光電傳感器應(yīng)用技術(shù)第12章課件

1、12.1 微光圖像傳感器 20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的微光夜視技術(shù)就已經(jīng)出現(xiàn)了微光圖像傳感器。 其中微光CCD圖像傳感器是目前應(yīng)用最為廣泛、最有前途的微光夜視圖像傳感器件。本節(jié)主要介紹CCD微光夜視圖像傳感器的基本工作原理、基本結(jié)構(gòu)、特性和應(yīng)用等問題。 12.1.1微光圖像傳感器的發(fā)展概況 將像增強(qiáng)器與真空電子束攝像管有機(jī)地組合在一起，研制出第一代的微光圖像傳感器，又稱為微光電視攝像管。微光電視攝像管與直視夜視儀相比具有如下的特點： （1）便于利用圖像處理技術(shù)，提高顯示圖像的品質(zhì)； （2）可以實現(xiàn)圖像的遠(yuǎn)距離傳輸或遠(yuǎn)距離遙控攝像； （3）便于和光電自動控制系統(tǒng)構(gòu)成電視跟蹤裝置，直接用于武器制導(dǎo)

2、、指揮射擊等領(lǐng)域，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力和快速反應(yīng)的特點； （4）能夠供更多的人在更為廣泛的場所同時觀察； （5）可以錄像并長期保存。 雖然微光電視攝像管在體積、重量、能耗、成本、使用維護(hù)等方面不如直視夜視儀，但由于上述五個方面的優(yōu)點，使它愈來愈受到重視，并被廣泛地用于國防、公安、醫(yī)學(xué)影像和天文觀測等方面。 表12-1 幾種型號的微光電視攝像系統(tǒng)型號攝像器件整機(jī)性能應(yīng)用場所生產(chǎn)廠商N(yùn)v-10040/25增強(qiáng)器+25mmSEC物鏡f =735mm 光圈F1.016.0,視場18（垂直） 24（水平）光譜范圍650850nm電源28V , 3.5A 尺寸203838 , 重量35kg直升機(jī)美國光電

3、公司ASD3000系列SIT分辨率650電視線（水平），電源1831V , 3550W體積62508250mm3 ， 重量59kg夜間監(jiān)視偵察和武器發(fā)射美國無線電公司UVR-700三級25mmML8587+光導(dǎo)管觀察距離5 000m（1/4月下發(fā)現(xiàn)） 1 500m（1/4月下識別）電源28V , 3A，體積460590510mm3 重量15.4kg飛升機(jī)晝夜監(jiān)視及投放武器美國通用電器公司V0084SIT物鏡f =276mm光圈F2.35視場2.662 電源2228V , 4.5A自動靈敏度控制范圍1107分辨率440490電視線（中心） S/N32dB火控系統(tǒng)夜視英國馬可尼公司V3341/V3

4、344SIT物鏡f =276mm光圈F2.35視場2.662 典型靈敏度3.310-4lx分辨率500電視線 S/N32dB海軍火控系統(tǒng)英國馬可尼公司TMV562A25mmSIT物鏡f =210mm 視場45.5 重量20kg照度范圍110-4110-3（夜間） 102103（白天加濾光鏡）電源24V , 100W 尺寸700340240mm3坦克、裝甲車（法）湯姆遜PZB2001-EBS物鏡有效直徑200 視場4.5,調(diào)焦范圍5060 mm分辨率600電視最低照度110-4 lx電源24V , 40W 重量1.85kg坦克、裝甲車觀察、瞄準(zhǔn)德國德律風(fēng)根公司P436125mmSIT視頻帶寬9M

5、Hz 尺寸260568視場3.05(16mm增強(qiáng)器) 4.77(25mm增強(qiáng)器)電源24V , 重量23kg晝夜監(jiān)視意大利7411SITRCA4848/H靈敏度810-5 lx 極限分辨率750電視線視頻帶寬15MHz（+3 dB）S/N35 dB電源12 V或28V , 直流1A尺寸12013037mm3 重量6kg火控系統(tǒng)監(jiān)視丹麥召根安德遜公司 目前，已有兩種微光CCD攝像管，即增強(qiáng)型（I-CCD）和累積型TDI-CCD攝像管。它們的最低光照度已達(dá)到10 lx，分辨率優(yōu)于510TVL。例如，德國 SIM安全與電子系統(tǒng)公司推出的 SIM-CCD在10 lx下工作，具有很寬動態(tài)范圍，可以在 1

