Phương pháp tính toán cự ly hoạt động ban đêm của thiết bị sử dụng camera độ nhạy cao

Đo lường & Tin học N. N. Sơn, , N. V. Sửu, “Phương pháp tính toán cự ly camera độ nhạy cao.” 254 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CỰ LY HOẠT ĐỘNG BAN ĐÊM CỦA THIẾT BỊ SỬ DỤNG CAMERA ĐỘ NHẠY CAO Nguyễn Ngọc Sơn*, Phạm Đình Quý, Phạm Đức Tuân, Nguyễn Vĩnh Sửu Tóm tắt: Bài báo xây dựng phương pháp tính toán cự ly hoạt động ban đêm của các thiết bị quang điện tử sử dụng camera độ nhạy cao. Trên cơ sở phương pháp tính toán, kết quả được so sánh với kết quả thử nghiệm thiết bị kính ngắm đêm đã được Viện Vật lý Kỹ thuật chế tạo. Từ khóa: Camera độ nhạy cao; Thiết bị quang điện tử. 1. MỞ ĐẦU Ở nước ta đặc biệt là trong quân đội các khí tài nhìn đêm đang được đầu tư phát triển mạnh mẽ. Các sản phẩm đã và đang được nghiên cứu chủ yếu là trên cơ sở khuếch đại ánh sáng yếu dạng thụ động sử dụng bộ biến đổi quang điện (EOP). Những thiết bị này có một số nhược điểm là không sử dụng được vào ban ngày khi có nguồn sáng mạnh, khó tích hợp trong các hệ thống quang điện tử. Hiện nay các thiết bị camera độ nhạy cao đang được nghiên cứu và phát triển và ứng dụng rất rộng rãi trên thế giới. Camera độ nhạy cao có ưu điểm là sử dụng được cả ban ngày và ban đêm, chuẩn đầu ra số nên phù hợp sử dụng với các thiết bị quang điện tử ngày đêm. Những hệ thống này được sử dụng trong các hệ thống an ninh, các hệ thống quan sát biển đảo, biên giới, rừng núi, các loại kính ngắm hoạt động trong cả điều kiện ban ngày và ban đêm. Trước đây trên thế giới đã có một vài phương pháp tính toán cự ly quan sát của thiết bị nhìn đêm sử dụng camera độ nhạy cao như: Đo độ phân giải của thiết bị nhờ bộ mia qua đó xác định cự li quan sát, phương pháp tính toán độ tương phản của ảnh qua thiết bị để đánh giá cự li quan sát, ... [1,2,3,5] tuy nhiên các phương pháp này chỉ giới hạn đo đạc trên cơ sở mô phỏng tại phòng thí nghiệm với các mục tiêu và điều kiện danh định. Vì vậy xây dựng phương pháp tính toán cự ly hoạt động ban đêm của thiết bị sử dụng camera độ nhạy cao có tính tổng quát là một việc hết sức cần thiết nhằm đánh giá cự ly hoạt động của các thiết bị một cách khoa học, chính xác; và cũng là cơ sở khi xây dựng thông số của các bài toán thiết kế hệ thống quang điện tử. Bài báo xây dựng phương pháp tính toán cự ly hoạt động ban động ban đêm của các thiết bị quang điện tử sử dụng camera độ nhạy cao. Phương pháp dựa trên tính toán độ phân giải giới hạn theo góc của thiết bị. Mục đích xây dựng một phương pháp có tính tổng quát cao, tính đầy đủ các thông số, yếu tố ảnh hưởng đến cự ly quan sát của các thiết bị quang điện tử sử dụng camera độ nhạy cao. Trên cơ sở phương pháp được xây dựng, tính toán kết quả quan sát của thiết bị kính ngắm đêm đã được Viện Vật lý Kỹ thuật chế tạo, và so sánh với kết quả quan sát thực tế của thiết bị. 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CỰ LY HOẠT ĐỘNG BAN ĐÊM CỦA THIẾT BỊ SỬ DỤNG CAMERA ĐỘ NHẠY CAO Thiết bị nhìn đêm sử dụng camera độ nhạy cao là hệ thống quang điện tử bao gồm vật kính, camera độ nhạy cao, màn hình micro monitor, thị kính. Ánh sáng từ Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 255 các nguồn sáng (tự nhiên, nhân tạo) và từ phông nền nhiễu xạ đi tới mục tiêu, từ mục tiêu phản xạ và phân bố trong môi trường truyền sáng đi tới thiết bị quan sát sử dụng camera độ nhạy cao. Sơ đồ khối của thiết bị được thể hiện trong hình 1 [1,2,3,6]. Phương pháp tính toán cự ly hoạt động của thiết bị sử dụng camera độ nhạy cao dựa trên tính toán độ phân