3.6. Побудова дискретної математичної моделі електронного зображення ……

3.7 Синтез оптимального фільтра ………………………………………….…….

4 ОХОРОНА ПРАЦІ…………………………………………...……………...............

4.1 Аналіз небезпечних та шкідливих виробничих факторів у виробничому

приміщенні……………………………………….……………………………..

4.2 Карта умов праці……………………………………………...…………………

4.3 Рекомендації щодо покращення умов праці………………………..…………

4.4 Розрахунок кута розсіювання лазерного променя………………...………….

ВИСНОВКИ………………………………………………………………………........

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ………………………………………………………………..

Додаток А (обов’язковий) Технічне завдання………………………………….....

Додаток Б (обов’язковий) Структурна схема пристрою виявлення………...…...

Додаток В (обов’язковий) Структурна схема пристрою виявлення при

обмеженому часі перебування об’єкту в зоні спостереження …………….........

Додаток Г (обов’язковий) Структурна схема пристрою виявлення об’єкту

методом послідовного аналізу………………………………................................

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ

АД – Амплітудний детектор

АЦП – Аналогово-цтфровий перетворювач

Г – Генератор

К – Корелятор

МДВ – Метеорологічна дальність видимості

ОЕС – Оптико-електронні системи

ПЗЗ – Пристрій з зарядовим зв’язком

ПП – Пороговий пристрій

ПС – Пристрій синхронізації

СОЕС – Системи оптико-електронного спостереження

УФ – Узгоджений фільтр

ВСТУП

Широке практичне використання оптико-електронних систем (ОЕС) стало можливим тільки починаючи з 30-40-х років XX століття, коли були досягнуті перші відчутні результати в технологіях створення оптичних матеріалів для різних діапазонів спектра і, насамперед, у розробці приймачів випромінювання, що володіють високою чутливістю.

Оптико-електронним приладом називають таку структуру, в якій поєднуються оптичні і електричні деталі та в якій найменшу частину приладу, здатну незалежно виконувати функції введення – виведення. Дія оптико-електронних приладів заснована на перетворенні в електричні сигнали оптичного випромінювання, що надходить від спостережуваних об'єктів. Подальша обробка отриманих електричних сигналів забезпечує виділення необхідної інформації про об'єкт спостереження. Пороговою чутливістю оптико-електронного приладу називають той мінімальний потік випромінювання, при якому на виході приладу забезпечується необхідну ставлення корисного сигналу до перешкоди. Узагальнена блок-схема оптико-електронного приладу включає оптичну систему, індикатор оптичних променів і вихідний блок. Оптична система приймає електромагнітне випромінювання і будує зображення сигналу від випромінювача; індикатор оптичних променів здійснює квантово-електронне перетворення, перетворюючи електромагнітний сигнал в сигнал електричного струму. Вихідний блок формує електричний сигнал, за своїми параметрами задовольняє вимогам автоматичної системи. У напівавтоматичних приладах в якості вихідного блоку часто використовується електронно-променева трубка. Основним недоліком оптико-електронних приладів є неможливість працювати в туман, сильний дощ, сніг, через хмари. Тому застосування оптико-електронних приладів досить ефективно на висотах, переважаючих 10 км над рівнем моря, і особливо в космосі.

Загальна характеристика роботи:

Актуальність. Сучасні тенденції в розвитку системи інженерно-технічного контролю (ІТК) охорони державного кордону (ОДК) , свідчать про інтенсивне впровадження системи автоматизованого дистанційного контролю. Невід'ємною частиною цієї системи, є системи оптико-електронного спостереження (СОЕС), що виконують роль джерел первинної інформації про обстановку на ділянці відповідальності. Саме в аспекті створення систем дистанційного автоматизованого контролю за локальними ділянками кордону, на основі радіолокаційних, електронно-оптичних засобів спостереження з використанням сучасних інфрачервоних, сейсмічних та інших датчиків на сьогоднішній день реалізується комплексна програма, що стала одним з найбільш перспективних напрямів інженерного забезпечення[1].

