主動式紅外夜視儀中的幾個重要參數(shù)問題_陳慶佑.pdf

1、2 2 總( 7一2 14 )紅 外 技 術第 7卷第 4 期主動式紅外夜視儀 中的幾個重要參數(shù)問題陳 慶 佑無( 怪湖光儀器廠)【提要】 本文根據(jù)主動式紅外夜視 成象的特點, 從理論上進行分析, 提出了主動式 紅外夜視儀 的四個重要參數(shù), 即系統(tǒng)的亮度增益、 象管等效背景照度、 系統(tǒng)工 作鑒 別率以及夜視核心 部件 紅外變象管光電陰極光譜響應與紅外探照燈輻射光譜分 布之 間的 匹配 因子。一、 引 言自六十年代 以來, 微光夜視 技術、 熱成 象技術、 固態(tài)成象技術已 取得了 較大 的進展。微光成象裝置 , 隱蔽性能好 , 體積小, 重量輕, 然而作用距離與觀察效果受到自然 夜天光和 大氣透

2、明度的限制, 并且還因景物 之間反差較小, 圖象層次亦欠分明。 熱成象 裝置雖能實現(xiàn)遠距離探測, 并且具 有識別偽裝、 穿透煙霧的能力, 然而體積笨重、 代價 昂貴, 尚待進一步改進。 固態(tài)成象裝置 , 是 一門嶄新的技術, 它具 有靈敏 度 高, S / N 高, 體積 小等優(yōu)點, 但在器件結構、 工藝和 性能指標上尚存在一些問題, 慧 待人 們解決。近年來, 第一代、 第二代直視式微光夜 視儀器以及微光電視的發(fā)展日益成熟, 主動式紅外裝置有被微光夜視儀取代的趨勢。 盡 管這些被動式夜視技術均各有長處, 然而,也有其不足之處 。 主動式紅 外夜視儀, 雖然其隱蔽性能差、 體積較大、 重量較重

3、等, 但在近距 離使用時, 由于它是人為照明場景,就使得景物之間反差大, 象質較好, 而且其 突出優(yōu)點是工 藝成熟, 造價低廉。 因此, 它今天仍 能在軍隊 中占有一席之地。主 動式紅外夜視儀的夜間觀察距離與下列 因素有關。 可變因素: 大氣透明度, 目標 反射率及其表面狀態(tài), 外形和當時所處的背景亮度等等, 固定因素: , 紅外探照燈的紅外軸向光強及其散射情況, 紅外夜視儀的探 測能力以及終端接收器 人眼的響應等等 。本文研 究的是主動式紅外夜視儀本身對于作用距離與觀察效果發(fā)生影響的若干重要 因素。光學系統(tǒng) (物鏡與目鏡等系統(tǒng)) 的設計與調(diào)校情況, 高壓電源的設計與調(diào)校情況,紅外變象管的性能

4、指標等均影響紅外夜視儀的 作用距離與觀察效果。主 動式紅外夜視儀的性能參數(shù)繁多, 如視場、 倍率、 畸變、 最大鑒別率 、 亮度 增益、 視度調(diào)節(jié)范圍、 出瞳直徑、 出瞳距離、 象傾斜、 M T F 等等。 筆者認為, 在主動式紅外夜視儀中, 由于參數(shù)的離散性, 影響紅 外夜視儀作用距離與觀 察效果的主 要參數(shù)本文于 1 9 84年 1 1 月 7 日 收到是: 系統(tǒng)的亮度增益, 象管等效背景照9 年主動式外夜視儀中的LJ月 8 5 8紅度 , 紅外系統(tǒng)的工作鑒別率, 紅外光源的 輻射光譜分布與系統(tǒng)中所用的紅外變象管A g一 O 一 C s光 電陰極的光譜響應之間的匹配因子。個重要間理總一(2

5、 5 2參致象管熒光屏反射率, : : 為 目鏡透過率, F : 為目鏡的 f 數(shù), 。 : 為 目鏡共扼放大率。把 ( 2 一 2 )式和 ( 2 一 3) 式 代 入( 2 一 1 ) 式,得 ,G = G , · 各;· 乙:( 2 一 4 )二 、 系統(tǒng)亮度增益在 主動式紅外夜視儀中, 系統(tǒng)的亮度增益 是評價系統(tǒng)中紅 外變象管光電 陰極的紅外積 分靈敏度和象管工作電壓大小以及在該電壓作用下象管熒光屏發(fā)光效率、 光能利用系數(shù)等參數(shù)的一個十分重要的性能指標。這里 , 采用輸出能量 與輸入能量的比值來說明夜視儀對輸入輸出能量的變換與增強情 況。人 眼觀察圖象時, 所關心的

