автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Моделирование структуры изображения оптико-электронной системой наблюдения в рассеивающих средах со случайной границей

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

' од

И'":'1 ••.'П'1 На правах рукописи

¡1 VII .

АСТАХОВ Игорь Евгеньевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМОЙ НАБЛЮДЕНИЯ В РАССЕИВАЮЩИХ СРЕДАХ СО СЛУЧАЙНОЙ ГРАНИЦЕЙ

Специальность 05.09.07 - 'светотехника и источники света

Автореферат диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

I и

Работа выполнена на кафедре светотехники Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Будак В.П. ;'

доктор физико-математических наук, профессор Орлов В.М.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Богомолов A.A.

Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова

Защита состоится "/У" НекдЯр'я 1993 г. в- 16 час. 15 кин. в'аудитории P-4Q8 на заседании специализированного совета п 053.16.08 при Иосковскои г-пзрготическон ?ш; гчтуте*, 1056?^. TP Москва, Красноказарменная ул., д.14, Сове? НЭП

С диссертацией моано оанакопитьсл в б«!олкогы.с Иосковск;.го йнгргвтического -института

Автореферат разослан " У6 " MP ft Зря__л9<Л) г.

Ученый секретарь специализированного ^ совета, кандидат технических паук

/-Д.А.Грйгорг?ь

' Актуальность работ». В атмосферной оптике и гидрооптихо широкое распространение получили оптические методы исследований на основе оптико-элентроншх систем (ОЭС), позволяющих формировать и яналидировать оптические изображения едены наблццения. К . достоинстве?.] о тих систем (южно отнести дистанционность, шсспрэссность • и нэконтактность исследований, возможность ■ освещения- сцени наблвдения собственным источником подсветки (ИП), a такао потенциально внеокие значения чувствительности, 1!збзрат9льности и пространственного разрешения.

В отлютэ от ладаров, анализирующих временные параметры охо-спгаала, OSC наблюдения имеет дело с изображением, пространствен-га-угловая структура которого исследуется анализатором изображения (All), под котернм понимают орган зрения человека либо некоторое автоматическое устройство принятия решения.

В последнее врз.'зя особый интерес вызывает применение подобнше систем к найладвни» через случайные границы раздела poocarrssrsns п шжтаяагсгЕЕ ерэд. Такие среди принято называть гутшмх, а за случаíuwa границами раздела отпх сред закрепился термин - сгаггспквскз гарошю покоршэстн (CEJI). В пврпуп очередь езда слада? отаэстц найлвдвшт п система атмосфэра-икеаа, среди Ko'i-opur. пазовом экологический мониторинг к дкетан-ц::сшг^е aacto&ei&Ji пркбреавдх шельфов и морской поверхности, уанкьз oüaspyüoniio кадоразузртш обдоооо (щкггогошше бревна, льданц) к прздупрз"кеьиз аварий при судоходства па роках, а такта ряд ссецзалышх зодчч.

Кроне Torot педобшэ кссдэдозангп могут проводиться в дис-танцкеппэй гэорэсшодко, поскольку цогай ряд пстроченцгася зга Земле голззгсг; кскопастжх емзот ргшуп сыпучую структуру н оптически прозрачен для Езлучеяля некоторое дязз ваш, что позволяет рассматривать кх пак рзссеаваздгэ н пог.чэщтапагэ сродо со случайной границей раздала.

Надостатком таких систем является сильная ' зсвяслмость дальности дойолгл." от.условий каблвдошш вследствие значят&шшх яс-кпгкягЯ пзебртсэшгя за счет поглощения и глогокрпгаого рассоппзя ¡газучошя в рз&яька: средах, а те:е» его полоилогшя »гя г.щ сред, итаг-сгготскЕй zopcKvep еохпошш и кзлкео коррэдацаошой связи 53* zawamext СШ обумгавл вао? исквгпшш в snod-

ггсягг*.. В с"гуац:гт: плкг:з состояния грешзди раздала

кэтсог'Я K306pci"3*r.a окпггзаогся рсягтезри.

В салу технической сложности и дороговизна лещике псг;ахс-ний ОЭС наблюдения через СНП системп атмэсфэрэ-окезн, в иастовдес время особое внимание уделяется теоретическому ксслодовашш закономерностей переноса изображения в таких системах. Математическое моделирование структуры изображения в плоскости анализа ОЭС наблюдения на основе формулировки и решения краевой задачи для уравнения переноса излучения (УПИ) позволяет провоете анализ стопе:лт влияния каждого из компонентов этой структуры на резулътиргщее распределение яркости, оценить качество СЭС, о такте спрзделить набор характеристик оптического канала и параметров ОЭС, обуславливающих оптимальную структуру изображения. Сутцсствухщгс па сегодняшний день фотометрические модели переноса изобргглядя в системе атмосфера-океан, основанные да формулировке и решила «¡аи-вой задачи для обобщенной систеш наблэдзшя, не учитнЕогг драга-вольность диаграммы направленности источника излучения грп подсветке сцены наблюдения, а также возможную корреляции уклонов СйП.

Поэтому является актуальном созданиэ фотометрической; переноса изображения ОЭС наблюдения в мутных средах со случайно.! поверхностью раздела, учитывающей ньрэчисленше Вшьз фзкюр:;, исследование на ее основе осковккх закономерностей фор;-~фогзя11л изображения и создание аффективного расчетного алгоритма пэ моделировании структуры изобрахзшя в плоскости ана^со ОЗС с целью оценки ее качества.

