像增强器综合测试用光源照度调变技术研究

为了获得微光像增强器综合性能测试中光源输出不同光照度,对传统的光源结构以及存在的局限性进行了分析.根据综合性能测试中对光源照度的不同要求,借助积分球对光线的漫反射作用和微度计控制光栏改变光输入量的连续性,解决了光源输出光照度大范围连续调变功能的问题,对改进后的光源照度输出范围及均匀性进行了测量,得到该光源的出射光照度为2.5×10-5 lx～680 lx,出射光均匀度为2.3%,该方法适用于像增强器的各种性能参数测试.     

无限远微光瞄具目标模拟发生装置研究

根据射手夜间瞄准射击时实际夜天光环境下景物反射的光照度值,计算出进入微光瞄准镜入瞳处的光照度值,以此照度值设计了双积分球照明模式的无限远微光瞄具目标模拟发生装置.根据积分球原理在双积分球之间设置有可变光阑,根据检测系统要求为微光夜视仪提供了四档可切换的微光照度环境.为保证在实验检测过程中待测瞄具能接收到光源出射的最大光照度,分析了待测瞄具距离平行光管的实际安装位置,得出影响待测瞄具入瞳处光照度值的三个关键因素为大小积分球之间可变光阑的口径、平行光管的视场及被测瞄具距离平行光管物镜的安装位置.最后,对积分球出射窗口处光照度,以及经过无限远目标模拟发生装置后出射的光照度值进行分析计算与实验测量,结果表明光照度不均匀度＜2％,满足应用要求.     

照度对测量三代微光像增强器MTF的影响分析

通过探讨像增强器MTF测试仪用光源的出射光照度对测量结果的影响,对透过测量狭缝的光强分布进行了分析.调节狭缝面的入射光照度,对不同照度作用下的调制传递函数进行了对比测量,经与微光像增强器的饱和输出亮度比较,得出:三代微光像增强器的MTF测试值随入射光照度分布呈抛物线分布,其最大值与微光像增强器的自动亮度控制特性有关.适当选择入射光照度,可确保被测像增强器既有足够的输出信噪比,而不进入饱和区域.     

积分球辐射光源照度均匀性研究

针对CCD等焦面阵列光电器件常被置于积分球辐射光源出口平面进行测试的误区,研究了积分球辐射光源照度分布的均匀性,得到了合理使用积分球光源测试光电器件的依据。基于数值解析方法和蒙特卡罗方法,建立了理想积分球辐射光源照度均匀性数学模型和非理想积分球辐射光源照度均匀性仿真模型,分析了与积分球光源出口不同距离处光电器件受光面上照度分布情况,并实验测试了两套积分球辐射光源照度分布情况,得到了与积分球辐射光源不同距离处光电器件受光面上照度均匀性分布规律。研究表明:当光电器件受光面直径小于积分球光源出口直径一半、光电器件和积分球出口之间的距离与积分球出口直径的比值在3至5之间时,可在光电器件受光面上获得均匀性优于99%的照度场。     

一种高星等标准星光模拟器的设计与性能分析

在卫星探测相机及星敏感器的地面标定实验中,需要一台能够模拟无穷远处极小星点以及极弱星光照度的光源,即星光模拟器。采用积分球均匀点光源加准直平行光管模拟出无穷远处的星点,使用可变光阑调节光能量动态范围,提高模拟星等。同时点光源的光亮度可以精确测定,再通过精确测量影响星等照度的各个因素,从而解决弱光情况下的标定问题。分析模拟器的模拟星等能力及精度,在现有加工测试条件下,星光模拟器能够满足模拟6~14星等照度要求且精度较高,完全满足地面标定实验需求。     

新型微弱光光度校准装置的建立

利用光强可调型双积分球微弱光源实现了微弱光照度的校准。介绍了微弱光光度校准装置的结构、双积分球光源设计原理及其量值溯源方法。分析了装置的稳定性、线性、辐射场均匀性、色温变化、衰减光阑倍率等计量特性。对装置的测量不确定度进行了分析。装置量程为10~(-1)～10~(-6)lx,不确定度U=1.6%(k=2)。     

单色面阵光源设计

提出并研究了一种"单色仪+积分球"为主体设计的单色、大面积、高均匀性辐射光源.该光源采用四套单色仪,在每台单色仪输出口进行会聚,通过大芯径光纤束将单色光从不同的方向(对称状)注入到积分球中.相比于传统采用一台单色仪,该光源提高了积分球的输出功率和积分球输出面的均匀性,并通过实验对积分球输出波长、输出功率及输出口均匀性进行了测量.结果表明:在积分球输出口面上,在输出波长范围400~1 000nm内,波长准确度可以达到2nm,输出功率最小可以达到0.2mW,输出面均匀性比传统设计也提高了0.6%.     