6、0 10 lx照度范圍內(nèi)工作。該機(jī)由CCD和微通道板像增強(qiáng)器構(gòu)成，分辨率高達(dá)510 TVL。美國加利福尼亞州 Xybion電子系統(tǒng)公司新近推出了TDI-CCD微光攝像機(jī)，采用砷化鎵像增強(qiáng)器，可以工作在低于10 lx的照度下。德國BM光譜公司研制的制冷溫度在75150的低溫下，微光特性可以高達(dá)10 lx。 -6-8-5-11-6-612.1.2微光電視攝像系統(tǒng)1.對微光電視攝像系統(tǒng)的要求 微光電視攝像系統(tǒng)在軍事上一般都裝備在裝甲車、軍艦、飛機(jī)和導(dǎo)彈等兵器上，使用條件都比較惡劣，給微光電視攝像系統(tǒng)的設(shè)計帶來了一系列的特殊要求。又由于它的輸出信號常利用廣播電視的傳播途徑傳播，因此它在工作原理、制式、

7、技術(shù)參數(shù)上又經(jīng)常與廣播電視兼容。 (1) 光照靈敏度 (12-1) (2)分辨率 CCD的水平分辨率可達(dá)到500 TVL，而組合起來的CCD微光攝像系統(tǒng)的水平分辨率一般可以做到400TVL以上。 (3) 動態(tài)范圍 動態(tài)范圍指保證圖像質(zhì)量所需景物的最高照度和最低照度之比。對微光電視攝像系統(tǒng)，要求具有全天候工作能力，既可以在夜間無星或月光下（景物照度10 lx）使用，又可以在太陽光下（景物照度10 lx）工作，動態(tài)范圍高達(dá)10 。要滿足如此大的動態(tài)范圍，若不采用必要的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，只靠改變光圈的辦法是不行的。微光CCD攝像系統(tǒng)可以通過改變CCD的積分時間（具有5 000倍的調(diào)節(jié)能力）和改變光圈面積

8、的辦法來實現(xiàn)。 -5510(4) 灰度 把圖像亮度從最亮到最暗分成10個亮度等級，該亮度等級稱為灰度。由實踐得知，若灰度等級不劣于6級，圖像層次已較清楚。微光CCD攝像系統(tǒng)中，CCD自身的灰度比較高，有256個等級，但光電陰極和顯示器的亮度等級較低。 (5) 對比度 對比度指圖像最明處與最暗處的亮度差與最大亮度之比，常以百分比表示（）。 最大的對比度是100，但，只有在實驗室才能做到。實際觀察條件下，一般只有1030。對比度高，圖像效果太硬，過渡區(qū)過于明顯，圖像的觀看效果會很不舒適。對比度太低，圖像灰蒙蒙地也不舒適。對比度在30左右觀看時，圖像的效果才為最佳。(6) 非線性失真 非線性失真指景

9、物經(jīng)過微光電視攝像系統(tǒng)后所生成圖像產(chǎn)生的畸變，以非線性失真系數(shù)表示。一般規(guī)定為行非線性失真系數(shù)小于等于17、場非線性失真系數(shù)小于等于12時，即可使人眼覺察不到失真。 (7) 信噪比（S/N） 信噪比指微光攝像系統(tǒng)輸出的視頻信號功率與噪聲功率之比，常用分貝數(shù)表示。電視系統(tǒng)的信噪比與圖像質(zhì)量之間的關(guān)系參見表12-2。 表12-2微光電視系統(tǒng)的信噪比與圖像質(zhì)量的關(guān)系 質(zhì)量等級信噪比（S/N）（dB）對圖像清晰度的影響12345676050403020100完全看不到噪聲干擾稍微能看到一點干擾能看清噪聲和干擾，但對圖像清晰度幾乎無影響對圖像有影響但不妨礙收看對收看稍有妨礙對收看有明顯妨礙妨礙嚴(yán)重，圖像

