Kızılötesi bandında sentetik sahne üretimi

Abstract

Kızılötesi (KÖ) görüntüleme sistemlerinin hedef tespit, tanıma ve izleme gibi uygulamalar için giderek yaygınlaşan kullanım alanlarından dolayı; bu sistemlerin başarımlarını, gerçek zamanlı veya yüksek çerçeve hızlarında (frame rate), değerlendirebilmek kapsamında geliştirilen yazılımlara duyulan ihtiyaçlar gün geçtikçe artmaktadır. Piyasa da ticari olarak KÖ ışıma benzetimi kapsamında geliştirilmiş yazılımlar mevcut olmasına rağmen, birçok ülke ve kuruluş bu tür yazılımlara kısıtlı erişim imkânı sunmakta ve sentetik KÖ sahne benzetimi ile ilgili yapılan çalışmaların çok azına erişilebilinmektedir. Bu tip yazılımlar, başlıca; KÖ Sahne Üreteci, KÖ Isıl Transfer, KÖ Sensör Modeli ve KÖ Hedef Tespit / Takip yazılımı gibi bileşenlerden oluşmaktadır. Bu yazılım bileşenlerinin, özellikle KÖ Isıl Transfer ve KÖ Sensör Modeli yazılımlarının fiziksel rutinler göz önünde bulundurularak geliştirilmesi ve hızlı çalışması, 'fiziksel olarak doğru' KÖ sentetik sahne imgelerinin üretilebilmesi ve gerçekleştirilen benzetimin geçerliliği / doğruluğu açısından büyük önem arz etmektedir. Bu amaç doğrultusunda; çalışma kapsamında KÖ Isıl Transfer (KÖ- ISIT), KÖ Sensör (KÖ-SENSÖR) ve KÖ Hedef Tespit-Takip (KÖ-HTT) modülünü içerisinde barındıran bir KÖ Sahne Üreteci (KÖ-SÜ) yazılımı geliştirilmiştir. Çalışma kapsamında geliştirilen yazılımın ürettiği sonuçlar, ticari yazılım paketlerinin ürettiği sonuçlar ve literatür ile karşılaştırılmış, yazılımın belirli test koşulları altındaki başarısı ortaya konulmuştur. Ülkemizde özellikle fiziksel yaklaşımlar altında, problemi nesnenin ısısal etkileşimlerinden başlayarak ele alan ve farklı atmosferik ortam koşulları altında belirli KÖ dalgaboylarında çalışan bir algılayıcının gördüğü bir sentetik sahnenin oluşturulması basamağına kadar inceleyen bugüne kadar yapılmış bir çalışma bilgimiz dâhilinde bulunmamaktadır. Bu kapsamda çalışmanın özellikle sentetik KÖ sahne benzetimi ile ilgili önemli bir temel sağlayacağı değerlendirilmektedir. Çalışmanın, platform yüzeylerinin ortam ve birbirleriyle ısıl etkileşimleri ile algılayıcı etkilerinin hesaba katıldığı durum(lar) altında koşturulacak olan hedef tespit, tanıma ve izleme algoritmalarının eniyilenmesine yönelik yapılacak olan çalışmalara ışık tutacağı düşünülmektedir. Dahası çalışmanın, gerçek zamanlı benzetim ihtiyacı bulunan döngüde (açık ve / veya kapalı döngü) başarım test sistemlerinin geliştirilmesi kapsamındaki çalışmaları destekleyici / yol gösterici olacağı değerlendirilmektedir. Ayrıca çalışmanın, platform(lar)a ait KÖ ışımanın bastırılması ve bu konuda alınabilecek tedbirler konusunda ki çalışmalara da yarar sağlayacağı değerlendirilmektedir. Anahtar Kelimeler: Kızılötesi (KÖ), KÖ Sahne Üreteci, KÖ Isıl Transfer, KÖ Sensör Modeli, KÖ Hedef Tespit ve Takip, Isı Transfer denklemi, RadThermIR yazılımı, MuSES yazılımı, MODTRAN, GPU (Graphical Processing Unit), CUDA (Compute Unified Device Architecture).

Due to the widespread use of infrared (IR) imaging systems in detection, recognition and tracking of targets, there is a growing need as for software that has been developed to fully evaluate the performance of these systems in real-time at high frame rates. Although there are international commercial softwares in the market which have been developed for IR scene generation, most countries and organizations grand a restricted use for these. Only few of the studies on synthetic infrared scene simulation can be accessed due to confidentiality. Such software primarily include components; such as the Infrared Scene Generator, IR Heat Transfer, IR Sensor Model and IR Target Detection / Tracking softwares. The development of these software components, especially the IR Heat Transfer and IR Sensor Model softwares depend on physics based routines that can operate at a high speed in order to generate a physically-correct scene and in order to have a simulation that is valid / accurate. To this end, an IR Scene Generator (IR-SG) software which includes an IR Heat Transfer (IR-HT) module, an IR Sensor (IR-SENSOR) module and an IR Target Detection / Tracking (IR-TDT) module has been developed. The IR-HT module is responsible for calculating the temperature of each patch and the IR radiation on relevant platforms. The IR-SENSOR module is responsible for simulating the IR imagers that sense the IR scene. IR-TDT module is responsible for detecting and tracking the platforms in the IR scene. IR-SG software, is responsible for simulating the environmental and atmospheric effects that affects the synthetic scene sensed by the IR imaging system, for enabling the dynamic visualization of the platform with the help of a motion model, for the production / generation of IR scene which includes platform radiations provided by the IR-HT module in a synthetic environment, and for providing real-time input to the IR- SENSOR and IR-HT modules. The results produced by the software developed within this study was compared with those of the commercial software packages and those repoorted in the literature and it has been demonstrated that the software has achieved success under certain test conditions. As far as we know, in our country there is not a reported study that handles the problem beginning with the thermal interactions of the object and ending with the process of sensing of the IR scene by a sensor operating at given IR wavelengths under various atmospheric conditions In this context, it is thought that the study will provide a significant basis especially for synthetic IR scene simulation. It is also thought that the study will shed light on the studies to be conducted regarding the optimization of target detection and tracking algorithms that will be run under the conditions in which sensor effects and the interactions of platform surfaces with each other and the environment are taken into account. It is also expected that the study will support / guide the studies on the development of the closed-loop system performance testing that require real-time simulations. It is also evaluated that the study will be useful for the suppression of IR radiation of the platform(s), and for the studies on the measures that could be taken regarding this issue. Key Words: Infrared (IR), Infrared Scene Generator, Heat Transfer, IR Sensor Model, IR Target Detection and Tracking, Heat Transfer Equation, RadThermIR software, MuSES software, MODTRAN, GPU (Graphical Processing Unit), CUDA (Compute Unified Device Architecture).