Як показала практика експлуатації СОЕС, її ефективність в значній мірі залежить від рівня автоматизації процесів виявлення порушників (або ознак порушення) законодавства про державний кордон України, оскільки візуальний моніторинг великої кількості інформації виключно оператором, або фізично не можливий, або має низьку ефективність. Це ж саме стосується інших ділянок державного кордону, на яких стрімкими темпами нарощується система дистанційного контролю на основі оптико-електронних засобів, проте не маючи достатньо ефективних елементів автоматизації пошуку та виявлення порушників державного кордону, характеризується низькою ефективністю застосування. Не зважаючи на те, що в радіотехнічних засобах питання автоматичного виявлення цілей вирішується ефективно, в оптико-електронних та тепловізійних системах воно ще потребує вирішення. Така ситуація обумовлена певними особливостями та недоліками систем спостереження. На відміну від загальноприйнятих підходів в системах радіолокаційного спостереження, в умовах ведення оптико-електронного спостереження на відкритих ділянках місцевості з безліччю як динамічних так і статичних об'єктів, задачу виявлення сторонніх об'єктів на зображенні необхідно вирішувати зі значним підвищенням вимог до достовірності, як за показником ймовірності хибної тривоги так і за показником ймовірності пропуску сигналу, оскільки їх ціна однаково висока, при цьому вимоги до правильного виявлення так само підвищенні як і до правильного не виявлення.

Метою бакалаврської дипломної роботи є удосконалення класичних методів аналізу сигналу у оптико-електронних системах спостереження.

Для досягнення цієї мети було:

• Здійснено аналіз класичних методів обробки сигналу.

• Проведено удосконалення алгоритмів обробки.

• Розглянуте оптимальне аналогово-цифрове перетворення інформації у системах оптико-електронного спостереження.

• Синтезовано оптимальний фільтр.

Методи дослідження. При розв’язанні поставлених задач були використані теоретичні та експериментальні дослідження. Теоретичні - засновані на перегляді літературних джерел та вибору оптимальних методів.

Наукова новизна отриманих результатів:

• Удосконалені алгоритми обробки сигналів у оптико-електронних системах спостереження та описані їх переваги та недоліки;

• Оптимізоване аналогово-цифрове перетворення сигналу з ПЗЗ-матриці;

• Розроблено оптимальних фільтр для систем оптико-електронного спостереження.

Особистий внесок автора. Застосування розробленого методу дає змогу значно спростити алгоритми автоматичного виявлення сторонніх об'єктів і підвищити його ефективність.

1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ

5. 1.1 Історичний огляд

6. Дослідження властивостей оптичного випромінювання ведуться дуже давно. Ще в XVIII В.І. Ньютон описав досліди по розкладанню білого світла на квазімонохроматичні складові. Одна з перших теорій, що пояснюють з фізичних позицій спостережувані оптичні явища, була розроблена Декартом (XVII століття) і потім Ньютоном і грунтувалася на уявленні світла як сукупності корпускул - найдрібніших частинок, що поширюються вздовж певних траєкторій - світлових променів. У цей же період з'явилися перші роботи Гюйгенса, в яких була зроблена спроба інтерпретації тих же явищ на основі понять світлової хвилі. Теорія Гюйгенса тривалий час поступалася за популярністю теорії Ньютона і тільки завдяки дослідженням Юнга і Френеля на рубежі XIX століття отримала блискуче підтвердження. До кінця XIX століття Максвелл дав хвилям Френеля електромагнітну інтерпретацію і показав, що всяка світлова хвиля є електромагнітним променем. Теорія Максвелла була блискуче підтверджена дослідним шляхом Герцом.

7. Електромагнітна теорія, узагальнена у вигляді системи диференціальних рівнянь, з'явилася вершиною класичного етапу розвитку оптики.

8. Другий етап тісно пов'язаний з перетвореннями, які оптика зазнала на початку XX століття. У 1905 році Ейнштейн на основі теорії Планка відродив корпускулярну теорію світла в новій формі. У 1916 році він же передбачив, що перехід електрона в атомі з верхнього енергетичного рівня на нижній супроводжується випромінюванням енергії і може відбуватися як спонтанно, так і під дією зовнішніх факторів (індукованим).

9. Ймовірність індукованого випромінювання різко зростає при збігу частоти електромагнітного поля з власною частотою випромінювання збудженого атома. Таким чином, в результаті взаємодії збудженого атома, готового віддати фотон.

10. Успішно підтверджена гіпотеза Планка про квантову природу випромінювання світла і гіпотеза Ейнштейна (1916 р.) у поєднанні з успіхами радіотехніки та потребами практики послужили базою для винаходу оптичних квантових генераторів і народження інтенсивно розвивається нової галузі науки

11. -квантової електроніки.

12. На можливість використання індукованого випромінювання для спостереження негативного поглинання (тобто посилення) речовиною, вперше вказав у 1940 році В.А.Фабрікант.

