Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

ІВАЩУК Богдан Миколайович

УДК 621.384.3

МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ РОЗДІЛЬНОЇ ЗДАТНОСТІ ІНФРАЧЕРВОНИХ

СИСТЕМ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ ЗЕМЛІ В УМОВАХ ЛЬОТНИХ ВИПРОБУВАНЬ ПО ПАСИВНОМУ ТЕСТ - ОБ’ЄКТУ

05.07.12 – дистанційні аерокосмічні дослідження

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському університеті Повітряних Сил імені Івана Кожедуба.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Чорний Сергій В’ячеславович, Харківський національний університет радіоелектроніки, провідний науковий співробітник кафедри телекомунікаційних систем.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Купченко Леонід Федорович, Харківський університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, професор кафедри радіоелектроніки;

кандидат технічних наук, доцент Андрєєв Сергій Михайлович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, доцент кафедри виробництва радіоелектронних систем літальних апаратів.

Провідна установа:

ВАТ „АТ Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань” Національного космічного агентства України, м. Харків.

Захист відбудеться „ 14 ” червня 2007 р. о 13:30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.07 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий „ 3 ” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лукін В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дистанційне зондування Землі (ДЗЗ) забезпечує унікальні можливості оперативного збору даних у глобальному масштабі з високим просторовим, спектральним і часовим розділенням, що визначає великі інформаційні можливості аерокосмічних систем, перспективи їх господарського, наукового та військового застосування. Якість дослідження характеристик земної поверхні та об’єктів, які на ній знаходяться, за результатами дистанційного зондування Землі може бути досягнута лише системами, які пройшли відповідні випробування.

У даний час, як ефективний засіб дистанційного зондування Землі широко застосовуються інфрачервоні системи (ІЧ) спостереження.

Основними державними структурами, які застосовують ІЧ системи дистанційного зондування Землі авіаційного базування у даний час в Україні є:

- авіаційні підрозділи Міністерства Надзвичайних Ситуацій (МНС);

- авіаційні підрозділи Державної Прикордонної Служби України (ДПСУ);

- підрозділи Повітряних Сил (ПС) Збройних Сил України (ЗСУ).

Особливої уваги заслуговує міжнародна верифікаційна діяльність підрозділів ЗСУ у рамках міжнародного Договору з відкритого неба (ДВН). Реалізація ДВН полягає зокрема у застосуванні ІЧ систем повітряного базування для контролю військових об’єктів суміжних держав.

На етапі використання ІЧ систем виникає ряд специфічних завдань. Це:

розробка методів оцінки та перевірки тактико-технічних характеристик апаратури спостереження шляхом льотних випробувань при виконанні демонстраційних польотів для підтвердження можливостей використання її у ході конкретних місій спостереження;

створення вимірювальних полігонів з інфрачервоними мірами;

обґрунтування характеристик наземного обладнання для вимірювання характеристик інфрачервоних мір під час сертифікації та демонстраційних польотів.

На цей час вказані питання для України залишаються відкритими.

Отже, державні інтереси України вимагають світового рівня обґрунтованості від вітчизняних методів та засобів визначення характеристик ІЧ систем зондування. Це дасть змогу:

– оцінювати працездатність ІЧ систем зондування на міжнародному рівні, що сприяє їх ефективному використанню у рамках ДВН та при вирішені завдань охорони державного кордону;

– перевіряти тактико–технічні характеристики ІЧ систем, які використовуються для дистанційного зондування поверхні Землі, а також для ПС ЗСУ, МНС і ДПСУ після виконання регламентних та ремонтних робіт;

– проводити державні випробування при введені нових ІЧ систем та модернізації старих зразків до експлуатації;

– перевіряти характеристики ІЧ систем літаків спостереження, які прибувають для виконання польотів спостереження над територією України згідно ДВН;

– підготувати до сертифікації літак повітряного спостереження II етапу дії ДВН АН 74 ТК – 300;

– викривати порушників державного кордону, особливо вночі та під час контролю морських акваторій.

Таким чином, розробка методу визначення роздільної здатності (РЗ) інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі в умовах льотних випробувань по пасивному тест – об’єкту та обґрунтування тактико – технічних вимог до інфрачервоного вимірювального полігону є актуальною науковою задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Задачі, які виконані автором в даній роботі, відповідають науковим напрямам кафедри аерокосмічної розвідки та комплексів авіаційного обладнання факультету (авіаційного) Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, а також пов’язані з тематикою та планами науково-дослідних робіт, що виконуються у Харківському університеті Повітряних Сил в інтересах кількісної оцінки інфрачервоних систем повітряного зондування. Вони висвітлені і реалізовані в науково – дослідних роботах “Контраст” № 0101U000447 “Розробка методики розрахунку висоти застосування інфрачервоних систем спостереження”, (2005 р.) та “Перепел” № 0101U000448 “Методика визначення тактико – технічних характеристик інфрачервоних систем повітряної розвідки”, (2005 р.).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування застосування пасивних тест – об’єктів в умовах льотних випробувань інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі для визначення роздільної здатності, наукове обґрунтування тактико–технічних вимог до інфрачервоного вимірювального полігону.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено наступний ряд науково–технічних задач:

досліджено характеристики пасивних інфрачервоних тест–об’єктів (мір);

розроблено метод оцінки найвищого теплового контрасту пасивного інфрачервоного тест–об’єкту (міри);

досліджено прилади для вимірювання параметрів інфрачервоних мір на полігоні;

розроблено метод розрахунку коефіцієнта пропускання атмосфери в інфрачервоному діапазоні (8-14 мкм) електромагнітного випромінювання;

розроблено метод визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі в умовах льотних випробувань по пасивному тест – об’єкту.

