12. Ипполитов И. И., Комаров В. С., Мицель А. А. Спектроскопические методы зондирования атмосферы. — Новосибирск: Наука, 1985. — С. 4—44.
13. Зуев В. В., Бурлаков В. Д., Долгий С. И., Невзоров А. В. Лидар дифференциального поглощения для зондирования озона в верхней тро-посфере-нижней стратосфере // Оптика атмосферы и океана. — 2008. — Т. 21, № 10. — С. 880—883.
14. Krueger A. J., Minzner R.. A. A mid-latitude ozone model for the 1976 U. S. standard atmosphere // J. Geophys. Res. — 1976. — Vol. 81, D24. — P. 4477—4481.
15. Бурлаков В. Д., Долгий С. И., Зуев В. В. и др. Измерения микроструктурных характеристик фонового и вулканогенного стратосферного аэрозоля на основе многочастотного лазерного зондирования в Томске (56,5° с. ш.; 85,0° в. д.) // Оптика атмосферы и океана. — 2010. — Т. 23, № 9. — C. 803—810.
16. Баженов О. Е. Долговременные тренды изменений общего содержания озона по данным наземных
(Томск: 56,48° с. ш., 85,05° в. д.) и спутниковых измерений // Оптика атмосферы и океана. — 2011. — Т. 24, № 9. — С. 770—774.
17. Бурлаков В. Д, Долгий С. И, Невзоров А. В. Лидарные наблюдения аэрозольных возмущений стратосферы над Томском (56,5° с. ш.; 85,0° в. д.) в период вулканической активности 2006—2010 гг. // Оптика атмосферы и океана. — 2011. — Т. 24, № 12. — С. 1031—1040.
18. База данных "Вертикальные профили оптических характеристик стратосферного аэрозоля в условиях вулканических возмущений атмосферы" / А. В. Невзоров, В. Д. Бурлаков, С. И. Долгий. Свид-во Роспатента № 2011620568 о гос. регистрации базы данных от 05 августа 2011 г.
Работа выполнена в Институте оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН (г. Томск).
Владимир Дмитриевич Бурлаков — канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотрудник, зав.
лабораторией дистанционной спектроскопии атмосферы;
® (3822) 49-14-82
E-mail: burlakov@iao.ru
Сергей Иванович Долгий — канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотрудник;
® (3822) 49-22-66
E-mail: dolgii@iao.ru
Алексей Викторович Невзоров — канд. техн. наук, ст. научн. сотрудник;
® (3822) 49-22-66
E-mail: nevzorov@iao.ru
Геннадий Григорьевич Матвиенко — д-р физ.-мат. наук, директор Института;
® (3822) 49-27-38
E-mail: mgg@iao.ru
Андрей Павлович Макеев — аспирант; ® (3822) 49-22-66 E-mail: map@iao.ru
Ярослав Валерьевич Усольцев — аспирант. ® (3822) 49-22-66 □
УДК 681.7:629.7.05
АКТИВНЫЕ ТВ-СИСТЕМЫ ВИДЕНИЯ С СЕЛЕКЦИЕЙ ФОНОВ РАССЕЯНИЯ
В. В. Белов, Г. Г. Матвиенко, Р. Ю. Пак, Д. В. Шиянов, Р. Ю. Кирпиченко, М. И. Курячий, И. Н. Пустынский, Ю. А. Шурыгин
Описаны теоретические основы статистического моделирования процесса формирования изображений в активных оптико-электронных системах (ОЭС) с импульсным управлением приемником. Приведены характеристики и результаты опытной эксплуатации навигационных систем на автомобильном и речном транспорте. Ключевые слова: статистическое моделирование, активно-импульсные оптико-электронные системы, навигационные системы.
ВВЕДЕНИЕ
Повышение безопасности движения современного автомобильного, авиационного, железнодорожного и водного транспорта в значительной степени определяется не только квалификацией и опытом управляющих ими специалистов, но и теми навигационными средствами, которые они могут использовать в своей работе. Наиболее известные и распространенные из них можно разделить на активные (например, радары, работающие в радиодиапазоне) и пассивные (бинокли, приборы ночного видения, работающие в видимом и ИК-диапа-зонах длин волн).
Каждое из этих средств имеет свою область применения. Так, с помощью радаров уверенно обнаружива-
ются отражающие радиоволны объекты, имеющие относительно большие размеры и расстояния до них, почти в любых метеорологических условиях. Оптические системы позволяют (при благоприятных условиях наблюдения) не только обнаруживать, но и значительно проще распознавать не только объекты, но и оценивать их состояние.
Несмотря на то, что эти средства значительно расширяют возможности специалиста, управляющего тем или иным движущимся аппаратом, для ориентации в пространстве они не перекрывают всей области внешних условий, в которых должна осуществляться навигация. К таким условиям можно отнести плотный туман, снегопад или дождь в темное время суток, когда
имеющиеся штатные средства навигации, например, на речном транспорте (радар, прожектор, бинокли) не позволяют гарантировать безопасность движения судов. Радар не обеспечивает этого, так как в зависимости от длины волны излучения на экране возможно появление помех отражения от метеоосадков в виде ряби, кроме того, он не позволяет обнаруживать на водной поверхности предметы или объекты небольших размеров (лодки, бревна и т. п.).