13. Багато сил інженерами різних країн було витрачено на створення генераторів максимально коротких хвиль. Довжина хвилі найбільш коротких хвиль, отриманих радіотехнічними засобами, становить величину порядку 1000 мкм. Спроби отримати ще більш короткі хвилі натрапили на непереборні труднощі виготовлення мініатюрних резонансних систем, розміри яких повинні бути порядку довжини хвилі[2].

14. Початок основного технологічного прориву в оптичному приладобудуванні слід віднести до 1920-1930 рр.., коли був створений ряд штучних джерел УФ і ІЧ випромінювання. Трохи пізніше з'явилися перші багато каскадні фотопомножувачі, перші фоторезистори, чутливі в ІЧ-області спектра.

15. Успіхи і інтенсивність розробок в області оптоелектроніки (розділу науки і техніки, що досліджує процеси взаємодії оптичного випромінювання з речовиною для передачі, прийому, зберігання і т.і. інформації) в цей та наступний періоди в значній мірі були стимульовані розширенням військових застосувань ОЕС. Тут наприкінці XX століття чітко проявилася тенденція до комплексування в апаратурі одного і того ж призначення декількох каналів, що працюють як в оптичному, так і в радіодіапазоні, що надає вирішальне значення, наприклад, у підвищенні достовірності показань дистанційних систем спостереження або управління, в яких оператору або автомату-дешифратор в кожному конкретному випадку пред'являється взаємодоповнюючий набір інформаційних ознак для прийняття максимально правильного рішення.

17. 1.2 Загальні відомості про оптико-електронні системи спостереження

18. Загальноприйняте визначення процесу спостереження трактується як певна сукупність методів збору інформації, що реалізуються шляхом безпосередньої реєстрації подій, явищ і процесів, які відбуваються в певних умовах. Проте, на сьогоднішній день, це поняття набуває більш широкого значення включаючи різноманітні методи технічного спостереження, що дають змогу за допомогою різноманітних технічних засобів здійснювати реєстрацію і дослідження об'єктів і явищ, недоступних безпосередньому сприйняттю. Таким чином, системою спостереження можна назвати сукупність технічних методів і засобів спостереження за різними об'єктами в оточуючому їх просторі. Спостережувані об'єкти при цьому прийнято назвати сторонніми об'єктами спостереження або просто об'єктами. Технічне спостереження містить у собі виявлення цілей і вимірювання параметрів прийнятого від них сигналу, що характеризує відносне положення і швидкість взаємного переміщення системи спостереження і цілей, а також розміри цілей, їх конфігурацію, орієнтацію і т.д. Цілі спостереження прийнято умовно розділяти на протяжні і точкові. Отримане за допомогою системи спостереження зображення протяжної цілі повторює в певному масштабі форму і розміри самої цілі, які часто і становлять основну інформацію про неї. Усі точкові цілі дають однакові за формою і розмірам зображення. Основною інформацією про точкову ціль є вектор її стану, що включає в себе положення і вектор швидкості. У загальному випадку вектор положення представляється трьома його складовими координатами точкової цілі; вектор швидкості також має три складових.

19. Віддалені малорозмірні цілі зазвичай с точковими . Визначення їхнього вектора стану відносять до завдань дальнього спостереження. У завданнях близького спостереження навіть малорозмірні цілі не можна вважати точковими. Доводиться враховувати кінцеві розміри, конфігурацію і орієнтацію цілі щодо її центру ваги. У результаті цього вектор стану протяжного об'єкта стає вже дванадцятимірним: поряд із шестивимірним вектором стану центру мас, подібним до вектора стану точкової цілі вводиться шестивимірний вектор орієнтації і обертання, що складається відповідно із двох векторів. Вектор орієнтації має три складові, що визначають кутове положення цілі щодо трьох ортогональних осей, які проходять через центр мас, а три складові вектора обертання характеризують кутові швидкості обертання цілі навколо цих осей. Проте, зазначені завдання близького спостереження є частковими і зазвичай розглядаються окремо. Для визначення шестивимірного стану точкової цілі (центру мас) вимірюють координати і їх перші похідні за часом. Система координат, в принципі, може бути довільною. У радіолокації, наприклад, зручно користуватися такими координатами, які мають найбільш простий, лінійний зв'язок з параметрами прийнятої хвилі (електромагнітного поля). Для віддалених цілей кращими координатами є дальність цілі і два кути, що визначають напрямок на неї. Системи спостереження в роки свого виникнення використовувалися в основному для військових цілей. Однак, в міру вдосконалювання подібних систем і накопления досвіду їх практичного використання виявлялися все нові і нові можливості їх застосування як у військових, так і в мирних цілях[3].

