автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование и анализ инфракрасных изображений объектов, наблюдаемых в условиях естественного теплообмена

кандидат физико-математических наук

Эльц,
Екатерина Эдуардовна

город

Санкт-Петербург

год

2008

специальность ВАК РФ

05.13.18

Автореферат диссертации по теме "Моделирование и анализ инфракрасных изображений объектов, наблюдаемых в условиях естественного теплообмена"

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

Эльц Екатерина Эдуардовна

ООЗХУ^03

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ, НАБЛЮДАЕМЫХ В УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОГО ТЕПЛООБМЕНА

05 13 18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы

программ

05 13 01 — Системный анализ, управление и обработка информации (по прикладной математике и процессам управления)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

_ ,, г* п

Санкт-Петербург - 2008

003172289

Работа выполнена на кафедре вычислительной физики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета и в научно-исследовательском институте комплексных испытаний оптико-элекгронных приборов и систем (НИИКИ ОЭП), г Сосновый Бор

Научные руководители доктор физико-математических наук,

профессор Яковлев Сергей Леонидович,

зав кафедрой вычислительной физики физического факультета СПбГУ

доктор технических наук,

старший научный сотрудник Павлов Николай Ильич, заместитель директора по научно-испытательному комплексу' федерального государственного унитарного предприятия НИИКИ ОЭП

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор Ляпцев Александр Викторович, зав кафедрой методики обучения физики Российского государственного педагогического университета им А И Герцена

доктор физико-математических наук, профессор Андрианов Сергей Николаевич, зав кафедрой компьютерного моделирования и многопроцессорных систем факультета прикладной математики - процессов управления СПбГУ

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Защита состоится 25 июня 2008 года в 16 ч 00 мин на заседании совета Д 212 232 50 по защите докторских и кандидатских диссертации при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу Санкт-Петербург, 199034, В О, Университетская наб 7/9, Менделеевский Центр

С диссертациеи можно ознакомиться в библиотеке им М Горького Санкт-Петербургского государственно! о университета

Автореферат разослан MC-S- 2008 г

Ученый секретарь совета Д 212 232 50 доктор физико-математических наук, профессор

Курбатова Г И

Общая характеристика работы

Актуальность

В настоящее время в задачах дистанционного зондирования, наблюдения и контроля за окружающей средой все большее внимание уделяется использованию инфракрасные (ИК) приборов и ИК каналов в составе многоспектральной аппаратуры Применение ИК техники позволяет решить пробтему «ночного видения», навигации в сложных метеоусловиях, обнаружения скрытых (в том числе загубленных в грунт) объектов, выявить особенности внутренней структуры обьектов наблюдения, включая возможные дефекты, и тд Во-первых, это объясняется тем, что ИК техника обладает рядом достоинств и присущих тотько ей возможностей, таких как обнаружение и распознавание удаленных теплоизлучающих объектов независимо от уровня естественной освещенности и, в опредетеннои степени, от состояния метеорологической обстановки, включая естественные и техногенные помехи (дымку, туман, дым, дождь, снег, пыль и тп) Во-вторых, специфическое температурное распределение, которое приобретает поверхность физического тела в условиях естественного теплообмена, в значительной мере связано с его оптическими и теплофизическими свойствами, включая особенности внутренней структуры

Сегодня элементная база, на основе которой создается ИК техника, практически приближается к предельно возможным характеристикам В частности, размер фоточувствительных элементов серийно выпускаемых многоэлементных фотоприемных устройств ИК диапазона уменьшился до 15 мкм, что требует применения оптики с качеством, ограниченным лишь дифракцией света Чувствительность фотоприемных устройств также приближается к предельной В этой ситуации дальнейшее повышение информативности ИК изображении объектов наблюдения требует угтубленного исследования природы и динамики температурных контрастов, возникающих за счет многофакторного влияния процессов естественного теплообмена, в том числе, с применением аналитических и расчетных методов, основанных на решении уравнений теплопроводности и теплового баланса Особый интерес представляют дневные условия с участием в теплообмене солнечного нагрева, при которых открывается возможность для регистрации и совместного анализа изображений одновременно в ИК и видимом диапазонах спектра

В рамках настоящей диссертационной работы задача моделирования и анализа ИК изображений рассматривается применительно к проблеме обнаружения и распознавания низкоконтрастных нату рных объектов с помощью бортовых оптико-электронных систем с ИК и видимым канатами набтюдения (видимый канат рассматривается как дополнительный к

основном} инфракрасному) Решение данной проблемы осуществляется посредством математического моделирования, применения аналитических и численных методов и комплексов программ, включает в себя использование моделей принятия решений, методов прогнозирования и оценки эффективности оптико-электронных систем и имеет важное прикладное значение в области обработки информации

Основным объектом исследования являются математические модели ИК изображений, предметом исследования - качественные и приближенные аналитические методы исследования этих моделей, прогнозирование и оценка эффективности оптико-электронных систем дистанционного зондирования с использованием \ казанных моделей, трансформация и анализ информации на основе разработанных модельных представлений

Целью диссертационной работы является разработка математических моделей для прогнозирования температуры объектов, наблюдаемых в условиях естественного теплообмена, и анализ информативности изображений на их основе

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие основные задачи

1 Разработка математической модели для описания распределения температуры по поверхности объекта в условиях естественного теплообмена и исследования закономерностей формирования распределения корреляционных признаков, определяемых при совместной обработке изображений объектов, наблюдаемых в ИК и видимом диапазонах спектра

2 Разработка и исследование математической модели для описания температурных аномалий поверхности грунта, обусловленных заглубленными инородными объектами, в \словиях стационарного и нестационарного солнечного нагрева и оценка вероятности обнаружения температурных аномалий ИК каналом авиационного оптико-электронного прибора

3 Исследование оптического метода определения удельной нагрузки и материала фрагментов космического мусора на околоземных орбитах на основе отношения интенсивности сигналов, регистрируемых ИК и видимым каналами бортовой аппаратуры наблюдения