Развитие графических средств и вычислительной мощности персональных компьютеров позволяет вывести процесс моделирования п свинки качества ОЗС на новый урошнь - созденаэ ЕБГокатш.прс-; ^£Еого рабочэго мзета (АРМ) со моделированию переноса к.зо^ра-.-.аная в россеаващих средах со случайной гранзцэА рзделз «¡я г-Дчктгвного инструмента исследователя для нсгользозанак в голо-р,гт п лабораторных условиях одновременно или дополните тало к "ю-хтодуомой системе.

Ш~'.: работа:

1. Создание фотометрической вздели шрэиоса кзоора5и1&л \&С

наблюдения через СЯП раздела кулаг срод прг цровззлльчой диаграмме направленности Ш.

2. Исследование основных закономерностей парашка из оеиопз формулировки и рввення обцей краевой задачи для «кюбуе^о! слстеш наблюдения с учетом огштскшс вф^огагов. у^ггнзз» ¿..мзвнЕеы :.ХЕершостп раздела л cr.sx3S-i2Si.vuoa ¿э.;усгро--.'а?

излучения уклонами СИП.

3. Анализ структуры изображений, сформированных ОЭС наблюдения в различии средах (атмосфера, океан, система атмосфера-океан) с целы) ох^шсп качества и оптимизации параметров ОЭС.

4. Оценка топкости и падэгности алгорцпла моделирования па основе сравнения тоорэтичиских и экспериментальных данных.

■ Основные положепкя, шлюсимгв на защиту:

1. Решзипо спстега краевнх задач, основанное на использовании татода Функций Грина и метода возмущений для одной случайной реализации СШ, представляет собой бесконе.чшй ряд по кратности:,! действия оператора переноса изобракения через ограшчошгаЗ СИП рассокв?.!ха?й слой.

3. С учетом малости обратного рассеяния в слоях и отраген-шго боле о одного раза от СНП излучения структура изобретения опрздзллягся слздущи/Ш кошонвитамз: шлззнш сигналом от объекта, сигналом от подсталащей посзртеоста, бликом от СШ1 и помэхоД обратного рассояшш (ПОР), схледаващвЯсл из "домок" мут-шк слоев. 3 результата сютпстнчосяого уерэднэния по ансамблю рзвдязвщгХ СШ л учзта коррэляНж! уклонов основные когаонадтн структура пзоСрЕЖония шрзкагзтея чврэз оптачзскув передаточную фушщга (0И>) сбой.";2!ШоЛ систем набяодзшш, которая,в свою оче-рэдь, гаргкззтея чорзз (¡ушецш Грина УПИ для точечного диффузного лсточзша (ТД-псточшт) в слоэ,

3. Набор Б КВ^ШСТШ приблиЕэппого мэтода иахоздвния функции Грина УПИ мзлоуглзшЗ юдеЗгжещш мзтода, сферических гармоник (КМСГ), кап общей фэрны малоуглового прзблиташш, пренебрегаодей лишь джшэрйшй путей рассеянных фотонов я обратным рассеянием, позволяет учесть анизотропия рассеяния, стратификацию ОХ среды, угловую расходимость пучков, фор?.шруемах ИП и существенным образом упрощает алгоритм моделирования. Расчетные выражения для ОПФ имеют одинаковую структуру для любой схемы наблюдения и представляют собой сумму двух слагаемых, первое из которых соответствует некоррелированному волнению СНП, а второе учитывает корреляцию уклонов СНП.

4. Интегральными критериями качества, аналитически просто Еырзжащимися через характеристики изображения и отрааагщима своим поведением основные зсперимев ально подтвержденные фязичес-кеэ эффекта ("эффект кальки", кюнотонное улучшение видимости и •Ч-аффэкт"), могут служить вероятности обнаружения тест-обгокта и

опознавания из пары: размытый - наразштнй тест-объект.

5. Сравнение теоретических и экспериментальных данных, получении при наблюдении подводных объектов в ходе испытаний вкткл-ноа ОЭС, показало их хорошее совпадение с погрешностью но боле о 10 процентов относительно варьирования вероятности выживания фотона и индикатрисы рассеяния для широкого диапазона ишгчесыг; толщ (к10) сред с сильно анизотропным рассеянием и истинным поглощением.

Научная новизна:

1. Предложена фотометрическая модель переноса изобрагвшя ОЭС наблюдения через СНП мутных сред при произвольной диеграг направленности ИП.

2. Методика расчете компонентов структуры изобразжнкя основана на статистическом усреднении по ансамблю реализаций выражений, полученных для одной случайной реализации СНП, что позволяет учесть корреляционную связь различных точек поверхности раздела. Показано, что основные компоненты изображения выраааш'сл через среднестатистическую ОГЮ обобщенной систем! няблвдсккя.

3. Проведен анализ структуры изображений конкретных активных и пассивных ОЭС наблюдения в атмосфере, океана п системе а»юс<|£— ра-океан. Исследовано поведение ОПФ в отсутствии в при взлички корреляции уклонов СШ, а также в зависимости от оптических характеристик (ОХ) мутных сред и геометрии схемы наблюдения. Рассмотрены ситуации, при которых необходимо учитывать корреляция уклонов СШ1.

