1.06μm激光對(duì)CCD、CMOS相機(jī)飽和干擾效果對(duì)比研究

邵 銘，張 樂(lè)，張雷雷，柴國(guó)慶，胡琥香

（中國(guó)人民解放軍63891部隊(duì)，河南 洛陽(yáng)471003）

引言

CCD（charge couple device電荷耦合器件）和CMOS（complementary metal oxide semiconductor互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器。CCD圖像傳感器主要應(yīng)用于遙感、遙測(cè)、制導(dǎo)武器、衛(wèi)星偵察、圖像跟蹤等軍事和科學(xué)研究領(lǐng)域［1-7］；隨著微電子技術(shù)發(fā)展，CMOS傳感器在工藝、成像質(zhì)量方面的改進(jìn)，其本身功耗低、攝像系統(tǒng)尺寸小、集成度高等優(yōu)點(diǎn)使其在遙感成像、空間探測(cè)等領(lǐng)域均也有廣泛應(yīng)用［8-9］。目前，利用高重頻激光干擾敵成像觀瞄和精確制導(dǎo)武器，是一種有效的對(duì)抗方式。為了對(duì)比高重頻激光對(duì)CCD和CMOS兩種相機(jī)的干擾效果，本文開(kāi)展了對(duì)CCD、CMOS兩種相機(jī)的飽和干擾實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)CCD、CMOS相機(jī)飽和干擾條件的分析和受到干擾后干擾圖像的處理，得到了干擾激光功率與CCD、CMOS相機(jī)有效干擾像元、飽和像元和干擾圖像相關(guān)度等之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中采用高重頻YAG激光器作為干擾源，激光波長(zhǎng)1.06μm，重頻64kHz，脈寬10ns，平均功率1.5W。CCD相機(jī)和COMS相機(jī)型號(hào)和相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布局如圖1所示。激光器出口處用可調(diào)衰減片作適當(dāng)衰減，濾光片用來(lái)阻止880nm的泵浦光進(jìn)入相機(jī)，用分光鏡將光束一分為二，一部分進(jìn)入功率能量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光器功率變化，另一部分進(jìn)入相機(jī)后對(duì)相機(jī)進(jìn)行干擾，視頻采集卡和計(jì)算機(jī)對(duì)相機(jī)輸出圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)。

表1 CCD、CMOS相機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of CCD and CMOS cameras

圖1 實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig.1 Experimental setup

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中調(diào)整激光束與相機(jī)光軸對(duì)準(zhǔn)，利用計(jì)算機(jī)監(jiān)視器觀察相機(jī)輸出的圖像，通過(guò)觀察監(jiān)視器的圖像判斷入射到相機(jī)的光信號(hào)是否使相機(jī)達(dá)到飽和。首先，將激光衰減到使相機(jī)處于線性工作區(qū)功率范圍，記錄成像在相機(jī)傳感器表面的光斑像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，利用相機(jī)像元尺寸計(jì)算激光輻照在相機(jī)傳感器表面的面積，計(jì)算出相機(jī)傳感器表面的功率密度。然后，逐漸減小衰減直至相機(jī)處于臨界飽和狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中采集到的典型干擾圖像及干擾光斑的灰度分布如圖2～圖3所示。

