微光夜视仪的视距计算

微光夜视仪的视距计算

摘要：微光夜视仪最大作用距离是一个非常重要的性能指标, 它决定着观察、瞄准距离的远近。本文通过测量和分析物镜、像增强器和目镜等的性能参数,建立微光夜视仪的最大作用距离S的计算模型,以及考虑到大气衰减系数K的数据拟合，提出实用的计算S的公式，用于指导微光夜视仪的设计或衡量性能的标准[1]。关键词：微光夜视仪，探测距离，物镜，像增强器，分辨率，大气衰减系数

引言：

一般说来, 光学系统的鉴别率主要影响其成像质量。然而, 夜视系统则不同, 微光夜视系统的鉴别率不仅与系统的成像质量相关, 而且与微光夜视系统的野

外目标探测距离能力关系密切[3]。因此, 研究影响微光夜视仪鉴别率的各种因素, 对于提高直视微光夜视系统的性能大有好处。

正文：

一、微光夜视仪的分辨率

微光夜视仪是光电仪器, 它主要由物镜、像增强器和目镜组成, 它将微弱的可见光图像转化为电子图像, 将电子图像放大, 再转化为可见光图像。微光夜视仪能够弥补人眼某些方面不足, 具有重要的应用价值。由于光学系统的有限孔径而引起的衍射图样，使得点目标的像并不是一个点，而是一个艾瑞斑(如果孔径为圆形的话)，这就使光学系统的性能受到限制，使光学系统具有有限的分辨力，其分辨力由艾瑞盘的尺寸决定。让我们考虑一个光学系统，它对两个亮度相等的点目标成像。我们知道，每一个点目标的像均是一个艾瑞斑，如果两个点靠的很近，那么这两个衍射图样将重叠在一起.分不出是两个点。如果把两个点拉开到这样的距离，使得该两点经光学系统所成的像(两个艾瑞斑)，恰好刚刚能看出是两个点，那么我们就说，这两个点是可以分辨的。微光夜视仪最大作用距离是由系统分辨角决定,而分辨角又与物镜直径、目标对比度、输入信噪比及阴极光电灵敏度等有关。我们现在讨论两个点目标经过光学系统能够分辨的判断标准。微

α, 另一部

光夜视仪的分辨率α是由两部分决定: 一部分由光量子噪声决定的

k

α,

分是由整个系统性能参数决定的

T

22k T ααα+= (1)[2],

k α和T α可用光学传递函数计算。

1.计算k α

根据A.ROSE 理想成像器件与微光视觉理论可知, 在纯光量子噪声的限制下, 理想的k α表示为S

I D ∙∙∙=t e 2C k m k τα 式中, k 为输入最小信噪比, 通常在确定分辨可靠率(一般为50 % 或70 % ) 后, 由试验确定, 对于条形图形, k 0.5= 1.7;D 为物镜的有效孔径; C 为景物的对比度, 一般高对比度取C = 0.85, 相当于目标为坦克、背景为透空情况, 低对比度取C = 0.35, 相当于目标为坦克、背景为红土情况; e 为电子电荷量, 为c 10602.119-⨯;t 为系统的积累时间, 对人眼, 取t = 0.2s;S 为光敏面积分灵敏度,S = 2. 4×

10- 4 A

lm; m I 为景物的平均亮度, 有I m = ( I max+ I

min )

2 ; w τ 为物镜的透过率[4]。

2.计算T α

假定目标为全扩散表面, 光照度为E , 目标漫反射率为Q, 则目标反射的光亮度I 可表示为

E I ρπ)1(=(2)通过微光夜视仪观察目标时, 人眼观察到的目标亮度I ’表示为

m w 2w al f e 41ττρ⎥⎦⎤⎢⎣⎡='-D E G I (3) 式中, G 为像增强器的亮度增益, 单位为lx m cd 2-⋅,a 为大气衰减系数, 由目标到仪器的距离为1km ,大气的透射比为-at e ,w f 为物镜的焦距;w τ为物镜的透过率;m τ为目镜的透过率。

在忽略大气影响的情况下, 通过仪器观察到的目标像对比度C ’表示为 C M C ⋅=' (4)

式中M 为光学传递函数, 有M = M w ·M m ·M g,M w 、M m 和M g 分别为物镜、目镜和像增强器对应空间频率的传递函数。微光夜视仪的M 可由光学传递函数测试仪测得。

根据目标的亮度、对比度与人眼的分辨率关系的实验数据,可用图1 三维立体图表示采用绝对误差最小二乘法逼近, 其关系为651.40783.20y x 83.001⋅=α(5) 根据目标亮度、对比度和人眼极限分辨角的三维关系曲线, 利用内插法求出

在亮度为0.25 asb 时, 对比度和人眼极限分辨角关系曲线, 即c-a 曲线。像增

强器阴极面的空间频率为μ, 物镜焦距为'w f ,把空间频率L 换算成所对应的系统

物空间夹角μa ，有）（'=w f 1a μμ,(6)以同样的比例画出μa c i -, 两条曲线相交

于一点, 所对应的角度值就是系统由传递函数所对应的角分辨率T a 。 二、 微光夜视系统的探测距离计算模型

根据科尔特曼公式，目标亮度B 、对比度C 和视角β三者之间存在着下述关系，

(7)

式中L:为目标亮度;T L 为背景亮度。又根据布格尔一罗伯特指数衰减定律:对于均匀大气层，辐射能的衰减符合指数衰减

ks i e -=φφ (８)

式中i φ为入射的辐射通量;中为通过S 厚大气层后的辐射通量;K 为衰减系数。K 大气的衰减与波长有关，衰减系数是波长的函数，这里考虑的是夜视仪工作波段(m .31~m .30μμ)的平均衰减系数。相应目标亮度和对比度经过距离S 后，表现亮度和对比度也呈指数衰减即:

KS B B -=e i ,-KS i e C C = (９)

代入(７)式中得 KS 23i e -=ββ (１０)

利用微光夜视仪观察目标时，描述对目标观测清晰的程度可分为发现、识别和看清状态，所对应的距离分别为微光夜视仪发现、识别和看清目标的最大作用距离。设目标的临界尺寸为H ，目标至观察系统的距离为S ，加上大气衰减的影响，

则目标对系统的张角β为: KS S H 23

-e =β (１１) 根据“等效条带准则”，发现、1、4、8对线，每一目标临界尺寸，识别和看清目标的空间频率分别为相应的分辨角应为: