качеством.
Книга предназначена для научных работников, инженеров и студентов, специализирующихся в области разработки и исследования систем тепловидения, а также для лиц, использующих такие приборы.
Предисловие к русскому изданию
В послевоенные годы широкое применение получили оптико-электронные системы на основе полупроводниковых приемников излучения и оптико-механического сканирования. Первоначально эти системы применялись в качестве теплопеленгаторов, предназначенных для обнаружения различных объектов по их тепловому излучению и определения направления на них. Затем_в связи с бурным развитием полупроводниковых приемников излучения их чувствительность практически достигла теоретического предела, а инерционность существенно уменьшилась. Это дало возможность использовать подобные оптико-электронные системы не только для обнаружения объектов, но и для их опознавания. Совершился логический переход от систем теплопеленгации к системам тепловидения. В настоящее время системы тепловидения широко применяются как в военной технике, так и в промышленности, медицине, научных исследованиях и т. п.
Физические основы тепловидения в части, касающейся энергетических соотношений, близки к физическим основам теплопеленгации. Однако в теплопеленгации решение об обнаружении объектов как правило принимается автоматическими устройствами. Задача автоматического распознавания образов еще не решена, поэтому я системах тепловидения решение об опознавании объектов принимается человеком на основе информации, поступающей через зрительный аппарат, и предшествующего опыта. В связи с этим для систем тепловидения главное значение приобретают вопросы качества воспроизведения изображения в сочетании с физиологией их зрительного восприятия.
Энергетические соотношения в оптико-электронных приборах с использованием полупроводниковых приемников излучения и оптико-механического сканирования достаточно подробно изложены в ряде монографий, например Джемисон Дж. Э. и др., Физика и техника инфракрасного излучения, «Советское радио», 1965; «риксунов Л. 3., Усольцев И. Ф., Инфракрасные системы,
«Советское радио», 1968; Хадсон Р., Инфракрасные системы, «Мир», 1972; Павлов А. В., Оптико-электронные приборы, «Энергия», 1974, и др. В последние годы появилось большое количество литературы, посвященной анализу качества изображения в оптических системах с использованием методов линейных преобразований как в пространственной, так и в пространственно-частотной области, например Марешаль А., Франсон М., Структура оптического изображения, «Мир», 1964; О'Нейл Э., Введение в статистическую оптику, «Мир», 1966; Гудмен Дж., Введение в фурье-оптику, «Мир», 1970; Папулис А., Теория систем и преобразований в оптике, «Мир», 1971, и др. Вопросы использования методов линейных пространственных и пространственно-частотных преобразований применительно к оптико-электронным системам изложены в монографии Н. С. Шестова «Выделение оптических сигналов на фоне случайных помех» (изд-во «Советское радио», 1967). Обширные, но пестрые и разнородные данные по качеству изображения в оптико-электронных системах с учетом физиологии их зрительного восприятия разбросаны в большом числе журналов, специальных сборников, отчетов и, следовательно, труднодоступны.
В предлагаемой книге Дж. Ллойда выполнены систематизация и анализ этих данных. В ней изложены физические основы тепловидения и принципы построения тепловизионных приборов. В книге рассматриваются:
закономерности теплового излучения объектов, прохождение излучения через атмосферу, теория линейных пространственных и пространственно-частотных преобразований, физиология зрительного восприятия;
основы расчета оптических элементов приборов, возможные способы сканирования изображения, методы электронной обработки сигнала;
энергетические соотношения в приборах, воспроизведение изображений, критерии оценки качества изображения, используемые в США;
технические пути построения приборов тепловидения;
краткая история развития систем тепловидения в США (в основном типа FLIR);
методы испытания приборов.
Кроме того, в книге имеется значительное количество справочных данных и обширная библиография.
Рассмотрение большинства вопросов доведено в книге до практического уровня. В ней содержится целый ряд конкретных практических рекомендаций, которые разработчики, конструкторы и потребители могут непосредственно использовать каждый в своей области.
