расчет ик изображений облаков по цветным фотоснимкам

РАСЧЕТ ИК ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЛАКОВ ПО ЦВЕТНЫМ
ФОТОСНИМКАМ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ
ОЭС
А.В. Варзанов, НПК ГОИ
т. 8-905-2693315 e-mail [email protected]
Однозначный расчет ИК изображений по фотографиям невозможен. Но для оценки
помехозащищенности ОЭС достаточно восстановить любой ИК образ облаков из
области возможных значений. Дополнительно используются метеоданные.
Восстанавливаемый образ квазитрехмерный, при моделировании цель может
проходить сквозь облака.
При разработке инфракрасных оптико-электронных систем, наблюдающих объекты на
фоне облаков, на этапе моделирования нужно создавать изображения этих облаков в
нескольких спектральных диапазонах, включая инфракрасные. Использование
полученных от контрагентов программ, позволяющих синтезировать такие образы,
приводило к получению визуально мало похожих на реальность изображений. Поэтому
проведена предлагаемая вашему вниманию работа.
Сразу оговоримся: естественно, достоверно рассчитать ИК-изображение конкретного
облака по цветной фотографии нельзя. Но в нашем случае требуется совсем другое:
удовлетворительное соответствие реальности предельных яркостей и пространственночастотных характеристик синтезируемых облаков. Поэтому решение поставленной
задачи оказалось возможным. Процесс синтеза представим по этапам:
1. Был приобретен объектив «Телемар-22» с фокусным расстоянием 220 миллиметров.
Он установлен в фотоаппарат «Зенит», при разрешении на пленке 30 линий на
миллиметр объектив гарантирует угловое разрешение 180*60/(3.14*220*30)=0.52
угловых минуты, этого было достаточно для разрабатываемой системы.
2. Проведена фотосъемка облаков, для каждого снимка записано направление съемки азимут и угол места. После «фотосессии» по данным метеостанции «Пулково»
зафиксирована температура у земли и высота нижней кромки облачности. На рисунке 1
приведена одна из фотографий, на примере которых рассмотрим последующие
вычисления:
Рис. 1
280
3. Выдвинуто «предположение»: над землей на высоте, соответствующей нижней
кромки облаков, натянута тонкая пленка, на которой «полупрозрачной краской
нарисованы облака»:
Рис. 2
Температуру «пленки» можно установить, зная температуру у земли (ее сообщила
метеостанция) и в соответствии с ГОСТ 4401-81 предположив, что на высоте
тропопаузы H=11км температура постоянна и равна -56°С, а в интервале от 0 до 11 км
температура изменяется линейно.
4. Зависимость коэффициента пропускания «нарисованного облака» от координат
определяем по цветной фотографии. На рисунке 3 облаком точек показано
распределение яркостей пикселей рисунка 1 в Red, Green, Blue, Red+Green+Blue,
Red/Blue – каналах. Видно, что наибольший динамический диапазон изменения имеют
сигналы в красном (Red) канале, его и используем для восстановления плотности
«нарисованного» облака.
Рис.3
Считаем, что в месте минимального красного излучения плотность облака=0, в месте
максимального плотность облака=1.
5. По формуле Планка в выбранных спектральных диапазонах рассчитываем
собственное излучение облака как «серого тела» с температурой, равной температуре
атмосферы на высоте нижней кромки облака, и с коэффициентом излучения, равным
определенной в п.4 плотности облака.
281
6. Рассчитываем в выбранных спектральных диапазонах переотраженное облаком
солнечное излучение. Считаем, что спектр его соответствует спектру 6000-градусного
тела, а максимальная интегральная интенсивность излучения с наиболее плотной части
облака – 500 ватт с квадратного метра на полусферу. С других частей облака она
снижается пропорционально плотности облака на соответствующем участке.
Предварительно для исключения 100-процентной корреляции между излучением
облаков в коротковолновом и длинноволновом каналах можно ввести нелинейное
преобразование плотностей облака, в том числе с учетом положения солнца
относительно поля зрения. У нас в этом не было нужды, поскольку отработкой
алгоритмов межспектральной обработки изображений мы не занимались.
7. С использованием описанного алгоритма создана компьютерная программа для
отработки оптико-электронных систем на облачных фонах. После ее запуска на экране
появляется меню для ввода исходных данным, в том числе выбора наблюдаемого
объекта, файла с изображением облачного неба, метеоданных и других параметров.
После уточнения исходных данных нажимаем «Счет», появляется окно 1 с
изображением облачного фона (оно соответствует рисунку 1), затем выводится окно 2 с
изображением облаков в выбранных спектральных диапазонах, их рассчитанными
яркостями в этих диапазонах и полем прозрачности:
Потом выводится окно 3 с крупным изображением наблюдаемого объекта в выбранных
спектральных диапазонах и окно 4, в котором этот объект масштабирован и совмещен с
облачным фоном:
В 5-м окне отображается пульт оператора разрабатываемой оптико-электронной
системы и «движки» для настройки параметров алгоритма:
282
Рис.6
И в 6-м окне отображается типовая «кабина пилота», из которой, перемещая мышью
«ручку», «сектор газа» и «педали», можно управлять полетом наблюдаемого объекта:
Рис.7
Поскольку в соответствии с рисунком 2 синтезируемое облако имеет конкретную
пространственную локализацию, программа дает возможность наблюдаемому объекту
перемещаться перед облаком, за облаком, проходить сквозь облако. Это позволяет
отрабатывать поведение разрабатываемой системы в соответствующих условиях.
И о точности метода. По-видимому, оценивать помехозащищенность созданной
оптико-электронной системы заказчик согласится только по результатам полигонных
испытаний. Для предварительной же отработки алгоритмов точность предлагаемого
метода представляется вполне достаточной.
Естественно, было бы интересно провести прямую оценку точности путем сравнения
с результатами натурных измерений. Это требует постановки соответствующей работы,
ее финансирования, у нас сейчас такой возможности не просматривается.
283