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第六章第六章 直视型光电成像系统与特性分析直视型光电成像系统与特性分析9/19/20241§6直视型光电成像系统与特性分析直视型光电成像系统与特性分析 直视型光电成像器件也称作直视型光电成像器件也称作像管像管，器件本，器件本身具有图像转换、图像增强及显示功能身具有图像转换、图像增强及显示功能 随着技术的发展，器件朝着小型化、集成随着技术的发展，器件朝着小型化、集成化方向发展，直视型光电成像器件与电视型光化方向发展，直视型光电成像器件与电视型光电成像器件的区别逐步淡化，甚至难以区别，电成像器件的区别逐步淡化，甚至难以区别，本章本章主要讲授直视型夜视光电成像系统主要讲授直视型夜视光电成像系统9/19/20242一、直视型主动红外成像系统一、直视型主动红外成像系统§6.1 直视型光电成像系统的原理直视型光电成像系统的原理 直视型主动红外成像系统的主要部件：直视型主动红外成像系统的主要部件： 红外照明光源、物镜、红外变像管红外照明光源、物镜、红外变像管/具有近红外具有近红外延伸的像增强器、目镜延伸的像增强器、目镜发射发射→大气传输大气传输→反射反射→大大气传输气传输→接收接收→光电转换光电转换→图像增强图像增强→可见光图像显可见光图像显示示 直视型主动红外成像系统的主要应用：直视型主动红外成像系统的主要应用： 公安、工业监测、医学、科学研究；另外，像管公安、工业监测、医学、科学研究；另外，像管的选通技术的发展促进了其在军事领域的重要应用，的选通技术的发展促进了其在军事领域的重要应用，比如巡航导弹的导航等。

比如巡航导弹的导航等 直视型主动红外成像系统的工作波段：直视型主动红外成像系统的工作波段： 9/19/20243§6.1 直视型光电成像系统的原理直视型光电成像系统的原理 电子光学系统：电子光学系统：图像增强、加速聚焦图像增强、加速聚焦人眼人眼9/19/20244 主动红外成像系统工作在近红外波段的特点：主动红外成像系统工作在近红外波段的特点：§6.1 直视型光电成像系统的原理直视型光电成像系统的原理 Ø充分利用充分利用(军事军事)目标和自然界景物之间反射能力的目标和自然界景物之间反射能力的显著差异图显著差异图6-2的典型目标反射光谱曲线，利用反的典型目标反射光谱曲线，利用反射光谱曲线在某一波段的差异获得高对比度的目标与射光谱曲线在某一波段的差异获得高对比度的目标与背景细节背景细节识别伪装识别伪装)Ø近红外辐射比可见光受大气散射的影响小，具有较近红外辐射比可见光受大气散射的影响小，具有较高的大气透射比恶劣天气情况除外高的大气透射比恶劣天气情况除外Ø主动成像系统工作不受环境照明的影响，可在主动成像系统工作不受环境照明的影响，可在“全全黑黑”条件下工作，并且可利用窄光束照明，从而使得条件下工作，并且可利用窄光束照明，从而使得目标与背景的反差增大，获得较为清晰的图像。

目标与背景的反差增大，获得较为清晰的图像9/19/20245§6.1 直视型光电成像系统的原理直视型光电成像系统的原理 Ø红外照明光源带来的致命弱点：容易暴露自己主红外照明光源带来的致命弱点：容易暴露自己主动红外向被动红外发展；夜视成像向近红外拓展动红外向被动红外发展；夜视成像向近红外拓展Ø选通技术的应用，减少了传输介质的后向散射对成选通技术的应用，减少了传输介质的后向散射对成像系统的影响，促使其在军事及其他领域的应用像系统的影响，促使其在军事及其他领域的应用二、直视型（被动）微光成像系统二、直视型（被动）微光成像系统 直视型微光成像系统的主要部件：直视型微光成像系统的主要部件： 微光物镜、像管、目镜，图微光物镜、像管、目镜，图6-3反射、大气传反射、大气传输输→接收接收→光电转换光电转换→图像增强图像增强→可见光图像显示可见光图像显示 直视型微光成像系统的主要应用：直视型微光成像系统的主要应用： 军事军事、天文、公安、安防、生物医学、科学研究天文、公安、安防、生物医学、科学研究9/19/20246§6.1 直视型光电成像系统的原理直视型光电成像系统的原理 直视型微光成像系统的工作波段：直视型微光成像系统的工作波段： 可见光波段、有可见光波段、有一定的近红外一定的近红外或或紫外紫外光谱响应，光谱响应，但是通常情况下不选择红外但是通常情况下不选择红外/紫外变像管。

紫外变像管 直视型微光成像系统工作的特点：直视型微光成像系统工作的特点：Ø被动式工作，靠自然光照明景物，隐蔽性好，但是被动式工作，靠自然光照明景物，隐蔽性好，但是目标与景物之间反差小，图像较平淡，层次不够分明目标与景物之间反差小，图像较平淡，层次不够分明Ø系统受自然照度和大气透明度影响较大，尤其是在系统受自然照度和大气透明度影响较大，尤其是在浓云和地面烟雾较浓的情况下，景物照度和对比度会浓云和地面烟雾较浓的情况下，景物照度和对比度会明显下降明显下降9/19/20247§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 一、夜视成像系统的光学系统一、夜视成像系统的光学系统电子光学系统：电子光学系统：图像增强、加速聚焦图像增强、加速聚焦光阴极光阴极显示屏显示屏物镜：物镜：把目标场景成像于光阴极上把目标场景成像于光阴极上目镜：目镜：人眼通过目镜观察显示人眼通过目镜观察显示屏上的可见光图像屏上的可见光图像 光学系统光学系统是夜视成像系统的重要组成部分，对系是夜视成像系统的重要组成部分，对系统性能有很大的影响统性能有很大的影响9/19/20248§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 夜视光电成像系统的种类：夜视光电成像系统的种类： 微光夜视系统微光夜视系统（微光成像物镜）、（微光成像物镜）、主动红外夜视主动红外夜视成像系统成像系统和热成像系统（红外成像物镜）。

和热成像系统（红外成像物镜）1. 夜视成像物镜夜视成像物镜(1) 夜视系统对物镜的基本要求夜视系统对物镜的基本要求a. 大的通光口径和相对孔径大的通光口径和相对孔径 景物的辐射噪声影响微光成像系统的视见能力景物的辐射噪声影响微光成像系统的视见能力由第三章由第三章“成像系统像平面的辐照度成像系统像平面的辐照度”可知，夜视系可知，夜视系统的光学系统是低信噪比系统，需要统的光学系统是低信噪比系统，需要加大相对孔径加大相对孔径以以最大限度地接收来自目标的辐射，最大限度地接收来自目标的辐射，提高光阴极的照度提高光阴极的照度和和系统的信噪比系统的信噪比9/19/20249§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 9/19/202410§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 b. 小的渐晕小的渐晕 斜光束照射时，渐晕导致像面（光阴极）边缘相对斜光束照射时，渐晕导致像面（光阴极）边缘相对于中心的照度会下降，光阴极上照度的不均匀将于中心的照度会下降，光阴极上照度的不均匀将造成荧造成荧光屏上图像亮度不均匀光屏上图像亮度不均匀，，边缘的像质变坏边缘的像质变坏，尤其是低信，尤其是低信噪比的夜视微光系统。

