《光电子成像技术》-8

8.1引

言所谓微光夜视技术，常被称为微光成像技术(Low-Light-LevelImaging)和图像增强器技术(ImageIntensifier)，是指能够把人眼可见的和不可见的宽光谱微弱的景物图像，转变为亮度增强千、万倍以上可见光图像的成像技术。如图8-1所示，它通常由微光成像物镜、真空光电子成像器件(像增强器)、目镜(或中继透镜)及集成高压电源组成；其基本工作原理是：以夜天光或其他微弱光照射下景物的光强度时空分布I＝f(x，y，z，t)作为图像信息源，通过物镜成像、光阴极光电转换、微通道板(MCP)电子倍增和荧光屏电光转换，变为亮度得到千万倍增强的可见光图像。下一页返回8.1引

言其工作模式一般可分为微光直视(通过目镜直接观察)模式和微光电视(通过真空光电子电视器件转换为视频信号传送)模式。正如第四章所指出的那样，基于真空光电子(VPE)成像器件的微光夜视技术具有可拓展人眼视觉时空分辨能力的四大功能。上一页下一页返回8.1引

言(1)光谱转换功能。采用不同光谱响应的光阴极，可以分别把高能辐射、X线、紫外线、可见光、近红外甚至中远红外图像转换为可见光图像。例如，对X线、紫外线和近红外光成像技术等；(2)亮度增强功能。利用多级微光管级联或MCP电子倍增，可以把微光图像增强约50倍(单级一代管)、103～104

倍(三级级联一代管、MCP二代管、MCP三代管)和106～107倍(2块～3块MCP级联光子计数像管)；上一页下一页返回8.1引

言(3)高速摄影功能。利用真空光电子易于被电子透镜偏转、聚焦和加速的特点，实现对瞬态过程的高速摄影和摄像，时间分辨率可以达到ns(10－9s)级、ps(10－12s)级和fs(10－15s)级，例如，高速摄影条纹管技术等；(4)电视传像功能。利用ICCD、EBCCD等VPE视频器件，可以实现微光图像数字化，进而易于图像处理、存储、远距离传输和控制。例如，当今已问世的微光/红外图像融合夜视仪及数字化、网络化头盔夜视技术等。上一页下一页返回8.1引

言人们知道，“微光夜视”和“红外热像”是现代军用夜视装备的两大技术支柱。二者各有特点、互相补充又相互竞争、共同满足着市场的不同需要。微光夜视技术由于具有上述四大功能，能弥补人眼在空间、时间、能量、光谱分辨能力等方面的局限性，从而大大扩展人眼的视野，加之它的体积小、重量轻、功耗低、操作方便、价格便宜，已广泛应用于夜视观察、瞄准、测距、跟踪、制导和告警任务中，并在天文、地质、海洋、公安、医疗、生物等民用领域里有重要的实用价值。表8-1列举了微光夜视技术在陆海空军、航天、公安、核子、医疗等领域中应用的典型器材名称。上一页下一页返回8.1引

言本书第十四章、第十五章和第十六章将分别介绍微光像增强器技术在光子计数成像、高速摄影摄像和医疗诊断影像等领域中的应用。本节在掌握了真空光电子成像器件相关知识(第四章)的基础上，将分别涉及军用微光光学系统、门控电源和夜视系统总体性能分析评价等问题，并对这一高新技术的最新发展成果，逐一给予点评。上一页下一页返回8.1引

言本章要点：微光夜视技术发展动态及趋势微光夜视光学系统像增强器用门控高压电源微光夜视系统总体设计和性能评价先进微光夜视技术点评上一页返回8.2微光夜视技术发展动态及趋势1微光夜视器件技术的更新换代微光直视器件和微光视频器件的不断更新换代始终是微光夜视装备发展的技术推动力，器件的灵敏度、分辨率、信噪比和可靠性等性能直接关系到作战双方谁能在更远的距离上，或在更高一层的图像分辨档次(探测、识别、辨认)上提前发现对方和歼灭对方的大问题。本书第四章详细列举了微光夜视器件从第零代、一代、二代、超二代、三代发展到超三代、四代的历史渊源和技术特点.图8-2展示了微光系统视距随各代器件性能提高而延伸的情况。下一页返回8.2微光夜视技术发展动态及趋势2国外微光器件最新研发成果为了适应现代信息化战争的需要，美欧国家站在“立足微光，超越微光(BeyondImageIntensifiers)”的高度，正积极地投身于微光新技术、新器件和新系统的创新研发，当前具有代表性的科研产品成果有：(1)四代微光管新技术：包括长寿命的MCP技术、脉冲选通门控电源技术、GaAs光阴极高灵敏度技术、高分辨率、高MTF技术和大批量生产中的统计过程控制(SPC)技术等。(2)φ12/12和φ16/16小型超二代、三代微光管。上一页下一页返回8.2微光夜视技术发展动态及趋势

