СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОЦЕНКИ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АВИАЦИОННЫХ ОПТИКО- ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В ВИДИМОМ И ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНАХ ВОЛН И УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПАССИВНАЯ МИРА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2007 года по МПК G01M11/02 G01J1/04 

Область техники

Изобретение относится к технической физике, более конкретно, к фотометрии, и может быть использовано при создании технологии инструментальной оценки параметров качества авиационных оптико-электронных средств (ОЭС) и систем дистанционного зондирования (ДЗ) на основе методов автоматизированной обработки и анализа изображений наземных мир, полученных ОЭС в натурных условиях, а также в разработках конструкций наземных мир видимого и инфракрасного диапазонов электромагнитного спектра, обеспечивающих формирование тестовых сигналов для оценки ОЭС в условиях открытых полигонов. Изобретение может быть использовано при проведении натурных (летных) испытаний ОЭС и систем ДЗ различного назначения.

Уровень техники.

В настоящее время предложены и используются ряд способов экспериментальной оценки качества систем ДЗ, которые основаны на визуальных и инструментальных методах анализа изображений различного типа тестовых объектов, формируемых испытуемыми ОЭС.

В качестве мер качества в практике расчета и эксплуатации ОЭС известны меры пространственной разрешающей способности (PC) и меры точности передачи изображения (см. монографию А.Я.Смирнов, Г.Г.Меньшиков "Сканирующие приборы", издательство Машиностроение, Ленинград, 1986 г.). Наибольшее распространение в практике получила мера PC.

Понятие PC известно в технической литературе более ста лет и не претерпело за это время существенных изменений. В общем случае PC является мерой способности ОЭС раздельно воспроизводить в формируемом системой изображении мелкие детали входного (тестового) объекта, а для аэрофотографических систем в частности, в ГОСТ 23935-79 это понятие сформулировано следующим образом: "Это характеристика аэрофотоаппарата, оптико-фотографической системы, аэрофотоматериала, определяемая максимальной пространственной частотой периодической решетки, штрихи которой визуально различимы в фотографическом изображении, образованном данной системой, при использовании в качестве объекта стандартной миры заданного контраста".

Известны способы измерения PC телевизионных трубок по ГОСТ 18720.2-80 и фотоматериалов по ГОСТ 2819-84, в которых PC определяют по изображению испытательной таблицы, воспроизводимой на экране ВКУ и по изображению тестовой миры (наборы групп штрихов различных пространственных частот) на фотоматериале путем визуального определения оператором-дешифровщиком группы штрихов, максимальная пространственная частота которой соответствует потере различимости в изображении темных и светлых штрихов. За оценку PC принимается максимальная пространственная частота, которая соответствует группе штрихов различимой оператором-дешифровщиком.

Аналогичные способы находят применение и в задачах оценки разрешающей способности изображений, получаемых при ДЗ земли. При этом штриховую миру размещают на местности, а установленная на летательном аппарате испытуемая система, выполняет аэросъемку местности с получением изображения, включающего изображение миры, которое затем анализирует оператор-дешифровщик (Мельканович А.Ф., Минеев В.В. Способ определения разрешающей способности аэрофотонегатива. Сборник - Качество аэрофотоизображения, издательство - Географическое общество СССР, 1969 г., стр.47).

К недостаткам указанных способов оценки PC относятся: субъективный характер, обусловленный зависимостью получаемых оценок PC от квалификации и состояния оператора-дешифровщика; использование для принятия решения о величине PC системы дискретного значения пространственной частоты, соответствующей различимой оператором одной группе штрихов из большого набора штрихов миры (обычно включает от 20 до 30 групп); необходимость привлечения к процедуре оценки большого числа специально обученных операторов-дешифровщиков.

Известны "Методика автоматизированного определения разрешающей способности оптико-электронного средства по результатам экспериментального полета", авт. Белоглазов И.Н., - сборник, научно-методические материалы, изд. ВВИА им проф. Н.Е.Жуковского, 1993 г.), и наиболее близкий к предлагаемому изобретению, относящемуся к способу измерения разрешения на местности оптико-электронной системой дистанционного зондирования, способ по патенту на изобретение RU 2144654 С1, 20.01.2000 г., которые для оценки PC использует автоматизированные методы анализа изображений стандартных штриховых мир и автоматизированные алгоритмы принятия решения о величине PC системы. Оба эти способа автоматизированной оценки PC базируются на математическом моделировании процедуры принятия решения оператором-дешифровщиком в задаче разрешения соответствующей группы штрихов миры. Сущность этих способов оценки PC заключается в том, что изображения групп штрихов миры с различными значениями пространственных частот штрихов подвергаются автоматизированным процедурам анализа, а решение о PC системы принимается на основе известных статистических критериев с использованием стандартной модели дешифровщика (Красильников Н.Н. "Теория передачи и восприятия изображений", изд. Радио и связь, 1986, с.58-64) и пороговой амплитудной характеристики оператора-дешифровщика.

