光电传感器应用技术第12章课件.ppt

1、12.1 微光图像传感器微光图像传感器 20世纪60年代初发展起来的微光夜视技术就已经出现了微光图像传感器。其中微光CCD图像传感器是目前应用最为广泛、最有前途的微光夜视图像传感器件。本节主要介绍CCD微光夜视图像传感器的基本工作原理、基本结构、特性和应用等问题。12.1.1微光图像传感器的发展概况微光图像传感器的发展概况 将像增强器与真空电子束摄像管有机地组合在一起，研制出第一代的微光图像传感器，又称为微光电视摄像管。微光电视摄像管与直视夜视仪相比具有如下的特点：（1）便于利用图像处理技术，提高显示图像的品质；（2）可以实现图像的远距离传输或远距离遥控摄像；（3）便于和光电自动控制系统构成电

2、视跟踪装置，直接用于武器制导、指挥射击等领域，并具有较强的抗干扰能力和快速反应的特点；（4）能够供更多的人在更为广泛的场所同时观察；（5）可以录像并长期保存。虽然微光电视摄像管在体积、重量、能耗、成本、使用维护等方面不如直视夜视仪，但由于上述五个方面的优点，使它愈来愈受到重视，并被广泛地用于国防、公安、医学影像和天文观测等方面。表表12-1 几种型号的微光电视摄像系统几种型号的微光电视摄像系统型号摄像器件整机性能应用场所生产厂商Nv-10040/25增强器+25mmSEC物镜f=735mm 光圈F1.016.0,视场18（垂直）24（水平）光谱范围650850nm电源28V,3.5A 尺寸20

3、3838,重量35kg直升机美国光电公司ASD3000系列SIT分辨率650电视线（水平），电源1831V,3550W体积62508250mm3，重量59kg夜间监视侦察和武器发射美国无线电公司UVR-700三级25mmML8587+光导管观察距离5 000m（1/4月下发现）1 500m（1/4月下识别）电源28V,3A，体积460590510mm3 重量15.4kg飞升机昼夜监视及投放武器美国通用电器公司V0084SIT物镜f=276mm光圈F2.35视场2.662 电源2228V,4.5A自动灵敏度控制范围1107分辨率440490电视线（中心）S/N32dB火控系统夜视英国马可尼公司V

4、3341/V3344SIT物镜f=276mm光圈F2.35视场2.662 典型灵敏度3.310-4lx分辨率500电视线 S/N32dB海军火控系统英国马可尼公司TMV562A25mmSIT物镜f=210mm 视场45.5 重量20kg照度范围110-4110-3（夜间）102103（白天加滤光镜）电源24V,100W 尺寸700340240mm3坦克、装甲车（法）汤姆逊PZB2001-EBS物镜有效直径200 视场4.5,调焦范围5060 mm分辨率600电视最低照度110-4 lx电源24V,40W 重量1.85kg坦克、装甲车观察、瞄准德国德律风根公司P436125mmSIT视频带宽9M

5、Hz 尺寸260568视场3.05(16mm增强器)4.77(25mm增强器)电源24V,重量23kg昼夜监视意大利7411SITRCA4848/H灵敏度810-5 lx 极限分辨率750电视线视频带宽15MHz（+3 dB）S/N35 dB电源12 V或28V,直流1A尺寸12013037mm3 重量6kg火控系统监视丹麦召根安德逊公司 目前，已有两种微光CCD摄像管，即增强型（I-CCD）和累积型TDI-CCD摄像管。它们的最低光照度已达到10 lx，分辨率优于510TVL。例如，德国 SIM安全与电子系统公司推出的 SIM-CCD在10 lx下工作，具有很宽动态范围，可以在 10 10

6、lx照度范围内工作。该机由CCD和微通道板像增强器构成，分辨率高达510 TVL。美国加利福尼亚州 Xybion电子系统公司新近推出了TDI-CCD微光摄像机，采用砷化镓像增强器，可以工作在低于10 lx的照度下。德国BM光谱公司研制的制冷温度在75150的低温下，微光特性可以高达10 lx。-6-8-5-11-6-612.1.2微光电视摄像系统微光电视摄像系统1.对微光电视摄像系统的要求对微光电视摄像系统的要求 微光电视摄像系统在军事上一般都装备在装甲车、军舰、飞机和导弹等兵器上，使用条件都比较恶劣，给微光电视摄像系统的设计带来了一系列的特殊要求。又由于它的输出信号常利用广播电视的传播途径传

7、播，因此它在工作原理、制式、技术参数上又经常与广播电视兼容。(1)光照灵敏度 020V4MfDE(12-1)(2)分辨率 CCD的水平分辨率可达到500 TVL，而组合起来的CCD微光摄像系统的水平分辨率一般可以做到400TVL以上。(3)动态范围 动态范围指保证图像质量所需景物的最高照度和最低照度之比。对微光电视摄像系统，要求具有全天候工作能力，既可以在夜间无星或月光下（景物照度10 lx）使用，又可以在太阳光下（景物照度10 lx）工作，动态范围高达10 。要满足如此大的动态范围，若不采用必要的自动调节系统，只靠改变光圈的办法是不行的。微光CCD摄像系统可以通过改变CCD的积分时间（具有5