Об'єктом дослідження: процеси та методи отримання і обробки інформації в інфрачервоних системах дистанційного зондування Землі повітряного базування.

Предметом дослідження: способи визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі повітряного базування.

Методи дослідження. При розробці методу оцінки найвищого теплового контрасту пасивного інфрачервоного тест–об’єкту та методу визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі в умовах льотних випробувань по пасивному тест – об’єкту, застосовувались методи теорії ймовірності, оптимізації, математичні методи розв’язання систем нелінійних алгебраїчних рівнянь.

Наукова новизна одержаних результатів:

Вперше одержано:

метод оцінки найвищого теплового контрасту пасивного інфрачервоного тест–об’єкту, який відрізняється урахуванням складових навколишнього середовища (пора року, час доби, температуру, місце) та дозволяє здійснювати прогноз досяжного контрасту в реальних умовах застосування і формувати вимоги до географічного розташування полігону та часу проведення випробувань.

Дістало подальший розвиток:

метод визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі в умовах льотних випробувань по пасивному тест – об’єкту, який дає змогу визначати роздільну здатність із застосуванням лише однієї групи смуг;

метод розрахунку коефіцієнта пропускання атмосфери в інфрачервоному діапазоні, який відрізняється використанням наземних відбиваючих поверхонь з низькою радіаційною температурою, яка формується шляхом відбивання стратосферного теплового потоку в діапазоні 8-14 мкм.

Отримані методи є результатом теоретичних і експериментальних досліджень (вимірювання на поверхні Землі) автора.

Практичне значення одержаних результатів: Запропонований метод визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі в умовах льотних випробувань по пасивному тест – об’єкту може бути використаний для:

державних випробуваннях при прийняті ІЧ апаратури в експлуатацію;

проведення випробувань ІЧ систем з метою перевірки технічного стану щодо придатності до виконання поставлених завдань;

перевірки ІЧ апаратури літаків спостереження іноземних держав у ході демонстраційного польоту над територією України і підготовки до сертифікації літака АН 74 ТК – 300 в рамках Договору з відкритого неба.

Результати дисертаційної роботи реалізовані у в/ч А 2280 “Методика військових випробувань ІЧ систем повітряної розвідки, пропозиції та наукове обґрунтування створення інфрачервоного вимірювального полігону”. Акт реалізації від 17 березня 2005 року.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові матеріали, які виносяться на захист, отримані автором особисто. В роботах (також, які написані в співавторстві) особистий внесок автора полягає в наступному:—

[1] проведений аналіз інфрачервоних мір, які використовуються для визначення роздільної здатності;—

[2] проведений аналіз інфрачервоного вимірювального обладнання з метою використання його на вимірювальному полігоні;—

[3] досліджено особливості нагріву пасивних інфрачервоних мір при визначенні роздільної здатності інфрачервоної апаратури повітряного дистанційного зондування Землі;—

[4] досліджено інфрачервоне вимірювальне обладнання при вимірювані радіаційної температури інфрачервоних мір;—

[5, 6, 7] запропоновано метод визначення роздільної здатності в умовах льотних випробувань інфрачервоних систем повітряного дистанційного зондування Землі;—

[8, 9] запропоновано метод оцінки теплового контрасту пасивної інфрачервоної міри в залежності від параметрів навколишнього середовища;—

[9, 10] запропоновано метод розрахунку коефіцієнта пропускання атмосфери в інфрачервоному діапазоні.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались та обговорювались на:

I–й науково-технічній конференції Харківського університету Повітряних Сил, 16, 17 лютого 2005 року [4];

нараді міжнародної робочої групи по апаратурі спостереження – IWGS (Informal Working Group Sensors), – Відень, Австрія 7 листопада 2005 [9].

II–й науково-технічній конференції Харківського університету Повітряних Сил, 15, 16 лютого 2006 року [6];

XV–й науково-технічній конференції Житомирського військового інституту радіоелектроніки імені С.П. Корольова, 20, 21 квітня 2006 року [7];

на семінарах ад'юнктів і молодих вчених Харківського інституту Військово-Повітряних Сил імені Івана Кожедуба та Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба (2003 – 2006 рр.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 6 наукових статтях у фахових виданнях ВАК України в збірниках наукових праць, 4 тезах доповідей та 2 звітах з науково – дослідних робіт.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновку та додатків. Повний обсяг дисертації – 183 сторінки: у тому числі 36 рисунків на дев’яти окремих сторінках, 6 таблиць на п’яти окремих сторінках, список з 117 використаних літературних джерел на дванадцяти сторінках, 4 додатки на тридцять одній сторінці.

ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ до дисертаційної роботи містить такі положення: актуальність теми; зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами; мету і задачі дослідження; наукову новизну одержаних результатів; обґрунтованість і достовірність наукових положень; практичне значення одержаних результатів; особистий внесок здобувача; інформацію про апробації та публікації.

У першому розділі розглянуто особливості застосування засобів інфрачервоного дистанційного зондування Землі та визначено, що у сучасних умовах роль повітряного спостереження, як важливого виду інформаційного забезпечення ЗСУ, МНС, ДПСУ, сільського господарства та органів державного управління значно зростає.

Активну роль у виявлені та знешкодженні надзвичайних ситуацій (НС) відіграє авіація МНС, яка дозволяє проводити моніторинг поверхні Землі різними засобами спостереження. Для повного виявлення та оцінки НС доцільно використовувати комплексне спостереження, а саме оптичні, інфрачервоні, радіолокаційні та радіаційні засоби. Це дасть змогу при обробці результатів спостереження мати повну картину НС в даній місцевості, що в подальшому допоможе швидко та правильно діяти щодо ліквідації чи допомоги.

Актуальною задачею є використання ІЧ систем повітряного спостереження для моніторингу навколишнього середовища. Результати ІЧ спостереження дають додаткові результати, які не можуть виявити оптичні системи. Важливу роль при цьому відіграє перевірка технічних характеристик інфрачервоних систем перед виконанням завдання. На теперішній час у світі велика увага приділяється розробці нових методів та засобів оцінки інфрачервоних систем, що забезпечують заощадження коштів на проведення випробувань. На визначення характеристик щодо готовності ІЧ системи до виконання завдання впливають ряд факторів це:

- зір дешифровщика;

- медичний стан дешифровщика;

- професійні якості підготовленості дешифровщика;

- досвід дешифровщика;

- взаємодія з інженером, який обслуговує розвідувальне обладнання;

- професійні якості та виконання правильного польоту льотчика

- якість підготовки техніки до польоту;

- якість обробки аерофотоплівок.

Після виконання завдання в центрі обробки інформації (ЦОІ) визначається ступінь виконання льотного завдання та виставляється оцінка екіпажу щодо проведення спостереження. Причини від яких залежить виконання завдання наступні:

- невиявлена несправність ІЧ апаратури перед вильотом;

- відмова ІЧ апаратури на борту ЛА під час польоту;

- помилка та непрофесійність екіпажу;

- помилка особового складу ЦОІ та втрата інформації при попередній хіміко–фотографічній обробці.

Таким чином на виконання завдання впливає оцінка тактико – технічних характеристик ІЧ систем. В свою чергу, оцінювання залежить від суб’єктивного фактору, а саме від людини.

На підставі аналізу існуючих методів кількісної оцінки ефективності засобів повітряного спостереження та методик обробки даних льотних випробувань поставлено такі наукові завдання:–

розробка методу оцінки найвищого теплового контрасту пасивного інфрачервоного тест–об’єкту;–

розробка методу розрахунку коефіцієнта пропускання атмосфери в інфрачервоному діапазоні;–

розробка методу визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі в умовах льотних випробувань по пасивному тест – об’єкту.

У другому розділі представлені результати розробки методу визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі в умовах льотних випробуваннях по пасивному тест - об’єкту. Наведено структуру методу визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі в умовах льотних випробувань по пасивному тест – об’єкту. Сутність запропонованого методу визначення РЗ ІЧ систем в умовах льотних випробувань полягає у поступовому наближенні (віддаленні) ІЧ системи, шляхом побудови ешелонного профілю польоту до об’єкту з малою кількістю груп смуг, що дозволяє зменшити витрати на випробування за рахунок спрощення тест-об’єкту. Структура методу представлена на рис. 1, вона полягає в проведені 5 етапів.

Розглянуто формування сигналу інфрачервоної апаратури на основі інфрачервоного тест–об’єкту та оцінку якості отриманих зображень. Відбір даних для дешифрування при визначені характеристик інфрачервоних систем проводиться кваліфікованими дешифровщиками, які перевіряють рівномірність насичення сірого тону та оптичну щільність аерофотоматеріалу.

Проведено аналіз характеристик та вимог до вимірювального інфрачервоного полігону. Інфрачервоний вимірювальний полігон включає інфрачервоні тест–об’єкти (міри) та обладнання для вимірювання їх характеристик.

Рис. 1. Структура методу визначення РЗ ІЧ систем ДЗЗ в умовах льотних випробувань по пасивному тест - об’єкту

Вимірювальний полігон має відповідати двом основним вимогам:

– точність та своєчасність отримання вимірювальних даних;

– відносна мала ціна полігону.

У розділі проведено аналіз інфрачервоних мір, який свідчить, що для створення полігону з меншою вартістю найбільш підходять пасивні інфрачервоні кольорові міри.

У розділі обґрунтовано, що перепад температур між смугами тест-об’єкту та фоном має становити біля 3 градусів, оскільки це мінімальний перепад при якому дешифруються об’єкти аероландшафту. Дослідження радіаційної температури мір проведені в роботі показали можливість керування перепадом пасивних мір, шляхом фарбування смуг в різні кольори. Це відбувається через різний коефіцієнт поглинання сонячного випромінювання (коефіцієнт чорноти), що приводить до нагрівання смуг до різних температур.

