Метод визначення ймовірності розпізнавання об’єктів спостереження поляриметричним тепловiзором

Thermal imaging observation systems are one of the important means of increasing the efficiency of security systems and military target observation systems, as they are able to work passively day and night, under adverse weather conditions of observation. In many cases, it is quite difficult to detect the target, and even more so to recognize it, with low background-target contrast. To increase the probability of target recognition, as well as to reduce false alarms, they began to actively conduct research and develop thermal imagers, in which the carrier of information is the polarization properties of target and background radiation.The purpose of the article is to develop a new method for determining the probability of recognition of observation objects by a polarimetric thermal imager (PTI), the research of which will allow to significantly expand the practical application of such thermal imagers.The mathematical model of PTI and an algorithm for obtaining polarimetric images using Stokes parameters have been developed. The dependence of the target recognition probability Pr on the degree of polarization P of the radiation of the target, which is located on the natural background, is established. An example of calculating the probability of detection target by PTI is considered, which indicates that the probability of target recognition depends significantly on the degree of polarization of its radiation, provided that it is located on a background with unpolarized radiation.For example, the probability of recognition is Pr=50%, when the degree of polarization of target radiation is P=9%. If P=16%, then Pr=90%. If there is no contrast between the natural radiation of the target and the background, the signal-to-noise ratio at the PTI output will be 1.8, and the probability of recognition will be Pr=90%. This feature of PTI operation significantly increases the efficiency of its use.Тепловізійні системи спостереження є одним із важливих засобів підвищення ефективності охоронних систем і військових систем спостереження за цілями, так як вони здатні пасивно працювати вдень і вночі, за несприятливих погодних умов спостереження. В багатьох випадках за низького контрасту фоново-цільової обстановки виявити ціль, а тим більше її розпізнати, достатньо складно. Для підвищення ймовірності розпізнавання цілі, а також для зменшення помилкової тривоги, розпочали активно проводити дослідження і розробляти тепловізори, в яких носієм інформації є поляризаційні властивості випромінювання цілі і фону. Метою статті є розробка нового методу визначення ймовірності розпізнавання об’єктів спостереження поляриметричним тепловізором (ПТ), дослідження якого дозволить значно розширити практичне застосування таких тепловізорів. Розроблена фізико-математична модель ПТ і алгоритм отримання поляриметричних зображень за допомогою параметрів Стокса. Встановлена залежність ймовірності розпізнавання цілі Pr від ступеня поляризації P випромінення цілі, яка розташована на природньому фоні. Розглянуто приклад розрахунку ймовірності виявлення цілі ПТ, який свідчить про те, що ймовірність розпізнавання цілі істотно залежить від ступеня поляризації її випромінювання, за умови, що вона знаходиться на фоні, що має неполяризоване випромінювання. Наприклад, ймовірність розпізнавання дорівнює Pr=50%, коли ступінь поляризації випромінювання цілі P=9%. Якщо P=16%, то Pr=90%. У випадку відсутності контрасту між природніми випромінюванням цілі і фону відношення сигнал/шум на виході ПТ буде дорівнювати 1.8, а ймовірність розпізнавання – Pr=90%. Така особливість роботи ПТ значно підвищує ефективність його застосування

Вплив ймовірності розпізнавання об’єкта тепловізором на максимальну дальність спостереження

