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:
KS S H 23
e n =β (１２) 式中n 为发现、识别和看清目标所需的空间频率。
用系统分辨率角α代替式(１２)中的β，求出大气衰减系数K ，即可算出仪器对该目标的最大作用距离(包括发现、识别和认清三种距离)。
三、 最大距离的计算
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、识别和看清目标最大作用距离, 即视距为 α
n h =L (13) 式中, h 为目标的临界尺寸; n 为发现、识别和看清目标所需的空间频率。
根据“等效条带准则”, 发现、识别和看清目标的空间频率分别为1、4 和8对线, 即对应的n 分别取1、4 和8 值。
利用夜视仪分辨率α和确定气象条件后算出的大气衰减系数K ，通过（12）式
得方程 KS S H 23
e n -=α (13) 解方程可算出夜视仪在不同大气环境下的最大作用距离S 。
假如被观测的目标为人，观测清晰度标准为识别，目标临界尺寸以人体宽度计算，取H=0.5m ，用MATLAB 即可模拟出用于描述夜视仪在不同大气环境下的最大作用距离的三维图形。
通过该图可以直观地反映辨率、大气衰减系数和最大作用距离的关系。
最大识别距离的三维图像
总结：
微光夜视仪最大作用距离是一个非常重要的性能指标, 主要是由像增强器、光学系统决定的。
本文通过分析和研究微光夜视仪的技术参数, 对最大作用距离进行了估算,利用最大作用距离综合评判仪器的性能, 同时也可用于指导微光夜视仪的设计。
我国微光夜视技术近年来有了长足的进步,目前己能批量生产二代像增强器和微光夜视器材。
但是,总的来说,一直处于落后国外15年左右的状态[5],微光夜视设备大约有一个代间的差距,视距大约相差30%～50%. 估计相当一个历史时期内,我国的微光夜视产品与国外发达国家的微光夜视产品相比较,将基本上总是在性能上处于相对劣势。
因此,必须加强微光夜视技术的研究和试验,围绕提高性能、延伸光谱、增加距离、扩大应用等目标,结合新技术、新原理、新器件、新材料的研制,开发各种各样可能用于军事和民用的夜视仪器和设备,使我国微光夜视技术能够蓬勃发展,尽快赶上发达国家水平。
参考文献:
[1]韩彦中，王斧，赵熙林，微光夜视仪在不同大气环境下的观测距离的估算，2002（9）
[2]宋时宇，微光夜视视距研究，硕士学位论文，2006,12
[3]陈庆佑，红外夜视系统的鉴别率，红外技术，1994,3
[4] 牛燕雄,汪岳峰,雷鸣,张雏,陈德伟微光夜视仪最大作用距离的估算，光电
子·激光，2000（6）
[5]王丽,尚晓星,王瑛,微光夜视技术的新进展, 2007,9。