噪比的夜视微光系统c. 宽光谱范围的色差校正宽光谱范围的色差校正 不同种类的成像系统在不同的光谱范围进行校正色不同种类的成像系统在不同的光谱范围进行校正色差微光：；主动：；热成像：差微光：；主动：；热成像：1.5~14））d. 物镜在低频情况下具有好的调制传递特性物镜在低频情况下具有好的调制传递特性 微光成像系统是低通滤波器由绪论部分的知识可微光成像系统是低通滤波器由绪论部分的知识可知：复合成像系统的调制传递函数为各环节调制传递函知：复合成像系统的调制传递函数为各环节调制传递函数的乘积数的乘积9/19/202411§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 e. 最大限度地消除杂散光最大限度地消除杂散光 杂散光对低信噪比的夜视系统影响较明显，必须杂散光对低信噪比的夜视系统影响较明显，必须减小成像光学系统的杂散光减小成像光学系统的杂散光以减小夜视系统像质的变以减小夜视系统像质的变坏f. 同时考虑聚光系统和扫描系统（对红外光学系统）同时考虑聚光系统和扫描系统（对红外光学系统） 平行光束扫描时，要求光学系统的出射光束仍为平行光束扫描时，要求光学系统的出射光束仍为平行光束；扫描系统处于平行光束；扫描系统处于会聚光束中扫描会聚光束中扫描时将导致扫时将导致扫描散焦，要求设计红外物镜时加以校正以减小扫描散描散焦，要求设计红外物镜时加以校正以减小扫描散焦。

焦g. 尽可能减小被动红外系统中冷反射所产生的图像尽可能减小被动红外系统中冷反射所产生的图像缺陷红外热成像系统红外热成像系统的重要指标）的重要指标）9/19/202412§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 (2) 成像物镜的基本类型成像物镜的基本类型成像物镜有三类：折射系统、反射系统和折反射系统成像物镜有三类：折射系统、反射系统和折反射系统.a. 折射系统折射系统 折射物镜较易校正像差，可获得较大视场，结构简单，装调方折射物镜较易校正像差，可获得较大视场，结构简单，装调方便双高斯物镜双高斯物镜、、匹兹伐物镜匹兹伐物镜，以及它们的改进型以及它们的改进型双高斯物镜：双高斯物镜：利用厚透镜校正像面弯利用厚透镜校正像面弯曲应用于较大视场曲应用于较大视场(40~50o)的场合的场合该物镜结构完全对称于光栏，垂轴像该物镜结构完全对称于光栏，垂轴像差可以自动消除其半部由差可以自动消除其半部由弯月形厚弯月形厚透镜透镜和正和正光焦度的双胶合透镜光焦度的双胶合透镜，厚透，厚透镜用于校正初级场曲系数镜用于校正初级场曲系数SⅣⅣ，双胶合，双胶合透镜的弯月用于校正初级球差系数透镜的弯月用于校正初级球差系数SⅠⅠ，两个半部之间的间距用于校正初级，两个半部之间的间距用于校正初级彗差系数彗差系数SⅡⅡ，双胶合用于校正初级轴，双胶合用于校正初级轴向色差向色差CⅠⅠ。

9/19/202413§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 匹兹伐物镜匹兹伐物镜的基本结构由两个的基本结构由两个正透镜组构成，球差和彗差校正透镜组构成，球差和彗差校正较好，但视场较大时场曲变正较好，但视场较大时场曲变大适用于大适用于大孔径和较小视场大孔径和较小视场的场合 红外材料折射率高但反射损失大，在满足需要的条红外材料折射率高但反射损失大，在满足需要的条件下尽可能减少透镜片数，甚至采用单片透镜（像质允件下尽可能减少透镜片数，甚至采用单片透镜（像质允许下）或组合透镜（消除球差和色差）许下）或组合透镜（消除球差和色差） 采用采用非球面光学非球面光学和和衍射光学元件衍射光学元件(衍射光学与微电子衍射光学与微电子技术相互渗透，基于计算机辅助设计和微米级加工技术技术相互渗透，基于计算机辅助设计和微米级加工技术制成的平面浮雕型光学器件制成的平面浮雕型光学器件)提高系统的成像性能和减小提高系统的成像性能和减小镜片数量与体积微型化、集成化镜片数量与体积微型化、集成化 折射物镜系统多用于折射物镜系统多用于短焦距短焦距(≤75mm)和和短焦距大视短焦距大视场场的情况。

的情况9/19/202414§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 b. 反射系统反射系统 反射物镜可做成大口径、长焦距，且取材容易，反射物镜可做成大口径、长焦距，且取材容易，可用金属材料，也可用普通玻璃镀金属膜或介质膜；可用金属材料，也可用普通玻璃镀金属膜或介质膜；另外，反射物镜的光能损失小，不存在透射损失，另外，反射物镜的光能损失小，不存在透射损失，不不产生色差产生色差 反射物镜多采用双反射镜，少采用单反射镜，常用的反射物镜多采用双反射镜，少采用单反射镜，常用的双反射镜有：牛顿系统、卡赛格林系统和格里高里系统双反射镜有：牛顿系统、卡赛格林系统和格里高里系统抛物面反射镜抛物面反射镜牛顿系统牛顿系统由由抛物面主镜抛物面主镜和位于和位于主镜焦点附近的主镜焦点附近的平面次镜平面次镜组成，组成，抛物面反射镜决定了轴上无穷抛物面反射镜决定了轴上无穷远点无像差，常用于远点无像差，常用于像质要求像质要求高的小视场红外系统高的小视场红外系统，特点是，特点是镜筒长、质量大镜筒长、质量大9/19/202415§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 卡赛格林系统卡赛格林系统由由抛物面主镜抛物面主镜和位于主镜焦点附近和位于主镜焦点附近的的双曲面次镜双曲面次镜组成。