圖2 對(duì)CCD相機(jī)的干擾效果Fig.2 Jamming effect of CCD camera

圖3 對(duì)CMOS相機(jī)的干擾效果Fig.3 Jamming effect of CMOS camera

2.1 干擾機(jī)理分析

CCD相機(jī)工作時(shí)，感光元件生成的電信號(hào)由CCD傳感器中的放大器專門負(fù)責(zé)，經(jīng)放大器處理之后，每個(gè)像點(diǎn)的電信號(hào)強(qiáng)度都獲得同樣幅度的增大，然后輸出到A／D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，最終輸出給專門的DSP處理芯片。CCD傳感器的每個(gè)像元可等效于一個(gè)電容，所能存儲(chǔ)和處理的最大電子電荷數(shù)是一定的，當(dāng)較強(qiáng)的激光輻照CCD傳感器局部時(shí)，由于CCD光積分時(shí)間為幾微秒到幾百微秒，光生載流子產(chǎn)生時(shí)間為10-12s量級(jí)，將有足夠的時(shí)間發(fā)生電子“溢出”現(xiàn)象，這就是CCD的“飽和串?dāng)_”現(xiàn)象［9-10］，見(jiàn)圖2。造成這種現(xiàn)象的原因文獻(xiàn)［7，9，10］中作了詳細(xì)的分析與論述 ，普遍認(rèn)為其與CCD傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸、勢(shì)阱深度有關(guān)，是干擾綜合結(jié)果的反映。“飽和串?dāng)_”現(xiàn)象并沒(méi)有對(duì)CCD相機(jī)及其材料造成損傷，但卻嚴(yán)重干擾了CCD相機(jī)的正常工作。

在對(duì)CMOS實(shí)施干擾過(guò)程中，當(dāng)激光器能量逐漸增加時(shí)，從圖3中可以看到并沒(méi)有出現(xiàn)CCD干擾的“飽和串?dāng)_”現(xiàn)象，這主要是因?yàn)镃MOS相機(jī)和CCD相機(jī)感光元件的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳遞的方式存在較大的差異。CMOS相機(jī)中除了位于核心地位的感光二極管之外，每個(gè)感光像元都直接整合了放大器和A／D轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)感光二極管受到激光輻照后，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生與入射光信號(hào)成比例的模擬電信號(hào)，電信號(hào)首先被感光元件中的放大器放大，然后由A／D轉(zhuǎn)換電路直接轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，再采用類似閃存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出，CMOS圖像傳感器的這種結(jié)構(gòu)使得它各個(gè)像元之間的串?dāng)_很小，所以相對(duì)CCD傳感器來(lái)說(shuō)，用相同功率的激光很難對(duì)CMOS圖像傳感器造成大面積的飽和干擾，也不存在類似“飽和串音”現(xiàn)象。

2.2 干擾有效面積與入射激光功率關(guān)系

利用計(jì)算機(jī)和視頻采集卡，采集到不同激光功率下CCD和CMOS相機(jī)的干擾圖像。通常，高斯光束經(jīng)過(guò)透鏡后的光強(qiáng)分布仍為高斯分布，因此，將激光光強(qiáng)降為1／e2處作為光斑的邊緣，以圖像的灰度值來(lái)對(duì)應(yīng)光強(qiáng)的大小。故在輸出圖像中，將大于光斑灰度最大值1／e2的像素點(diǎn)的灰度值視為有效干擾光斑灰度閾值，對(duì)激光干擾圖像進(jìn)行處理，得到了在不同激光功率輻照下，CCD和CMOS探測(cè)器上干擾有效面積占整個(gè)探測(cè)器面積的比例，如圖4所示。為方便看出區(qū)別，其中橫坐標(biāo)入射的激光功率采用以10為底對(duì)數(shù)形式表示。從圖中可以看出：1）隨著入射激光功率的增加，CCD和CMOS探測(cè)器的干擾有效面積并不是線性增加，CCD比CMOS相機(jī)有效干擾面積增加更快，CCD比CMOS相機(jī)更容易受到干擾；2）在達(dá)到相同的干擾面積時(shí)，干擾CMOS相機(jī)比CCD相機(jī)需要的激光功率約大10倍～100倍；3）相同的干擾激光功率，干擾CCD相機(jī)比CMOS相機(jī)效果要好，換句話說(shuō)，在其他條件不變的情況下，CMOS比CCD相機(jī)抗激光干擾能力更強(qiáng)。

圖4 激光入射功率與干擾有效面積的關(guān)系Fig.4 Relationship between laser incident power and jamming effective area

