Определение предельных дальностей обнаружения малогабаритных воздушных объектов с помощью электронно-оптических средств наблюдения

Сегодня угрозы от малогабаритных воздушных объектов весьма актуальны и для населенных пунктов, и для предприятий различных отраслей экономики. Их своевременное обнаружение имеет огромное значение: оно дает возможность вовремя принять соответствующие меры.

Проблема определения малогабаритных воздушных объектов (далее – объект) в настоящее время является актуальной задачей. Сразу оговоримся, что в данной статье мы будем рассматривать предельные дальности обнаружения с использованием лучших образцов техники из доступных на гражданском рынке. При этом вопрос стоимости оборудования для нас является второстепенным вопросом, хотя при этом она должна оставаться в разумных пределах.

Дальность определения объекта будет оценена с помощью телевизионной камеры высокого разрешения оптического диапазона (далее – ТВ-камера), тепловизора, ультрафиолетовой камеры наблюдения (далее – УФ-камера).

Выбор данных средств обнаружения для анализа объясняется тем, что телевизионные камеры оптического диапазона длин волн имеют наивысшие разрешения из всех перечисленных выше средств наблюдения, тепловизоры позволяют обнаруживать объекты ночью, не используя внешнюю подсветку, а УФ-камеры дают возможность обнаруживать объект при его заходе на цель в дневное время со стороны солнца.

Определимся с габаритами нашего объекта, в качестве тестового объекта будем считать объект с габаритами прямоугольника 30 х 20 см.

Камера машинного зрения как ТВ-камера видеонаблюдения

В качестве ТВ-камеры видеонаблюдения будем рассматривать камеру машинного зрения с матрицей в 47 Мпк (8240 х 5628 пк), размерностью 4/3 дюйма, размер пикселя 2,3 x 2,3 мкм, с 12-битным АЦП, стандарт крепления объектива – TFL, питание через Ethernet (PoE), гигабитный Ethernet (GigE).

Выбор таких характеристик позволяет нам предположить, что при дневном солнечном освещении соотношение "сигнал/шум" видеосигнала от цели будет достаточным для уверенной идентификации объекта и она будет зависеть только от расстояния до цели и разрешения матрицы камеры.

Определившись с характеристиками ТВ-камеры, необходимо определиться с характеристиками объектива, поскольку от них напрямую зависит дальность обнаружения цели. Для крепления стандарта TFL удалось обнаружить объектив с фокусным расстоянием 100 мм, что дало для матриц в 3/4 дюйма угол зрения в 9,8 град.

Это достаточно дорогостоящее оборудование, так стоимость только одной ТВ-камеры без объектива составляет 4 тыс. евро, а наружный диаметр объектива 61 мм, но мы здесь определяем предельные дальности обнаружения и не ориентируемся на критерий стоимости.

Исходные данные для ТВ-камеры:

Тогда a = b× tga = 150 000 × tg4,9 = 12 859 см, 2а = 25 718 см, а на один пиксел приходится 25 718/8240 = 3,12 см длины объекта. на объект длиной в 30 см приходится 9,6 пк.

При уменьшении дистанции наблюдения до 1 000 м (100 000 см) на объект длиной в 30 см приходится 15 пк.

Рис. 1. Схема определения площади наблюдения объективом электронно-оптического прибора

Параметры тепловизора

Для тепловизора будем рассматривать следующие параметры:

• тип инфракрасного детектора – неохлаждаемый;
• разрешение матрицы, пк – 1280 × 1024;
• спектральный диапазон, мкм – 8–14;
• вертикальный угол зрения – 9,4 град.;
• горизонтальный угол зрения – 11,75 град.

Исходя из разрешения матрицы, зададим дальность наблюдения в 500 м (50 000 см), тогда a = b× tga = 50 000 × tg5,875 = 5 145 см, 2a = 10 290 см, а на один пиксел приходится 1 029/1 280 = 8 см длины объекта. на объект длиной в 30 см приходится 3,75 пк.

УФ-камеры

Ультрафиолетовый диапазон подразделяют на три диапазона: а (ближний) – 0,38–0,32 мкм, в (средний UV) – 0,32–0,28 мкм и С (дальний UV) – 0,28–0,1 мкм. Солнечное уф-излучение с длинами волн менее 0,2 мкм практически полностью поглощается атмосферой земли.

Рис. 2. Спектр излучения Солнца [1]

Спектр излучения Солнца представлен на рис. 2. Из рис. 2 видно, что при нахождении объекта наблюдения на фоне Солнца он будет невидим как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне волн, матрицы этих приемников будут засвечены излучением cолнца, то есть его не смогут обнаружить ни ТВ-видеокамера, ни тепловизор.

Единственный способ обнаружить цель на фоне cолнца – это наблюдать ее в УФ-диапазоне в обратном контрасте (при этом объект на светлом фоне будет выделяться черной точкой).

Такие УФ-приемники получили название "видимо-слепые оптоэлектронные приборы" (подразумевается, что они нечувствительны к видимому спектру излучения).