10、不能成形2. 對光學(xué)成像物鏡的要求（1）視場 視場指微光電視攝像系統(tǒng)所能攝取圖像的空間范圍。一般取決于攝影物鏡的視場角。通常要求它的觀察范圍應(yīng)達(dá)到幾度到十幾度。（2）相對孔徑（D/f） 相對孔徑指攝影物鏡的有效通光孔徑 D與焦距f之比。在物鏡上所標(biāo)的光圈指數(shù)值F為相對孔徑的倒數(shù)。F值越小說明其相對孔徑越大，鏡頭的分辨率越高。目前使用的微光攝影物鏡的相對孔徑為D/f = 1/7.7。 （3）分辨率與調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF） 攝像物鏡的分辨率指焦平面上1mm的范圍內(nèi)所能分辨的明、暗線的條數(shù)（lp/mm）。 （4）透射比透射比定義為通過微光電視系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)出射光通量與入射光通量之比。一般要求 70。

11、（5）T值 T值是綜合考慮物鏡的相對孔徑（D/f）和透射比指標(biāo)的一個參數(shù)。定義T= D / f。一般要求T2.0。 3. 對使用環(huán)境的要求 一般軍事裝備對使用環(huán)境的要求都很苛刻。設(shè)計時必須考慮儀器能夠在高溫、低溫、震動、沖擊和淋雨等五種環(huán)境下工作。在特殊情況下使用還要附加其他條件的要求。4. 對電源的要求 對微光攝像所用的電源，應(yīng)盡量和其他裝備所配備的電源相一致，這樣可使電源簡化，也可以避免相互之間的干擾。5.對體積、重量和工作壽命等的要求 原則上要求盡量做到體積小、重量輕、工作壽命長。若用在航天、航空裝備中，則要求更為嚴(yán)格。12.1.4微光CCD攝像器件3.像增強(qiáng)器與CCD的耦合4.多幀積累

12、型微光CCD圖像傳感器現(xiàn)代通用的CCD電視攝像機(jī)，歸納起來主要有以下四種噪聲： （1）信號中的散粒噪聲； （2）放大器的噪聲； （3）暗電流的散粒噪聲； （4）暗電流的不均勻性引起的固有噪聲（FPN）。 其中前三種均為隨機(jī)噪聲，而FPN噪聲遠(yuǎn)小于隨機(jī)噪聲。通過對CCD器件進(jìn)行冷卻，可以有效地抑制FPN噪聲，同時對隨機(jī)噪聲也有一定的抑制作用。但是，抑制隨機(jī)噪聲最直接、最簡單也是最有效的方法是采用信號積分的方法。對于圖像來說，就是用圖像信號進(jìn)行多幀累積的方法。 (12-5) 1ijm i=1，2，m 其中，Cij為各電壓之間的相關(guān)系數(shù)，0 Cij1 。由于信號中的隨機(jī)噪聲Un是不相關(guān)的，服從泊松分

13、布，因此噪聲之間的相關(guān)系數(shù) Cij=0。m幀圖像積累以后，每個像元的噪聲功率為 (12-6)對于圖像信號來說，假設(shè)攝像掃描系統(tǒng)在空間的掃描位置不變，則有如下兩種情況： (1) 目標(biāo)圖像是靜止的 (12-7) (12-8) 假設(shè)沒有積累的任意一幀圖像的信噪比為SNR0 ，則有SNR0 = U2s / U2n，因此 SNR=m SNR0 (12-9)(2) 目標(biāo)圖像是運(yùn)動的 此時相關(guān)系數(shù)Cij在0 1 之間取值。由式（12-5）可知，積累后的信號值將小于靜止目標(biāo)的積累值，積累后的信噪比提高也將小于式（12-8）和式（12-9）給出的值。對于緩慢移動和遠(yuǎn)距離移動的目標(biāo)來說，相鄰像元之間也存在有一定的

14、相關(guān)性。多幀積累以后，信噪比的提高也有明顯的效果。MTV 2821CB型面陣CCD攝像機(jī)具有這種多幀積累的功能。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計外圍驅(qū)動電路，使其可以積累16幀或32幀圖像信號。在這種情況下其微光特性是非?？捎^的，它的最低工作照度可以向下延伸到10-6lx。而且它的信噪比和分辨率往往高于EB型或級聯(lián)型CCD攝像器件。但它的響應(yīng)速度低，限制了它的應(yīng)用范圍。 思考題與習(xí)題 11 11.11 已知RL2048DKQ(2613m2)在250350nm波段的光照靈敏度為4.5V/Jcm-2，今用RL2048DK為光電探測器，采用16位的A/D數(shù)據(jù)采集卡（ADS8322轉(zhuǎn)換器件，基準(zhǔn)電壓為2.5V，滿量程輸