2.3 飽和像元面積與入射激光功率關(guān)系

實(shí)驗(yàn)時(shí)逐漸減小衰減倍數(shù)，同步觀察CCD和CMOS探測(cè)器的輸出圖像。隨著照射到相機(jī)上的能量不斷增大，相機(jī)輸出的光斑亮度變強(qiáng)，相機(jī)受干擾程度愈嚴(yán)重。圖5給出了CCD、CMOS相機(jī)干擾圖像中灰度值達(dá)到255的飽和像元數(shù)目和入射激光功率之間的關(guān)系。為方便看出兩者之間的關(guān)系，將橫、縱坐標(biāo)均取以10為底的對(duì)數(shù)。從圖中可以得出以下結(jié)論：1）CCD探測(cè)器達(dá)到單元像素飽和的激光功率閾值約為1×10-3mW，CMOS探測(cè)器達(dá)到單元像素飽和的閾值約為2×10-2mW，大約是CCD的20倍；2）CCD探測(cè)器比CMOS探測(cè)器的像元達(dá)到全部飽和的速度要快，所需功率要??；3）相同的入射激光功率CMOS飽和像元面積要小于CCD飽和像元面積。

圖5 激光入射功率與飽和像元數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between laser incident power and saturated pixel number

2.4 干擾前后圖像相關(guān)度與入射激光功率關(guān)系

為了定量評(píng)價(jià)入射激光功率對(duì)兩種相機(jī)干擾效果的影響，可利用干擾前后圖像之間的協(xié)方差系數(shù)來(lái)表示干擾前后圖像之間的相關(guān)度［11］。兩幅圖像協(xié)方差的計(jì)算公式為

利用上述公式分別對(duì)兩種相機(jī)干擾前后的圖像質(zhì)量進(jìn)行了計(jì)算。式中：Amn、Bmn分別表示受到干擾后與干擾前圖像中m 行n列的灰度值；A、B分別表示受到干擾后與干擾前圖像的平均灰度值。圖6是受到干擾后CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)輸出圖像相關(guān)度隨入射激光功率的變化曲線。從圖中可以看出：1）隨著入射激光功率的增大，兩種相機(jī)干擾前后圖像的相關(guān)度減小，圖像質(zhì)量下降，干擾效果提高；2）在小功率干擾條件下（＜0.1 mW），CCD相機(jī)圖像質(zhì)量下降較快，CMOS相機(jī)受到干擾后的圖像與起初受到干擾后的圖像變化不大；3）在相同入射激光功率條件下，CCD相機(jī)的干擾效果要好于CMOS相機(jī)，這與前面結(jié)論一致；4）要達(dá)到相同的干擾效果，CCD相機(jī)所需激光功率要小于CMOS相機(jī)。

圖6 入射激光功率與圖像相關(guān)度的關(guān)系Fig.6 Relationship between laser incident power and imaging correlation

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了1.06μm高重頻激光對(duì)CCD、CMOS相機(jī)的輻照飽和效應(yīng)，測(cè)量并計(jì)算了CCD、CMOS兩種相機(jī)的圖像飽和激光功率密度閾值。在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)干擾圖像的處理，得到了入射激光功率與有效干擾面積、飽和干擾面積以及圖像相關(guān)度之間的關(guān)系，并對(duì)兩者之間進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）CMOS相機(jī)達(dá)到單元像素飽和的激光功率閾值約在2×10-2mW，是CCD相機(jī)的20倍。

2）兩種相機(jī)要達(dá)到相同的干擾有效面積，干擾所需的激光功率CMOS相機(jī)比CCD相機(jī)約大10倍～100倍；

3）兩種相機(jī)要達(dá)到相同的飽和像元數(shù)，干擾所需的激光功率CMOS相機(jī)比CCD相機(jī)約大10倍～60倍；

4）干擾隨著入射激光功率的增大，兩種相機(jī)的干擾前后圖像的相關(guān)度均減小，干擾效果提高，但在小功率干擾條件下，CCD相機(jī)比CMOS相機(jī)圖像質(zhì)量下降快，更容易受到干擾。

［1］ 侯睿，趙尚弘，幺周石，等.衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中CCD器件的空間輻射特性研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2011，32（6）：1263-1264.HOU Rui，ZHAO Shang-hong，YAO Zhou-shi，et al.Radiation characteristics of CCD in satellite optical communication system［J］.Journal of Applied Optics，2011，32（6）：1263-1264.（in Chinese with an English abstract）