Проведено аналіз та дослідження характеристик вимірювального обладнання, яке можна використовувати на вимірювальному полігоні. Показано, що прилад ТК – 1 вітчизняного виробництва за своїми характеристиками не поступається відомими аналогам, а за ціною дешевший у 7 разів.

У розділі запропоновано метод оцінки найвищого теплового контрасту пасивного інфрачервоного тест - об’єкту, який створювався для прогнозування перепадів температур у різних умовах (час доби, пора року, місцевість, підґрунтя).

Розглянемо питомі теплові потоки, які присутні у тепловому балансі смуги міри (рис. 2.): |

, (1)

де - енергетична світимість сонця на верхній межі поверхні атмосфери, дорівнює 1380 ;

- питомий тепловий потік від сонця, ;

Рис. 2. Ілюстрація моделі теплового стану ІЧ пасивної міри

- питомий тепловий потік від теплообміну з повітрям, ;

- питомий тепловий потік від теплообміну з бетоном, ;

- коефіцієнт прозорості атмосфери по висоті;

- кут під яким падає тепловий потік від сонця на пластину;

- коефіцієнт поглинання матеріалу пластини;

- коефіцієнт тепловіддачі повітря, ;

- температура повітря, ;

- коефіцієнт теплопровідності бетону, ;

- товщина бетону, ;

- температура бетону, ;

- температура пластини, .

У системі рівнянь (1)

, (2)

де - географічна широта на якій знаходиться пластина;

- кут схилення сонця (–23,523,5);

- істинний сонячний час,

Рівняння теплового балансу пластини, матиме вигляд

. (3)

З виразу (3) температура пластини буде дорівнювати:

. (4)

Таким чином, рівняння (4) являє собою математичну модель квазістаціонарного нагрівання однієї смуги пасивної ІЧ міри Сонцем. Коефіцієнт залежить від багатьох факторів (швидкість вітру, температура повітря, вологість, тощо), що приводить до швидкої зміни його значень та затрудняє урахування цих змін. Коефіцієнти теплопровідності та чорноти залежать від фізичного стану матеріалу та його температури і визначаються з довідникових даних. Коефіцієнт прозорості атмосфери - швидко змінюється і потребує точного вимірювання.

У (4) запишемо , , , тоді вираз матиме вигляд

, (5)

де , , - невідомі коефіцієнти, що розраховуються шляхом апроксимації.

Коефіцієнт наближається до нуля у білих смугах, що пов’язано зі зменшенням коефіцієнту поглинання для білої смуги до нуля. Таким чином, біла смуга в основному нагрівається не від Сонця, а від підґрунтя (бетону та повітря).

У зв’язку з цим під час вимірювання радіаційної температури мір треба вимірювати радіаційну складову білої смуги, яка приблизно дорівнює температурі підґрунтя (бетону). Середнє значення суми коефіцієнтів навколишнього середовища для всіх мір наближається до 1.

Якщо , тоді рівняння (5) можна записати у вигляді

, (6)

де - коефіцієнт нагріву пластини від сонця;

- сумарний коефіцієнт нагріву пластини від навколишнього середовища, який приблизно дорівнює 1;

- температура поверхні землі на даній широті, .

Визначимо точність отриманої математичної моделі, порівнявши теоретичні та експериментальні дані. Використовуючи метод найменших квадратів за умови , , , знайдемо помилку апроксимації з експериментальними даними за формулою:

. (7)

На рис. 3 приведено графіки апроксимації даних нагріву темно–сірої пластини, розрахованих за формулою (7), та експериментальних даних.

Похибки при апроксимації даних вимірювань при визначені коефіцієнтів темно–сірих, світло–сірих та білих мір становить від 0,1% до 0,8%.

Дані розрахунки дозволяють визначити за умови сонячної не мінливої погоди, яку температуру та який перепад матиме відповідна пасивна ІЧ міра в різних умовах.

Розроблено в розділі метод розрахунку коефіцієнта пропускання атмосфери в інфрачервоному діапазоні (8-14 мкм). Для цього модифіковано закон Бугера (8), запропоновано використовувати відбивання від алюмінієвої дзеркальної смуги, розміщеної на земній поверхні, теплової складової стратосфери, яка на висоті 11000 м. становить 217 К. Вимірюючи дану складову на поверхні смуги, можливо вирахувати коефіцієнт прозорості атмосфери за формулою:

, (8)

де - контраст між об’єктом і фоном;

- коефіцієнт, обумовлений наявністю власного випромінювання дзеркала;

- температура на висоті 11000 м, (константа, – 56 С);

- виміряна температура пластини під час польоту на певній висоті;

- висота 11000 м;

- висота польоту. |

Визначення невідомих та , можна провести за допомогою апроксимації та формулою (8) коефіцієнта визначеного за методом “Modtran”, шляхом мінімізації функції

(9)

Помилка апроксимації становить 0,19, середнє квадратичне відхилення 0,024 (рис. 4).