双曲面镜的虚焦点与抛物面主镜组成双曲面镜的虚焦点与抛物面主镜的焦点重合，系统无穷远轴上点无像差主镜和次镜的焦点重合，系统无穷远轴上点无像差主镜和次镜的场曲异号，对整个场曲有一定的校正作用，但是彗的场曲异号，对整个场曲有一定的校正作用，但是彗差和场曲严重，限制了它的视场差和场曲严重，限制了它的视场主镜中央留有小孔主镜中央留有小孔特点是焦距长、镜筒短、结构紧凑，轴上点分辨率高特点是焦距长、镜筒短、结构紧凑，轴上点分辨率高抛物面反射镜抛物面反射镜双曲面镜双曲面镜9/19/202416§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 格里高里系统格里高里系统由由抛物面主镜抛物面主镜和和椭球面次镜椭球面次镜组成抛物组成抛物面主镜的焦点与椭球面的一个焦点重合，轴上点也没有像面主镜的焦点与椭球面的一个焦点重合，轴上点也没有像差，但轴外点的彗差和像散严重，且镜筒较长，结构较为差，但轴外点的彗差和像散严重，且镜筒较长，结构较为笨重主镜中央留有小孔主镜中央留有小孔，使光线经主镜和副镜两次反射，使光线经主镜和副镜两次反射后从小孔中射出，到达目镜，从而消除球差和色差后从小孔中射出，到达目镜，从而消除球差和色差。

反射物镜可以使系统获得好的像质，但是需要采反射物镜可以使系统获得好的像质，但是需要采用非球面镜，非球面镜加工、检测较困难，成本高用非球面镜，非球面镜加工、检测较困难，成本高9/19/202417§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 c. 折反射系统折反射系统 折反射系统是对折反射系统是对反射系统的改进，为了少采用非反射系统的改进，为了少采用非球面镜但又可得到好的成像质量，主、次镜都采用球球面镜但又可得到好的成像质量，主、次镜都采用球面镜构成折反射物镜系统面镜构成折反射物镜系统 折反射系统在反射系统中加折射元件折反射系统在反射系统中加折射元件(校正板校正板)，，用于用于校正反射镜引起的像差校正反射镜引起的像差，以改善整个系统的成像，以改善整个系统的成像质量，尤其是质量，尤其是轴外视场的像差轴外视场的像差可实现大口径、长焦可实现大口径、长焦距，常用的有：施密特系统、曼金折反射镜、包沃斯距，常用的有：施密特系统、曼金折反射镜、包沃斯-马克托夫系统、包沃斯马克托夫系统、包沃斯-卡赛格伦系统卡赛格伦系统9/19/202418§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 折反射系统中折射元件的透过率波谱范围有限，通折反射系统中折射元件的透过率波谱范围有限，通常只限于近红外和近紫外的波谱范围使用，而不适于在常只限于近红外和近紫外的波谱范围使用，而不适于在中、远红外、真空紫外和中、远红外、真空紫外和X光波段中使用。

光波段中使用折反射光学系统通常分为两大类：一类是在主反射镜前折反射光学系统通常分为两大类：一类是在主反射镜前加校正元件，如施密特校正板等由于主镜前的折射元加校正元件，如施密特校正板等由于主镜前的折射元件，口径不能做的太大，通常不超过件，口径不能做的太大，通常不超过300mm，属于中小，属于中小尺寸的折反射系统另一类是在主镜之后加折射元件，尺寸的折反射系统另一类是在主镜之后加折射元件，这些折射元件处于会聚光路中，其尺寸比主镜小很多，这些折射元件处于会聚光路中，其尺寸比主镜小很多，可使得这类折反射系统的口径做的很大，可达几米可使得这类折反射系统的口径做的很大，可达几米2. 目镜目镜 像管中，目镜的作用是像管中，目镜的作用是放大放大像管荧光屏或显示屏上像管荧光屏或显示屏上的目标像，使人眼能进行舒适清晰地观察的目标像，使人眼能进行舒适清晰地观察9/19/202419§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 对目镜的要求：对目镜的要求：Ø合适的焦距，决定放大率，通常在合适的焦距，决定放大率，通常在20mm左右；左右；Ø足够的视场（大视场），足够的视场（大视场），30~90°之间；之间；Ø合适的出瞳距离和出瞳直径；夜间人眼的合适的出瞳距离和出瞳直径；夜间人眼的瞳孔直径瞳孔直径约约5~8mm，，出瞳距离出瞳距离约约12~15mm，炮、车，炮、车25~50mm。

Ø适当的前节距（目镜前表面和前焦点之距），以保证工适当的前节距（目镜前表面和前焦点之距），以保证工作时的适度调整作时的适度调整Ø像差校正：大视场，轴外像差；大口径，球差和彗差像差校正：大视场，轴外像差；大口径，球差和彗差常用的目镜：常用的目镜：图图6-16 人眼通过目镜观察荧光屏，通常认为可分辨目标的人眼通过目镜观察荧光屏，通常认为可分辨目标的最小角度约最小角度约6’9/19/202420 夜空自然微光照射目标，经目标反射的微光辐夜空自然微光照射目标，经目标反射的微光辐射进入光学系统物镜，射进入光学系统物镜，物镜组物镜组把目标成像于焦平面把目标成像于焦平面的像增强器光阴极面上，像增强器对目标像进行的像增强器光阴极面上，像增强器对目标像进行光光电转换电转换、、光电子成像光电子成像和和亮度增强亮度增强，，显示于荧光屏显示于荧光屏 由于工作时只靠夜天光照明而受自然照度和大气由于工作时只靠夜天光照明而受自然照度和大气透明度影响大，图像平淡而层次不够分明透明度影响大，图像平淡而层次不够分明§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 二、微光夜视成像系统二、微光夜视成像系统不用人工照明是其不用人工照明是其最主要的优点最主要的优点，不易暴露目标。

不易暴露目标9/19/202421直视微光夜视系统直视微光夜视系统目标目标目镜目镜系统系统人眼人眼像增强器像增强器高压电源高压电源物镜系统物镜系统核心器件：把微核心器件：把微弱的光图像增强弱的光图像增强到足够的亮度，到足够的亮度，以便人眼进行观以便人眼进行观察察§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 光学系统（物镜组、目镜组）；光学系统（物镜组、目镜组）；像增强器；像增强器；高压电源高压电源9/19/202422⑤ ⑤ 图像传递信噪比高图像传递信噪比高夜视光电成像系统的技术要求：夜视光电成像系统的技术要求：① ① 足够的亮度增益；足够的亮度增益；② ② 低背景噪声；低背景噪声；③ ③ 高响应度高响应度④ ④ 好的调制传递特性好的调制传递特性⑥ ⑥ 响应速度快响应速度快§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 9/19/202423 主动式红外成像系统自身带有主动式红外成像系统自身带有红外光源红外光源，是，是根据被成像物体对红外光源的不同反射率，以根据被成像物体对红外光源的不同反射率，以红外红外变像管变像管作为光电成像器件的红外成像系统。

