Способ определения маскирующих характеристик аэрозолей
Владельцы патента RU 2376583:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "33 ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (RU)
Изобретение относится к области физики, а именно к способам и устройствам для измерения двух или более переменных величин, и предназначено для оценки маскирующих характеристик аэрозолей с учетом размеров, окраски маскируемых объектов, фонов, на которых они располагаются, а также условий их наблюдения. Видеоизмерительным комплексом 1 регистрируют тестовые изображения (штриховые миры), демонстрируемые на экране монитора 2, через заполненную аэрозолем камеру 3, выполненную в форме треугольной призмы, при различных значениях осажденной плотности аэрозоля на линиях визирования разной длины l1-l5. Техническим результатом является возможность определения в рамках одного эксперимента значений осажденной плотности аэрозоля, позволяющих затруднить (исключить) обнаружение, распознавание либо идентификацию объекта маскировки. 1 табл., 5 ил.
Изобретение относится к области физики, а именно к способам и устройствам для измерения двух или более переменных величин, и предназначено для оценки маскирующих характеристик аэрозолей с учетом размеров, окраски маскируемых объектов, фонов, на которых они располагаются, а также условий их наблюдения.
Одной из основных задач, стоящих перед частями (подразделениями) войск радиационной, химической и биологической защиты, является осуществление аэрозольного противодействия техническим средствам разведки и системам наведения высокоточного оружия (ВТО) противника [1].
Дорогостоящие высокоточные боеприпасы применяются, как правило, не просто по обнаруженным объектам, а по распознанным и однозначно идентифицированным как истинная цель. Следовательно, при применении ВТО одними из первоочередных задач будут являться распознавание объекта поражения и селекция истинных целей от ложных.
Несомненно, что наиболее удобная для восприятия человеком-оператором системы наведения ВТО информация будет поступать в видимом диапазоне спектра электромагнитного излучения (ЭМИ). Указанный канал поступления информации может быть эффективно подавлен путем постановки аэрозольных завес (АЭЗ) на линии визирования «оператор-цель».
В связи с изложенным, АЭЗ в современных условиях необходимо рассматривать как средство противодействия правильному распознаванию целей.
До настоящего момента АЭЗ оценивались только с позиций исключения обнаружения объектов, для чего разработан соответствующий методический аппарат, основанный на законе Буге-Ламберта-Бера [2].
Сущность традиционного метода заключается в том, что оценка маскирующей способности аэрозоля производится посредством измерения коэффициента пропускания излучения через его слой с последующим расчетом массовой маскирующей способности по уравнению
где ММС - массовая маскирующая способность, м2/г;
D - оптическая толщина (безразмерная величина);
ОПА - осажденная плотность аэрозоля, г/м2.
Оптическая толщина рассчитывается по уравнению
где l - длина базы измерения, м;
τпр - коэффициент пропускания аэрозоля (безразмерная величина).
Коэффициент пропускания аэрозоля рассчитывается по уравнению
где Iпад - поток излучения падающего на слой аэрозоля, Вт;
Iпр - поток излучения, прошедшего через аэрозоль, Вт.
Осажденная плотность аэрозоля рассчитывается по уравнению
где Cср - средняя массовая концентрация аэрозоля на трассе, г/м3.
Для реализации указанного метода используется статическая аэрозольная камера, схема которой представлена на фиг.1. В измерительную схему такой камеры входят источник 1 и приемник 2 излучения, расположенные на расстоянии l друг от друга и разделенные исследуемой средой (аэрозолем), а также аспираторы 3 с пробоотборниками. Камера оборудована местом сжигания 4 навески аэрозолеобразующего состава (АОС), вентилятором 5 для перемешивания аэрозоля и вытяжной вентиляцией 6.
В этом методическом подходе измеряется один параметр - коэффициент пропускания аэрозольной завесы τпр.
