電視探測系統(tǒng)特性與作用距離研究*

劉東濤

(海軍駐大連426廠軍事代表室 大連 116000)

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電視探測系統(tǒng)特性與作用距離研究*

劉東濤

(海軍駐大連426廠軍事代表室 大連 116000)

從CCD光電轉(zhuǎn)換與光譜響應(yīng)特性入手,論述了電視探測系統(tǒng)探測目標(biāo)在不同環(huán)境、背景下探測距離與目標(biāo)/背景對比度的關(guān)系,給出了電視探測作用距離的估算方程,最后提出提高電視探測作用距離的幾點建議。

CCD光電轉(zhuǎn)換; 目標(biāo)背景對比度; 分辨率; 作用距離

Class Number TN2

1 引言

光電探測系統(tǒng)在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要作用,紅外探測系統(tǒng)因探測機(jī)理是對溫度輻射而言,在不良天氣和夜間觀察能力受到重視。而電視探測系統(tǒng)是對目標(biāo)的光而言,它受制于氣象影響,不具有夜間能力,但電視探測系統(tǒng)因具有分辨率高、觀察圖像清晰、體積小等優(yōu)點,作為光電系統(tǒng)傳感器同樣得到廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國家裝備現(xiàn)代化步伐加快,電視成像系統(tǒng)在光電探測系統(tǒng)中發(fā)揮越來越大的作用。在西方發(fā)達(dá)國家新近研制瞄準(zhǔn)吊艙系統(tǒng)中都有電視探測通道,甚至已經(jīng)使用了彩色電視系統(tǒng)[1]。

CCD作為一種新型陣列式光電轉(zhuǎn)換器,由于能夠?qū)D像的光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)換成電信號而得到了廣泛應(yīng)用[2]。電視探測系統(tǒng)除微光外都采用CCD電耦合光敏器件,因此系統(tǒng)的探測性能與CCD的固有特性和性能直接相關(guān),本文描述了CCD特征參數(shù),并給出了電視探測系統(tǒng)的作用距離分析計算方法。

2 CCD光電轉(zhuǎn)換特性與響應(yīng)度

2.1 CCD光電轉(zhuǎn)換

CCD是以半導(dǎo)體為基座的電耦合器件,特點是以電荷作為信號,而不是以電流和電壓為信號,CCD的基本功能就是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移,因此CCD的工作原理就是接收光能量,產(chǎn)生信號電荷、存儲電荷、傳輸電荷和檢測電荷。

輸入曝光量與輸出信號電壓的關(guān)系稱為CCD的光電轉(zhuǎn)換特性,它可用下列方程表示:

γ=axγ+b

(1)

式中,x為曝光量H(lx.s),y為輸出電壓(V),b為當(dāng)曝光量x=0時CCD的輸出暗電壓(V),α為CCD的光響應(yīng)度(V/lx.s),y為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。

一個好的CCD圖像傳感器應(yīng)具有高的光響應(yīng)度和低的輸出暗電壓。

2.2 CCD光譜響應(yīng)

Si-CCD光譜響應(yīng)峰值波長≈0.78μm;長波限λf≈1.1μm,響應(yīng)于Si半導(dǎo)體的禁帶寬度(Eg)1.12eV間的本征光吸收之截止波長。

(2)

2.3 CCD照度分配

CCD是積分型器件,輸出電壓信號既與CCD感光照度有關(guān),也與兩次采樣的間隔時間有關(guān)。I代表其輸出電流信號,以E表示在CCD光敏面上照度,t代表兩次采樣間隔時間。則有如下關(guān)系:

I=Ket=KQ

(3)

式中,K為目標(biāo)背景光譜響應(yīng)系數(shù),Q=Et成為曝光量,單位lx.S。

CCD光敏器件上的照度可以通過兩種途徑,一是調(diào)節(jié)采樣時間,二是調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的通光量。

對于望遠(yuǎn)系統(tǒng),像面上的照度與系統(tǒng)的相對孔徑平方成正比,軸上點的照度可表示為

(4)