作为光电成像器件的红外成像系统优点：优点：成像清晰、对比度高、不受环境光源影响；成像清晰、对比度高、不受环境光源影响；缺点：缺点：易暴露，不利于军事应用易暴露，不利于军事应用§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 二、主动红外成像的照明系统二、主动红外成像的照明系统主动式红外成像系统结构主动式红外成像系统结构照明系统；照明系统；光学系统（物光学系统（物镜组、目镜组）镜组、目镜组）；；红外变像管；红外变像管；高压电源高压电源9/19/202424§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 二、主动红外成像的照明系统二、主动红外成像的照明系统 红外发射器红外发射器(照明系统照明系统)：是主动红外成像系统的主：是主动红外成像系统的主要组成部分之一，其性能对系统的性能有着重要影响要组成部分之一，其性能对系统的性能有着重要影响系统对红外发射器系统对红外发射器(包含光源、滤光片等包含光源、滤光片等)的要求如下：的要求如下：Ø照明系统的辐射光谱与像管光阴极的光谱响应有效地匹照明系统的辐射光谱与像管光阴极的光谱响应有效地匹配，并在匹配的光谱范围内有高的辐射效率；配，并在匹配的光谱范围内有高的辐射效率；Ø有一定的照射范围，照明系统发出光束的散射角应与成有一定的照射范围，照明系统发出光束的散射角应与成像系统的视场角基本一致，以保证系统观察目标所要求像系统的视场角基本一致，以保证系统观察目标所要求的照明的同时，尽可能减少自身的暴露；的照明的同时，尽可能减少自身的暴露；目镜组目镜组把变像管荧光屏上的把变像管荧光屏上的像放大像放大，便于人眼观察；，便于人眼观察； 与常规光学仪器不同，与常规光学仪器不同，变像管将物镜组和目镜组隔变像管将物镜组和目镜组隔开，使得光学系统的入瞳和出瞳不存在物象共轭关系！开，使得光学系统的入瞳和出瞳不存在物象共轭关系！9/19/202425§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 Ø红光暴露距离短红光暴露距离短; 红光暴露距离红光暴露距离是夜间观察者沿照明系统光轴方是夜间观察者沿照明系统光轴方向由远及近，当人眼刚能发现照明系统透过的红光时，向由远及近，当人眼刚能发现照明系统透过的红光时，观察者与照明系统的距离。

为保证对方不使用同类仪观察者与照明系统的距离为保证对方不使用同类仪器情况下自身的隐蔽性，红光暴露距离尽可能短器情况下自身的隐蔽性，红光暴露距离尽可能短Ø应保证足够的辐射强度，以保证在工作距离内从目应保证足够的辐射强度，以保证在工作距离内从目标反射回来的辐射具有一定的强度标反射回来的辐射具有一定的强度;Ø结构上应保证容易调焦、滤光片和光源更换方便；结构上应保证容易调焦、滤光片和光源更换方便；Ø体积小、质量轻、寿命长、成本低、功耗小、工作体积小、质量轻、寿命长、成本低、功耗小、工作可靠9/19/202426§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 1. 红外光源红外光源(1) 白炽灯白炽灯 利用白炽灯的红外热辐射向目标照明，光电成像利用白炽灯的红外热辐射向目标照明，光电成像系统的光阴极接收反射回来的热辐射系统的光阴极接收反射回来的热辐射0.81.2λ/umP9/19/202427§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 (2) 氙灯氙灯 氙灯氙灯是利用高压惰性气体氙进行放电其光谱在是利用高压惰性气体氙进行放电。

其光谱在近红外光谱区有强辐射谱线，适合于大功率红外探照近红外光谱区有强辐射谱线，适合于大功率红外探照灯，但是需要专门的触发器点燃氙灯灯，但是需要专门的触发器点燃氙灯3) 大功率红外发光二极管大功率红外发光二极管LED 砷化镓或镓铝砷半导体砷化镓或镓铝砷半导体PN结，在正向电压的作结，在正向电压的作用下产生近红外辐射，可以设计不同材料、不同结构用下产生近红外辐射，可以设计不同材料、不同结构的的PN结得到不同中心波长的强红外辐射结得到不同中心波长的强红外辐射 主动红外成像系统的光源大功率红外主动红外成像系统的光源大功率红外LED采用阵采用阵列排布方式，具有发光效率高、寿命长、体积小、质列排布方式，具有发光效率高、寿命长、体积小、质量轻、不需要红外滤光片等优点量轻、不需要红外滤光片等优点9/19/202428§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 (4) 激光二极管（主动选通像管）激光二极管（主动选通像管） 激光二极管激光二极管也是利用半导体材料也是利用半导体材料PN结，在正向结，在正向电压的作用下向外辐射红外光，使用于脉冲工作方式，电压的作用下向外辐射红外光，使用于脉冲工作方式，经常被用作选通像管的脉冲光源。

经常被用作选通像管的脉冲光源2. 红外滤光片红外滤光片 红外滤光片用来滤除光源辐射中的可见光部分，红外滤光片用来滤除光源辐射中的可见光部分，红外主动成像系统对它的主要要求如下：红外主动成像系统对它的主要要求如下：Ø红外波段的光能损失尽量小，其他波段尽可能大甚红外波段的光能损失尽量小，其他波段尽可能大甚至全部吸收或反射；至全部吸收或反射；Ø光谱透射比与光阴极光谱灵敏度曲线红外部分相匹光谱透射比与光阴极光谱灵敏度曲线红外部分相匹配；配；9/19/202429§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 Ø耐光源工作时的高温，其热稳定性好；耐光源工作时的高温，其热稳定性好；Ø防潮性和机械性能好防潮性和机械性能好3. 照明系统的非平面反射镜照明系统的非平面反射镜 非平面反射镜是照明系统的重要组成部分，把焦非平面反射镜是照明系统的重要组成部分，把焦点处的光源发出的一定立体角范围内的光辐射点处的光源发出的一定立体角范围内的光辐射聚焦成聚焦成沿轴向窄发射角出射的光束沿轴向窄发射角出射的光束反射镜由反射镜由镜基镜基（金属或（金属或玻璃材料）和玻璃材料）和镀层镀层（银或铝）组成。

银或铝）组成 非平面反射镜采用球面、抛物面、椭球面或双曲非平面反射镜采用球面、抛物面、椭球面或双曲面，主动红外成像系统中通常采用面，主动红外成像系统中通常采用抛物面反射镜抛物面反射镜9/19/202430§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 抛物面反射镜参数：抛物面反射镜参数：反射镜的光孔：反射镜的光孔：反射镜正面反射镜正面在垂直于光轴平面上的投影在垂直于光轴平面上的投影圆称为反射镜的光孔，其直圆称为反射镜的光孔，其直径径D为反射镜口径为反射镜口径焦点：焦点：平行于反射镜光轴的光线会聚点平行于反射镜光轴的光线会聚点F焦距：焦距：反射镜顶点反射镜顶点O到焦点的距离到焦点的距离镜深：镜深：镜口切平面中心到顶点的距离镜口切平面中心到顶点的距离H包容角：包容角：焦点为顶点，口径焦点为顶点，口径D为底的空间圆锥角为底的空间圆锥角9/19/202431§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 抛物面反射镜的包容角抛物面反射镜的包容角满足如下关系：满足如下关系： 由反射镜参数确定照由反射镜参数确定照明系统的性能参数：明系统的性能参数：(1) 散射角散射角 有一定实际大小的光源放在焦点处，经反射镜反有一定实际大小的光源放在焦点处，经反射镜反射的实际出射光束在一定角度范围内射的实际出射光束在一定角度范围内2α散开，当半散开，当半径径r的球形光源球心与焦点重合时，最大散射角的理的球形光源球心与焦点重合时，最大散射角的理论值为：论值为：9/19/202432§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 (2) 全发光距离（光束形成距离）全发光距离（光束形成距离） 由于有一定实际大小的光源发出的光线经反射镜由于有一定实际大小的光源发出的光线经反射镜反射后在某一散射角反射后在某一散射角2α内散开，使得照明系统的轴内散开，使得照明系统的轴向光强在光轴不同位置的贡献是不一样的，随着远离向光强在光轴不同位置的贡献是不一样的，随着远离光源的距离增加，反射光线对轴上光强的贡献量几乎光源的距离增加，反射光线对轴上光强的贡献量几乎忽略，忽略，光强趋于稳定光强趋于稳定。