В качестве оценок значений PC системы в этих способах принимают максимальную пространственную частоту группы штриховой миры на местности, которую различает автомат в изображении миры.

Использование в рассмотренных автоматизированных способах оценки PC систем различных математических моделей оператора-дешифровщика снимает проблему, связанную с наличием субъективного фактора в визуальных оценках PC, за счет нормирования свойств операторов-дешифровщиков, однако в этом случае решение проблемы исключения влияния субъективного фактора, трансформируется в не менее сложную проблему построения адекватной математической модели дешифровщика.

Во всех рассмотренных способах фактически определяются значения PC комплексной системы, включающей техническое средство ДЗ и зрительный анализатор оператора-дешифровщика (его математическую модель), что ограничивает их применение в задачах оценки эффективности управления сложными автоматизированными системами, в составе которых данное техническое средство используется без оператора в качестве инструментального информационного датчика.

Еще одним из ограничений рассмотренных способов является получение оценок PC системы при фиксированном контрасте миры, используемой в эксперименте, который (контраст) как правило, не совпадает с техническими требованиями на систему. Для приведения экспериментальных оценок PC R_изм, полученных при фактическом значении контраста миры K_изм к значению PC R_зад при контрасте K_зад, заданном в технических требованиях на систему, обычно используют приближенную формулу (см., например, В.Кононов "Основы методики расчета разрешающей способности и точности определения координат аэрофототопографических систем", ЦАКИЗ ИГН НАН, Украина), что приводит к увеличению результирующей погрешности.

В настоящее время известны и используется при проведении лабораторных испытаний ОЭС и их элементов несколько типов стандартных мир, параметры которых нормируются отечественными стандартами: ОСТ 3-4804-80 "Миры для определения разрешающей способности оптико-фотографических систем", ОСТ 3-4400-80 "Миры штриховые для испытания фотографических материалов" и ГОСТ 15114-78 "Миры штриховые для определения разрешения телескопических систем".

Простое копирование параметров стандартных мир, предназначенных для лабораторных испытаний ОЭС, на условия натурного эксперимента приводит к неприемлемым для практического использования габаритам миры на местности и сложности ее конструкции. Поэтому при создании наземных мир для обеспечения натурных (летных) испытаний ОЭС идут по пути существенного упрощения их конструкции, параметры которых до настоящего времени стандартами не регламентированы.

Договор "Открытое небо" является одним из последних документов, в котором на международном уровне согласованы параметры наземных мир для освидетельствования авиационных ОЭС наблюдения.

В соответствии с документами договора наземные штриховые миры должны соответствовать следующим требованиям: мира должна включать наборы групп штрихов различных пространственных частот, каждая группа должна состоять не менее чем из двух светлых и трех темных штрихов; ширина и длина штрихов в пределах каждой группы остаются постоянными; отношение длины штриха к его ширине составляет не менее 5:1; ширина штрихов в соседних группах изменяется в раз; расстояние между группами штрихов миры должно быть не меньше ширины штриха большей группы.

Выполнение указанных технических требований с обеспечением необходимых геометрических и фотометрических параметров штриховой миры в оптическом диапазоне не представляет принципиальных технических трудностей, что подтверждается созданием таких мир рядом государств-участников Договора. Необходимо заметить, что размеры такой наземной миры фиксированного контраста составляют десятки метров (см. например фиг. 1, на которой представлена схема российской миры видимого диапазона).

В связи с тем, что выполнение указанных требований в конструкции миры инфракрасного диапазона требует применения существенно более сложных технических решений, требования к конфигурации этих мир ограничивают ее состав только тремя группами штрихов, ширина которых принимает значения 0,40 м, 0,50 м и 0,60 м (для оценки номинальной PC, равной 0,50 м). При этом конструкция такой миры должна обеспечивать в дневных и ночных условиях возможность управления разностью радиационных температур между теплыми и холодными штрихами в группах в диапазоне от 1,0 до 10 градусов с погрешностью и неоднородностью по полю штриха не более 0,50 градуса.

Для создания универсальной миры, работающей одновременно в видимом и инфракрасном диапазонах спектра более перспективными являются технические решения на основе мир пассивного типа, которые работают в условиях термодинамического равновесия с окружающей средой и обеспечивают требуемые значения температурных контрастов мир без принудительного нагрева ее элементов.

