电视探测系统特性与作用距离研究*

刘东涛

(海军驻大连426厂军事代表室 大连 116000)



电视探测系统特性与作用距离研究*

刘东涛

(海军驻大连426厂军事代表室 大连 116000)

从CCD光电转换与光谱响应特性入手,论述了电视探测系统探测目标在不同环境、背景下探测距离与目标/背景对比度的关系,给出了电视探测作用距离的估算方程,最后提出提高电视探测作用距离的几点建议。

CCD光电转换; 目标背景对比度; 分辨率; 作用距离

Class Number TN2

1 引言

光电探测系统在现代化战争中发挥着重要作用,红外探测系统因探测机理是对温度辐射而言,在不良天气和夜间观察能力受到重视。而电视探测系统是对目标的光而言,它受制于气象影响,不具有夜间能力,但电视探测系统因具有分辨率高、观察图像清晰、体积小等优点,作为光电系统传感器同样得到广泛应用。随着科学技术的发展和国家装备现代化步伐加快,电视成像系统在光电探测系统中发挥越来越大的作用。在西方发达国家新近研制瞄准吊舱系统中都有电视探测通道,甚至已经使用了彩色电视系统[1]。

CCD作为一种新型阵列式光电转换器,由于能够将图像的光强分布转换成电信号而得到了广泛应用[2]。电视探测系统除微光外都采用CCD电耦合光敏器件,因此系统的探测性能与CCD的固有特性和性能直接相关,本文描述了CCD特征参数,并给出了电视探测系统的作用距离分析计算方法。

2 CCD光电转换特性与响应度

2.1 CCD光电转换

CCD是以半导体为基座的电耦合器件,特点是以电荷作为信号,而不是以电流和电压为信号,CCD的基本功能就是电荷的存储和电荷的转移,因此CCD的工作原理就是接收光能量,产生信号电荷、存储电荷、传输电荷和检测电荷。

输入曝光量与输出信号电压的关系称为CCD的光电转换特性,它可用下列方程表示:

γ=axγ+b

(1)

式中,x为曝光量H(lx.s),y为输出电压(V),b为当曝光量x=0时CCD的输出暗电压(V),α为CCD的光响应度(V/lx.s),y为光电转换系数。

一个好的CCD图像传感器应具有高的光响应度和低的输出暗电压。

2.2 CCD光谱响应

Si-CCD光谱响应峰值波长≈0.78μm;长波限λf≈1.1μm,响应于Si半导体的禁带宽度(Eg)1.12eV间的本征光吸收之截止波长。

(2)

2.3 CCD照度分配

CCD是积分型器件,输出电压信号既与CCD感光照度有关,也与两次采样的间隔时间有关。I代表其输出电流信号,以E表示在CCD光敏面上照度,t代表两次采样间隔时间。则有如下关系:

I=Ket=KQ

(3)

式中,K为目标背景光谱响应系数,Q=Et成为曝光量,单位lx.S。

CCD光敏器件上的照度可以通过两种途径,一是调节采样时间,二是调节进入系统的通光量。

对于望远系统,像面上的照度与系统的相对孔径平方成正比,轴上点的照度可表示为

(4)

式中,D/f为电视系统相对孔径,τα为光学系统穿透率,τ0为大气透过率,C为景物对比度。

3 电视的作用距离估算

影响电视探测距离的主要因素有目标特性、环境特性和电视系统本身。要想使目标能被探测到,首先是应使接受光敏面的光能量能被CCD感受到,另外像面目标背景对比度也要达到一定的比值。在白天背景光很强的情况下,目标和背景的对比度大于电视摄取信号的对比度阈值;在夜晚目标信号与电视系统内部噪声比超过检测阈值,并同时满足系统分辨率要求,目标才能被探测到。

对任何可以被电视探测到的物体都是电视目标,常见的有发射太阳光的地面物体、飞行器、导弹、弹或机上的发动机、喷焰、星体等。目标不同,估算目标辐(反)射能量的方法也不同。

3.1 目标在电视像面上的照度

3.1.1 反射光目标的发光强度

在通常情况下电视对反射太阳、地面光的目标进行测量。设目标反射太阳光的反射系数为ρ,有效反射面积为As,太阳在目标上的照度为E,那么目标反射太阳的光强度Ios为

(5)

而目标反射地面光的贡献为

(6)

式中,Iou为目标反射地面光对发光强度的贡献,Eou为地面光在目标上的照度,Aρ为目标在观测方向的投影面积,κ为Aρ的有效利用系数。

上述二者之和即为目标反射光强度,即:

(7)

式中,Eos是太阳在大气层外的照度,常取值为1.5×104lx,As、Eou取值可参考摄影作用距离中讨论选取。

3.1.2 发光强度为Io目标的靶面照度

根据照度定理,辐射照度为Io的目标经过大气投射到CCD靶面上的照度为

(8)

