第六章直视型光电成像系统与特性分析_光电成像原理与技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第六章 直视型光电成像系统与特性分析,6.1.,直视型光电成像系统的工作原理,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,6.3.,直视型光电成像系统的总体设计,6.4.,夜视系统的作用距离估算,AN/AVS-6,AN/AVS-9,NW-2000 ICCD,AN/PVS-7D,F7000A/F7001A,N.269776,专用箱,2024/9/15,6.1.,直视型光电成像系统的工作原理,直视型主动红外成像系统,红外光源,物镜组,红外变像管,高压电源,目镜组,人眼,直视型夜视成像系统（夜视仪）,物镜组,像增强器,高压电源,目镜组,人眼,2024/9/15,6.1.,直视型光电成像系统的工作原理,主动红外成像系统：,工作波段为,m,的近红外波段，其长波限由变像管光电阴极的光谱响应决定。,2024/9/15,6.1.,直视型光电成像系统的工作原理,主动红外成像系统的工作特点：,利用反射能力的差异。,天气好时，近红外具有较高的大气透射比。,“主动照明” 不受环境影响，目标与背景反差加大。,选通，可在很多特殊场合下应用对于军事应用。,容易暴露。,绿色草木,混凝土,暗绿色漆,2024/9/15,6.1.,直视型光电成像系统的工作原理,直视型,(,被动,),微光成像系统,：,直视型微光成像系统,(,又称为微光夜视仪,),利用微光增强技术，可在极低照度,(10,-5,lx),下完全“,被动,”式工作，可明显改善人眼在微光下的视觉性能。,2024/9/15,6.1. 直视型光电成像系统的工作原理,直视型,(,被动,),微光成像系统的工作特点：,被动,-,隐蔽性好,景物之间反差小,受自然照度和大气透明度影响大,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,夜视成像系统的光学系统,夜视成像物镜,夜视系统对成像物镜的基本要求,光电成像系统用物镜的分类,目镜,直视成像系统对成像目镜的基本要求,光电成像系统中常用的目镜,ds,0,ds,1,u,0,u,1,L,0,E,f,l,D,D,n,1,n,0,l,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,主动红外成像的照明系统,主动红外成像系统对红外照明系统的基本要求,红外光源,、,红外滤光片、照明系统的反射镜,像管的小型化直流高压电源,直视成像系统对高压电源的基本要求,直流高压电源的工作原理,倍压整流电路,自动亮度控制（,ABC,）电路,直流选通高压电源,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,夜视成像系统的光学系统 成像物镜,夜视系统对成像物镜的基本要求,大的通光口径和相对孔径。,小的渐晕。,宽光谱范围的色差校正。,物镜有好的调制传递特性。,最大限度地消除杂散光。,在红外光学系统中，必须同时考虑聚光系统和扫描系统。,尽可能减小被动红外系统中冷反射所产生的图像缺陷。,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,夜视成像系统的光学系统 成像物镜,光电成像系统用物镜的分类,折射系统,：,反射系统,：,折反系统,：,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,a),双高斯型物镜,b),匹兹伐型物镜,改进的双高斯型 改进的匹兹伐型,折射系统,：,易校正像差，可获得较大视场，结构简单，装调方便。,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,由于,红外材料价格昂贵,(Ge,Si,单晶,),，,折射比高而反射损失大，在满足需要条件下应尽可能减少透镜片数。