Основные принципы работы круглосуточного визира с цифровой обработкой видеосигнала
Характеристика круглосуточного визира с цифровой обработкой видеосигнала, его назначение для обнаружения воздушных объектов и измерения их угловых координат в сложных метеоусловиях. Принцип действия прибора, алгоритм работы. Составные части и параметры.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.03.2012 |
| Размер файла | 1,8 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Введение
- 1 Основные составные части прибора
- 1.1 Назначение составных частей прибора
- 2. Основные характеристики прибора
- 3. Основные параметры используемого ЭОП
- 3.1 Настройка ЭОПа с ТВ камерой
- 4. Принцип действия прибора
- 5.Алгоритмы работы ПМО
- 5.1 Расчет контрастности летательных аппаратов
- 6. Расчет ЧКХ и С/Ш
- 6.1 Метод расчета ЧКХ
- 6.2 Метод расчёта отношения сигнал/шум
- Заключение
- Список литературы
Введение
Круглосуточный визир с цифровой обработкой видеосигнала (далее КВЦОС) предназначен для обнаружения, распознавания, измерения в пределах углового поля зрения устройства угловых координат воздушных объектов, а также их автоматического сопровождения в любое время суток в простых и ограниченно-сложных метеоусловиях.
Прибор имеет дневной и ночной телевизионные каналы с возможностью автоматического переключения между ними. Для выбора канала предназначен фотометрический переключатель каналов, который автоматически способен включать наиболее подходящий, в зависимости от внешней освещённости, канал.
Дневной и ночной каналы представляет собой аналоговую ПЗС-матрицу, связанную с объективом, однако в ночном канале для усиления яркости дополнительно используется ЭОП третьего поколения.
На отечественном рынке существует много аналогов данного прибора, которые можно разделить на две группы: тепловизионные и телевизионные. Основное отличие телевизионных приборов в том, что все они используют ЭОП 2+ поколения, которые не позволяют обеспечить необходимую чувствительность, и соответственно, дальность обнаружения объектов в ночное время суток. Тепловизионные приборы обеспечивают почти вдвое большую дальность обнаружения по сравнению с телевизионными приборами, однако во время дождя дальность работы тепловизора уменьшается многократно.
Прибор на основе ЭОП 3 поколения позволяют обеспечить необходимую дальность обнаружения и стоят в 3-4 раза дешевле тепловизионных приборов.
В курсовой работе стояла задача рассмотреть принцип работы устройства на основе ЭОП 3 поколения, его основные характеристики, а также усовершенствовать методы исследования некоторых важных параметров прибора.
1. Основные составные части прибора
КВЦОС состоит из следующих основных элементов:
дневная цифровая телевизионная камера (ДТК),
ночная цифровая телевизионная камера (НТК),
фотометрический переключатель каналов (ФПК),
блок питания и согласования (БПС) для каждой телекамеры,
волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС),
блок переходной (БП) для каждой телекамеры,
устройство сопряжения с телекамерами (УСТК),
комплект электрических кабелей,
программно-математическое обеспечение (ПМО)
в качестве устройства управления КВЦОС используется компьютер - в виде автоматизированного рабочего места (АРМ).
1.1 Назначение составных частей прибора
ДТК и НТК предназначены для формирования цифрового видеосигнала, содержащего информацию об изображении фона и цели, попадающих в их поле зрения.
ФПК предназначен для автоматического переключения информационных каналов в зависимости от освещённости камер ДТК или НТК.
ДТК, НТК и ФПК конструктивно объединены в блок телевизионных камер (БТК).
БТК размещается в пылевлагозащищенном отсеке под защитным кожухом с плоским иллюминатором на стабилизированной в 2-х плоскостях (по курсовому углу и углу места) и управляемой по направлениям в пространстве платформе (ГСП).
БПС предназначен:
для обеспечения питанием ДТК, НТК и ФПК,
для преобразования аналогового видеосигнала от ДТК (НТК) в оптический информационный сигнал,
для преобразования оптического сигнала, передающего команды управления в КВЦОС, в электрический.
ВОЛС предназначена для передачи оптических сигналов (информационных и управляющих) между КВЦОС и прибором АРМ.
БП предназначены для электрического сопряжения сигналов между ВОЛС и электрической линией связи к интерфейсу.
УСТК предназначено для электрического и физического сопряжения КВЦОС с вычислительным устройством АРМ по системной шине compact PCI. УСТК и работает под управлением центрального процессора АРМ.