镜面顶点镜面顶点O到轴上光强稳定点到轴上光强稳定点K的距离的距离l0称作照明系统的称作照明系统的全发光距离全发光距离9/19/202433§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 (3) 轴向光强轴向光强 轴向光强轴向光强是指在大于全发光距离是指在大于全发光距离l0时的轴向光强，时的轴向光强，其大小为：其大小为： 上式适用于各种光源的计算，对于非球形光源只上式适用于各种光源的计算，对于非球形光源只作为近似估算作为近似估算轴向光强轴向光强只取决于光源亮度只取决于光源亮度L、反射、反射镜的光孔面积镜的光孔面积S和反射比和反射比ρ或者探照灯光能损失或者探照灯光能损失K（（实实际中际中还需考虑光线遮挡部分以及滤光片损失）还需考虑光线遮挡部分以及滤光片损失） 实际中，光强通常采用实际中，光强通常采用照度计照度计（光电池）测得全（光电池）测得全发光距离外的照度，再通过（点源对微面元的照度）发光距离外的照度，再通过（点源对微面元的照度）I=El2计算得到计算得到9/19/202434§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 (4) 光强分布光强分布 光强分布是指光源在散射角内光强随投射方向与光强分布是指光源在散射角内光强随投射方向与光轴夹角的分布，通常是轴向光强最强，随着发散角光轴夹角的分布，通常是轴向光强最强，随着发散角增大而衰减，当光强下降到轴向光强的增大而衰减，当光强下降到轴向光强的10%对应的散对应的散射角表示系统的散射角大小。

射角表示系统的散射角大小三、主动红外成像系统对角放大率的选择三、主动红外成像系统对角放大率的选择9/19/202435§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 1. 角放大率角放大率2. 角放大率与视场角放大率与视场 在目镜选定的情况下，增加放大率必须牺牲物方在目镜选定的情况下，增加放大率必须牺牲物方视场3. 放大率与仪器外形尺寸放大率与仪器外形尺寸 增大放大率意味着增加物镜的焦距增大放大率意味着增加物镜的焦距四、主动红外成像系统对分辨率的选择四、主动红外成像系统对分辨率的选择9/19/202436§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 1. 从人眼观测的角度出发从人眼观测的角度出发仪器分辨角仪器分辨角2. 从光阴极角度出发从光阴极角度出发仪器分辨角仪器分辨角3. 经验公式经验公式 五、像管的小型化直流高压电源（略）五、像管的小型化直流高压电源（略）9/19/202437§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性夜视光电成像系统的主要部件和特性 变像管和像增强器需要很高的能量，该能量由高压电源提变像管和像增强器需要很高的能量，该能量由高压电源提供。

供变像管变像管：万万伏；：万万伏；像增强器：像增强器：几千几千~几万伏主动红外成像系统对高压点源的要求：主动红外成像系统对高压点源的要求：1. 为光电成像器件提供所需的稳定直流高压，使变像管在实际为光电成像器件提供所需的稳定直流高压，使变像管在实际工作情况下保持合适的输出亮度；工作情况下保持合适的输出亮度；2. 性能稳定，在高低温等环境保证系统正常工作；性能稳定，在高低温等环境保证系统正常工作；3. 实现自动亮度控制功能；实现自动亮度控制功能；4. 对选通系统，提供选通周期、脉宽、延时可调的选通电压；对选通系统，提供选通周期、脉宽、延时可调的选通电压；5. 对自动快门，能根据像管电流自动调整工作电压的占空比；对自动快门，能根据像管电流自动调整工作电压的占空比；6. 防潮、防震，体积小，重量轻，耗电少防潮、防震，体积小，重量轻，耗电少9/19/202438§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 直视型夜视成像系统受直视型夜视成像系统受信噪比信噪比和和光学系统性能光学系统性能的限制，总体性能涉及光学系统、像管以及与人眼的限制，总体性能涉及光学系统、像管以及与人眼的匹配等，设计时必须的匹配等，设计时必须寻求各种参数的最佳化寻求各种参数的最佳化。

9/19/202439§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 一、微光成像系统性能的基本极限一、微光成像系统性能的基本极限 直视微光成像系统性能受到直视微光成像系统性能受到光子噪声光子噪声、、系统光系统光学性能学性能和和人眼人眼三个方面的限制，设计或使用时尽可三个方面的限制，设计或使用时尽可能减少这些限制的影响在能减少这些限制的影响在光子噪声和光学分辨力光子噪声和光学分辨力共同限制下共同限制下，理想微光夜视系统的极限分辨角为：，理想微光夜视系统的极限分辨角为：式中，式中，αk是系统受光子噪声限制的极限分辨角，是系统受光子噪声限制的极限分辨角， αt是光学分辨角，是光学分辨角，D是物镜的有效直径，是物镜的有效直径，C是目标对比是目标对比度，度，e是电子电荷，是电子电荷，L0是目标亮度，是目标亮度，τ0是物镜透射比，是物镜透射比，t是系统积累时间，是系统积累时间，s是光阴极的光灵敏度，是光阴极的光灵敏度，m0是光是光阴极面上的极限分辨力，阴极面上的极限分辨力，f0’是物镜焦距是物镜焦距9/19/202440§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 1. 物镜和像增强器参数对系统极限分辨力的影响物镜和像增强器参数对系统极限分辨力的影响参数：参数：物镜焦距、物物镜焦距、物镜口径、光阴极灵敏镜口径、光阴极灵敏度、系统积累时间以度、系统积累时间以及像增强器的极限分及像增强器的极限分辨力。