К сожалению, такие приемники из-за их специфического назначения не получили широкого распространения.

Отечественный приемник формата 320 × 256 элементов видимо-слепого спектра не позволяет его использовать для наблюдения малоразмерных объектов, см. рис. 3.

Рис. 3. Изображение с видимо-слепой УФ-матрицы на основе ГЭС 256 с шагом 30 мкм на основе AlGaN формата 320 х 256 пк [2]

Поэтому приходится использовать мультиспектральные камеры с фильтром, обрезающим видимый диапазон излучения. Коэффициент пропускания такого фильтра в УФ-диапазоне обычно не превышает 30%, но с учетом того, что мы наблюдаем объект в безоблачную погоду, подсвеченный cолнцем, энергии излучения должно хватить для уверенного обнаружения цели.

Примечание: в пасмурную или облачную погоду цели, атакующие со стороны cолнца, будут уверенно идентифицироваться ТВ-камерами и тепловизорами.

Качество изображения не позволяет использовать данную матрицу для обнаружения малогабаритных воздушных целей.

Для УФ-телекамеры будем рассматривать следующие параметры: матрица в 8,13 Мпк (2856 х 2848 пк), размерностью 2/3 дюйма, размер пикселя 2,74 x 2,74 мкм, с 12-битным АЦП, стандарт крепления объектива C-Mount, питание через Ethernet (PoE), интерфейс 10GBASE-T, фокусное расстояние объектива 100 мм.

Рис. 4. Спектральная характеристика УФ-телекамеры [3]

Исходные данные для УФ-камеры (спектральные характеристики см. на рис. 4): b – расстояние до объекта наблюдения 800 м (80 000 см), a – угол зрения объектива (9,8 град./2 = 4,9 град.), тогда a = b× tga = 80 000 × tg4,9 = 6 858 см, 2a = 13 716 см, а на один пиксел приходится 13 716/2 856 = 4,8 см длины объекта.

На объект длиной в 30 см приходится 6,25 пк. Обобщенные результаты вычислений приведены в таблице.

Таблица. Обобщенные результаты вычислений

Примечания:

1. Критерии Джонсона работают с вероятностью 0,5.
2. Тепловизор лучше использовать на длины волн 8–12 мкм, чем на 3–5 мкм, поскольку максимум излучения от температуры (закон смещения вина) рассчитывается по следующей формуле: λ = b∕T (1), где b – постоянная вина = 2,897768 х10-3 мК, Т – температура в Кельвинах, λ – в метрах.
   Рассчитаем максимум смещения излучения для температуры 300 К (27 °С) λ = (2,897768 х 10-3)/300 = 9,67 мкм, спектральные характеристики для различных температур абсолютного черного тела показаны на рис. 5.
3. С учетом узкоугольных объективов электронно-оптических средств обнаружения они могут обнаруживать цель, только используя внешнее целеуказание от радиолокационной станции или средств радиопеленгации радиоизлучающих объектов.
4. Наличие легкой дымки, марева, не говоря уже о тумане и дождевых осадках, могут значительно снизить дальность обнаружения цели с помощью ТВ- и УФ-камер наблюдения. влияние этих факторов на тепловизор, работающий в диапазоне длин волн 8–12 мкм, гораздо слабее.
5. Телевизионные ТВ- и УФ-камеры без внешней подсветки неработоспособны в ночное время, поэтому дальности обнаружения в таблице могут быть получены при ярком дневном освещении в диапазонах освещенности от 3 000 до 100 000 лк.

Рис. 5. Спектральные характеристики для различных температур абсолютного черного тела (наблюдается смещение максимума излучения в область длинных волн) [4]

Рис. 6. Слева изображение самолета искажено маревом восходящего воздуха, справа показано влияние легкой дымки на качество идентификации объектов [5]

Выводы

В идеальных условиях дистанция обнаружения объекта в воздушном пространстве размером 30 х 20 см не превышает для ТВ-камеры 1 500 м, для УФ-камеры 800 м, для тепловизора 500 м.

Дистанция распознавания (по критерию "класс объекта") для ТВ-камеры составляет 1 000 м.

Список использованных источников

1. [сайт].–URL: https://reefs.com/blog/wp-content/uploads/2012/10/image001-d50b44e4a698a816538d98ecd36e5015.jpg
2. [сайт].–URL: https://advance.orion-ir.ru/UPF14/6/UPF-2-6-623.pdf
3. [сайт].–URL: https://thinklucid.com/product/atlas10-uv-8-1-mp-imx487/
4. [сайт].–URL: https://www.mdpi.com/crystals/crystals-10-00524/article_deploy /html/images/crystals-10-00524-g012.png
5. [сайт].–URL: https://photocentra.ru/images/main89/894105_main.jpgimages-2.fit_lim.size_2000x.v1619018964.jpg (1921×1080) 

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" № 2/2024

Все статьи журнала "Системы безопасности"
доступны для скачивания в iMag >>

Изображение от jcomp на Freepik

Все иллюстрации предоставлены автором