Наиболее близкими техническими решениями к предложенной конструкции универсальной миры являются:

- штриховая мира стандартной конфигурации (разрабатывалась по ТЗ на миру видимого диапазона), которая функционирует как в видимом (днем), так и инфракрасном (днем и ночью) диапазонах электромагнитного спектра и одновременно обеспечивает высокие фиксированные значения яркостного и температурного контрастов штрихов миры на открытой местности (см. Н.И.Сазонов, Пояснительная записка. Часть II. "Контрольные миры видимого диапазона", ЭТП 1884-9900-0 ТП, ЛИИ им. М.М.Громова, 1994 г.). Экспериментальный образец такой миры, изготовленный НПКТ "Тим" по документации ЭТП (Комплект испытательной миры, Паспорт 1884-9901-0000 ПС, 1994 г.), эксплуатировался на аэродроме "Кубинка" с 1994 г. по 2002 г. в рамках реализации международного договора "Открытое небо";

- экспериментальный образец регулируемой миры инфракрасного диапазона, в котором реализованы основные требования Договора, изготовленный в рамках НИЭР "Контраст". Конструкция образца основана на известном техническом решении, защищенном патентом РФ (см. Н.И.Сазонов, В.Д.Утицкий, Е.Я.Яковлев "Пассивная инфракрасная мира", патент на изобретение РФ №2105956 по МКИ G 01 J 1/04 от 28.12.1994 г.). Мира включает три группы, каждая из которых составлена из трех холодных штрихов различных пространственных частот, радиационную температуру которых, по отношению к подстилающему фону (фон выполняет функцию теплых штрихов), регулируют за счет механического управления относительной шириной отражающих и поглощающих элементов линейной периодической структуры, формирующей поверхности холодных штрихов. Для создания температурного контраста в этой пассивной мире существенно используется отраженная составляющая холодного небосвода.

К основным недостаткам перечисленных штриховых мир относятся: значительные габариты; высокая сложность и стоимость конструкции миры инфракрасного диапазона; дискретный характер пространственных частот в группах штрихов штриховой миры (в мире видимого диапазона шаг изменения частоты штрихов составляет 12%, а в мире инфракрасного диапазона достигает 20%); необходимость использования мир различной конструкции для оценки PC систем в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра, что приводит к увеличению погрешности оценок PC, сложности сопоставления результатов оценки PC систем видимого и инфракрасного диапазонов, а также усложняет эксплуатацию мир в условиях открытых полигонов.

Нам не известны технические решения, позволяющие в условиях открытого полигона получать одновременно яркостные (в видимом диапазоне спектра) и температурные (в инфракрасном диапазоне спектра) контрасты штрихов и создавать на их основе универсальные миры для оценки PC систем ДЗ как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах спектра с заданными значениями контрастов мир на местности.

Одной из основных причин, препятствующих существенному упрощению конструкции наземных мир и уменьшению их габаритов, является применение в мирах стандартной конфигурации групп штрихов, геометрические параметры которых жестко связаны с принятой методологией оценки PC, основанной на последовательном анализе оператором-дешифровщиком (автоматом, моделирующим процедуру принятия решения оператором-дешифровщиком) групп штрихов в изображениях штриховых мир, которые получены системой ДЗ в условиях полета.

Предлагаемые изобретения направлены на достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности испытаний, снижении погрешности определения PC системы (оценка определяется только инструментальными свойствами системы и не связана со свойствами оператора-дешифровщика); повышении производительности при контроле характеристик ОЭС; реализации прямого способа измерения зависимости PC системы от контраста миры с обеспечением возможности оценки PC системы при любом контрасте объекта на местности, который исключает составляющую погрешности, обусловленную использованием приближенных формул пересчета оценок PC, полученных при фактическом фиксированном контрасте миры, к значению PC при контрасте объекта на местности, соответствующем требованиям ТЗ на ОЭС.

Поставленная задача достигается тем, что в способе автоматизированной оценки разрешающей способности (PC) авиационной ОЭС дистанционного зондирования, включающем установку на земле штриховой пассивной миры вдоль и поперек направления полета, выполнение аэросъемки местности с размещенной на ней мирой с помощью ОЭС при заданных значениях высоты и курса полета летательного аппарата, автоматизированный анализ изображения миры и оценку PC системы, проводимых после предварительной обработки, выделения и отбора фрагментов с изображением штриховой миры, в качестве миры используют универсальную пассивную миру, состоящую из набора 3...5 штриховых клиньев с разными значениями контрастов K_L, которые дискретно изменяются в заданном диапазоне, автоматизированный цифровой анализ изображения проводят путем последовательного считывания изображения каждого штрихового клина построчно в поперечных сечениях клина с различными значениями пространственных частот по всей его длине, выделяют и последовательно обрабатывают модуляционные составляющие огибающих яркости изображений всех строк штрихового клина, для этого модуляционную составляющую каждой j-ой строки штрихового клина сравнивают с формируемым в процессе обработки соответствующей строки когерентным эталонным сигналом путем вычисления коэффициента взаимной корреляции между ними и оценки его сигнальной и шумовой составляющих, определяют отношение сигнал/шум, при этом в качестве оценки PC принимают значение пространственной частоты j строки штрихового клина с отношением сигнал/шум, равным заданному значению q_зад, полученным при различных контрастах K_L (L=1...5) штриховых клиньев, дискретные оценки PC f_LPC(K_L) аппроксимируют полиномом k-ой степени, по которому определяют значение PC испытуемой ОЭС дистанционного зондирования для заданного контраста K_зад изображения объекта.