在像质要求不高的辐射计中多用单片折射透镜。为了减小单透镜的球差和色差，也做成组合透镜。,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,单反射镜的四种形式,(,a,),球面单反射镜,(,b,),抛物面反射镜,(,c,),椭球面反射镜,(,d,),双曲面反射镜,两种常用的抛物面反射镜,(,a,),光阑位于焦面（同轴）,(,b,),焦点在入射光束之外（离轴）,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,双反射镜的基本结构,(,a,),牛顿系统,(,b,),卡塞格伦系统,(,c,),格里高里系统,反射系统,：大口径，长焦距，且取材容易，即可用金属材料，也可在普通玻璃上镀金属膜或介质膜来制作，对材料要求不高。,其光能损失小，无透射损失,(,即镜面反射比比透镜的透射比高,),，不产生色差。，但也存在体积大及次镜遮挡等缺点。,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,夜视成像系统的光学系统 成像物镜,光电成像系统用物镜的分类,折反系统,：,要解决的问题,：反射式物镜系统需要采用非球面镜，而非球面镜加工检验困难，成本高。,解决途径,：改进反射系统，把反射镜的主镜和次镜都采用球面镜，而用加入补偿透镜的方法校正球面镜的球差，构成,折反式物镜系统,。,可实现大口径长焦距，常用的折反射物镜有施密特系统、曼金折反射镜、包沃斯,马克苏托夫系统以及包沃斯,卡塞格伦系统。,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,(a),施密特校正板,(b),改进的施密特校正板,施密特校正板工作原理,(a),曼金折反镜,-,(b),曼金卡塞格伦系统,曼金折反射镜,包沃斯,-,马克苏托夫系统,1-,校正透镜的交替位置；,2-,孔径光阑；,3-,校正透镜；,4-,焦面；,5-,球面反射镜,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,夜视成像系统的光学系统 成像目镜,直视成像系统对成像目镜的基本要求,合适的焦距,。目镜焦距,f,e,通常在,1055mm.,足够的视场,。通常,2,在,30,90,之间。,合适的出瞳距离和出瞳直径,。一般视不同的应用条件，成像系统出瞳直径取人眼夜间瞳孔直径,57mm,。出瞳距离,p,(,目镜后表面到人眼瞳孔的距离,),一般在,850mm,。,适当的前节距,(,目镜前表面和前焦点之间的距离,),，以保证工作时的视度调整。,此外，因为目镜视场大，轴外像差是影响像质的重要因素；又由于目镜口径大，球差和慧差也要校正；校正像差的波长由荧光屏的光谱特性决定。,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,夜视成像系统的光学系统 成像目镜,常用的几种目镜,2024/9/15,主动红外成像的照明系统,主动红外成像系统对红外照明系统的基本要求,照明系统的辐射光谱,(,光源与滤光片的组合光谱,),要与像管光电阴极的,光谱响应有效的匹配,，并在匹配的光谱内有高的辐射效率。,有一定的照射范围。,红光暴露距离要短,。,应保证足够的辐射强度,。,在结构上应保证容易调焦，滤光片和光源更换方便,。,应尽量做到体积小、重量轻、寿命长、成本低、功耗小、工作可靠。,2024/9/15,主动红外成像的照明系统,常用的红外光源：,白炽灯,：电流加热灯丝发光。（卤钨灯，溴钨灯）工作温度：,2400,3200,氙灯,：高压气体放电发光。光斑集中，发光效率高，寿命长。谱线接近太阳光谱，在近红外有强辐射谱线。,大功率红外发光二极管（,LED,）,：低成本，排列方式随意，发光效率高，寿命长，质量轻，结构牢固，不用滤光片。,GaAs,激光二极管,：谱线窄，发光功率高，最好的脉冲光源。