STANOVENÍ MINIMÁLNÍHO ROZLIŠITELNÉHO TEPLOTNÍHO ROZDÍLU (MRTD) U INFRAČERVENÝCH ZOBRAZOVACÍCH SYSTÉMŮ

Transkript

1 ČESKÝ OBRANNÝ STANDARD STANOVENÍ MINIMÁLNÍHO ROZLIŠITELNÉHO TEPLOTNÍHO ROZDÍLU (MRTD) U INFRAČERVENÝCH ZOBRAZOVACÍCH SYSTÉMŮ Praha

2 (VOLNÁ STRANA)

3 ČESKÝ OBRANNÝ STANDARD STANOVENÍ MINIMÁLNÍHO ROZLIŠITELNÉHO TEPLOTNÍHO ROZDÍLU (MRTD) U INFRAČERVENÝCH ZOBRAZOVACÍCH SYSTÉMŮ Základem pro tvorbu tohoto standardu byl originál následujícího dokumentu: STANAG 4350, Ed. 1 CALCULATION OF MINIMUM RESOLVABLE TEMPERATURE DIFFERENCE (MRTD) FOR THERMAL IMAGING SYSTEMS Stanovení minimálního rozlišitelného teplotního rozdílu (MRTD) u infračervených zobrazovacích systémů Úřad pro obrannou standardizaci, katalogizaci a státní ověřování jakosti Praha 006 3

4 OBSAH Strana 1 Předmět standardu... 5 Nahrazení standardů (norem) Související dokumenty Zpracovatel ČOS Použité zkratky, značky a definice Výpočet MRTD pro systémy infračerveného zobrazování Vzorce MRTD Výpočet NETD Normalizovaná šířka pásma šumu r modulační přenosová funkce systému komponentů Nedostatečné vzorkování a optický klam. 14 4

5 1 Předmět standardu ČOS ,, zavádí STANAG 4350, edice 1, Stanovení minimálního rozlišitelného teplotního rozdílu (MRTD) u infračervených zobrazovacích systémů (Calculation of minimum resolvable temperature difference (MRTD) for thermal imaging systems), do prostředí ČR. Tímto standardem se určují všeobecné technické požadavky k standardnímu stanovení a výpočtu MRTD, k hodnocení a porovnání infračervených zobrazovacích systémů. Nahrazení standardů (norem) Tento standard nenahrazuje žádnou normu nebo standard. 3 Související dokumenty V tomto ČOS jsou normativní odkazy na následující citované dokumenty (celé nebo jejich části), které jsou nezbytné pro jeho použití. U odkazů na datované citované dokumenty platí tento dokument bez ohledu na to, zda existují novější vydání/edice tohoto dokumentu. U odkazů na nedatované dokumenty se používá pouze nejnovější vydání/edice dokumentu (včetně všech změn). ČOS ČOS Dokument NATO DEFINICE JMENOVITÉHO STATICKÉHO DOSAHU INFRAČERVENÝCH ZOBRAZOVACÍCH SYSTÉMŮ MĚŘENÍ MINIMÁLNÍHO ROZLIŠITELNÉHO TEPLOTNÍHO ROZDÍLU (MRTD) U INFRAČERVENÝCH KAMER OPTICAL TRANSFER FUNCTION MEASUREMENT OF IMAGING SYSTEMS (MĚŘENÍ FUNKCE OPTICKÉHO PŘENOSU ZOBRAZOVACÍCH SYSTÉMŮ) 4 Zpracovatel ČOS VOP-06 Šternberk, s.p., divize VTÚO Brno, Ing. Eugen Olgyai. 5 Použité zkratky, značky a definice D p * hodnota detektivity f ohnisková vzdálenost [mm] vlnová délka [m] MRTD minimální rozlišitelný teplotní rozdíl modulační přenosová funkce NETD hodnota teplotního rozdílu odpovídající šumu [K] r prostorová frekvence [mrad -1 ] 5