式中,D为光学透镜有效口径,R为观测点至目标的距离,τα为大气透过率,τ0为光学系统透过率,τf为滤光片透过率,Nm为目标像所占CCD像素数。

3.2 背景照度

背景在每个CCD像元上的平均照度为

(9)

式中,B为背景亮度,D为光学系统有效口径,Αα为单个像元面积,f为光学系统焦距,τα为光学系统透过率,τf为滤光片对背景透过率。

3.3 目标背景对比度

由于大气透过率的影响,不仅使被观测目标表观亮度与固有亮度不同,目标与背景的对比度也发生变化,这种对比度的变化使传递函数下降,直接影响探测作用距离。

在可见光探测中通常使用目标与背景的亮度对比度,对比度有若干个定义,表观对比度、固有对比度和调制对比度[3～4],经大气看到的目标表观对比度[5]:

(10)

式中,B目为目标亮度,B背背景亮度。

若以观察背景为天空,近距离观察到的目标/背景对比度为C0,则在距离R上观察到的对比度为

CR=C0e-σR

(11)

若目标为黑色物体,则B0=0,C0=1,一般对比度阈值为CR=0.02,则有e-σR=0.02,-σR=ln0.02=-3.912,则能见度距离为

(12)

3.4 电视探测距离估算

对于电视探测系统的作用距离在光电技术领域里影响的因素有很多,通常CCD光电探测系统对目标的极限探测距离由以下因素决定[6～8]:

ΔNT+NB+ND=max|NA/D,N预放,NCCD|

(13)

(14)

式(13)、式(14)表明目标与背景及器件噪声之和必须大于NA/D、N预防、NCCD之中的最大项,同时还要有一定的信噪比,才能使系统探测到目标。从求取信号所需最小信噪比和所需灵敏度出发,求相应的对比度,推算出目标的作用距离。

· 从对比度角度出发计算作用距离

白天背景光很强,成为干扰信号提取的主要因素,因此只有对比度大于某个阈值才能提取目标信号,即

(15)

目前,C通常取0.1,有时取0.03。实际这是认为叠加在整个背景之上的。电视系统要有信号输出,背景照度必须大于CCD靶面最小照度EMmax;而电视系统要取出目标信号,除了要求ET大于EB、C外,还要考虑C对分辨率的影响,式中已设想目标尺寸占NMm个CCD像元(NMm>1)。

某些CCD产品提供像面最小照度Emin数据,有的提供物方最小可用照度E0,两者之间关系为

(16)

晚上背景光很弱,探测能力主要受信噪比影响。

· 从信噪比角度出发计算作用距离

根据探测极限原则,可从系统最小探测照度及所需最小信噪比出发来导出系统探测距离:

S/N=Im/Ibc

(17)

式中,Im为目标产生电流信号与背景、噪声电流信号之和,即

Im=Em·A0·t·Km·s

(18)

Em为目标在CCD靶面上的照度;A0为CCD单个像元面积;t为积分时间;S为CCD平均光谱响应;Ibc为除目标外的背景。

Ibc=Ibz+Ia+Iz

(19)

S/N可以用示波器或专用全电视信号测试仪器测量[3]。

4 电视分辨率与作用距离

电视分辨率与作用距离的关系:

(20)

式中,dm为目标大小;f为系统焦距;Nv为电视分辨率;D为靶面有效直径;n为被测目标所需行数。

5 结语

从CCD的光电转换特性及作用距离分析,要提高电视系统的探测性能可以从以下几方面着手:

1) 设计光学系统成像质量高于CCD截止频率;

2) 合理选择系统相对孔径;

3) 合理控制系统的通光量;

4) 抑制系统杂光系数,提高信噪比。

[1] 卜纪伟,王建霞.最小可分辨对比度在机载电视系统中的应用研究[J].电光与控制,2011,18(10):64-68.

[2] 许世文,于洪利,王岩.CCD光电转换的自动曝光技术[J].哈尔滨工业大学学报,1991,23(5):78-82.

[3] 何照才.光电测量[M].北京:国防工业出版社,2002:72-73.

[4] 白延柱,金伟其.光电成像原理与技术[M].北京:北京理工大学出版社,2006:61-62.

[5] 王毅,艺伟,饶瑞中.目标特性对目标—背景对比度的影响[J].量子电子学报,2005,22(5):827-832.

[6] 杨满忠,尹健,于雷.电视导引头作用距离研究[J].电光与控制,2003,10(2):27-30.

[7] 王晶.电视跟踪系统作用距离分析[J].长春光学精密机械学院学报,1997,120(1):45-48.

[8] 张万清.飞航导弹电视导引头[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

刘东涛,男,高级工程师,研究方向:作战系统。

TN2

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.044