Хотя не все бесспорно в физическом и фактическом материале по вопросам оценки качества изображения с учетом физиологии зрительного восприятия, тем не менее собранный автором и изложенный в книге материал по этим вопросам может послужить серьезной базой для дальнейших исследований в данной области.
Книга представляет собой первую монографию, в которой на современном научном уровне рассмотрены основные проблемы тепловидения. Она, несомненно, будет полезна для всех специалистов, имеющих отношение к одному из наиболее перспективных направлений инфракрасной техники — визуализации тепловых изображений.
Л. Н. Курбатов
Оглавление
Предисловие к русскому изданию................ 5
Предисловие к американскому изданию.............. 7
Обозначения .......................... .9
Глава 1
Введение........................ 15
1.1. Назначение систем тепловидения............... 15
1.2. История систем тепловидения................ 19
1.3. Основы получения теплового изображения.......... 23
1.4. Источники информации по вопросам тепловидения..... 30
1.5. Пример системы....................... 30
Литература........................... 31
Глава 2
Теория теплового излучения и прохождение излучения через
атмосферу....................... 33
2.1. Введение.......................... 33
2.2. Законы излучения...................... 34
2.3. Пропускание излучения атмосферой............. 42
Литература........................... 72
Глава 3
Теория линейной фильтрации .............. 73
3.1. Области применения.................... 73
3.2. Интеграл свертки...................... 74
3.3. Преобразование Фурье................... 79
3.4. Теорема свертки и оптическая передаточная функция ... 81
3.5. Применение операций свертки к процессам воспроизведения изо-
бражения ......................... 86
3.6. Сокращенная система обозначений в фурье-анализе..... 88
3.7. Оптические передаточные функции типичных элементов ... 93
3.8. Оптические передаточные функции оптических элементов ... 99
3.9. Оптические передаточные функции электрических систем обра-
ботки сигнала....................... 103
3.10. Ухудшение модуляционной передаточной функции вследствие движения и неопределенности положения изображения . . . 108
3.11. Эквивалентная полоса частот, эквивалентное разрешение и центральная предельная теорема............ К^
Литература........................' ' ' ^
Глава 4
Физиология зрительного восприятия........... 115
4.1. Введение ......................... ^
4.2. Основные характеристики зрительного аппарата человека . . . Ц?
4.3. Пространственно-частотная характеристика ......... \\у
4.4. Влияние увеличения.................... 124
4.5. Визуальная чувствительность к пространственной частоте случайного шума....................... .(25
4.6. Пространственные п временные интегрирующие свойства глаза 129
4.7. Влияние кадровой развертки на восприятие изображения . . 132
4.8. Число строк на высоту кадра и оптимальная дистанция наблюдения ............................ 138
4.9. Роль яркости окружающего фона.............. 141
4.10. Обнаружение объектов на фоне случайных шумов..... 142
4.11. Субъективное восприятие резкости изображения и соответствующие ей объективные характеристики............ 152
4.12. Применение положений физиологии зрительного восприятия
к проектированию систем тепловидения........... 157
Литература........................... 15$
Глава 5
Обобщенные критерии................. 162
5.1. Введение ......................... 162
5.2. Эквивалентная шуму разность температур.......... 162
5.3. Вывод выражения для пороговой разности температур ДУпор 164
5.4. Эквивалентнаяшуму разность'температур АГПОр для приемников, работающих в режиме ограничения флуктуацнями фона . . . 171
5.5. Недостатки ^Тпор как обобщенного критерия........ 173
5.6. Анализ влияния различных параметров на АГпор..... 174
5.7. Минимальная разрешаемая разность температур....... 176
5.8. Вывод выражения для АГразр................ 179
5.9. Минимальная обнаруживаемая разность температур..... 184
5.10. Эквивалентная шуму излучательная способность...... 186
5.11. Характеристики приемного устройства........... 188
5.12. Выбор спектрального диапазона............... 191
5.13. Оптимизация спектрального диапазона............ 192
5.14. Факторы, характеризующие коэффициент полезного действия 195 собирающей инфракрасной оптической системы........