6 6 Výpočet MRTD pro systémy infračerveného zobrazování Úvodní pojednání o veličině MRTD je obsahem ČOS ,. Pro výpočet jmenovitého statického dosahu je potřeba určit horizontální MRTD (MRTD h ) a vertikální MRTD (MRTD v ). 6.1 Vzorce MRTD π.kt MRTDh (r) r.netd DASv.vs. rxh.δr h ( r) te.f r.η. fn yh 1/ π.kt MRTDv (r) r.netd DASv.vs. rxv.δr v( r) te.f r.η. fn yv 1/ k T = prahový poměr signálu k šumu (=,5), DAS V = vertikální zorné pole detektoru [mrad], v s = úhlová rychlost snímání [mrad.s -1 ], t e η F r NETD Δf n = integrační doba oka (0, s), = poměr překrytí zorného pole detektoru a vzdálenosti mezi řádky, = snímkový kmitočet [Hz], = hodnota teplotního rozdílu ekvival. k šumu signálu [K], = ekvivalentní šumová šířka pásma [Hz], Δr xh, Δr yh, Δr xv, Δr yv = normalizovaná šumová šířka pásma odpovídající h v jednomu proužku a orientaci ve směru osy x a y, = horizontální modulační přenosová funkce (), = vertikální modulační přenosová funkce (). Poznámka 1): V celém textu byl použit následující postup pro možnost výběru jednotek uvedených v hranatých závorkách: Stanoveným veličinám, na příklad Dp*, byly ponechány jejich obvyklé jednotky, v tomto případě [W -1.cm.Hz 1/ ]. Zbývající jednotky v rovnicích byly vybrány tak, aby dávaly správné numerické výsledky. 6

7 6. Výpočet NETD (hodnota teplotního rozdílu ekvivalentní k šumu signálu) ČOS NETD (ab) 4. F.( f ) 1 / n 1 / 1 /. n s 0.. M F = F clonové číslo objektivu = f / D, D = průměr vstupní pupily objektivu [mm], a, b = vertikální a horizontální rozměr detektoru [cm], n s τ o = počet detektorů, = transmitance optického systému, M * = πwd p * [Hz 1/.cm -1.K -1 ], D p * Δf n = hodnota detektivity vztahující se ke chlazenému krytu detektoru pro dané F a teplotu pozadí [W -1.cm.Hz 1/ ], = ekvivalentní šumová šířka pásma [Hz]. Poznámka ): Při určování NETD může Δf n záviset také na kmitočtové charakteristice měřicího systému. f n S(f) s 0 max ( ) N df S(f) = spektrální výkonová hustota šumu [V Hz -1 ], S max = maximální hustota šumu pro frekvenci měření Dp* [V Hz -1 ], N = součin elektronických : el. b. L(,T) W R T 1 n ( )d L (λ, T) R n (λ) = spektrální zářivost absolutně černého tělesa při teplotě T [W.cm -.sr -1.μm -1 ], = normalizovaná spektrální citlivost detektoru. 7

8 6.3 Normalizovaná šířka pásma šumu Δr Pro horizontální MRTD: r xh r A r 0 S S g g g sinc R e max g r dg r Pro vertikální MRTD: r yh xv r r 7 r 7 r 0 0 S S sc g g 7g sinc dg r g sinc R max 7g dg r g = integrační proměnná, A = normalizovaná konstanta (=1,75) k získání Δr x (r) = 1 S(g) R SC pro střední frekvence, = spektrální šumová hustota (N.B: f = v s. r), = zařízení ve směru snímání a za detektorem: zpravidla el. b. m, = zařízení kolmo ke směru snímání a za detektorem: zpravidla b,v. m. 6.4 modulační přenosová funkce systému r yv r g g systému je součin všech částí systému včetně lidského pozorovatele. Horizontální a vertikální se liší, neboť hodnoty parametru mnoha komponentů se v různých směrech liší (např. velikost detektorů), nebo protože některé komponenty pracují pouze v jednom směru (např. elektronická pouze ve směru snímání). Pro infračervený zobrazovací systém platí: a) horizontální je typicky dána následujícím vztahem: h = o,h. d,h. i. el. b,h. m,h. e. s. st,h. D/A b) vertikální je typicky dána následujícím vztahem: A r 0 sc e sinc g r dg 8