giải giới hạn theo góc của thiết bị. Đây là phương pháp phát triển từ việc đánh giá độ phân giải của các thiết bị quang điện tử nói chung, cũng như các thiết bị sửa dụng đầu thu cảm biến nói riêng trong đó có tính đến các thông số riêng của đầu thu độ nhạy cao (CMOS) và màn hình micro monitor [1,2,4,6]. Hình 1. Sơ đồ khối mô hình tính toán cự ly hoạt động của thiết bị quang điện tử nhìn đêm sử dụng camera độ nhạy cao. Cự ly hoạt động của thiết bị nhìn đêm sử dụng camera độ nhạy cao được xác định theo công thức [1,3,6]: a D   (1) Trong đó: a- Kích thước của mia tương đương, [m];  - Độ phân giải giới hạn theo góc của hệ thiết bị- mắt người, [rad]; Mia tương đương được sử dụng có dạng hình tròn với phân bố độ sáng có dạng chuông [1,3,6]:    0,51 2a A m   (2) Trong đó: A- Diện tích hình chiếu chính diện của mục tiêu quan sát, [m2]; m = 40-50- Số lượng phần tử phân tán, được đặt trên đường bao giới hạn của hình chiếu chính diện mục tiêu được quan sát, số lượng phần tử này cần thiết để nhận dạng mục tiêu. Nếu bài toán là phát hiện mục tiêu thì giá trị này tăng lên 1,5 lần [1,3,6].   0,5 стр eye pt       (3) Trong đó: стр - Độ phân giải giới hạn theo góc của thiết bị, được xác định bởi cấu trúc của thiết bị, [rad]; eye - Độ phân giải giới hạn theo góc của thiết bị xác định bởi mắt người và được dẫn theo đầu thu của camera độ nhạy cao, [rad]; pt - Độ phân giải giới hạn theo góc của thiết bị xác định bởi các nhiễu của thiết bị, [rad]; Đo lường & Tin học N. N. Sơn, , N. V. Sửu, “Phương pháp tính toán cự ly camera độ nhạy cao.” 256     22 2 2 2 2 . . . .0,26стр tb ob tb ob m cmos m monitor m tk mf N N N N           (4) Trong đó: tb - Độ phóng đại của thiết bị, [lần]; obf - Tiêu cự vật kính, [mm]; . . . ., , ,ob m cmos m monitor m tk mN N N N - Độ phân giải của vật kính, camera, màn hình, thị kính dẫn theo ma trận đầu thu của camera, [cặp vạch/mm] [1,3,6]:               0,5 . 0,5 . 0,5 . 0,5 . 2 . . 1,73 ln ; 1,73 ln 1,73 ln ; 1,73 ln ; . ob m ob ob cmos m cmos cmos monitor m monitor monitor tk m tk tk eye m eye eye n N N T N N N T N N N T N N N T N                     (5) Trong đó: , , ,ob cmos monitor tkN N N N - Độ phân giải của vật kính, camera, màn hình, thị kính, [vạch/mm]; ( )T N - Module hàm truyền (MTF) của vật kính, camera, màn hình và thị kính; N- Tần số không gian, thường lấy giá trị là N=15 cặp vạch/mm; eye - Độ phân giải của mắt người, [rad] [2,5]; .eye n - Độ phân giải của mắt người, xác định theo đặc điểm ngưỡng của mắt, cũng như đặc điểm về các nhiễu, [rad];  - Độ phóng đại tổng của thiết bị, [lần] [1,3,5]. 250 ;ob tb tk tk ok f f f           (6) Trong đó: okf - tiêu cự thị kính, [mm]; ok - độ phóng đại của thị kính, [lần]; m tb camera d D   (7) Trong đó: md , cameraD - Đường kính màn hình micro monitor và ma trận đầu thu của camera độ nhạy cao, [mm] [2,4];   12 2 2 0 .8 ( 2)m dt max m e dt tb tbd k H A L A K K     (8) Trong đó: k- Tỷ lệ tín/tạp, xác định bởi xác suất bỏ qua và phát hiện sai mục tiêu; H0 - Ngưỡng lộ sáng của mắt người, xác định bởi xung có lợi duy nhất trong thiết bị quan sát, đối với kính ngắm một mắt 100 8 10 [ ]H lux s   , đối với kính ngắm hai mắt 100 4 10 [ ]H lux s   [1,5]; e - thời gian theo quán tính của mắt người, [s]; .,dt dt maxA A - Diện tích đồng tử của mắt, tương ứng với độ sáng cụ thể và diện tích đồng tử lớn nhất của mắt, [mm]; mL - Độ sáng màn hình micro monitor, [cd/m]; tbK - Độ tương phản ở đầu ra của màn hình micro monitor; Giá trị e , và dtA có thể được xác định theo giá trị mL , tuy nhiên có thể thay thế các giá trị