Методология исследования

Разработка математических моделей для описания распределения температл ры по поверхности наблюдаемых объектов, а также корреляционных признаков, определяемых при совместной обработке изображений объектов, наблюдаемых в ИК и видимом диапазонах спектра, осуществляется с применением аналитических и численных решений уравнений теплопроводности и теплового баланса

Оценка вероятности обнаружения температу рныч аномалии выполняется с использованием модели зрительной системы для анализа ИК изображений, построенной на основе известной статистической теории принятия решений

Личный вклад автора в пол) чение на\ чны\ результатов, изложенных в диссертации все теоретические исстедования, резу тьтаты которых включены в диссертационную работу1, проведены лично автором Автором разработаны программы аналитических и численных решений, выполнен анализ и интерпретация полученных результатов Программы написаны в среде МАРЬЕ

Защищаемые положения

1 Алгоритм расчета распределения температуры по поверхности объемного объекта сложной формы и полученная на его основе математическая модель для описания закономерностей формирования распределения корреляционных признаков, определяемых при совместной обработке изображении объектов в ИК и видимом диапазонах спектра

2 Математическая модель для прогнозирования температурных аномалий поверхности грунта, обусловленных заглубленными инородными объектами, и полученная на ее основе оценка вероятности обнаружения температурных аномалии ИК каналом авиационного оптико-электронного прибора

3 Оптический метод определения удельной нагрузки и материала фрагментов космического мусора на околоземных орбитах на основе вычисления отношения интенсивности сигналов, регистрируемых ИК и видимым каналами бортовой аппаратуры наблюдения

Научная новизна работы

Все резу тьтаты, выносимые на защиту, являются новыми

Достоверность научных положений

Закономерности, описываемые предложенными математическими моделями, подтверждаются экспериментальными данными из литературных источников, а также экспериментальными данными, полу ценными в НИИКИ ОЭП

Практическая значимость и область применения результатов исследований

Полученные аналитические зависимости корреляционных характеристик яркости в видимом и ИК диапазонах от физических параметров объектов и у сповии их наблюдения раскрывают информативность новых признаков, выявляемых при совместной обработке видимого и ИК изображений, и позволяют прогнозировать их поведение в изменяющихся условиях теплообмена и наблюдения Результаты данных исследовании могут быть

использованы при дистанционном зондировании и мониторинге земной поверхности, при решении задач обнаружения и распознавания наземных объектов

Установленные особенности поведения локальных температурных аномшшй, обусловленных заглубленными в грунт инородными объектами, позволяют прогнозировать обнар> жителъну ю способность ИК аппаратуры дистанционного зондирования в различных условиях естественного теплообмена

Метод идентификации фрагментов космического мусора по отношению их отражательных и пату нательных характеристик, регистрируемых на солнечной стороне земной орбиты с помощью двухканальной оптико-электронной аппаратуры, представляет интерес при решении задач наблюдения за околоземным космическим пространством

Апробация и внедрение результатов исследований

Результаты работы докладывались на международной конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, 2004 и 2006 г), на научных семинарах НИИКИ ОЭП

Полученные научные результаты реализованы в ряде научно-исстедовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) (НИР «Корреляция-1», НИР «Дельта-ЭФ», НИР «Растр-03-А», ОКР «Переоборудование-К»), выполненных в НИИКИ ОЭП по заказам различных министерств и ведомств Российской Федерации

Публикации

Список основных публикации по материалам диссертационной работы составляет 6 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах из списка ВАК ([3-6]) и 2 работы в трудах конференций

Структура я объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 пав, заключения и 4 приложений, она включает 144 листа машинописного текста, 53 рисунка, список цитированной литературы состоит из 95 наименовании

Содержание диссертационной работы Во введении обоснована актуальность работы, ее новизна и практическая значимость, определена цель работы, представлены основные положения, выносимые на защиту, описана стру кту ра диссертации

В первой главе представлено обзорно-анатитическое описание научных резутьтатов по теме диссертации, известных к моменту постановки проблемы

Вторая глава посвящена алгоритму расчета распределения температуры по поверхности объемного объекта с'южной формы, основанному на замене элементов его

оболочки плоскими пластинами (фасетками) и нахождении температуры каждой из пластин путем аналитического решения стационарного уравнения теплопроводности второго порядка с у четом теплового баланса объекта в целом с внешней средой На основе полученных аналитических выражений для температуры поверхности выводятся соотношения для корреляционных признаков, определяемых при совместной обработке изображений объектов, наблюдаемых одновременно в ИК и видимом диапазонах спектра

Для применения аналитических методов используется модель, в соответствии с которой рассматриваемый объект (фрагмент земной поверхности или техногенный объект, расположенный на ней) состоит из п элементов - пластин, по разному ориентированных по отношению к падающим солнечным т\ чам, каждая из которых описывается набором физических параметров эффективной тотщиной с/, оптическими, теплофизическими и другими характеристиками (в общем случае значения параметров меняются случайным образом при переходе от элемента к элементу в соответствии с изменениями состава, структуры и геометрии поверхности) Теплообмен между элементами не учитывается Вывод соотношений связи осу ществляется в два этапа На первом этапе с использованием решения одномерного стационарного уравнения теплопроводности устанавливается зависимость температуры 1-той пластины-фасетки от ее оптико-физических параметров и условий теплообмена Граничное условие на верхней грани пластины описывает радиационно-конвективный теплообмен в соответствии с известными законами физики (Ньютона-Рихмана, Стефана-Бочьцмана и законами фотометрии) Учитываемые механизмы естественного теплообмена включают теплопередачу, конвективный теплообмен, радиационное выхолаживание, солнечный нагрев, тепловой нагрев за счет ИК излучения атмосферы Граничное условие на нижней грани представлено в двух вариантах первый вариант соответствует чисто конвективному теплообмену с воздушной средой, второй вариант соответствует случаю, когда нижняя грань пластины лежит на изотермической подложке с температурой Т„ 2Т,(х)

= 0, 1 = 1 ,п

= а, (Г, - Т„) + врТ* - (1 - р,) (Е„ сое и, + Ел) - е, Е„ (])

В уравнении (1) р, - коэффициент отражения сопнечной радиации 1-той пластиной, Е„ -освещенность пластины, ориентированной перпендику тярно к падающим солнечным тучам, за счет прямой радиации, V, - угол падения прямой солнечной радиации,