9 o d i el b m e s st D/A v = o,v. d,v. b,v. m,v. e. st,v = přední části optického systému, = detektoru, = integrujících prvků, = elektronických obvodů, = zesílení kontrastu, = displeje, = oka, = synchronizační chyby, = stabilizační chyby, = převodníku D/A. V následujících odstavcích jsou uvedeny vzorce a technické podmínky pro výpočet často používaných komponentů. Tyto vzorce by se měly používat pouze tehdy, když nejsou k dispozici žádné specifické údaje o komponentů A) přední části optického systému o a) Difrakčně omezený optický systém s kruhovou vstupní pupilou bez překážky: D o r r r arccos D D = průměr vstupní pupily [mm]. 1 r D U infračervených zobrazovacích systémů v oblasti spektra (8 1) μm nahraďte λ = 10 μm. U infračervených zobrazovacích systémů v oblasti spektra (3,0 5,5) μm nahraďte λ = 4,5 μm. U infračervených zobrazovacích systémů v oblasti spektra (3,0 4,) μm nahraďte λ = 3,8 μm. b) Difrakčně omezený optický systém se středovou překážkou nebo s pravoúhlým otvorem: Dle STANAG 4350 viz např. Lloyd, Thermal Imaging Systems, obr. 3. a 3.3. c) vyvolaná aberací: o,a = ( o ) q 9

10 o = difrakčně omezená, q = aberační konstanta; q > 1. B) detektoru d B.1) Diskrétní detektory a) respektující velikost detektoru: U pravoúhlého (obdélníkového) detektoru: d, s r DAS = úhlová velikost detektoru v horizontálním nebo vertikálním směru [mrad]. b) respektující okamžitou odezvu detektoru (pouze ve směru snímání): sin r DAS r DAS d, t r 1 r v 1 f gr sc : v sc = rychlost snímání [mrads -1 ], f gr = mezní frekvence detektoru [Hz]. c) Když se do úvahy vezmou odpovídající hodnoty DAS v obou směrech, bude horizontální a vertikální detektoru: d,h = d,s. d,t d,v = d,s B.) Detektory SPRITE a) respektující velikosti detektoru: l d, s r r l sin f r l f = délka čtecí zóny nebo šířka detektoru [μm]. 10

11 b) respektující difuzní složku (pouze ve směru snímání): Q a d, diff = difuzní délka [μm]. r c) Když jsou dány odpovídající hodnoty v obou směrech, bude horizontální a vertikální detektoru: d,h = d,s. d,diff d,v = d,s 1 r Q 1 f a C) integrujících prvků i U vzorkovaných systémů s omezenou dobou integrace pro každý vzorek (pouze ve směru snímání): t i r = doba integrace pro každý vzorek [s], v sc = rychlost snímání [mrad.s -1 ]. V důsledku vzorkování může dojít k optickému klamu (viz kapitola 7). D) elektronických obvodů el i sin r ti v r t v Tato platí pouze ve směru snímání. Pro Butterworthův filtr typu dolní propust n-tého řádu je : i sc sc el r 1 r v 1 f gr sc n f gr = mezní frekvence filtru (bod v úrovni poklesu -3dB) [Hz], v sc = rychlost snímání [mrad.s -1 ], n = řád filtrů; n = 1: jediný RC filtr. 11