5.15. Параметры эффективности работы.............. 19&
5.16. Выводы по основным уравнениям, описывающим качество изо- 199 браження систем FLIR...................
Литература........................... 202
Глава 6
Оптика ........................ 203
6.1. Элементы оптических систем................ 203
6.2. Основные законы геометрической оптики.......... 205
6.3. Общие выражения для системы линз............ 213
6.4. Матричное описание системы линз............. 214
6.5. Матричное представление плоского зеркала......... 220
6.6. Объектив приемника излучения для рассматриваемого примера системы.......................... 221
6.7. Дополнительная оптика .................. 232
6.8. Оптические материалы для тепловизионных систем..... 236
6.9. Тепловые эффекты в оптических системах.......... 241
6.10. Пассивная оптическая компенсация температурных изменений показателя преломления.................. 243
6.11. Качество изображения за продолами центра поля зрения . . . 246
6.12. Искажения изображения в системах с фиксированной фокусировкой .......................... 247
С. 13. Отражения от холодных поверхностей............ 252
Литература........................... 257
Глава 7
Сканирующие устройства................ 258
7.1. Введение.......................... 258
7.2. Плоское качающееся зеркало................. 258
7.3. Вращающийся зеркальный барабан.............. 271
7.4. Вращающиеся преломляющие призмы............ 277
7.5. Вращающиеся преломляющие клинья............ . 281
7.6. Другие системы сканирования................ 285
7.7. Эффекты затемнения .................... 288
Литература........................... 291
Глава 8
Типы тепловизионных систем .............. 292
8.1. Введение ......................... 292
8.2. Последовательное и параллельное разложение картины . . . 293
8.3. Сравнение характеристик систем FLIR с параллельным и последовательным сканированием ................ 298
8.4. Обработка сигнала..................... 300
8.5. Сканирующие системы FLIR................ 310
8.6. Системы тепловидения без сканирования.......... 314
8.7. Эвапорографы....................... 319
8.8. Инфракрасные полупроводниковые вндпконы........ 320
8.9. Пироэлектрические видиконы................ 322
8.10. Электронно-оптические преобразователи........... 322
8.11. Лазерный параметрический преобразователь изображения с повышением частоты...................... 323
8.12. Инфракрасные квантовые счетчики............. 326
Литература .......................... 328
Глава 9
Выборка........................ 331
9.1. Введение ......................... 331
9.2. Выборка в системах с параллельным сканированием..... 337
9.3. Выборка в двумерных мозаиках приемных устройств, непрерывно визирующих картину.................... 339
9.4. Выборка в системах с коммутацией............. 341
9.5. Практические последствия выборки............. 344
Литература........................... 346
Глава 10
Визуальное восприятие объектов............. 347
10.1. Основные положения................... 347
10.2. Движения глаза во время визуального поиска....... 349
10.3. Теории свободного поиска................. 352
10.4. Геометрические соотношения при поиске.......... 355
10.5. Разрешение эквивалентных штриховых мир........ 357
10.6. Вероятность обнаружения................. 361
10.7. Вероятность классификации и различения......... 362
10.8. Вероятность опознавания................. 366
10.9. Эксперименты с обработкой на ЭВМ изображений, полученных системой FLIR..................". . . . 370
10.10. Другие ограничения при наблюдении............ 375
10.11. Оптимизация параметров системы............. 381
Литература........................... 383
Глава 11
Измерение характеристик систем ............ 385
11.1. Передаточная функция сигнала и динамический диапазон . . 385
11.2. Измерение оптической передаточной функции........ 387
11.3. Измерение минимальной разрешаемой разности температур . . 392
11.4. Измерение эквивалентной шуму разности температур .... 393 Литература ........................... 394
Глава 12
Тепловые изображения................. 395
Предметный указатель....................... 407
Цена: 500руб.