The main function of thermal imaging systems is to detect and recognize objects (targets) with a given probability. One of the main characteristics of such thermal imagers is the maximum range of observation at a given probability of recognition. Many monographs and articles have been devoted to the development and research of goal recognition processes, in which methods of calculating the maximum recognition range (MRR) are proposed, based on Johnson's criterion for a probability of recognition of 50%. For the practical application of thermal imaging surveillance systems (TISS) it is necessary to know the MRR for a given probability of recognition.The purpose of this article is to develop a method for calculating of the maximum recognition range in real conditions using TISS at a given probability of recognition.A method for calculating MRR targets in real conditions with a given probability of recognition, which is based on the proposed model of image formation in the thermal imaging monocular, has been developed. It is proposed to consider TISS, the maximum range of which is limited by the contrast of the image or the system's own noise. The model of thermal imaging monocular is considered, which takes into account the parameters of the object of observation, atmosphere, lens, radiation detector, display, eyepiece and visual analyzer of the operator. The proposed model allowed to develop methods for calculating MRR for given recognition probabilities. The equations obtained for the calculation of the MRR for TISS, which are limited by the contrast of the image or the intrinsic noise of the system. An example of calculating the MRR of a thermal imaging monocular is considered.Главной функцией тепловизионных систем наблюдения является обнаружение и распознавание объектов (целей) с заданной вероятностью. Одной из основных характеристик таких тепловизоров есть максимальная дальность наблюдения при заданной вероятности распознавания. Разработке и исследованию процессов распознавания целей посвящены многие монографии и статьи, в которых предложены методы расчета максимальной дальности распознавания (МДР) на основе критерия Джонсона для вероятности распознавания 50%. Для практического применения тепловизионных систем наблюдения (ТПСН) необходимо знать МДР по заданной вероятности распознавания.Целью данной статьи является разработка метода расчета максимальной дальности распознавания целей в реальных условиях с помощью ТПСН при заданной вероятности распознавания.Разработан метод расчета МДР целей в реальных условиях при заданной вероятности распознавания, основанный на предложенной модели формирования изображения в тепловизионном монокуляре. Предложено рассматривать ТПСН, максимальная дальность действия которых ограничена контрастом изображения или собственными шумами системы. Рассмотрена модель тепловизионного монокуляра, учитывающая параметры объекта наблюдения, атмосферы, объектива, приемника излучения, дисплея, окуляра и зрительного анализатора оператора. Предложенная модель позволила разработать методы расчета МДР для заданных вероятностей распознавания. Получены уравнения для расчета МДР для ТПСН, ограниченные контрастом изображения или собственным шумом системы. Рассмотрен пример расчета МДР тепловизионного монокуляра.Головною функцією тепловізійних систем спостереження є виявлення і розпізнавання об’єктів  (цілей) з заданою ймовірністю. Однією з основних характеристик таких тепловізорів є максимальна дальність спостереження при заданій ймовірності розпізнавання. Розробці і дослідженню процесів розпізнавання цілей присвячено багато монографій і статей, в яких запропоновані методи розрахунку максимальної дальності розпізнавання (МДР) на основі критерію Джонсона для ймовірності розпізнавання 50%. Для практичного застосування тепловізійних систем спостереження (ТПСС) необхідно знати МДР за заданою ймовірністю розпізнавання. Метою даної статті є розробка методу розрахунку максимальної дальності розпізнавання цілей в реальних умовах за допомогою ТПСС при заданій ймовірності розпізнавання. Розроблено метод розрахунку МДР цілей в реальних умовах  при заданій ймовірності розпізнавання, який ґрунтується на запропонованій моделі формування зображення в тепловізійному монокулярі.  Запропоновано розглядати ТПСС, максимальна дальність дії яких обмежена контрастом зображення або власними шумами системи. Розглянута модель тепловізійного монокуляра, яка враховує параметри об’єкта спостереження, атмосфери, об’єктива, приймача випромінювання, дисплея, окуляра і зорового аналізатора оператора. Запропонована модель дозволила розробити методи розрахунку МДР при заданих ймовірностях розпізнавання. Отримані рівняння для розрахунку МДР для ТПСС, що обмежені контрастом зображення або власним шумом системи. Розглянуто приклад розрахунку МДР тепловізійного монокуляра

