1.06μm激光对CCD、CMOS相机饱和干扰效果对比研究

邵 铭，张 乐，张雷雷，柴国庆，胡琥香

（中国人民解放军63891部队，河南 洛阳471003）

引言

CCD（charge couple device电荷耦合器件）和CMOS（complementary metal oxide semiconductor互补金属氧化物半导体）传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器。CCD图像传感器主要应用于遥感、遥测、制导武器、卫星侦察、图像跟踪等军事和科学研究领域［1-7］；随着微电子技术发展，CMOS传感器在工艺、成像质量方面的改进，其本身功耗低、摄像系统尺寸小、集成度高等优点使其在遥感成像、空间探测等领域均也有广泛应用［8-9］。目前，利用高重频激光干扰敌成像观瞄和精确制导武器，是一种有效的对抗方式。为了对比高重频激光对CCD和CMOS两种相机的干扰效果，本文开展了对CCD、CMOS两种相机的饱和干扰实验研究。通过对CCD、CMOS相机饱和干扰条件的分析和受到干扰后干扰图像的处理，得到了干扰激光功率与CCD、CMOS相机有效干扰像元、饱和像元和干扰图像相关度等之间的关系。

1 实验装置

实验中采用高重频YAG激光器作为干扰源，激光波长1.06μm，重频64kHz，脉宽10ns，平均功率1.5W。CCD相机和COMS相机型号和相关参数见表1。实验系统布局如图1所示。激光器出口处用可调衰减片作适当衰减，滤光片用来阻止880nm的泵浦光进入相机，用分光镜将光束一分为二，一部分进入功率能量计实时监测激光器功率变化，另一部分进入相机后对相机进行干扰，视频采集卡和计算机对相机输出图像进行实时采集和存储。

表1 CCD、CMOS相机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of CCD and CMOS cameras

图1 实验布局示意图Fig.1 Experimental setup

2 实验现象及结果分析

实验中调整激光束与相机光轴对准，利用计算机监视器观察相机输出的图像，通过观察监视器的图像判断入射到相机的光信号是否使相机达到饱和。首先，将激光衰减到使相机处于线性工作区功率范围，记录成像在相机传感器表面的光斑像素点个数，利用相机像元尺寸计算激光辐照在相机传感器表面的面积，计算出相机传感器表面的功率密度。然后，逐渐减小衰减直至相机处于临界饱和状态。实验中采集到的典型干扰图像及干扰光斑的灰度分布如图2～图3所示。

图2 对CCD相机的干扰效果Fig.2 Jamming effect of CCD camera

图3 对CMOS相机的干扰效果Fig.3 Jamming effect of CMOS camera

2.1 干扰机理分析

CCD相机工作时，感光元件生成的电信号由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大，然后输出到A／D转换芯片进行处理，最终输出给专门的DSP处理芯片。CCD传感器的每个像元可等效于一个电容，所能存储和处理的最大电子电荷数是一定的，当较强的激光辐照CCD传感器局部时，由于CCD光积分时间为几微秒到几百微秒，光生载流子产生时间为10-12s量级，将有足够的时间发生电子“溢出”现象，这就是CCD的“饱和串扰”现象［9-10］，见图2。造成这种现象的原因文献［7，9，10］中作了详细的分析与论述 ，普遍认为其与CCD传感器的结构尺寸、势阱深度有关，是干扰综合结果的反映。“饱和串扰”现象并没有对CCD相机及其材料造成损伤，但却严重干扰了CCD相机的正常工作。

在对CMOS实施干扰过程中，当激光器能量逐渐增加时，从图3中可以看到并没有出现CCD干扰的“饱和串扰”现象，这主要是因为CMOS相机和CCD相机感光元件的结构和数据传递的方式存在较大的差异。CMOS相机中除了位于核心地位的感光二极管之外，每个感光像元都直接整合了放大器和A／D转换电路，当感光二极管受到激光辐照后，进行光电转换产生与入射光信号成比例的模拟电信号，电信号首先被感光元件中的放大器放大，然后由A／D转换电路直接转换为对应的数字信号，再采用类似闪存电路的方式将数据输出，CMOS图像传感器的这种结构使得它各个像元之间的串扰很小，所以相对CCD传感器来说，用相同功率的激光很难对CMOS图像传感器造成大面积的饱和干扰，也不存在类似“饱和串音”现象。