измеряемый от нормали к 1-той пластине, Ец - вклад в общу ю освещенность рассеянной составляющей солнечной радиации, е, - коэффициент теплового излучения, Е,г -освещенность за счет падающей ИК радиации, а - постоянная Стефана-Больцмана, А -коэффициент теплопроводности, щ - коэффициент конвективного теплообмена, Та -температу ра окру жающего воздуха, Тен - температура воздуха внутри объекта

В случае наземного техногенного объекта, помимо п стационарных уравнений теплопроводности, дополнительно испотьзуется у равнение теплового баланса для объекта в целом, которое позволяет определить неизвестну ю температу ру Тт вну три объекта

Решение стационарного уравнения теплопроводности для текущей температуры в„ отсчитываемой от температуры воздуха Та с использованием линеаризованного

Т4 т/, 40Л „. ( 46>Л приолижения га/, -еа1а 11 + ^-1 = )^ I 1 +-^-И имеет вид

д\ Л-Р. Xе, С05 + Е Л+ ,е„ -К- X,

где величины и X, - являются функциями параметров процесса естественного теплообмена и наблюдаемого объекта Выведенная зависимость (2) определяет фу нкционатьну ю взаимосвязь яркости 1-тои пластины-фасетки в спектральном интервале АЛ ИК диапазона (ниже индекс / для простоты записи опускаем)

[ 2У аТ* Тр^"

* Л'5 ^

1 л Т4 15

= а т0 —

с соответствующей яркостью в спектра!ьном интервале АЛ видимого диапазона

L" р" (Е? eos v + E? ) (4)

В формулах (3^4) использованы следующие обозначения рх - спею-розональные (эффективные) коэффициенты излучения и отражения для спектральных диапазонов, с центральными длинами Л и Л соответственно, r-, rp - нормированные индикатрисы теплового и видимого излучения, Е^1, Е'У' - прямая и рассеянная солнечные освещенности в интервале длин волн от Л[до Л'2, с", с" - величины, зависящие от спектральных интервалов съемки

На втором этапе устанавливается корреляционная зависимость между' двумя полями яркости для протяженной поверхности, состоящей из статистически значимой совокупности разнородных пластин-фасеток Для характеристики корреляционной связи между спектрозонатьной яркостью в видимом диапазоне и яркостью Ь^ в ИК диапазоне используется коэффициент корреляции с^^ и связанные с ним коэффициенты линейной регрессии г^ и г^

ДЛ АЛ тл*лл тЛЛйЛ

АЛ АХ _ "'|Г~||,_ ЛЛАЛ _ т,г-п< илл _ "у-и.

_ )(< ) ' _ )2 ' " (<Т? У ' (5)

= (х,у) —Z^1 j^ti ) ~ корреляционный момент,

У = (с (*.;) и (<&)2 = {х,у)-1?) -

дисперсии яркости в заданных

спектральных интервалах видимого и ИК диапазонов, горизонтальная черта над переменными обозначает операцию пространственного у среднения по окрестности рассматриваемой фасетки, описываемой координатами х 'у'

С использованием выше приведенных формул (2-5) и учетом заданного случайного характера изменения оптико-физических параметров поверхности (р, рх, е, z cos и) при переходе от фасетки к фасетке, в диссертации выводятся выражения для зависимостей корреляционных характеристик от свойств набтюдаемых объектов, параметров процесса естественного теплообмена, а также от условий наблюдения с учетом выбранных спектратьных интервалов съемки в видимом и ИК диапазонах Выражение для коэффициента корреляции имеет следующий вид

w { Encosu){ Е? cosv)

pu V h____i \2 ( E V

1+—2L= \+v A\r (A + B")2 E cos и J

где А иВйЛ - являются функциями параметров процесса естественного теплообмена, свойств наблюдаемого объекта и условий съемки, а //, V, у представляют собой отношения дисперсий коэффициента отражения, эффективного коэффициента теплообмена и коэффициента излучения поверхности объекта к дисперсии cos и, характеризующей ее

'э иэ аэ

р трессии имеют вид анатогнчныи (6) и из-за громоздкости в автореферате не приводятся

ар Су &

рельефность /1 = —, у = , у = —Выражения для коэффициентов линейной

На основе поученной математической модели (6) для корреляционных характеристик в диссертации рассчитывается дневной ход коэффициентов корреляции и линейной регрессии для типовых плоских фоновых фрагментов и ряда объемных техногенных объектов В качестве примера на рис 1 приведен рассчитанный дневной ход коэффициента корреляции и коэффициентов линейной регрессии г^^ и для

фрагментов фоновых образований (кривые 1 и 2 для травяного и песчаного грунта соответственно) и объемного техногенного объекта - объекта транспортной техники (кривая 3) Расчеты выполнены для яркости в спектральных диапазонах 8-12 мкм и 0,4-0,8 мкм

Рис 1. Рассчитанный дневной ход коэффициентов корреляции и линейной регрессии

Рис 1 показывает принципиально разный характер корреляционной связи между яркостью в видимом и ИК диапазонах для фонов с ровным рельефом (отрицательная корреляционная связь) и объемных техногенных объектов (положительная корреляционная связь) Рассчитанный дневной ход коэффициента корреляции для фоновых фрагментов находится в соответствии с экспериментатьными данными, поученными в НИНКИ ОЭП, что позволяет сделать вывод о применимости предложенной математической модели для анатиза изображении земной поверхности

В третьей главе представлен теоретический анатиз поведения температурных аномалий, вызванных заглубленными в гр>нт объектами, в условиях стационарного и нестационарного солнечного нагрева При анализе использ>ются модети трехслойной и однослойной теплоактивной поверхности на изотермической подложке, описывающие соответственно фрагменты фона с заглубленным инородным объектом и без него

В первом сл\чае, на основе решений стационарных уравнений теплопроводности типа (1), выводятся анаштические выражения, которые определяют поведение одномерного (по гл\бине) температурного поля для одностойной и трехслойной поверхности в зависимости от условий естественного теплообмена и теплофизических свойств грунта и заглубленного в него инородного объекта Пол}ченное выражение для температурной атомами с1Т имеет стедующий вид