6、是入射照度 在一定條件下, 圖象所能提供的亮度大小,故定義 主動式紅外夜視儀的亮度增益 為夜視儀的視頻亮度與入射到室 內(nèi)某一距離處靶板上的 “ 紅外” 照度之比, 記為G , 則有_L二a s u/l xLJ一lG =井 Ll f l一二司)L 藝少五,式中 L 召為夜視儀視頻亮度, 單位as b, E : 為入射到靶板上的“ 紅外” 照度, 單位x1 ( ir )f , 此照度由一色溫為 2 8 5 6 K 的鎢燈泡產(chǎn)生, 而且加上特定的 紅外濾光片濾光, 在此平面靶上 涂有光潔涂料。應 用光學透鏡使一景物成象時, 可以得到靶板 “ 紅外” 照度E ,二“_E ·4F1 2i +

7、拼 l“( 2 一 2 )百望二 絲一二二之止一止二竺上立一 蘭- 上() 一P z T 丈式中E 為系統(tǒng)物鏡成象面即象管光電陰極 面處的紅外照度, 單位1x ( ir f ) ; F , 為物鏡的 f 數(shù); m ; 為物鏡共扼放大率, p : 為靶板反 射率, : 1為物鏡和大氣的透過 率。同時, 可以求出視頻亮度L 召L P Z T ZL 占( 2 一 3 )4 F I ( 1 + m Z ) 2式中 L 為象管熒光屏 亮度, 單位 as b, p : 為式中“ ! 一 麗簫而丁饑 一 麗獲鈴碩我 們把各, 、 各: 稱為光能利用系 數(shù), G 產(chǎn)為紅外 變象管的 亮度增益 , 單位 a s

8、 b / l x ( i r f ) 。由紅 外變象管亮度增益的定義可 以導出“告一竿(2 一 5 )式中 1 為象管光電子轟擊屏的效率,單位為lm /W ,七為象管電子聚焦系數(shù),R 為象管光電陰極紅外積分靈敏度, 單位A / lm ( i r f ) ; 獷為高壓電源提供的工作電壓 , 單位 V , 日為象管的線倍率。把 ( 2 一 5 ) 式代入 ( 2 一 4 ) 式得n 七R 獷·一各2(2一 6)日2乙由 ( 2 一 6 ) 式可以看出, 系統(tǒng)亮度增益 是象管紅外積分靈敏度、 象管 屏發(fā)光效 率、 高壓電源輸 出工作電壓 以及光能利用系數(shù)等參數(shù)的一 個綜合參量。 亮度增益既

9、體現(xiàn)了高壓 電源提供的土作電壓下象管放 大能力, 又考慮了物鏡系統(tǒng)與目鏡系統(tǒng)的性能。可以肯定地說 , 光增益參量體現(xiàn)了夜視儀對 于紅外光信號的轉換能力。 就捕獲光信號,放大光信號而言 , 增益應 高一些為好。三 、 象管等效背景照度在 主動式紅外夜視儀中, 紅 外變象管的等效背景照 度對觀察目標圖象時的對比度起著 重要的作用。 等效背景照度 是定量描述象管暗背景亮度的又一種方法。 這里 , 我們記總 一 6 2 ( 2 主動式紅 外夜視儀4 中的幾 個重要參致間題9 年 月8 58等效背景照度為凡 , 單位是 lx ( ir )f 。E 如 與暗背景亮度凡間存在如下關系。E 。 = Ba 。

10、/G ,( 3 一 1 )暗背景亮度B “ 。指在高壓電源提供的工 作 電壓下象管光電陰極面無光 照時屏上的發(fā)光亮度, 單位as ob同時, 我們定義對比度為目標象的亮度B 和背景亮度B 。 之 間的亮度差與背景亮度之比C 二 B 一 B o( B > B 。 >0 ) ( 3 一 2 )B 。式中C 為對 比度, B 為 目標象亮度, as b , B 。為背景亮 度, as ab我們假設 B o b = O 時的背景亮度為B 0 ,此時的對 比度為C :Cl =B一 B 。,( 3 一 3 )Bo ,事實情況是, 紅外夜視 儀工作時, 由于 象管存在一個暗背景亮度, 使 B 和