Кроме того, способ автоматизированной оценки PC авиационной ОЭС дистанционного зондирования позволяет оценку фактической радиационной температуры штрихового клина контраста K_L на момент аэросъемки миры получить по результатам текущих измерений радиометром радиационных температур двух контрольных полей яркости, выполненных из материалов штриховых клиньев, при этом значение радиационной температуры темного (теплого) штриха (подложки) принимают равной радиационной температуре соответствующего темного (теплого) поля яркости, измеренной непосредственно радиометром, а радиационную температуру светлого (холодного) штриха определяют по формуле где t_pm и t_pc - значения радиационных температур темного и светлого полей яркости, a L_TKL и L_CKL - соответствующие значения ширины темного и светлого элементов раскраски линейной периодической структуры светлого штриха.

Для достижения названного технического результата предлагаемое устройство содержит универсальную пассивную миру для автоматизированной оценки разрешающей способности авиационных оптико-электронных систем дистанционного зондирования в видимом и инфракрасном диапазонах волн, включающую группы штриховых клиньев различных пространственных частот, состоящих из трех (двух) светлых (холодных) штрихов по отношению к темной (теплой) подложке у разных штриховых клиньев, установленных на подстилающей поверхности. Согласно изобретению мира включает четыре рабочих и девять контрольных полей яркости, а также два набора по четыре штриховых клина разного контраста K_L, пространственная частота штриховых клиньев непрерывно и линейно изменяется в заданном диапазоне, в качестве темных (теплых) штриховых элементов миры используют искусственную однородную подложку, равномерно окрашенную темной краской с низким коэффициентом отражения ρ_яТ, близким к коэффициенту отражения подстилающей поверхности, а светлые (холодные) штрихи миры выполняют путем нанесения на поверхность подложки краски с высоким (0,3...0.95) коэффициентом отражения ρ_яС в виде линейной периодической структуры, пространственный период которой H_j много меньше (в 5...10 раз) значения PC системы на местности, при этом необходимые значения яркости (температуры) штрихов обеспечивают за счет соответствующего выбора отношения ширины элементов линейной периодической структуры L_j к ее периоду H_j.

Кроме того, элементы линейной периодической структуры штриховой миры выполняют с покрытием из светлой масляной краски с наполнителем из алюминиевой пудры.

Предложенная универсальная пассивная мира для натурных испытаний авиационных систем ДЗ формирует изображения миры, пространственные частоты которых непрерывно и линейно изменяющимися в заданном диапазоне от f_min до f_max по длине штрихового клина, что повышает точность оценки предельного значения PC системы.

Применение для оценки PC системы ДЗ конструкции штрихового клина, которая в условиях открытого полигона обладает яркостным (в видимом диапазоне спектра) и температурным (в инфракрасном диапазоне спектра) контрастами штрихов и обеспечивает возможность создания на ее основе компактной универсальной миры пассивного типа, включающей 4 штриховых клина разного контраста для обеспечения возможности оценки PC систем при любом контрасте объектов на местности в видимом и в инфракрасном диапазонах спектра.

Автоматизированная оценка значений PC системы ДЗ по заданному отношению сигнал/шум в изображении штрихового клина на основе алгоритма цифрового анализа огибающих поперечных сечений изображения штрихового клина, эквивалентного алгоритму обработки сигнала в корреляционном когерентном приемнике, обеспечивает формирование точечных оценок сигнальной и шумовой составляющих выходного сигнала для каждого значения пространственной частоты штрихового клина, которые зависят только от инструментальных свойств изображений, полученных системой ДЗ.

Определение PC системы ДЗ при контрасте миры, заданном в ТЗ на ОЭС, на основе построения функциональной зависимости PC системы от величины контраста объекта на местности (в изображении) путем аппроксимации точечных оценок PC, полученных путем прямых измерений при различных значениях контрастов штриховых клиньев обеспечивает исключение погрешностей пересчета PC по приближенным формулам.

Перечень фигур на чертежах.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана схема выполнения конструкции типовой наземной штриховой миры видимого диапазона стандартной конфигурации, состоящей из двух наборов по 19 групп штрихов различных пространственных частот и трех полей яркости, одного темного и двух светлых.

На фиг. 2 иллюстрируется информационная эквивалентность набора из n групп штрихов миры стандартной конфигурации (1) и предлагаемого штрихового клина (2). Поперечные сечения изображений j-ой группы штрихов миры стандартной конфигурации и соответствующее j-oe поперечное сечение изображения штрихового клина дают эквивалентные распределения огибающей яркости (3), которые используют для получения оценок контрастов огибающей и PC.

