62819 (Проектирование круглосуточной оптико-телевизионной системы), страница 2

Расчёт дальности распознавания объекта

Дальность видения (предельная) – это расстояние, на котором изображение, полученное оптико-электронным прибором, воспринимается с требуемым уровнем видения. Для введения критериев, определяющих возможный уровень видения, вводится понятие эквивалентной миры. Объект исследования характеризуется критическим размером H_кр. На нём укладывается несколько (N) периодов (T_mir) эквивалентной миры. Число N определяет уровень восприятия и вероятность восприятия. Контраст миры и условия её наблюдения должны соответствовать контрасту и условиям наблюдения объекта.

Критерии Джонсона[1] связывают число N с вероятностью восприятия:

Установив связь между контрастом изображения шпальной миры и воспринимаемым отношением сигнал/шум, мы можем найти такое расстояние L, при котором воспринимаемое отношение сигнал/шум примет пороговое значение.

Так как в приборе будет использоваться алгоритм цифрового распознавания надписей, то нет необходимости обеспечивать вероятность визуальной идентификации p = 95% при N=16. Примем N = 10.

Расчет дальности распознавания объекта НУТВ

Данные для расчёта:

1) Входной объектив.

Фокусное расстояние F_ob = 1307 мм.

Диаметр входного зрачка (кольцевой зрачок имеет минимальный и максимальный диаметры) D = 250 мм, d = 120.

Рабочий диапазон: ∆λ = 0,6 – 0,9 мкм.

Интегральный коэффициент пропускания в рабочем диапазоне: K_ob(λ) = 0,8.

Центральная длина волны λ₀ = 0,75 мкм.

2) Электронно-оптический преобразователь 58 ЭГ.

Увеличение Г_amp = 1^х.

Диаметр фотокатода 18 мм.

Интегральная чувствительность фотокатода S_pcΣ = 1200 мкА/лм.

Шум-фактор ЭОП F_n = 4,6.

Коэффициент преобразования 25000.

Плотность темнового тока J_th = 9∙10^-14 А/см².

Коэффициент умножения МКП = 200.

Эффективность люминофора = 0,06 Вт/Вт.

Напряжение разгона электронов = 5600 В.

ФПМ на частоте 55 мм^-1 имеет значение 0:

• Нормированная спектральная чувствительность фотокатода S_{pc_norm}(λ):

3) Объектив переноса.

• Коэффициент преобразования плотности излучения экрана оптикой переноса, равный отношению освещённости на ПЗС-матрице к светимости экрана ЭОП = 0,095.

• Увеличение |Г_tr| = 0,46^x.

• Коэффициент передачи модуляции объективом на пространственной частоте 60 мм^-1 в пространстве изображений: для точки на оси не менее 0,7; для края линейного поля зрения оптической системы в пространстве изображений не менее 0,6.

4) ПЗС-матрица.

• Коэффициент спектрального соответствия люминофора экрана чувствительности ПЗС = 0,9.

• Интегральная чувствительность ПЗС = 0,19 А/Вт.

• Коэффициент использования времени накопления глаза = 1.

• Размерность по горизонтали и вертикали N_v = 596, N_h = 795 элементов.

• Эффективные (с учётом локальных линз и анти-алиас фильтров) размеры элемента матрицы по горизонтали и по вертикали .

• Шаг матрицы по горизонтали и вертикали мкм, мкм.

• Темновой ток матрицы I_dk = 1,5∙10^-9 А.

5) Электронный тракт.

В расчетах не учитываем.

7) Фоноцелевая обстановка.

7.1) Цель №1: буква на борту судна, являющаяся частью его названия.

Имеет высоту 1,8 м, ширину 0,5 м, покрашена белилами свинцовыми № 20 с алюминиевым наполнителем[4].

Фон - борт судна. Покрыт алкидной смолой № 3875 с сажевым наполнителем.

Рис. 1. Спектральный коэффициент отражения алкидной смолы с сажевым наполнителем.

7.2) Цель №2: корма судна в море. Имеет высоту 3 м, ширину 6 м. Покрыта алкидной смолой № 3875 с сажевым наполнителем[4] (см. рис. 5).

Фон – морская поверхность.

• Естественная ночная освещённость Е_V = 5 ∙ 10^-3 лк.

• Расчёт отношения сигнал/шум для цели №1.

Найдём максимум спектральной чувствительности фотокатода ЭОП к энергетическому потоку по известной интегральной чувствительности фотокатода к световому потоку по формуле:

[мА/Вт], (8),

где

V(λ) – нормированная кривая спектральной чувствительности глаза:

- интегральная чувствительность фотокатода [мкА/лм],

- нормированная спектральная чувствительность фотокатода,

- относительная спектральная плотность излучения источника типа А.

