远程微光电视系统设计

1、 沈阳理工大学光电成像原理与技术课程设计 摘要 微光电视是通过监视器进行夜间观察的一种夜视器材，依赖于对微弱光线的增强，能在光线像，进行间接式的夜间观察，具有隐蔽的特点。本课题针对夜间边防、森林侦察、公安侦察、监控等军民用领域远距离观察的需要，在过去工程应用和现有成熟技术的基础上，采用1XZ18/18WHS高性能超二代像增强器CCD祸合摄像器件(ICCD)技术，构建一个完整的微光电视监控系统。通过该系统的核心部分ICCD，可以将夜间远距离目标所成的图像信号传输给监视器，进行间接式夜间观察。在提分辨力的前提下，该系统综合了各种实际应用功能，总体性能高，有效视距达3.5km以上。综合性能处于国内领

2、先水平，是目前国内微光电视的最新发展趋势。在课题研究中，提出了远距离微光电视监控系统的原理和总体结构，分析了光学结构、影响因素。 关键词:微光电视；监控系统；ICCD；像增强器目录 1 绪论32 主要部件及工作原理42.1 像增强CCD的成像原理42.1.1 微光像增强器的组成及工作原理42.1.2 CCD工作原理52.2 像增强CCD的工作原理63 监控系统结构与分析73.1 光学系统构成与分析83.1.1 光学系统的构成与原理83.1.2 主要光学性能的分析确定93.2 系统结构构成104 影响微光电视性能的因素114.1 光学系统114.2 ICCD114.3 使用环境因素125 结论1

3、26 参考文献121 绪论微光电视是利用星光、月光和大气辉光通过监视器进行夜间观察的一种夜视器材。它依赖于对微弱光线的增强(可达数万倍以上)能在微弱的光线下成像，进行间接式的夜间观察，更适合部队隐蔽夜战的应用，在军用夜视仪器中占有重要的地位，可以在夜间进行监视、观察、瞄准、驾驶、指挥、警戒、导航、投弹、着陆、火控、跟踪以及侦察摄影和水下作业等。在公安侦察、监控中也显示出了越来越重要的作用。 远距离微光电视监控系统课题立足于我国目前的微光电视现状和技术能力，瞄准技术的发展方向，以新的像增强CCD (ICCD)摄像器件为基础，通过实际工程应用和试验，充分掌握微光电视的总体技术，设计一套整体性能先进

4、，功能全面，具备电动调焦，昼夜环境下光栏自动开关，配合承载转台可作方位，高低扫描等使用功能的微光电视系统，有效提高系统分辨力，解决环境适应性问题。 2 主要部件及工作原理2.1 像增强CCD的成像原理像增强CCD (ICCD)由微光像增强器与CCD器件直接祸合形成，其成像原理包括了像增强器和CCD摄像器件的工作原理。2.1.1 微光像增强器的组成及工作原理 微光像增强器是像管和供给管子能量的高压电源的整机组件。像管是高真空直接成像器件，由带光电阴极层(光敏面)的输入窗、带荧光粉层(发光面)的输出窗、微通道板、电子光学成像系统和高真空管壳组成，图 1为其结构示意图。 图1 像管结构示意图在夜间或

5、低照度下，光电阴极将输入的光学图像转换为光电子，电子光学成像系统(电极系统)将光阴极释放的光电子经静电聚焦入射于微通道板输入端，在通道内电场加速下轰击通道内壁，产生次级电子，次级电子再被加速去轰击下一段的通道内壁，产生更多的次级电子，经多次倍增雪崩后在输出端产生大量次级电子，使电子能量得到约万倍的增强，输出窗真空一侧沉积的荧光屏完成电光转换，将增强后的电子图像转换为足以引起人眼视觉，适合人眼观察的可见光图像，或符合CCD等传感器需要的图像。2.1.2 CCD工作原理（1） 金属一氧化物一半导体电容器CCD器件是在MOS电容器基础理论上发展起来的，它的基本结构如图2所示。 图2 MOS电容结构在

6、电场的作用下，电极下面硅片的一个区域内的空穴被排斥而形成一个耗尽区。耗尽区对带负电的电子是一个势能特别低的区域，与周围非耗尽区相比，它就像一个陷阱，因此称它为电子势阱。势阱中电荷的多少反映了入射光的强弱。这样，我们就能用收集在势阱中的光生电子量来代表入射光的信息。 （2） CCD工作原理 采用MOS电容虽可以获得光生电子图像，但无法把这种电子图像变为图像信号依次读取出来。CCD就是完成电子图像读取功能的一个器件。CCD的基本结构，如图3所示。 图3 CCD基本结构在一个硅片上有一系列并排的MOS电容，这些MOS电容的电极以三相方式联结，这样只要在电极上加上正电压，在硅片上就会形成一系列势阱。在

