單通道三波段彩色夜視系統設計及實驗研究

陳一超，胡文剛，武東生，何永強，張冬曉，何云峰

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單通道三波段彩色夜視系統設計及實驗研究

陳一超1，胡文剛1，武東生1，何永強1，張冬曉1，何云峰2

（1. 軍械工程學院電子與光學工程系，河北 石家莊 050003；2. 66440部隊，河北 石家莊 050081）

針對目前微觀夜視儀器產生單色圖像的缺陷，提出了一種單通道三波段的彩色夜視方案。簡要介紹了單通道三波段彩色夜視系統的工作原理，重點論述了該系統的設計方法，并對濾光片的光譜透過率、色輪的窗口數量、熒光屏與CCD光電陰極的耦合方式等問題進行了計算和分析。在單通道三波段彩色夜視系統裝置研制基礎上，開展了彩色夜視實驗，成功得到色彩較為真實的夜視圖像。

夜視系統；彩色夜視；三波段；單通道；像增強器

0 引言

目前廣泛應用的微光夜視儀器產生的都是單色圖像，單色圖像存在著信噪比低、立體感差、長時間觀察容易疲勞等缺點。相比較單色圖像，人眼對彩色有相對較高的分辨率和靈敏度。彩色夜視的實現主要是利用不同波段進行成像、融合，微光圖像與紅外圖像融合[1]，微光雙譜圖像融合[2]等。微光與紅外圖像融合是基于雙通道實現的，即微光像增強器與紅外變像管相結合，這種雙通道的方式能夠明顯提高目標被識別的概率，但存在著圖像配準困難、成本高等問題。微光雙譜圖像融合克服了雙通道的問題，將夜天光光譜分為兩部分分別成像，經過處理、融合成假彩色圖像[3]，而假彩色圖像不利于人眼的長時間觀察。為在單通道的基礎上實現逼近真實色彩的彩色夜視技術，提出了一種單通道三波段彩色夜視系統。

1 三波段真彩色夜視技術方案

根據RGB彩色模型，對任意彩色光C都選用3種單色光R、G、B進行彩色合成，其配色方程可寫成[4]：

C＝(R)＋(G)＋(B)

利用濾光片將目標的發射光譜分為R、G、B三個波段，通過CCD采集每個波段輻射強度，通過合成就能夠得到目標的彩色信息。

單通道三波段彩色夜視系統設計方案如圖1所示。物鏡將目標發射和反射光匯聚，分譜濾光片將匯聚的光進行濾光后成像在增強器的光電陰極上產生光電子，光電子經過像增強器的倍增，成像在熒光屏上，通過中繼元件被CCD采集、記錄在計算機上，得到則是反映目標在某一波段強度信息的圖像。3塊分譜濾光片通過機械旋轉的方式控制轉動從而實現單通道。將采集到的圖像經過處理后融合成彩色圖像。

圖1 單通道三波段彩色夜視系統原理

單通道三波段彩色夜視技術的核心思想是在顯示單色圖像的像增強器的基礎上增加了一對嵌入了3原色不斷旋轉的色輪，通過濾光片的作用將目標的發射和反射的顏色成分離成“R”、“G”、“B”三個波段。

2 系統設計

2.1 色輪的光譜透過率

色輪的作用是將目標的反射光譜分為“R”、“G”、“B”三個部分，分割結果直接影響后期合成的圖像是否接近目標的真實色彩，是否能夠提高目標被發現和識別的概率等。

微光夜視系統的工作過程是光電陰極對目標和背景反射光譜積分[5]，產生的光電流為：

式中：()是光源的相對光譜密度分布；m是光源的相對光譜密度分布的峰值；()是目標對光源的光譜反射比；()是光電陰極的相對光譜響應；m是光電陰極的相對光譜響應的峰值；1、2是光電陰極敏感范圍的下、上限波長。

初始對比度為：

式中：1、2分別是目標和背景產生的光電流值；1()、2()分別是目標和背景對光源的光譜反射率。

軍事觀察中，暗綠色漆和綠色草木往往是典型目標和背景，在月光條件下其產生的電流相對值如圖2。

圖2 光電陰極對綠色草木和暗綠色漆的光電流的比較

提高對比度有助于更快地發現、識別目標，所以最佳光譜匹配技術的關鍵是研究合適的光譜分割點（c）使對比度增大，采用的原則是對比度反轉最大原則[6]，即下式最大：

通過計算機計算可得到，分割點位于510nm、580nm和700nm附近。在波長大于700nm時，人眼的光視效率變得很低，為了使得到的圖像色彩更接近人眼的視覺，將波長大于700nm的部分予以截止。根據以上計算實際制備的短波、中波、長波濾光片光譜的光譜透過率如圖3中1、2、3所示。濾光片在相應波段的透過率都超過或者接近80%，其透過率滿足實驗要求。