(3)GaN日盲紫外像增强器。(4)EMCCD内电子倍增式微光CCD(可在10－3lx照度下工作)。(5)EBCCD电子轰击式CCD(ITT公司把CMOS探测器芯片嵌入到像增强器中，代替荧光屏)，可做成数字化微光CCD器件，功耗会大大降低，总长将缩短一半(12.7mm)。(6)OLED有机半导体发光二极管显示器，是通过图像融合、信息融合，实现微光系统数字化、网络化的关键部件。(7)微光光阴极光谱响应蓝延伸及红延伸像增强器。(8)天文自适应光学望远镜用微光图像光子计数器等。上一页下一页返回8.2微光夜视技术发展动态及趋势3微光夜视系统技术最新研发成果(1)当前市场需求量最大的AN/PVS－14三代微光观瞄准镜(手持、枪瞄两用，数十万具/年)。(2)同比视距最远的轻型三代微光瞄准镜(2kg，视距1993m)。(3)当前视场最宽的四管全景微光夜视镜(100°×40°)。(4)24小时昼夜兼容工作智能门控电源微光镜(占空比1/10－6)。上一页下一页返回8.2微光夜视技术发展动态及趋势(5)红外/微光图像融合夜视镜(微光管/非制冷IR/OLED)。(6)蓝延伸GaAs光阴极管/YAG倍频激光选通水下搜索系统。(7)观察/瞄准/提示跟踪一体化的综合夜视头盔。

(8)CMOS数字化、网络化微光夜视系统。(9)动高压光谱分析用微光管高速摄像测试分析系统(100ps)。(10)天文自适应光学望远镜微光图像光子计数器(数百千米波前传感器)。上一页返回8.3微光夜视光学系统微光夜视光学系统包括把景物成像于器件光阴极面的微光物镜、把荧光屏图像传递给人眼的目镜、ICCD微光视频器件用的中继透镜和夜视辅助照明光学系统等。本节将简要分别说明它们的性能要求、典型结构和技术特点。更详细的理论和设计问题，可参阅本书第六章和其他相关资料。下一页返回8.3微光夜视光学系统8.3.1微光物镜系统1对微光物镜的一般要求(1)针对微光应用场合信噪比有限的特点，微光物镜应首先具有大的通光口径和相对孔径。(2)有好的调制传递特性MTF，目前微光器件的分辨率在32～70lp/mm之间，要求微光物镜在50lp/mm空间频率上的MTF不低于50%；系统应采取严格消杂光措施，杂光系数≤2%。上一页下一页返回8.3微光夜视光学系统

