Ллойд Дж. Системы тепловидения (1978), страница 2

— угловой размер чувствительного элемента приемника излучения по вертикали, мрад; — угол отклонения сканирующего зеркала, рад; — показатель ослабления излучения атмосферой км ', — угловой диаметр кружка рассеяния, рад; — дельта-функция Дирака; — расстояния между главными плоскостями и вершинами линз соответственно, см; — излучательная способность; линейная расфокусировка, см; — эквивалентная шуму излучательная способность; у (~) 6 6( ) Ь„Л2 спор У вЂ” напряжение, В; показатель дисперсии; ш — толщина слоя осажденной воды. см-км '; в — толщина слоя осажденной воды в условиях насыщения, см км ', И' — поверхностная плотность потока излучения, Вт.см '; И"А — спектральная плотность потока излучения, Вт см-' мкм ', И'(л, у) — аберрационная функция, см; И'в, %т — поверхностная плотность потока излучения фона и объекта соответственно, Вт.см-э; дИй)дТ вЂ” дифференциальное изменение плотности потока излучения с температурой в пределах данного спектрального диапазона, Вт см з К ', х, у — прямоугольные декартовы координаты с линейным илн угловым масштабом (в зависимости от контекста), соответственно м или мрад; МПФ вЂ” модуляционная передаточная функция; ОПФ вЂ” оптическая передаточная функция; ПФС вЂ” передаточная функция сигнала, кд и ' К ', РС — реакция глаза на синусоидальную волну (штриховой тест-объект с синусоидальным распределением яркости); С/Ш вЂ” отношение сигнала к шуму; (С(Ш); — отношение сигнала к шуму в точке изображения; (С/Ш)р — воспринимаемое отношение сигнала к шуму; ФПФ вЂ” фазовая передаточная функция; ФРЛ вЂ” функция рассеяния линии; Овознлчения Ч Чч Чг Чсв О, Л Р Ь Ч о (Л) т, (Л) т, (Л) 0) й в вв — относительная экранировка входного зрачка; — квантовый выход; — коэффициент использования развертки по вертикали; — коэффициент использования развертки по горизонтали; — коэффициент эффективности охлаждаемой диафрагмы; — коэффициент полезного действия оптической системы; — полный коэффициент использования развертки', — угол сканирования в пространстве объектов, рад; — критический угловой размер объекта, мрад; — длина волны, мкм; — статистическое среднее; — декартовы координаты в линейном или угловом масштабе соответственно, м или мрад; — среднеквадратичное отклонение функции рассеяния линии, мрад; постоянная Стефана— Больцмана, Вт см ' К в; — показатель рассеяния излучения атмосферой, км ', — постоянная времени, с; — время элемента разложения на приемнике, с; — коэффициент спектрального пропускания атмосферы; — средний коэффициент пропускания атмосферы в пределах данного спектрального диапазона; — коэффициент спектрального пропускания оптической системы; — средний коэффициент пропускания оптической системы в пределах данного спектрального диапазона; — оптическая частота, с ', — телесный угол, ср; — апертура охлажденной диафрагмы, ср.

Глава 1 Введение 1Л. Назначение систем тепловидения Системы тепловидения расширяют возможности пап«его зрения, делая видимым естественное излучение нагретых объектов в диапазоне от коротковолновых красных лучей до дальней инфракрасной области спектра. За пределами области видимого света (0,4— 0,7 мкм) глаз нечувствителен, позтому необходим прибор, который будет создавать изображение, используя излучаемую ночью энергию, подобно тому, как глаз делает это днем.

Такой «ночной глаз» должен быть чувствителен главным образом к фотонам, испускаемым телами, поскольку в отсутствие отраженного солнечного света доминирующим становится тепловое излучение тел. Точнее, «ночной глазе должен иметь спектральную чувствительность на длинах волн, на которых наиболее существенным образом проявляются различия в излучательной способности и температуре, а также в отражательной способности различных элементов рассматриваемой картины. Необходимо также, чтобы получаемое изображение в достаточной'мере соответствовало видимой картине, обусловленной различием в отражательной способности в видимой области спектра.