20. Незважаючи на велику різноманітність типів систем спостереження, можна виділити деякі загальні ознаки і на їхній основі зробити їх класифікацію. Ознаками класифікації можуть бути: призначення (керування, спостереження, дослідження і т.п.), місце установки (наземні, корабельні, літакові і т.д.), мобільність (стаціонарні, рухомі), а також розміщення апаратури в просторі (однопунктиі, багатопунктні - зі сполученими або рознесеними пунктами прийому і передачі). Однак найбільш важливими ознаками класифікації, що визначають структуру системи спостереження, є наявність джерел випромінювання і вид вимірюваних параметрів.

21. Розглянемо спочатку класифікацію по наявності джерел випромінювання, що використовуються для формування зондуючого сигналу. Сигнал, як носій інформації виникає в результаті певного взаємодії системи спостереження і цілі. Ступінь взаємодії і розподіл функцій між системою і ціллю при формуванні сигналу, можуть бути різними. Залежно від цього розподілу суттєво відрізняються тактичні і інформаційні можливості системи спостереження. Як система спостереження, так і ціль, можуть містити або не містити генераторів деякого інформаційного сигналу. Система або ціль, що мають такі генератори, називають активними, а якщо ні, то їх називають пасивними.

22. Оптико-електронні системи, до яких відносяться також тепловізійні, за основними ознаками відносяться до пасивних систем, оскільки незважаючи на те, що сигнал на вході системи представляє собою віддзеркалену суміш енергії від певного джерела, синхронізувати приймач з цим джерелом неможливо. Саме через цю особливість, ефективність оптико-електронних систем багато в чому залежить саме від умов спостереження, а не від енергетичних співідношень у вхідних сигнально-завадових сумішах.

24. 1.3 Аналіз ефективності оптико-електронних засобів спостереження

25. Невід'ємною частиною систем, є підсистема збору первинної інформації про обстановку, інформація з якої є базовою в прийнятті рішень і визначенні поведінки системи в цілому. В якості таких підсистем , відповідно концепції розбудови системи іиженерно-технічного контролю, передбачено використання трьох основних типів технічних пристроїв телевізійних камер денного та нічного спостереження (чутливих в діапазоні хвиль видимого або комбінованих для видимого та інфрачервоного діапазону), тепловізорів (телевізійних засобів інфрачервоного діапазону) та радіолокаційних засобів.

26. В даній роботі розглядається перший тип засобів, оскільки вони з перспективними за цілим рядом показників і при цьому мають ряд недоліків, яким на сьогоднішній день приділяється мало уваги, проте за певних умов, вони є визначальними в ефективності цих засобів. Природа цих недоліків криється в фізичних принципах роботи самих оптико-електронних перетворювачів (ОЕП), що використовуються в телевізійних засобах для отримання первинної інформації про об'єкт спостереження, незалежно від того в якому діапазоні хвиль вони працюють.

27. Для початку слід зазначити, що в останні роки відбувається істотна зміна структури систем оптико-електронного спостереження, що пов'язано з використанням аналого-цифрового перетворення вихідного сигналу з ОЕП а не безпосередньої його обробки. Використання АЦП дозволяє значно спростити обробку сигналу, здійснити інтерфейс між камерами спостереженнями і електронно-обчислювальними засобами обробки, зберігати відеоінформацію на цифрових носіях і суттєво спростити процедуру організації архіву й пошуку необхідних записів. Крім того, впровадження АЦП відкрило широкі можливості автоматизації обробки одержуваного сигналу, істотного підвищення надійності й оперативності реагування системи[4].

28. Однак в існуючих системах відеоспостереження, що навіть використовують АЦП, на спостерігача покладено більшу частину зусиль і відповідальності щодо контролю над розвитком ситуації в зоні спостереження і необхідність регулювання системи з метою адаптації до змінних умов освітленості.

29. На сьогодні можна відзначити наступні недоліки існуючих систем оптико-електронного спостереження:

1. вузький динамічний діапазон по освітленості, що обумовлює значні обмеження характеристик систем відеоспостереження в реальних умовах зміни освітленості;

2. високий рівень шуму в вихідному сигналі, що призводить до високої ймовірності пропуску сигналу або хибної тривоги;

3. низькі обчислювальні можливості самих телевізійних камер не дають змоги класифікувати об'єкти за необхідними критеріями.