基于EMCCD的單兵綜合偵察儀設(shè)計(jì)及作用距離研究

陳遠(yuǎn)金，張猛蛟，戴 放，梁宛玉，劉 彬

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基于EMCCD的單兵綜合偵察儀設(shè)計(jì)及作用距離研究

陳遠(yuǎn)金1,2，張猛蛟1,2，戴 放2，梁宛玉2，劉 彬2

（1. 北京理工大學(xué)，北京 100081；2. 華東光電集成器件研究所，江蘇 蘇州 215163）

EMCCD作為一種新型的光電傳感器，在現(xiàn)代軍用光電成像技術(shù)正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文將EMCCD組件應(yīng)用于單兵綜合偵察儀中，滿足了裝備晝夜探測(cè)的需求。同時(shí)根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則，考慮系統(tǒng)的光能量傳遞特性和目標(biāo)在靶面上的壓行數(shù)等因素，理論估算出其作用距離。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明理論估計(jì)的正確性，驗(yàn)證了EMCCD晝夜通用的性能，為裝備選型提供依據(jù)。

光電成像技術(shù)；EMCCD；單兵偵察；距離估算

0 引言

傳統(tǒng)的軍用光電成像技術(shù)主要包含CCD攝像技術(shù)、微光夜視技術(shù)和紅外熱像儀技術(shù)。而EMCCD作為一種近年迅速發(fā)展起來(lái)的新型傳感器，以它為核心的新型光電成像技術(shù)也得到了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。

EMCCD技術(shù)的應(yīng)用始于本世紀(jì)初。上世紀(jì)90年代，美國(guó)和英國(guó)的技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)利用CCD器件電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中的雪崩倍增機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)微弱信號(hào)的放大，于2001年實(shí)現(xiàn)了原理驗(yàn)證，美國(guó)德州儀器公司（TI）和英國(guó)E2V公司相繼推出了“Impactron-CCD”和“L3CCD”產(chǎn)品（EMCCD器件和相機(jī)，如圖1所示）。

圖1 EMCCD器件和相機(jī)

隨著EMCCD技術(shù)的逐步成熟，英美各國(guó)在軍用光電系統(tǒng)中加快了該技術(shù)的應(yīng)用步伐，EMCCD組件成為一種重要的晝夜通用成像系統(tǒng)，在軍用的車載、機(jī)載、艦載、地基和單兵裝備中得到廣泛的應(yīng)用[1-5]。

華東光電集成器件研究所（以下簡(jiǎn)稱華東光電所）作為國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展EMCCD技術(shù)研究的單位，采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EMCCD器件和相機(jī)，首次實(shí)現(xiàn)了晝夜通用的成像系統(tǒng)，并成功地在某型單兵綜合偵察儀進(jìn)行了演示應(yīng)用。本文將基于演示試驗(yàn)的結(jié)果，探討基于EMCCD的偵察裝備作用距離估算的問(wèn)題。

1 基于EMCCD的單兵綜合偵察儀設(shè)計(jì)

單兵綜合偵察儀是一種典型的陸軍偵察探測(cè)裝備，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案通常采用白光CCD電視系統(tǒng)與微光夜視系統(tǒng)結(jié)合，滿足晝夜偵察探測(cè)需求。而采用EMCCD技術(shù)后，僅需一套EMCCD組件即可滿足偵察儀全天時(shí)的作戰(zhàn)需求。

EMCCD探測(cè)器光譜響應(yīng)范圍是350～1050 nm（如圖2所示），在近紅外波段的響應(yīng)較高。因此與普通CCD探測(cè)器相比，EMCCD具有更強(qiáng)的夜間探測(cè)能力。為了保證產(chǎn)品晝夜觀察效果，充分利用組件探測(cè)探測(cè)能力，同時(shí)兼顧光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量、體積重量，所以在偵察儀的設(shè)計(jì)中，選取EMCCD探測(cè)器響應(yīng)較好的400～950nm波段作為光學(xué)系統(tǒng)的光譜范圍。

圖2 EMCCD器件和組件量子效率曲線

單兵綜合偵察儀中的EMCCD組件采用640×512的電視圖像輸出，并配備F1.8的180mm焦距透鏡，實(shí)現(xiàn)晝夜通用偵察功能?；贓MCCD的單兵綜合偵察儀由EMCCD探測(cè)組件、激光測(cè)距部件、北斗接收機(jī)、定向測(cè)量單元、顯示部件、電池和主控板組成，其外形構(gòu)造如圖3所示。

2 作用距離估算

根據(jù)EMCCD測(cè)量技術(shù)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為確保對(duì)目標(biāo)的可靠測(cè)量，通常要求系統(tǒng)滿足兩個(gè)條件：其一，目標(biāo)的表面光譜輻射能量經(jīng)過(guò)大氣傳輸，到達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)EMCCD像面的照度要大于探測(cè)器像面的最小照度；其二，目標(biāo)在EMCCD靶面上的成像尺寸應(yīng)滿足人眼的識(shí)別要求，亦即滿足約翰遜準(zhǔn)則。