辨力 图中具体的照度值范围反映出不同条件下对系统图中具体的照度值范围反映出不同条件下对系统性能的影响规律，对不同的系统参数和目标特性可能性能的影响规律，对不同的系统参数和目标特性可能有细微的差别有细微的差别9/19/202441§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 2. 像增强器暗背景噪声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 像增强器存在的噪声（背景亮度）使得像管输出像增强器存在的噪声（背景亮度）使得像管输出的对比度恶化，分辨力下降的对比度恶化，分辨力下降 由于背景亮度的存在，由于背景亮度的存在，目标的总亮度是目标的目标的总亮度是目标的固有亮度和背景亮度之和，此时目标的表观对比度固有亮度和背景亮度之和，此时目标的表观对比度和噪声限制的极限分辨角和噪声限制的极限分辨角αk’分别为：分别为： 由极限分辨角可以看出，当由极限分辨角可以看出，当目标亮度目标亮度L0很高时很高时，，背景噪声的影响很小，背景噪声的影响很小，L0下降时下降时，系统受背景噪声的，系统受背景噪声的影响增加，以至信号被噪声淹没，由第三章知识可知：影响增加，以至信号被噪声淹没，由第三章知识可知：夜视系统应尽可能采用夜视系统应尽可能采用大相对孔径大相对孔径的物镜。

的物镜9/19/202442§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 因此，像增强器的背景噪声使得系统的极限分辨因此，像增强器的背景噪声使得系统的极限分辨角增大，必须尽可能减小像增强器的背景噪声，通常角增大，必须尽可能减小像增强器的背景噪声，通常要求背景噪声（用照度表示），要求背景噪声（用照度表示），RA是物镜相对孔径：是物镜相对孔径： 因此，像增强器存在背景亮度时，系统的极限分因此，像增强器存在背景亮度时，系统的极限分辨角为：辨角为：而无噪声影响时：而无噪声影响时：9/19/202443§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 3. 人眼与像增强器系统的最佳匹配人眼与像增强器系统的最佳匹配 以上以上“物镜和像增强器的参数物镜和像增强器的参数”以及以及“背景亮背景亮度度”两项的讨论忽略了系统极限性能不受人眼视觉两项的讨论忽略了系统极限性能不受人眼视觉的限制，事实上人眼视觉的限制必须考虑，从而获的限制，事实上人眼视觉的限制必须考虑，从而获得像增强器系统与人眼之间的匹配得像增强器系统与人眼之间的匹配。

把整个系统分把整个系统分为两部分为两部分：物镜与像增强器的组合和目镜与人眼的：物镜与像增强器的组合和目镜与人眼的组合；把物镜与像增强器组合的极限分辨特性表示组合；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为像增强器荧光屏目标亮度9/19/202444§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 在物镜光学分辨极限与像增强器组合受光子噪声在物镜光学分辨极限与像增强器组合受光子噪声限制时，限制时，荧光屏上极限分辨力荧光屏上极限分辨力ms为为ms与荧光屏目标像亮度与荧光屏目标像亮度La之间的关系之间的关系 对于目镜与人眼的组合，要对于目镜与人眼的组合，要求在任一目标像亮度下，目镜助求在任一目标像亮度下，目镜助视眼的锐度曲线都应高于物镜像视眼的锐度曲线都应高于物镜像增强器组合的空间分辨力，以使增强器组合的空间分辨力，以使系统性能不受人眼限制因此，系统性能不受人眼限制因此，目镜倍率（目镜倍率（<13×）较小时，要求）较小时，要求像增强器有较高的增益像增强器有较高的增益G9/19/202445§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 二、像管的选择二、像管的选择 像管的选择像管的选择根据实际使用情况或设计用途选取合根据实际使用情况或设计用途选取合适的光阴极、某种技术类型或某种结构的像管。

适的光阴极、某种技术类型或某种结构的像管 选择像管时考虑极限分辨力选择像管时考虑极限分辨力m、增益、增益G以及噪声以及噪声等效背景等性能参数，另外：等效背景等性能参数，另外：1. 像增强器的输入输出窗像增强器的输入输出窗 输入窗考虑的因素主要是光谱匹配，输出窗则决输入窗考虑的因素主要是光谱匹配，输出窗则决定于后续的级联耦合、定于后续的级联耦合、CCD光锥耦合或直接观测，光锥耦合或直接观测，选择光学玻璃、光学纤维面板或其扭像器选择光学玻璃、光学纤维面板或其扭像器2. 荧光屏类型荧光屏类型 荧光屏发光的荧光屏发光的波长范围波长范围和和效率效率、、分辨力分辨力，选通像，选通像管还应考虑管还应考虑响应时间响应时间对荧光屏的要求对荧光屏的要求9/19/202446§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 3. 调制传递函数调制传递函数MTF（不同频率的特性）（不同频率的特性）4. 信噪比信噪比SNR 低照度低照度情况下，情况下，SNR对微光夜视系统的景物目对微光夜视系统的景物目标探测和识别具有重要作用标探测和识别具有重要作用。

三、直视光电成像系统的光学参数及其选择三、直视光电成像系统的光学参数及其选择 对于直视光电成像系统，光阴极位于物镜的后对于直视光电成像系统，光阴极位于物镜的后焦面上，而荧光屏位于目镜的前焦面上焦面上，而荧光屏位于目镜的前焦面上9/19/202447§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 1. 系统视场系统视场 像管的视场光阑为光阴极的固定框，故其半视场像管的视场光阑为光阴极的固定框，故其半视场角为：角为：设计要点：设计要点： 设计系统时，根据图中的几何关系，由系统性能设计系统时，根据图中的几何关系，由系统性能极限确定系统的光学参数极限确定系统的光学参数9/19/202448§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 Ø设计系统时，物镜首先确定，则物镜的视场越大其设计系统时，物镜首先确定，则物镜的视场越大其光阴极的直径要求也越大；光阴极的直径要求也越大；Ø设计系统时，像管首先确定，则物镜的焦距要求设设计系统时，像管首先确定，则物镜的焦距要求设计相应大小去满足像管的视场要求计相应大小去满足像管的视场要求。

2. 系统角放大率系统角放大率 按照角放大率的定义，系统的角放大率为：按照角放大率的定义，系统的角放大率为：9/19/202449§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 设计要点：设计要点：Ø放大率与像管观察灵敏阈有关，即放大率取决于观放大率与像管观察灵敏阈有关，即放大率取决于观察灵敏阈对应的光阴极上的最小照度，一旦像管确定，察灵敏阈对应的光阴极上的最小照度，一旦像管确定，荧光屏的目标像对目镜的张角大于某一角度时，荧光屏的目标像对目镜的张角大于某一角度时，观察观察灵敏阈不再下降灵敏阈不再下降，无法观察更小照度的目标；，无法观察更小照度的目标；Ø整个系统在目镜首先确定后，增加倍率将增加物镜整个系统在目镜首先确定后，增加倍率将增加物镜的焦距，牺牲物方视场角为代价；的焦距，牺牲物方视场角为代价；Ø放大率受系统外形尺寸的限制放大率受系统外形尺寸的限制工程经验：工程经验：9/19/202450§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 在目镜的帮助下，人眼观察荧光屏时可分辨目标在目镜的帮助下，人眼观察荧光屏时可分辨目标的最小角度约的最小角度约6’（）（）。