,2024/9/15,主动红外成像的照明系统,红外滤光片选择：,红外波段光能损失尽可能小，,其他波段辐射尽量全吸收或反射，,光谱透射比与光阴极的光谱灵敏度匹配好；,热稳定性好，防潮，机械性能好，耐高温。,照明系统的反射镜,把位于焦点的光源发出的一定立体角范围的光辐射聚焦成沿轴向窄发射角出射的光束。,2024/9/15,像管的小型化直流高压电源,直视成像系统对高压电源的基本要求,提供稳定的直流高压,，使像管工作时保持合适的输出亮度；,性能稳定,，在高低温环境下保证仪器正常工作；,实现自动亮度控制,(Auto-Brightness control,，,ABC),功能；,对于选通系统，,应提供选通周期、脉宽以及延时可调的选通电压；,对自动快门,(Auto-Gating),，,能够根据像管电流自动调整工作电压的占空比,；,防潮、防震、体积小、重量轻、耗电省,。,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,像管的小型化直流高压电源,直流高压电源的工作原理,直流低压电源,：通常为几伏到二十几伏，由干电池或蓄电池提供，为高压电源提供能量。,晶体管变换器,：主要由晶体三极管、升压变压器的初级绕阻和反馈绕阻构成，其作用是将直流低压变为高频交流低压。,升压变压器,：将低压交流电压升为高压交流，输出可达数千至上万伏。,倍压整流电路,：由高压整流二极管,(,或高压硅堆,),、高压电容和高压变压器次级绕阻构成,把变压器次级绕阻上的交流高压整流并倍压到所需直流高压。,稳压电路,：保证晶体管变换电路有稳定的输入电压，以使电源的高压输出稳定。,直流低压,DC,电源,晶体管变换,DC,AC,电路,升压变压器,(AC,AC),倍压整流,AC,DC,电路,直流高压,稳压电路,或,ABC,电路,直流高压电源框图,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,像管的小型化直流高压电源,倍压整流电路,：,把变压器次级绕阻上的交流高压整流并倍压到所需直流高压。,变压器,T,的次级绕组输出峰值电压为,V2,的交流，则,正半周：假设,T,的输出端上负，下正，则,D2,因反向偏置截止，,D1,回路导通，对,C1,充电，在正半周结束前，,C1,两端电压为,V2,；,负半周：,T,的输出端上正，下负，则,D1,因反向偏置截止，,D2,回路导通，对,C2,充电，在负半周结束前，,C2,两端电压为,2,倍,V2,，送至输出端口为,2,倍,V2,的直流。,2024/9/15,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,像管的小型化直流高压电源,自动亮度增益（,ABC,）电路,：,通过控制,像增强器外加电压,的办法来控制它的增益，以达到控制荧光屏输出图像亮度的目的。,ABC,电路能使像管在较大的入射光度范围内输出合适的亮度，从而扩大了微光成像系统的使用光度范围。,ABC,电路实际是一个,带负反馈的直流低压电源,，输出的直流电压,E,l,到直流变换电路，变为交流电压后再经升压变压器及倍压整流滤波电路后供给像增强器。,2024/9/15,选通技术基本原理,利用短脉冲照明器和选通型 像管，从时间上分开不同距离上的散射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在像管选通工作时到达像管并成像。,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,2024/9/15,像管的小型化直流高压电源,直流选通高压电源,：直流选通高压电源主要用于选通型静电像管。,选通管与普通像管的主要区别在于其中某一电极,(,对于倒像管为选通电极或聚焦电极，对近贴管由于一般,MCP,输入端电极接地，因此选通电极为光阴极,),作为选通电极。