г = з;(0)-7(0) =

'.K'-^Htt-r.)-^(i-д) Ч' Л

1де и Т(0) определяются решениями уравнения теплопроводности на внешней

границе для трехслойной и однослойной поверхности соответственно, Яa, 1 и р; -коэффициенты теплопроводности, конвективного теплообмена, излучения и отражения почвы соответственно, h - геометрическая толщина теплоактивного слоя, -коэффициент теплопроводности заглубленного объекта, Л? - тотщина слоя, содержащего заглубленный объект

Рассматриваются два крайних случая инородного объекта с высокой теплопроводностью, присущей металлам, и с низкой теплопроводностью, свойственной изоляторам, в частности, пластикам

На основе модели идеального набтюдателя, уточненной на случай априорной неопределенности положения обнаруживаемой аномалии на ИК изображении, выполняется оценка вероятности обнаружения локальных температурных аномалий, вызванных заглубленными объектами, при применении авиационной сканирующей ИК аппаратуры На рис 2 представлены зависимость величины температурной аномалии dTот уровня солнечной подсветки Ес при Уи=285К (а), а также вероятности обнаружения Р0 данной аномалии (б)

и 100 200 300 400 600 600 Ес, Вт/м2

Рис 2 Зависимость величины температурной аномалии с/7 от у ровня сочнечной подсветки Ес (а) и вероятность ее обнаружения авиационной ИК аппаратурой (б)

На рис 2а прямые 1 и 2 потучены для инородного объекта - «пластик» толщиной Л3=0,1м при толщине теплоактивного слоя й=0,3 и 0,5 м соответственно, прямые 3 и 4 получены для инородного объекта - «метан» толщинои /.1=0,1 м при Л=0,5 и 0,3 м соотвелственно

Согласно этому рисунку, температурные аномалии поверхности грунта, обусловленные заглубленными инородными объектами, могут достигать величин от долей градуса до нескольких градусов На рис 26 кривые 1 и 2 описывают динамику вероятности обнаружения аномалии при инородном слое «пластик» и «металл» соответственно, рассматриваемая толщина теплоактивного слоя составляла в этом случае 0,5м Предполагалось, что площадь изображения наблюдаемой аномалии составляет 4 пикселя, а температурная чувствительность сканирующей ИК аппаратуры ЛТ„ор=0,1К Рис 26 позволяет сделать вывод, что заглу бленные объекты с низкой теплопроводностью (кривая 1), обнаруживаются, в целом, лучше, чем объекты с высокой теплопроводностью (кривая 2)

Для получения данных о динамике температурных аномалий при включении и выключении солнечного нагрева используются численные решения нестационарного уравнения теплопроводности для трехслойной и однослойной моделей Вычисление одномерного (по глубине) температурного поля выполняется с использованием разностных уравнений, составленных по явной конечно-разностной схеме Глубина проникновения сотнечного нагрева в данном случае определяется непосредственно в ходе решения уравнений Проводится сравнительный анализ результатов, полученных на основе решений стационарного и нестационарного уравнений теплопроводности Полученные данные позволяют определить условия, ограничивающие применимость стационарной модели в условиях включения и выключения солнечного нагрева

Сравнение с экспериментальными данными, описанными в литературных источниках, подтверждает применимость моделей, предложенных в диссертации, для описания поведения температурных аномалий В частности, подтверждается величина полученных температурных аномалий и предсказанное моделями изменение знака вечичины температурной аномалии в ночное время

В четвертой главе приводятся результаты теоретического исследования закономерностей взаимосвязи излучат ельных и отражательных характеристик фрагментов космического мусора, наблюдаемого в околоземном пространстве на солнечной стороне орбиты Используются модельные представления о фрагментах космического мусора (модель тонкой пластины) и механизмах теплообмена, для описания которых применяется нестационарное уравнение теплового батанса

сУг~~Р~ = (1-Р) (Еп с«и + Е+ еЕ„ + ЧтЫ + еаГ4(1) =Х[П - Щ1, (8)

где Т- средняя температу ра пластины, с и /-у дельная теплоемкость и плотность материала пластины, г - её толщина, дт„/ - удельный молекулярный тепловой поток, который

обуславливает дополнительный нагрев пластины за счет аэродинамического торможения, Тк - предельно достижимая (стационарная) температура, и х~ эффективный коэффициент теплообмена

Показано, что постоянная времени нагрева г = суг I х может быть определена с использованием отношений текущей и предельной, а также текущей и начальной температур пластины Используя тот факт, что при предельной температуре Тк устанавливается радиационный баланс между излучаемым и поглощаемым потоками оптического излучения, оказывается возможным выразить недоступную для измерений при температуре Тк интегральную силу тепловой радиации пластины (предельную температуру такая пластина приобретает за время, превышающее время ее нахождения на солнечной стороне орбиты) через известную интегральную силу отраженной ею солнечной радиации В итоге, через характер временной зависимости отношения сигналов % = и' ШС, где и! и V- отклики ИК и видимого каналов бортовой оптико-электронной аппаратуры в момент времени оценивается постоянная времени нагрева т и, соответственно, удельная нагрузка т/А*~уг пластины (т - масса, Аи - площадь сечения, перпендикулярная вектору скорости и), определяющая эффективность аэродинамического торможения фрагментов космического му сора

Для идентификации материала объектов космического мусора проводится теоретический анализ временной зависимости отношения сигналов в ИК и видимом каналах бортовой оптико-электронной аппаратуры от физических параметров наблюдаемого фрагмента, имеющей следующий вид

Ч> = 41 - »7. («Д14+(!-*)„) ' и Г 7!рР{Е„С05о + Е<1) ' ^

где и - чувствительности ИК и видимого каналов, а темпералу ра Г рассчитывается исходя из уравнения (8) Рассматриваются случаи как постоянного нагрева солнечной радиацией, так и изменения этого нагрева по гармоническому закону, обусловленному вращением осколка вокруг своего центра масс (во втором случае постоянная величина Епсот в уравнении (8), а также в знаменателе (9) меняется на „со5У(1 + со5сУ/)/2, где со- частота вращения пластины) На рис 3 представлена зависимость % - % от времени нагрева I для пластин из пластика и алюминия