На фиг. 3 представлена предлагаемая конфигурация миры, включающая четыре рабочих поля яркости (4), девять контрольных (измерительных) полей яркости (5) и два набора по четыре штриховых клина разных контрастов для оценки PC в направлении полета (6) и поперек направления полета (7), (контрасты соответствующих полей яркости и штриховых клиньев идентичны).

На фиг. 4 представлена предлагаемая конструкция штрихового клина, обеспечивающая возможность создания клиньев различных контрастов в видимом и инфракрасном диапазонах волн при работе в дневных и ночных условиях. Общий вид конструкции штрихового клина включает однородную темную подложку (8) и три светлых штриха (9), представляющих собой линейные периодические структуры, которые выполняют путем нанесения на темную подложку в пределах геометрии светлых штрихов светлых полосок шириной L_с(11) с интервалом между ними L_т (12) и постоянным для клина заданного контраста периодом (L_с+L_т). Диаметр пятна разрешения ОЭС на местности (10) превышает указанный период в 5...10 раз, что обеспечивает интегрирование яркости светлых и темных полосок в пределах пятна разрешения. Соответствующим выбором значений геометрических и фотометрических параметров светлых и темных полос штриха получают необходимые значения интегральной яркости светлого штриха.

На фиг. 5 представлен фрагмент обработки изображения штрихового клина (13) с графическим представлением сигналов на входе цифрового фильтра обработки (14) в виде эталонного когерентного сигнала (16) и огибающей яркости j строки (17), а также выходных сигналов фильтра (15) в виде дискретных оценок B_s(j), B_N(j), B_CP(j), f_j, K_L(j) и их аппроксимаций полиномами, которые определяют параметрические зависимости, сигнальной (18) и шумовой (19) составляющих выходного сигнала корреляционного цифрового фильтра, среднего уровня шума (20), пространственной частоты (21) и коэффициента модуляции штриха от порядкового номера j строки при одном значении контраста штрихового клина K_LИЗ.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Предлагаемый способ автоматизированной оценки PC систем ДЗ с использованием универсальной пассивной миры, представленной на фиг. 3, предусматривает следующие процедуры определения PC системы ДЗ на местности по изображениям штриховых клиньев (6) и (7), а также рабочих (4) и измерительных (5) полей яркости с различными значениями контрастов K₁...K₄, включающие установку на земле штриховой пассивной миры вдоль и поперек направления полета, в соответствии с фиг. 3 и выполнение аэросъемки местности с размещенной на ней мирой с помощью ОЭС при заданных значениях высоты и курса полета летательного аппарата.

Результаты аэросъемки в виде фильма на фотопленке или файлов цифровых изображений на цифровом накопителе проходят предварительную обработку в соответствии с ТУ на систему ДЗ. Из полученного набора данных отбирают условные кадры изображений (13), которые содержат фрагменты изображений миры, соответствующие заданным параметрам съемки.

Фрагменты изображений миры на выбранных условных кадрах фотопленки преобразуют в цифровую форму с использованием сканера, параметры разрешения и динамического диапазона которого не ухудшают соответствующих параметров исходного изображения. Фрагменты оцифрованных сканером изображений миры с фотопленки или зарегистрированных цифровым накопителем (в системах ДЗ с цифровой регистрацией получаемых изображений) вводят в ПЭВМ наземной обработки и сохраняют на жестком диске в виде файлов записи изображений в форматах (BMP, TIFF и т.п.) и служебной информации (условия и параметры аэросъемки, значения фактических контрастов полей яркости (штриховых клиньев), измеренные во время аэросъемки соответствующих условных кадров изображений миры, режимы работы системы ДЗ и параметры регистрации изображений и т.п.), необходимой для реализации предложенного способа оценки PC.

Записанные на жестком диске ПЭВМ фрагменты изображений миры обрабатывают в соответствии со следующим алгоритмом:

- из фрагмента изображения миры последовательно выделяют прямоугольные области с изображениями каждого из пяти рабочих полей яркости (4), имеющих средние значения яркостей B_LM с контрастами по отношению к яркости подложки В_0M на местности, где L=1...4;

- по значениям яркостей элементов изображения (пикселей) внутри выделенных прямоугольных областей каждого поля яркости вычисляют средние значения яркости B_LCP огибающей модуляции яркости B_ИЗ в изображении штриховых клиньев на низкой пространственной частоте штрихов f˜0;

- на основе полученных оценок средних яркостей B_LИЗ в изображении полей яркости, а также измеренных значений B_LM соответствующих полей яркости на местности определяют зависимость B_ИЗ от B_M (амплитудная характеристика системы ДЗ путем полиномиальной аппроксимации экспериментальных данных;