(3)色差校正的宽光谱范围：对微光物镜0.4～0.9μm；对主动红外物镜0.65～1.2μm。(4)应有小的渐晕，以尽量减少像面边缘照度的过度下降造成的输出图像的不均匀性。2微光物镜的典型结构和技术特点根据微光观察、瞄准、测距、跟踪、制导和告警等不同应用的需要，可以分别采取或综合采取微光直视及微光电视工作模式。所用的光学物镜系统包括“全折射型”、“全反射型”和“折反射型”等三种结构形式；它们被统称为“超高速(光力)光学系统”，其总体设计思想可归结为：如何从MTF/像差校正上，兼顾解决微光成像所需的大孔径、大视场和高MTF问题。上一页下一页返回8.3微光夜视光学系统图8-3列举了一些全折射型微光物镜系统的典型结构。其中，两片式的叫匹兹瓦尔(Petzval)物镜，三片式的叫库克(Cooke)物镜，以及4～6片的叫高斯(Gauss)物镜。如果采用非球面镜片，则物镜系统的总片数会减少，整个系统的体积和重量会有所下降。全折射型物镜的技术特点是：匹兹瓦尔在较小的视场范围内有非常好的像差校正潜力；库克物镜中的三片透镜可分别进行色差和球差校正，甚至对所有主要像差，允许有好的折中平衡效果；高斯物镜的相对孔径可以设计得比较大(1∶1)，缺点是斜光束球差和高级像散较大。上一页下一页返回8.3微光夜视光学系统图8-4是折反射型微光物镜的典型结构。取掉图中的施密特校正板，即构成全反射型物镜。通常，图中的球面反射镜用非球面(抛物面)镜代替。用此类物镜做成的望远系统，可使远处景物成像于主镜焦面上，得到一个较完善的图像，且无色差，但慧差很大。因次反射镜遮挡了部分入射光线和存在一定反射损失，故实际光能利用率不高。上一页下一页返回8.3微光夜视光学系统8.3.2微光目镜和中继透镜对微光目镜和中继透镜的一般要求如下：(1)与荧光屏输出端相连的是能获得正像的光学放大镜，以消除人眼正常照度下视觉分辨力的限制。(2)微光目镜应具有合适的焦距fe，以保证目镜有足够克服人眼视觉分辨率的放大率(Pe＝250/fe)；足够的视场(tanω＝Dp/fe，Dp为荧光屏有效直径，mm)；合适的出瞳距离(8～50mm)及出瞳直径(对夜间视觉，为5～7mm)。(3)荧光屏输出图像若与CCD级联，需采用类似近拍照相用的中继透镜，负责从荧光屏到CCD面阵相应尺寸、光谱、光能、衬度的有效传递。上一页下一页返回8.3微光夜视光学系统8.3.3夜视辅助照明光学系统辅助照明光学系统用于主动红外夜视仪和激光/微光选通夜视系统中。所用的光源包括卤素白炽灯、大功率红外发光二极管和阵列式半导体激光器。对辅助照明光学系统的一般要求是：(1)与成像器件光敏面有良好的光谱匹配系数；(2)有与夜视仪视场相适应的光束横向发散角及较小窄的垂直发散角；(3)有足够的轴向光强，以保证有尽可能远的照射距离；(4)体积小，质量轻，易于调焦，维护方便。上一页下一页返回8.3微光夜视光学系统夜视用的辅助照明光学系统主要有两种结构形式：抛物面探照灯式(见图8-5)和用半导体发光二极管及激光器的柱面透镜式。对于前者，位于抛物面反射镜焦点的光源(背面有反射膜)，经抛物面反射，投向远处。如果光源的线度趋近为一个点，则投射出绝对平行光；但实际上一定灯丝尺寸(2r)，投射出的光束有一最大发散角αm(这里，sinαm＝r/f)上一页返回8.4像增强器用门控高压电源8.4.1功能及要求(1)小型集成高压电源是像增强器的重要部件，它除了以小体积、低功耗提供器件各级工作电压外，还应具有荧光屏亮度自动控制(ABC)功能和亮源保护(BSP)功能。(2)器件各级工作电压视具体情况而定，例如，双近贴三代管的各级电压分别是光阴极电压VK＝－800V，MCP输入输出电压VM入＝0V、VM出＝800V和荧光屏电压V屏＝6000V。下一页返回8.4像增强器用门控高压电源

(3)对于选通像管，须在上述电压分配的基础上，在阴极上反馈给适当的正脉冲电压，以抑制非选通区域背景电子的逸出。(4)亮度自动控制(ABC)电路，为人眼提供舒适观察所需的屏输出亮度，其ABC照度适应范围10－5～102lx；对于局部输入强光(例如，战场炮火，城市灯光和汽车灯等，当E入≥103lx)时，则需要配置亮源保护电路(BSP)电路；在不改变MCP及光阴极工作电压前提下，实现ABC、BPC和通过脉宽调节光阴极平均工作电压的电路，统称为微光管门控(Auto-Gated)电路。上一页下一页返回8.4像增强器用门控高压电源8.4.2像管门控电路框图和工作原理图8-6是用于四代微光管的门控电源原理框图。这种电路能发挥“一举三得”的重要作用：ABC、BSP和抑制离子反馈、延长器件寿命。这对于保证夜视仪24小时日夜兼容工作有较大实用价值。该电路的工作原理是：(1)T1DC－AC直流－交流变换器，靠微型电池(≥2.5V)供电，产生交流振荡信号，经变压器升压、4组倍压板整流，分别为荧光屏、MCPOUT(设MCPIN＝0V)和光阴极分别提供＋6000V、＋800V和－800V工作电压；第④个倍压板为光阴极提供强光下截止光电子流的＋30V电压。上一页下一页返回8.4像增强器用门控高压电源