Исходя из того что ослабление потока ЭМИ аэрозольными средами обусловлено двумя процессами - рассеянием и поглощением частицами аэрозоля падающего излучения - один и тот же коэффициент ослабления может соответствовать различному вкладу процессов поглощения и рассеивания. То есть два аэрозоля, для которых в ходе экспериментальных исследований получены одинаковые значения ММС, могут быть совершенно разными при их наблюдении в реальных условиях освещения и по-разному будут маскировать находящиеся за ними объекты. В то же время аэрозольная камера, использующаяся в традиционном базовом методе оценки маскирующей эффективности аэрозолей, не позволяет определять их маскирующие характеристики с учетом естественной освещенности и, соответственно, яркости АЭЗ.
Кроме того, в аэрозольной камере такого типа возможно лишь моделирование единичной ситуации аэрозольной маскировки - когда и средство разведки (поражения) и объект (цель) находятся непосредственно в аэрозольной завесе. В реальных же условиях, как правило, средства разведки (наблюдения) находятся вне аэрозольной завесы.
Еще одним существенным недостатком указанного метода является то, что при его использовании оценка коэффициента пропускания аэрозоля осуществляется при фиксированном значении осажденной плотности аэрозоля и, следовательно, выбор наиболее оптимальных значений маскирующих характеристик аэрозолей связан с необходимостью проведения серии экспериментов, требующей значительных трудозатрат.
С учетом указанных недостатков и ограничений очевидна целесообразность разработки нового метода оценки маскирующих характеристик аэрозолей.
Известен способ фотометрического определения количества анализируемого вещества с использованием видеоизмерительного комплекса (патент № 2130171, Россия, приоритет от 14.06.95 г.) [3], который взят за аналог (прототип) предлагаемого изобретения.
Сущность вышеуказанного способа заключается в обнаружении и количественном фотометрическом определении вещества в исследуемых пробах по аналитическому эффекту реакции с колориметрическим окончанием с использованием видеоизмерительного комплекса путем преобразования аналогового сигнала цветного видеоизображения пробы в цифровой сигнал с последующей его обработкой на ЭВМ по параметрам международной колориметрической системы RGB.
Существенным признаком ближайшего аналога (прототипа) и заявляемого изобретения является использование видеоизмерительного комплекса для регистрации исследуемой среды с последующей обработкой видеоизображения на ЭВМ.
Отличительным признаком данного изобретения от способа-прототипа является то, что с использованием видеоизмерительного комплекса данный метод позволяет достоверно характеризовать маскирующие характеристики аэрозолей с учетом угловых размеров и окраски маскируемых объектов, фонов, на которых они располагаются, условий их наблюдения, а исследуемой средой является аэрозоль.
Реализация предлагаемого способа осуществлена при использовании методических подходов, используемых как для оценки маскирующих характеристик аэрозолей, так и для оценки аппаратуры наблюдения и разведки, функционирующей в видимом диапазоне спектра ЭМИ.
Так, для оценки возможности обнаружения, распознавания (различения) и идентификации объектов на различных фонах аппаратурой наблюдения используются эквивалентные наблюдаемым объектам штриховые миры, связываемые с уровнем видения критериями Джонсона [4].
Критерии Джонсона (таблица) позволяют связать качество визуального восприятия реальных объектов (их размеров, окраски, фонов, на которых они расположены) в данной системе видения с теоретически оцениваемыми характеристиками качества изображения эквивалентной миры.
| Критерии Джонсона | |
| Уровень видения | Число разрешаемых периодов штриховой миры на критическом размере наблюдаемого объекта |
| Обнаружение | 1±0,25 |
| Определение ориентации | 1,4±0,35 |
| Различение | 4,0±0,8 |
| Идентификация (опознавание) | 6,4±1,5 |
На фиг.2 показан пример использования эквивалентных штриховых мир для обнаружения и различения реальных объектов при их регистрации с использованием систем наблюдения.