,当电极被施加正常电压时，像管正常工作，但当电极被施加相对于光阴极更低的电压时，由于静电场为保守场，从阴极发射出的电子被阻滞，难以加速,(,及电子倍增,),到达荧光屏，像管被截止。,6.2.,夜视光电成像系统的主要部件及其特性,门触发,周期信号,t,T,选通门控触发信号及其控制参数,2024/9/15,6.3.,直视型光电成像系统的总体设计,微光成像系统性能的基本极限,夜视系统对人眼在微光下的视觉性能的改善,系统微光性能的基本极限,物镜和像增强器参数对系统极限分辨力的影响,像增强器暗背景噪声对系统极限分辨力的影响,人眼与像增强器系统的最佳匹配,像管的选择,直视光电成像系统的光学参数及其选择,2024/9/15,夜视系统对人眼在微光下的视觉性能的改善,入瞳大，,更有效地利用来自目标的光子；,光学系统可增加物体的视角，,提高作用距离；,光阴极的量子效率,扩大了光谱响应，,从而可提高人眼的视觉增益。,可使人眼在不需暗适应情况下,有更高的分辨能力。,可增加积累时间,提高视觉增益，这要以牺牲运动目标信息为代价,。,2024/9/15,系统微光性能的基本极限,一般地，直视微光成像系统性能受到,光子噪声,、,系统光学性能,和,人眼视觉性能,等三个方面限制，正确地设计和使用成像系统可尽可能地减小这些限制的影响。,在光子噪声和光学分辨力共同限制下，,理想微光夜视系统的极限分辨角为,2024/9/15,物镜和像增强器参数对系统极限分辨力的影响,物镜焦距,f,增大，在大于星光照度情况下，系统分辨力得到明显改善，反之则改善很小。,物镜直径,D,增大，在低于满月光情况下，系统分辨力得到明显改善，反之改善很小。,光阴极灵敏度,S,提高，在低于,1/4,月光照度，系统得到最大改善。,增加积累时间,t,，与光灵敏度,S,类似的改善。,提高像增强器极限分辨力,m,0,，在,10,-4,10,-1,lx,目标照度范围对系统分辨力提供一般的改善。当,D,、,S,、,t,一起增加时这种改善更有意义。,在像增强器暗噪声可忽略的前提下,(C=1,，,t,=1),。,需要指出，上述分析中具体的照度值范围可能随系统参数和目标特性而有所改变，但其反映出对低、中和高照度条件下对系统性能的影响规律是一致的,2024/9/15,像增强器暗背景噪声对系统极限分辨力的影响,像增强器存在的噪声,(,如暗噪声等,),将使像管输出图像对比度恶化，分辨力下降。,设像增强器等效背景照度为,E,b,，其相应在目标场景上附加一个暗背景亮度,L,b,(R,A,是物镜的相对孔径）,若目标的固有亮度为,L,0,，,则目标亮度变成,L,0,=L,0,+L,b,。,目标的表观对比度变为,故而推导出系统极限分辨角表达式,.,2024/9/15,像增强器暗背景噪声对系统极限分辨力的影响,2024/9/15,人眼与像增强器系统的最佳匹配,为便于讨论，把系统分为两部分：,一是物镜与像增强器的组合,；,二是目镜与人眼的组合,(“,人工助视眼”,),。,把物镜与像增强器组合的极限分辨特性表示为像增强器荧光屏目标亮度,L,a,(,人眼观察目标亮度,),的函数关系，,在光子噪声限制下，荧光屏上极限分辨力为,m,s,2024/9/15,人眼与像增强器系统的最佳匹配,人眼视觉分辨力与观察视场亮度有关，在忽略目镜光损失和像差的情况下，目镜助视眼的视觉锐度曲线等于人眼锐度曲线乘以目镜放大率,(,如图中虚线,),。,为使人眼特性不限制整个系统性能，需要任一目标像亮度下，目镜助视眼锐度特性曲线应高于物镜像增强器组合的空间分辨力。,2024/9/15,6.3.,直视型光电成像系统的总体设计像管的选择,在选择像增强器时，除考虑主要的极限分辨力,m,、增益,G,和噪声等效背景,EBI,等性能参量外，还需要注意几点：,像增强器的输入输出窗,荧光屏类型,调制传递函数,(MTF),信噪比,(SNR),美国近年来提出一种新的质量评价指标,品质因素,D,=,m,SNR,。并规定,D,1250,可向不结盟国家出口,(,相当于美国,20,世纪,80,年代水平,),，,D,1600,则在美国国内使用。图,6-35,给出部分典型高性能像增强器的品质因素。