- от верхней до нижней границы выделенной прямоугольной области изображения для каждого штрихового клина выполняют последовательное считывание строк, которые представляют собой огибающие яркости (3) в поперечных сечениях изображения штрихового клина и соответствуют различным значениям пространственной частоты штрихов f_j; в качестве миры используют универсальную пассивную миру, обеспечивающую создание яркостного и теплового контрастов с подстилающим фоном в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, состоящую из набора 3...5 штриховых клиньев с разными значениями контрастов K_L, которые дискретно изменяются в заданном диапазоне;

- автоматизированный цифровой анализ изображения проводят путем последовательного считывания изображения каждого штрихового клина построчно в поперечных сечениях клина с различными значениями пространственных частот по всей его длине. Выделяют и последовательно обрабатывают модуляционные составляющие огибающих яркости изображений всех строк штрихового клина, для этого модуляционную составляющую каждой j-ой строки штрихового клина (17) сравнивают с формируемым в процессе обработки соответствующей строки когерентным эталонным сигналом (16) путем вычисления коэффициента взаимной корреляции между ними и оценки его сигнальной и шумовой составляющих. Определяют отношение сигнал/шум, при этом в качестве оценки PC принимают значение пространственной частоты j строки штрихового клина с отношением сигнал/шум равным заданному значению q_ЗАД;

- для каждой считанной строки изображения j с использованием процедур автоматического анализа и цифровой обработки оценивают следующие параметры огибающей яркости B_j(i) в поперечном сечении изображения штрихового клина: пространственная частота f_j (21); уровни сигнальной B_S(j) (18) и шумовой B_N(j) (19) составляющих сигнала огибающей яркости B_j(i) на выходе цифрового фильтра, который реализует обработку огибающей в соответствии с алгоритмом корреляционного когерентного приемника

где Bs⁺ и - сигнальная (произведение сигнала и эталона положительное) и шумовая (произведение сигнала и эталона отрицательное) составляющие, S_j(i) - эталонный сигнал огибающей яркости j-ой строки штрихового клина; i - текущий элемент строки модуляционной составляющей яркости, среднее значение модуляционной составляющей сигнала

и коэффициент модуляции

- по результатам оценки параметров для каждой строки изображения штрихового клина получают набор дискретных значений f_j, B_S(j), B_N(j), B_CP(j), K_L(j), определяющих параметрические зависимости пространственной частоты, сигнальной и шумовой составляющих выходного сигнала корреляционного цифрового фильтра, среднего уровня огибающей строки изображения в области модуляции и коэффициента модуляции штриха от порядкового номера j-ой строки при одном значении контраста штрихового клина K_LИЗ;

- полученные наборы дискретных значений аппроксимируют ортогональными полиномами p_k подходящей степени (k=1...3), которые (15) определяют функциональные зависимости f_j, B_S(j), В_N(j), B_CP(j), K_L(j) от порядкового номера j строки штрихового клина;

- находят абсциссу j_LPC точки пересечения полинома, аппроксимирующего зависимость сигнальной составляющей B_S(j) выходного сигнала корреляционного цифрового фильтра (18) от порядкового номера j строки штрихового клина с фиксированным уровнем Δ=q·σ_ИЗ (20) (соответствует произведению заданного отношения сигнал/шум q_ЗАД на среднеквадратическое значение оценки шумовой составляющей B_N(j)), в которой определяют оценки параметров f(j_LPC), B_S(j_LPC), B_CP(j_LPC), K_L(j_LPC) системы при фиксированных значениях контрастов штрихового клина К_LИЗ в изображении (К_LM на местности);

- процедуры оценки значений PC системы повторяют для всего набора изображений L - штриховых клиньев с различными значениями контрастов К_LИЗ (К_LM) и получают дискретные наборы данных f_1PC(K_1ИЗ)...f_4PC(K_4ИЗ) и f_1PC(K_1M)...f_4PC(K_4M), которые определяют параметрические зависимости значения PC системы от контрастов штрихового клина в изображении и на местности соответственно;

- полученные дискретные значения оценок PC для различных контрастов группы штриховых клиньев (7) аппроксимируют полиномом k-ой степени (f_PC=p_k(K_ИЗ), по которому определяют PC системы в направлении поперек линии фактического пути для значения контраста, заданного в технических требованиях на систему ДЗ - f_PC=р_k(К_ЗАД);

- для оценки PC системы вдоль направления линии фактического пути все процедуры автоматизированного анализа и обработки повторяются для группы штриховых клиньев (6).