Анализ таблицы и фиг.2 показывает, что объект обнаруживается (устанавливается факт его появления в поле зрения) в том случае, когда на минимальном размере объекта разрешается один период штриховой миры. Различение объекта (его классификация как, например, грузового автомобиля или танка) возможно тогда, когда на критическом размере разрешаются четыре и более периодов штриховой миры.
При этом возможно использование не только традиционно применяющихся черно-белых мир, но и цветных мир с различной яркостью и цветом штрихов. Применение мир такого типа позволяет оценивать маскирующие характеристики аэрозолей при ведении наблюдения с использованием современных телевизионных систем, формирующих изображение в трех спектральных каналах RGB. На фиг.3 представлено изображение объекта на фоне неба и подстилающей поверхности, а также примеры эквивалентных цветных штриховых мир: а - объект на фоне неба; б - объект на фоне подстилающей поверхности.
Сущность предлагаемого способа заключается в регистрации видеоизмерительным комплексом тестовых изображений через заполненную аэрозолем камеру, выполненную в форме треугольной призмы. Схема наблюдения тестовых мир через прозрачные стенки аэрозольной камеры представлена на фиг.4.
Такая схема обеспечивает возможность одновременно наблюдать и осуществлять регистрацию видеоизмерительным комплексом 1 тестовых изображений, демонстрируемых на экране монитора 2, при различных значениях осажденной плотности аэрозоля в камере 3 на линиях визирования различной длины l1-l5.
Для обеспечения материальной основы предлагаемого способа разработан лабораторный комплекс по определению маскирующих характеристик аэрозолей. Внешний вид лабораторного комплекса представлен на фиг.5.
Одним из основных элементов лабораторного комплекса является аэрозольная камера 1 с прозрачными стенками, выполненная в форме треугольной призмы с переменной шириной от 0 до 0,5 м. В камере предусмотрены отверстия для отбора проб аэрозоля на фильтры и размещения датчиков определения влажности воздуха. Верхнее стекло аэрозольной камеры съемное, что обеспечивает ее быстрое проветривание после окончания эксперимента. Освещение аэрозольной камеры осуществляется блоком матовых ламп накаливания 2 с регулируемой яркостью. Положение осветительного блока может изменяться относительно аэрозольной камеры.
Для имитации фоно-целевой обстановки используется плоский монитор 3. Тестовые изображения на экран монитора выводятся с помощью ЭВМ 4. Регистрация изображений осуществляется видеокамерой 5, установленной в горизонтальной плоскости. Видеокамера размещается на юстировочном устройстве 6, обеспечивающем ее точное позиционирование и фиксацию относительно аэрозольной камеры. Для контроля процессов, протекающих в ходе эксперимента, регистрируемые видеокамерой изображения выводятся на монитор ЭВМ 7. Стеклянная аэрозольная камера размещается между монитором и видеокамерой.
Разработанный комплекс позволяет проводить исследования маскирующих характеристик аэрозолей, получаемых при применении как твердых, так и жидких АОС. Перевод в аэрозольное состояние навесок АОС производится генератором аэрозоля 8, сопряженным с аэрозольной камерой. Для равномерного распределения аэрозоля в объеме камеры между генератором аэрозоля и аэрозольной камерой осуществляется постоянная циркуляция воздуха, обеспечиваемая встроенным в воздуховод электрическим вентилятором.
Порядок оценки маскирующих характеристик аэрозолей с использованием видеоизмерительного комплекса следующий.
1. Подготовка тестовых изображений
Для предварительной оценки уровня видения объектов при проведении экспериментов могут использоваться видеоизображения реальных объектов на различных подстилающих поверхностях, которые могут отображаться как в статических, так и в динамических условиях.
Для определения уровня видения по критериям Джонсона из используемых видеоизображений формируют штриховые миры, соответствующие угловым размерам, цветовым и яркостным характеристикам объекта, а также цветовым и яркостным характеристикам фона, на котором расположен объект. Ширина штрихов мир соответствует угловому или пространственному разрешению системы наблюдения, а цветовые и яркостные характеристики штрихов соответствуют усредненным цветовым и яркостным характеристикам объекта и фона.