大视场CCD成像系统像面均匀性测试技术研究

以光度学为理论基础,研究了大视场CCD成像系统像面均匀性测试技术。论述了600~800mm非对称、双半球不等半径积分球的设计方案。对像面均匀性测试系统的积分球出口进行了测试,出口处的照度不均匀性不高于2.3%,照度不稳定性不高于2.7%,积分球后半球内表面的亮度不均匀性不高于4.4%。在对测试结果进行误差分析的基础上,对大视场CCD摄像机进行了实际测试。结果表明,该装置可广泛应用于光电成像系统的像面均匀性测量。     

一种新的微光像增强器综合测试系统

描述一种具有单一光源的微光像增强器综合测量系统，系统可以测试微光像增强器光量子类的阴极光灵敏度、辐射灵敏度、亮度增益，等效背景照度、输出信噪比、亮度均匀性和几何类的分辨率、畸变、图像同轴性、中心放大率等指标，系统对各个指标测量的不确定度优于５％。     

双氙灯光源积分球日照计校准系统

为解决旋转热释电日照计(RPSDR)室外校准易受环境影响、重复性差、效率低等问题,提出了一种以双氙灯光源积分球系统校准RPSDR的室内校准方法。根据RPSDR的组成、结构和测量原理,利用太阳模拟、积分球环境模拟等技术,设计了以氙灯太阳模拟器输出直接辐射、以穹顶氙灯模拟散射辐射的双光源积分球日照计校准系统,提出了积分球结构参数,分析了氙灯光源的辐照度分布和光谱修正,建立了在室内进行日照阈值校准、在室外进行日照时数验证的综合性RPSDR校准方法。经测试,校准系统的有效辐照面内的辐照度均匀性含中心点时为2.5%,不含中心点时为1.6%,有效辐照面内每小时的阈值点辐照度稳定性为0.68%,光源匹配AM1.5 A级太阳光谱能量分布;对一台RPSDR进行室内阈值校准和室外日照时数比对实验,结果验证了经系统校准后的RPSDR测量的日照时数与直接辐射表测量的日照时数参考值的相对误差不超过1%,绝对误差不超过0.26 h,满足气象行业日照时数的观测要求。     

三代微光像增强器信噪比测量技术研究

微光像增强器是微光成像技术中的核心部件,微光像增强器的信噪比是像增强器的重要参数之一,它可以定量表征像增强器在探测弱辐射图像时的性能,可综合反映空间因素和时间因素对探测图像特性的影响。介绍了微光像增强器信噪比的测量原理和装置,测量装置采用精确的微孔光阑、可变光阑及共轭对称透镜系统,实现直径为0.2 mm的特定光斑投射在像增强器光阴极面上。采用光子计数技术,通过研究小探测面（探测直径小于4 mm）微弱光照度标定方法,解决了针孔微弱光照度的准确标定与直径为0.2 mm信噪比光源照度准确测量。     

低照度条件下三基色获取及真彩色融合方法研究

鉴于低照度条件下彩色成像都是采用微光、红外、紫外等波段图像融合成假彩色,提出一种利用滤光片过滤和像增强器增强的三基色获取及真彩色融合方法。采用F P滤光片设计出了透射中心在三基色光中心波长的三基色滤光片,对其光谱透过性进行分析;通过旋转三基色滤色轮将目标反射光过滤,使用像增强器对过滤后反射光增强,借助FPGA编写的控制程序实现滤色轮转速和CCD摄像机成像时间的精确同步,利用CCD摄像机获取经增强后的三基色图像,实现目标三基色图像的动态采集。研制的样机在微光实验室进行了三基色采集及融合实验,实验时光照度分别1×10-1 lx （等效于月光下）和1×10-3 lx（等效于星光下）,采集速度设置为60 f/s,对获取的图像质量进行了评价。结果表明:在照度为1×10-1 lx时,融合后的真彩色图像在灰度均值、灰度方差和信息熵3项指标方面,比3幅单色图像的平均值分别提高了5.06%、5.97%和1.08%;在照度为1×10-3 lx时,融合后的真彩色图像与3幅单色图像的平均值分别提高了13.18%、-9.86和8.65%。     

微光景像匹配实时图模拟生成技术研究

景像匹配实时图模拟生成是导弹制导系统仿真和景像匹配算法验证的关键技术。研究了光照条件、气象条件、像增强型电荷耦合器(ICCD)相机特性以及地面光谱反射特性等因素对微光成像的影响,建立了微光视景像生成的数学模型,包括:地面反射特性模型、像增强型电荷耦合器相机特性模型、大气传输模型和噪声模型,研究了白天与夜间地面反射特性造成的日光图像与微光图像的衬比度差异,提出了微光景像匹配实时图仿真方案,并在此基础上研制了一个完整的蕴含LOWTRAN7计算内核和像增强型电荷耦合器后段仿真的微光景像匹配实时图生成系统。仿真实验结果说明了该方案的有效性。     