ПМО используется в АРМ. Его назначение:
1) управление работой КВЦОС;
2) преобразование сигналов изображения с телекамер для отображения оптической информации о фоне и цели на мониторе АРМ;
3) полуавтоматическое обнаружение, захват и автосопровождение цели в пределах поля зрения КВЦОС,
4) измерение и выдача угловых координат сопровождаемой цели;
5) диагностическое обеспечение работы КВЦОС.
круглосуточный визир цифровой видеосигнал
2. Основные характеристики прибора
Частота измерения и выдачи информации о координатах цели составляет 25 Гц.
При подаче питания на КВЦОС должна включаться ДТК.
Переключение телевизионных осуществляется
прибором ФПК автоматически в зависимости от освещённости:
ДТК включается при повышении освещённости до 1 люкс ±30%;
НТК включается при понижении освещённости до 0,5 люкс ±30%.
Информация о том, какая камера включена, передается на АРМ.
Прибор ФПК выдает в АРМ сигнал о попадании солнца в его поле зрения.
Угловое поле зрения ФПУ такое, что при попадании солнца в его поле зрения во время визирования с угловой скоростью 50/ сек обеспечивается закрытие механического затвора ДТК до попадания солнца в поле зрения ДТК.
Угловое поле зрения ДТК и НТК составляет:
по курсовому углу - 3° ±5 %;
по углу места - 2 14 ±5%
Для ДТК ширина по осям х и у функции рассеяния точки по уровню
10 % от максимального значения в центре кадра не превышает 1 пиксель ПЗС-матрицы, угловой размер которого соответствует 14,4 угловых секунд.
Для НТК ширина по осям х и у функции рассеяния точки по уровню
50 % от максимального значения в центре кадра не превышает 4 пикселя ПЗС-матрицы (57,6 угловых секунд), а по уровню 20 % - 6 пикселей (86,4 угловых секунд).
Неравномерность чувствительности ДТК и НТК в пределах поля зрения не более 30 %.
Частота кадров ДТК и НТК 25 Гц.
Тип развёртки изображения в ДТК и НТК - прогрессивный.
Отношение сигнал/шум при работе по штриховой мире со 100 % контрастом, размер которой равен угловому полю зрения телекамеры, не менее 10 при освещённостях на входном зрачке не более 0,5 люкс для ДТК и 3*10-3 люкс для НТК.
В ДТК и НТК встроены дистанционно управляемые с АРМ механические затворы, перекрывающие световой поток на ПЗС и ЭОП за время не более 200 мсек. В обесточенном состоянии затворы закрыты. Информация о состоянии затворов выдается в АРМ.
В ДТК и НТК встроены дистанционно управляемые с АРМ микроприводы подфокусировки, обеспечивающие возможность оптимальной фокусировки для дальностей до объектов 5-20 км при температуре ДТК и НТК от минус 50°С до плюс 50°С. Фокусировка осуществляется по объектам с явно выраженным контуром как автоматически с помощью разработанного ПМО, так и по командам с пульта АРМ оператором по визуальной оценке.
Количество пикселей в изображениях, формируемых ПЗС-матрицами ДТК и НТК, составляет 782x582.
Среднее квадратичное отклонение темнового шума ДТК и НТК не превышают 25 электронов на пиксель в кадре.
Непараллельность оптических осей ДТК и НТК не более 1 угл. мин. Неперпендикулярность любой оптической оси к посадочной плоскости БТК не более 2 угл. мин.
Максимальный разворот растра ДТК и НТК составляет не более 2 пикселей на краю кадра.
Электропитание КВЦОС осуществляется от источника постоянного тока напряжением 27 В.
Мощность, потребляемая КВЦОС, не превышает 300 Вт.
Электрическая изоляция аппаратуры КВЦОС имеет сопротивление:
а) не менее 20 Мом при температуре 15-35°С, относительной влажности 45-75 %;
б) не менее 5 Мом при повышенной температуре 55°С;
в) не менее 1 Мом при повышенной влажности (температура 35°С,. относительная влажность 98%).