(2)随着输入光照度增加，荧光屏电流升高，反馈信号增强，自动指令脉宽控制器适度压缩输入方波脉宽，控制光阴极－800V工作电压的脉冲宽度，根据平均电压V＝VP•f•w(VP为脉冲电压，V；f为重复频率，Hz；w为脉冲宽度，s)；调整被MCP有效接收的光电子流，借此使脉冲占空比可从100%，调整到10－4%，可调动态范围达6个数量级。

(3)上述ABC、BSP和门控电路对输入照度的可适应范围从10－3～200lx，如果照度更强，则需通过图中的串联元件，使MCP电压适度降低。上一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价本节将涉及微光夜视系统常规参数的选取和基于光量子噪声限制下的总体性能及其制约因素的评价分析问题。8.5.1微光夜视系统常规参数的确定微光夜视系统的具体型号可能千差万别，参数与参数之间往往相互制约，因此，对其常规参数的确定，将按照它的用途、体积、质量、环境、价格等因素予以优化选取。这些常规参数包括：像面照度、物镜口径、焦距、有效视场、系统放大率、亮度增益、系统分辨角和MTF等。它们可分别用以下公式进行计算：下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价

(1)像面照度Ek(lx)。对远距离目标成像物镜而言

式中：Lφ为景物亮度(cd/m2)，F数＝f物/D物，T物为物镜透过率(%)。对近距离照像物镜而言

式中：m为像与物的线性尺寸之比。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价

(2)有效视场FOV(°)。

式中：dk为成像器件有效输入直径(mm)。(3)系统放大倍率β(倍)。

式中：me为成像器件电子光学放大率。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价

(4)系统亮度增益G总，nt(nt－尼特，cd/m2)。

式中：D目镜和f目镜———目镜的有效孔径和焦距(mm)；τ物镜和τ目镜———物镜和目镜的光学透过率(%)；G器件———器件亮度增益，cd/m2/lx。可见物镜和目镜的相对孔径及其光学透过率对充分发挥器件亮度增益作用的重要意义。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价

(5)系统分辨角α(rad)。

式中：R———观察距离或视距(m)；w———系统可分辨的景物最小细节宽度(m)；Nf———成像器件分辨率(lp/mm)；f物镜———物镜焦距(mm)；me———成像器件的电子光学放大率。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价该式的实际意义在于，它把目标尺寸、系统的视距R、系统分辨率Nf和物镜焦距f物镜之间联系起来，便于人们根据需要进行分析和计算。例如，对于军用夜视系统，人们以视距R的远近为评价指标；而对于近距离光电子成像系统，人们更关心能分辨的细节(或像面空间频率Nf)。于是，根据式(8-6)，可把它们分别表示为

上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价式(8-8)的物理意义是，目标尺寸w越大，焦距越长，或目标离得越近，则所需的器件像面分辨率可以取值越小；器件电子光学放大率取得大一些，在一定程度上起光学放大镜作用。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价

