования изображения, методы электронной обработки сигнала; энергетические соотношения в приборах, воспроизведение изображений, критерии оценки качества изображения, используемые в США; технические пути построения приборов тепловидения; краткая история развития систем тепловидения в США (в основном типа Р1 1Й); методы испытания приборов.

Кроме того, в книге имеется значительное количествосправочных данных и обширная библиография. Рассмотрение большинства вопросов доведено в книге до практического уровня. В ней содержится целый ряд конкретных практических рекомендаций, которые разработчики, конструкторы и потребители могут непосредственно использовать каждый в своей области. ПРЕДИСЛОВИИ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ Хотя не все бесспорно в физическом и фактическом материале по вопросам оценки качества изображения с учетом физиологии зрительного восприятия, тем не менее собранный автором и изложенный в книге материал по этим вопросам может послужить серьезной базой для дальнейших исследований в данной области.

Книга представляет собой первую монографию, в которой на современном научном уровне рассмотрены основные проблемы тепловидения. Она, несомненно, будет полезна для всех специалистов, имеющих отношение к одному из наиболее перспективных направлений инфракрасной техники — визуализации тепловых изображений. Л. Н. Нурбатов Предисловие к американскому изданию Эта книга была задумана как введение в технику тепловидения и как краткое руководство, содержащее основные положения современной практики рааработки тепловизионных систем с быстрой разверткой изображения (РЫВ). Важные для тепловидения общие вопросы, изложенные на соответствующем уровне в других книгах, здесь не обсуждаются. Поэтому специально не рассматриваются такие элементы систем, как приемники излучения, системы охлаждения, электронные схемы, индикаторные устройства телевизионного типа.

Полезная информация из малоиавестных публикаций упомянута в ссылках на литературу как полученная из частных сообщений. По-видимому, каждый, с кем н сотрудничал в области тепловидения, внес определенный вклад в эту книгу, делясь со мной своими соображениями и идеями. Я выражаю свою признательность всем, кто таким образом помог появлению данной книги. Пятеро из них заслуживают, однако, специального упоминания. Это— Р. Сендалл, Л. Биберман, П. Лаакман, Дж.

Хоппер и Н. Стетсон. Они в большей степени, чем другие, содействовали формированию моих суждений. Многие официальные лица оказывали мне поддержку в течение трех лет работы над книгой. Я особенно благодарен Э. Шиэну н Р. Луфту из военной лаборатории ночного видения, поддержавшим эту работу в самом начале, а таил«е Р. Норлингу, Р. Райнирсону и Ш. Бузанскому нз фирмы «Ханиуэлл» за помощь в последующей работе. Издание книги стало возможным благодаря включению ее в серию книг по физической н технической оптике. За это выражаю признательность редактору серии У.

