Thermal sensor acquisition range estimation

Abstract

There is a large number of factors which may influence the performance of thermal surveillance systems used in any given scenario. Some of the parameters needed for making an accurate performance prediction might be known, but many more are typically unknown or must be loosely guessed based on past experiences and information about similar systems and comparable situations. It is hardly realistic that operators will have access to a comprehensive list of parameters nor the numerical tools required to perform accurate predictions of the effective detection range during real-world operations. Simpler range estimation methods might be needed and rough guesses of system and environmental parameters might be necessary in order to get a reasonably good sense of the effective range of thermal sensors in operational settings. This report gives an introduction to the topic of thermal acquisition range estimation. It describes two common methods for performing calculations of this kind. The first method is formulated by a very simple equation but only considers target size and the most basic sensor properties. The second method, as formulated in STANAG 4347, is originally a non-linear equation which is commonly solved geometrically. This makes the method less suited for quick and automated estimation. Therefore, this report proposes a new, parametric second-order algorithm based on the STANAG 4347 method, where range can be estimated with model uncertainties easily being taken into account. To illustrate the use of the new algorithm, this report provides numerical examples relevant to the Norwegian Armed Forces. We look at 8 different thermal camera setups, ranging from low-weight binoculars to relatively large, vehicle-mounted systems. Since the second method takes into account atmospheric attenuation, a separate model for estimating the extinction coefficient for different climatic conditions has also been developed. The model is described in some detail. In addition, extensive tables are provided which list the extension coefficient calculated for a wide range of different weather and climate scenarios. In practical use, the idea is that an operator will have access to the tables rather than the full atmospheric model.

Det er mange faktorer som kan være med på å bestemme ytelsen til termiske overvåkningssystemer brukt i bestemte scenarioer. Noen av parametrene som trengs for å utføre nøyaktige prediksjoner om ytelse, vil kunne være kjent. Langt flere parametre vil likevel typisk være ukjent eller må løselig anslås basert på erfaringer og informasjon om lignende systemer og sammenlignbare situasjoner. Det er lite realistisk at operatører vil ha tilgang til fullstendige parameterlister eller de numeriske verktøy som trengs for å kunne gjennomføre nøyaktige prediksjoner av effektiv deteksjonsrekkevidde under realistiske scenarioer. Enklere metoder for overslag av rekkevidde basert på omtrentlige antagelser om system- og miljøparametre kan utgjøre nødvendige verktøy for å oppnå en god forståelse av effektiv sensorrekkevidde i en operasjonell situasjon. Denne rapporten gir en innføring i temaet termisk rekkeviddeestimering. Den beskriver to metoder som er i vanlig bruk ved estimering av rekkevidden til termiske kameraer. Den første metoden kan uttrykkes gjennom en enkel ligning, men tar kun hensyn til målets størrelse og de mest grunnleggende sensoregenskapene. Den andre metoden, slik den er formulert i STANAG 4347, er opprinnelig en ikke-lineær ligning som vanligvis blir løst geometrisk. Dette gjør metoden mindre egnet til raske og automatiserte estimater. Av den grunn, blir det i denne rapporten foreslått en ny parametrisk, andre-ordens algoritme basert på metoden fra STANAG 4347, der sensorrekkevidde estimeres på en slik måte at modellusikkerheter enkelt kan tas med i betraktning. For å illustrere bruken av den nye algoritmen gir rapporten numeriske eksempler relevante for det norske Forsvaret. Vi tar for oss 8 ulike termiske kameraoppsett, fra lette kikkerter til større, kjøretøymonterte systemer. Siden den andre beregningsmetoden tar hensyn til atmosfærisk dempning, har også en separat modell for utregning av dempningskoeffisient ved ulike klimatiske forhold blitt utviklet. Denne modellen er relativt detaljert beskrevet i rapporten. I tillegg er det utarbeidet omfattende tabeller som lister opp dempningskoeffisienten ved et stort spekter av ulike vær- og klimatyper. I praktisk bruk er tanken at en operatør vil