Рис. 3. Залежність Т(t), 1 – теоретичні дані, 2 – експериментальні дані, 3 – температура бетону, 4 – температура повітря.

Визначення роздільної здатності ІЧ систем відноситься до п’ятого етапу випробувань. Тому було розроблено метод визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі в умовах льотних випробувань по пасивному тест – об’єкту.

Визначення характеристик інфрачервоних систем полягає в наступному.

1. В результаті випробувань та візуального аналізу дешифрованих зображень мір отримається у вигляді:

- це кількість разів визначення дешиф-

Рис. 4. 1 – дані апроксимації, 2–експериментальні дані

ровщиком смуги тест – об’єкту під час прольоту на висоті . Результати дешифрування ІЧ мір, заносяться до матриці А наступним чином

, (10)

де - номер рядка матриці, що відповідає ширині смуги міри. Таким чином відповідає результатам дешифрування груп міри, якої смуги шириною 30 см, відповідає 40 см, відповідає см. А номер стовпця, якому відповідає кількості разів розділеної експертом групи смуг даної ширини на певній висоті ешелону польоту, що відповідає матриці :

, (11)

де -мінімальна, а - максимальна висота на якій здійснювався проліт над мірами. Наприклад, раз було розділено експертом групу смуг міри шириною 30 см на висоті .

2. Визначаємо ймовірність експертами розділення груп, різних розмірів кожної смуги

, (12)

де - ймовірність розділення - тої групи на - ій висоті міри;

- значення кількості разів розділення певної групи мір;

- максимальна кількість раз, яка була розділена.

3. Визначимо апроксимацію щільності ймовірності розпізнавання міри за нормальним законом розподілення Гауса за формулами

, (13)

де - висота;

- середнє квадратичне відхилення;

- математичне очікування і

. (14)

На рис. 5 побудовано залежності вірогідності розділення смуг чорної міри від висоти та апроксимація статистичних характеристик ймовірності визначення даної міри на заданій висоті співвідношенням (14).

Результати розрахунку щільності ймовірності розпізнавання смуг мір співвідношенням (13) представлені на рис. 6.

З графіків видно, що ймовірність розпізнавання смуги шириною 30 см на висоті 600 м становить 0,6; 40 см на висоті 760 м - 0,25; 50 см на висоті 880 м – 0,4 і 60 см на висоті 960 м становить 0,22. |

Тобто це висоти, на яких отримано найбільшу щільність ймовірності розпізнавання даних груп мір з певною шириною смуг.

4. Знаходимо похибку апроксимації, застосовуючи метод найменших квадратів

, (15)

де - експериментальні значення (вірогідність визначення - тої смуги).

Рис. 5. Залежність1- смуга шириною 30 см, 2–40 см, 3–50 см, 4–60 см

5. Визначимо кутове розділення ІЧ системи, вирахувавши його за формулою

, (16) |

де - ширина - ої смуги;

- висота, що відповідає максимуму щільності імовірності розпізнавання даної групи смуг міри.

6. Розрахунок висоти застосування ІЧ системи для ДВН за умови, що детальність на місцевості буде не менше 50 см може бути виконано за співвідношенням:

. (17)

Рис. 6. Залежність1- смуга шириною 30 см, 2–40 см, 3–50 см, 4–60 см

Результати розрахунку представлені на рис. 7.

З рис. 7 видно, що чим світлішого кольору міра, тим кутове розділення системи збільшується, а у чорної смуги кутове розділення зменшується і висоти більше. Чим менше значення кутового розділення системи, тим краще. Це пов’язано з тим, що темного кольору смуги нагріваються більше, і тому їх можна розділити з більших висот. Оскільки ІЧ система сприймає краще більш нагріті смуги.

7. Розрахунок висоти застосування для =50 см та ?Т=3? виконується на підставі лінійної інтерполяції залежності співвідношенням: |

, (18)

з подальшою екстраполяцією точки з ?Т=3?.

Для побудови даної залежності слід знати коефіцієнти та . Визначимо їх методом найменших квадратів, за формулою:

, (19)

де - мінімальні визначені висоти;

- виміряний перепад температур мір різних кольорів.

Рис. 7. Залежність ?(Н)

Смуги 1 – чорна, 2–зелена, 3–синя, 4–сіра, 5–світло-сіра, 6–темно-сіра та 7–активної міри

Для та отримано значення ; . Дані коефіцієнти підставляємо у формулу (18) і будуємо графік, а також залежність висот, які отримали від груп смуг шириною 50 см від перепаду температур на вході ІЧ системи.

На вході ІЧ приймача через коефіцієнт прозорості атмосфери температурний перепад буде менший, ніж на місцевості, який вираховується за формулою:

, (20)

де - температурний перепад ІЧ міри на місцевості;

- коефіцієнт пропускання атмосфери в інфрачервоному діапазоні.

На рис. 8 побудовано залежність за співвідношенням (18) та за результатами льотних випробувань для смуги шириною 50 см при проведені льотних випробувань ІЧ системи AN/AAD – 5.

З рис. 8 по залежності 2 шляхом екстраполяції вираховуємо для ?Т=3?. становить 761 м. Тобто політ з даною ІЧ системою для отримання роздільної здатності не більше 50 см на місцевості при перепаді температури міри 3 градуси має відбуватися на висоті не нижче 761 м.