8、 000倍的调节能力）和改变光圈面积的办法来实现。-5510(4)灰度 把图像亮度从最亮到最暗分成10个亮度等级，该亮度等级称为灰度。由实践得知，若灰度等级不劣于6级，图像层次已较清楚。微光CCD摄像系统中，CCD自身的灰度比较高，有256个等级，但光电阴极和显示器的亮度等级较低。(5)对比度 对比度指图像最明处与最暗处的亮度差与最大亮度之比，常以百分比表示（）。最大的对比度是100，但，只有在实验室才能做到。实际观察条件下，一般只有1030。对比度高，图像效果太硬，过渡区过于明显，图像的观看效果会很不舒适。对比度太低，图像灰蒙蒙地也不舒适。对比度在30左右观看时，图像的效果才为最佳。(6)非

9、线性失真 非线性失真指景物经过微光电视摄像系统后所生成图像产生的畸变，以非线性失真系数表示。一般规定为行非线性失真系数小于等于17、场非线性失真系数小于等于12时，即可使人眼觉察不到失真。(7)信噪比（S/N）信噪比指微光摄像系统输出的视频信号功率与噪声功率之比，常用分贝数表示。电视系统的信噪比与图像质量之间的关系参见表12-2。表表12-2微光电视系统的信噪比与图像质量的关系微光电视系统的信噪比与图像质量的关系 质量等级信噪比（S/N）（dB）对图像清晰度的影响12345676050403020100完全看不到噪声干扰稍微能看到一点干扰能看清噪声和干扰，但对图像清晰度几乎无影响对图像有影响但

10、不妨碍收看对收看稍有妨碍对收看有明显妨碍妨碍严重，图像不能成形2.对光学成像物镜的要求对光学成像物镜的要求（1）视场 视场指微光电视摄像系统所能摄取图像的空间范围。一般取决于摄影物镜的视场角。通常要求它的观察范围应达到几度到十几度。（2）相对孔径（D/f）相对孔径指摄影物镜的有效通光孔径 D与焦距f之比。在物镜上所标的光圈指数值F为相对孔径的倒数。F值越小说明其相对孔径越大，镜头的分辨率越高。目前使用的微光摄影物镜的相对孔径为D/f=1/7.7。（3）分辨率与调制传递函数（MTF）摄像物镜的分辨率指焦平面上1mm的范围内所能分辨的明、暗线的条数（lp/mm）。（4）透射比0透射比定义为通过微光

11、电视系统的光学系统出射光通量与入射光通量之比。一般要求 70。（5）T值 T值是综合考虑物镜的相对孔径（D/f）和透射比指标的一个参数。定义T=D/f。一般要求T2.0。3.对使用环境的要求对使用环境的要求 一般军事装备对使用环境的要求都很苛刻。设计时必须考虑仪器能够在高温、低温、震动、冲击和淋雨等五种环境下工作。在特殊情况下使用还要附加其他条件的要求。4.对电源的要求对电源的要求 对微光摄像所用的电源，应尽量和其他装备所配备的电源相一致，这样可使电源简化，也可以避免相互之间的干扰。5.对体积、重量和工作寿命等的要求对体积、重量和工作寿命等的要求 原则上要求尽量做到体积小、重量轻、工作寿命长。

12、若用在航天、航空装备中，则要求更为严格。12.1.4微光微光CCD摄像器件摄像器件3.像增强器与像增强器与CCD的耦合的耦合4.多帧积累型微光多帧积累型微光CCD图像传感器图像传感器现代通用的CCD电视摄像机，归纳起来主要有以下四种噪声：（1）信号中的散粒噪声；（2）放大器的噪声；（3）暗电流的散粒噪声；（4）暗电流的不均匀性引起的固有噪声（FPN）。其中前三种均为随机噪声，而FPN噪声远小于随机噪声。通过对CCD器件进行冷却，可以有效地抑制FPN噪声，同时对随机噪声也有一定的抑制作用。但是，抑制随机噪声最直接、最简单也是最有效的方法是采用信号积分的方法。对于图像来说，就是用图像信号进行多帧累

13、积的方法。mimijiijimiiUUCUUP112212(12-5)1ijm i=1，2，m 其中，Cij为各电压之间的相关系数，0 Cij1。由于信号中的随机噪声Un是不相关的，服从泊松分布，因此噪声之间的相关系数 Cij=0。m帧图像积累以后，每个像元的噪声功率为 miimimUUN12n21(12-6)对于图像信号来说，假设摄像扫描系统在空间的扫描位置不变，则有如下两种情况：(1)目标图像是静止的2s22s21sUmmUUSmii(12-7)2n2s2n2s2SNRUUmmU/UmN/S(12-8)假设没有积累的任意一帧图像的信噪比为SNR0，则有SNR0=U2s/U2n，因此 SNR