,2024/9/15,6.3.,直视型光电成像系统的总体设计像管的选择,2024/9/15,有关像管的发展历程及最新消息,第一代像管：,60,年代中期，以纤维光学面板作为输入、输出窗三级级联耦合的像增强器问世，称为第一代像增强器,(,一代管,),。,防强光性能差，特别是当战场上出现强闪光时，整个画面出现光晕和开花，观察不到目标，在战火弥漫的战场上难以使用；,体积大、笨重，限制了它在轻武器、头盔镜上的应用。,2024/9/15,有关像管的发展历程及最新消息,每一级具有畸变、渐晕以及荧光屏的余辉，并由于前后两级级联间光纤的串光，引起图像的模糊，其清晰度难以提高 。,2024/9/15,有关像管的发展历程及最新消息,第二代像管：,20,世纪,70,年代初成功地研制了能实现电子倍增的二维元件,微通道板 。 第二代微光夜视像增强器的长度仅为第一代三级级联耦合像增强器的,1/ 5,1/3,，质量轻、畸变小、鉴别率高；能防强光和自动控制亮度。,当遇到强光如照明弹与炮火时，虽有光晕，仍不妨碍观察。二代微光夜视的作用距离较一代微光夜视提高约倍。,2024/9/15,有关像管的发展历程及最新消息,第三代像管：,20,世纪,80,年代中期，美国成功研制了负电子亲和势,(NEA)GaAs,光阴极型微光像增强器,(,三代管,),。,具有高灵敏度、高鉴别率、宽光谱响应、高传递特性和长寿命，且结构紧凑、能与二代管互换等优点。能充分利用夜间自然光，在,lx,或更低的光阴极照度下，更为灵敏和有效。三代夜视仪的作用距离较二代夜视仪提高了,30,以上。,2024/9/15,有关像管的发展历程及最新消息,第三代像管：,大多数三代光阴极的光谱响应为,500,900nm,。,90,年代初，负电子亲和势光阴极又有新的进展，出现了向蓝延伸和向红延伸的,NEA,光阴极，分别被称为蓝加强,NEA,光阴极和红加强,NEA,光阴极，其灵敏度和光谱响应又有大幅度的提高和改善。,此外，还有向红外延伸的光阴极，其光谱区可延伸到,1100nm,，这便可以观察由,Nd,：,YAG,激光器测距仪和目标定向器所发射的,1.06m,的激光。,2024/9/15,有关像管的发展历程及最新消息,2024/9/15,有关像管的发展历程及最新消息,超二代像管：,90,年代初，二代管在传统的多碱光阴极的灵敏度上取得突破（灵敏度由,300A/lm,提高到,700A/lm,），通过减小微通道板噪声因数来提高输出信噪比,(,改进微通道板的性能,),。同时改进管子结构和整管的,MTF,，出现了高灵敏度、高性能的二代管，称为超二代管。,其效费比好，鉴别率和输出信噪比接近三代管的水平，使用效果与标准的三代管接近。,最新的结果是在,18mm,二代管中，用,6m,孔径的,MCP ,鉴别率达到,57lp/mm,，与,18mm,三代管的,64lp/mm,相接近。,三代管在性能上虽有很大的改进，与二代管相比，作用距离增加了,30,，但工艺复杂，价格昂贵。因此降低成本、提高效费比是三代管面临的重大任务。,2024/9/15,有关像管的发展历程及最新消息,2024/9/15,有关像管的发展历程及最新消息,第四代像管：把高量子效率的,GaAs,光电阴极与具有高鉴别率的微通道板,(MCP),相结合,同时采用高均匀性的荧光屏,使像管的空间鉴别率主要地由,MCP,的孔径大小来确定。四代管所用的,MCP,其通道直径仅为,6m,它使四代管的鉴别率又提高了一大步。四代管于,20,世纪,90,年代首先由美国研制成功。,复杂的工艺与较高的价格是四代管的缺陷,2024/9/15,有关像管的发展历程及最新消息,第四代像管：如何使光阴极向红外波段延伸,于是出现了两种光阴极微光管的尝试,GaAs/ InP,传输电子近红外,( 0. 9,1. 06m),光阴极微光管。光阴极结构为,P2InP (,衬底,) / P2In0. 33 Ga0. 47As (,吸收层,) / O2InP (,发射层,) / Ag(,场助极,) / Cs2O (NEA),层，其特点是：近红外高灵敏度光阴极，在,1. 