式中,D/f為電視系統(tǒng)相對孔徑,τα為光學(xué)系統(tǒng)穿透率,τ0為大氣透過率,C為景物對比度。

3 電視的作用距離估算

影響電視探測距離的主要因素有目標(biāo)特性、環(huán)境特性和電視系統(tǒng)本身。要想使目標(biāo)能被探測到,首先是應(yīng)使接受光敏面的光能量能被CCD感受到,另外像面目標(biāo)背景對比度也要達(dá)到一定的比值。在白天背景光很強(qiáng)的情況下,目標(biāo)和背景的對比度大于電視攝取信號的對比度閾值;在夜晚目標(biāo)信號與電視系統(tǒng)內(nèi)部噪聲比超過檢測閾值,并同時滿足系統(tǒng)分辨率要求,目標(biāo)才能被探測到。

對任何可以被電視探測到的物體都是電視目標(biāo),常見的有發(fā)射太陽光的地面物體、飛行器、導(dǎo)彈、彈或機(jī)上的發(fā)動機(jī)、噴焰、星體等。目標(biāo)不同,估算目標(biāo)輻(反)射能量的方法也不同。

3.1 目標(biāo)在電視像面上的照度

3.1.1 反射光目標(biāo)的發(fā)光強(qiáng)度

在通常情況下電視對反射太陽、地面光的目標(biāo)進(jìn)行測量。設(shè)目標(biāo)反射太陽光的反射系數(shù)為ρ,有效反射面積為As,太陽在目標(biāo)上的照度為E,那么目標(biāo)反射太陽的光強(qiáng)度Ios為

(5)

而目標(biāo)反射地面光的貢獻(xiàn)為

(6)

式中,Iou為目標(biāo)反射地面光對發(fā)光強(qiáng)度的貢獻(xiàn),Eou為地面光在目標(biāo)上的照度,Aρ為目標(biāo)在觀測方向的投影面積,κ為Aρ的有效利用系數(shù)。

上述二者之和即為目標(biāo)反射光強(qiáng)度,即:

(7)

式中,Eos是太陽在大氣層外的照度,常取值為1.5×104lx,As、Eou取值可參考攝影作用距離中討論選取。

3.1.2 發(fā)光強(qiáng)度為Io目標(biāo)的靶面照度

根據(jù)照度定理,輻射照度為Io的目標(biāo)經(jīng)過大氣投射到CCD靶面上的照度為

(8)

式中,D為光學(xué)透鏡有效口徑,R為觀測點至目標(biāo)的距離,τα為大氣透過率,τ0為光學(xué)系統(tǒng)透過率,τf為濾光片透過率,Nm為目標(biāo)像所占CCD像素數(shù)。

3.2 背景照度

背景在每個CCD像元上的平均照度為

(9)

式中,B為背景亮度,D為光學(xué)系統(tǒng)有效口徑,Αα為單個像元面積,f為光學(xué)系統(tǒng)焦距,τα為光學(xué)系統(tǒng)透過率,τf為濾光片對背景透過率。

3.3 目標(biāo)背景對比度

由于大氣透過率的影響,不僅使被觀測目標(biāo)表觀亮度與固有亮度不同,目標(biāo)與背景的對比度也發(fā)生變化,這種對比度的變化使傳遞函數(shù)下降,直接影響探測作用距離。

在可見光探測中通常使用目標(biāo)與背景的亮度對比度,對比度有若干個定義,表觀對比度、固有對比度和調(diào)制對比度[3～4],經(jīng)大氣看到的目標(biāo)表觀對比度[5]:

(10)

式中,B目為目標(biāo)亮度,B背背景亮度。

若以觀察背景為天空,近距離觀察到的目標(biāo)/背景對比度為C0,則在距離R上觀察到的對比度為

CR=C0e-σR

(11)

若目標(biāo)為黑色物體,則B0=0,C0=1,一般對比度閾值為CR=0.02,則有e-σR=0.02,-σR=ln0.02=-3.912,則能見度距離為

(12)