Залежності на рис. 8 показують, що найменший комплект мір може включати міри тільки однієї (двох) груп, смуги яких становитимуть ширину 50 см. Смуга і фон мають бути підібрані так, що перепад між ними становитиме для однієї групи менше 3 градусів, а другої більше 3 градусів. І шляхом вже інтерполяції визначати при 3 градусах, оскільки на аеродромі дуже важко дотримати потрібний перепад температур через вплив ряду факторів (вітер, температура навколишнього середовища, температура поверхні бетону та інші). Таким чином, в роботі обґрунтовано мінімальний комплект випробувальних мір.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень характеристик інфрачервоних систем спостереження. Представлені результати дослідження максимальних перепадів температур для пасивних кольорових мір, які можуть бути досягнуті при проведенні випробувань у різних широтах та порах року. Розрахунки проведено за допомогою співвідношення (6). |

На рис. 9 приведено графіки розрахунку температурного нагріву мір та їх перепад у м. Бориспіль (Україна) у червні місяці 15 числа протягом світлої пори доби.

Видно, що температурний перепад даних мір біля 3 градусів коливаються з 5 : 00 до 8 : 00 годин ранку та з 18 : 00 до 20 : 00 годин вечора. Саме в проміжки цього часу рекомендується і проводити випробувальні польоти у даному районі в цей день.

Оскільки нагрів темно–сірої, світло–сірої та білої смуг відбувається по-різному, то й температурний перепад буде різний.

Це дає змогу підбором різного кольору смуг ним керувати.

Рис. 8. 1- експериментальна залежність висоти від різниці температури смуги 50 см , 2 - теоретична залежність висоти від перепаду температури міри

Співвідношення темно–сірої та білої смуг буде основою щодо визначення максимального температурного перепаду на даній території.

На рис. 10 приведені графіки порівняння перепаду температур між дерев’яною смугою та бетоном, між алюмінієвою темно–сірою смугою та бетоном з експериментальними даними.

Перепад температур розраховувався максимальний, тобто для 12 годин дня. Оскільки дерев’яні міри вимірювалися тільки до 9 години, тому одна точка була побудована по математичній моделі для дерев’яної міри. |

В розділі було розроблено практичні рекомендації для застосування інфрачервоних систем на протязі року. Це можливо на підставі розрахунку температурного контрасту інфрачервоних мір за допомогою методики оцінки теплового контрасту смуг міри.

На рис. 11 представлено графіки контрасту та середньої температури ґрунту в районах розташування аеродромів України протягом року. Встановлено, що температурний перепад у лютому місяці максимальний, відповідно висота ведення розвідки буде більшою для визначеної роздільної здатності ніж влітку. Також встановлено, що з точки зору досяжного теплового контрасту пасивного тест-

Рис. 9. Залежність Т(t), 1 – темно–сіра, 2 – світло–сіра, 3 – біла смуги. Залежність Т(t), 4 – темно–сіра і світло–сіра, 5 – темно–сіра і біла смуги.

об’єкту найкращим є аеродроми у м. Бориспіль та м. Чугуїв на протязі 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 місяців.

Рис. 10. Залежність Т(М), 1–алюмінієва міра (теоретичні дані), 2–алюмінієва міра (експериментальні дані), 3 – дерев’яна міра (теоретичні дані), 4 –експериментальні дані, 5–теоретичні дані дерев’яної міри (9 год.) | Рис. 11. Залежність К(М) 1 – Бориспіль, 2 – Старокостянтинів, 3 – Чугуїв. Залежність Т(М), 4 – Бориспіль, 5 – Старокостянтинів, 6 – Чугуїв.

Було розроблено практичні рекомендації для польотів спостереження в рамках другого етапу Договору з відкритого неба, щодо застосування інфрачервоних систем.

Дані дослідження дали змогу розробити мінімальні вимоги до вимірювального інфрачервоного полігону табл. 1.

Таблиця 1

Мінімальні вимоги до вимірювального інфрачервоного полігону

ПЕРЕЛІК ВИМОГ | ДВН | ЗСУ, МНС, ДПСУ.

1 | 2 | 3

Кількість смуг | 2 | 2

Матеріал смуг | Дерево або алюміній | Дерево або алюміній

Ширина смуг | 50 см. | 50 см.

Довжина смуг | 200 см. | 200 см.

1 | 2 | 3

Висота смуг | 2 см. | 2 см.