3. Основные параметры используемого ЭОП
В основе прибора лежит ЭОП 3 поколения характеристики которого во многом превосходят ЭОП 2+ поколения. Основные отличия ЭОП 2+ от ЭОП 3 поколения в фотокатодах, у поколения 2+ это мультищелочной фотокатод а у третьего поколения арсенид галлиевый, к тому же у ЭОП 3 поколения на МКП есть ионнобарьерная, пленка которая отсутствует на ЭОП 2+ поколения. В таблице 3.1 приведены сравнительные характеристики ЭОП 2 и 3 поколений
Таблица 3.1 Сравнительные характеристики ЭОП 2+ и 3 поколения
|
Материал фотокатода, тип ЭОП |
Мультищелочной фотокатод, ЭОП 2+ поколения |
Арсенид галлия, ЭОП 3-го поколения |
|
|
Материал входного окна |
ВОП |
Стекло |
|
|
МКП |
Без ИБП |
С ионно-барьерной пленкой (ИБП) |
|
|
Чувствительность фотокатода (интегральная) |
200-250мкА/лм |
1200-1600 мкА/лм |
|
|
Спектральная чувствительность на длине волны =830 нм |
20-25 мА/Вт |
120-170 мА/Вт |
|
|
Коэффициент усиления |
15-20 тыс. |
20-25 тыс. |
|
|
Отношение "сигнал/шум" |
6-8 |
15-20 |
|
|
Частотно-контрастная характеристика: контраст на пространственной частоте: 2,5 штр. /мм 7,5 штр. /мм 15 штр. /мм |
0,8 0,5 0,2 |
0,90 0,70 0,45 |
|
|
Дисторсия, % |
2 |
0 |
|
|
Предел разрешения |
30 пар лин. /мм |
45 пар лин. /мм |
|
|
Срок службы |
2000 час. |
до 7500 час. |
Далее приведены основные характеристики используемого ЭОПа в таблице 3.2.
Таблица 3.2
|
Наименование параметра, единица измерения |
Обозначение |
Норма |
|
|
1 Интегральная чувствительность фотокатода, мкА/лм |
Si |
1500, не менее |
|
|
2 Спектральная чувствительность на длине волны 830 нм, мА/Вт |
S830 |
150, не менее |
|
|
3 Предел разрешения, штр/мм |
N |
45, не менее |
|
|
4 Коэффициент преобразования при освещенности на фотокатоде (1±0,5) *10'4 лк, лм/лм |
n |
25000, не менее |
|
|
5 Отношение сигнал/шум |
СШ |
18, не менее |
|
|
6 Яркость свечения экрана в режиме автоматической регулировки яркости (АРЯ) в диапазоне освещенности от 5*10'4 до 0,4 лк, кд/м2 |
Варя |
10, не более |
|
|
7 Яркость темпового фона при температуре окружающей среды 20°С, приведенная к коэффициенту преобразования 25000, кд/м2 |
B0 |
3*10'3, не более |
|
|
8 Коэффициент передачи контраста на частоте; 2,5 штр/мм 7,5 штр/мм 15 штр/мм 30 штр/мм 45 штр/мм |
КПК |
0,90, не менее 0,70, не менее 0,45, не менее 0,15 не менее 0,05 не менее |
|
|
9 Коэффициент неравномерности свечения экрана в пределах рабочего поля |
Кн |
0,1, не более |
|
|
10 Размер рабочего поля фото- | катода, мм |
Dp |
18 (0; - 0,5) |
|
|
11 Напряжение питания, В |
Un |
2,5±0,5 |
|
|
12 Ток потребления, мА |
Jn |
30, не более |
Количество и величина допустимых на экране ЭОП дефектов приведена в таблице 3.3
Таблица 3.3 - Степень чистоты рабочего поля
|
Номер зоны |
Размер зоны, мм Внутренний диаметр/ Наружный диаметр |
Наибольший диаметр точек, мм Не учитываемых/ допустимых |
Допустимая суммарная площадь точек, мм2 |
|
|
1 |
- / 7,5 |
0,06/015 |
0,15 |
|
|
2 |
7,5/13,5 |
0,07/0,25 |
0,4 |
|
|
3 |
13,5/17,5 |
0,1/0,35 |
0,7 |
Примечания:
1. Окулярное увеличение при измерении - от 10 до 15 крат.
2. Светлые и темные точки - участки экрана ЭОП, полностью не передающие изображения. Точки, передающие изображение, рассматриваются как неравномерность свечения экрана.
3. Размер темных точек со светлым ореолом определяется по размеру светлого ореола.
4. Дефекты, длина которых более чем в три раза превышает ширину размером не более 0,05 мм, принимаются за полосу, Площадь данных дефектов определятся произведением ширины на длину.
5. Площадь точек некруглой формы приводится к эквивалентной площади круглой точки.
6. Светлые точки автоэмиссионного характера не допускаются.
7. Допускается наличие элементов сотовой структуры Микроканальной пластины (МКП) при освещенности на фотокатоде более 1*10-4 лк;
На рисунке 3.1а показана светопередаточная характеристика ЭОПа.
На рисунке 3.1б показана фотография тест таблицы в ночных условиях.
На рисунках 3.2а 3.2б 3.2в 3.2г 3.2д 3.2е показаны фотографии сделанные с помощью ночного телевизионного канала, расстояние до объектов 3 км.
Рис.3.1а Светопередаточная характеристика ЭОПа.