Методическая погрешность оптического спектроанализатора проблематика

Проблематика. Когерентні оптичні спектроаналізатори мають широке застосування в системах обробки інформації. В основі роботи таких спектроаналізаторів лежить скалярна теорія дифракції Френеля, яка наближено описує поширення світла в параксіальній області. В роботі досліджується методична похибка оптичного спектроаналізатора, яка обумовлена наближенням Френеля. Мета дослідження. Метою роботи є дослідження методичної похибки оптичного спектроаналізатора, яка зумовлена наближенням Френеля, з метою визначення допустимих похибок вимірювання просторової частоти в спектрі сигналу. Методика реалізації. На основі фізико-математичної моделі когерентного спектроаналізатора досліджено методичну похибку у визначенні просторової частоти, яка виникає в результаті переходу від поширення світла у вільному просторі до дифракції Френеля. Результати дослідження. Отримано рівняння для розрахунку абсолютної і відносної похибок вимірювання залежно від кута дифракції світла, що дало змогу визначити обмеження спектральної області для заданої відносної похибки вимірювання просторової частоти. Встановлено, що наближення Френеля в межах кута дифракції від 0° до 10° забезпечує відносну похибку менше 1,5 %. У той же час при куті дифракції 20° вона становить 6,4 %. Висновки. Відомі фундаментальні дослідження меж застосування скалярної теорії дифракції, які визначають просторову область, де справедливе рівняння дифракції Френеля. В той же час відсутні дослідження методичної похибки оптичного спектроаналізатора, яка зумовлена наближенням Френеля. Отримано рівняння для абсолютної методичної похибки вимірювання просторової частоти, яке залежить від параметрів компонентів спектроаналізатора. Це рівняння можна використовувати для компенсації методичної похибки при комп’ютерній обробці вихідного сигналу спектроаналізатора.Background. Coherent optical spectrum analyzers are widely used in information processing systems. The principle of operation of spectrum analyzers is based on the scalar theory of Fresnel diffraction, which approximately describes the propagation of light in the paraxial range. This article examines the systematic error of the optical spectrum analyzer, which is caused by the Fresnel approximation. Objective. The aim is the investigation of the optical spectrum analyzer systematic error, which is caused by the Fresnel approximation, to determine the allowable errors of measurement of the spatial frequency of the signal spectrum. Methods. On the basis of physical and mathematical model of coherent spectrum analyzer systematic error in determining the spatial frequency is investigated, which arises as a result of the transition from the propagation of light in free space to the Fresnel diffraction. Results. An equation for calculating the absolute and relative measurement errors depending on the angle of diffraction of light is obtained, which allowed us to determine the limits of the spectral range for a given relative error of measurement of the spatial frequency. It is found that the Fresnel approximation within the diffraction angle from 0° to 10° provides a relative error less than 1,5 %. At the same time at a diffraction angle of 20°, it is 6,4 %. Conclusions. There are fundamental limits to investigation of the application limits of the scalar theory of Fresnel diffraction, which determine the spatial range, where is the Fresnel equation. At the same time, there is no investigation of the optical spectrum analyzer systematic error, which is caused by the Fresnel approximation. An equation for the absolute systematic error of measurement of the spatial frequency, depending from elements parameters of the spectrum analyzer is obtained. This equation can be used to optimize the parameters of the spectrum analyzer, as well as to compensate for systematic error by the computer processing of the output signal of the spectrum analyzer.Проблематика. Когерентные оптические спектроанализаторы находят широкое применение в системах обработки информации. В основе работы таких спектроанализаторов лежит скалярная теория дифракции Френеля, которая приближенно описывает распространение света в параксиальной области. В данной статье исследуется методическая погрешность оптического спектроанализатора, которая обусловлена приближением Френеля. Цель исследования. Целью работы является исследование методической погрешности оптического спектроанализатора, которая обусловлена приближением Френеля, с целью определения допустимых погрешностей измерения пространственной частоты в спектре сигнала. Методика реализации. На основе физико-математической модели когерентного спектроанализатора исследована методическая погрешность определения пространственной частоты, которая возникает в результате перехода от распространения света в свободном пространстве к дифракции Френеля. Результаты исследования. Получено уравнение для расчета абсолютной и относительной погрешностей измерения в зависимости от угла дифракции света, что позволило определить ограничения спектральной области для заданной относительной погрешности измерения пространственной частоты. Установлено, что приближение Френеля в пределах угла дифракции от 0° до 10° обеспечивает относительную погрешность меньше 1,5 %. В тоже время при угле дифракции 20° она составляет 6,4 %. Выводы. Известны фундаментальные исследования пределов применения скалярной теории дифракции, определяющие пространственную область, где справедливо уравнение дифракции Френеля. В тоже время отсутствуют исследования методической погрешности оптического спектроанализатора, которая обусловлена приближением Френеля. Получено уравнение для расчета абсолютной методической погрешности измерения пространственной частоты, зависящей от параметров компонентов спектроанализатора. Это уравнение можно использовать для оптимизации параметров спектроанализатора, а также для компенсации методической погрешности при компьютерной обработке выходного сигнала спектроанализатора

