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。     

基于偏振激光辅助照明的ICCD探测技术研究

为了验证偏振激光辅助照明ICCD探测目标的可行性,I以偏振成像探测原理为基础,提出一套基于偏振激光辅助照明的ICCD探测系统。该系统采用808 nm人眼不可见偏振激光辅助照明,ICCD对后向散射激光进行检偏和光电信息转换,实现背景中目标的偏振成像探测。通过在野外环境中对该系统的探测能力进行实验测试,结果表明,在0、45和90检偏角下,人造金属涂漆目标对照射偏振激光退偏小于10%;绿色背景对照射偏振激光退偏度约50%;沙土地面退偏度约30%,人造金属涂漆目标相对于自然背景随检偏角增大图像对比度也越大。     

利用偏振技术识别人造目标

提出了一种利用目标的偏振信息识别人造目标的新型方法。利用自制的多波段偏振CCD地面实验装置获取目标的偏振图像,并提取其中的偏振信息。由于人造目标和自然目标的偏振特性上有较大差别,因而根据这些信息,通过较常规的图像处理手段,即可很好地识别出图像中的人造目标。实验证明,该方法识别自然背景下的人造目标是相当有效的。     

偏振-微光一体化EMCCD相机的设计与开发

多维度的信息获取是微光夜视探测技术未来的发展方向,偏振成像是光电探测领域中的一种维度,偏振相机的研制是研究偏振成像技术的前提。基于集成偏振阵列结构的电子倍增CCD(electron multiplying CCD, EMCCD)器件,集合EMCCD微光探测的优势和偏振维度的探测功能,论述了偏振-微光一体化相机的硬件电路设计和开发方案,完成偏振维度信息与光强度信息一机同步采集作业,并通过FPGA对原始数据进行偏振运算与图像传输处理。搭建测试系统,对设计与开发的偏振样机进行性能测试。实验结果表明,在温度273 K、读出频率2 MHz条件下,器件的读出噪声为8.81e-,动态范围约为74 dB,样机的消光比可达50.95,透过率可达60.16%,并可实时地选择性输出偏振度图像、偏振角图像、光强度与偏振融合图像,极大地提高了夜间环境下对目标的识别探测能力。     

微光偏振成像系统设计及实验

为了实现对运动目标或变化场景的同时成像,根据偏振成像原理,基于孔径分割技术设计了一套微光偏振成像系统.开展了微光偏振成像实验,在实验室条件下定性分析了偏振成像的优势,研究了不同照度下偏振成像的准确度.通过改变偏振出射光束的照度,运用获得的偏振图像计算了该照度下光束的偏振度和偏振角.与真实偏振度、偏振角信息对比分析表明,当环境照度大于10-2 lx时,偏振成像能够比较准确地还原场景的偏振信息,改善微光成像质量.经过优化,该系统MTF在56lp/mm处所有视场下均不小于35%.     

基于斯托克斯矢量的偏振成像仪器及其进展

偏振成像技术将景物的偏振信息转化为二维图像信息,从而可以和灰度图像一样对目标景物进行场景特征分析。介绍了基于斯托克斯矢量的偏振成像原理。按照获取斯托克斯矢量方法的不同,分别介绍了偏振片起偏、偏振棱镜分光和可变延迟波片调制三类分时偏振成像方式,分振幅、分孔径、分焦平面三种同时偏振成像方式。结合我国的制造水平,设计了双CCD渥拉斯顿棱镜同时偏振成像实验系统,并采集了实验图像。分析了各种偏振成像方式的优缺点。指出了偏振激光照明主动偏振成像、光谱偏振成像是偏振成像仪器进一步的发展方向。     

伪装目标与背景的偏振对比特性

为解决传统光强探测手段难以有效探测和识别伪装目标这一难题,基于偏振探测技术搭建了光谱偏振探测成像系统,利用该系统在位于442.0,545.5,670.5,850.5 nm的窄波段对典型草地、土壤背景下的某型深绿色和土黄色伪装涂层进行了光谱偏振探测实验研究。并通过编制的图像处理软件对测试结果进行处理分析以提取其中的偏振信息,获得了目标与背景偏振度和偏振对比度随探测波长和探测角的变化规律。研究结果表明,合理地选择偏振成像探测条件可以使伪装涂层与背景之间存在较大的偏振对比度,可以实现对传统伪装涂层涂覆的目标的有效探测和识别。     

微光像增强器噪声功率谱测试研究

在微光像增强器成像中 ,迭加在图像上的时空域噪声 ,不仅限制系统可工作的最低照度 ,而且使显示图像有随机蠕动颗粒闪烁的外观。适用的噪声性能测试分析技术则可为改善已有系统的成像质量、研制新型高性能的微光成像器件与系统提供必要的基础和客观依据。通过用CCD对像增强器噪声功率谱的测试发现像增强器噪声主要集中在低频部分 ,高频段的噪声近似为白噪声。     

多尺度水下偏振成像方法

水下偏振成像技术利用散射光偏振特性能够有效提高水下成像质量,在水下目标探测和识别领域具有重要应用价值.针对该技术在背景散射光和目标信息光分离时由于噪声放大现象导致重建图像质量受限的问题,提出多尺度水下偏振成像方法.该方法利用图像分层处理思想,结合小波变换的多尺度特性,对体现图像高对比度的基础层和低对比度但细节信息丰富的细节层分别进行处理,重建高对比度、高信噪比的清晰场景图像.实验结果表明,多尺度水下偏振成像方法不仅能够大幅提高对比度,复原图像细节信息,而且能够有效抑制放大噪声,提高重建图像的信噪比,在水下偏振成像领域具有良好应用前景.     