圖3 單兵綜合偵察儀整體結(jié)構(gòu)圖

2.1 系統(tǒng)的光能量傳遞特性與作用距離的關(guān)系

設(shè)：為背景照度，lx；為目標(biāo)表面漫反射系數(shù)；1為大氣透過(guò)率；2為光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率；s為目標(biāo)面積；為物鏡口徑；為量子效率；為輻射響應(yīng)靈敏度，mA/W；為波長(zhǎng)；為CCD有效積分時(shí)間；為目標(biāo)在CCD靶面上的壓行數(shù)；為物體距物鏡距離；為單個(gè)像元面積；為光譜光視效能。

則有：量子效率表征了產(chǎn)生的光電子數(shù)和接收到的光子數(shù)的比例，而輻射響應(yīng)靈敏度表示探測(cè)器輸出信號(hào)電流（由產(chǎn)生的光電子形成）和接收到的輻射功率之比[6]。它們其實(shí)是統(tǒng)一的，可由下式表示：

式中：為普朗克常數(shù)6.626×10－34J×s；為光速3×108m/s；e為電子電荷常數(shù)1.6×10－19C。

實(shí)際上/就是光子能量的表達(dá)式。根據(jù)以上分析可以推導(dǎo)出探測(cè)器的量子效率和輻照度響應(yīng)靈敏度/(W/m2)的關(guān)系：

則探測(cè)器的量子效率和光照度響應(yīng)靈敏度min(lx)的關(guān)系如下式：

設(shè)目標(biāo)在CCD靶面上的壓行數(shù)為，則目標(biāo)在靶面上的像斑面積為2，則目標(biāo)在靶面上引起的照度表達(dá)式如下：

又因?yàn)楣庠趥鬏數(shù)倪^(guò)程中，要受到大氣以及光學(xué)系統(tǒng)的衰減，則對(duì)上式修正如下：

作為探測(cè)目標(biāo)的必要條件, 目標(biāo)在探測(cè)器上引起的照度E必須大于min（接收器的最小可探測(cè)照度），因此要求E≥min，即有：

由此式可得下式：

2.2 目標(biāo)在靶面上的壓行數(shù)與探測(cè)距離的關(guān)系

由幾何光學(xué)可知，目標(biāo)高度、目標(biāo)距離、物鏡焦距、目標(biāo)在靶面上的像高滿足以下關(guān)系式：

即：

則由比例關(guān)系可計(jì)算得到目標(biāo)在CCD靶面上的壓行數(shù)表達(dá)式：

式中：￠為CCD靶面垂直高度；為CCD垂直分辨率（即靶面垂直方向上的行數(shù)）。

假定所要求的壓行數(shù)為，則必須要滿足≥，即：

由以上分析，綜合式(6)、(10)可得,必須同時(shí)滿足以下兩式：

2.3 作用距離估算

上文中提到，約翰遜把視覺(jué)辨別分為4大類：探測(cè)、定向、識(shí)別和辨認(rèn)。約翰遜準(zhǔn)則就是以目標(biāo)最小尺寸在光學(xué)系統(tǒng)張角內(nèi)最多可分辨的條桿或條紋數(shù)（空間周期數(shù)）表示。一般在50%概率等級(jí)下，識(shí)別需要的條紋周期數(shù)為4，亦即識(shí)別時(shí)，要求壓行數(shù)為8。

針對(duì)本EMCCD偵察儀，假定大氣透過(guò)率1與光學(xué)透過(guò)率2皆為0.6，目標(biāo)反射系數(shù)為0.2，對(duì)于典型的坦克目標(biāo)，可以簡(jiǎn)化為2m×4m的目標(biāo)，當(dāng)物鏡口徑為100mm，焦距為180mm，波長(zhǎng)取500nm，量子效率取0.8，則由上面兩式計(jì)算得出的最大作用距離如表1所示。

表1 EMCCD偵察儀對(duì)坦克識(shí)別的理論計(jì)算值

3 作用距離試驗(yàn)結(jié)果與分析

2015年，采用EMCCD組件的單兵綜合偵察儀在某試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了外場(chǎng)試驗(yàn)，采用的目標(biāo)為59式坦克。試驗(yàn)設(shè)備和坦克目標(biāo)如圖4所示。

其中的實(shí)測(cè)探測(cè)視頻截圖如圖5所示。

圖4 被試EMCCD偵察儀與坦克目標(biāo)（上左、右：?jiǎn)伪C合偵察儀外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)；下左：EMCCD組件；下右：T59坦克目標(biāo)）