4. Проанализированы существуйте и арздаожовы Е31е зох.:от*•■ интегральные критерии качества для ОЗС наблвдзняп, иеаолгу--'ук,..2 ¿11. Эти критерии выражаются через характеристики пюбржаья ч описывают сеоиы поведением осеэввыэ оптические еффокти, есш^д.-ментально проявлялциэся при наблюдении ь «утка срзд >//.,

Практическая данность работ»'

1. Предложенная фотометрическая модель хвдволпэу ошсиж.-г. основные закономерности переноса гаобрггэния черэп СШ1 ; »л срэд с произвольной диаграммой Ш ОЗС и каделароьагь элоу * компоненты структуры оптического изобрахешш с «шалп • качества систег.м и подбора оптимльзмс тарпхтеркмак ешизригузч',

2. На основе продвоизшсга 'крзгэржз доисгаэ, 5 вероятностный характер ан*даз1» ¡гоойгжезю: о».3, дазнзжно сравнивать ОЗС рзсятзгг т:™о~ ^ртг с ут.. • г: чт:-

а также оценивать предельную дальность действия таких систем и проводить их оптимизацию.

3. ЭДоктиЕзыа расчетный алгоритм, лежащий в основе АРМ по моделировании стутстури изображений, дает возможность использовать его в полевых нот лабораторных условиях одновременно нот" дополнительно к исследуемой ОЭС с обработкой поступающей информации в реальном времени а воспроизведением на мониторе реальных и модельных кзобра:ю;шй объектов.

4. На основе АРМа были оценены предельная дальность действия и качество двух реально существующих активно-импульсных ОЭС, предназначении: для наблюдения из атмосферы за наземным;! сооруэанияш и объектами в приповерхностном слов воды, в чт&л> проведено сравнение экспериментальных и расчетшй дмших, полученных в ходе испытаний ОЭС наблодения подводных обшегоа.

дштрпбагшя работы. Основные результата /ЩСбёртяцйоШЮЙ работы докладывались на XI Пленуме рабочей груши; ito оптшш океана Комиссия по проблемам Карового екеопв в Красшпрскп (19901*.)» на Втором международной шшвро № што'йшшш и Берлине (1990г.) и на конференций "Одтино-элвктршшш метода и сродства в контрольш-измэритэлыюй тшиш" я МрМ: (йзектк 1991г.).

публикации. Основные явужт нолозшшя дасоэртшдаоняоя работа изложены в 5 печатных трудах.

структура диссертация, Дяевер^водошая работа оосюйт гс: введения, трех глав, зяклицщм {в садо- основных выводов т работе) и списка литературы. Содержи? IBS страниц твксга, W рисунков и 2 таблицы на 38 стряншщ, список литература и:: ю страницах из 199 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность и значимость работ!, сформулированы цели и задачи исследования, приведены положения, вшосише на защиту, а также кратко излагается содержание работы.

ГЛАВА 1 . АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Перенос оптического изображения через рассеиващкэ среди со случр'гзд!' границей раздахч

В первом параграфе вводится нонятае обобщенной схемы перекоса оптического изображения через СШ раздела мутных сред для OSO навладения, имепцей произвольные характеристики диаграмм направленности Ш и приемника излучения (ПИ), и преобразующей' оптический сигнал (распределение яркости по объекту в пассивной ОЗС, распределение коэффициента отражения - в активной) к виду, удзЗ-ному для анализа оконечндм званом - Ш. Рассштрэнао преобразований фотометрической яркости в такой системе возлюшю па основз УПИ и с точки зрения ланейно-снсте.маого содхода трзбуо? яхикжп мутных слоев в качестве самостоятельных звеньев в схему наблюдения. В силу сшей линейности УШ

(l,v)L(n,Í)+ e(s)L(E,Í)= Г X(R,1' )i{£,í ,í • )¿i' (i)

J

справедливо для кавдого из слоев и из соображений одазстаошхсстп решения должно бить дополнено до краевой задачи соо-дзотствулцгаы граничными условиями:

I" I = Ф ш , ХМ = тг ъа-ьк

1г1 0 s *lr2t +

ХМ = К.Х'+ТГ Xo: <2) ХМ = "RX0; (3)

'г2- + - J 3'г3 ■ *

где Xs,Xo- яркости светового поля в первом и втором слоях, позванных для определенности атмосферой и океаном; íl - оператор диффузного отражения подстилающей поверхностью; к±, тг± - случайные операторы отражения и преломления СНП в вершил (+) и шштэ (-) т.олусфори соответственно, конкретный вид которше ¡зависит от спи сх5з аналитического онисанпя СШ1; Г - грашща слоен; Ф - .'.¡ощ-

12 3 о

/.¡ость излучения ИЛ с нормированной диагрк/кой ш .

.2. Фотометрические модели оптических характеристик иутанх срр£

Епбор фотсмотрнческой КОДСХ! ОХ мутил ерэл су, ,йС'П.:.)Г образом влеяот на способ описавши переноса изобрашшя сес.гзь.зЛ пяОлвдэнея, поскольку при решеиип УПй /дп кавдого пз слоив олрз-деляет функцию Грина.

Полная шзфордация об ОХ сред при атом заключена вэ вгодщ^и: в УПИ показателях ослабления е(г) :i рассеяния а (г) ГАяучзьзя эффективной неоднородностью среды, вероятности ешевяши '^еюнв Л (г), a таете в нормированной til а (г) ¡эвдакатразс рксе сап х(г;1Д), a состоееиэ иоьармостл >:а c.i;o;?vxoл

амплитудой волнения, законом распределения нормалей к СИП, а такте радиусом корреляции этих нормалей.