Из сравнения рис 3 а и б можно заметить, что скорость нарастания отношения сигналов в ИК и видимом каналах на два порядка выше у пластины из пластика по сравнению с пластиной из алюминия той же толщины (г = 0,01 м) Данный факт может быть использован для идентификации материала космического мусора на основе

измерений отраженной солнечной и собственной тепловой радиации с учетом соотношений связи между ними

Рис. 3. Временная зависимость отношения сигналов в ИК и видимом каналах для пластины из пластика (а) и атсоминия (б) для высот орбиты 150 км (1), 200 км (2), 300 км и выше (3)

Расчеты показывают, что для медленно вращающейся пластины с сохранением условий теплового баланса временной ход огибающей зависимости Ч',- Уо от времени нагрева имеет вид, аналогичный графикам на рис 3

В приложении представлены

1) Графики зависимостей корреляционных характеристик яркости в ИК и видимых диапазонах от свойств наземных объектов и параметров процесса естественного теплообмена,

2) Аналитические выражения для корреляционных признаков при регистрации яркости в спектральных интервалах видимого и ИК диапазонов в нестационарном случае, когда установившаяся предельная температура поверхности объекта в силу тех или иных причин не достигается Теоретически установлено, что в этих условиях коэффициент корреляции отличается от коэффициентов линейной регрессии большей временной стабитьностью,

3) Пример применения корреляционных признаков для визуального обнаружения и идентификации наземных объектов,

4) Анализ температурных аномалий, обусловленных заглу бленными в грунт инородными включениями естественных образований Показано, что температурные контрасты, обусловленные такими включениями, существенно ниже, чем в случаях пластика и металла

Заключение

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы

1 Разработан и представлен новый алгоритм расчета прогнозного распределения температуры по поверхности объемного объекта сложной формы с внутренней замкнутой поюстью и наличием внутренних источников тепла В рачках модельных представлений о наземных объектах и механизмах теплообмена с использованием решений уравнения теплопроводности установлены закономерности поведения зависимости корреляционных признаков от физических параметров объектов, условий наблюдения и спектральных интервалов съемки в видимом и ИК диапазонах both Показан принципиально разный характер корреляционной связи между яркостью в видимом (0,4-0,8 мкм) и ИК (8-12,5 мкм или 3-5,5 мкм) диапазонах для фонов с ровным рельефом и объемных техногенных объектов Выведенные математические соотношения позволяют прогнозировать поведение корреляционных признаков, выражаемых коэффициентами корреляции и линейной регрессии, обеспечивая сохранение их информативности в изменяющихся условиях естественного теплообмена Теоретически установленные закономерности получили подтверждение в проведенном в НИИКИ ОЭП эксперименте по дневному изменению коэффициента корреляции яркости фрагмента земной поверхности, что позволяет сделать вывод о применимости предложенной математической модели для анализа изображений земной поверхности

2 Выполнен теоретический анализ поведения температурных аномалий, вызванных заглубленными в грунт объектами, в условиях стационарного и нестационарного солнечного нагрева Полученные данные показывают, что температурные аномалии поверхности грунта, обу словленные заглубленными инородными объектами, могут достигать величин от долей градуса до нескольких градусов На основе установленных функциональных зависимостей температурных аномалий от условий естественного теплообмена и теплофизических свойств грунта и заглубленного в него объекта, получены оценки вероятности их обнаружения ИК аппаратурой Выполненные расчеты позволяют сделать вывод, что заглубленные объекты с низкой теплопроводностью (например, пластики) обнаруживаются, в целом, лучше, чем объекты с высокой теплопроводностью Получены сравнительные данные по оценкам локальных температурных аномалий, обусловленных заглу бтенными объектами, рассчитанные в приближении стационарной и нестационарной моделей естественного теплообмена Полученные данные определяют условия, ограничивающие применимость стационарной модели в условиях включения и выключения солнечного нагрева Характер изменения и величина температурных аномалий подтверждается экспериментальными данными из литературных источников,

что позволяет сделать вывод о применимости предложенной математической модели для прогнозирования обнаружительной способности авиационной ИК аппаратуры 3 В рамках модальных представлении о наблюдаемых на солнечной стороне земной орбиты фрагментов космического мусора и механизмах теплообмена с использованием решения нестационарного уравнения теплового баланса установлен характер временной зависимости отношения сигналов в видимом и ИК каналах бортовой радиометрической аппаратуры от физических параметров наблюдаемых объектов Полученные результаты являются теоретическим обоснованием оптического метода определения удельной нагру зки и идентификации материала космического мусора на основе измерении отраженной солнечной и собственной тепловой радиации с учетом соотношений связи между ниш!

Список публикаций по теме диссертации

1 Павлов Н И, Меденников П А, Эльц Е Э Информативность корреляционных признаков

при совместной обработке изображении видимого и инфракрасного диапазонов //Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика-2004» 18-21 октября 2004г, Санкт-Петербург, Россия - т 3 «Компьютерные технологии в оптике» - СПб - 2004 - с 291-295

2 Павлов НИ, Эльц ЕЭ Исследование температурных аномалий, обусловленных

заглубленными в грунт инородными объектами //Сборник трудов УП Международной конференции «Прикладная оптика-2006» 16-20 октября 2006г, Санкт-Петербург, Россия -т1 «Оптическоеприборостроение» - СПб -2006-с 199-203

3 Павлов Н И, Эльц Е Э Исследование характера временной зависимости отношения

сигналов в ИК и видимом каналах радиометрической аппаратуры при наблюдении фрагментов космического мусора//Оптический журнал -2006 -т73 -№1 -с46-50

4 Павлов НИ, Эльц ЕЭ Дистанционное обнаружение температурных аномалий,

обусловленных заглубленными в грунт инородными объектами //Оптический журнал -

2006 -т73 -№10 -с 83-87

5 Павлов НИ, Эльц ЕЭ Обнаружение температурных аномалий, обусловленных

заглубленными в грунт инородными объектами //Известия ВУЗов Радиоэлектроника -

2007 -т 50 -№3 -с 12-21

6 Павлов Н И, Эльц Е Э Исследование закономерностей корреляции яркости в инфракрасном

и видимом спектральных диапазонах //Известия ВУЗов Радиоэлектроника - 2007 - т 50 -№4 - с 12-21

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии НИИХ СПбГУ 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр 26

Оглавление автор диссертации — кандидат физико-математических наук Эльц, Екатерина Эдуардовна

Основные обозначения.