06m,处有很高的辐射灵敏度,(,量子效率,),。,PbTe/ PbSnTe,复合列阵式红外光阴极微光管,(STIRP) (8,14m,或,3,5m) ,热红外变像管。像管原理结构与三代管类似，但,STIRP,采用复层结构，它由两部分组成：一个光电二极管镶嵌列阵,(,光电二极管一般是外延,PbSnTe/ PbTe,异质结构，该镶嵌列阵可在,3,5m,或,8,14m,波段下工作,),和一个金属,-,半导体,-,金属,(MIM),冷阴极电子发射体构成所谓“复合式热红外光阴极”。,2024/9/15,有关像管的发展历程及最新消息,第四代像管：,尽管这两种光阴极具有灵敏度高,向红外延伸等特点,但与二代的多碱光阴极、三代的,GaAs,光阴极完全不同,工艺上不兼容。同时,人们还逐渐明白了提高器件特性最重要的是两个指标,:,高信噪比和高鉴别率。既然二代能发展到超二代、高性能超二代,那么三代更有发展的潜力,;,也许改进二代和三代可以达到所期望“四代”的指标,而这种改进工艺完全与二代、三代工艺兼容。三代的弱点是在微通道板的入射端涂敷一层,Al,2,O,3,薄膜,它起着壁垒的作用,以防止离子的反馈,缩短器件的工作寿命。因此制作了一种不镀膜或无膜的三代像增强器。,2024/9/15,有关像管的发展历程及最新消息,第四代像管：,1998,年,Northrop Grumman,公司制造出一种不镀膜的像增强器,这种管子在非常低的阴云星空下工作很有效。此外还有一个重大的进展,即选用自动的选通,(Auto2gate),电源代替了常用的连续电源。在自动选通时,光阴极在高速下时开时关,降低了强光下微通道板中的电子流,阻止其饱和并避免图像模糊。因此,当通过夜视头盔镜观看夜间景物,遇到强光如照明弹、炮火以及车灯照明时,自动选通也帮助减少光晕或图像开花。,2024/9/15,有关像管的发展历程及最新消息,2024/9/15,目前国际上对微光夜视器件技术的研发工作一刻也没有终止下面列举一些文献上报导的新型微光成像器件：,Gap/GaInAs(0.91.65um),第四代微光管，美俄联合研制，,1994,年在伦敦展出。,PbTe/PbSnTe,复合阵列式红外光阴极（,814um,）热像管。,GaAlAs/GaAs,超晶体格红外（,10um,）热像探测器,远程（,=100km,卫星、洲际导弹）光电预警用自适应光学“微光图像光子计数器”波前传感器。,高灵敏度（,450705ua/lm,）多碱光以及超二代微光管。,与以上器件配套的高增益、低噪声、长寿命弯曲,MCP,和大电流热微通道板（,HOT-MCP,）等。,有关像管的发展历程及最新消息,2024/9/15,6.3.,直视型光电成像系统的总体设计光学参数及其选择,系统视场,：直视光电成像系统的视场光阑为像管光阴极的固定框，故系统视场,系统角放大率,：,放大率与像管观察灵敏阈相关。观察灵敏阈指人眼在荧光屏背景上刚能觉察出星点像时，光阴极面上的最小照度。对于某个像管，当屏上的目标像对目镜的张角大于一定值,m,时，观察灵敏阈不再下降。,在目镜选定情况下，增加倍率将增加物镜焦距，即要以牺牲物方视场为代价。,放大率受系统外形尺寸的限制。,人眼通过目镜观察荧光屏，一般认为可分辨目标的最小角度约为,6,，为使人眼不限制系统的性能，应有,2024/9/15,6.3.,直视型光电成像系统的总体设计光学参数及其选择,系统视场,：直视光电成像系统的视场光阑为像管光阴极的固定框，故系统视场,系统角放大率,：,放大率与像管观察灵敏阈相关。观察灵敏阈指人眼在荧光屏背景上刚能觉察出星点像时，光阴极面上的最小照度。对于某个像管，当屏上的目标像对目镜的张角大于一定值,m,时，观察灵敏阈不再下降。,在目镜选定情况下，增加倍率将增加物镜焦距，即要以牺牲物方视场为代价。,放大率受系统外形尺寸的限制。