Колір смуг | Темно - сірий | Темно - сірий

Різниця нагріву смуг між собою не більше | 0,5 град. або 0,5% | 0,5 град. або 0,5%

Різниця нагріву по довжині смуги не більше | 0,1 град. або 0,1% | 0,1 град. або 0,1%

Вимірювальне обладнання | ТК - 1 | ТК - 1

Періодичність вимірювання смуг | 2 хв. - алюміній,

4 хв. - дерево | 2 хв. - алюміній,

4 хв. - дерево

Кількість дзеркальних смуг | 1 або 2 | -

Довжина дзеркальної смуги | 200 см. | -

Ширина дзеркальної смуги | 50 см. | -

Висота дзеркальної смуги | 2 см. | -

Сумарна вага і габарити мають забезпечувати мобільність вимірювального полігону

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі проведено теоретичне узагальнення та розроблено нове розв’язання актуальної науково - технічної (практичної) задачі дистанційних аерокосмічних досліджень, яке полягає в розробці методу визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі при льотних випробуваннях по пасивному тест - об’єкту та у обґрунтуванні тактико – технічних вимог до інфрачервоного вимірювального полігону. Рішення цієї задачі має велике значення для дистанційного екологічного моніторингу, захисту і вивчення природних середовищ, їхніх ресурсів, а також для Збройних Сил України, Державної Прикордонної Служби, Міністерства Надзвичайних Ситуацій і полягає в проведені кількісної оцінки тактико – технічних характеристик інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі, що має істотне значення для України.

Запропонований метод включає етапи обробки інформації:

оцінки найвищого теплового контрасту пасивного інфрачервоного тест–об’єкту і вибір координат полігону та часу проведення випробувань;

розрахунок коефіцієнта пропускання атмосфери в інфрачервоному діапазоні на час проведення випробувань;

розрахунок ешелонного профілю польоту, відбір та дешифрування зображень тест-об’єкту; розрахунок роздільної здатності та висоти застосування для заданої детальності на місцевості.

Основні результати, які отримано у дослідженнях, сформульовано у наступних положеннях.

1. На основі аналізу застосування ІЧ систем дистанційного зондування у різних сферах народного господарства України визначено, що розвиток систем аерокосмічного зондування, методів їх випробувань становлять значний державний інтерес. В той же час методики оцінки інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі, що застосовуються в Україні, не відповідають вимогам міжнародних угод до яких приєднується Україна.

З початком дії II етапу Договору з відкритого неба Україна повинна мати літак, обладнаний ІЧ апаратурою спостереження, та відповідний вимірювальний полігон.

2. Запропонований метод визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі в умовах льотних випробувань по пасивному тест – об’єкту дозволяє визначати роздільну здатність з застосуванням лише однієї групи смуг. Новизна методу полягає в формуванні ешелонного профілю випробувального польоту по висоті та пристосований до використання малої кількості груп смуг міри з мінімальною кількістю груп смуг.

3. В роботі запропоновано використовувати пасивні ІЧ міри для створення вимірювального полігону в інтересах випробувань ІЧ апаратури в діапазоні 8-14 мкм. Для оцінки максимальних перепадів температур пасивних ІЧ мір запропоновано метод оцінки найвищого теплового контрасту пасивного інфрачервоного тест–об’єкту, який дозволяє прогнозувати перепади температур ІЧ пасивних мір у різних умовах (час доби, пора року, місцевість, підґрунтя). Це дає можливість розробити практичні рекомендації з проведення польотів спостереження інфрачервоних систем та визначити мінімальні вимоги до вимірювального полігону для кількісної оцінки тактико–технічних характеристик ІЧ систем. Помилка оцінки перепаду температур становить 4%. Розроблено практичні рекомендації з проведення польотів спостереження з метою визначення мінімальної висоти польоту інфрачервоних систем та розраховано тепловий контраст ІЧ міри на протязі року (найбільший можна досягти у лютому).

4. Запропоновано метод розрахунку коефіцієнта пропускання атмосфери в інфрачервоному діапазоні, який відрізняється використанням наземних відбиваючих поверхонь з низькою радіаційною температурою, яка формується шляхом відбивання стратосферного теплового потоку в діапазоні 8-14 мкм. Запропонований радіаційний метод розрахунку коефіцієнту пропускання атмосфери у ІЧ діапазоні дає відхилення не більше 1% від відомих методів та дозволяє відмовитись від запусків метеорологічних зондів під час випробувань. Для розрахунку коефіцієнту атмосферного пропускання використовується таке ж обладнання, як при вимірювані радіаційної температури ІЧ мір, і дає змогу зекономити біля 6000 доларів США, або 60% витрат.

5. Розроблені та запропоновані мінімальні вимоги до інфрачервоного вимірювального полігону в рамках ДВН та для визначення роздільної здатності ІЧ систем діапазону 8-14 мкм у промисловості, сільському господарстві, а також у підрозділах ЗСУ, МНС і ДПС. У складі полігону входитимуть пасивні ІЧ міри темно–сірого та білого кольорів, шириною 50 та довжиною 1000 см.

Для проведення вимірювань на полігоні рекомендовано використовувати прилад ТК–1 українського виробництва. Проведено випробування ТК – 1; отримані дані показують, що прилад повністю відповідає вимогам щодо вимірювання на ІЧ полігоні. Застосування ТК – 1 дає можливість економити 12 000 доларів США, або 20% витрат.

6. Метод визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі в умовах льотних випробувань по пасивному тест – об’єкту, та розроблені вимоги до вимірювального полігону дозволяють використовувати обладнання, яке не поступається своєю точністю зразкам іноземного виробництва, при цьому його ціна становить біля 24 700 для ДВН та 24 500 доларів США для ПС ЗСУ, що дає змогу зекономити для України біля 32 300 доларів США або 43,3 % витрат.