Предлагаемая универсальная пассивная мира для натурных испытаний авиационных систем ДЗ в видимом и инфракрасном диапазонах волн содержит (фиг. 3), две группы штриховых клиньев, каждая из которых состоит из четырех клиньев для оценки PC системы вдоль (7) и поперек (6) линии фактического пути летательного аппарата, четыре рабочих (4) и девять контрольных полей яркости (5), конструкция которой обеспечивает возможность ее универсального использования при испытаниях систем ДЗ в видимом и инфракрасном диапазонах волн. Все перечисленные элементы миры выполнены на основе единого технического решения, обеспечивающего реализацию необходимых значений яркостных (в видимом диапазоне) и температурных (в инфракрасном диапазоне) контрастов между светлыми (холодными) и темными (теплыми) штрихами (подложкой) клиньев и полей яркости.

Основные принципы предложенного технического решения рассмотрены на примере описания конструкции штрихового клина (фиг. 4) с яркостным значением контраста К_Я и температурным значением контраста К_T. Каждый штриховой клин состоит из трех светлых (холодных) штрихов (9) и темной (теплой) подложки (8) и обеспечивает оценку значений PC систем ДЗ в диапазоне пространственных частот от f_min до f_max (f_max/f_min>50), что достигается соответствующим выбором максимального L_max и минимального L_min (L_min выбирается минимально возможным исходя из технологической точности изготовления штрихов) значений ширины штрихов. Высоту Н штрихов, для сохранения приемлемых размеров штрихового клина, выбирают по аналогии со стандартной штриховой мирой, на основе соотношения H≥5·(L_max+L_min)/2.

Геометрические параметры штрихов у всех штриховых клиньев обеих групп полностью идентичны.

Значения оптического и температурного контрастов между светлыми (холодными) и темными (теплыми) штрихами клина определяются следующими выражениями:

где ρ_яС и ρ_яТ - средние по полю штрихов коэффициенты отражения темного и светлого штрихов в оптическом диапазоне электромагнитного спектра;

t_яС и t_яТ - средние по полю штрихов радиационные (кажущиеся) температуры светлого и темного штрихов в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра.

Согласно изобретению необходимый диапазон изменения температурных контрастов штрихового клина в инфракрасном диапазоне спектра реализован за счет существенного использования отраженной составляющей открытого небосвода (при отсутствии облаков температура небосвода меняется незначительно и достигает значения -55°С) на основе применения для изготовления периодической структуры холодных штрихов клина металлизированной основы (светлой краски, с наполнителем из алюминиевой пудры, алюминиевой фольги или листового алюминия), имеющей высокие значения коэффициента отражения ρ_tC=0,35...0,96.

По целому ряду аспектов является важной возможность реализации различных значений контрастов у разных штриховых клиньев на основе использования только двух типов покрытий - обычной темной масляной краски для окрашивания темных (теплых) штрихов (подложки) и светлой краски с наполнителем из алюминиевой пудры (алюминиевой фольги) для окрашивания светлых (холодных) штрихов.

Для упрощения конструкции штрихового клина изменение его контраста выполняют только за счет изменения коэффициента отражения светлого (холодного) штриха путем раскраски его поверхности в виде линейной периодической структуры с заданными геометрическими параметрами из указанных типов красок (9). Для получения заданных значений контрастов штрихового клина геометрические параметры линейной периодической структуры должны выбираться на основе следующих соотношений:

- средняя яркость темного штриха ρ_яТ определяется фактическим значением коэффициента отражения ρ_T - темной краски (0.04...0.08) в видимом диапазоне спектра;

- средняя яркость светлого штриха ρ_яC определяется фактическим значением коэффициента отражения ρ_T - темной краски (0.04...0.08), фактическим значением коэффициента отражения ρ_C - светлой краски (0.35...0.92) в видимом диапазоне спектра, а также отношением ширины светлой L_c (11) и темной L_T (12) полос линейной периодической структуры при раскраске светлого штриха

t_яТ - радиационная (эффективная) температура теплого штриха определяется термодинамической температурой t_оср окружающей среды и температурой открытого небосвода t_неб с учетом коэффициента отражения темной краски в инфракрасном диапазоне спектра, а именно t_яТ=t_окр×ρ_яТ+t_неб×(1-ρ_яТ);

t_яС - радиационная (эффективная) температура светлого штриха определяется термодинамической температурой t_ocp окружающей среды, температурой открытого небосвода t_неб с учетом коэффициентов отражений темной и светлой красок в инфракрасном диапазоне спектра, а также отношением ширины светлой L_c и темной L_T полос линейной периодической структуры при раскраске светлого штриха, а именно

С учетом приведенных соотношений необходимые значения контрастов штрихов в видимом и инфракрасном диапазонах получают путем соответствующего выбора геометрических параметров периодической структуры светлых штрихов.

Таким образом, заявленные способ и устройство позволяют:

- существенно уменьшить габариты при повышении информационных свойств миры за счет применения заявленной конфигурации миры - типа "штриховой клин";

- заявленная конструкция штрихового клина в виде универсального устройства позволяет одновременно обеспечивать заданные значения яркостного и температурного контрастов на местности в условиях открытых полигонов (днем в видимом диапазоне, днем и ночью в инфракрасном диапазоне);

- реализовать прямой способ измерения зависимости PC системы от контраста миры, который исключает составляющую погрешности, обусловленную использованием приближенных формул пересчета оценок PC, полученных при фактическом фиксированном контрасте миры, к значению PC при контрасте объекта на местности, соответствующем требованиям ТЗ на ОЭС.