2. Подготовка лабораторного комплекса к проведению эксперимента
В генератор аэрозоля помещают предварительно взвешенную навеску АОС.
В зависимости от условий эксперимента осветительный блок размещают в требуемом положении относительно аэрозольной камеры. С использованием реостата на осветительный блок подают напряжение, обеспечивающее необходимую освещенность аэрозольной камеры. Значения освещенности определяют люксметром.
Для определения массовой концентрации аэрозоля в камере в аллонжи пробоотборника помещают аэрозольные фильтры АФА-ВП-20, изготовленные из перхлорвинилового фильтрующего материала ФП (фильтр Петрянова) и имеющие рабочую поверхность 20 см2 [5]. Массовую концентрацию аэрозоля в камере определяют весовым способом (посредством улавливания фильтром аэрозольных частиц из определенного объема воздуха и последующего определения веса уловленного осадка).
С использованием устройства осушения (увлажнения) в аэрозольной камере создается необходимая влажность воздуха, значения которой определяют психрометром.
На монитор выводят заранее подготовленные тестовые изображения и осуществляют предварительную видеозапись исходной мишенной обстановки без аэрозоля. Одновременно проверяют работоспособность всей регистрирующей аппаратуры.
3. Ход эксперимента
Помещенную в генератор аэрозоля навеску АОС переводят в аэрозольное состояние. Полученный аэрозоль в ходе всего эксперимента равномерно распределяют в объеме аэрозольной камеры с использованием электрического вентилятора.
На монитор выводят тестовые изображения (штриховые миры) и осуществляют их видеорегистрацию через заполненную аэрозолем камеру. Процесс регистрации контролируют по выводимому с видеокамеры на монитор ЭВМ изображению. Одновременно осуществляют отбор пробы аэрозоля на фильтр и определяют значения освещенности и влажности в аэрозольной камере.
После видеозаписи всех тестовых изображений регистрирующую аппаратуру выключают, проветривают аэрозольную камеру и производят очистку внутренних поверхностей стеклянных стенок.
4. Обработка результатов эксперимента
На видеокадрах, полученных по материалам видеозаписи, с использованием специальной программы обработки рассчитывают с использованием уравнения (5) отдельно для каждого вида мир, отличающихся шириной и цветом штрихов, значения контрастов Kизм в контрольных точках в каждом из трех спектральных каналов RGB, на трассах наблюдения различной длины в условиях применения аэрозоля и нормируют их на значения истинного контраста К, рассчитанные в условиях отсутствия аэрозоля по уравнению (6).
где В'об - регистрируемая видеокамерой яркость маскируемого объекта (яркость штриха миры, эквивалентного объекту), Вт/(м2·ср);
B'ф - регистрируемая видеокамерой яркость фона (яркость штриха миры, эквивалентного фону), Вт/(м2·ср);
BАЭЗ - яркость аэрозольной завесы, Вт/(м2·ср).
где Bоб - исходная яркость маскируемого объекта (яркость штриха миры, эквивалентного объекту), Вт/(м2ср);
Вф - исходная яркость фона (яркость штриха миры, эквивалентного фону), Вт(м2·ср).
Яркости аэрозольной завесы ВАЭЗ и регистрируемые видеокамерой яркости маскируемого объекта и фона В'об(ф) рассчитываются по уравнениям (7), (8) соответственно.
где δрас - сечение рассеяния излучения в диапазонах работы видеокамеры RGB сферической частицей массой m, м2;
γ - относительное угловое распределение излучения, ср-1;
С - массовая концентрация аэрозоля, г/м3;
l - длина трассы наблюдения, проходящая через слой аэрозоля, м;
Iпад - падающий на аэрозоль поток излучения, Вт/м2.
где δосл - сечение ослабления излучения в диапазонах работы видеокамеры RGB сферической частицей массой m, м2.