7、有光照时，这些势阱都能收集光生电荷，只要电极上的电压不去掉，这些代表光信息的电荷就一直存储在那里，通常把这些被收集在势阱中的信号电荷称之为电荷包。如果在三相电极上加上时钟脉冲，那么这些电荷包将会按一定规律变化。随着时钟信号的不断变化，电荷包就会沿着硅及二氧化硅的界面，不断地朝一个方向转移，这就是CCD中载流子的运输过程。 通过上述CCD的工作原理可以看出，CCD器件具有存储、转移电荷和逐一读出信号电荷的功能。图像信号的读出是依靠时钟脉冲电压的作用及电荷祸合效应在硅片内部实现的，因此，CCD器件是一种固体自扫描半导体摄像器件，它可有效地应用于图像传感中。2.2 像增强CCD的工作原理 单独的CC

8、D器件的灵敏度虽然可以在低照度环境下工作，但要将CCD单独应用于微光电视系统还不可能，因此，为满足要求可以将微光像增强器与CCD进行直接祸合，让光子在到达CCD器件之前使其先得到增益。微光像增强器与CCD通过光纤光锥进行直接祸合。光纤光锥也是一种光纤传像器件，它一头大，一头小。可将微光管荧光屏光纤面板输出的亮度经增强的图像，祸合到CCD光敏面(1 /2 CCD对角线尺寸为8mm)上，从而可达到微光摄像的目的。其结构见图4。 图4 像增强CCD结构图这种祸合方式的优点是荧光屏光能的利用率较高，理想情况下，仅受限于光纤光锥的漫射透过率。其工作原理是在夜间或低照度下，目标反射的光线经物镜成像在像增强

9、器的阴极面，光电阴极将输入的微弱光学图像转换为光电子，经电子光学系统聚焦入射于微通道板输入端，在微通道板内经多次倍增雪崩后在输出端产生大量次级电子，使电子能量得到约万倍的增强。增强后的电子图像经荧光屏完成电光转换成为符合CCD传感器需要的图像，该图像经光锥被祸合到CCD输入光敏面，经CCD器件接收和驱动、视频放大等电路处理，最后输出视频，经显示器显示，供多人夜间观察。3 监控系统结构与分析远距离微光电视监控系统的构成主要有微光电视主机、显示器、控制盒、连接电缆、视频电缆、电源电缆等。 在夜间无人工照明的条件下，依靠微弱光线(星光，月光)或大气辉光，远距离目标经微光电视主机接收和处理后输出视频信

10、号，供显示器显示。控制盒为像增强器、CCD、调焦机构、昼夜转换光栏机构提供电源，实现各操作功能的控制。配合专用转动云台可作方向、俯仰转动进行搜索，满足夜间远距离观察、监控的要求。方向、俯仰转动搜索功能通过专用转动云台实现，文中不作专门叙述。 本系统按微光电视主机(电视摄像头)集设在房顶、哨所、制高点等处所使用进行研究分析。微光电视主机结构采用组件化设计，摄像器件采用高性能超二代像增强器lxznsnswHs与高性能CCD直接祸合，分辨力高，器件体积小。主机与控制盒采用直插式接插件通过电缆连接，电缆长度视使用途径而定。电源采用AC220V交流输入，经控制盒处理后提供各器件工作电压。 监控系统具有电

11、动调焦，护盖防护和光控功能。使用时打开电源开关，像增强器即可工作。打开护盖开关，夜间护盖防护门马上打开，系统正常使用。如果是白天或光线太强时，则由于光控功能，防护门不能打开，系统通过防护门上的四冷小孔进光，可在白天进行检查。遇强光时防护门自动关闭，起到保护像增强器的作用。远距离微光电视监控系统从构成上属微光电视，功能上具有监控特点，主要用于夜间远距离目标的观察和监控。 3.1 光学系统构成与分析 3.1.1 光学系统的构成与原理 一远距离微光电视光学系统主要由折反物镜(第一透镜、第二透镜、反射镜、第三透镜组成)、像增强CCD (ICCD)构成。如图5所示。 图5 光学系统的构成1 第一透镜 2

12、 第二透镜 3 反射镜 4 第三透镜 5 像增强CCD 在夜间无人工照明的情况下，物镜将微弱自然光(如星光、月光和大气辉光)照射下的目标成像在像增强器阴极面上，通过像增强器阴极面的光电子转换使微弱的光学图像转换成电子图像，经电子光学系统强电场的作用使其得到万倍的增强，在像增强器的阳极像面上得到亮度增强的图像。该图像经过一个光锥被藕合到CCD的光敏面上，经CCD及电路处理后输出视频信号，供显示器显示后，即可观察到清晰的微光图像，与录像设备连接后可对微光图像进行实时摄像记录。原理框图如图6。图6 微光电视系统原理图 微光电视系统是一个能量转化与增强的系统，目标亮度经过系统放大了近万倍。微光夜仪在几