Рисунок 3.1б фотография тест таблицы, освещенность 1*10-4люкс.
Рис 3.2а Освещенность 510-3 лк.
Одиночный кадр
Рис 3.2б Освещенность 510-3 лк.
Усреднение по 5 кадрам
Рис 3.2в Освещенность 510-3 лк.
Одиночный кадр
Рис 3.2г Освещенность 510-3 лк.
Усреднение по 5 кадрам
Рис 3.2д Освещенность 210-3 лк.
Одиночный кадр
Рис 3.2е Освещенность 210-3 лк.
Усреднение по 5 кадрам
3.1 Настройка ЭОПа с ТВ камерой
При настройке ЭОПа на работу с ТВ камерой основное время уходило на выставление уровней автоматического регулятора яркости (АРЯ) и напряжения на микроканальной пластине (МКП).
Проблема заключалось в том, что регулировочные винты находились на корпусе ЭОПа со стороны фотокатода и при настройке прибора приходилось каждый раз разбирать объектив для изменения уровня МКП и АРЯ.
Это приводило к тому, что регулировка ЭОПа занимала от 3 до 4 дней.
Для уменьшения времени настройки прибора было предложено вынести встроенные в ЭОП регуляторы (АРЯ) и (МКП) в отдельный модуль, что и было успешно реализовано см рисунок 3.1.1 С вынесенными отдельно регуляторами МКП и АРЯ время на настройку прибора сократилось с 3-4 дней до 4-5 часов.
Рис 3.1.1 ЭОП с вынесенным блоком питания.
4. Принцип действия прибора
КВЦОС состоит из дневного, ночного и фотометрического каналов.
Фотометрический переключатель автоматически переключает прибор между каналами. Ночной канал работает при освещённостях до 50 люкс, при больших освещённостях включается дневной канал.
При высокой освещенности фотометрический переключатель включает в работу дневной канал. С помощью объектива с фокусным расстоянием F=125мм изображение попадает на ПЗС камеру, далее аналоговый сигнал из камеры поступает в блок питания и согласования дневного канала (БПС), где преобразуется в оптический сигнал и по оптической линии связи попадает в АРМ. В АРМ с помощью БП сигнал вновь преобразуется в цифровой и после обработки специальной программой выводится на экран.
В случае если освещенность менее 50 люкс фотометрический переключатель каналов автоматически переключит прибор на ночной телевизионный канал и отключит питание от дневного канала, однако при резком увеличении освещенности (вспышка или молния) фотометрический переключатель немедленно перекроет ЭОП во избежание его засветки, которая может привести к поломке прибора. С помощью объектива с фокусным расстоянием F=275мм изображение попадает на вход ЭОП, который его многократно усиливает. Далее с помощью объектива переноса изображение с экрана ЭОП попадает на ПЗС камеру, затем аналоговый сигнал из камеры поступает в блок питания и согласования ночного канала (БПС), где преобразуется в оптический сигнал и по оптической линии связи попадает в АРМ. В АРМ с помощью БП сигнал вновь преобразуется в цифровой и после обработки специальной программой выводится на экран.
При обработке сигнала с ДТК (НТК) устройство может в автоматическом режиме или с помощью оператора обнаружить цель, тогда программа начинает отслеживать местоположение цели и высчитывать координаты цели.
С помощью полученных координат программа определяет направление движения цели и управляет гиростабилизированной платформой (ГСП), поворачивая её в след за целью, таким образом происходит сопровождение цели. На рисунке 4.1 показан общий вид прибора без БПС и АРМ.
Рис.4.1 Общий вид прибора.
5.Алгоритмы работы ПМО
Выделение и сопровождение целей. Предусматривается решение задачи автоматического выбора целей в области фиксированного небольшого размера (32x32 или 64x64), предварительно определенной оператором. По умолчанию полагается, что область поиска находится в центре кадра.
Задачу следует разделить на две:
оператор обнаружил цель - требуется только сопровождать;
оператор предполагает наличие цели, но гарантированно её не обнаружил - требуется обнаружить и далее сопровождать.
Оператор обнаружил цель - в этом случае начиная с текущего кадра начинает записываться последовательность из 5.10-ти последних кадров, в каждом из которых методом согласованной фильтрации выделяются области, имеющие высокие частоты. Такие области соответствуют контрастным границам цели, выделяющейся на фоне неба или подстилающей поверхности. Согласованная фильтрация может предполагать как свертку с заранее заданным ядром (набор ядер см. Рис.5.1.1.), так и оценку ширины гистограммы малого фрагмента изображения (от 3x3 до 8x8 пикселей). Оценка ширины гистограммы сводится к операции вычисления дисперсии по линейной норме. С точки зрения ресурсоемкости вычислений второй вариант предпочтительнее:
, где
Рис 5.1.1 Примеры ВЧ и НЧ фильтров.