mL e dtA theo hàm của mL ,       0,8061,8e m dt m m mL A L f L L   . Điều này được thực hiện khi 2 310 10L   [ / ]cd m . tb pK K K  (9) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 257 Trong đó: K- Độ tương phản của vật thể so với phông nền ở đồng tử vào của vật kính thiết bị [1,4,6]:   1. . .ob h p h p hK L L L  (10) Trong đó: . .,ob h p hL L - Độ sáng hiệu quả của vật thể và phông nền tương ứng ở đồng tử vào vật kính (có nghĩa là độ sáng được dẫn theo phổ nhạy của ma trận đầu thu camera độ nhạy cao) 2W m Cp      .       . 1 1 1 1p p ct ob camera m tkK K         (11) Trong đó: .p ctK - Thành phần suy giảm độ tương phản của cấu trúc thiết bị [1,4,6]; , , ,ob camera m tk    - Hệ số phát sáng tương ứng với vật kính, camera, màn hình và hệ thị kính. Các hệ số này tính tới sự tán xạ ánh sáng của các phần tử tương ứng trong thiết bị.   12 2 2 . 1 4p ct tb ctK D a    (12)   21,452 41,03 10eye tbK   (13)     12 2 2 2 2 . .16 2eye n p h dt ob ak e K K F L d S K        (14) Trong đó: dtd - Đường kính đồng tử vào của vật kính, [mm]; ob - Hệ số truyền qua của vật kính;  - Thời gian quán tính của hệ thiết bị-mắt người [4,6].  1 1,14 tb        (15) Trong đó: tb - Thời gian quán tính của hệ, [s]; S - Độ nhạy tổng của ma trận đầu thu camera, [A/W]; F- Yếu tố nhiễu của camera độ nhạy cao, có tính đến ảnh hưởng các nhiễu của camera [3].     2 1 1 1e obF       (16) Trong đó: e - Hệ số phát sáng của thiết bị; aK - Hệ số suy hao độ tương phản, khi tính toán ảnh hưởng của sương mù, khói trong khí quyển [4,6].  Da d a EK K Kexp D    (17) Trong đó: dK - Hệ số khói bụi; D- Cự ly quan sát, [km] [1,4,6].     1 11Dd a p pK b b      (18) Trong đó: Da - Hệ số truyền qua của khí quyển ở cự ly D; b- Hệ số ánh sáng, phụ thuộc vào vị trí của mặt trời theo phương vĩ độ (ví dụ, đối với mức ánh sáng ban đêm 33 10 [ ]E lux  ; b=2);  - Hệ số suy yếu bức xạ trong khí quyển trong vùng phổ của ánh sáng quan sát, [1/km]; p - Hệ số phản xạ của phông nền. Các phép tính trên được thực hiện bằng phương pháp xấp xỉ tuần tự. Ban đầu giả sử . 1 D a d a p ctK K K     . Sau đó kết quả tính toán đầu tiên được sử dụng cho phép tính thứ hai, sau đó là phép tính thứ ba cho đến khi kết quả tính toán cuối cùng không sai khác so với kết quả trước đó nhỏ hơn 10%. Đo lường & Tin học N. N. Sơn, , N. V. Sửu, “Phương pháp tính toán cự ly camera độ nhạy cao.” 258 3. ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CỰ LY HOẠT ĐỘNG CỦA KÍNH NGẮM BẮN GÓC KHUẤT SỬ DỤNG CHO SÚNG AKM Nhóm tác giả áp dụng phương pháp tính toán trên để tính toán cự ly hoạt động ban đêm của kính ngắm bắn góc khuất sử dụng cho súng AKM. Kính ngắm sử dụng camera độ nhạy cao Nocturn XL với các thông số cụ thể của thiết bị như sau: a. Vật kính: - Tiêu cự: f =65 mm; Khẩu độ: 1:1,2; Hàm MTF có dạng tuyến tính với các giá trị: Tại tần số 30 mm-1 là 0,75; 60 mm-1 là 0,502; Độ truyền qua của vật kính: 0,8; b. Camera Nocturn XL: - Độ phân giải: 1280 x 1027 picxels; Kích thước Picxels: 9,7µm; Hiệu suất lượng tử: > 80% tại 650 nm; Module hàm truyền của camera tại tần số không gian 2,5 mm-1 là 0,92, 15 mm-1 là 0,55, 30 mm-1 là 0,14. Đồ thị hiệu năng lượng tử của camera biểu diễn như trong hình 2; Hình 2. Đồ thị hiệu năng lượng tử của camera Nocturn XL. c. Màn hình micro monitor: - Độ phân giải: 800 x 600; Kích thước picxel: 15µm; Khả năng phát xạ: ≥100 cd/m²; Module hàm truyền của micro monitor tại tần số không gian 2,5 mm-1 là 0,96, 15 mm-1 là 0,65, 30 mm-1 là 0,24. d. Thị kính: - Tiêu cự: f =25 mm; Hàm MTF có dạng tuyến tính với các giá trị: Tại tần số 10 mm-1 là 0,8; 25 mm-1 là 0,5; Mục tiêu quan sát sẽ là người lính mặc quân phục chuẩn NATO trên phông nền màu xanh với hệ số phản xạ phụ thuộc vào bước sóng trên hình 3. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 259 Hình 3. Hệ số phát xạ theo phổ của mục tiêu và phông nền: 1 - Phông nền cây rừng màu xanh; 2 - Người lính mặc quân phục theo tiêu chuẩn NATO. Mục tiêu quan sát là lính theo tiêu chuẩn NATO có kích thước 1,75 x 0,6 m (Chiều cao x Độ rộng vai). Vì vậy kích thước mia tương đương sẽ là:       0,5 0,51 1 2 2 1.75 0.6 50 0,164a A m           Xây dựng thuật toán trên các công cụ tính toán sử dụng các thông số thiết bị ở trên và các công thức đưa ra ở phần 2 tính toán độ phân giải giới hạn của thiết bị. Trong quá trình tính toán ban đầu giả sử . 1 D a d a p ctK K K     sau đó xây dựng một vòng lặp tính toán độ phân giải giới hạn cho đến khi các kết quả sau sai lệch kết quả trước không quá 10%. Sử dụng các công thức tính toán ta thu được độ phân giải giới hạn của thiết bị với các thông số ở trên sẽ là: 45,048 10 ( )rad    Cự ly quan sát người trên phông nền cây rừng màu xanh sẽ là: 4 0,164 324,8 325( ) 5,048 10 a D m        Giá trị tính toán này phù hợp với giá trị thử nghiệm quan sát người bằng kính ngắm bắn góc khuất sử dụng cho súng AKM do Viện Vật lý Kỹ thuật chế tạo, trong khoảng 270-320 m. Đo lường & Tin học N. N. Sơn, , N. V. Sửu, “Phương pháp tính toán cự ly camera độ nhạy cao.” 260 4. KẾT LUẬN Camera độ nhạy cao đang được phát triển và sử dụng trong nhiều thiết bị và hệ thống quang điện tử trên thế giới với nhiều ưu điểm vượt trội so với các thiết bị nhìn đêm truyền thống. Bài báo đưa ra phương pháp tính toán cự ly hoạt động của các thiết bị quang điện tử sử dụng camera độ nhạy cao dựa trên phương pháp chung tính toán cự ly hoạt động của các thiết bị quang điện tử. Phương pháp có tính tổng quát cao, có thể sử dụng để tính toán cự ly quan sát cho nhiều loại thiết bị với các tính năng khác nhau. Trong bài báo này phương pháp đã được áp dụng tính toán cho kính ngắm góc khuất sử dụng camera độ nhạy cao Nocturn XL tính được giá trị cự ly quan sát mục tiêu là người trong đêm tối là 325m, phù hợp với giá trị thử nghiệm thiết bị này trên thực tế. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Волков В. Г. Сверхвысокочувствительные телевизионные системы. Специальная техника, № 4 (2002) ,С. 2-11. [2]. Волков В. Г. Телевизионные камеры для спецтехники. Спецтехника и связь, № 1 (2009), С. 2-11. [3]. Волков В. Г. Цифровые приборы ночного видения. Спецтехника и Связь, № 3, (2013), С.13. [4]. Гейхман И. Л., Волков В. Г. Видение и безопасность, М.:Новости, (2009), 840 с. [5]. Волков В. Г., Гиндин П. Д. Техническое зрение. Инновации., М.:Техносфера, (2014) , 840 с. [6]. Гейхман И. Л., Волков В. Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. М, ООО “Недра-бизнес центр”, (1999), 286 c. ABSTRACT METHOD OF CACULATIING WORKING RANGE OF NIGHT VISION DEVICE USING HIGH SENSITIVITY CAMERA In this paper, the authors show the method of calculating working range of the night vision devices using high sensitivity camera and make comparision with a night vision scope which was produced by Military Institute of Technical physics. Keywords: Night vision device; High sensitivity CMOS camera; Range caculation for night vision device. Nhận bài ngày 21 tháng 01 năm 2019 Hoàn thiện ngày 08 tháng 3 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 3 năm 2019 Địa chỉ: Viện Vật lý kỹ thuật, Viện Khoa học Công nghệ quân sự. * Email: nguyenvu8810@gmail.com.