为使人眼不限制系统的性能，为使人眼不限制系统的性能，应有：应有：如果光阴极的分辨力为每毫米如果光阴极的分辨力为每毫米30线对，像管放大率为线对，像管放大率为1，则目镜焦距应小于，则目镜焦距应小于19mm，此时，此时目镜放大率应大目镜放大率应大于等于于等于13×3. 分辨力分辨力 限制系统分辨力的主要器件是像管限制系统分辨力的主要器件是像管，以像管的分，以像管的分辨力对系统的分辨力进行估算辨力对系统的分辨力进行估算9/19/202451§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 另外，由应用光学的知识可知：为保证人眼视觉另外，由应用光学的知识可知：为保证人眼视觉不成为系统性能的限制因素，应具有足够的角放大率，不成为系统性能的限制因素，应具有足够的角放大率，以以6’作为人眼的极限分辨角，因此有作为人眼的极限分辨角，因此有4. 入瞳、出瞳和出瞳距离入瞳、出瞳和出瞳距离 和应用光学中不同的是：和应用光学中不同的是：像管的物镜和目镜被成像管的物镜和目镜被成像器件隔开，使得物方和像方几何光学像器件隔开，使得物方和像方几何光学不成对应的共不成对应的共轭关系轭关系。

另外，整个像管系统由两部分组成：另外，整个像管系统由两部分组成：①①物镜物镜子系统、光阴极和电子光学系统，其中物镜口径限制子系统、光阴极和电子光学系统，其中物镜口径限制成像光束成像光束(孔径光阑孔径光阑)，而光阴极面有效直径限制系统，而光阴极面有效直径限制系统的成像范围的成像范围(视场光阑视场光阑)；；②②荧光屏和目镜，屏上的像荧光屏和目镜，屏上的像是该部分的物是该部分的物9/19/202452§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 因此，荧光屏的有效成像面决定了目镜的成像范因此，荧光屏的有效成像面决定了目镜的成像范围，对应的目镜半视场角为围，对应的目镜半视场角为9/19/202453§6.3 直视型夜视成像系统的总体设计直视型夜视成像系统的总体设计 目镜的出射光束以目镜的出射光束以w’进入人眼成像，因此，最终进入人眼成像，因此，最终的成像光束还将取决于的成像光束还将取决于人眼瞳孔的大小人眼瞳孔的大小（出瞳直径）（出瞳直径）和和位置位置（出瞳距离）出瞳距离） 无渐晕时，出瞳距离满足无渐晕时，出瞳距离满足: 50%渐晕时，出瞳距离为渐晕时，出瞳距离为:9/19/202454§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 夜视系统的夜视系统的作用距离作用距离是重要的技术指标，是系统是重要的技术指标，是系统性能的性能的综合表现综合表现，是系统总体方案论证、系统设计与，是系统总体方案论证、系统设计与分析的基础。

为保证系统的设计质量、缩短研制周期分析的基础为保证系统的设计质量、缩短研制周期和提升应用效果，必须科学合理地预测夜视系统的作和提升应用效果，必须科学合理地预测夜视系统的作用距离9/19/202455§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 一、微光夜视系统的视距预测一、微光夜视系统的视距预测 视距预测视距预测采用了采用了目标等效条带图案目标等效条带图案和和约翰逊准则约翰逊准则.1. 视距模型视距模型 由上节知识可知，在光学极限分辨力和低光度下由上节知识可知，在光学极限分辨力和低光度下光子噪声限制的极限分辨力为光子噪声限制的极限分辨力为而夜视系统的最小分辨角而夜视系统的最小分辨角αm由物镜焦距和像增强器由物镜焦距和像增强器光阴极面上的分辨力光阴极面上的分辨力m决定，目标被分辨的条件为决定，目标被分辨的条件为:9/19/202456§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 满足（满足（*）式的最大距离）式的最大距离l就是成像系统在约翰逊准则就是成像系统在约翰逊准则50%概率条件下对目标的观察距离因此，由（概率条件下对目标的观察距离因此，由（*））式和极限分辨角得到式和极限分辨角得到视距模型视距模型(作用距离作用距离)：：(1) 大气传输的影响大气传输的影响 视距模型中，目标亮度视距模型中，目标亮度L0和目标对比度和目标对比度C未考虑未考虑大气的影响，而实际作用距离中对应的参数必须理解大气的影响，而实际作用距离中对应的参数必须理解为为表观值表观值，即：，即：光阴极照度光阴极照度环境照度环境照度大气透射比：由能见度计算大气透射比：由能见度计算目标反射率目标反射率改为式改为式4-479/19/202457§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 (2) 关于概率关于概率 概率与条带周期数的关系概率与条带周期数的关系可利用美国热成像系统可利用美国热成像系统模型研究中拟合出的经验公式：模型研究中拟合出的经验公式：通过上式，对条带周期数进行修改可得到不同概率条通过上式，对条带周期数进行修改可得到不同概率条件下的作用距离的预测。

件下的作用距离的预测9/19/202458§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 2. 视距估算方法（略）视距估算方法（略）(1) 视距估算列线图视距估算列线图 在获得像增强器多种目标对比度和光阴极照度下在获得像增强器多种目标对比度和光阴极照度下的分辨力特性的情况下，采用视距估算列线图进行微的分辨力特性的情况下，采用视距估算列线图进行微光夜视系统的视距预测光夜视系统的视距预测2) 视距等效处理方法视距等效处理方法3. 二代、三代成像系统的视距二代、三代成像系统的视距 视距是评价微光夜视成像系统的最直接指标视距是评价微光夜视成像系统的最直接指标 随着技术的发展，用自动电子快门实现防强光的随着技术的发展，用自动电子快门实现防强光的像管9/19/202459§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 二、主动红外夜视系统的作用距离二、主动红外夜视系统的作用距离 与微光夜视成像系统相同的是：与微光夜视成像系统相同的是：主动红外夜视系主动红外夜视系统的作用距离与气象环境、目标和背景特性等条件有统的作用距离与气象环境、目标和背景特性等条件有关之外，关之外，还受成像系统本身性能的影响还受成像系统本身性能的影响，作用距离也，作用距离也是其最直接的指标。

