基于EMCCD的單兵綜合偵察儀設計及作用距離研究

陳遠金，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計及作用距離研究

陳遠金1,2，張猛蛟1,2，戴 放2，梁宛玉2，劉 彬2

（1. 北京理工大學，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正得到越來越廣泛的應用。本文將EMCCD組件應用于單兵綜合偵察儀中，滿足了裝備晝夜探測的需求。同時根據(jù)約翰遜準則，考慮系統(tǒng)的光能量傳遞特性和目標在靶面上的壓行數(shù)等因素，理論估算出其作用距離。通過試驗結果表明理論估計的正確性，驗證了EMCCD晝夜通用的性能，為裝備選型提供依據(jù)。

光電成像技術；EMCCD；單兵偵察；距離估算

0 引言

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

EMCCD技術的應用始于本世紀初。上世紀90年代，美國和英國的技術人員發(fā)現(xiàn)利用CCD器件電荷轉移過程中的雪崩倍增機制能夠實現(xiàn)微弱信號的放大，于2001年實現(xiàn)了原理驗證，美國德州儀器公司（TI）和英國E2V公司相繼推出了“Impactron-CCD”和“L3CCD”產品（EMCCD器件和相機，如圖1所示）。

圖1 EMCCD器件和相機

隨著EMCCD技術的逐步成熟，英美各國在軍用光電系統(tǒng)中加快了該技術的應用步伐，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、機載、艦載、地基和單兵裝備中得到廣泛的應用[1-5]。

華東光電集成器件研究所（以下簡稱華東光電所）作為國內較早開展EMCCD技術研究的單位，采用自主知識產權的EMCCD器件和相機，首次實現(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行了演示應用。本文將基于演示試驗的結果，探討基于EMCCD的偵察裝備作用距離估算的問題。

1 基于EMCCD的單兵綜合偵察儀設計

單兵綜合偵察儀是一種典型的陸軍偵察探測裝備，傳統(tǒng)設計方案通常采用白光CCD電視系統(tǒng)與微光夜視系統(tǒng)結合，滿足晝夜偵察探測需求。而采用EMCCD技術后，僅需一套EMCCD組件即可滿足偵察儀全天時的作戰(zhàn)需求。

EMCCD探測器光譜響應范圍是350～1050 nm（如圖2所示），在近紅外波段的響應較高。因此與普通CCD探測器相比，EMCCD具有更強的夜間探測能力。為了保證產品晝夜觀察效果，充分利用組件探測探測能力，同時兼顧光學系統(tǒng)成像質量、體積重量，所以在偵察儀的設計中，選取EMCCD探測器響應較好的400～950nm波段作為光學系統(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，實現(xiàn)晝夜通用偵察功能?；贓MCCD的單兵綜合偵察儀由EMCCD探測組件、激光測距部件、北斗接收機、定向測量單元、顯示部件、電池和主控板組成，其外形構造如圖3所示。

2 作用距離估算

根據(jù)EMCCD測量技術和工程實踐經(jīng)驗，為確保對目標的可靠測量，通常要求系統(tǒng)滿足兩個條件：其一，目標的表面光譜輻射能量經(jīng)過大氣傳輸，到達接收光學系統(tǒng)EMCCD像面的照度要大于探測器像面的最小照度；其二，目標在EMCCD靶面上的成像尺寸應滿足人眼的識別要求，亦即滿足約翰遜準則。

圖3 單兵綜合偵察儀整體結構圖

2.1 系統(tǒng)的光能量傳遞特性與作用距離的關系

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

則有：量子效率表征了產生的光電子數(shù)和接收到的光子數(shù)的比例，而輻射響應靈敏度表示探測器輸出信號電流（由產生的光電子形成）和接收到的輻射功率之比[6]。它們其實是統(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。

實際上/就是光子能量的表達式。根據(jù)以上分析可以推導出探測器的量子效率和輻照度響應靈敏度/(W/m2)的關系：

則探測器的量子效率和光照度響應靈敏度min(lx)的關系如下式：

設目標在CCD靶面上的壓行數(shù)為，則目標在靶面上的像斑面積為2，則目標在靶面上引起的照度表達式如下：

又因為光在傳輸?shù)倪^程中，要受到大氣以及光學系統(tǒng)的衰減，則對上式修正如下：

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

由此式可得下式：

2.2 目標在靶面上的壓行數(shù)與探測距離的關系

由幾何光學可知，目標高度、目標距離、物鏡焦距、目標在靶面上的像高滿足以下關系式：

即：

則由比例關系可計算得到目標在CCD靶面上的壓行數(shù)表達式：

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，約翰遜把視覺辨別分為4大類：探測、定向、識別和辨認。約翰遜準則就是以目標最小尺寸在光學系統(tǒng)張角內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%概率等級下，識別需要的條紋周期數(shù)為4，亦即識別時，要求壓行數(shù)為8。

針對本EMCCD偵察儀，假定大氣透過率1與光學透過率2皆為0.6，目標反射系數(shù)為0.2，對于典型的坦克目標，可以簡化為2m×4m的目標，當物鏡口徑為100mm，焦距為180mm，波長取500nm，量子效率取0.8，則由上面兩式計算得出的最大作用距離如表1所示。

表1 EMCCD偵察儀對坦克識別的理論計算值

3 作用距離試驗結果與分析

2015年，采用EMCCD組件的單兵綜合偵察儀在某試驗場進行了外場試驗，采用的目標為59式坦克。試驗設備和坦克目標如圖4所示。

其中的實測探測視頻截圖如圖5所示。

圖4 被試EMCCD偵察儀與坦克目標（上左、右：單兵綜合偵察儀外場實驗現(xiàn)場；下左：EMCCD組件；下右：T59坦克目標）

圖5 EMCCD偵察儀實測結果（左：白晝6km；中：黃昏4km；右：夜間1.5km）

針對典型的坦克目標，實測的識別作用距離結果如表2所示。

表2 EMCCD偵察儀實測對坦克目標識別距離

從EMCCD偵察儀的實測結果看，能夠得到以下結論：

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系統(tǒng)的分辨力，且EMCCD偵察儀作用距離理論結果與實測非常接近，可以用于距離估算；

2）在光線相當較差時（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，可對成像信噪比有相當高的提升，從而實現(xiàn)與白晝一般的成像質量，對于此時的作用距離，一般而言，可以簡化估算作用距離約為白晝時的2/3～3/5；

3）在光線較差時（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可以產生1000倍以上的倍增增益，因此圖像質量被調節(jié)到可接受的范圍，此時的作用距離，可以簡化估算約為白晝時的1/5～1/4。

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

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

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

4 結束語

除去單兵綜合偵察儀外，在單兵用輕武器瞄準具方面，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、微光像增強器或ICCD瞄鏡、或者非制冷熱像儀瞄鏡等設計方案。對士兵來說，要執(zhí)行白晝到夜間的作戰(zhàn)任務，需要背負多個瞄準具，會影響到單兵的機動性能；同時，在不同的環(huán)境照度下，不同瞄鏡的互換和插拔，會嚴重影響士兵對武器的使用，并且增加了插拔誤差，影響到瞄具的使用精度。

在頭盔光電設備方面，包括頭盔安裝顯示系統(tǒng)，也以微光像增強器（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。

通過已完成的EMCCD單兵綜合偵察儀的演示任務，已完全驗證了EMCCD在晝夜條件下的性能，可預見其將會成為單兵偵察領域的重點發(fā)展方向，在軍用領域具備廣闊的應用前景。

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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。

陳遠金（1983-），男，高級工程師，主要研究方向是EMCCD器件設計及其應用。