Роалыше рассеиваэдие среда типа атмосферного аэрозоля или морской вода обладают сильно выраженой анизотропией рассеяния и истинным поглощением, а также вертикальной стратификацией ОХ, что необходимо учитывать при описании перекоса изображения. Наличие статистической фокусировки излучения вследствие корреляционной связи мевду различиями точками случайной границы приводит к неодинаковому .искаженно различных деталей в изображении и, следовательно, должно учитыватся при моделировании СНП.

На основе последовательного анализа существующих моделей ох мутпнх слоев и СШ с точки зрения их полноты и удобства использования для дальнейшего моделирования были выбраны: модель МакКлатчи-Фена для атгосфзрн, модель О.В.Копелевича для морской воды и метод случайно ориентированных площадок с гауссовым законом распределения нормалей и их ступенчатой корреляцией в пределах некоторой области для описания состояния СНП.

Для удобства расчетов реальные индикатрисы рассеяния аппроксимировались линейной комбинацией (до пяти) из индикатрис Хеньи-Гринстейна.

1.3. Малоугловне методы решения уравнения переноса.

Малоугловые методы решения УПИ наиболее пригодны для сред с анизотропны;,! рассеянием и для ИП, формирующих пространственно ограниченна пучки.

Малоугловое приближение (МУП) основано на предположении об угловой анизотропии тела яркости и пренебрегает обратным рассеянием и дисперсией путей рассеянных фотонов.

Основные формы МУП (с преобразованием интегрального оператора в дифференциальный или с преобразованием в Фурье-спектр) эквивалентны друг другу и выбор той или иной' определяется соображениями удобства. В настоящей работе для приближенного наховдения функции Грана УПИ для ТД-источника в рассеивающем слое была выбрана разработанная В.П.Будаком малоугловая модификация метода сферических гармоник (ИМСГ), полностью сохранявшая все особенности точного решения в первых трех критностях рассеяния, позволяющая получать удобные для практических расчетоз выражения для бесконечного и пространственно-ограниченного пучков, и устанавливаю-

- га

щая простои связь мевд основными формами Ш"П на основа оданого подхода.

Метод ММСГ неоднократно тестировался и демонстрирует хорошее совпадение с экспериментом и результатами по методам Монте-Карло, методу характеристик, а также традиционному мэтоду сферических гармоник. ММСГ обладает хорошей точностью как для малых ( а<1О ), так и для значительных ( к50 ) оптических толщ при нормальном и наклонном падении излучения на границу раздела .

! .4. Основные модели переноса изображения чораз статистически неровные границы рассеиващих сред

Современная феноменологическая теория переноса изображения через СНП мутных сред опирается на работы Ю.-А.Р.Мулламаа, Л.С. Долина , В.Л.Вебера и А.Г.Лучинина и позволяет учесть случайный характер волнения границы раздела и статистическую фокусировку пучков за счет корреляции уклонов СШ. Расчетные выражения получаются, как правило, для бесконечно-широкого Щ и основана иа последовательном решении УШ независим для каждого слоя по коду распространения излучения с последуищзм учетом трансформации излучения на СНП. При этом пренебрегается взаимодействием слоев вследствие многократных переотракзний и преломлений на границе. следовательно, достаточно трудно указать граница применимости и точность получаемых выражений, поскольку не оценивается порядок „.злости упомянутых аффектов,

В работах А.А.Иолтуховского используется другой подход к -•■тьй проблеме, основанный на форглулировка и решении краетгсй ¿чдачи для системы атмосфера-океан при освощетаи бзсксагачдо-""п.эггам ИП. Однако использованноэ автором усродаоЕ~о по закон}: 1сярздел8шя нормалей к СШ непосредственно в граньгаогг услошс , < дозволяет учесть корреляцию уклонов СНП, посео.--ьду :: пэ^льтате проводится не двух-, а одноточечноэ усрсдшшм.

Ыз оспованш сравнительного анализе различных шдалТ'З в атом •чраграфэ делается вывод о преимуществах второго Подходя и цстэ-«сюбразности учета в нем угловой структура ИП и корреляции уклонов СНП, поскольку его применение дает возможность получать суц-нзряий сигнал на входе Ш в вида бесконечного ряда по возмущоыыг.; некоторого малого параыэтра (например, со г.рзткостшл рзссит'.л цс '.гЩ. Кккдай член ряда имеет ясный $йзпчесютй смасл, т:о гсс?>-

ляе1? болев обоснованно его обривать для получения расчетных варэ-тезкй.

1.5. Виводц по первой главе В этом параграфе делаются выводи по первой главе.

ГЛАВА 2. ПЕРЕНОС ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОИШ СИСТЕМОЙ НАБЛЮДЕНИЯ В РАССЕИВАВШИ СРЕДЕ СО СЛУЧАЙНОЙ ГРАНИЦЕЙ РАЗДЕЛА

2.1. Сруктура оптического изображения, сформированного оптико-электронной системой наблюдения при переносе через рассеивающий слой

Основные характеристики структура оптического изображо!~-1л рассматриваются на примере переноса через однородный слой муткоЧ среды при произвольных углоЕых характеристиках диаграмм направленности ИП и ПИ. Формулируется основная краевая задача с нели-нэйннми относительно коэффициента отражения грашгшнмя услов;[П".м для обобщенной системы наблюдения. Аналогично предложенному К,В. Ышшным и В. М. Орловым для бесконечно-протяженного ИП методу линеаризации нижнего граничного условия осуществляется декогашиц'-л краевой задачи на систему простейших.

