強(qiáng)光對(duì)可見光CCD攝像系統(tǒng)成像過程的干擾研究

于晨曦

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，洛陽(yáng) 471003）

CCD成像系統(tǒng)是制導(dǎo)武器中關(guān)鍵性的部分，其功耗小、分辨率高、抗震性能良好，并且便于和計(jì)算機(jī)連接，成為了制導(dǎo)武器中電視導(dǎo)引頭的第一選擇。CCD成像系統(tǒng)在制導(dǎo)武器中的應(yīng)用，使得制導(dǎo)武器的性能得到一定的提升，因此，大部分國(guó)家也開始研究相關(guān)的干擾技術(shù)，其中可調(diào)強(qiáng)光，如激光在干擾制導(dǎo)武器方面體現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于CCD攝像系統(tǒng)的成像質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生明顯影響。但是采用激光進(jìn)行干擾的方式具有一定的局限性，為了應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的環(huán)境，研究多種干擾CCD攝像系統(tǒng)成像質(zhì)量極有必要。

1 CCD攝像系統(tǒng)的工作原理

CCD成像系統(tǒng)是制導(dǎo)武器中的光電探測(cè)系統(tǒng)，其首先獲取到目標(biāo)物的圖像信息，然后轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，從而指引武器向目標(biāo)飛行。其利用所采集到的圖像信息對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位，精確度相對(duì)較高，同時(shí)也具有一定的隱蔽性。CCD攝像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、CCD圖像傳感器、信號(hào)處理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)組成，光學(xué)系統(tǒng)主要是獲取目標(biāo)物的圖像信息；圖像傳感器收集光信號(hào)，而信號(hào)處理系統(tǒng)通過對(duì)于圖像信息進(jìn)行處理，完成對(duì)目標(biāo)物的識(shí)別、定位、跟蹤，并向計(jì)算機(jī)傳輸信息，最后由計(jì)算機(jī)生成相應(yīng)的圖像信息，一般來說，信號(hào)量化等級(jí)高，處理越充分，所生成的圖像分辨率也更高，細(xì)節(jié)表現(xiàn)更清楚。

2 光照條件對(duì)攝像系統(tǒng)增益產(chǎn)生的影響

當(dāng)目標(biāo)以及背景的光照條件發(fā)生較大的變化時(shí)，CCD攝像系統(tǒng)獲取到的圖像信息很容易出現(xiàn)欠飽和或者過飽和的情況，因此，就需要CCD攝像系統(tǒng)的自增益機(jī)制根據(jù)已獲取圖像信息的各項(xiàng)參數(shù)和既定的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)圖像信息進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而使圖像質(zhì)量符合要求，具體的流程如下圖所示：

圖1 CCD攝像系統(tǒng)自增益機(jī)制控制圖

當(dāng)光照面積相對(duì)較大時(shí)，CCD攝像系統(tǒng)的自增益效果逐步增加，當(dāng)光照面積相對(duì)較大時(shí)，剛開始自增益效果隨著光強(qiáng)比增大而降低，但是在到達(dá)一定程度時(shí)就開始保持不變，這主要是由于當(dāng)光照面積較小時(shí)，被照射部分對(duì)于灰度值的影響較低，當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)整個(gè)視長(zhǎng)灰度情況開始趨于穩(wěn)定，因此，自增益效果的變化也開始趨于穩(wěn)定。CCD攝像系統(tǒng)這種自增益機(jī)制在自然環(huán)境條件下，對(duì)于光照的變化可以有效的適應(yīng)，這主要是由于自然光照變化短時(shí)間內(nèi)的變化不大，并且變化有規(guī)律可循，所以效果比較明顯，但是當(dāng)受到人為干擾的情況，自適應(yīng)機(jī)制難以適應(yīng)，會(huì)對(duì)成像質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3 局部強(qiáng)光對(duì)于CCD攝像系統(tǒng)成像過程的影響

采用照度計(jì)標(biāo)定過的130klx的光照強(qiáng)度，7klx的自然光照強(qiáng)度，選用SNOYDSC—F828CCD攝像機(jī)（具有自適應(yīng)功能），通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在未實(shí)施光照之前，目標(biāo)的圖像信息相對(duì)清晰，灰度比較均勻的分布在0～255整個(gè)灰度范圍，檢測(cè)到的邊界清晰可見。照射面積占整個(gè)視場(chǎng)或大部分視場(chǎng)時(shí)，由于光照很強(qiáng)，圖像達(dá)到飽和，灰度分布在255附近，基本上檢測(cè)不到目標(biāo)邊界，圖像細(xì)節(jié)消失；照射面積只占部分視場(chǎng)或少部分視場(chǎng)時(shí)，由于光照很強(qiáng)，照射部分達(dá)到飽和，再加上AGC調(diào)整增益減小，未光照部分整體變暗。在不同光照條件下，各因子之間的對(duì)比結(jié)果如下表所示。從表中可以看出，在局部光照條件下，亮度、對(duì)比度這兩項(xiàng)因子要明顯優(yōu)于全局光照，但是在整體結(jié)構(gòu)上略遜于全局光照，并且SSIM值明顯低于全局光照，這就表明，其對(duì)于CCD攝像系統(tǒng)的成像質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

表1 局部和全局光照條件下各因子對(duì)比表

4 時(shí)序控制下的光照對(duì)于CCD攝像系統(tǒng)成像過程的影響

通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整強(qiáng)光出光時(shí)序，使AGC的延時(shí)和出光頻率之間相匹配，在這樣的條件下，AGC會(huì)根據(jù)光照下的圖像情況適當(dāng)?shù)恼{(diào)整參數(shù)，當(dāng)AGC開始發(fā)揮作用時(shí)，將強(qiáng)光照撤下，或者是換成較弱的光照，這樣所獲得的圖像整體上比較暗，圖像的細(xì)節(jié)部分無(wú)法有效的體現(xiàn)出來。而當(dāng)AGC在此根據(jù)光照條件調(diào)整增益效果時(shí)，此時(shí)的光照條件變成了強(qiáng)光，這樣所獲得的圖像又過分飽和，導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)部分的效果仍然不理想。從整體上的效果來看，所獲取的圖像隨時(shí)間的變化出現(xiàn)明暗相互交替的情況，成像質(zhì)量受到了明顯的影響。這主要是由于當(dāng)光照條件的變化周期較大時(shí)，CCD攝像系統(tǒng)的自增益機(jī)制所需要的恢復(fù)時(shí)間相應(yīng)變長(zhǎng)，導(dǎo)致成像質(zhì)量受到影響，圖像細(xì)節(jié)部分分辨率過低。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了強(qiáng)光對(duì)可見光CCD攝像系統(tǒng)成像過程的干擾和影響，在研究中發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)光不僅會(huì)明顯影響CCD攝像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，同時(shí)對(duì)于其自增益機(jī)制也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。通過對(duì)局部光照條件與全局光照條件下的各因子進(jìn)行對(duì)比，以及對(duì)按照一定的出光時(shí)序來控制光照條件，CDD攝像系統(tǒng)所受到的影響的研究發(fā)現(xiàn)：強(qiáng)光的照射所引起的光照條件變化會(huì)導(dǎo)致成像質(zhì)量受到極大的影響，這會(huì)導(dǎo)致CCD攝像系統(tǒng)在對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行識(shí)別以及跟蹤方面會(huì)造成極大的干擾。