DESIGN OF THE MULTIORDER INTRAOCULAR LENSES

Intraocular lenses (IOLs) are used to replace the natural crystalline lens of the eye. Just few basic designs of IOLs are used clinically. Multiorder diffractive lenses (MODL) which operate simultaneously in several diffractive orders were proposed to decrease the chromatic aberration. Properties analysis of MODL showed a possibility to use them to develop new designs of IOLs. The purpose of this paper was to develop a new method of designing of multiorder intraocular lenses with decreased chromatic aberration. The theoretical research of the lens properties was carried out. The diffraction efficiency dependence with the change of wavelength was studied. A computer simulation of MODL in a schematic model of the human eye was carried out. It is found the capability of the multiorder diffractive lenses to focus polychromatic light into a segment on the optical axis with high diffraction efficiency. At each point of the segment is present each component of the spectral range, which will build a color image in combination. The paper describes the new design method of intraocular lenses with reduced chromaticism and with endless adaptation. An optical system of an eye with an intraocular lens that provides sharp vision of objects located at a distance of 700 mm to infinity is modeled

Применение вейвлет преобразования в оптике

Досліджено можливість застосування математичного апарату вейвлет перетворення в оптиці та запропоновано нові автоматизовані методи вимірювання аберацій оптичних систем.The possibility of application of wavelet transform in optics had been investigated. The new computer assisted methods of measurement of aberrations of optical systems had been developed.Исследована возможность применения математического аппарата вейвлет преобразования в оптике и предложены новые автоматизированные методы измерения аберраций оптических систем

Разработка универсальных вейвлет-базисов для задач повышения качества изображения

Розроблено нові універсальні базиси вейвлет перетворення для застосування в задачах підвищення якості зображення. Розроблені вейвлет-базиси залежать від конструктивних параметрів системи, що дозволяє підвищити швидкодію алгоритмів обробки зображення.The methods of design of wavelet basis functions had been investigated. The new wavelet basis compatible to optical system parameters had been developed.Исследована методика построения базисных функций для вейвлет-преобразования, разработаны универсальные базисы, согласованные с конструктивными параметрами оптических систем

Анализ разрешающей способности цифровых камер на основе геометрической шумовой полосы пропускания

Запропоновано новий підхід до визначення просторового розділення оптичних та оптико-електронних приладів, що створюють зображення, який грунтується на геометричній шумовій смузі пропускання GNBW. Отримано співвідношення, що дозволяють розрахувати класичні розділення, якщо відома геометрична смуга GNBW.The digital cameras resolution was investigated by Ge metrical Noise Bandwidth GNBW. The dependence of the resulting diameter of the confusion circle of cameras with film, monochrome and color CCD from the F-number of objective was calculated. The effective application of GNBW for the analyze of image quality in digital cameras was corroborated by the experimental investigatio.Исследована разрешающая способность цифровых камер на основе геометрической шумовой полосы пропускания GNBW. Рассчитана зависимость диаметра кружка рассеяния камеры с фотоплёнкой, монохромным и цветным ПЗС-приемниками от диафрагменного числа объектива. Экспериментальные исследования подтвердили эффективность применения геометрической полосы GNBW для оценки качества изображения в цифровых камерах