2.2 干扰有效面积与入射激光功率关系

利用计算机和视频采集卡，采集到不同激光功率下CCD和CMOS相机的干扰图像。通常，高斯光束经过透镜后的光强分布仍为高斯分布，因此，将激光光强降为1／e2处作为光斑的边缘，以图像的灰度值来对应光强的大小。故在输出图像中，将大于光斑灰度最大值1／e2的像素点的灰度值视为有效干扰光斑灰度阈值，对激光干扰图像进行处理，得到了在不同激光功率辐照下，CCD和CMOS探测器上干扰有效面积占整个探测器面积的比例，如图4所示。为方便看出区别，其中横坐标入射的激光功率采用以10为底对数形式表示。从图中可以看出：1）随着入射激光功率的增加，CCD和CMOS探测器的干扰有效面积并不是线性增加，CCD比CMOS相机有效干扰面积增加更快，CCD比CMOS相机更容易受到干扰；2）在达到相同的干扰面积时，干扰CMOS相机比CCD相机需要的激光功率约大10倍～100倍；3）相同的干扰激光功率，干扰CCD相机比CMOS相机效果要好，换句话说，在其他条件不变的情况下，CMOS比CCD相机抗激光干扰能力更强。

图4 激光入射功率与干扰有效面积的关系Fig.4 Relationship between laser incident power and jamming effective area

2.3 饱和像元面积与入射激光功率关系

实验时逐渐减小衰减倍数，同步观察CCD和CMOS探测器的输出图像。随着照射到相机上的能量不断增大，相机输出的光斑亮度变强，相机受干扰程度愈严重。图5给出了CCD、CMOS相机干扰图像中灰度值达到255的饱和像元数目和入射激光功率之间的关系。为方便看出两者之间的关系，将横、纵坐标均取以10为底的对数。从图中可以得出以下结论：1）CCD探测器达到单元像素饱和的激光功率阈值约为1×10-3mW，CMOS探测器达到单元像素饱和的阈值约为2×10-2mW，大约是CCD的20倍；2）CCD探测器比CMOS探测器的像元达到全部饱和的速度要快，所需功率要小；3）相同的入射激光功率CMOS饱和像元面积要小于CCD饱和像元面积。

图5 激光入射功率与饱和像元数的关系Fig.5 Relationship between laser incident power and saturated pixel number

2.4 干扰前后图像相关度与入射激光功率关系

为了定量评价入射激光功率对两种相机干扰效果的影响，可利用干扰前后图像之间的协方差系数来表示干扰前后图像之间的相关度［11］。两幅图像协方差的计算公式为

利用上述公式分别对两种相机干扰前后的图像质量进行了计算。式中：Amn、Bmn分别表示受到干扰后与干扰前图像中m 行n列的灰度值；A、B分别表示受到干扰后与干扰前图像的平均灰度值。图6是受到干扰后CCD相机和CMOS相机输出图像相关度随入射激光功率的变化曲线。从图中可以看出：1）随着入射激光功率的增大，两种相机干扰前后图像的相关度减小，图像质量下降，干扰效果提高；2）在小功率干扰条件下（＜0.1 mW），CCD相机图像质量下降较快，CMOS相机受到干扰后的图像与起初受到干扰后的图像变化不大；3）在相同入射激光功率条件下，CCD相机的干扰效果要好于CMOS相机，这与前面结论一致；4）要达到相同的干扰效果，CCD相机所需激光功率要小于CMOS相机。

图6 入射激光功率与图像相关度的关系Fig.6 Relationship between laser incident power and imaging correlation

3 结论

通过实验研究了1.06μm高重频激光对CCD、CMOS相机的辐照饱和效应，测量并计算了CCD、CMOS两种相机的图像饱和激光功率密度阈值。在此基础上通过对干扰图像的处理，得到了入射激光功率与有效干扰面积、饱和干扰面积以及图像相关度之间的关系，并对两者之间进行了比较。实验结果表明：

1）CMOS相机达到单元像素饱和的激光功率阈值约在2×10-2mW，是CCD相机的20倍。

2）两种相机要达到相同的干扰有效面积，干扰所需的激光功率CMOS相机比CCD相机约大10倍～100倍；

3）两种相机要达到相同的饱和像元数，干扰所需的激光功率CMOS相机比CCD相机约大10倍～60倍；

4）干扰随着入射激光功率的增大，两种相机的干扰前后图像的相关度均减小，干扰效果提高，但在小功率干扰条件下，CCD相机比CMOS相机图像质量下降快，更容易受到干扰。

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