Уолфу. Его доверие, терпение и благожелательная критика заслуживают высокой оценки. Я также благодарю г-жу Э. Унттмор (фирма «Ханнуэлл») за неоднократную перепечатку рукописи и г-жу Г. Логен (фирма «Фрэнк Томпсон ассошнейтс») за подготовку окончательного варианта рукописи. Наконец, приношу глубокую благодарность моему «домашнему редактору», Ла Вони, чье редакторское искусство придало стилистическую законченность тексту книги. Я обращаюсь к читателям с просьбой сообщить мне в фирму «Ханиуэлл» свои замечания, соображения, а также сведения о новых источниках информации по вопросам, затронутым в книге. ~7лс. Ллойд Акт»к, шт.Массачусетс Обозначения а — размер чувствительного элемента приемника излучения по горизонтали, см; А — размер поля зрения системы по горизонтали, град; Ас — площадь корреляции шума на индикаторе, смз; Аэ — площадь чувствительного элемента приемника иалучения, см', А, — эффективная площадь входного зрачка оптической системы, смз; Ас — площадь объекта на индикаторе, смз; агя ( ) — оператор «аргумент комплексного числа»; Ь вЂ” размер чувствительного элемента приемника излучения по вертикали, см;  — размер поля зрения системы по вертикали, град; с — скорость света в вакууме, см/с; с,, с„ с, — постоянные в законе Плавка; С вЂ” контраст; емкость, Ф; коэффициент сложности приемного устройства, см; Ся — радиационный контраст; ,С4э — коэффициент сферической аберрации, см '; С!гс ( ) — круговая функция; Сошп ( ) — периодическая последовательность дельта- функций; и — линейный диаметр кружка рассеяния, см; Р* (Х) — удельная обнаружительная способность в функции длины волны, Вт-' см Гц'/', Р* (Хр) — удельная обнаружительная способность в максимуме спектральной характеристики, Вт ' см Гц'/', Р, — световой диаметр входного зрачка оптической системы, см; Р9 — относительное отверстие оптической системы; е(/) — напряжение в функции времени; Š— коэффициент полезного действия приемного устройства; / — фокусное расстояние оптической системы, см; временная илн пространственная частота (в зависимости от контекста) соответственно Гц или мрад ', /а — характеристическая частота аталонного фильтра, Гц; /т — пространственная частота объекта, мрад ', Онознхчкния ̈́— с (г)— 1— 1ш( )— 1(х, у)— Х— й (х)— 0(х, у)— пространственные частоты по двум взаимно перпендикулярным осям с угловым масштабом, мрад-', характеристические частоты, Гц или мрад ', предельная пространственная частота, мрад '; эквивалентная шумовая полоса, Гц; критическая частота мельканий, Гп: частота кадров, Гц; оператор прямого преобразования Фурье; оператор обратного преобразования Фурье; спектр напряжения шума, В Гц '/з; коэффициент усиления; постоянная Планка, Вт сз; абсолютная влажность, г см ', абсолютная влажность в условиях насыщения, г.см з; относительная влажность; расстояние до изображения, см; ток в функции времени; кратность чересстрочной развертки; относитель- ный температурный коэффициент показателя преломления, К "; оператор «мнимая часть комплексного числаэ; распределение яркости изображения в декарто- вых координатах с угловым или линейным мас- штабом„' энергетическая сила света, Вт.ср '; показатель поглощения излучения атмосферой, км г; постоянная Больцмана, Вт с К '; волновой вектор, см ', (световая) яркость, кд.м-', число строк, укла- дывающихся по высоте изображения объекта; яркость фона, кд м ', оптическое угловое увеличение; показатель преломления; число чувствитель- ных элементов приемника излучения; угол нормали к поверхности (отсчитываемый от горизонтали), рад; энергетическая яркость, Вт см з ср ', эквивалентное число линий, или эквивалентная полоса частот системы, мрад ', распределение яркости объекта в декартовых координатах с угловым или линейным масшта- бом; 0 — расстояние до объекта, см; овознхчкния Ол р (х, у)— Р— Рс () 0в 1 (х) г (/) го (/) а (/) ° (/) г (/) 7, (/) 1- г (/) Л Вр Ве( ) Вес«( ) Я ~( ) Япс( ) Т Те т1 Тт, Тв, Т, ЬТ ~Тосп "~Тпор гиперфокальное расстояние, см; функция входного зрачка; оптическая сила линзы или поверхности линзы, см ', поток излучения, Вт; парциальное дав- ление водяного пара,мм рт.

ст.;показатель ка- чества приемного устройства с '/» мрад ' К ', вероятность события в функции критерия С; электрический заряд, Кл; плотность потока фотонов от фона, фотон см ' с ', спектральная плотность потока фотонов, фотон.см » с ' мкм »; импульсная реакция; ОПФ или МПФ в зависимости от контекста; МПФ оптической системы; МПФ приемника излучения; МПФ электронной системы; МПФ видеоконтрольного устройства; МПФ системы; реакция на прямоугольную волну; сопротивление, Ом; радиус,м;наклонная дальность до объекта, м; чувствительность, ВВт»; радиус Петцваля, см; оператор «действительная часть мнимого числа»; прямоугольная функция; площадь поверхности, см»; оператор системы; функция (з«п х)/х; время, с; толщина оптического элемента, см; толщина в центре линзы, см; абсолютная температура, К; постоянная времени глаза„ с; время кадра, с; абсолютная температура объекта, фона и атмосферы соответственно, К; разность температур, К; минимальная обнаруживаемая разность температур, К; эквивалентная шуму разность температур, К; минимальная разрешаемая разность температур, К; энергия излучения, Дж; ОБОЗНАЧЕНИЯ вЂ” угловой размер чувствительного элемента приемника излучения по горизонтали, мрад; коэффициент теплового расширения, см-см '.К '.