Проектирование дифракционного зеркала сферической формы

У роботі пропонується метод проектування дифракційних дзеркал сферичної форми, які за якістю зображення наближаються до асферичних дзеркал. Процес проектування оснований на використанні закону відбивання для визначення геометричних параметрів зон Френеля. Отримано вирази, що описують профіль дзеркала для різних типів канавок (плоскі, сферичні, параболічні), а також проаналізовано їх вплив на якість фокусування світла. Наведені приклади профілю дзеркал з різними типами канавок, розраховані на основі даного методу. Використовуючи принципи побудови дифракційних дзеркал, запропоновані в даній статті, можна отримати вирази для знаходження геометричних параметрів дзеркального мікропрофілю нанесеного не тільки на сферичну, а і на поверхню довільної форми, що за своєю дією аналогічний асферичному дзеркалу.In this paper we propose method for diffractive spherical mirrors designing which are close to the image quality of the aspheric mirrors. The design process is based on the law for the geometric parameters determination of Fresnel zones. Obtained expressions describes the mirrors profile of the different types of grooves (flat, spherical, parabolic), and their influence on the quality of focusing light. We present the examples of mirrors profile with different types of flutes, based on this method. Also, expressions for the geometrical parameters of the micro mirror profile can be obtained by using principles of diffraction mirror proposed in this paper. With these expressions, we can construct a microprofile that can be applied not only on spherical but also on the freeform surface, which is similar to effect of aspherical mirrors.В работе предлагается метод проектирования дифракционных зеркал сферической формы, которые по качеству изображения приближаются к асферическим зеркалам. Процесс проектирования основан на использовании закона отражения для определения геометрических параметров зон Френеля. Получены выражения, описывающие профиль зеркала для разных типов канавок (плоских, сферических параболических), а также проанализировано их влияние на качество фокусирования света. Приведены примеры профиля зеркал с разными типами канавок, рассчитанные на основе данного метода. Используя принципы построения дифракционных зеркал, предложенные в данной статье, можно получить выражения для нахождения геометрических параметров зеркального микропрофиля нанесенного не только на сферическую, а и на поверхность произвольной формы, который по своему действию аналогичен асферическому зеркалу

Метод восстановления изображений искаженных вибрациями

Розроблено та досліджено методику визначення функції розсіювання точки, обумовленої вібраціями, яка базується на аналізі зображення, спотвореного змазуванням, за допомогою вейвлет-перетворення. Результати використані для відновлення зображення із застосуванням теорії лінійних систем.The possibility of application of wavelet transform in image processing had been investigated. The new computer assisted method of image deblurring had been developed.Исследована возможность применения математического аппарата вейвлет преобразования для восстановления изображений искаженных вибрациями антисимметричной составляющей звуковой волны, намного меньшей симметричной

Метод комбинированной фильтрации изображений

Запропоновано новий метод обробки зображень із неоднорідними характеристиками фонового випромінювання. В процесі роботи досліджено метод фільтрації зображень на основі аналізу компонентів розкладу вейвлет-перетворення за допомогою методу повної варіації функції. Емпіричним методом отримано коефіцієнти фільтрації для виділення об’єктів малого розміру в залежності від текстурного наповнення фону. Отримані результати перевірено за допомогою математичного моделювання. Подальші дослідження мають забезпечити виявлення об’єктів в зонах поділу середовищ.A new approach to image enhancement in presence of nonuniform clutter distribution has been developed. The analysis is performed over the wavelet decomposition by applying total variation denoising method. The value of the thresholding coefficients versus background texture for small object detection has been empirically obtained. The results were tested by means of mathematical modeling. The further research must provide the detection of objects near the border of different clutters.Предложен новый метод обработки изображений с неоднородными характеристиками фонового излучения. В процессе работы исследован метод фильтрации изображений на основе анализа компонентов разложения вейвлет-преобразования при помощи метода полной вариации функции. Эмпирическим путем получены коэффициенты фильтрации для выделения малоразмерных объектов в зависимости от текстурного наполнения фона. Полученные результаты проверены при помощи математического моделирования. Дальнейшие исследования должны обеспечить обнаружение объектов вблизи зон раздела сред