Спектральную плотность излучения источника типа А (Т = 2856 К) найдём по формуле Планка[3]:

[Вт/м³], где(9)

λ – длина волны [м],

Т – температура [К],

c₁ = 3,7415∙10^-16 [Вт∙м²],

c₂ = 1,43880∙10^-2 [м∙К].

Продифференцировав это выражение, а затем приравняв результат к нулю, мы найдём из полученного уравнения длину волны λ_макс, на которой излучение наиболее интенсивно:

λ_макс = 1,015 [мкм].

Очевидно, что

:(10)

Рис. 2. Нормированная кривая спектральной яркости источника типа А.

Таким образом, после интегрирования получим: = 152,448 [мА/Вт].

• Относительная спектральная яркость ночного неба R_night(λ) в диапазоне 0,4 – 1 мкм соответствует относительной спектральной яркости источника типа А (см. рис. 7).

Найдем яркость объекта:

Если считать Солнце абсолютно черным телом с температурой Т = 5217 К, то коэффициент использования глазом излучения такого источника будет равен:

, где(11)

- относительная спектральная яркость Солнца.

Интегральную облученность объекта найдём по формуле:

(12)

Максимум спектральной облученности:

(13)

Спектральная облученность объекта:

(14)

И, наконец, спектральная энергетическая яркость

диффузно отражающего объекта:

(15)

• Число электронов, испускаемое фотокатодом за время =0,2 с вследствие темновой эмиссии, определяется следующим соотношением:

, где(16)

J_th – плотность темнового тока [А∙см^-2],

e – заряд электрона [Кл],

S_mir – площадь миры [м²],

L – расстояние до объекта [м],

F_ob – фокусное расстояние объектива [мм].

• - число электронов, полученное от фотокатода за время (постоянная времени глаза) при облучении от зон миры, соответствующих объекту и фону:

(17)

Где:

D – внешний диаметр входного зрачка [мм],

d – внутренний диаметр входного зрачка,

K_ob(λ) – спектральная характеристика пропускания объектива,

S_pc(λ) – спектральная чувствительность фотокатода [мА∙Вт^-1],

W – коэффициент погоды,

α = 3,91/S_m , где S_m – метеорологическая дальность видимости [м],

Рекомендуемые значения для расчётов: S_m = 18 [км] и W = 0,5, что соответствует нормальным условиям.

- спектральные коэффициенты отражения объекта и фона.

Спектральная чувствительность фотокатода S_pc(λ) определяется по формуле

и имеет тот же вид, что и нормированная спектральная чувствительность, приведённая в данных к расчёту.

N_лаз – число лазеров в батарее подсветки.

= 0,9 – коэффициент пропускания объектива на длине волны лазерного излучения.

- коэффициент отражения объекта на длине волны лазерного излучения.

- коэффициент отражения фона на длине волны лазерного излучения.

- спектральная чувствительность на фотокатода длине волны лазерного излучения.

= 3 ∙ 10⁸ [м/с] – скорость распространения импульса подсвечивающего излучения.

P_и - мощность лазерного излучения в импульсе [Вт].

Q – скваженость импульсов.

2σ – расходимость лазерного излучения [рад].

• Рассчитаем коэффициент умножения электронов:

, где(18)

- коэффициент умножения МКП,

- напряжение разгона электронов ЭОП [В],

- эффективность люминофора экрана ЭОП [Вт/Вт],

- коэффициент преобразования плотности излучения экрана оптикой переноса, равный отношению освещённости на ПЗС-матрице к светимости экрана ЭОП,

- коэффициент спектрального соответствия люминофора экрана чувствительности ПЗС,

- интегральная чувствительность ПЗС [А/Вт],

- коэффициент заполнения матрицы ПЗС, определяется по формуле:

, где(19)

- эффективные (с учётом локальных линз и анти-алиас фильтров)

размеры элемента матрицы по горизонтали и по вертикали [мкм х мкм],

, - шаг матрицы по горизонтали и вертикали [мкм х мкм].

Подставив численные значения, получаем:

.

.

• Число темновых электронов, получаемое от ПЗС-матрицы за время с площади изображения миры рассчитывается как:

, где(20)

- количество пикселей на площади изображения миры на ПЗС;

- число темновых электронов, получаемое от одной чувствительной площадки ПЗС-матрицы за время .

Количество пикселей на площади изображения миры на ПЗС:

(21)