11、 B 0 均疊加了一個暗背景亮度B “ 。; 此時的對比度C : 變?yōu)?(下面 將提及場致發(fā)射、 離子反饋、 光 反饋等因素引起的背景亮度在紅外變象管中 所占的比值很小, 可略去不計)( B + B a 。 ) 一 ( B 。, + B a b )C : =B 。, + B a 。_C z( 3 一 4 )1 +Ba 。/ B。,這里 , B a 、 ) 0 , B 。, > 0 , 所以C : < C : 。在一定條件下, 目標與背景之 間的亮度對 比差是造成人眼能夠觀察到目 標 象 的原因 。 在主 動式紅外夜視裝置中, 如果 目標象與背景之 間的亮度差小到一定程度時, 人眼

12、就無法從背景中辨別出目標象。 理論分析知道 , 目標所處的背景亮度, 以及紅外光源照 射目標路程 中大氣分子及其塵粒的散射等因 素所造成的外背景亮度, 成為影響觀察的外界 因素。人 們知道, 象管一旦加上高壓之后, 不管有無入 射光, 其輸出熒光屏均有一定的附加亮度, 此 亮e 度為有用信號之外的亮度, 通 常稱為 “ 背景亮度” , 入射光不存在時的背景亮度稱為 “ 暗背景亮度” ; 由于入 射信號而 產(chǎn)生的背景亮度稱為 “ 信號感生背景亮度 ” 。 背景亮度是象管中的一 種 固 有 的噪聲, 且疊加在信號之上, 由于 它的存在, 使得信號平均值提高, 對比下降, 尤其在觀察 弱照度下的圖象

13、時, 噪聲有可能淹 沒了信號 , 觀察效果大大 降低。紅 外夜視儀中所用的紅外變象管, 其暗 背景亮度是產(chǎn)生背景亮度的主要 原 因 , 而且 , 變象管的暗背景亮度的主要來源是 S一 1光電陰極的熱電子發(fā)射。由于紅外變象管固有的特點, 使得象管 中場致發(fā)射、 離子反饋、 光線反 饋等因素所造成的背景亮度與熱發(fā)射所造成的背景亮度 相比, 其比值甚小, 可略去不計 。 在這一點上 , 它與微光夜視器件有所不同。紅 外夜視儀中, 象管的暗背景 亮度越大, 對比下降程度越大。 換言之, 等效背景照 度越 大, 對對比 的下降程度也就越嚴重。四 、 系統(tǒng)的工作鑒別率紅 外夜視儀器的分辨本領不僅被電子的波

14、 動性所決定 , 而且和電子光學系統(tǒng)的性質 有關, 同時也和象管熒光屏的性質以及象管光電陰極面質量、 高壓電源輸 出電壓大小、照 明條件與人眼響應等等因素有關。鑒 別率系表征一個成象系統(tǒng) 區(qū) 分圖象細節(jié)的能 力。 紅 外夜視儀的 鑒別率是指象管熒光屏通過目鏡光學系統(tǒng)最小可分辨的圖樣的 空間頻率 (l P/ m m ) , 輸出端的圖樣是 聚焦在紅 外夜視儀中象管輸入端的平 行線的圖 案象, 當該圖案所確定的單元都能被看到且 分開時, 即叫做可分辨的, 否則, 是不可分 辨的。 相應于某一空間 頻率 (I P/ m m ) 的 圖案, 能否被測試者所分辨, 取決于這組條紋成象后的對比數(shù)值大小,

15、以及 測試者在當?shù)?卷第 期紅 外時條件下的對比靈敏閉大小等。 前者依賴于 被測系統(tǒng)之成象質量, 而且還與圖案原來實 有的對比有關。 目前 , 大都規(guī)定圖案的一個標識間隔比為 1 : 1 和對比接近 10 % 時 背景中的黑群。 然而, 若把鑒別率板的對比做成小于 10 % , 這時測得紅外夜視儀的鑒別率( 稱為低對比鑒別率) 較為客觀一些。 理論分 析, 測定一組低對比鑒 別率將與測定M T F等價。 而后者為一不可確定值, 它 密切依賴于 觀察景物之亮度和視場角大小等因素。我 們尚且知道, 在工作狀態(tài)中, 夜視儀 中的紅外變象管是一種非線性器 件, 其鑒 別 率與入射在光電陰極面上的紅外照