Таким образом, с использованием уравнения (9) получают значения коэффициента снижения контраста Ксн.к., обусловленного присутствием на линиях визирования маскирующего аэрозоля.
Далее составляется система из пяти уравнений (10) для каждого вида мир, решаемая ПЭВМ.
С использованием полученных значений коэффициента снижения контраста Ксн.к., значений длин трасс наблюдения на различных направлениях визирования l1-l5 и освещенности в аэрозольной камере Р, методом численного перебора из известной области допустимых значений δпог, δрас, С, ПЭВМ с минимальной допустимой погрешностью эксперимента выдает истинную массовую концентрацию аэрозоля в камере и области значений массовых сечений поглощения и рассеяния (в м2/г) в каждом из спектральных каналов RGB, при которых система уравнений имеет решение. Сумма рассчитанных значений этих параметров эквивалентна значению массовой маскирующей способности.
Далее с использованием полученного значения истинной массовой концентрации аэрозоля в камере производится расчет значений осажденной плотности аэрозоля на трассах наблюдения различной длины, необходимых для осуществления эффективной маскировки с целью предотвращения обнаружения, распознавания либо идентификации объекта.
Техническим результатом предлагаемого изобретения являются:
- возможность определения в рамках одного эксперимента значений осажденной плотности аэрозоля, позволяющих затруднить (исключить) обнаружение, распознавание либо идентификацию объекта маскировки;
- обеспечение моделирования ситуации аэрозольной маскировки, когда средство наблюдения (поражения) и объект маскировки находятся вне аэрозольной завесы;
- возможность оценки маскирующих характеристик аэрозолей, получаемых при применении жидких и твердых аэрозолеобразующих составов;
- возможность оценки влияния условий освещения на маскирующие свойства аэрозольных завес;
- оценка влияния влажности на маскирующие свойства аэрозолей, создаваемых из гигроскопических веществ;
- возможность оценки применения цветных аэрозолей для маскировки объектов на различных подстилающих поверхностях.
Также к достоинствам данного способа относится то, что он позволяет значительно сократить количество экспериментов по оценке маскирующих свойств аэрозолей, и то, что для получения аэрозольных завес в аэрозольной камере используются небольшие навески АОС (массой до 1 г).
Источники информации
1. Боевой устав войск РХБ защиты. Часть 2. Рота, взвод, отделение. - М.: Военное издательство, 2005 - 240 с.
2. Седунов Ю.С. и др. Атмосфера. Справочник. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991 - 512 с.
3. Патент на изобретение № 2130171, Россия, от 14.06.1995 г. «Способ фотометрического определения количества анализируемого вещества с использованием видеоизмерительного комплекса».
4. Карасик В.Е. Лазерные системы видения: учеб. пособие / В.Е.Карасик, В.М.Орлов. - М.: изд. МГТУ имени Н.Э.Баумана, 2001 - 352 с.
5. Петрянов И.В. и др. Волокнистые фильтрующие материалы ФП. Серия «Химия». - М.: «Знание», 1968.
Способ определения массовой маскирующей способности характеристик аэрозолей, включающий использование видеоизмерительного комплекса, отличающийся тем, что формируют тестовые изображения в виде штриховых мир, соответствующих угловым размерам, цветовым и яркостным характеристикам объекта, а также цветовым и яркостным характеристиками фона, на котором расположен объект, ширина которых соответствует угловому или пространственному разрешению системы наблюдения, осуществляют видеорегистрацию тестовых изображений на линиях визирования различной длины через заполненную аэрозолем камеру, выполненную в форме треугольной призмы, по полученным видеоизображениям рассчитывают значения контрастов в контрольных точках в каждом из трех каналов RGB на трассах наблюдения различной длины в условиях применения аэрозоля, нормируют их на значения истинного контраста, рассчитанные в условиях отсутствия аэрозоля, и получают коэффициенты снижения контраста, по которым судят о значении массовой маскирующей способности.