15、入電壓為5V）對被測光譜進(jìn)行探測，探測到一條譜線的幅度為12 500，譜線的中心位置為1042像元上，設(shè)RL2048DK的光積分時間為0.2S，測譜儀已被2條已知譜線標(biāo)定，一條譜線為260nm譜線中心位置在450像元；另一條譜線為340nm譜線中心位置在1 550像元。試計算該光譜的輻射出射度和光譜輻射能量各為多少？12.2 紅外CCD圖像傳感器 紅外電視攝像系統(tǒng)常分為主動紅外電視攝像系統(tǒng)與被動紅外電視攝像系統(tǒng)兩種。 主動紅外電視攝像系統(tǒng)由紅外照明光源，紅外攝像器件、攝像機(jī)及光源控制器、監(jiān)示器等幾部分組成，工作原理如圖12-11 所示。 主動紅外攝像機(jī)的兩大關(guān)鍵部分是紅外光源與紅外攝像器件。

16、1. 紅外光源 紅外光源是紅外攝像的關(guān)鍵之一。紅外光源輸出的波長及能量關(guān)系到紅外攝像質(zhì)量的好壞和作用距離的遠(yuǎn)近。目前常用的紅外光源有二種。一種是白熾燈用紅外濾光的辦法產(chǎn)生紅外光源，這種光源的缺點是利用效率低，且有紅光暴露的問題，尤其是大功率光源或近距離觀察時更為明顯，因而用得不是很多。另一種是使用半導(dǎo)體砷化鎵光源或半導(dǎo)體激光器，其峰值波長為0.93m或 0.86m左右，帶寬約2 000nm，單個發(fā)光元最大輸出可達(dá) 500 mW左右。這種光源體積小、重量輕、電源簡單、效率高，可以實現(xiàn)中距離（100m內(nèi)）的紅外照明。對于近距離（20m以內(nèi)）的照明，也有用小功率GaAs發(fā)光二極管陣列制作的。 2.

17、紅外攝像器件 要實現(xiàn)紅外攝像，必須選用對紅外敏感的攝像器件，如對近紅外敏感的有硅靶攝像管、CCD攝像器件、PbO-PbS復(fù)合靶近紅外攝像管等。由于PbO-PbS靈敏度低、慣性大、抗灼傷能力差等原因，所以用得較少。硅靶攝像管與CCD器件均是用硅材料制作的，兩者的性能接近。但由于CCD較之硅靶管體積小、重量輕、功耗低、壽命長，以及其他一些優(yōu)點，所以在絕大多數(shù)領(lǐng)域內(nèi)硅靶管已被CCD圖像傳感器所代替。3. 紅外變相管 紅外變相管是一種把不可見的紅外圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像的光電成像器件。它同時具有像增強(qiáng)的作用。 表12-7所示為紅外變相管的基本性能參數(shù)。 表12-7紅外變相管性能參數(shù)管型代號1BH-1BH

18、-2類別單級管單級管串聯(lián)管光電陰極陰極類型Si(Ag-O-Cs)S1S1有效直徑25mm16mm14mm紅外線靈敏度5A5A5A中心放大率0.6211.2中心分光率25lp/mm28lp/mm17lp/mm熒光屏發(fā)光光譜黃綠色黃綠色黃綠色有效直徑27mm16mm16.8mm工作電壓18kV15kV215kV總長74.5mm75.6mm150mm主動式紅外電視系統(tǒng)也可以獲得清晰的圖像。用面陣紅外光源可以實現(xiàn)大范圍的監(jiān)視。加之近紅外攝像機(jī)體積小、成本低，因此紅外線攝像系統(tǒng)有著廣泛的用途。 12.2.2 被動紅外電視攝像系統(tǒng) 被動紅外電視攝像系統(tǒng)不需要紅外照明，是依靠目標(biāo)本身發(fā)出的紅外輻射實現(xiàn)攝像的系統(tǒng)，大家熟知的有光機(jī)掃描熱攝像機(jī)和熱釋電攝像機(jī)兩種。由于光機(jī)掃描熱攝像機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要低溫制冷（77K），成本過高，所以應(yīng)用受到很大限制，國內(nèi)還處在研制階段。熱釋電攝像機(jī)不需要低溫制冷，可對3 5m和8 14m光譜范圍的熱目標(biāo)進(jìn)行成像，但分辨率不高