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(shù)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(jìn)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(yīng)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(shù)、 熱成 象技術(shù)、 固態(tài)成象技術(shù)已 取得了 較大 的進(jìn)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(yuǎn)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(jìn)一步改進(jìn)。 固態(tài)成象裝置 , 是 一門嶄新的技術(shù), 它具 有靈敏 度 高, S / N 高, 體積 小等優(yōu)點, 但在器件結(jié)構(gòu)、 工藝和 性能指標(biāo)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(shù)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(zhì)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(guān)。 可變因素: 大氣透明度, 目標(biāo) 反射率及其表面狀態(tài), 外形和當(dāng)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(yīng)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(xué)系統(tǒng) (物鏡與目鏡等系統(tǒng)) 的設(shè)計與調(diào)校情況, 高壓電源的設(shè)計與調(diào)校情況,紅外變象管的性能

4、指標(biāo)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(rèn)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(yīng)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(biāo)。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(guān)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(yīng) 用光學(xué)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(dǎo)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(zhuǎn)換能力。 就捕獲光信號,放大光信號而言 , 增益應(yīng) 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(biāo)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(guān)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(biāo)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(biāo)象亮度, as b , B 。為背景亮 度, as ab我們假設(shè) 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(biāo)與背景之 間的亮度對 比差是造成人眼能夠觀察到目 標(biāo) 象 的原因 。 在主 動式紅外夜視裝置中, 如果 目標(biāo)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(biāo)象。 理論分析知道 , 目標(biāo)所處的背景亮度, 以及紅外光源照 射目標(biāo)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(yán)重。四 、 系統(tǒng)的工作鑒別率紅 外夜視儀器的分辨本領(lǐng)不僅被電子的波

14、 動性所決定 , 而且和電子光學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì) 有關(guān), 同時也和象管熒光屏的性質(zhì)以及象管光電陰極面質(zhì)量、 高壓電源輸 出電壓大小、照 明條件與人眼響應(yīng)等等因素有關(guān)。鑒 別率系表征一個成象系統(tǒng) 區(qū) 分圖象細(xì)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(xué)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(dāng)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(yīng)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(dāng)?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(zhì)量, 而且還與圖案原來實 有的對比有關(guān)。 目前 , 大都規(guī)定圖案的一個標(biāo)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(guān)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(guān)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(dāng)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(jìn)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(shù)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(yīng)用中對于目標(biāo)圖象細(xì)節(jié)鑒別能力 的情 況。人 眼是一種復(fù)雜的生理光學(xué)系統(tǒng), 也是一 切光學(xué)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(yīng)用問題。 系統(tǒng)工 作鑒別率正是根據(jù)上述情況提出來的。客觀上, 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(zhì), 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(jié)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(yīng)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(zhuǎn)換與增強的器件。 要想提高其 工作效能, 通常應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(biāo)圖中 ( 圖中兩縱坐標(biāo)的單位不同)那么尸 = 尸三二