Обобщение этого метода на случай облучили слоя Ш с произвольно® диаграммой и пренебрежение нелинейными членами ря^а в сч-,*у in г'я тоста позволяет подучить сявдащрп сгрук-уру ■гзоСрыэ.. > ПОР, полезный- спиюл и спгазл от фона, врачом вчрюдаяяя лля лого из компонентов совпадает с известными ,и№Ъ"мкзяогтяс:г'* тзсрпл вгрзноса. Тем сшиа более строго обоегюпшаотся прЕг»'*'-пость ста* внрахсяиН в различных задачах п«дрооатша л аагос-рр-пой оатяки, а также создается основа дяя оцеаш кжистн им» ;*т па oenoso ецэтеи отбрасываемых членов ряда.

2.2. Струтстуря гтзобряжяпия, сформированного слтаю-слоктрспп-';".-' спстсмой наблюдения через совокупность раесштпэщих ород о 'случ^Пиой гршшцоП роздал

Щс'лставзз JV-X'+D", nojj-n:;-! из (2),i3) i..:,c •

из пяти взаимосвязанных краевых задач для ПОР атмосферы D' и океана D0, яркости в атмосфере I», а такта восходящей I ш нисходящей Ij. яркостей в океане, причем одио из граничных услозий в каждой краевой задаче будет нулевым.

Эту систему краевых задач будем решать мэтодом -функций Грина. Значком "в" обозначим операции свертки по пространству е углу. Считая возмущения, вносимые СИП ыалажг, и используя метод возмущений, получим выражение для Ъ> в виде ряда Неймана

ю

L' = S <i»®ir Ф)п(1+1дак, )i'sm (4)

о ■ о у Р+ S ' .

со

где 1"= 2 1а - функция Грина УШ для ТД-источника в

атмосфере, <о - оператор переноса в система атмосфера-океан, выражающийся через функцию Грина УПИ для ТД-источника в океане.

Ряд (4) позволяет получать к анализировать вклад отдельных составлявших в распределение рззультирувдой яркости. В силу малости обратного рассеяния в атмосфере и океане и отраженного более одного раза от СНГ! излучения достаточно ограничиться в ряде

(4) четцремя членами, что дает следующую структуру распределения яркости в изображении: I,°=De+D°+B+S, где

Ds=® i«6u) , D°=$ I'sf i°eir. 1*еи ,

os о - + s

В =Ф l'«R,l'®i) , S =Ф 1«®тг 1°®R1°®T ,l»su ;

о +■ s 0 - + s

причем через В и S обозначены блик от СНП и полезный сигнал соответственно. Заытам, что основные компонента стуктуры изображения

(5) шлучоны для случайной реализации СНП и графически показаны на рис.1.

2.3. Полезный сигнал при переносе'изображения через статистически неровную поверхность раздела рассеивающих сред

Статистическое усреднение по ансамблю раа-шдзаций СНП проводится в соответствии с выбранной моделью СНП. Считая закон -овдастного распределения нормалей в двух произвольных точках СНП гауссовым, ножао выразить среднестатистическую реакцию ПИ на полезный сигнал через ОПФ обобщенной системы наблюдения, которая, в свою очередь, строится на основе оператора переноса изображения чораз ограниченный СНП слой океана и выражается через функцию

«

tz о

Рис.1. Структура оптического сигнала

О15 - "дымка" атмосферы, D - Олнк от СЧП ; Dn ~ "дым'гп" гтимня", S — 1юлезнн1 сигчпл

Оптичгскпя тетина г =2

1.2

1.1

0.2

0.В

— ,гГ

г 1

---------

V

__ 3

10

о госта едсо оооо вооо

Частота,

1'ис.2. Влияние ксосолтпп • уклонов Ш1 на НП';-

-----V - ?, =0 ; г - -> =0 ' ь,

з - г, -о з 5--О.П, г -I -

Осл.-гГл^ммо т; лес 1 Г:-0 ' 1.С0|— -V——

""41

0.7'

О.М

0.(5'

-J-

IV.

Пмрогтнче опоя, (чм)

З.о :о.'5 1.'о

'.'rwi / wrn. рази р оЗк 5-1

не. Ч. Зависимость критерия от полг,г;зн!т мутного слои:

— л «етр -d м; 2 - 'j V м , ? -

?еорсгическиГ< ,-«;>:• ь j

арности в и;'обр<)лг>'!',!1

Грина УШ для ТД-источника в океана.

Поскольку все формы МУП эквивалентны друг другу, для нахождения функции Грина УПИ для ТД-источника в о.'гззнз используется малоугловая модификация метода сферических гармоник.

2.4. Помеха обратного рассеяния, сигнал от фона и блик от статистически неровной поверхности

МУЛ дает значительную погрешность при учете рассеяния излучения на болыяие углы (больше 60°), поэтому при расчете ПОР в МУП используется уточняющая процедура на основе метода возмущений с учетом малости обратного рассеяния. Обратное рассеяние моего считать практически изотропным, особенно в случае малой оптической базы ОЭС наблюдения, что позволяет рассматривать каздый олэмоя-тарный слой среды как диффузный отражатель с коэффициентом отражения га(180°)/41С. В результате несложных преобразований среднестатистическая реакция ПИ на ПОР также выражается через ОПФ системы наблюдения.