Оператор предполагает наличие цели - в этом случае аналогично начиная с текущего кадра начинает записываться последовательность из 5.10-ти последних кадров подряд или с прореживанием (каждый 2-й, 3-й или 4-й кадр.), но вначале согласованная фильтрация производится как вдоль оси времени для каждого пикселя, так и в пространственной области:
, где
Если порог обнаружения превышен или часть пикселей из группы отличаются от среднего более, чем на 3Wh - принимается решение о записи кадров подряд, и далее алгоритм сводится к предыдущему - пространственной фильтрацией каждого входящего кадра выделяются границы цели. Далее для каждого мини - кадра получается набор координат, соответствующих геометрии цели. Интерполируя относительно времени по заранее определенному закону средние значения координат (например, квадратичному с малым главным членом), будем вычислять координаты цели в текущем кадре. Следует сразу заметить, что наилучших результатов при обнаружении и сопровождении целей можно достичь, используя эталонные их образы. Фактически, это означает решение части задачи распознавания цели. Главные трудности создают следующие проблемы:
Все наблюдаемые объекты являются 3-х мерными, и могут менять ракурс наблюдения и дистанцию до наблюдателя. Как следствие - велико или количество эталонов, которые следует хранить для каждой цели, или количество вычислений, которые следует выполнить для поиска текущего ракурса наблюдения и подбора расстояния. Внешний вид целей может меняться, например размер факела из двигателя, ложные цели - ловушки, дымовые эффекты и т.д. Количество типов предполагаемых целей может быть велико. По этим причинам следует отложить задачу распознавания. Ресурсов аппаратуры, предполагаемой к использованию в качестве АРМ, не хватит на решение такой задачи. Таким образом, отличительными признаками обнаруживаемых объектов следует считать:
наличие изображения достаточного контраста;
наличие корреляции между изображениями в последовательных кадрах: траектория движения с определенными ограничениями на скорость изменения координат.
Помехозащищенность. Анализ фоно - целевой обстановки позволяет выделить основные типы помех, преодолеть которые будет очень трудно:
Блики от поверхности (лунная или солнечная "дорожка") при слабом волнении. В этом случае отраженный от поверхности сигнал приведет к заполнению потенциальной ямы пикселей ПЗС на заметной площади кадра, неполному разливу заряда в соседние пиксели, и, как следствие, отсутствие контраста от низко - летящей цели. Для ЭОП в ночное время яркая поверхность моря приведет к аналогичным последствиям - динамического диапазона прибора может не хватить, часть наблюдаемого кадра будет потеряна.
Снижение наклонной дальности видности вследствие плохих погодных условий. Сильный дождь или туман непреодолимы для излучения оптического диапазона, мешает сильное рассеяние.
Попадание Солнца в поле зрения. При времени накопления 4 мкс и обратной апертуре объектива F<10 гарантированно приводит к заливке засвеченных столбцов. Динамического диапазона ПЗС недостаточно для одновременного наблюдения Солнца и объектов. Следующие типы помех могут быть преодолены увеличением вычислительной мощности системы:
Кратковременные блики при развитом волнении. Такие помехи носят относительно кратковременный характер и возникают хаотически по площади кадра. Могут быть устранены увеличением временного интервала одновременно анализируемых кадров ценой роста времени обнаружения цели.
Коррелированные в пространстве блики при волнении "мертвая зыбь". Волна при таком возмущении поверхности воды протяженная, и возмущение носит псевдопериодический характер. Может быть подавлено увеличением времени наблюдения и сложностью фильтрации - требуется выделять объекты, образующие протяженные группы.
5.1 Расчет контрастности летательных аппаратов
Этот расчет был необходим для того, чтобы возможно теоретически определить дальность обнаружения различных летательных аппаратов (ЛА), а также значения контрастности ЛА можно используются в ПМО.
Произведем приближенную оценку величин контрастов, так как они нам неизвестны. Для примера будут рассчитаны контрасты военных летательных аппаратов.
Величина контраста выражается формулой
K= (L2-L1) / (L2+L1) (5.2.1)
где К - контраст объект - фон или контраст летательного аппарата на фоне горизонта атмосферного купола в направлении наблюдения, отн. ед.;
L1 - яркость горизонта атмосферного купола в направлении наблюдения, Кд/м2, (Вт/м2*ср*мкм);
L2 - яркость объекта или яркость летательного аппарата в направлении наблюдения, Кд/м2, (Вт/м2*ср*мкм).