14、=m SNR0 (12-9)(2)目标图像是运动的 此时相关系数Cij在0 1 之间取值。由式（12-5）可知，积累后的信号值将小于静止目标的积累值，积累后的信噪比提高也将小于式（12-8）和式（12-9）给出的值。对于缓慢移动和远距离移动的目标来说，相邻像元之间也存在有一定的相关性。多帧积累以后，信噪比的提高也有明显的效果。MTV 2821CB型面阵CCD摄像机具有这种多帧积累的功能。通过适当地设计外围驱动电路，使其可以积累16帧或32帧图像信号。在这种情况下其微光特性是非常可观的，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型或级联型CCD摄像器件。但它的

15、响应速度低，限制了它的应用范围。思考题与习题 11 11.11 已知RL2048DKQ(2613m2)在250350nm波段的光照灵敏度为4.5V/Jcm-2，今用RL2048DK为光电探测器，采用16位的A/D数据采集卡（ADS8322转换器件，基准电压为2.5V，满量程输入电压为5V）对被测光谱进行探测，探测到一条谱线的幅度为12 500，谱线的中心位置为1042像元上，设RL2048DK的光积分时间为0.2S，测谱仪已被2条已知谱线标定，一条谱线为260nm谱线中心位置在450像元；另一条谱线为340nm谱线中心位置在1 550像元。试计算该光谱的辐射出射度和光谱辐射能量各为多少？12.

16、2 红外红外CCD图像传感器图像传感器 红外电视摄像系统常分为主动红外电视摄像系统与被动红外电视摄像系统两种。主动红外电视摄像系统由红外照明光源，红外摄像器件、摄像机及光源控制器、监示器等几部分组成，工作原理如图12-11 所示。主动红外摄像机的两大关键部分是红外光源与红外摄像器件。1.红外光源红外光源 红外光源是红外摄像的关键之一。红外光源输出的波长及能量关系到红外摄像质量的好坏和作用距离的远近。目前常用的红外光源有二种。一种是白炽灯用红外滤光的办法产生红外光源，这种光源的缺点是利用效率低，且有红光暴露的问题，尤其是大功率光源或近距离观察时更为明显，因而用得不是很多。另一种是使用半导体砷化镓

17、光源或半导体激光器，其峰值波长为0.93m或 0.86m左右，带宽约2 000nm，单个发光元最大输出可达 500 mW左右。这种光源体积小、重量轻、电源简单、效率高，可以实现中距离（100m内）的红外照明。对于近距离（20m以内）的照明，也有用小功率GaAs发光二极管阵列制作的。2.红外摄像器件红外摄像器件 要实现红外摄像，必须选用对红外敏感的摄像器件，如对近红外敏感的有硅靶摄像管、CCD摄像器件、PbO-PbS复合靶近红外摄像管等。由于PbO-PbS灵敏度低、惯性大、抗灼伤能力差等原因，所以用得较少。硅靶摄像管与CCD器件均是用硅材料制作的，两者的性能接近。但由于CCD较之硅靶管体积小、重

18、量轻、功耗低、寿命长，以及其他一些优点，所以在绝大多数领域内硅靶管已被CCD图像传感器所代替。3.红外变相管红外变相管 红外变相管是一种把不可见的红外图像转换成可见光图像的光电成像器件。它同时具有像增强的作用。表12-7所示为红外变相管的基本性能参数。表表12-7红外变相管性能参数红外变相管性能参数管型代号1BH-1BH-2类别单级管单级管串联管光电阴极阴极类型Si(Ag-O-Cs)S1S1有效直径25mm16mm14mm红外线灵敏度5A5A5A中心放大率0.6211.2中心分光率25lp/mm28lp/mm17lp/mm荧光屏发光光谱黄绿色黄绿色黄绿色有效直径27mm16mm16.8mm工作

19、电压18kV15kV215kV总长74.5mm75.6mm150mm主动式红外电视系统也可以获得清晰的图像。用面阵红外光源可以实现大范围的监视。加之近红外摄像机体积小、成本低，因此红外线摄像系统有着广泛的用途。12.2.2 被动红外电视摄像系统被动红外电视摄像系统 被动红外电视摄像系统不需要红外照明，是依靠目标本身发出的红外辐射实现摄像的系统，大家熟知的有光机扫描热摄像机和热释电摄像机两种。由于光机扫描热摄像机结构复杂,需要低温制冷（77K），成本过高，所以应用受到很大限制，国内还处在研制阶段。热释电摄像机不需要低温制冷，可对3 5m和8 14m光谱范围的热目标进行成像，但分辨率不高，成像不够清晰，所以应用受到限制。热像仪及热释电红外摄像机已在第3章讲述，这里不再重复。思考题与习题思考题与习题12 12.1 采用哪几种方法能够获得微光条件下的图像？有几种增强微光图像亮度的方法？微光像增强器能否直接与CCD图像传感器相级联？怎样级联？12.2 你能说出微光电视摄像的视距观测条件吗？采用什么方法能够提高微光电视摄像的视距观测条件？12.3 何谓主动红外摄像系统与被动红外摄像系统？战场上允许采用主动红外摄像系统吗？你能列举出几种红外光源吗？敌方坦克的发动机能算是红外光源吗？12.4为什么被动式红外摄像机要比普通的可见光电视摄像机的视距远？抗霾和烟雾的散射能力强？