Основные сокращения.

Введение.:.

Глава 1. Описание основных этапов при моделировании и анализе изображений, обоснование необходимости решения поставленных задач.

1.1. Построение тепловых моделей объекта и фона.

1.1.1. Наземные объекты.

1.1.2. Заглубленные объекты.

1.1.3. Космические объекты (космический мусор).

1.2. Модель энергетического портрета сцены.

1.3. Получение и анализ изображения.

1.3.1. Прогнозирование информативности корреляционных характеристик, получаемых при совместной обработке ИК и видимого изображений наземного объекта.

1.3.2. Прогнозирование обнаружительной возможности ИК аппаратуры при поиске заглубленного объекта.

1.3.3. Использование совместной обработки отношения видеосигналов в ИК и видимом диапазонах для определения удельной нагрузки и материала космического мусора.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Исследование закономерностей корреляции полей яркости в инфракрасном и видимом спектральных диапазонах при наблюдении наземных объектов.

2.1. Зависимость температуры фрагмента наблюдаемой поверхности объекта от оптико-физических параметров и условий теплообмена.

2.1.1. Методика определения температуры поверхности объекта в случаях постоянной температуры и конвективного теплообмена на нижней грани.

2.1.2. Методика определения температуры поверхности объекта с внутренней замкнутой полостью.

2.2. Аналитические выражения для корреляционных признаков при регистрации яркости в спектральных интервалах видимого и ИК диапазонов.

2.3. Анализ временной динамики корреляционных характеристик фоновых образований и техногенных объектов.

2.3.1. Расчет корреляционных характеристик по предложенной модели

2.3.2. Сравнение с экспериментальными данными.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Исследование температурных аномалий, обусловленных заглубленными в грунт инородными объектами.

3.1. Исследование температурных аномалий, обусловленных заглубленными в грунт инородными объектами в условиях стационарного солнечного нагрева.

3.1.1. Зависимость величины температурной аномалии от условий естественного теплообмена и теплофизических свойств грунта и заглубленного в него инородного объекта.

3.1.2. Оценка вероятности обнаружения рассматриваемых температурных аномалий при их регистрации авиационной сканирующей ИК аппаратурой.

3.2. Исследование температурных аномалий, обусловленных заглубленными в грунт инородными объектами в условиях нестационарного солнечного нагрева.

3.2.1. Теплофизическая модель в нестационарном случае.

3.2.2 Результаты численного решения и их сравнительный анализ с результатами на основе стационарной модели.

3.3. Сравнение с экспериментальными данными.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Исследование характера временной зависимости отношения сигналов в ИК и видимом каналах радиометрической аппаратуры

4.1. Принцип оптического метода измерения удельной нагрузки фрагмента космического мусора бортовой оптико-электронной аппаратурой с видимым и ИК каналами.

4.2. Анализ временной зависимости отношения сигналов в ИК и видимом каналах бортовой радиометрической аппаратуры.

Выводы к главе 4.

Введение 2008 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Эльц, Екатерина Эдуардовна

Актуальность

В настоящее время в задачах дистанционного зондирования, наблюдения и контроля за окружающей средой всё большее внимание уделяется использованию инфракрасных (ИК) приборов (тепловизоров) и ИК (тепловизионных) каналов в составе многоспектральной аппаратуры [1-3]. Применение ИК техники позволяет решить проблему «ночного видения», навигации в сложных метеоусловиях, обнаружения скрытых (в том числе заглубленных в грунт) объектов, выявить особенности внутренней структуры объектов наблюдения, включая возможные дефекты, и т.д [4-8]. Во-первых, это объясняется тем, что ИК техника обладает рядом достоинств и присущих только ей возможностей, таких как обнаружение и распознавание удаленных теплоизлучающих объектов независимо от уровня естественной освещенности и, в определенной степени, от состояния метеорологической обстановки, включая естественные и техногенные помехи (дымку, туман, дым, дождь, снег, пыль и т.п.). Во-вторых, специфическое температурное распределение, которое приобретает поверхность физического тела в условиях естественного теплообмена, в значительной мере связано с его оптическими и теплофизическими свойствами, включая особенности внутренней структуры.

Сегодня элементная база, на основе которой создается ШС техника, практически приближается к предельно возможным характеристикам [6-9]. В частности, размер фоточувствительных элементов серийно выпускаемых многоэлементных фотоприемных устройств ИК диапазона уменьшился до 15 мкм, что требует применения оптики с качеством, ограниченным лишь дифракцией света. Чувствительность фотоприемных устройств также приближается к предельной. В этой ситуации дальнейшее повышение информативности ИК изображений объектов наблюдения требует углубленного исследования природы и динамики температурных контрастов, возникающих за счет многофакторного влияния процессов естественного теплообмена, в том числе, с применением аналитических и расчетных методов, основанных на решении уравнений теплообмена. Особый интерес представляют дневные условия с участием в теплообмене солнечного нагрева, при которых открывается возможность для регистрации и совместного анализа изображений одновременно в ИК и видимом диапазонах спектра.

В рамках настоящей диссертационной работы задача моделирования и анализа инфракрасных изображений рассматривается применительно к проблеме обнаружения и распознавания низкоконтрастных натурных объектов с помощью бортовых оптико-электронных систем с ИК и видимым каналами наблюдения (видимый канал рассматривается как дополнительный к основному инфракрасному). Решение данной проблемы осуществляется посредством математического моделирования, применения аналитических и численных методов и комплексов программ, включает в себя использование моделей принятия решений, методов прогнозирования и оценки эффективности оптико-электронных систем и имеет важное прикладное значение в области обработки информации.

