基于三代微光ICCD成像装置的目标对比度影响因素测试分析

陈旭浪，党小刚，郭欣达，王 磊，张姝丽，拜晓锋，韩 坤，袁 渊，李军国，成 伟

（1.微光夜视技术重点实验室，陕西 西安，710065；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；3.空军装备部驻昆明地区军代表室，云南 昆明 650223）

引言

作用距离是评价微光夜视整机系统的一个重要指标[1]。微光夜视整机夜间作用距离与目标对比度、环境温湿度、能见度、环境光照度等参数密切相关，而在这些因素中目标对比度对作用距离评估的影响最为突出[1-2]。国外对微光夜视成像的相关文献是封锁的，国内目标对比度方面的研究工作主要聚焦于系统的信噪比[3]、图像处理算法[4-5]等方面。Orlando、李文娟、罗华、金伟其等在光电成像系统性能评价方向就MRC（minimum resolvable contrast）开展了较多的研究工作[6-9]。此外，2004年，王毅等开展了大气中目标背景对比度及其影响因素的数值分析[10]，但未进行微光目标对比度影响因素研究。2010年，杜石明等进行了红外光照射对目标与背景对比度影响研究[11]，未对微光条件下可见光区间进行研究。

目标对比度的测量通过观察物体时物体和背景的亮度差异而实现[3]。在夜天光条件下开展微光夜视仪试验时，自然光辐射光谱强度会随着光照的降低而发生较大变化[12]。由于三代微光像增强器具有与星光条件下自然光辐射光谱良好匹配的使用特性[13-14]，建立了基于三代微光ICCD成像装置。为了探究环境光照度、目标反射率、背景反射率对目标对比度测量的影响，从微光成像系统能量传递链、光电子成像系统视觉特征方程出发，分别推导环境光照度和目标-背景反射率比与对比度的关系。并以三代微光ICCD成像装置为基础，开展了暗室和夜天光环境下的对比度测试试验。本研究工作对开展夜间对比度测试及微光夜视仪试验具有重要意义。

1 理论分析

1.1 对比度的计算

利用ICCD 采集夜间低照度环境下的目标景物图像，然后利用图像分析软件分别提取目标物的灰度值Ik和目标周边背景的灰度值I0。由于图像灰度值与像面照度线性相关，因此利用公式计算得到目标对比度[2]：

式中：CON为目标对比度；Lk、L0分别表示目标亮度和背景光亮度；Ik、I0分别表示目标物灰度值和周边背景灰度值。

1.2 系统能量传递链评价

ICCD成像系统检测目标各点的亮度分布基于像面上所获得的照度获得：

（2）式和（3）式中：E0为环境照度；Le为目标像面亮度；L0为背景像面亮度；ρa为目标光反射率；ρ0为背景光反射率；（D/f）为相对孔径；τ为大气及物镜透射率；像增强器的亮度增益G是以环境照度E0为自变量的函数。将（2）式和（3）式代入（1）式得：

由于三代微光像增强器自动亮度控制（automatic brightness control，ABC），1×10−3lx～5×10−2lx照度区间内，像增强器的荧光屏亮度与环境照度E0线性相关[15]，即像增强器亮度增益G为定值。当G值恒定时，CON与环境光照度无关。

1.3 光电子成像系统视觉特征方程

在照度-亮度的线性相关照度区间[Es，Em]内，三代像增强器的亮度增益G为定值。根据光子数统计涨落之规律，对于面元A的光照度为E0，其反射特性服从郎伯分布，则反射光强度分别为

式中：σ为每流明光通量所包含的每秒光子数目，对色温Tc=2856 K，σ ≈1.6·1016光子数/lm·s；ρa为面元A的光反射率；∆x和∆y是面元尺寸。

通过大气和系统物镜后，输入到光电子成像器件光敏面A′的光子数通量na为：

式中：D为物镜口径；r为观察距离；τ为物镜及大气的总透过率。若背景光照度引起的光子数通量为n0，背景光反射率为ρ0，则对比度为

则CON与目标光反射率ρa与背景光反射率ρ0之比越接近1，对比度越小。

2 试验装置及方法

本文基于三代微光ICCD成像装置，开展了不同对比度靶标的暗室对比度测试与夜天光对比度测试。

2.1 不同对比度靶标的暗室测试

暗室对比度测试时[16-19]，ICCD成像镜头为康标达F 1.4/50 标准镜头；照度计为KLL-04 型宽量程照度测试仪，量程可覆盖10−7lx～103lx；积分球光源可提供10−5lx～102lx的照度。

暗室对比度测试原理图如图1所示。照度计与靶标设置在一侧，积分球与ICCD 距离靶标为5 m。

图1 对比度测试原理图Fig.1 Schematic diagram of contrast test

测试具体步骤为：

1）通过积分球光源实现暗室照度的调节；调节环境光照度分别为7.5×10−2lx、4×10−2lx、1×10−2lx、7.5×10−3lx、4×10−3lx、1×10−3lx；

2）照度计测量暗室光照度并记录；

3）使用ICCD 在2）测得的各光照度下，使用ICCD 采集分别采集靶标图像，在计算机上通过灰度值计算得到靶标的对比度；

4）更换靶标后重复以上步骤。

2.2 夜天光对比度测试

夜天光对比度测试时，需要携带ICCD成像装置（镜头为康标达F 1.4/50）、KLL-04 型宽量程照度测试仪、便携计算机、蓄电池，以及必要的场地标定设备。试验场地按照GJB4396-2002 微光夜视仪定型试验规程选定。如图2所示，试验时设置目标位与观察位，目标位站立两位分别身着沙漠迷彩与丛林迷彩的试验人员，在观察位处，使用ICCD成像装置进行图像采集。