Применение оптических систем в сочетании с прожекторной подсветкой приводит к возникновению интенсивного отраженного от среды светового потока (называемого помехой обратного рассеяния), который, как световой экран, перекрывает все находящееся за ним пространство от наблюдателя. Обычные системы ночного видения в сложных метеоусловиях имеют очень ограниченную по дальности область применения и реагируют только на излучающие ("теплые") объекты.
Проблему ориентации в пространстве в таких сложных внешних условиях может решить активно-импульсная стробируемая система навигации, сочетающая в себе свойства радара и оптических систем наблюдения. Академиком А. А. Лебедевым еще в 1936 г. [1] была сформулирована концепция создания таких оптико-электронных систем. Она состоит в том, что в качестве источника следует использовать импульсный источник света, а оптический приемник "открывать" для формирования изображения только в тот момент времени, который соответствует той области или того слоя пространства, который необходим для контроля.
Однако, несмотря на очевидную простоту, эта идея до последнего времени не могла быть реализована из-за сложностей ее технической реализации. Это связано, прежде всего, с необходимостью создания источников подсветки, характеризующихся необходимыми энергетическими и импульсными (частота повторения, длительность) их свойствами и усилителями оптических сигналов. В настоящее время в ряде развитых стран ведутся интенсивные разработки, направленные на создание подобных средств навигации и наблюдения пространства в гражданских и специальных целях [2—4]. Одной из проблем, долгое время препятствующих их развитию, являлась (в ряде случаев и является) трудность в теоретическом описании процесса формирования изображения в активных стробируемых системах видения.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
В [5] впервые были выполнены теоретические исследования, в результате которых создана статистическая модель процесса формирования изображений в подобных системах, позволившая количественно оценить степень влияния различных факторов на характеристики изображений и сравнить их дальность действия с аналогичными системами, использующими постоянный источник подсветки и открытый приемник. В работе [5] была предложена следующая постановка задачи.
Пусть в точке £ декартовой системы координат (рис. 1) расположен импульсный источник расходящегося в пределах угла 2уц излучения длины волны X. Его оптическая ось ориентирована вдоль направления оси Оу и отстоит от нее на расстояние к.
Плоскость хОу совпадает с однородной отражающей поверхностью Я, характеризуемой коэффициентом отражения а и коэффициентом направленного отражения (или диаграммой) С(ш), где ш — единичный вектор направления распространения отраженного луча.
На расстоянии I от источника расположен объект наблюдения Т, через центр которого проходит оптическая ось излучателя. Объект ориентирован параллельно плоскости хОг и представляет собой круг единичной площади радиуса Гц. Его отражающие свойства характеризуются соответственно коэффициентами р и диаграммой Дш).
Приемник — идеальная оптическая система, формирующая изображение, ее оптическая ось совпадает с оптической осью излучателя. Угол поля зрения приемника — 2у. Предполагается, что приемник открыт строб-импульсом (стробом) для формирования изображения, начиная с момента времени ^ = у5/е до момента ^ = (у+Ду)/с, где с — скорость света.
Рассеивающая и поглощающая среда заполняет пространство над поверхностью Я между плоскостью хОг и параллельной ей плоскостью, проходящей через точку у = Ь. Оптические свойства среды характеризуются коэффициентами рассеяния и ослабления р^ = Р^/у), Рех( = РехХУ), вероятностью выживания кванта х и индикатрисой рассеяния ¿(р.), где р — косинус угла 9 между направлениями лучей до и после столкновения, т. е. предполагается, что среда, экранирующая объект от наблюдателя представляет собой ансамбль сферических моно или полидисперсных частиц, концентрация которых может изменяться вдоль координаты у.
Пусть требуется оценить качество элементов изображения. Будем характеризовать его коэффициентами контраста. В рассматриваемом случае их можно построить три:
ктр = (/дг - 1АК>/(1ЛГ + ^Ар); кТА = (1АТ - 1АА)/(1АТ + 1АА);
26 _ Бепвогв & БувГетв • № 3.2012
где Irf — яркость рассеянного фона, IRT — яркость объекта (T ), Irr — яркость отражающей поверхности R.
Чтобы определить их значения, необходимо знать следующие характеристики световых потоков, создаваемых источником или регистрируемых приемником в строб-интервале:
— освещенность, создаваемую на объекте импульсным источником подсветки Et = En + Edm + Edr + Enr (здесь En — нерассеянное излучение от источника; Edm — подсветка диффузным фоном или иначе рассеянным в среде излучением от источника; Enr — подсветка объекта нерассеянным излучением, отраженным поверхностью R; Edr — диффузная подсветка объекта излучением, отраженным поверхностью, обусловленная рассеянием в среде);
— интенсивность рассеянного в среде излучения (но не испытавшего отражения от объекта) в направлении на приемник: Ird = Idm + Idr, где Idm — интенсивность рассеянного излучения в среде, не испытавшего отражения от объекта; Idr — интенсивность светового потока, рассеянного в среде после отражения от поверхности R, но не испытавшего отражения от объекта;
— интенсивность светового потока, отраженного объектом: It = С(ш)Еу;
— интенсивнос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.