(6)系统MTF，M总(N)，(%)。系统的MTF特性表征了系统对目标对比度的传递能力，它是空间频率和时间频率的函数，前者叫空域MTF，后者叫时域MTF。当MTF＝0.02所对应的频率，谓之截止频率，或极限分辨率。关于时域MTF及时间分辨率问题，留待本书第十五章讨论。对于由物镜、目镜、微光器件和电子学单元组成的线性微光夜视系统，系统总的MTF等于各子系统MTF的乘积；系统总的分辨率平方的倒数等于各子系统分辨率平方倒数之和。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价可见要获得系统好的MTF及分辨能力，必须充分挖掘各子系统的对比度传递特性。应该强调指出，上述MTF及分辨率均是在正常输入面照度和100%输入对比度下进行测试和评价的特性参数，后面将要看到，随着输入照度和输入对比度的下降，系统的实际分辨率将受制于被分辨特征面元上光子数统计涨落特性。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价8.5.2光子数受限条件下微光夜视系统的极限分辨能力本书第七章已经详细论述了在光子数受限条件下光电子成像系统极限分辨能力的物理本质。实际上，所谓“微光”，并不单指目标照度很低的夜视系统，还泛指其他非微光之成像系统。这是因为，当人们要观察的目标细节很小时，分配给该小细节“特征面元”上的光子数越来越少，低到一定程度，同样会受到光子噪声统计涨落规律的限制。本节将探讨微光夜视系统(3LIS)分辨能力的级别、光子数受限下系统分辨率(或视距)方程及其制约因素，并给出了根据系统内外部参数求取系统视距的模拟仿真图解方法。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价1微光夜视系统(3LIS)分辨能力级别令一个目标的像是尺寸为w×w的正方形，则人们对此目标的分辨程度可以分成三个档次：探测(判断有无目标)、识别(辨别目标类别)和辨认(分清目标细节)。档次愈高，要求分别该目标的细节(ai)愈小，或分辨率(Nai)愈高；文献中常用w、w/4和w/8(或细节尺寸a1，a2和a3)来分别对应上述三个分辨能力档次，即上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价“探测”，只能判断目标的有无，而不知其为何物，a1＝0.50w，Na1＝1lp/mm；“识别”，能辨别目标轮廓，知其为何类东西，a2＝0.25w，Na2＝4lp/mm；“辨认”，能辨别目标细节，判定其为具体目标，a3＝0.125w，Na3＝8lp/mm。这里，i＝1，2，3代表分辨能力档次。在一些特殊场合下(如文艺欣赏、精密测量等)，分辨细节会取得更小，如取为w/16，甚至w/32…。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价这里，w、w/4和w/8…所对应的像面空间频率分别是1/w，4/w和8/w…(lp/mm)。作者称这些面元为一系列“特征面元”(CharacteristicAreaElements，CAE)a1；a2和a3…。其所以叫做“特征面元”，是因为它们依次表征了人们对该图像“感兴趣细节”的分辨能力，或者完成视角分辨任务的级别，因此，只有目标的像相邻特征面元之间，在空间光强度上，在光颜色上，或在其他物理特性上有所“差别”，且被特定成像系统的观察者所感知了，才算达到了该系统既定的“视距”指标。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价2光子数受限条件下的3LIS像面空间分辨率理论和实验业已证明，上述3LIS的三个级别的分辨能力会受到落入该像面特征面元上光子数多少的限制，对于同一个系统，在其他条件不变的情况下，像面上相邻面元间的对比度(光子数相差百分比)会因光子数信噪比

的减少而不断下降，原来可以达到“辨认”级别分辨能力的系统，现在只能转求其次，去“识别”和“探测”目标了！甚至什么也看不到。这就是微光观察极限分辨能力的物理实质所在。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价根据第七章给出的公式(7-56)，3LIS像面空间分辨率可由下列分辨角α公式算出

式中：景物参数：w———目标尺寸(m)；ai———像面上特征面元尺寸(mm)；R———视距(m)；ρ0———目标反射率(或透过率)(%)。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价环境条件：τ大气———大气透过率(%)；E0———辅助光源在目标上的照度(lx)。物镜参数：D———口径(mm)；f———焦距(mm)；τ物镜———物镜透过率(%)。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价器件参数：η———光敏面量子效率(%)；Δt———采样累积时间(s)；C———像面目标特征面元对比度(%)，C＝(na－nb)/na。视觉参数：(S/N)a———相邻特征面元信噪比；σ＝1.3×1016个光子s－1/lm。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价需要强调指出的是，这里所谓相邻特征面元的信噪比(S/N)a，在有的文献中称其为作出正确视觉判断的“可信度系数K”，可信度愈高，作出判断的不确定性愈小，它们之间的关系是：(S/N)a或可信度系数K：12345视觉判断的不确定性：3.173×10－14.55×10－22.7×10－36×10－56×10－7上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价这组数据充分说明了为什么3LIS应具有尽可能低的等效背景输入照度(或低的读出噪声)的原因，因为只有这样才可能获得尽可能高的相邻特征面元间的信噪比，或尽可能高的正确视觉判断概率。此外，可以证明，上述像面目标特征面元对比度C＝(na－nb)/na，与MTF理论中的调制度P＝(na－nb)/(na＋nb)间的换算关系是：C(N)＝2M(N)/(1＋M(N))(8-10a)M(N)＝C(N)/(2－C(N))(8-10b)上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价很显然，像面上的特征面元对比度或调制度是由景物、大气、物镜、器件和电子各个环节MTF联乘的结果决定的，据此，可以分析各级Pi(N)对系统总的M系统(N)的影响。利用特征面元尺寸ai(mm)与相应空间频率Nai(lp/mm)间的转换关系(Nai＝1/ai)和式(8-10a)，把式(8-9)变为对像面上特征面元的分辨率