Расчет сигнала от фона аналогичен расчету полззиого сягныи от объекта, и, следовательно, выражается через 0Г№.

Среднестатистический сигнал ПИ от блика СИП при малой оптической базе между ИП и ПИ и при прозрачной атмосфере пропорционален коэффициенту отражения Френеля от плоскости, ориентированной в направлении зеркального отражения излучения Ш на ПИ, и вероятности ориентации элементарных площадок СНП ь ачом направлении.

2.5. Оптическая передаточная функция оиткко-электрошой системы ирг различных схвках наблюдения.

Поскольку основные компоненты структуры изображения вира-... даются через среднестатистическую ОПФ системы наблюдения, расчетные выражения для ОПФ будут определять эффективность алгоритма * • моделирования.

Допуская, что прозрачность атмосферы много вшпэ окэаиа и оптическая база ОЭС (т.е. расстояние мевду источником и приемником излучения) мала, а тага» аппроксимируя диаграмм ИП и Пй гауссокдвмн в предположении ступенчатой зависимости для каэМшда-(л'лъ корреляции уклонов СНП, а именно

Г 1. Дг < р ,

Г(Аг) = { 0 (6)

I О, Дг > ро,

где Лг - расстояние кэгду двумя произвольным:! точками СНП, р -линейный радиус корреляции уклонов, несложно получить расчетные выражения среднестатистической ОПФ ОЭС наблюдения типа двукратного интеграла для каждой из трох возможных схем наблюдения: диаграмма ИП » ПИ (№), диаграмма ИП « ПИ (.¥2), а также ИП и ПИ (Ю). Вследстзие обратимости оптической схемы выражения для и Я2 симметричны относительно перестановки Ш -V ПИ.

Выражения для ОПФ ио своей структуре аналогичны. Первое слагаемое образовано произведением яерэдоточшх функций мутного слоя, волнения и спектра ИП и не учитывает корреляции тгзлучеюш на СНП. Второе зависит от эффективного радиуса коррэллции йолюзшя р^ и учитывает статистическув фокусировку :"злуташш коррелированная уклонами СНП.

3.6. Вывода по второй гласе Приводятся вывода но второй главе.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ИЗОБРАЖЕШШ, СФОРМИРОВАННОГО ОХ НАБЛВДЕНШ В РАССШДЩИХ СРЕДАХ СО СЛУЧАЙНОЙ ГРАНИЦЕЙ РАЗЛИЛ

0.1. Шдалзрсшняэ €Е?:.~:осзсЛ пэрода?э'г»а ;'-/»дгд оптико-алэктроаюЛ система

В атом параграф анализируются результата модолыаа рпстато? О® сзстзмы наблюдения для различных ОХ среда, гэомз-грл"! наблддо--'¡зл и состояния СНП, а тагскэ дается из физачосия ;гтгерирогьция= Особое внаиашэ уделяется исследованию повэдондя 0Я-]> црл пгличш и отсутствии корреляции уклонов, при изменения дисперсия волнение и далзтшш воздушного промежутка. Отмечены оф|чхтн немонотонного пзгсшзшш ОПФ с ростом радиуса корреляции (рлс.2>. усиления юя-шсхл солззпсго сигнала до двух раз но сратопто со ся?чгои гв-коррздзроваапой СШ, улзгчшоияя СШ в обласга т-жх. простриг" зешглс честсг с' росчоч Еоздуспэго еезора. Рвскштраваьтся сгйуе-на. когдп ксррэяялпз уктопсо СШ яэобяэдз» учпкдаь.

3.2. Оценка качества оптико-электронной системы наблюдения

Качество ОЭС наблюдения в мутной среде, исподьзуш^а в качестве оконечного звена АИ, оценивается на основе саеяпза структуры сформированных в плоскости анализа ОЭС ' оптических изобраггоний тест-объектов. При анализа изображения с помощью ЛИ желательно для мэры качества ОЭС шзть один штогральный критерий в виде числа от 0 до 1, аналитически просто выражакцийся черзз характеристики изображения к отражающий своим повздедаем основкыз физические аффекты, эспериментально проявляющиеся при наблюдении в рассеивающих средах и ноддаюдося аналитическому описании.

Исследуются некоторые из возможных интогралышх критеркзв качества ОЭС, представляющие собой юролгяоскг обнаружения PoS тест-объекта и опознавания из пер« Род простейших госттобгоктоз не случайном, едщтшш.:, а&^шщ'нул фона при условии, что ¿11 является оптимальным лтоШш фильтром, работающим на щтшиу идеального наблюдателя в шшшнрущш при пршштшг" решения вероятность полная оиябкк (оуту безусловных вдроягдаотей пропуска сигнала и жшш трагаг). Яеказшштся, что Гея т сяшсясаог шссшржштали» даддардашый &2фмя? таошжишю вепзшта форма объоктй яри дашзгш слоя шсшошоэ мутности к вяйвдателв

Б качества яркшра шюро шзшгяэто кратера! проддагаавдя Pert=l-J'cS т Реб (азл пвщтттъ вбварушвш. различии мв'ту: ¡южтм в идйвдышм теот-объоюш. Ш основе введенных критериев 1'0П, Рвй еденшеетоя качевтш рэеяыюЗ Q3G, дредвазнэ-чепвй для яабадешя даяей в рдешх взрмзщэшя да»вой или пылевой вавдеы шз:ду обшиом и набадшлем. При движение слоя по-идаеююа мугвостз от объекта к ве&вдате.® в зависимости от углового размера объекта пеЗвдавтея "еррект кальки", немонотонное кскаашшю формы объекта (t-аффек?) и монотонный рост вероятности опознавания. На рио.Э показано изменение с увеличением расстояния 1} мозду адоом и объектом параметра Pon(b)/Pon(h=0>. По обнаружению всегда иабдюдеотся "вфракт кальки".