是其最直接的指标 与微光夜视成像系统不同的是：与微光夜视成像系统不同的是：主动红外成像系主动红外成像系统的照明光路与成像光路基本重合，传输介质的统的照明光路与成像光路基本重合，传输介质的后向后向散射散射是影响其性能的重要因素是影响其性能的重要因素1. 作用距离模型作用距离模型 理想化的视距模型，通常假定在晴朗天气下，照理想化的视距模型，通常假定在晴朗天气下，照明系统的后向散射造成的明系统的后向散射造成的附加背景可忽略附加背景可忽略，成像面上，成像面上的附加背景由红外变像管的暗发射造成的附加背景由红外变像管的暗发射造成9/19/202460§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 主动红外夜视系统作用距离的预测由别列克条件主动红外夜视系统作用距离的预测由别列克条件得到，在识别观察暗亮度为得到，在识别观察暗亮度为LBI的屏上图像时必须满的屏上图像时必须满足足别列克条件别列克条件：： 通常考虑主动红外成像系统的照明光路与成像光通常考虑主动红外成像系统的照明光路与成像光路重合，设照明系统轴向光强为路重合，设照明系统轴向光强为I，滤除可见光后荧，滤除可见光后荧光屏的显示亮度为：光屏的显示亮度为：9/19/202461§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 式中式中Ecx是景物辐射经物镜在光阴极面上的照度，由是景物辐射经物镜在光阴极面上的照度，由第三章辐射源知识可推导得：第三章辐射源知识可推导得：所以照明系统被滤除可见光后目标的所以照明系统被滤除可见光后目标的红外增益红外增益有：有： 对于红外变像管暗发射造成的附加背景，其在荧对于红外变像管暗发射造成的附加背景，其在荧光屏上产生的光屏上产生的背景亮度（暗背景）背景亮度（暗背景）LBI为：为：9/19/202462§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 因此，由别列克条件可得：因此，由别列克条件可得：9/19/202463§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 2. 大气后向散射和选通原理大气后向散射和选通原理 主动红外夜视成像系统中，红外发射器安装在系主动红外夜视成像系统中，红外发射器安装在系统接收器附近，探照灯光轴非常接近系统光轴，可以统接收器附近，探照灯光轴非常接近系统光轴，可以说是说是照明光路与成像光路基本重合照明光路与成像光路基本重合，照明光束在大气，照明光束在大气的正向和反向传输过程中都将被散射，散射光进入成的正向和反向传输过程中都将被散射，散射光进入成像系统在城乡面上形成附加背景，从而降低光学图像像系统在城乡面上形成附加背景，从而降低光学图像的对比度和清晰度。

的对比度和清晰度 在较恶劣天气情况下，在较恶劣天气情况下，能见度低，散射较严重，能见度低，散射较严重，是是影响主动夜视成像系统影响主动夜视成像系统性能的基本限制因素性能的基本限制因素9/19/202464§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 (1) 大气后向散射大气后向散射 主动夜视成像系统在成像时，考虑的是表观对比主动夜视成像系统在成像时，考虑的是表观对比度，表观对比度小于景物的固有对比度，度，表观对比度小于景物的固有对比度，后向散射影后向散射影响表观对比度下降的计算必须考虑响表观对比度下降的计算必须考虑大气的散射特性大气的散射特性、、接收器和照明器之间的距离接收器和照明器之间的距离、、接收器视场角接收器视场角以及以及照明照明器的照明视场器的照明视场等因素 考虑红外辐射向目标传输过程中的散射以及返回考虑红外辐射向目标传输过程中的散射以及返回接收器过程中的散射衰减影响，由第三章、第四章知接收器过程中的散射衰减影响，由第三章、第四章知识可得识可得后向散射进入接收器的总通量后向散射进入接收器的总通量为为9/19/202465§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 (2) 大气后向散射通量对系统性能的影响大气后向散射通量对系统性能的影响 在辐射源的照射下，景物反射回来的辐射通量在辐射源的照射下，景物反射回来的辐射通量为：为：因此，确定了因此，确定了φa和和φb的比值就容易得到表观对比度，的比值就容易得到表观对比度，对系统性能的影响由此对比度恶化系数表示。

对系统性能的影响由此对比度恶化系数表示比值表达式中，比值表达式中，E(z)由图由图6-43给出，从而给出，从而最终确定表最终确定表观对比度观对比度 由于由于φa的存在，系统成像时的表观对比度为：的存在，系统成像时的表观对比度为：9/19/202466§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 (3) 选通技术的基本原理选通技术的基本原理 所谓选通技术，所谓选通技术，是利用脉冲红外发射器和选通型是利用脉冲红外发射器和选通型像管，像管，从时间上分开不同距离上的散射光和目标反射从时间上分开不同距离上的散射光和目标反射光光，使观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在像管选通，使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，而后向散射辐射到达接收器工作时到达像管并成像，而后向散射辐射到达接收器时像管处于非工作状态，从而减小后向散射对成像系时像管处于非工作状态，从而减小后向散射对成像系统的影响即：统的影响即：通过通过发射脉冲时序配合发射脉冲时序配合，使变像管在，使变像管在接收观察目标反射回来的红外辐射时工作接收观察目标反射回来的红外辐射时工作 选通技术的另一优点是选通技术的另一优点是可精确测得观察者与目标可精确测得观察者与目标之间的距离之间的距离。

9/19/202467探照灯：短脉冲探照灯：短脉冲红外激光红外激光红外变像管：加选红外变像管：加选通电极通电极＋＋§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 9/19/2024682. 精确测量精确测量目标与观察目标与观察者之间的距者之间的距离离探测距离为探测距离为1220米时的选通时序图米时的选通时序图脉冲光源照明输出脉冲光源照明输出后向散射辐射后向散射辐射目标反射辐射目标反射辐射选通脉冲选通脉冲8us1. 减少大气减少大气后向散射对后向散射对红外图像对红外图像对比度和清晰比度和清晰度的影响度的影响§6.4 夜视系统的作用距离夜视系统的作用距离 9/19/202469思思 考考 题题 Ø主动红外成像系统和微光成像系统的主要部件有哪主动红外成像系统和微光成像系统的主要部件有哪些？些？Ø分析主动红外成像系统与微光成像系统的异同点分析主动红外成像系统与微光成像系统的异同点Ø夜视光电成像系统的成像物镜的类型有哪些？分别夜视光电成像系统的成像物镜的类型有哪些？分别有什么特点？有什么特点？Ø主动红外成像系统对照明系统有什么要求？主动红外成像系统对照明系统有什么要求？Ø抛物面反射镜对主动红外成像系统照明系统的影响。

抛物面反射镜对主动红外成像系统照明系统的影响Ø夜视光电成像系统的设计中，其光学参数如何考虑夜视光电成像系统的设计中，其光学参数如何考虑？？9/19/202470思思 考考 题题 Ø物镜和像增强器的参数如何影响系统的极限分辨力物镜和像增强器的参数如何影响系统的极限分辨力Ø像增强器的背景噪声系统极限分辨特性的影响像增强器的背景噪声系统极限分辨特性的影响Ø影响主动红外夜视成像系统的作用距离和微光夜视影响主动红外夜视成像系统的作用距离和微光夜视成像系统的作用距离的因素有什么异同？成像系统的作用距离的因素有什么异同？Ø对于主动红外光电成像系统，影响其作用距离的关对于主动红外光电成像系统，影响其作用距离的关键因素是什么？如何减小它的影响？键因素是什么？如何减小它的影响？9/19/202471。