上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价根据式(8-7)，可把微光夜视系统在光子数受限条件下的视距写为

上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价可见在特征面元光子数受限情况下，Nai或视距与(E0)1/2成正比关系，但不会随着E0

增加而无限增大，而是趋于器件的极限分辨率Nm，在微光－正常光照度过度区域(膝部特性)的分辨率Ns，由Nai和Nm

共同决定，即

式(8-11)、式(8-12)和式(8-13)为我们评价分析微光夜视系统的总体性能及其制约因素，提供了理论依据。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价3式(8-11)～(8-13)的物理意义(1)平常人们所说的光电子成像系统(包括3LIS)的“视距”，并不是抽象的、笼统的“视距”，而是根据不同观察任务规定的“探测视距”、“识别视距”或“辨认视距”，它由“感兴趣”特征面元尺寸ai(mm)或特征细节分辨率Nai(lp/mm)所定义。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价

(2)视觉判别的正确与否具有统计性质，绝对正确无误的判断是不存在的。上述公式中的信噪比(S/N)ai定义了这类视觉判别的可信度系数，即(S/N)ai取值愈高，判断失误的概率(不确定度)愈低，例如，(S/N)ai＝2，失误概率≤4.55%。(3)上述公式是双向可用的，即规定了视距Rai或特征细节分辨率Nai，便可以按公式来分析系统内、外部参数的作用，并在已知一些参数性能的基础上，考量其他参数对总体观察效果的影响；反过来，又可以根据系统已知的内外部参数性能，估算其极限视距或细节分辨能力。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价

(4)Rai与目标照度E1/20成正比，微光分辨率受限于系统的最低等效背景输入照度Emin；随着输入像面照度增大，将趋近于系统极限分辨率Nm所决定的视距Rm；在输入照度由微光向正常照度过渡阶段，系统分辨能力由微光分辨率和极限分辨率共同决定(式813)。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价

(5)对于微光电视系统，上述公式和概念仍然是适用的。因为它们的前级要么是像增强器，要么直接用低噪声CCD(如EMCCD)，但它们赖以光电转换的对象———微光景物的光子数受限统计学规律是相同的。不过在评价时，应把像面电视分辨率NTV(TVL/PH，或水平TVL)归一化成系统像面上的空间频率Nai(lp/mm)，两者的换算关系是

式中：DCCD是CCD对角线尺寸，β＝D荧光屏/DCCD，对于倍率＝1的薄片管ICCD，它是像增强耦合部件(光锥或透镜)的光学缩小倍率。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价8.5.3微光夜视系统总体极限性能图解分析按照以上评价理论的思路和公式，可以用如图8-7之图解或模拟仿真方法，分析微光夜视系统的总体极限性能与相关内外部参数间的关系。该图由绘在一起的9个子坐标系统(①～⑨)构成。它们依次是：景物照度、目标反射率、景物反射出射度、物镜f数、系统分辨率/照度函数曲线簇、实际目标尺寸、物镜焦距、识别目标所需物面单元周数和系统实际距离。可以用动画的形式，从夜天光下的景物照度设置点1.7×10－2lx开始，从①，②…追迹到⑨，求出“视距”；反之，根据所需的视距和相关已知内外部条件，确定对系统特定参数性能的要求。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价值得关注的是系统分辨率/照度函数曲线簇(子坐标系⑤)是按照式(8-11)绘制的，其自变量为像面照度，参变量是像面目标对比度(含系统MTF)。同理，也可以用其他自变量，如光阴极量子效率η(它与灵敏度有正比关系)为参变量来重新绘制曲线等。总结以上理论和实验结果，可以把微光夜视系统的视距或图像清晰度近似表示为