2.2 色輪的窗口數

將反射光譜分為“R”、“G”、“B”三原色分別進行放大、再進行合成，理論上可以合成任意顏色。加入濾光片會降低像增強器的信噪比，通過計算濾光片加入前后信噪比存在式(4)的關系[7]：

式中：(S/N)、(S/N)1分為加入濾光片前后像增強器信噪比；l1、l2分別是像增強器敏感波段的上、下限；t(l)為濾光片的透過率；計算可得到短波、中波、長波濾光片加入前后信噪比之比約為0.267、0.251、0.347。加入濾光片嚴重降低了像增強器的信噪比，將導致采集到的圖像噪聲過大抑制圖像探測。為了克服這種情況，在原有3個窗口的基礎上增加一組全波（W）窗口，即透全波。所以，色輪的窗口個數是4個，如圖4所示：R、G、B和W。

2.3 色輪轉速及尺寸要求

當圖像的轉換速度大于25幀/s的時候，人眼就認為是連續圖像。色輪每旋轉一圈完成一幅完整圖像的采集。所以，色輪每秒旋轉25圈，每圈40ms。一幅完整的圖像由兩個步驟完成：一，R、G、B三幀圖像合成一幅彩色圖像；二，彩色圖像和全波圖像疊加。為了使獲得的圖像更逼近真實色彩，又不至于采集到的圖像太暗或者太亮，R、G、B和W的曝光時間為1:1:1:1，即單幀曝光時間為10ms，通過設置CCD探測器的曝光時間實現同步采集。色輪窗口的尺寸應與像增強器陰極匹配以保證照射在光陰極上的光都經過濾光片的濾波。

2.4 電機和轉速要求

電機驅動色輪旋轉，對電機的要求有：轉速的穩定性要好，電機的轉速要求為1500fps，并且能夠保持穩定；轉軸要穩定，否則會影響圖像真實色彩的還原和圖像精度；像增強器一般采用電池供電，電機的驅動電壓最好為12V，有利于設備的集成；電機的體積和重量應盡可能的小，有利于設備的小型化。

2.5 熒光屏與CCD光電陰極耦合

熒光屏與CCD探測器光電陰極的耦合方式有兩種：光纖耦合和透鏡耦合[8]。光纖耦合是利用光纖光錐或光纖面板將像增強器熒光屏輸出的圖像耦合到CCD光電陰極上，其主要原理都是基于光纖的傳光特性。光纖耦合的優點是熒光屏的光能利用率較高，體積小，畸變小等，缺點是成本較高、耦合時幾何對準困難和光纖元件本身的瑕疵造成光能損失。透鏡耦合是通過透鏡將像增強器的輸出圖像耦合到CCD光電陰極，透鏡耦合具有調焦容易，成像質量高的特點，缺點是體積較大、光能利用率、系統有雜光干擾等缺點。

在實際的應用中，采用光纖耦合方式具有價格高，操作復雜的不利因素，綜合考慮性能、價格比，實驗采用透鏡耦合的方式，如圖5。

圖5 中繼透鏡組照片

2.6 熒光屏與CCD光電陰極光譜匹配

在三波段真彩色夜視系統中，熒光屏發出的光由下級CCD光電陰極接收。因此，對熒光屏的發射光譜就有一定的要求，即必須與CCD光電陰極的光譜較好匹配。

光電陰極對光源的積分響應與其峰值響應的比例關系稱為光電陰極同輻射源的光譜匹配系數。其數值表示光源的輻射通量被光電陰極接收的利用率。匹配系數越大，則表明光源的能量利用率越高。表1所列出部分常見熒光屏與光電陰極光譜匹配系數的近似值[9]。

表1 熒光屏與光電陰極光譜匹配系數

從表1數據可看出，P11熒光屏與S11和S25光電陰極、P31與S25光電陰極都有較大的光譜匹配系數。除了要考慮匹配系數以外，還要兼顧其他特性參量：發光效率、余輝等。P31的發光效率要大于P11，兩者的余輝時間相近且都不大于0.1ms。S25光電陰極的典型光響應度為200mA/lm，遠大于其他材料[9]。因此，像增強器熒光屏材料為P31，像增強器光電陰極材料為S25。根據以上理論分析，選用的像增強器型號為1XZ18/18WS-7，其主要參數表2所示。

表2 像增強器主要參數

3 實驗結果及分析

利用上述單通道3波段彩色夜視系統在室內及室外進行了實驗，實驗的主要目標為設定的實驗場景、綠色草木、表面涂有紅色顏料的建筑，其照度條件分別是0.268 lx，0.135 lx，0.142 lx。實驗采集到的結果如圖6所示，其中(a)、(b)、(c)、(d)分別為全波、短波、中波和長波圖像（圖中中間部位的黑色線條是物鏡自帶的分劃板所致）。從圖中可以看出，短波圖像能明顯的區分白色等淺色區域，對于其他顏色則不敏感；中波圖像能夠反應目標整體輪廓，局部有所突出，其他具體細節不明顯；長波圖像對于目標整體顏色強度有明顯的反應，亮度較短波和中波高。