三代微光像增强摄像系统选通成像系统研究

提出一种能够高速选通工作的三代微光像增强摄像系统（ICCD）。采用三代像增强器,设计了光阴极选通控制电路,使ICCD系统能够高速选通成像;通过分析、比较,设计了双高斯复杂化结构的中继镜头耦合方案,获得了高透过率、高调制传递函数（MTF）的图像耦合性能。采用数字CCD、数字图像采集卡及其集成的图像处理硬件,编写了相关处理软件,使ICCD系统的图像能够快速呈现。结果表明:设计的三代选通ICCD具有3.3 ns选通门宽,空间分辨力达到600 TVL。     

人体目标光谱特性对微光像增强器视距的影响

为研究不同人体目标的反射光谱特性对微光像增强器视距的影响,以夜天空辐射光谱特性和常见衣服的光谱反射系数为基础,建立了人体目标的反射光谱分布方程,分析了人体目标穿着不同材质和颜色衣服时的反射光谱特性,并从微光像增强器视距实际探测方程出发,讨论了微光像增强器对不同人体目标的探测能力。发现不同人体目标的反射光谱特性对微光像增强器视距的影响主要体现在平均反射率和目标背景初始对比度C₀方面,棉质衣服的反射系数和光谱反射强度比涤纶衣服高,微光像增强器对穿着棉质衣服的人体目标的探测能力更强。微光像增强器对穿着同样颜色棉质衣服的人体目标的视距比穿着涤纶衣服远,对穿着浅色衣服的人体目标的视距比穿着深色衣服远,在满月情况下像增强器对衣服的材质更敏感。     

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。     

光子计数法测量微光像增强器背景噪声分布特性

针对微光像增强器噪声特性,理论上分析了微光像增强器背景光子噪声特点。设计了采用光子计数法及使用类针孔微弱光照度计对微光像增强器的背景噪声进行测量的方案。在三代微光像增强器信噪比测量装置中,采用类针孔微弱光照度计对微光像增强器无光照时荧光屏上Ф0.2 mm光斑的照度进行了测量实验。对于空间特性,以荧光屏中心点为圆心的同心圆上照度值不均匀性小于1%;对于时间特性,在微光像增强器工作大约270 min后,荧光屏中心点照度值会达到稳定状态。以各个空间点和时间点照度值为基础分析了无光照时像增强器背景噪声在时间和空间的分布特性,为评价微光像增强器的噪声特性提供了数据支持。     

微光电视成像系统表征方法

 在分析微光电视成像系统的基础上，提出了适用于微光电视成像系统仿真所用的微光场景图像数据的要求及生成方法；针对第二代近贴聚焦系统和第三代像增强系统，建立了微光电视成像系统的能量增益理论模型；引入３维噪声理论模型表征了微光成像系统的噪声；最后，提出了微光电视图像噪声抑制算法的评价方法。仿真结果表明：经微光系统传递后，图像中的高频信息变模糊，加入噪声后，信噪比降低；而经过5帧平均算法后的图像质量明显改善，对比度增加。     

微光像增强器图像传递信噪比的测试研究

图像传递信噪比是微光像增强器的重要特性参数．能够全面定量地表征像增强器在探测弱辐射图像时的综合性能，对于确定像增强器的图像探测灵敏闽具有重要意义。针对其测试原理．采用高灵敏度低噪声CCD器件作为像管输出图像的探测接收器．并引入数字图像处理技术。利用设计的测试系统实现了典型目标图像传递信噪比的自动测试．多次实验结果表明．陔测试系统具有测试过程自动快速及测试数据准确稳定的优点．相同测试条件下的不确定度优于±3%。     

基于渥拉斯顿棱镜的单路实时偏振成像系统设计

针对非实时成像中动态场景偏振探测产生的虚假偏振信息问题,充分利用渥拉斯顿棱镜的分光特性,设计了一种新型实时偏振成像系统.采用像方远心望远透镜系统、准直透镜系统并设计匹配的成像镜系统,在单探测器阵列上同时获取偏振态相互垂直的两幅偏振图像.通过全系统联动设计与优化,系统的调制传递函数在截止频率处不小于0.55,全系统弥散斑均方根半径小于5.3μm,即小于探测器像元尺寸,满足成像设计要求.仿真结果证明该成像系统可有效解决传统分振幅偏振成像系统的实时性差的不足,分孔径偏振成像系统的能量利用率和分辨率低的问题以及偏振焦平面方法中光路串扰的缺陷,应用前景广阔.     

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%。     

数字微光器件研究进展

数字微光器件作为新一代微光夜视装备的核心器件,相比于传统真空微光器件因具有数字化输出的优势而备受各国重视。本文综述了低照度CCD(charge-coupled devices)/CMOS(complementary metal oxide semiconductor)、科学级CMOS、像增强型CCD/CMOS、电子倍增CCD及电子轰击APS(active pixel sensor)/CCD等数字微光器件的研究现状,分析了数字微光器件的应用情况。最后,提出了微光技术和数字微光器件的发展趋势。     

像增强器MTF测量理想像面选择方法研究

为了能够获得准确的调制传递函数测量结果,对测量系统中投射图像的理想成像面进行选择性调节。通过对微光像增强器调制传递函数测量系统光学成像性质的深入分析,讨论了光学系统的像差特性,利用平均中点取值法实现了微光像增强器调制传递函数测量中对理想成像面的选择。通过与微光像增强器已有测量结果的对比,证明所述方法能够保证微光像增强器调制传递函数测量的准确性。