微光和红外融合装备分辨力测试方法研究

在对微光装备分辨力测试和红外装备MRTD测试系统进行分析的基础上,提出了微光和红外融合装备的分辨力测试方案,利用现有的红外MRTD测试系统,通过改造光源、光源的入射光路和靶板,建立了微光与红外融合图像的图像分辨力测试系统,并对该方案进行了分析。分析结果表明,改造后的测试系统同时实现对红外的反射和对微光的透射,对红外温差的测量精度接近0.01 K,对微光照度的测试精度可以达到1 lx, 对融合图像分辨力的测试满足1/62≈0.891的倍数递减要求。     

一种便携式漫反射LED均匀光源的设计与实现

为了满足光电探测仪器校准修正过程中对标准光源的要求,设计了一种采用积分球技术,通过纽扣电池供电的便携式漫反射LED均匀光源。给出了光源的装配图、主要零件3D图及电路图,并对其进行了详细说明。通过Matlab分析光源出光口CCD照片各像素的灰度值,得到出光口?14 mm范围内光强均匀度为95.1%;采用Ocean Optics USB 2000+型光谱仪分析光源出光口光强均匀性及漫反射性,得到沿出光口径方向2个位置光强与中心光强相比,分别下降了2.93%和6.30%的结果。光源出光口平面旋转10°,中心位置光强下降6.30%。测试分析表明:设计的光源具有较好的均匀度和漫反射性,在光电探测仪器校准方面具有一定的应用价值。     

四通道微光偏振实时成像光学系统设计

为了提高微光成像质量,实现针对动态目标或变化场景的实时性成像的需求,基于偏振成像原理,并结合孔径分割技术设计了微光偏振实时成像光学系统。光学系统采用共口径四通道阵列结构,将4个待测偏振态分成4个独立的成像通道,通过子孔径成像镜组对探测器靶面进行四象限分割成像,每个偏振通道通过放置起偏状态不同的偏振片获取目标不同偏振态的强度图像,从而实现实时偏振成像。光学系统的设计焦距为100 mm、系统整体F数为1.2、工作波长范围为0.4 μm~0.85 μm、最低工作照度为1×10-3 lx、可输出1 080 pixel全高清图像。系统光学总长为167.5 mm,单通道镜头的MTF值在40 lp/mm处全视场均高于0.57。     

基于三代微光ICCD成像装置的目标对比度影响因素测试分析

微光夜视整机可以在夜间光照条件较差的情况下，对目标实施有效观察，而夜间观察目标对比度是整机作用距离影响因素中的重要指标。为满足微光夜视整机夜间观察理论分析及试验对目标对比度数据的迫切需求，基于三代微光像增强器具有与星光条件下自然光辐射光谱良好匹配的使用特性，搭建了基于三代微光ICCD的成像装置。并从微光成像系统的能量传递链及光电子成像系统的视觉特征方程分别推导环境光照度和目标-背景反射率比与对比度关系。在暗室和夜天光条件下开展了对比度试验，试验结果证明，当照度处于三代微光像增强器照度-亮度的线性相关照度区间[E_s, E_m]时，对比度与照度无关；对同一目标及背景采集图像，目标-背景反射率越接近1，对比度越小。     

光电成像检测系统像面照度均匀性分析

非均匀发光光源、大视场角等因素会造成光学成像检测系统像面照度分布不均匀,进而导致检测效率下降。研究非均匀发光光源和大视场角对像面照度均匀性的影响程度,首先建立光源间距与受光面接收照度间的关系模型,仿真分析不同LED间距对像面照度均匀性的影响,然后建立光学耦合系统的物面张角和像面照度间的关系模型,仿真分析物面张角对像面照度均匀性的影响。实验结果表明:在非均匀发光光源和大视场角的作用下,检测系统会造成像面照度严重不均匀现象。研究结果为后续像面照度校正算法设计提供了理论依据。     

微光ICCD电视摄像技术的发展与性能评价

利用微光像增强器的图像增强功能,将微光像增强管耦合到电荷耦合器件(CCD)上即构成微光图像增强CCD(简称ICCD)。它具有两个重要的特性:一是通过选择适当的像管输入窗及光电阴极,使ICCD光谱响应范围由可见光扩展到X射线、紫外、近红外区域,从而使该器件能适用于各种用途;二是使ICCD的灵敏度达到10-4lx以下,实现了ICCD摄像器件在黎明或黄昏的照度下(102lx)在1/4月光下(10-2lx)、在星光下(10-4lx)都能有效的工作。微光ICCD电视摄像系统可应用在天文、医疗、火控、制导、飞机紫外预警等方面。重点阐述了微光ICCD电视摄像技术的发展与性能评价。