图2 试验场地情况示意图Fig.2 Schematic diagram of test site

试验具体步骤为：

1）测试时，目标位占高不小于背景高度的1/4，在距离目标N为50 m、100 m 及150 m 处进行图像采集。

2）用照度计监测自然光照度并记录；

3）以着丛林迷彩人员和着沙漠迷彩人员为目标，用ICCD测试装置观察目标并调焦至图像清晰后，在距离目标、背景距离M为50 m、100 m 及150 m 处分别进行图像采集（分别采集25帧）。

4）在完成3）的图像采集后，经计算后给出对比度结果。

5）更换试验场地重复以上步骤。

3 试验结果及分析

3.1 不同对比度靶标的暗室测试结果及分析

对10组不同对比度靶标进行ICCD 图像采集并计算，得到的对比度测试结果如表1所示。

表1 对不同对比度靶标的对比度测试数据Table1 Contrast test data for different contrast targets%

由于光电子成像系统各环节逐级传递的衰减存在，ICCD测得的对比度低于实际靶标对比度。由图3暗室对比度测试结果知，在暗室条件下，不同靶标在不同照度下的测试值与标准对比度对比下降趋势基本一致。验证了成像装置进行对比度测量的有效性。

图3 暗室对比度测试结果Fig.3 Dark room contrast test results

图4为对比度-照度曲线，由图中可知，对比度与环境照度几乎不相关。从1#靶标到10#靶标，它们的区别在于黑白条纹中黑色条纹的颜色深浅程度不同。白色、黄色等明亮颜色可以反射光线，黑色、紫红色等较深颜色可以吸收光线。黑色线条颜色越深反射率越小。因此，1#靶标到10#靶标对比度的降低可以看做是黑条纹反射率的增加，即黑条纹反射率接近白条纹反射率，他们的比值接近于1。从图4中可以看出，随着靶标从1#更换到10#，黑条纹与白条纹反射率的比值增加，对比度降低。以上试验结果与1.3 节分析一致。

图4 对比度-照度曲线Fig.4 Curves of contrast to illuminance

图5为三代微光像增强器ABC曲线。当入射照度低于Es时，由于系统的增益不够，荧光屏输出亮度会很小，这不利于微光像增强器的成像探测；当入射照度处于[Es，Em]之间，近似地认为像增强器处于线性工作状态，这时的系统增益基本上是一个稳定的值；而当入射照度大于Em时，输出亮度就会饱和。

图5 三代微光像增强器的ABC曲线Fig.5 ABC curves of 3rd LLL image intensifier

由三代微光像增强器自动亮度控制可知，在[1×10−3lx，5×10−2lx]照度区间内，像增强器的荧光屏亮度与环境照度E0线性相关，即像增强器亮度增益G为定值。照度在[1×10−3lx，5×10−2lx]内对同一靶标测试时，目标与背景反射率不变，对比度基本一致。当照度>5×10−2lx时，此时G是以E0为自变量的函数，7.5×10−2lx时的三代像增强器的增益略有下降，导致对比度的下降，不同靶标的对比度都低于其他照度下的测试结果。以上分析结果与1.2 节分析一致。

3.2 夜天光对比度测试结果与分析

表2为夜天光对比度测试结果。一般来讲，夜间夜视仪仿真环境中树林的反射率为10%～40%，水泥坡的反射率为20%～50%，土坡反射率为20%～60%，沙漠迷彩的反射率为30%～60%，丛林迷彩的反射率为20%～40%。以树林为背景时，沙漠迷彩-树林的反射率差别高于丛林迷彩-树林反射率差别，因此对比度测试结果为沙漠迷彩高于丛林迷彩；以水泥路为背景时，沙漠迷彩-水泥路的反射率差别低于丛林迷彩-水泥路反射率差别，因此对比度测试结果为沙漠迷彩低于丛林迷彩；以土坡为背景时，也能够得到相同的规律；以上试验结果与1.3 节分析一致。

表2 不同距离、不同背景的对比度测量数据Table2 Contrast measurement data under different distances and backgrounds %

以目标与背景反射率比为自变量，仿真理论分析1.3 节中的（7）式的函数曲线。图6为目标与背景反射率比-对比度曲线。从图中可知，当目标-背景的反射率比值为1时，对比度的测量值为0。即当背景不变时，目标与背景反射率差别越大，对比度越高；两者越接近，对比度越低。

图6 目标与背景反射率比-对比度曲线Fig.6 Curves of target and background reflectivity to contrast

4 结论

本文根据微光成像系统能量传递链、光电子成像系统视觉特征方程分别推导环境光照度和目标-背景反射率比与对比度的理论公式；建立了基于三代微光像增强器ICCD的成像装置，通过不同靶标的对比度暗室测量试验，验证了基于ICCD成像装置开展对比度试验的有效性。为夜天光环境下的微光夜视仪整机试验的对比度测量提供了一种技术手段。试验结果表明，在三代微光像增强器自动亮度控制的照度-亮度增益线性区间内，以环境光照度单一变量时，对比度与其不相关；在照度-亮度增益线性区间内外，对比度-环境照度的关系与荧光屏亮度-环境照度类似。对于同一目标，目标-背景的反射率之比越接近1，测量对比度越小。本文中未对大气透射、镜头相对孔径等对比度相关因素进行分析讨论。在夜天光对比度试验中，对于同一目标与背景，对比度随目标-背景距离的增加而减小，其原因可能是距离变大增加了ICCD 采集得到图像的能量损失，增加了测量的误差。由于数据点较少，因此不能得到对比度与目标-背景距离的关系。