Величину яркости летательного аппарата можно найти по формуле:
L2= L1* (r1+r1*r2) (5.2.2)
где L1 - яркость горизонта атмосферного купола в направлении наблюдения, Кд/м2, (Вт/м2*ср*мкм);.
L2 - яркость объекта или яркость летательного аппарата в направлении наблюдения, Кд/м2, (Вт/м2*ср*мкм);
r1 - коэффициент отражения летательного аппарата, отн. ед.;
r2 - коэффициент отражения подстилающей поверхности (земной поверхности), отн. ед.
Воспользуемся единичной площадью, эквивалентной площади лобовой поверхности летательного аппарата, единичной силой света в направлении наблюдения и коэффициентом лобового сопротивления летательного аппарата. Коэффициент лобового сопротивления летательного аппарата будет характеризовать отраженную долю от единичной силы света в направлении наблюдения. В этом случае формула (7.1) с учетом формулы (7.2) может быть представлена в виде:
K= [k2* (r1+r1*r2) - 1] / [k2* (r1+r1*r2) + 1] (5.2.3)
где К - контраст объект - фон или контраст летательного аппарата на фоне горизонта атмосферного купола в направлении наблюдения, отн. ед.; k2 - коэффициент лобового сопротивления летательного аппарата, отн. ед.; r1 - коэффициент отражения летательного аппарата, отн. ед.; r2 - коэффициент отражения подстилающей поверхности отн. ед.
Оценим величины контрастов летательных аппаратов, принимая за исходные данные величины:
1) средняя величина коэффициента отражения в диапазоне от 400 до 900 нм:
а) для летательного аппарата типа вертолет, фронтовой бомбардировщик при пятнистой камуфляжной окраске - 0.45,б) для летательного аппарата типа истребитель без камуфляжной окраски - 0.64;
2) средняя величина коэффициента отражения подстилающей поверхности в спектральном диапазоне от 400 до 900 нм:
а) летний период - 0.15;
б) зимний период - 0.78;
3) коэффициент лобового сопротивления летательного аппарата:
а) вертолет - 0.3;
б) истребитель, фронтовой бомбардировщик - 0.1.
Величины контрастов, рассчитанных, по формуле (3) для вышеперечисленных исходных данных приведены в таблице (5.2.1) Отрицательные величины контрастов соответствуют наблюдению темного объекта на светлом фоне.
Таблица 5.2.1 Величины контрастов летательных аппаратов (ЛА) в зависимости от окраски ЛА, в летний и зимний периоды.
|
Тип летающего аппарата |
Величина контраста в летний период |
Величина контраста в зимний период |
|
|
Вертолет, пятнистая камуфляжная окраска |
- 0.888 |
- 0.834 |
|
|
Истребитель, без камуфляжной окраски |
- 0.980 |
- 0.905 |
|
|
Фронтовой бомбардировщик, пятнистая камуфляжная окраска |
- 0.961 |
-0.939 |
6. Расчет ЧКХ и С/Ш
В ходе изготовления прибора возникает необходимость анализа его частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) и отношения сигнал/шум (СШ). На оборудование, которое установлено на предприятие, производить такой анализ было весьма трудоемко. Анализ требуемых характеристик занимал несколько дней, и был сопряжен с разборкой прибора, что негативно влияло на его качественные характеристики. В процессе работы над прибором был предложен альтернативный способ анализа указанных характеристик, который позволил производить анализ, не извлекая исследуемый образец из готового прибора. Причем способ позволял получить ЧКХ и СШ всей системы, что было не возможно выполнить, используя стандартную аппаратуру.
На рисунке 6.1 показана схема оптического стенда на котором осуществляются измерения по предложенным методикам.
Рис 6.1 Схема оптического стенда.
6.1 Метод расчета ЧКХ
В процессе выполнения дипломной работы мною для расчета ЧКХ была разработана и написана специальная программа, алгоритм которой приведен ниже.
В основе метода лежит преобразование Фурье, которое позволяет получить спектр пространственных частот, из изображения полученного с экрана ЭОП с помощью видео камеры.
На фотокатод проецируется щель шириной не более 5 мкм, при освещенности 5*10-4 люкс, для этого в коллиматоре оптического стенда (рис 6.1) существуют все необходимые приспособления. Далее с помощью пристыкованной к ЭОПу камеры записывается на компьютер последовательность из 25 кадров изображения щели в черно-белом формате BMP.
После этого с помощью разработанной программы файлы BMP преобразуются в матрицы чисел формата А (х, у), где х и у координаты пикселя в кадра, а А (х, у) значение яркости в этом пикселе. Координаты х и у принимают значения:
х от 0 до Nx, где Nx количество столбцов в кадре,
у от 0 до Nу, где Nу количество строк в кадре.