3.4 電視探測距離估算

對于電視探測系統(tǒng)的作用距離在光電技術(shù)領(lǐng)域里影響的因素有很多,通常CCD光電探測系統(tǒng)對目標(biāo)的極限探測距離由以下因素決定[6～8]:

ΔNT+NB+ND=max|NA/D,N預(yù)放,NCCD|

(13)

(14)

式(13)、式(14)表明目標(biāo)與背景及器件噪聲之和必須大于NA/D、N預(yù)防、NCCD之中的最大項,同時還要有一定的信噪比,才能使系統(tǒng)探測到目標(biāo)。從求取信號所需最小信噪比和所需靈敏度出發(fā),求相應(yīng)的對比度,推算出目標(biāo)的作用距離。

· 從對比度角度出發(fā)計算作用距離

白天背景光很強(qiáng),成為干擾信號提取的主要因素,因此只有對比度大于某個閾值才能提取目標(biāo)信號,即

(15)

目前,C通常取0.1,有時取0.03。實際這是認(rèn)為疊加在整個背景之上的。電視系統(tǒng)要有信號輸出,背景照度必須大于CCD靶面最小照度EMmax;而電視系統(tǒng)要取出目標(biāo)信號,除了要求ET大于EB、C外,還要考慮C對分辨率的影響,式中已設(shè)想目標(biāo)尺寸占NMm個CCD像元(NMm>1)。

某些CCD產(chǎn)品提供像面最小照度Emin數(shù)據(jù),有的提供物方最小可用照度E0,兩者之間關(guān)系為

(16)

晚上背景光很弱,探測能力主要受信噪比影響。

· 從信噪比角度出發(fā)計算作用距離

根據(jù)探測極限原則,可從系統(tǒng)最小探測照度及所需最小信噪比出發(fā)來導(dǎo)出系統(tǒng)探測距離:

S/N=Im/Ibc

(17)

式中,Im為目標(biāo)產(chǎn)生電流信號與背景、噪聲電流信號之和,即

Im=Em·A0·t·Km·s

(18)

Em為目標(biāo)在CCD靶面上的照度;A0為CCD單個像元面積;t為積分時間;S為CCD平均光譜響應(yīng);Ibc為除目標(biāo)外的背景。

Ibc=Ibz+Ia+Iz

(19)

S/N可以用示波器或?qū)Ｓ萌娨曅盘枩y試儀器測量[3]。

4 電視分辨率與作用距離

電視分辨率與作用距離的關(guān)系:

(20)

式中,dm為目標(biāo)大小;f為系統(tǒng)焦距;Nv為電視分辨率;D為靶面有效直徑;n為被測目標(biāo)所需行數(shù)。

5 結(jié)語

從CCD的光電轉(zhuǎn)換特性及作用距離分析,要提高電視系統(tǒng)的探測性能可以從以下幾方面著手:

1) 設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量高于CCD截止頻率;

2) 合理選擇系統(tǒng)相對孔徑;

3) 合理控制系統(tǒng)的通光量;

4) 抑制系統(tǒng)雜光系數(shù),提高信噪比。

[1] 卜紀(jì)偉,王建霞.最小可分辨對比度在機(jī)載電視系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電光與控制,2011,18(10):64-68.

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Research on Characteristics and Detection Distance of TV Detection System

LIU Dongtao

(Navy Representative Office in Dalian No.426 Factory, Dalian 116000)

Starting from the CCD photoelectric conversion and spectral response characteristics, the television detecting system in different environment, under the background of target detection range and target/background contrast are discussed, the equation for estimating television detection distance are given, and finally some suggestions are put forward to improve the detecting distance of the system.

CCD photoelectric conversion, target background contrast, resolution, detection distance

2015年4月5日,

2015年5月21日

劉東濤,男,高級工程師,研究方向:作戰(zhàn)系統(tǒng)。

TN2

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.044