Основным объектом исследования являются математические модели инфракрасных изображений, предметом исследования - качественные и приближенные аналитические методы исследования этих моделей, прогнозирование и оценка эффективности оптико-электронных систем дистанционного зондирования с использованием указанных моделей, трансформация и анализ информации на основе разработанных модельных представлений.

Целью диссертационной работы является разработка математических моделей для прогнозирования температуры объектов, наблюдаемых в условиях естественного теплообмена, и анализ информативности изображений на их основе.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Разработка математической модели для описания распределения температуры по поверхности объекта в условиях естественного теплообмена и исследования закономерностей формирования двумерного распределения корреляционных признаков, определяемых при совместной обработке изображений объектов, наблюдаемых в инфракрасном и видимом диапазонах спектра.

2. Разработка и исследование математической модели для описания температурных аномалий поверхности грунта, обусловленных заглубленными инородными объектами, в условиях стационарного и нестационарного солнечного нагрева и оценка вероятности обнаружения температурных аномалий инфракрасным каналом авиационного оптико-электронного прибора.

3. Исследование оптического метода определения удельной нагрузки и материала фрагментов космического мусора на околоземных орбитах на основе отношения интенсивности сигналов, регистрируемых инфракрасным и видимым каналами бортовой аппаратуры наблюдения.

Работа выполнялась в рамках тематики поисковых и прикладных НИР, проводимых в НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем (НИИКИ ОЭП) по заказам различных министерств и ведомств Российской Федерации.

Методология исследования

Разработка математических моделей для описания распределения температуры по поверхности наблюдаемых объектов, а также корреляционных признаков, определяемых при совместной обработке изображений наземных объектов, наблюдаемых в инфракрасном и видимом диапазонах спектра, осуществлялась с применением аналитических и численных решений уравнений теплопроводности и теплообмена. При этом использовались упрощающие модельные представления о физических объектах; в частности, использовалась теплофизическая модель объекта, получающаяся в результате замены элементов его оболочки плоскими пластинами и пренебрежения тепловыми потоками в продольных направлениях. Учитываемые механизмы естественного теплообмена в общем случае включали: солнечный нагрев, тепловой нагрев за счет инфракрасного излучения атмосферы, радиационное выхолаживание, конвективный теплообмен, теплопередачу. Закономерности, описываемые предложенными математическими моделями, сравнивались с экспериментальными данными из литературных источников, а также с экспериментальными данными, полученными в НИИКИ ОЭП.

Оценка вероятности обнаружения температурных аномалий осуществлялась с использованием модели зрительной системы для анализа инфракрасных изображений, построенной на основе известной статистической теории обнаружения и принятия решений.

Для получения аналитических и численных решений использовался программный пакет MAPLE [10,11].

Личный вклад автора в получение научных результатов, изложенных в диссертации

Все теоретические исследования, результаты которых включены в диссертационную работу, проведены лично автором. Автором разработаны программы для получения аналитических и численных решений, выполнен анализ и интерпретация полученных результатов.

Научная новизна работы

1. Представлен алгоритм расчета распределения температуры по поверхности объемного объекта сложной формы, основанный на замене элементов его оболочки плоскими пластинами, нахождении температуры каждой из пластин путем аналитического решения стационарного уравнения теплопроводности второго порядка с учетом теплового баланса объекта в целом с внешней средой.

2. Выведены зависимости корреляционных характеристик полей яркости в инфракрасном и видимом диапазонах волн от оптико-физических параметров наблюдаемой поверхности объекта, условий теплообмена и спектральных интервалов регистрирующей оптико-электронной аппаратуры. Полученные результаты указывают на существенные отличия корреляционных характеристик у техногенных объектов и плоских фрагментов ландшафта, что может использоваться при анализе изображений.

3. Установлены особенности поведения локальных температурных аномалий, обусловленных заглубленными в грунт инородными объектами, что позволяет прогнозировать обнаружительную способность ИК аппаратуры дистанционного зондирования в различных условиях естественного теплообмена.

4. Получены сравнительные данные по оценкам локальных температурных аномалий, обусловленных заглубленными объектами, рассчитанные в приближении стационарной и нестационарной моделей естественного теплообмена. Полученные данные позволяют определить условия, ограничивающие применимость стационарной модели в условиях включения и выключения солнечного нагрева.

5. Выведены выражения для временного хода отношения сигналов в инфракрасном и видимом каналах радиометрической аппаратуры при наблюдении на околоземных орбитах вращающихся вокруг центра масс фрагментов космического мусора. Показана возможность использования полученных выражений для оценки удельной нагрузки и материала космического мусора.

Защищаемые положения

1. Алгоритм расчета распределения температуры по поверхности объемного объекта сложной формы и математическая модель для описания закономерностей формирования двумерного распределения корреляционных признаков, определяемых при совместной обработке изображений объектов, наблюдаемых в инфракрасном и видимом диапазонах спектра.

2. Математическая модель для прогнозирования температурных аномалий поверхности грунта, обусловленных заглубленными инородными объектами, и полученная на ее основе оценка вероятности обнаружения температурных аномалий инфракрасным каналом авиационного оптико-электронного прибора в различных условиях естественного теплообмена.

3. Оптический метод определения удельной нагрузки и материала фрагментов космического мусора на околоземных орбитах на основе вычисления отношения интенсивности сигналов, регистрируемых инфракрасным и видимым каналами бортовой аппаратуры наблюдения.

Достоверность научных положений

Закономерности, описываемые предложенными математическими моделями, подтверждаются экспериментальными данными из литературных источников, а также экспериментальными данными, полученными в НИИКИ ОЭП.

Практическая значимость и область применения результатов исследований

Полученные аналитические зависимости корреляционных характеристик яркости в видимом и ИК диапазонах от физических параметров объектов и условий их наблюдения раскрывают информативность новых признаков, выявляемых при совместной обработке видимого и ИК изображений, и позволяют прогнозировать их поведение в изменяющихся условиях теплообмена и наблюдения. Результаты данных исследований найдут применение при дистанционном зондировании и мониторинге земной поверхности, при обнаружении и распознавании объектов гражданского и военного назначения.