［2］ 賈建軍，舒嶸，王斌永.無(wú)人機(jī)大面陣CCD相機(jī)遙感系統(tǒng)［J］.光電工程，2006，33（8）：90-92.JIA Jian-jun，SHU Rong，WANG Bin-yong.Large frame CCD camera system for unmanned aircraft remote sensing ［J］. Opto-Electronic Engineering，2006，33（8）：90-92.（in Chinese with an English ab-stract）

［3］ 李海燕，朱敏，盧洪義.視場(chǎng)外激光對(duì)CCD成像制導(dǎo)武器的干擾研究［J］.紅外與激光工程，2009，38（1）：66-69.LI Hai-yan，ZHU Min，LU Hong-yi.Off-axis laser disturbing CCD imaging guidance weapons［J］.Infrared and Laser Engineering，2009，38（1）：66-69.（in Chinese with an English abstract）

［4］ 劉澤金，陸啟生，蔣志平，等.面陣CCD圖像傳感器點(diǎn)破壞機(jī)理研究［J］.應(yīng)用激光，1995，15（2）：85-86.LIU Ze-jin，LU Qi-sheng，JIANG Zhi-ping，et al.Research on damaging mechanism of CCD video camera irradiated by a focusing laser beam［J］.Applied Laser，1995，15（2）：85-86.（in Chinese with an English abstract）

［5］ 王世勇，付有余，郭勁，等.脈沖激光對(duì)CCD圖像跟蹤系統(tǒng)干擾效果評(píng)估［J］.激光與紅外，2002，32（1）：20-22.WANG Shi-yong，F(xiàn)U You-yu，GUO Jin，et a1.Effect evaluation of array CCD detector tracking system irradiated by pulse laser［J］.Laser ＆Infrared，2002，32（1）：20-22.（in Chinese with an English abstract）

［6］ 孫守紅，郭立紅，王立軍.808nm激光對(duì)可見(jiàn)光面陣CCD的干擾損傷研究［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，31（1）：19-21.SUN Shou-hong，GUO Li-hong，WANG Li-jun.Interference damage to visible light plane array CCD induced by 808nm laser［J］.Journal of Changchun University of Science and Technology：Natural Science Edition，2008，31（1）：19-21.（in Chinese with an English abstract）

［7］ 王金寶.激光輻照可見(jiàn)光面陣Si-CCD探測(cè)器實(shí)驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2003.WANG Jin-bao.Experimental investigation of the visible light arrays of Si-CCD irradiated by the laser［D］.Changsha：Graduate School of National University of Defense Technology，2003.（in Chinese）

［8］ 趙鵬，沈庭芝，單寶堂.基于CMOS圖像傳感器的微型無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光子學(xué)報(bào)，2008，37（8）：1657-1659.ZHAO Peng，SHEN Ting-zhi，SHAN Bao-tang.The application of remote sensing system for micro UAV based on CMOS image sensor［J］.Acta Photonica Sinica，2008，37（8）：1657-1659.（in Chinese with an English abstract）

［9］ 林均仰，舒嶸，黃庚華，等.激光對(duì)CCD及CMOS圖像傳感器的損傷閾值研究［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2008，27（6）：475-478.LIN Jun-yang，SHU Rong，HUANG Geng-hua，et al.Study on threshold of laser damage to CCD and CMOS image sensors［J］.Journal of Infrared and Millimeter Waves，2008，27（6）：475-478.（in Chinese with an English abstract）

［10］ 張震.可見(jiàn)光CCD的激光輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2010.ZHANG Zhen.Experimental study of laser induced effect on visible light CCD［D］.Changsha：Graduate School of National University of Defense Technology，2010.（in Chinese）

［11］ 車進(jìn)喜，王東，張恒偉，等.激光參數(shù)對(duì)紅外成像系統(tǒng)干擾效果影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2011，32（5）：992-997.CHE Jin-xi，WANG Dong，ZHANG Heng-wei，et al.Influence of laser parameters on jamming effectiveness of IR imaging system［J］.Journal of Applied Optics，2011，32（5）：992-997.（in Chinese with an English abstract）