7. Достовірність та вірогідність отриманих результатів підтверджена задовільним співпадінням результатів розрахунків теоретичних досліджень із експериментальними даними, а також тим, що отримані теоретичні результати мають фізичне тлумачення і не суперечать відомим закономірностям. Проведено статистичну оцінку розсіювання обчислених значень висоти застосування ІЧ систем ДЗЗ в залежності від кількості ешелонів польоту та достовірність отриманих результатів. Встановлено, що середнє квадратичне відхилення визначення висоти застосування з певною роздільною здатністю становить 50 м або 10 %, що задовольняє вимогам ДВН.

8. Результати досліджень можуть бути використані для підготовки систем спостереження для дистанційного екологічного моніторингу, захисту і вивчення природних середовищ, їхніх ресурсів, а також в підрозділах ЗСУ, МНС і ДПС при модернізації та прийняті на озброєння нових зразків інфрачервоних систем, кількісної перевірки тактико – технічних характеристик їх після регламентних робіт перед виконанням завдання. Також дослідження можуть бути використанні при плануванні польотів на виконання повітряного спостереження в ескадрильї “Блакитна Стежа”, а саме при перевірці ІЧ обладнання літака перед польотом спостереження над Україною з іншої держави, підготовки до сертифікації літака АН 74 ТК – 300 другого етапу ДВН та його обладнання.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Іващук Б.М., Чорний С.В. Дослідження пасивних інфрачервоних мір. – К.: НАН України. Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є Пухова. Збірник наукових праць. Випуск 25, 2004. – 56 – 61с.

2. Іващук Б.М. Аналіз піроелектричних приймачів та проблем їх використання на вимірювальних полігонах при випробуванні інфрачервоних систем повітряної розвідки. – Х.: Харківський університет Повітряних Сил. Збірник наукових праць. Збірник наукових праць. Випуск 1(1), 2005. – 2 – 7с.

3. Іващук Б.М., Фролов В.Я., Чорний С.В. Вимірювання контрасту температур інфрачервоних пасивних мір. – Х.: Національний аерокосмічний університет ім. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, збірник наукових праць. Відкриті інформаційні і комп’ютерні інтегровані технології. Випуск 28. – 2005. – 96 – 101.

4. Іващук Б.М., Чорний С.В. Методика льотних випробувань інфрачервоних систем літаків спостереження // Перша науково-технічна конференція Харківського університету Повітряних Сил. – Х.: ХУ ПС, 2005. – С. 126.

5. Іващук Б.М., Чорний С.В., Михалко В.В. Методика випробувань інфрачервоних систем повітряної розвідки. – Х.: Харківський університет Повітряних Сил. Збірник наукових праць. Системи Обробки Інформації. Випуск 4(44), 2005. – 47 – 51с.

6. Іващук Б.М., Чорний С.В. Методика військових випробувань інфрачервоних систем повітряної розвідки // Друга наукова конференція Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба. – Х.: ХУ ПС, 2006. – С. 95.

7. Іващук Б.М. Методика військових випробувань інфрачервоних систем повітряної розвідки // XV науково-технічна конференція “Наукові проблеми розробки, модернізації та застосування інформаційно-вимірювальних систем космічного і наземного базування” Житомирського військового інституту радіоелектроніки імені С.П. Корольова. – Ж.: ЖВІРЕ, 2006. – С. 143-144.

8. Іващук Б.М., Чорний С.В., Міхалко В.В. Математична модель пасивної інфрачервоної міри. – Х.: Харківський університет Повітряних Сил. Збірник наукових праць. Збірник наукових праць. Випуск 1(7), 2005. – 23 – 26.

9. Chornyi S., Ivashchuk B. Some questions in the IR sensor certification // Совещание международной рабочей группы по аппаратуре наблюдения IWGS (Informal Working Group of Sensors), ,– Відень, Австрія, – 2005. – P. 1-25.

10. Іващук Б. М., Чорний С. В., Жевтюк О. А. Метод визначення коефіцієнта пропускання атмосфери в інфрачервоному діапазоні. – Харків 2006. Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних Сил. Випуск 1(50). – с. 75 - 78.

Анотація

Іващук Б.М. Метод визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі в умовах льотних випробувань по пасивному тест - об’єкту. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.12 – дистанційні аерокосмічні дослідження. – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2007.

Дисертаційна робота присвячена питанням створення методу визначення роздільної здатності інфрачервоних систем дистанційного зондування Землі при льотних випробуваннях по пасивному тест - об’єкту та у обґрунтуванні тактико – технічних вимог до інфрачервоного вимірювального полігону. Запропонований метод дозволяє оцінити характеристики інфрачервоних систем повітряного базування за допомогою пасивних тест – об’єктів.

Структура методу являє собою п’ять етапів проведення випробувань. До його складу входять метод оцінки найвищого теплового контрасту пасивного інфрачервоного тест - об’єкту, метод розрахунку коефіцієнту прозорості атмосфери в інфрачервоному діапазоні.

Запропонований метод може бути використаний для: дистанційного екологічного моніторингу, захисту і вивчення природних середовищ, їхніх