Зто обеспечит возможность визуального восприятия преобразованного иаображения з). Кроме того, спектральный рабочий диапазон должен быть согласован с «окнамия пропускания атмосферы, в которых излучение поглощается не столь сильно. Принимая во внимание совершенство, с которым глаз воспроизводит видимое изображение, можно в достаточной мере оценить трудности получения тепловых изображений. Глаз является оптимальным приемником видимого излучения с трех точек зрения. Во-первых, спектральный рабочий диапазон глаза (0,4 — 0,7 мкм) совпадает с максимумом спектральной кривой излучения солнца. На зтот диапазон приходится приблизительно 38«4 энергии солнечного излучения з), и земные материалы обычно хорошо отра- ') Будут рассматриваться только пассивные изображающие системы, которые восприиимают собствеявое излучение картииы, а ве активиые системы, восприпимающие отраженное излучеиие теплового осветителя.

з] Для сраввевия укажем, что иа диапазон 8 — $4 мкм приходится только 0,08~4 солвечвом звергии. !в ГЛАВА 1 жают излучение в этой области спектра. Во-вторых, глаз является идеальным приемником, возможности которого ограничены квантовыми шумами, поскольку чувствительные элементы сетчатки имеют низкие собственные шумы. В-третьих, чувствительность элементов сетчатки к фотонам, испускаемым телами за счет собственной температуры, пренебрежимо мала, так что эта длинноволповая тепловая энергия пе мешает воспринимать излучение в рабочем диапазоне.

Перечисленные оптимальные свойства позволяют глазу осуществлять свои основные функции, которые заключаются в обнаружении различий в отражательной способности объектов, освещенных излучением с длинами волн 0,4 — 0,7 мкм, в распознавании изображений, возникающих за счет таких различий, и в оценке их на основе предшествовавшего опыта, накопленного в процессе восприятия окружающего мира при помощи зрения и других органов чувств. Чтобы быть столь же эффективной, тепловизионная система, как и человеческий глаз, должна создавать изображение, используя доминирующее излучение, ее чувствительность должна быть ограничена квантовыми шумами, а влияние постороннего света должно быть устранено.

В то время как изображения в области видимого спектра образуются прежде всего за счет отражения и различий в отражательной способности, тепловые изображения создаются главным образом за счет собственного излучения и различий в излучательной способности. Таким образом, при получении теплового изображения для нас представляют интерес картины, создаваемые за счет энергии собственного теплового излучения.

Обычно возможности тепловых систем оцениваются не по излучению, а по температуре отдельных элементов картины. Это требует некоторых пояснений. Совместное действие температуры и отражательной и излучательной способности в некоторой точке картины мон<ет быть представлено эффективной температурой в этой точке. При такой температуре достигалась бы измеренная поверхностная плотность потока излучения в районе рассматриваемой точки, если бы точка была идеальным абсолютно черным телом, т.

е. если бы она испускала максимальное, теоретически возможное излучение при эффективной температуре. Аналогично поверхностную плотность потока излучения, измеренную через ослабляющий слой атмосферы, можно представить себе как результат излучения при кажущейся температуре, меньшей, чем эффективная температура. Подобное упрощение возможно, поскольку больп!инство систем тепловидення имеет широкий спектральный рабочий диапазон и воспринимает излучение независимо от его поляризации. Следовательно.

опи не чувствительны к механизму, определяющему разность температур. Изменения эффективной температуры картины в определенной мере соответствуют деталям визуально набл!одаемой картины. н таким образом тепловизионная система ввидение создает видимый аналог теплового изображения, обеспечивая эффективную передачу полезной информации из одного спектрального диапазона в другой. Преимущества систем тепловидения и принципы работы обычных тепловизоров описаны Уормсером [1). Данная книга посвящена главным образом таким устройствам с механическими системами сканирования, которые преобразуют излучение дальней инфракрасной области в видимое излучение в реальном масштабе времени при скорости смены информации (или частоте кадров), сравнимой с применяемой в телевидении.