光电成像系统探测能力分析

光电成像系统探测、识别能力分析【摘要】本文从光电成像的系统原则、辨别原则入，手较为全面的分析了影响光电成像系作通用能力的因素，并描述了该类系统主要参数的选择方法与经验数值。【关键词】CCD红外光电成像探测能力1引言随着信息技术在侦察情报装备中的广泛应用，具有图像侦察获取能力的传感器种类和数量越来越多，图像情报的应用也越加广泛，因此光电成像技术成了战场情报综合处理的重要组成部分，由于CCD摄像机、红外热成像系统所具有的各种突出优点，所以其发展速度惊人。近10年来，CCD摄像机、红外成像的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品。并产生出巨大的军事效益。本文针对该领域对光电成像系统的要求，叙述了该系统主要参数的选择方法。2评估光电成像系统探测与识别的基本原则2.1系统的原则目标成像到接收器表面的整个传递过程中，有很多因素制约着成像质量的好坏，中间影响图像质量的信息传输环节如图1所示。图1光电成像传输环节在图像传递过程中主要发生了三种传递作用：一是视角的传递，即远处的目标通过光学系统后，对人眼张角必须1′，人眼才能看清物体；二是亮度的传递，远处物体辐射的光通过大气的衰减、吸收，到达CCD靶面上的亮度必须大于CCD的感光度；三是对比度的传递，对比度是目标的亮度与背景的亮度之比，当目标逐渐变远时，目标与周围背景之间的亮度对比会逐渐变小，直至目标看不清。因此在设计光电成像系统时要首先要从系统的角度考虑产品各部件的参数选择，才能达到满意的使用效果。2.2辨别原则在军事应用中中对目标探测的判定常常借鉴Johnson判则，它把目标分为四大类：探测、取向、识别和确认。也就是根据目标所反射的光线通过光学镜头后，在CCD传感器像面上所能覆盖像元素的数量来初步确定光学镜头的参数，判据如下：辨别等级含义最小尺寸上的周数探测存在一个目标把目标从背景中区分出来1取向目标是近似的不对称，可大致区分正面或侧面2识别识别目标是哪一类（人、坦克）4确认认出目标，清晰确定类型（T52坦克、友方车辆）8在实际计算时，可根据此模型适当增加保险系数即可达到与计的效果。3光电成像系统分析3.1系统分辨率成像系统中，光学系统、光电探测器和电子电路都具有其本身的分辨率。系统的分辨率是各部分分辨率的合成。其中主要是光学系统和光电器件的分辨率对成像质量起决定性作用。系统的分辨率首先决定于光学艾里斑的大小和光电探测器的大小。当像素面积大于艾里斑面积时(如图2a)，艾里斑大小少量的变化几乎对光学系统分辨率没有影响。系统的分辨率由CCD探测器像元大小决定；当像素面积小于艾里斑面积时(如图2b)，系统的分辨率由光学艾里斑的大小所决定。图2艾里斑覆盖像元面积示意图因此系统的等效分辨长度可以表示为：Re=2d2ORR+(1)式中：R。为光学系统等效分辨长度；Rd为光电探测器的等效分辨长度。对于光学分辨率来说，假设系统不存在光学像差，是衍射极限决定了光学分辨率。光学分辨长度可表示为R。=l．854λF(F是镜头F数)。对于光电成像器件来说，分辨长度Rd等于像素的有效感光宽度d，即：Rd=d因此系统的等效分辨长度可表示为：1)dF845.1(dR2e+=λ(2)当F数变小时，系统的等效分辨长度减小到等于或小于器件的有效感光宽度d。此时是像素的大小限制系统的分辨率；当F数增大时，系统的等效分辨长度增大，等效弥散圆将限制系统分辨率。根据长期的实践与相关的计算表明，光学系统的等效分辨长度为0．75d时，可以认为光学分辨率和像素分辨率之间达到了匹配。3.2镜头参数的确定需要确定的镜头参数有焦距和相对孔径，它们决定了系统对目标进行探测和识别的能力。3.2.1镜头焦距的确定连续变焦的光学镜头的短焦和长焦应由探测和识别目标所需要的空间分辨角、最大视场角和CCD像元尺寸来决定。空间分辨角为：2nRW=Δθ（3）式中：w一目标的外形尺寸；R一探测或识别的距离；n一目标在靶面上所压的线对数。长焦距应为：θΔ=pf'max（4）式中：P--像元大小。短焦距则为：g'ffmax'min=（5）式中：g一变倍比。3.2.2相对孔径的确定当光学系统的分辨率R。=0．75d时，光学分辨率和像素分辨率之间达到了匹配，则光学系统的等效分辨长度即艾里斑直径则：DAiry=R。=1.22λF=0.75dλλdK22.175d.0F==(6)由于F数增大，系统的分辨率会降低。相对孔径直接影响光电成像系统的靶面照度和分辨力，因此相对孔径的选择必须满足这两方面的要求。3.2.2.1白光成像系统照度原则CCD靶面最小照度可按下式计算：0200C.)F1.