Изобретение относится к технической физике, более конкретно, к фотометрии, и может быть использовано при создании технологии инструментальной оценки параметров качества авиационных оптико-электронных средств (ОЭС) и систем дистанционного зондирования (ДЗ) на основе методов автоматизированной обработки и анализа изображений наземных мир, полученных ОЭС в натурных условиях, а также в разработках конструкций наземных мир видимого и инфракрасного диапазонов электромагнитного спектра. Способ включает установку на земле штриховой пассивной миры вдоль и поперек направления полета, выполнение аэросъемки местности с размещенной на ней мирой с помощью ОЭС при заданных значениях высоты и курса полета летательного аппарата, автоматизированный анализ изображения миры и оценку разрешающей способности (PC) системы, проводимых после предварительной обработки, выделения и отбора фрагментов с изображением штриховой миры. В качестве миры используют универсальную пассивную миру, обеспечивающую создание яркостного и теплового контрастов с подстилающим фоном в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, состоящую из набора 3...5 штриховых клиньев с разными значениями контрастов, которые дискретно изменяются в заданном диапазоне. Техническим результатом является повышение точности определения разрешающей способности ОЭС дистанционного зондирования, создание универсальной пассивной миры, обеспечивающей формирование в любое время суток яркостного значения контраста или температурного значения контраста с подстилающим фоном. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ автоматизированной оценки разрешающей способности (PC) оптико-электронной (ОЭС) авиационной системы дистанционного зондирования, включающий установку на земле штриховой пассивной миры вдоль и поперек направления полета, выполнение аэросъемки местности с размещенной на ней мирой с помощью ОЭС при заданных значениях высоты и курса полета летательного аппарата, автоматизированный анализ изображения миры и оценку PC системы, проводимых после предварительной обработки, выделения и отбора фрагментов с изображением штриховой миры, отличающийся тем, что в качестве миры используют универсальную пассивную миру, состоящую из набора 3...5 штриховых клиньев с разными значениями контрастов K_L, которые дискретно изменяются в заданном диапазоне, автоматизированный цифровой анализ изображения проводят путем последовательного считывания изображения каждого штрихового клина построчно в поперечных сечениях клина с различными значениями пространственных частот по всей его длине, выделяют и последовательно обрабатывают модуляционные составляющие огибающих яркости изображений всех строк штрихового клина, для этого модуляционную составляющую каждой j-й строки штрихового клина сравнивают с формируемым в процессе обработки соответствующей строки когерентным эталонным сигналом путем вычисления коэффициента взаимной корреляции между ними и оценки его сигнальной и шумовой составляющих, определяют отношение сигнал/шум, при этом в качестве оценки PC принимают значение пространственной частоты j, строки штрихового клина с отношением сигнал/шум, равным заданному значению q_ЗАД, затем полученные при различных контрастах K_L (L=1...5) штриховых клиньев дискретные оценки PC f_LPC(K_L) аппроксимируют полиномом степени k=1...3, по которому определяют значение PC испытуемой ОЭС дистанционного зондирования для заданного контраста К_ЗАД изображения объекта.2. Универсальная пассивная мира для автоматизированной оценки разрешающей способности авиационных оптико-электронных систем дистанционного зондирования в видимом и инфракрасном диапазонах волн, включающая группы штриховых элементов различных пространственных частот, установленные на подстилающей поверхности, отличающаяся тем, что мира включает четыре рабочих и девять контрольных полей яркости, а также два набора по четыре штриховых группы, выполненных в виде штриховых клиньев разного контраста K_L, при этом пространственная частота штриховых клиньев непрерывно и линейно изменяется в заданном диапазоне, в качестве темных (теплых) штриховых элементов миры используют искусственную однородную подложку, равномерно окрашенную темной краской с низким коэффициентом отражения ρ_яТ, близким к коэффициенту отражения подстилающей поверхности, а светлые (холодные) штрихи миры выполнены путем нанесения краски на поверхность подложки линейной периодической структуры с высоким (0,3...0,95) коэффициентом отражения ряс, пространственный период которой H_j много меньше (в 5...10 раз) значения PC системы на местности, а необходимые значения яркости (температуры) штрихов обеспечивают за счет соответствующего выбора отношения ширины элементов линейной периодической структуры L_j к ее периоду H_j, при этом элементы линейной периодической структуры светлых штрихов клиньев миры выполнены с использованием светлой масляной краски с наполнителем из алюминиевой пудры, алюминиевой фольги или листового алюминия.