上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价式中：系统噪声因子N.F代表了系统各级在转换、倍增及传递过程中，各自附加噪声大小的一种量度，它被定义为输入信噪比与输出信噪比之比；显然N.F≥1，且愈接近于1，信噪比传递性能愈好。式(8-15)是一种简化了的视距(清晰度)半定量分析公式，便于人们建立概念、并评价主要性能参数对系统总体性能的贡献。上一页下一页返回8.5微光夜视系统总体设计和性能评价在一些文献中，有人主张用器件的信噪比与分辨率的乘积来表征系统的“评价因子”，这在简化思路上更进了一步，因为信噪比中包含了灵敏度和噪声因子；分辨率更直观通俗地反映了MTF特性。不过这种主张其所以未普遍流行，大概是由于它与理论上的联系不那么严谨、且未包容进物镜等系统参数的缘故吧；在式(8-12)和式(8-15)中，其所以未包括物镜焦距参数，是因为3LIS的总体评价中，需用系统的分辨角，它包含了器件的分辨率和物镜焦距(式89)，而且，在推导Rai(式812)过程中被约去了。上一页返回8.6先进微光夜视技术点评掌握了以上理念和公式，不难分析一些先进微光夜视技术所展现的优良应用效果。以下将通过图表、照片和简要注解，分别点评一下若干先进微光器件和系统的最新成果，及其对推动微光技术发展和拓宽应用上的重要作用。下一页返回8.6先进微光夜视技术点评8.6.1四代微光夜视图像质量图8-8是伊拉克战争中使用的第四代微光夜视仪所获得的景物照片。业内人士不难发现，其图像清晰度可与高级照相机拍下的狮子的照片(作为背景底图)相媲美，画面上几乎看不到常见的任何雪花噪声。实战效果表明，它比二代微光仪视距提高到253%(参见图8-2)，这主要得益于系统灵敏度、信噪比和MTF(分辨率)特性的大幅度提高(见第四章表4－1)。这在两军夜战对垒中发挥着先于发现对方，歼灭对方的绝对技术优势。上一页下一页返回8.6先进微光夜视技术点评8.6.2远距离激光微光选通成像技术图8-9是一个激光微光选通成像系统工作原理示意图。一定重复频率及脉冲宽度的激光束投向目标，经目标反射和背景散射并返回，被系统(例如ICCD)选通接收，借此，既可再现目标的图像，又可像激光测距机那样，给出目标的距离。抑制大气介质逆向散射，提高目标/背景信噪比是这种系统延伸作用距离的技术关键。压缩脉冲宽度及前后沿时间是提高测距精度和纵深空间分辨率的有效技术途径。详细的总体技术论证可参阅本书第七章关于光电子成像系统的“能量传递链评价方法”。上一页下一页返回8.6先进微光夜视技术点评这种激光微光选通成像系统的视距要比同类型的非选通系统远很多倍。例如，作者单位西安应用光学研究所1967年用液N2冷却的GaAs线阵激光器(平均功率2W，水平发散角约2°，频率10kHz，脉宽1μs)与Ag－O－Cs光阴极红外变相管(125μA/lm，26lp/mm)及选通控制电源组成的选通成像系统，在一个大雾夜晚(视觉能见度不到10m)进行夜视对比实验，选通和非选通工作的系统视距之比为251m/83m。经过40多年的科技发展，无论是激光器技术，还是像增强器成像技术，都已经今非昔比了，这种激光夜视成像系统的视距已经达到10～20km，在水下成像应用中，已达到100～200m。上一页下一页返回8.6先进微光夜视技术点评这项新技术已广泛应用于气象条件恶劣，尤其是水下探测、成像、勘探的重要工具。所采用的激光器多为YAG倍频激光器(0.53μm)和灵敏度蓝延伸GaAs光阴极像增强ICCD器件，重频10Hz以上，脉宽μs级，前后沿达ns以下，水下勘探测绘的纵向空间分辨率达10cm左右。上一页下一页返回8.6先进微光夜视技术点评8.6.3先进门控电源在夜视仪昼夜兼容工作中的作用在8.3节已详细介绍了像管门控高压电源的工作原理和结构框图。