,人眼通过目镜观察荧光屏，一般认为可分辨目标的最小角度约为,6,，为使人眼不限制系统的性能，应有,分辨力,：在实际观察条件下，一般取人眼的极限分辨角为,6,，为确保观察条件，应使,入瞳、出瞳和出瞳距离,2024/9/15,6.3.,直视型光电成像系统的总体设计光学参数及其选择,入瞳、出瞳和出瞳距离,物镜口径,D,限制成像光束而成为系统的,孔径光阑,；,光阴极面有效工作直径,D,c,限制系统的成像范围而成为,视场光阑,。,荧光屏的有效成像面决定了目镜成像范围,对应的目镜视场角,(,系统的像方视场角,),为,人眼瞳孔,d,为系统,出瞳,，眼睛到目镜后表面的距离,p,为,出瞳距离,。出瞳距离与目镜有效直径的关系如图,设目镜为一薄透镜，有效直径为,De,，,p,A,为,无渐晕时最大出瞳距离,，则无渐晕时,即系统目镜视场,一定时，目镜有效直径随出瞳距离而加大。,由于光电成像系统在出瞳距离上没有视场光阑像存在，因此,出瞳距离是指观察者实际工作时眼瞳的位置。,成像器件,f,o,D,D,c,2024/9/15,6.4.,夜视系统的作用距离估算,微光夜视系统的视距预测,视距模型,大气传输的影响,关于概率,视距估算方法,视距估算列线图,视距等效处理方法,视距估算举例,二代和三代成像系统视距比较,主动,(,红外,),夜视系统的观察距离,作用距离模型,大气后向散射和选通原理,大气后向散射通量,后向散射通量对系统性能的影响,选通技术的基本原理,2024/9/15,微光夜视系统的视距预测,视距模型：,设目标临界尺寸（最小高度或宽度）为,H,，目标到系统距离为,l,，根据约翰逊准则，其被系统探测、识别和认清的条带周期数,n,分别为,1,、,4,、,8lp/,目标临界尺寸（,50%,概率,),，则目标的分辨角为,;,系统所能达到的最小分辨角,m,由物镜焦距,f,o,和像增强器光阴极的分辨力,m,决定，故目标能被分辨的条件为右侧公式。,H,l,2024/9/15,微光夜视系统的视距预测,大气传输的影响,在作用距离预测中，应将,L,0,和,C,其分别理解为,表观值,，则可将大气传输影响计入。,a,为大气透射比,R,v,为大气能见距离,E,c,和,E,0,分别为阴极面照度和环境照度；,为目标反射比；,K,为地平天空亮度与背景照度之比,。,关于概率,使用右式，,通过条带周期数的修改可适合于其它概率下作用距离的预测,。概率与条带周期数的关系可利用美国热成像系统模型研究中拟合出的经验公式,n,e,为约翰逊准则,50%,概率的条带周期数；,n,为概率,P,条件下的条带周期数。,2024/9/15,微光夜视系统的视距预测,视距估算方法,视距估算列线图,：,研究者通过实验，把环境条件，成像系统参数，目标情况，如：环境照度，目标反射比，像管光阴极灵敏度、分辨力等因素用图联系在一起，使人们在相应条件下能较快地估算出系统的视距。,2024/9/15,微光夜视系统的视距预测,视距估算方法,视距等效处理方法,极限分辨力是光阴极面上照度的函数，由实验可以得到它们的关系曲线。,在实验室条件下通常可以得到对比度为,100%,的测量结果，对于光阴极上目标的表观对比度不是,100%,时，需要对所测量结果曲线进行修正。,光阴极面上照度：,像管光阴极上的照度取决于景物参数和物镜光学参数，可表示为下式：,设光阴极面上有目标像元,A,和邻近景物像元,B,，它们上的平均光子数表示的对比度为,C,，根据罗斯公式，,A,元和,B,元能分辨时应该有：,光阴极面在积累时间,t,内从像元,A,（,h,h),上得到的光子数应该为：,光阴极面上的照度与落到光阴极面上的光子密度密切相关，上式说明，,像增强器光阴极对于同一分辨力，当对比度从,100%,下降到,C,时，其上所需的照度应该按,1/C,2,修正，表观对比度由大气对比度传递函数和固有对比度确定。,2024/9/15,微光夜视系统的视距预测,视距估算方法,例：,山林背景中有一中型坦克高度,H,2.37m,目标反射比,=0.25,对比度,C,0,=0.33,夜视仪的物镜焦距,100mm, F,数,=1,透射比,0,=0.7,若测得像增强器光阴极面照度,E,c,与分辨力,m,的关系如下表,(,C,=100%),，试问在夜天光照度,E,0,=5,10,-3,lx,，能见距离,R,v,=15km,的晴天条件下,微光夜视仪能否识别距离,800m,的坦克？