13、何光学范畴内，又具有视觉放大的功能，将较远的目标移至较近处进行观察。3.1.2 主要光学性能的分析确定（1）显示器上得分辨率以分辨力为800 TVL的显示器(监视器)为例。宽H=2 m，相距L=3.5 km的目标，在显示器上的像高为： （1） 式中： 为目标尺寸，m； F，为物镜焦距，mm； 管为像增强器的放大器，按LXZ18/18WHS 像管为1； L为目标距离，m； 为增像管阴极面直径，按LXZ18/WHS像管为18mm。 （2）放大率 微光电视由于通过监视器(显示器)屏幕观察目标图像，与通过目镜直接观察的光学系统不同，微光电视观察位置不定，所以无固定的放大率。 理论上可以明视距离250作

14、为观察距离分析其放大率，作一定参考作用。其理论放大率用下式计算: （2）式中 : 为物镜焦距，mm； 为像增强器的放大率，按1XZ18/18WHS像管为1 ； N为显示器型号尺； 为像增强器阴极直径面，按1XZ18/18WHS像管为18mm。3.2 系统结构构成 微光电视监控系统主机构成主要有物镜组件、ICCD摄像器组件，电动调焦机构、感光元件组件、电动控制防护门机构、保护玻璃、主机壳体及相应接口等主机构成。物镜组件将目标成像在ICCD阴极面，ICCD进行图像亮度增强和输出视频信号。电动调焦机构用来完成非接触式调焦，保证系统对30米外范围的目标都能清晰成像。感光元件组件用来自动检测环境照度，适

15、时控制电路驱动防护门机构转动打开或关闭防护门，保护ICCD和系统。所有组件都装入物镜组件和主机壳体内，物镜组件通过连接螺钉和钢带连接固紧在主机壳体内。主机壳体是密封的，前端通过窗口玻璃与内部密封，后端有电缆接口和充氮用气门螺钉;外壳下端有机械接口。4 影响微光电视性能的因素 影响微光电视性能的因素是系统性的，包括光学系统，像增强器CCD，使用环境因素等。 4.1 光学系统 光学系统因素包括物镜焦距、有效孔径、传递函数、透过率、T数、光谱响应等。 焦距、有效孔径影响物镜的光通量，若不考虑大气的衰减影响，为提高阴极面的照度，应选取尽量大的相对孔径。 物镜的调制传递函数是衡量物镜传递物体对比度能力大

16、小的参量，其好坏将直接影响到输入级的光学信噪比，是关系到微光电视分辨力好坏的重要指标。透过率是指光学系统出射光通量与入射光通量之比。T数是综合考虑物镜的相对孔径和透过率指标的一个参数。杂散光也是影响产品分辨力的一个重要参数。 光谱响应和匹配是光学系统设计的最基本要求，光学设计光谱应与像增强器阴极面响应光谱相匹配，才能充分发挥彼此的效能。4.2 ICCD像增强器因素包括灵敏度、极限分辨力、传递函数、信噪比、亮度增益、光谱匹配等。CCD因素包括分辨力、灵敏度、噪声等。祸合CCD器件的性能由像增强器和CCD两者决定，光谱响应和信噪比取决于像增强器，暗电流、惰性、分辨力取决于CCD，灵敏度则与两者有关

17、。像增强器的阴极灵敏度决定了量子效率，对环境照度的影响能力。极限分辨力:表示在最佳输入照度下，像增强器对图像细节的分辨能力。用像管的输出面上能分辨的规定分辨力图案的最大线对数表示，单位为lp/mm。极限分辨力是像管输入照度的函数。在低于最佳输入照度时，测出的分辨力为低照分辨力。输入照度越低，分辨力越小。此时，影响像管对图像细节分辨能力的主要参数为信噪比。信噪比是评定像管成像质量的综合指标。反映了投影到输入窗上的图像经过像增强器后的恶化系数，主要由光阴极和微通道板引起。是像增强器在低照度下使用时最重要的参数。用像管的输出图像信号中，直流分量(信号)与交流分量的均方根值(噪声)的比值表示。信噪比与

18、输入信号的量(输入照度X接收面积)、光阴极的灵敏度和微通道板的噪声系数有关。 4.3 使用环境因素 微光电视系统接收由夜天空的自然微光照射目标经目标反射的辐射，该辐射经大气传输进入系统。系统使用的环境因素包括：夜天辐射(月光，星光，大气辉光以及太阳光、月光和星光的散射光，照度)，目标与背景的反射特性，辐射在大气条件下的传输等。 5 结论 远距离微光电视监控系统研究课题立足于我国目前微光电视的现状和技术能力，瞄准技术的发展方向，以像增强CCD摄像器件为基础，通过实际工程应用和试验，充分掌握微光电视的总体技术，设计了一套整体性能先进，功能全面，具备电动调焦，昼夜环境下光栏自动开关的微光电视系统，整体性能先进，实用性强。论文构建了完整的远距离微光电视监控系统。进行了总体方案设计，对主要性能指标和结构参数、