3.3. Автоматизированное рабочее место по моделированию переноса изобрвнения оптико-влектронной системой наблюдения

В данном параграфе описываются функциональнее возможности

АРМо но шделирозашт переноса изображения в акишяо-шщульешх и пассивных ОЭС наблюдения черэз совокупность мутшпе сред с уютеч СШ раздала как удобного инструмента исследователя, сочетало го гибкий пользовательский интерфейс с аффективным расчетным злго-ритмом, что даэт возможность быстрого интерактивного получен;;.; результатов в виде графиков, таблиц или изображений.

Отмечается, что АРМ позволяет воспроизводить тест-объекта нп экране монитора в .16 градациях серого цвета, и, следовательно, может бить использован наблюдателем как видео-контрольное устройство при проведении натурных испытаний для сравнения реальных и модельных объектов.

3.4. Моделирование структуры изображения, сфор^ировагаого оптико-электронной системой при наблюдении в различных средах

Последовательно рассматриваются результата моделирования работа двух реальных ОЭС для наблюдения наземных объектов из атмосфер! -и объектов в приповерхностном слое вода, анализг.руе^^т структура формируемых изображений тест-объектов, оценивается ч о сизо и предельная дальность действия ОЭС в зависимости от метеоусловий.

Проводится сравнение теоретических и зкепэрнмеаталылм дп-пнх, полученных при наблюдении подводных объектов с испочь-1 обилием реальной ОЭС. Теоретические и экспериментальные профиля ря<> прэделения яркости в изображении показали хорошее совоэдзшхе г: иогропсотья ПЭ СОЯВв 103 с" 'юситоды'у ВЭрмТРЯ pofo-itho'! п ■ дадегпл Хотела и падякятрлен рассеяния (рс.4).

3.5. Енюдч по третьей глава

13 степ napaipafo рассмотрены выводи по третье.! глозо.

ЗДКЛВЧШРЕ

Эгжяггсошго деется в вздв оепошги вкяо.тч по psa^n:

1. ¿^лаз шредася гзобрпотпил з ОЭС несоленая чероч ог>*" купзоеть лягав мутиоЗ ерзди, рагделзлних СШ, '-.лодптся к рпм» г" Бплл:"осг.'жгшоа стетега гфаошх: задач, ссстоzmZ jn» Ж1 -дяя доп> тп сдсзз п гршмягос услопиЯ, учипшатдюс лрвляадо.'пэ т -

рвжение излучения на СНП. Решение полученной системы основано на использовании метода функций Грина и метода возмущений дня одной случайной реализации СШ и представляет собой бесконечный рад но кратностям действия оператора переноса изображения черограниченный СШ рассеивающий слой.

2. С учетом малости обратного рассэяшя в слоях и отраженного более одного раза от СНП излучений структура изображения определяется следующем компонента:®: пояошшм сигналом от объекте, сигналом от фона, бликом от СШ и ПОР, сгладоваэдойея из дагс:: кавдого из мугаих слоев. В результате статистического усреднении по ансамблю реализаций СНП в соответствии с гауссовым законом ц учета корреляции уклонов полезный сигнал, сигнал от фона к ПОР выражаются через ОПФ обобщенной. системы иаблидэшая, которая, ы свою очередь, вирагаэтея через функции Грннз для ТД-асточниха о слое. Статистический характер волнения, влияние, корреляции и многократной рассеянаэ в мутном слое полностью учитываются в 0П£, а выражения для каждого комхюкента изображения по структура совпадаю1;' с изЕвсташа из {«нокэкодогичвекой морж: переноса.

3. Выбор в качестве приближенного катода иёко.::;дошхя функция Грина УШ1 маиоугловой модификация катода сферияескчх г&ргэше, как обвдй Форш малоугловог-о приблшлнш!, пренебрегала лишь дисперсией путей рассеянны фасонов и обратным рассекшем, позволяет учесть шшзэгропш) рзссояшю, стратвЯакацшэ ОХ среда, пространственное ограничение пучков в ИП СЭС и существоыыж образом упровдзт алгоритм дадавпрованкя. Рассчетныэ вкрагедия для ОПФ шгавт одинаковую структуру для лэЗой схекн нзОлпяек^ и ародстазлшг собой сумму двух слогаоют, первое из которых учг-яшеэт вэкорро^шрованкоо волнение СНП. о второе - корреляция уклонов С1Ш. Волнчжиа второго слагаемого зависит о1? соэтношенЕл «заду радиусом коррэляцаи уклонов, деспэрсивй волнзнея и углокы ползи грошл систем и и шкогорах сатуацзлг ?.:огзт приодеть к улршэихз разрэезшш <шисисды13 крушез: клаязй в цаобрзавшш к к уешвшш коаугосш. регистрируемого Ш1 сигнала та-сравш&э со случаем нзбладошхя чорэз иэкорролировастув СШ, прцчеи к-оаф1л-циект уашгоюш сигнала всегда кзньша 2,