圖5 EMCCD偵察儀實(shí)測(cè)結(jié)果（左：白晝6km；中：黃昏4km；右：夜間1.5km）

針對(duì)典型的坦克目標(biāo)，實(shí)測(cè)的識(shí)別作用距離結(jié)果如表2所示。

表2 EMCCD偵察儀實(shí)測(cè)對(duì)坦克目標(biāo)識(shí)別距離

從EMCCD偵察儀的實(shí)測(cè)結(jié)果看，能夠得到以下結(jié)論：

1）在光線較好的情況下（環(huán)境照度在102lx以上），EMCCD電視系統(tǒng)采用是常用的CCD電視系統(tǒng)作用距離模型，作用距離完全取決于光學(xué)系統(tǒng)的分辨力，且EMCCD偵察儀作用距離理論結(jié)果與實(shí)測(cè)非常接近，可以用于距離估算；

2）在光線相當(dāng)較差時(shí)（環(huán)境照度在102lx～10－1lx之間），EMCCD電視系統(tǒng)需要考慮系統(tǒng)光能量傳遞特性，但因EMCCD可有1000倍的倍增效益，可對(duì)成像信噪比有相當(dāng)高的提升，從而實(shí)現(xiàn)與白晝一般的成像質(zhì)量，對(duì)于此時(shí)的作用距離，一般而言，可以簡(jiǎn)化估算作用距離約為白晝時(shí)的2/3～3/5；

3）在光線較差時(shí)（環(huán)境照度在10－3lx以下），EMCCD電視系統(tǒng)中系統(tǒng)光能量傳遞特性起著決定性作用，盡管能量非常微弱，但因EMCCD可以產(chǎn)生1000倍以上的倍增增益，因此圖像質(zhì)量被調(diào)節(jié)到可接受的范圍，此時(shí)的作用距離，可以簡(jiǎn)化估算約為白晝時(shí)的1/5～1/4。

此外，通過(guò)與國(guó)外三代微光像管的同場(chǎng)景對(duì)比看，基于EMCCD的裝備在白晝與黃昏有著無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，在夜間環(huán)境照度下降到10－3lx以下時(shí)，也能有較滿意的探測(cè)效果。其與三代微光像管的成像結(jié)果可總結(jié)如下：

1）三代微光像管的成像結(jié)果信噪比較高，圖像質(zhì)量好，但受限于微光像管的MTF較低，其空間分辨力較差，圖像細(xì)節(jié)模糊；

2）EMCCD在夜間環(huán)境照度下降到10－3lx以下時(shí)，圖像信噪比明顯下降，圖像隨機(jī)噪聲較多，但其空間分辨力保持較高水準(zhǔn)，圖像細(xì)節(jié)可辨。

4 結(jié)束語(yǔ)

除去單兵綜合偵察儀外，在單兵用輕武器瞄準(zhǔn)具方面，如單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)綜合瞄具等，普遍采用的是白光瞄具或CCD瞄鏡、微光像增強(qiáng)器或ICCD瞄鏡、或者非制冷熱像儀瞄鏡等設(shè)計(jì)方案。對(duì)士兵來(lái)說(shuō)，要執(zhí)行白晝到夜間的作戰(zhàn)任務(wù)，需要背負(fù)多個(gè)瞄準(zhǔn)具，會(huì)影響到單兵的機(jī)動(dòng)性能；同時(shí)，在不同的環(huán)境照度下，不同瞄鏡的互換和插拔，會(huì)嚴(yán)重影響士兵對(duì)武器的使用，并且增加了插拔誤差，影響到瞄具的使用精度。

在頭盔光電設(shè)備方面，包括頭盔安裝顯示系統(tǒng)，也以微光像增強(qiáng)器（夜視眼鏡）、非制冷熱像儀與平板顯示器的組合為主，不能很好地保障飛行員、車輛駕駛員或單兵的晝夜觀察需要。

通過(guò)已完成的EMCCD單兵綜合偵察儀的演示任務(wù)，已完全驗(yàn)證了EMCCD在晝夜條件下的性能，可預(yù)見(jiàn)其將會(huì)成為單兵偵察領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向，在軍用領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景。

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The Design of the Individual Integrated Reconnaissance Instrument Based on EMCCD and Estimation of Function Distance

CHEN Yuanjin1,2，ZHANG Mengjiao1,2，DAI Fang2，LIANG Wanyu2，LIU Bin2

(1.,100081,; 2.,215163,)

As a new type of photoelectric sensor, EMCCD is used more and more widely in the field of modern military optoelectronic imaging technology.The EMCCD component is applied to the individual integrated reconnaissance device, which meets the equipment circadian detection requirements. At the same time, according to the Johnson criterion, considering the characteristics of the light energy transfer and the number of targets on the target surface, the operating distance is calculated. The experimental results show the correctness of the theoretical estimation. The universal performance of EMCCD is verified, which provides the basis for equipment selection.

optoelectronic imaging technology，EMCCD，individual reconnaissance，distance estimation

TN202

A

1001-8891(2017)05-0399-05

2017-01-04；

2017-04-12。

陳遠(yuǎn)金（1983-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向是EMCCD器件設(shè)計(jì)及其應(yīng)用。