(.E.41Eρτ=………..(7)式中：E0为目标照度；τ0为镜头的透过率；F为镜头的F数；ρ0为漫反射系数。要获取目标的图像，必须使目标在靶面上的照度大于CCD的最小照度。靶面照度为：K.)fD.(...E.41E2'0aLgiττρ=…..(8)若Ei≥Ec，则有：K....E4E)fD(0aLgc'ττρ≥（9）式中：Eg为一定太阳高角时地面照度；ρL为漫反射系数；τa为大气透过率；K为像点弥散的修正系数。分辨力原则根据约翰逊判据，发现目标应在CCD靶面上占4个像元，为使目标的最小尺寸在靶面上至少压4个像元(为2对线)，则镜头的最低分辨率为：4p1N=……….(10)为了保证有较高的探测概率，取镜头的极限分辨率Nmax。=2N，则相对孔径为：λ22.1NfDmax'∗=………..(11)式中：λ为光学系统的主波长。权衡系统的靶面照度和分辨率并留有一定的余量，最终确定相对孔径D/f′3.2.2.2红外成像系统对于红外成像系统，在红外镜头焦距基本确定的情况下，镜头口径的大小成为影响系统性能和重量的关键因素。通光口径越大，系统收集到的红外辐射能量越强，则系统温度灵敏度越高；但当目标距离到远一定程度之后，限制系统性能的瓶颈指标已由温度灵敏度化为空间分辨率，此时温度灵敏度指标再高也对系统性能没太大帮助，反而因为口径太大而导致镜头尺寸、重量、成本和加工难度等因素变得不能忍受，必须寻找到一个平衡点以解决此问题。因此在满足理论要求的前提条件下，红外镜头的口径大小还需满足红外系统的探测距离要求。在实际使用中，红外系统的探测距离R受四个方面的影响，可用公式表示如下：R=K1K2K3K4（7）式中：K1=αλτΔJ，表征目标辐射强度和大气透射率的影响；022τπ⋅⋅=NADK，表征光学系统参数的影响；K3=*D，表征探测器的探测率的影响；K4=()4/1n/1fSNRΔ⋅Δ⋅θ，表征系统和信号处理的影响；以上各式中的符号含义如下：R为探测距离（m）J△λ为目标的辐射强度（W/sr）；τα为沿瞄准方向的大气透过率；τ0为光学系统的轴向透过率;NA为光学系统数值孔径；D为光学系统的入射孔径（mm）;D*为探测器的探测率（cmHz1/2/W）；θΔ空间分辨角；△f为系统带宽；N为目标在靶面上所压的线对数；SNR为信噪比。其中，数值孔径NA='2fD。探测率是响应率除以均方根噪声，折算到放大器的单位带宽，并按均方根面积关系折算到探测器的单位面积值，公式表示为：D*=fVRnbbΔ2d式中：Rbb为黑体响应率（V/W）;Vn为探测器噪声。将上述因子带入公式（4），距离方程变为：R=()4/1201d2fSNRfVRNADJnbbΔ⋅Δ⋅⋅Δ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅Δθτπταλ=4/1220'd1'22⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δ⋅⋅⋅Δ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ΔffSNRfAVRfDDJdnbbτπταλ可得：R=SNRVRDJnbb1402⋅⋅⋅⋅⋅Δτπταλ(8)从公式（8）中可以看出，红外系统探测距离R∝D镜头口径，而与镜头焦距f’无关，所以在选定红外系统镜头的相孔径时要综合考虑系统分辨率、探测距离、红外镜头加工工艺条件等因素进行选择，根据目前的情况一般选择在0.8-1.2之间。4显示环节对系统的影响光电成像的主要目的主要施工人眼观察，目前主要有两种形式：1)直视型：人眼通过目镜观看系统成像屏上的图像。2)电视型：成像系统输出的信号经处理后，侍输到显示器上，以图像形式供人眼直接观看。作用距离和观察细节是评价系统性能的主要指标，对于观看电视图像一般都存在某一最佳观察距离范围，过于远或近都难以获得好的效果，在设计时要结合人眼的分辨率、光电成像的视场、图像的分辨率选则显示器件、设计光学目镜。图像显示的清晰度是由显示器视频通道的带宽和显像管的点距和会聚误差决定的，对于PAL信号而言，其通道带宽与清晰度之件的折算关系为78/M线，对NTSC制式而言，为56/M线；此外，要确保显示器相应的清晰度，显示器使用的显像管的点距和会聚误差也必须达到相应的要求。5结束语一套光学系统能否满足使用要求，需要考虑很多因素，任何一个小的环节出现纰漏，都可能使整套系统不能满足使用要求。总体来讲，系统得设计理念是光电成像系统在设计阶段就需要着重考虑的问题。本文从系统出发根据自己的工作体会粗略的概述了光电成像系统设计中需要注意的问题供大家共享。