Так как формат BMP при черно-белом варианте кадра имеет 256 градаций яркости, то значение А (х, у) варьируется от 0 до 255.
Матрицы А (х, у) всех кадров преобразуются в матрицу В (х, у), у которой значение яркости каждого пикселя является средним значением яркости пикселей матриц А (х, у) с такими же координатами.
В (х, у) = (А1 (х, у) +…+А25 (х, у)) /25; (6.1.1)
Матрица В (х, у) является усреднённым кадром щели.
После получения усреднённого кадра он разбивается на множество одномерных массивов Су (x) по столбцу:
Су (x) = В (х, у) (6.1.2)
По сути одномерные массивы Су (x) представляют собой строки усреднённого кадра. Далее каждая строка преобразуется с помощью преобразования Фурье в реальную и мнимую часть пространственного спектра:
Rеу (Х) = Су (x) *cos (2п*Х*х/Nx) (6.1.3)
Mу (Х) = Су (x) *sin (2п*Х*х/Nx) (6.1.4)
Затем, находя квадратный корень из суммы квадратов реальной и мнимой части, мы получаем спектр пространственных частот Sy (j):
Sy (j) = (6.1.5)
Вычислив спектры всех строк по отдельности, программа складывает их и делит на количество строк, получая тем самым ЧКХ - T (j):
T (j) = (6.1.6)
Далее T (j) нормируется делением на T (1) и получается нормированная по значению частотно контрастная характеристика - N (j):
N (j) = T (j) /T (1) (6.1.7)
Полученный массив N (j) появляется на экране компьютера в виде графика, где значения (j) указывают на период пространственной частоты, а значения N (j) на ее амплитуду. Зная коэффициент увеличения ЭОПа можно легко перевести j в штрихи/мм.
Данный метод имеет ряд преимуществ над стандартным способом получения значений ЧКХ:
Возможность за один раз снять ЧКХ всей системы в целом;
Пропадает необходимость разбирать прибор для контроля качества его элементов после сборки;
ЧКХ измеряется по всем частотам в отличие от ранее используемого метода, где измеряется ЧКХ всего в 3х точках;
Время измерений уменьшилось с 10 часов до 1 часа;
Точность метода как минимум в 2 раза выше.
6.2 Метод расчёта отношения сигнал/шум
Как и в предыдущем методе для расчёта СШ предложен и реализован анализ изображения, получаемого с телевизионной камеры. Он позволяет получить отношение СШ сразу всей системы, что значительно ускоряет процесс контроля качества прибора.
На фотокатод ЭОПа подается равномерная освещенность 5*10-4 люкс, далее с помощью пристыкованной к ЭОПу камеры записывается на компьютер последовательность из 25 кадров в черно-белом формате BMP.
После этого программой файлы BMP преобразуются в матрицы чисел
формата А (х, у), где х и у координаты пикселя в кадра, а А (х, у) значение яркости в этом пикселе. Координаты х и у принимают значения х от 0 до Nx, где Nx количество столбцов в кадре, а у от 0 до Nу, где Nу количество строк в кадре. Так как формат BMP при черно-белом варианте кадра имеет 256 градаций яркости, то значение А (х, у) варьируется от 0 до 255.
Матрицы А (х, у) всех кадров преобразуются в матрицу В (х, у), у которой значение яркости каждого пикселя является средним значением яркости пикселей матриц А (х, у) с такими же координатами. Матрица A (х, у) представляет собой сумму следующих элементов:
A (х, у) = S (x,y) + C (x,y) + E (x,y) + V (x,y) (6.2.1)
S (x,y) - полезный сигнал; C (x,y) - темновой шум камеры; E (x,y) - темновой шум ЭОПа. V (x,y) - внутренний шум ЭОПа (неравномерности усиления, осцилляции и т.д.); темновой шум камеры настолько мал по сравнению с темновым шумом ЭОПа, что им можно принебречь.
Матрица В (x,y) не содержит в себе внутреннего шума ЭОПа так как он подавляется за счет усреднения сигнала по 25 кадрам.