Установленные особенности поведения локальных температурных аномалий, обусловленных заглубленными в грунт инородными объектами, позволяют прогнозировать обнаружительную способность тепловизионной аппаратуры дистанционного зондирования в различных условиях естественного теплообмена.

Метод идентификации фрагментов космического мусора по корреляции их отражательных и излучательных характеристик, регистрируемых на солнечной стороне земной орбиты с помощью двухканальной радиометрической оптико-электронной аппаратуры, представляет интерес для разработчиков бортовых комплексов наблюдения за околоземным космическим пространством.

Апробация и внедрение результатов исследований

Результаты работы докладывались:

На международной конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, 2004 и 2006 г.), на научных семинарах НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем (НИИКИ ОЭП).

Список основных публикаций по материалам диссертационной работы составляет 6 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах из списка ВАК и 2 работы в трудах конференций.

Полученные научные результаты реализованы в ряде научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) (НИР «Корреляция-1», НИР «Дельта-ЭФ», НИР «Растр-03-А», ОКР «Переоборудование-К»), выполненных НИНКИ ОЭП в интересах разных министерств и ведомств Российской Федерации.

Список публикаций по материалам работы

1. Павлов Н.И., Меденников П.А., Эльц Е.Э. Информативность корреляционных признаков при совместной обработке изображений видимого и инфракрасного диапазонов // Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика-2004» 18-21 октября 2004г, Санкт-Петербург, Россия. — т.З. «Компьютерные технологии в оптике». - СПб. - 2004. - с. 291-295.

2. Павлов Н.И., Эльц Е.Э. Исследование температурных аномалий, обусловленных заглубленными в грунт инородными объектами // Сборник трудов VII Международной конференции «Прикладная оптика-2006» 1620 октября 2006г, Санкт-Петербург, Россия. - т.1. «Оптическое приборостроение». - СПб. - 2006 - с. 199-203.

3. Павлов Н.И., Эльц Е.Э. Исследование характера временной зависимости отношения сигналов в ИК и видимом каналах радиометрической аппаратуры при наблюдении фрагментов космического мусора // Оптический журнал. - 2006. - т.73. - №1. - с. 46-50.

4. Павлов Н.И., Эльц Е.Э. Дистанционное обнаружение температурных аномалий, обусловленных заглубленными в грунт инородными объектами // Оптический журнал. - 2006. - т.73. - №10. - с. 83-87.

5. Павлов Н.И., Эльц Е.Э. Обнаружение температурных аномалий, обусловленных заглубленными в грунт инородными объектами // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. - 2007. - т. 50. — № 3. - с. 12-21.

6. Павлов Н.И., Эльц Е.Э. Исследование закономерностей корреляции яркости в инфракрасном и видимом, спектральных диапазонах // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. - 2007. - т. 50. - № 4. - с. 12-21.

Содержание и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 4 приложений; она включает 144 листа машинописного текста, 53 рисунка, список цитированной литературы состоит из 95 наименований.

Заключение диссертация на тему "Моделирование и анализ инфракрасных изображений объектов, наблюдаемых в условиях естественного теплообмена"

Основные результаты диссертационной работы согласно защищаемым положениям:

1. Разработан и представлен новый алгоритм расчета прогнозного распределения температуры по поверхности объемного объекта сложной формы с внутренней замкнутой полостью и наличием внутренних источников тепла. Методика основывается на замене элементов его оболочки плоскими пластинами (фасетками) и нахождении температуры каждой из пластин путем решения стационарного уравнения теплопроводности второго порядка с учетом теплового баланса объекта в целом с внешней средой.

В рамках модельных представлений о наземных объектах и механизмах теплообмена с использованием решений . уравнения теплопроводности установлены закономерности поведения зависимости корреляционных признаков от физических параметров объектов, условий наблюдения и спектральных интервалов съемки в видимом и ИК диапазонах волн. Показан принципиально разный характер корреляционной связи между яркостью в видимом (0,4-0,8 мкм) и ИК (8-12,5 мкм или 3-5,5 мкм) диапазонах для фонов с ровным рельефом и объемных объектов (на примере транспортной техники).

Выведенные математические соотношения позволяют прогнозировать поведение корреляционных признаков, выражаемых коэффициентами корреляции и линейной регрессии, обеспечивая сохранение их информативности в изменяющихся условиях естественного теплообмена. Теоретически установленные закономерности получили подтверждение в проведенном в НИИКИ ОЭП эксперименте по дневному изменению коэффициента корреляции яркости фрагмента земной поверхности [65], а также находятся в соответствии с экспериментальными данными из литературных источников ([46, 59, 70-72]), что позволяет сделать вывод о применимости предложенной математической модели для анализа изображений земной поверхности.

2. Выполнен теоретический анализ поведения температурных аномалий, вызванных заглубленными в грунт объектами, в условиях стационарного и нестационарного солнечного нагрева. Полученные данные показывают, что температурные аномалии поверхности грунта, обусловленные заглубленными инородными объектами, могут достигать величин от долей градуса до нескольких градусов.

На основе установленных функциональных зависимостей температурных аномалий от условий естественного теплообмена и теплофизических свойств грунта и заглубленного в него объекта, получены оценки вероятности их обнаружения ИК аппаратурой. Согласно полученным данным, представляется реальной возможность обнаружения температурных аномалий авиационной ИК аппаратурой с температурной чувствительностью равной примерно 0.1 К, если геометрическое разрешение обеспечивает регистрацию изображения аномалии размером не менее чем несколько элементов разложения (пикселей). Выполненные расчеты позволяют сделать вывод, что заглубленные объекты с низкой теплопроводностью (например, пластики), обнаруживаются, в целом, лучше, чем объекты с высокой теплопроводностью.

Получены сравнительные данные по оценкам локальных температурных аномалий, обусловленных заглубленными объектами, рассчитанные в приближении стационарной и нестационарной моделей естественного теплообмена. Полученные данные определяют условия, ограничивающие применимость стационарной модели в условиях включения и выключения солнечного нагрева.

Характер изменения и величина температурных аномалий н