圖6 實驗圖像

圖7 融合圖像

微光圖像對比度低，經過線性增強、融合，得到的結果如圖7。通過將圖7中的融合圖像與圖6的原始微光圖像對比，在分辨率方面，融合圖像對于不同目標之間的紋理、邊界顯示得更為清晰。在色彩還原方面，圖像較真實地顯示了目標的真實、自然色彩，與人的長期記憶中的色彩相近顏色協調性較好，可以較好地避免由于長時間觀察帶來的疲勞感。同時，融合圖像增強了目標景深，目標和地面、樹木和草地、樹木和墻體等的層次比較明顯，有利于快速地識別目標、判斷地形等。因此，單通道三波段彩色夜視系統的設計方案具有一定的應用價值。

4 結論

通過對單通道三波段彩色夜視系統的原理分析，設計出了系統的原型結構并利用該系統進行了相關的實驗，實驗表明本文的設計能夠在一定照度條件下實現色彩還原較為真實的彩色夜視。受制于像增強器性能、熒光屏與CCD的耦合方式等因素，系統在更微弱光照的條件下的實用性存在困難以及對動態目標探測存在不足，這些問題都是以后的工作中需要進一步研究優化的。

[1] 楊少魁, 劉文. 一種微光與紅外圖像彩色融合方法[J]. 紅外與激光工程, 2014, 43(5): 1654-1659.

YANG Shaokui, LIU Wen. Color fusion method for low-level light and infrared images[J]., 2014, 43(5): 1654-1659.

[2] 張闖. 單通道雙譜微光彩色夜視技術研究[D]. 南京: 南京理工大學, 2007.

Zhang Chuang. Low light level color night vision technology study on single-channel and dual-spectrum [D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2007.

[3] 俞飛. 微光雙譜單通道彩色夜視技術[D]. 南京:南京理工大學, 2013.

Yu Fei. Low light level dual-spectrum color night vision technology [D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2013.

[4] 王永仲. 現代軍用光電技術[M]. 北京: 科學出版社, 2003: 31-32．

Wang Yongzhong.[M]. Beijing: Science Publishing Company, 2003: 31-32.

[5] 汪貴華. 光電子器件[M]. 北京: 國防工業出版社, 1988: 79-83．

Wang Guihua.[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1988: 79-83.

[6] 柏連發, 陳錢, 孔捷, 等. 紅外與微光圖像融合技術研究[J]. 紅外與毫米波學報, 1999, 8(2): 47-52.

Bai lianfa, Chen Qian, Kong Jie, et al. Fusion technology for infrared and low light level images[J]., 1998, 8(1): 47-52.

[7] 秦飛, 馬泳. 微光圖像彩色合成的信噪比分析[J]. 海軍工程大學學報, 2004, 15(4): 86-88．

Qin Fei, Ma Yong. SNR Analysis of Color Synthesis of Low Light Image [J]., 2004, 15(4): 86-88.

[8] 田金生. 微光像傳感器技術的最新進展[J]. 紅外技術, 2013, 35(9): 527-534．

Tian Jinsheng. New Development of Low Light Level Imaging Sensor Technology [J]., 2013, 35(9): 527-534．

[9] 白廷柱, 金偉其. 光電成像原理與技術[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2006: 130-131.

Bai Tingzhu, Jin Weiqi.[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2006: 130-131.

Experimental Study on Single-channel Triple-spectrum Color Night Vision System

CHEN Yichao1，HU Wengang1，WU Dongsheng1，HE Yongqiang1，ZHANG Dongxiao1，HE Yunfeng2

(1.,,050003,;050081,)

Low-light level night vision device produces black and white images, which isn’t conducive to long time observation of human eyes. To solve this disadvantage, a night vision system of single-channel triple-spectrum is put forward. Working principle of the color night system is introduced briefly And the design method of the system is discussed. The spectral transmittance of filters, the number of color wheel windows, the coupling modes of fluorescent screen with CCD and other questions are calculated and analyzed. Color night vision experiment is done by color night vision system of single-channel triple-spectrum. The result shows that the system designed could produce color night image preferablly.

night vision system，true-color，triple-spectrum，single-channel，image intensifier

TN223

A

1001-8891(2017)01-0062-05

2015-02-02；

2015-06-29.

陳一超（1991-），男，碩士研究生，主要從事光電對抗與信息處理方向的研究。

軍械工程學院基礎研究基金項目（YJJXM12026）。