当今像增强器分辨率已达到60～90lp/mm，相当于2048×2048像素阵列器件超高清晰度以上水平，在这种技术基础上，用同一个观察设备24小时兼容工作，对减小指战员负荷，降低军费成本和灵活作战，具有重要意义。其中，采用先进的智能门控高压电源起到了决定性作用。上一页下一页返回8.6先进微光夜视技术点评它主要通过随外界照度的变化，智能反馈调节加于光阴极上脉冲电压的占空比方法，控制光阴极光电流的有效逸出量，在10－4～102lx大的动态范围内，实现了亮度自动控制(ABC)和亮源保护(BSP)双重功能，既保持了器件分辨能力，又抑制了离子反馈，延长了器件寿命，保证了器件24小时日夜兼容工作。图8-10给出了未门控和门控所获得的微光夜视图像，这在城市反恐及炮火连天战场观察，尤其是由黑夜转为白天工作时，二者所表现的差别将更加明显。上一页下一页返回8.6先进微光夜视技术点评8.6.4100°×40°宽视场微光夜视眼镜普通微光观察瞄准镜的视场只有8°～18°，夜视眼镜的水平视场通常为40°，这已不适应坦克车辆驾驶员，尤其是不适应飞机驾驶员大视场迅速搜索目标的需要。为此，新近开发投入使用的一种叫做“100°×40°宽视场微光夜视眼镜”，其内部结构如图8-11所示，4只φ16/16(或φ12/12)小型像管分布于4个独立的光路中，每路各负责25°×40°视场，经过双目镜前的光学图像拼接技术，解决了100°×40°宽视场头盔微光夜视问题。这种器材已在实战中发挥了重要作用。上一页下一页返回8.6先进微光夜视技术点评8.6.5微光/红外图像融合夜视系统人们知道，红外热像仪识别的是目标(景物)温度的空间分布，它的视距远，识别伪装能力强，但图像层次感不强；而微光夜视仪所成的像是目标(景物)反射率的空间分布，与人眼视觉习惯一致，层次感较强，但微光视距受气候、环境条件影响较大，视距较近，识别伪装的能力较弱。因此，在这两类夜视技术业已成熟的今天，把微光与红外两类图像融合起来，可以发挥二者的优点，取长补短，增加夜视系统的多功能优势。具体实现图像融合的技术途径有：上一页下一页返回8.6先进微光夜视技术点评■热像仪的输出视频信号与像增强ICCD输出的视频信号，通过红外光路与微光光路的图像配准、拼接，以及时域视频信号的统一制式化、处理、融合等方法，最终显示为同一幅夜视图像；■如图8-12所示，利用一透明的OLED(有机发光二极管显示器)放于像管光纤面板荧光屏的输出端；用OLED同时作为热像仪的显示器。这样，观察者即可以透过OLED看到像管荧光屏的微光图像，又可以看到OLED显示的红外热像。上一页下一页返回8.6先进微光夜视技术点评8.6.6微光图像实时处理技术数字图像处理技术是一个涉及面很宽的专门学科和技术。其内容涵盖图像信息的获取、图像信息的存储、图像信息的传送、数字图像信息处理和图像信息的输出和显示等技术。本书第十七章将就军用光电子成像系统中应用的实时图像处理技术的相关理论和实践问题作详细介绍。本节仅说明微光图像实时处理技术的特点和效果。上一页下一页返回8.6先进微光夜视技术点评微光核心器件的更新换代与微光图像的实时处理技术的创新始终是微光夜视技术发展的两大主旋律，前者为先进微光装备奠定了基础，而后者能利用先进的超大规模集成电路(VLSI)和计算机技术，实现小型化、模块化、智能化微光图像实时处理，为克服成像器件/系统的固有缺陷、改善视觉分辨能力和提高装备视距创造条件。上一页下一页返回8.6先进微光夜视技术点评普通的微光成像系统(包括直视系统和电视系统)存在的固有缺陷有：①景物照度很低，图像的各种噪声影响比较突出；②输出图像的动态范围有限，往往把一些有用的信息(例如低亮度区的低对比目标细节，或高亮度区的目标细节)过度的压缩了；③对军用微光电视系统的小型化、实时化的要求比较苛刻；④尤其是对弹载图像制导用微光电视系统，还要求有自动