12 E) zvětšení kontrastu b a) Pokud se zvětšení kontrastu provádí analogovými obvody, funguje pouze ve směru snímání. je možné popsat následovně: b K 1 r 1 1 cos rb, pokud r<r b K b = 1, pokud r>r b = koeficient zesílení (bezrozměrná veličina), r b = prostorová frekvence maximálního zesílení [mrad -1 ]. b) S digitálními obvody je možné používat zesílení kontrastu ve směru snímání i v kolmém na něj. Digitální zesílení kontrastu je možné také popsat pomocí, která musí být vytvořena podle použitého algoritmu. F) převodníku D/A D/A D/ A sin r as r a s a s = vzdálenost převodníku D/A pro daný vzorek, vztažená k velikosti objektu [mrad]. G) displeje m a) LED displej Je-li LED displej pravoúhlého formátu potom: m r α 1 = horizontální nebo vertikální rozměr LED ve vztahu k velikosti objektu [mrad]. b) Displej CRT Je-li profil obrazového bodu gaussovský, bude mít následující tvar: m sin r 1 r r exp r 1 c 1

13 ČOS c = standardní odchylka rozložení intenzity zobrazeného bodu ve vztahu k velikosti objektu [mrad ]. Poznámka 3): Pro kruhové body jsou horizontální a vertikální stejné. H) oka e e r r ln rc exp = 0,85, r c = prostorová frekvence vrcholové hodnoty oka: r c 0,055log L [mrad] d 0,14 L d = jas displeje [cd.m - ] normálně používaná hodnota L d = 100 cd.m - dá r c = 0,5 mrad -1. J) chyby synchronizace rozkladu s Tato funguje pouze ve směru snímání: s r exp.(.. r) s = standardní odchylka chyby synchronizace ve vztahu k velikosti objektu [mrad]. s K) chyby stabilizace st st r exp.(.. r) st st = standardní odchylka chyby stabilizace v horizontálním nebo vertikálním směru ve vztahu k velikosti objektu [mrad]. 13

14 7 Nedostatečné vzorkování a optický klam (chyba vzniklá vzorkováním) Pokud infračervený systém nedostatečně vzorkuje, není vždy systému a tím i MRTD definována v celém rozsahu frekvencí (Viz přílohu dokumentu NATO: Měření funkce optického přenosu zobrazovacích systémů (Optical Transfer function Measurement of Imaging Systems)). Zde se však předpokládá, že postup výpočtu pro MRTD je možno použít, jestliže účinky optického klamu, které vyplývají z nedostatečného vzorkování, nejsou na displeji zjevné. Lze předpokládat, že se jedná o případ, kdy pro směry, v nichž dochází k diskrétnímu vzorkování, je signál optického klamu (viz níže) v pásmu užitečné prostorové frekvence (viz níže) menší než 0 % původní systému (viz níže) a menší než 0,1. Signál optického klamu je definován jako vstupní zařízení (včetně objektivu, detektoru atd.), vychýlený zpět při vzorkovací frekvenci a vynásobený rekonstrukce obrazu (elektroniky, displeje atd.). Horní limit rozsahu užitečné prostorové frekvence je dán nejvyšší prostorovou frekvencí, která je potřebná ke splnění požadovaného úkolu. Původní systému je systému, k níž by se došlo, kdyby nebylo přítomno žádné vzorkování. 14

15 (VOLNÁ STRANA) 15

16 Účinnost českého obranného standardu od: 0. října 006 Opravy: Oprava číslo Účinnost od Opravu zapracoval Datum zapracování Mgr. Adam Jobánek VVÚ Brno, s.p Poznámka U p o z o r n ě n í : Oznámení o českých obranných standardech jsou uveřejňována měsíčně ve Věstníku Úřadu pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví v oddíle Ostatní oznámení a Věstníku MO. V případě zjištění nesrovnalostí v textu tohoto ČOS zasílejte připomínky na adresu distributora. Rok vydání: 006, obsahuje 8 listů Tisk: Ministerstvo obrany ČR Distribuce: Odbor obranné standardizace Úř OSK SOJ, nám. Svobody 471, Praha 6 Vydal: Úřad pro obrannou standardizaci, katalogizaci a státní ověřování jakosti NEPRODEJNÉ 16