電視探測系統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光電轉換與光譜響應特性入手,論述了電視探測系統探測目標在不同環境、背景下探測距離與目標/背景對比度的關系,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光電轉換; 目標背景對比度; 分辨率; 作用距離

Class Number TN2

1 引言

光電探測系統在現代化戰爭中發揮著重要作用,紅外探測系統因探測機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。而電視探測系統是對目標的光而言,它受制于氣象影響,不具有夜間能力,但電視探測系統因具有分辨率高、觀察圖像清晰、體積小等優點,作為光電系統傳感器同樣得到廣泛應用。隨著科學技術的發展和國家裝備現代化步伐加快,電視成像系統在光電探測系統中發揮越來越大的作用。在西方發達國家新近研制瞄準吊艙系統中都有電視探測通道,甚至已經使用了彩色電視系統[1]。

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

2 CCD光電轉換特性與響應度

2.1 CCD光電轉換

CCD是以半導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移,因此CCD的工作原理就是接收光能量,產生信號電荷、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系稱為CCD的光電轉換特性,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為當曝光量x=0時CCD的輸出暗電壓(V),α為CCD的光響應度(V/lx.s),y為光電轉換系數。

一個好的CCD圖像傳感器應具有高的光響應度和低的輸出暗電壓。

2.2 CCD光譜響應

Si-CCD光譜響應峰值波長≈0.78μm;長波限λf≈1.1μm,響應于Si半導體的禁帶寬度(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,也與兩次采樣的間隔時間有關。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。則有如下關系:

I=Ket=KQ

(3)

式中,K為目標背景光譜響應系數,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,一是調節采樣時間,二是調節進入系統的通光量。

對于望遠系統,像面上的照度與系統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為電視系統相對孔徑,τα為光學系統穿透率,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特性、環境特性和電視系統本身。要想使目標能被探測到,首先是應使接受光敏面的光能量能被CCD感受到,另外像面目標背景對比度也要達到一定的比值。在白天背景光很強的情況下,目標和背景的對比度大于電視攝取信號的對比度閾值;在夜晚目標信號與電視系統內部噪聲比超過檢測閾值,并同時滿足系統分辨率要求,目標才能被探測到。

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

3.1 目標在電視像面上的照度

3.1.1 反射光目標的發光強度

在通常情況下電視對反射太陽、地面光的目標進行測量。設目標反射太陽光的反射系數為ρ,有效反射面積為As,太陽在目標上的照度為E,那么目標反射太陽的光強度Ios為

(5)

而目標反射地面光的貢獻為

(6)

式中,Iou為目標反射地面光對發光強度的貢獻,Eou為地面光在目標上的照度,Aρ為目標在觀測方向的投影面積,κ為Aρ的有效利用系數。

上述二者之和即為目標反射光強度,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 發光強度為Io目標的靶面照度

根據照度定理,輻射照度為Io的目標經過大氣投射到CCD靶面上的照度為

(8)

式中,D為光學透鏡有效口徑,R為觀測點至目標的距離,τα為大氣透過率,τ0為光學系統透過率,τf為濾光片透過率,Nm為目標像所占CCD像素數。

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為光學系統有效口徑,Αα為單個像元面積,f為光學系統焦距,τα為光學系統透過率,τf為濾光片對背景透過率。

3.3 目標背景對比度

由于大氣透過率的影響,不僅使被觀測目標表觀亮度與固有亮度不同,目標與背景的對比度也發生變化,這種對比度的變化使傳遞函數下降,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、固有對比度和調制對比度[3～4],經大氣看到的目標表觀對比度[5]:

(10)

式中,B目為目標亮度,B背背景亮度。

若以觀察背景為天空,近距離觀察到的目標/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

對于電視探測系統的作用距離在光電技術領域里影響的因素有很多,通常CCD光電探測系統對目標的極限探測距離由以下因素決定[6～8]:

ΔNT+NB+ND=max|NA/D,N預放,NCCD|

(13)

(14)

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

· 從對比度角度出發計算作用距離

白天背景光很強,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信號,即

(15)

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

某些CCD產品提供像面最小照度Emin數據,有的提供物方最小可用照度E0,兩者之間關系為

(16)

晚上背景光很弱,探測能力主要受信噪比影響。

· 從信噪比角度出發計算作用距離

根據探測極限原則,可從系統最小探測照度及所需最小信噪比出發來導出系統探測距離:

S/N=Im/Ibc

(17)

式中,Im為目標產生電流信號與背景、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;Ibc為除目標外的背景。

Ibc=Ibz+Ia+Iz

(19)

S/N可以用示波器或專用全電視信號測試儀器測量[3]。

4 電視分辨率與作用距離

電視分辨率與作用距離的關系:

(20)

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

5 結語

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

1) 設計光學系統成像質量高于CCD截止頻率;

2) 合理選擇系統相對孔徑;

3) 合理控制系統的通光量;

4) 抑制系統雜光系數,提高信噪比。

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

[2] 許世文,于洪利,王巖.CCD光電轉換的自動曝光技術[J].哈爾濱工業大學學報,1991,23(5):78-82.

[3] 何照才.光電測量[M].北京:國防工業出版社,2002:72-73.

[4] 白延柱,金偉其.光電成像原理與技術[M].北京:北京理工大學出版社,2006:61-62.

[5] 王毅,藝偉,饒瑞中.目標特性對目標—背景對比度的影響[J].量子電子學報,2005,22(5):827-832.

[6] 楊滿忠,尹健,于雷.電視導引頭作用距離研究[J].電光與控制,2003,10(2):27-30.

[7] 王晶.電視跟蹤系統作用距離分析[J].長春光學精密機械學院學報,1997,120(1):45-48.

[8] 張萬清.飛航導彈電視導引頭[M].北京:宇航出版社,1994:102-103.

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:作戰系統。

TN2

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.044