（对于山林背景和晴天条件，取,K,=4,）,E,c,(lx),5,10,-7,2,10,-6,5,10,-6,1,10,-5,1,10,-4,5,10,-4,1,10,-3,m,(lp/mm),6,15,19,25,35,40,45,2024/9/15,二代和三代成像系统视距比较,作用距离是评价微光夜视系统最直接的指标。下图给出二代与三代像增强器探测距离的实验比较，由于实验时欧洲高性能像增强器,XD-4,和,XR5,尚未出现，故未涉及，但其中超二代与,Omni II/III,的探测距离是相当的。,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,四代及,Pinnacle,TM,二代,Omni II / III,Omni IV,高性能二代,二代到四代像增强器的探测距离比较,二代,高性能、二代,三代,Omni I / II,三代,Omni III,三代,Omni IV,四代和,Pinnacle,TM,较二代提高的百分数,0%,60%,40%,70%,110%,153%,2024/9/15,微光夜视系统的视距预测,微光夜视系统性能与场景照度密切相关，一般地，,当阴极面照度在,1 10,-3,lx,时，,MTF,对目标的探测和识别起关键作用；,当照度低于,10,-3,lx,后，,SNR,则起主导地位。,为使微光夜视系统更适应实际战场、城镇等具有局部火光、灯光的环境，目前带有自动快门,(Auto-getting),功能的高性能像增强器可使动态范围扩展到日光照明,(10,5,lx),。这种防强光高性能像增强器在伊拉克战争美英联军的装备中得到普遍使用。,2024/9/15,主动,(,红外,),夜视系统的观察距离,作用距离模型,：,假定气候条件为一般晴朗天气，则照明系统的后向散射所造成的附加背景可不考虑，设被观察目标是一小尺寸平面朗伯体，置于系统瞄准线的垂直平面内，主动成像系统与被观察目标的距离为,l,，照明系统轴向光强为,I,，则在目标处形成的照度,E,0,为,若目标和背景的反射比分别为,t,和,b,，则景物的亮度为,于是，景物辐射经物镜后在光阴极面上形成的照度为,a,为距离,l,上成像系统响应波段和照明光源辐射波段交叠的波段内,(0.761.2m),的平均大气透射比,并按光度学计量。,借鉴微光夜视视距预测方法，并进一步考虑,红外增益,和,暗背景,问题以及,后向散射,问题，可以建立主动红外成像系统的作用距离模型。,2024/9/15,主动,(,红外,),夜视系统的观察距离,作用距离模型,：,红外增益,：主动红外成像系统工作时，因为照明系统通常滤掉了可见光，故应采用红外增益计算红外变像管荧光屏的显示亮度。,式中,G,H,是在标准,A,光源,(2856K),照射下测得的参数,不同色温的光源有不同的光谱分布，它们与变像管光阴极的匹配系数也不同。当照明光源不是标准,A,光源时，,G,H,值也应当修正；,K,为红外亮度增益修正系数，其中，,(,),和,A,(,),分别为照明和,A,光源的辐射光谱；,S(,),为光阴极相对光谱灵敏度。,暗背景,：变像管荧光屏上背景亮度主要来自光阴极的热电子发射，其在荧光屏上产生的背景亮度为,另一种最大观察距离的预测方法是利用别列克条件，即要使观察者能在屏上感知目标的存在并识别目标，在观察暗亮度为,L,BI,的屏上图像时，必须满足别列克条件,为在一定目标视角下与背景亮度相关的系数,即主动红外成像系统的最大观察距离,2024/9/15,大气后向散射和选通原理,选通技术基本原理,利用短脉冲照明器和选通型 像管，从时间上分开不同距离上的散射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在像管选通工作时到达像管并成像。,2024/9/15,