16、 度之間有如圖 1 所示的關系, 圖中示出 了五 種鑒別率板對比度的 曲線。從圖 1 可以看出, 夜視儀 中象管光電陰極面外來照 度為高光照射, 紅外夜視 儀的鑒別率的改變不隨照 度的改變而改變; 若外來4JI20弘扎對比度抓硯2g玉。一 Jl。 一之玉。一 一0.10 一 Zb照度E ( lx )圖 1鑒別率與入射照度的關系曲線照 度為低光照 時, 情況則不同, 這時, r =f ( E , C , O ) , 即鑒別率是光電陰極入射照 度E 、 鑒別率板圖案對比度 C 以 及人 眼對 鑒別率圖樣的張角 0 等的函數(shù)。 當然, 這 里電壓假定為一恒定值。根據(jù) 函數(shù) r = f ( E , C

17、 , e ) , 在實驗室 內(nèi)測試時, 以低光照 (近似野外通 常的照明 條件) 、 低對比 ( C < 1 , 與夜間觀察時 野外景物對比度相類似) 的鑒別率板對主動式紅外夜視儀進行測試所獲得的鑒別率稱為系統(tǒng)的工作鑒別率。 至于張角 e 則是另外討論 的間題。主 動式紅外夜視儀在夜間使用時, 通常技4 術總 一 ( 2 2 5處于低光照低對比的工作狀態(tài), 因此, 測試 系統(tǒng)工作鑒別率更能反映出紅外夜視儀在實 際應用中對于目標圖象細節(jié)鑒別能力 的情 況。人 眼是一種復雜的生理光學系統(tǒng), 也是一 切光學觀瞄夜視儀器的終端接收器。 因此, 把紅外夜視儀和人眼的性能統(tǒng)一起來加 以綜合考慮是 一

18、個十分實際的應用問題。 系統(tǒng)工 作鑒別率正是根據(jù)上述情況提出來的?？陀^上, 系統(tǒng)工作鑒別率這個參數(shù)也考 慮了象管出端熒光屏的光譜特性 與人眼光譜 特性之間的匹配因子, 盡管各人眼的光譜略 有差異。低光照低對 比鑒別率板與通常情況下夜 間野外觀察景物時的光照、 對比條件相近, 在這種意義上說, 測定紅外夜視系統(tǒng)的工作 鑒別率具有模擬的性質, 與其他一些數(shù) 據(jù)配 合, 甚至可以把它作為估價夜視儀觀察距 離的 一個粗略的參數(shù)。順 便指出, 測定 主動式紅外夜視系統(tǒng)的工作鑒別率對于實施者來說, 只要采用一種 簡單、 價廉的測試裝置就能獲得較為滿意的 結果, 而M T F 測試儀則不然。 況且測試 一

19、組低對 比鑒別率也 等價于測定系統(tǒng)的 M T F 。 所以, 在這種意義 上而言, 測定紅外 夜視系 統(tǒng)的工 作鑒別率, 其長處也是顯而易見的。五、 光譜響應匹配因子主 動式紅外夜視儀中所用的紅 外變象管是 一種能量轉換與增強的器件。 要想提高其 工作效能, 通常應從以下兩個方面來考慮:一是提高象管的光增益特性; 二是提高象管 的光電陰極光譜響應與紅外探照燈輻射光譜 分布之間的匹配因子。象 管的紅 外積分靈 敏度是指器件在一定光 譜分 布下紅外光 束照射時所輸出的飽和光 電流與入射的輻射光通量之比:R 二 I /中。( 5 一 1 )6總 一 6 1 ) 主動(式紅 外夜視儀中的幾個重要 參數(shù)

20、問題9 年 月1 858式中 為光R 電陰極紅外積分靈敏度, A /W ,I 為器 件輸出的飽和光電流, A , 電為入射到紅外光電陰極面上的輻射通量, W 。入 射到紅外光電陰極面上的輻射通量由下 式表示,人2, ,丁,入· “ ( 5 一 2 )入 i式 中中饑 為入 射紅外光相 對光譜分布中峰值波 長的輻射通量的絕對值, W Zn 明 中入為照 射到紅外光電陰極面上的入射輻射的相對光譜分布。象管輸出的飽和光 電流“·2, 一 * 二 、 · 入iR 、 · , 入· d “5 一 3 ,入式中R . 為光電陰極峰值單色靈敏度, A /W ,R 、 為光電陰極相對光譜靈敏度。把 ( 5 一 2 ) 和 ( 5 一 3 ) 式代入 ( 5一 i ) 式得久2R , · 、 · R ; · 叭· “ 尸 二 一 一一二址 ( 卜 4 )入2、 · , ; · “ 入 l如果我們將光電陰極光譜響應特性曲線和紅外光源輻射光譜分布特性曲線同時繪入 二維坐標圖中 ( 圖中兩縱坐標的單位不同)那么尸 = 尸三二