4. РОСУ ДИОПОрМШ ВОЛПЭЕНЯ ВСОГДЗ ср-чьод^г К "зарЗБЗШЭ" ш •

сокзг прэсгршстаашш частот в срожэситисичвскоЕ 0Щ> и ухуд-вошю разрокоЕпя надхше деталоЕ в Езобрьяшак Пра агок с большой скшэнз унудеипнв щяяшигтеа в сгпяо рессоквапеп: ерздгт со

слабо выраженной анизотропией рассеяния, а также для широких диаграмм направленности Ш и Щ. С ростом воздушного промежутка мезду ОЭС и мутным слоем происходит улучшение ОПФ в области высоких частот и, следовательно, улучшение видимости. Для каждого конкретного набора ОХ и параметров схемы наблюдения существует высота, начиная с которой улучшения изображения не происходит. Чем сильнее анизотропия рассеяния в среде, тем эта высота больше. Рост линейного радиуса корреляции уклонов СНП приводит сначала к улучшении ОПФ в области малых и средних пространственных частот, а затем к постепенному ее возвращению в некоррелированное состояние. В силу немонотонного характера изменения ОПФ для каждой ОЭС существует оптимальная высота положения и толщина мутного слоя, обеспечивающие наилучше условия наблюдения через коррелированную СНП. Различия мояду коррелированной и некоррелированной ОПФ уменьшаются с ростом дисперсии волнения, поглощения в слое, а также в средах со слабо анизотропным рассеянием.

б. Интегральными критериями качества, аналитически просто выражающимися через характеристики изображения и отражают?.-ч своим поведением основные физические эффекты, зспериментм;.¡/о проявляющиеся при наблюдении в мутных средах, служат вероятное,- г обнаружения тест-объекта и опознавания из пары: размытый - пег ~ мытый тест-объект. Моделирование структуры изобратания ОЭС ¡к: • дэния наземных объектов из атмосферы показало, что при перз.-н;, паи слоя поеишвныой мутности от объекта к наблюдателю но вахта к ззбжш.гссгд от углового рззмэрп об-^р.тэ ногут гтл^.т'-ч ■ • "в Мок? калька", »»нош'гонкыД реет герг..-пх->-.гл о.:-->иа..чс.1 л »• шсмрогдзлъцсэ лзмавешю Ь-а'йЕ охт), «.тда яо оЛтр., -.о-'. -/.п неблэдезтея "о йект кэлыси".

6. Срошюпяо тсоротичоских и акспврш.1йнгаль>':с; . ■

чотшк при наблгщоЕии подводанх объектоа в годэ исша'«31Ыл г к- . по! ОЭС набяздэппя показало их хорошее юбпх.ого«; с погос ' ло более 10 процентов отдасихольно вврьпроьтш ст-бою о) ■ 1 кого руссея!пгя и индикатрисы рассоттэд срп;^. '^'¡;ст!>',п-( ■ ■ '¡СрУЧ 1ГОР«'РОВ8Н!10ГО Профиля ЯРКОСТИ К ВТИМ ХПрЭКТрРСПШ 1 '-трзбуот ¡и «ччтимюго ИйМдрбшга прк прелодзяа: пгзтутчз"' т.г. ).гяй.

Основное содержание диссертации изложенно в следующих работах:

1. Астахов U.E..Будак В.П..Голод Д.И. Развитие метода сферических гармоник на случай переноса через границу раздела случайной формы // И Пленум рабочей группы по оптике ' океана Комиссии по проблемам Мирового океана АН СССР. Оптика моря и атмосферы: Тез. докл. 4.2. - Красноярск. 1990.- С.4-5.

2. Астахов И.Е., Будак В.П., Голод Д.И., Ларионов С.А. Метод улучшения качества изображения при наблидении через границу раздела случайной формы // XI Пленум рабочей группы по оптике океана Комиссии по проблемам Мирового океана АН СССР. Оптика моря и атмосферы: Тез. докл. 4.2. - Красноярск. 1990,- С.6-7.

3. Астахов И.Е., Будак В.П. Оптическая локация через случайно-неровную границу раздела двух рассеивающих и гоглощащих сред // Второй международный семинар по светотехнике: Тез. докл. - Берлин. 1930.- ТЗЭЛ-2.

4. Астахов И.Е.,Будак В.П..Лисицин Д.В. Основные краевые задачи для переноса поляризационного контраста с учетом волнения границы раздела // Новые информационные и электронные технологии в народном хозяйстве и образовании: Тез. докл. Юбилейной науч.-техн. конф. МЭИ 10-12 дек. 1990г.- М.: 1990. С.54.

5. Астахов И.Е.,Будак В.П.,Лисицин Д.В. Основные краевые задачи переноса изображения в активной оптико-электронной системе наблюдения через . случайно-неровную поверхность раздела. // Оптика атмосферы и океана. - 1992. Т.5. Jf6.- С.843-851.

iUbV-m-jiui ь шчаги Л— Hl, л

"<" «125 т«Р,ж № Mi

Типография МЭИ, Крагшжаырыгинш, 13.