В (х, у) = S (x,y) + C (x,y) +E (x,y) (6.2.2)
Получив матрицу усреднённого кадра В (x,y) программа находит среднее значение дисперсии (D) из всех пикселов одиночных кадров относительно усреднённого кадра:
D = ( ( (В (х, у) - Аn (х, у)) 2 / (Nx*Ny))) /25 (6.2.3)
Находя корень из дисперсии получаем значение внутреннего шума ЭОПа.:
v = (6.2.4)
Затем вычисляется среднее значение матрицы В (x,y):
b = (6.2.5)
Далее снимается последовательность из 25 кадров при перекрытом фотокатоде ЭОПа, и записывается в матрицы чисел Аn (х, у). По формуле (6.1.1) вычисляется усреднённый кадр темнового шума K (х, у) и из него находится среднее значение темнового шума k:
k = (6.2.6)
Теперь, когда есть все необходимые данные для вычисления отношения СШ (Z) программа считает его и выдает на экран компьютера:
Z = (b - k) / (k+v) (6.2.7)
Данный метод имеет ряд преимуществ над стандартным способом получения значений СШ:
Возможность за один раз получить значение СШ всей системы в целом;
Пропадает необходимость разбирать прибор для контроля качества его элементов после сборки;
Время измерений уменьшилось с 5 часов до 15 минут;
Заключение
В данном проекте были рассмотрены основные принципы работы круглосуточного визира с цифровой обработкой видеосигнала.
Созданы и описаны 2 принципиально новые методики измерения характеристик ЧКХ и СШ, разработанные специально для данного прибора.
Разработанные программы снизили время снятия характеристик прибора с 15 часов до полутора часов и увеличили точность их определения.
Разработанные в ходе решения поставленных задач методики можно успешно применять и на других аналогичных приборах и устройствах, имеющих в качестве элемента преобразования информации ЭОП или телевизионную камеру.
Список литературы
1. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы.М. "Радио и связь", 1988 г
3. Лактионов В.И. Высокие технологии изготовления систем ночного видения с ЭОП. Тезисы докладов XVЙЙЙ Международной конференции по фотоэлектронике, с.109. Москва, 2004 г.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Основные технические параметры камер видеонаблюдения. Структурная схема цифровой видеокамеры. Регулирующие элементы в камерах. Процессор обработки видеосигнала. Использование пластмассовых труб при выполнении электромонтажных работ и в эксплуатации.
курсовая работа [630,0 K], добавлен 08.07.2015Понятие и назначение цифрового вольтметра, его принципиальная и электрическая схема, основные части и их взаимодействие, принцип работы. Функции генератора шумовых сигналов. Схема и погрешности электронно-счетных частотомеров в режиме измерения частоты.
контрольная работа [93,9 K], добавлен 01.05.2010Назначение и технические характеристики цифрового термометра, его электрическая принципиальная схема. Принцип работы и структурная схема термометра, расчёт составных элементов: стабилизатор тока питания моста, термодатчик, цифровой блок индикации.
курсовая работа [667,5 K], добавлен 13.04.2014Предназначение цифровой фотокамеры, особенности студийных и полевых камер. Принципы работы фотоаппарата и оптической подсистемы. Составляющие экспозиции и светочувствительность прибора. Последовательность съёмки цифровой фотокамерой и сохранения данных.
презентация [722,3 K], добавлен 10.08.2013Изучение основных принципы работы компьютерных мониторов, их описание и основные параметры. Как работает электронно-лучевой монитор, типы экранов и цифровые сигналы. Классификация видеоадаптеров, синхронизация и полярность видеосигнала, блоки развертки.
курсовая работа [9,4 M], добавлен 04.09.2010Принципы построения цифрового телевидения. Стандарт шифрования данных Data Encryption Standard. Анализ методов и международных рекомендаций по сжатию изображений. Энтропийное кодирование видеосигнала по методу Хаффмана. Кодирование звука в стандарте Mpeg.
дипломная работа [2,4 M], добавлен 18.11.2013Взаимосвязь точности измерения координат цели и эффективности применения радиоэлектронной системы. Методы измерения угловых координат. Точность, разрешающая способность радиолокационных систем. Численное моделирование энергетических характеристик антенны.
дипломная работа [6,6 M], добавлен 11.06.2012Анализ цифровых устройств формирования видеоизображения. Основные форматы представления видеосигнала. Цифровое представление телевизионного сигнала. Принципиальный способ решения проблем передачи и записи с высокой степенью помехозащищенности сигнала.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 23.06.2015Понятие топливомеров, их классификация и типы, структура и взаимосвязь компонентов. Методы измерения количества топлива. Виды выходного сигнала. Принцип действия и конструкция поплавкового топливомера. Разработка цифрового показателя уровня топлива.
курсовая работа [662,7 K], добавлен 07.01.2013Особенности архитектуры и принцип работы конвейерных аналого-цифровых преобразователей. Использование цифровой корректировки для устранения избыточности. Схемы КМОП ключа, выборки-хранения, компаратора, умножающего цифро-аналогового преобразователя.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 06.02.2013
