大气传输对激光主动夜视技术的影响.pdf

第4 0 卷第2 期2 0 1 0 年2 月激光与红外L S E RI N F R A R E DV 0 1 4 0，N o 2F e b r u a r y，2 0 1 0文章编号：1 0 0 1-5 0 7 8(2 0 1 0)0 2-0 1 2 4-0 5激光技术与应用大气传输对激光主动夜视技术的影响邓永丽1，一，叶超1 2，刘云1，秦莉1，王立军1(1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春1 3 0 0 3 3；2 中国科学院研究生院，北京1 0 0 0 3 9)摘要：讨论了大气消光作用对目标信号的衰减和大气后向散射对目标对比度的影响情况，从实用角度论述了大气消光的计算方法，得出常用几种波长激光的大气透过率情况，并分析了激光主动夜视系统中大气后向散射对图像对比度的影响。关键词：激光主动夜视；大气传输；大气消光；后向散射；对比度中图分类号：T N 2 2 1文献标识码：AI n f l u e n c eo fa t m o s p h e r i ct r a n s m i s s i o no na c t i v e一n i g h tv i s i o ni m a g i n gD E N GY o n g 1 i 1”，Y EC h a 0 1”，L I UY u n l，Q I NL i l，W A N GL i-j u n l(1 C h a n g e h u nI n s t i t u t eo fO p t i c s，F i n eM e c h a n i c sa n dP h y s i c s，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s，C h a n g c h u n1 3 0 0 3 3，C h i n a；2 G r a d u a t eS c h o o lo fC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s，B e i j i n g1 0 0 0 3 9，C h i n a)A b s t r a c t：T h ei n f l u e n c eo fa t m o s p h e r i ce x t i n c t i o no nt a r g e t sa n da t m o s p h e r i cb a c k s e a t t e r i n go nt h ec o n t r a s ta r ed i s c u s s e d Ap r a t i c a lc a l c u l a t i o no ft h ea t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ti si n t r o d u c e da l s o A n dS o m ea t m o s p h e r i ct r a n s m i t t a n c e so fd i f f e r e n tw a v e l e n g t hl a s e ra r ed r a w i n g t h ei n f l u e n c eo ft h ea t m o s p h e r i cb a c k s c a t t e r i n go na c t i v en i g h tv i s i o ni m a g eq u a l i t yi sa n a l y z e df i n a l l y K e yw o r d s：l a s e ra c t i v en i g h tv i s i o n；a t m o s p h e r i ct r a n s m i s s i o n；a t m o s p h e r i ca t t e n u a t i o n；b a c k s c a t t e r i n g；c o n t r a s tl引言夜视技术根据有无照明光源有被动式和主动式之分。被动式由于其受天空背景照度、气象条件和目标温度对比度等条件限制，作用距离有限，不能满足远距离成像的需要。而主动式红外成像技术利用大功率半导体激光照明器耦合像增强器能克服上述缺点，广泛应用于目标的探测与识别中【l-2 。可全天候和远距离工作是主动成像技术最突出的优点。在主动式成像系统中，激光器发射的照明信号经过“大气一目标反射一大气”后，进入接收传感器并成像于荧光屏上。气象条件的好坏直接影响了系统的工作距离和成像质量，因此，研究大气对主动夜视系统的影响能优化系统结构、改善成像质量、提高系统功能。大气传输对成像质量的影响主要体现在以下几方面：1)大气的消光作用对照明信号的衰减；2)大气的后向散射作用引入了附加杂散信号，产生附加背景，从而降低了目标对比度；3)大气湍流使图像产生畸变和非等晕效应；4)回波信号间的相干干涉使得图像发生斑纹。对于均匀大气，只需考虑大气消光和后向散射作用对成像质量的影响。文中就这两方面展开讨论，得到几种波长下大气的透过率情况和大气后向散射对图像对比度的影响，并分析了距离选通技术在减弱后向散射方面的作用。基金项目：国家自然科学基金项目(N o 6 0 6 3 6 0 2 0)；国防基础项目(N o A 1 3 2 0 0 7 0 0 3 2)；长春光机所三期创新项目(N o 0 7 9 Y 3 2 M 0 7 0)资助。作者简介：邓永丽(1 9 8 3 一)，女，硕士，主要从事主动红外夜视技术的研究。E m a i l：a t t e y 1 2 6 C O l l l收稿日期：2 0 0 9-0 8 1 6；修订日期：2 0 0 9 1 0-1 0 万方数据激光与红外N o 22 0 1 0邓永丽等大气传输对激光主动夜视技术的影响1 2 52 大气的消光作用大气是由多种成分组成的光学介质，这些成分对通过其中的辐射产生吸收、散射、折射等作用，削弱辐射信号的强度，影响成像质量。对于均匀大气，消光主要由大气分子和气溶胶粒子的吸收和散射引起，辐射通量呈指数衰减，满足：咖=咖o e 一圳=咖o|r(1)式中，机为初始通量；|j 为大气衰减系数；f 为传输距离；r(r=4,4,。=e x p(一k 1)为大气的透过率，表征了此段路程上辐射能量的衰减程度。主动夜视多采用8 0 0 1 6 0 0n m 的近红外激光进行照明，此波段的分子散射【33 和气溶胶的吸收很小，而信号的衰减主要由H：0 和C O：分子的吸收和气溶胶散射引起。这样，大气的透过率可表示为H：0 的透过率丁啪，C O：分子透过率丁。o，和气溶胶的散射透过率_ r。之积H，即：丁=T H 2 0。r c 0 2。f。(2)2 1H，0 分子的吸收低层大气中水蒸气的吸收是主要的。一定大气路程内水蒸气对辐射的吸收通常用可降水量0 3 表示。通过某一温度的相对湿度日，和同一温度下海平面每千米路程的饱和凝结水量。(g c m 3)表示出水平路程为s 路程(k m)内的凝结水量(c m)为：=1 0 t o o 日，S(3)由于气压和湿度随高度而异，故上式还需进行适当修正拍】。其中湿度的修正系数为e 一肛(卢=0 4 5 k i n)，压强引起的修正系数为e 吨嘲6，故高度为h，水平路程为S(k m)的可凝结水量的厚度(等效到海平面后)为：t o=t o o H,e-0 4 56Xe。0 恻6 S=t o o 珥e 刮1 S(4)有时还需考虑斜程上水蒸气的吸收，此路径各高度吸收系数不同。若地面法线与此路程夹角为p，通过积分得从高度h，到h：上的可凝结水量为：rh 2。-05 1 5 4 d 2J l o 月r e t o面。一o J5 1 5 4h i 一。一0 5 1 5 4J 1 2=t O o 珥L 瓦币孑(5)根据凝结水量t o 值，查表可得水蒸气的透过率rH 2 0 5 J。2 2C 0 2 分子的吸收除去水蒸气，二氧化碳是大气吸收辐射能量最多的成分，同样的，C O：分子的吸收进行高度与密度的修正后为：K=K h e 乩1 96 P n 1 2 3h=I(h e 一0 3 1 36(6)式中，c 为将 高度上传输路径折算为海平面后的路径长度；，c。为h 高度上传输路径；第一个指数项为吸收本领随高度的修正项，第二个指数项为密度随高度的修正项。对于从高度为h，到h：，天项角为0 的斜程，同样地有：e o 3 1 3 1 一e O 3 l K 2 百酉磊矿L7，计算出二氧化碳的海平面有效路径长度后，即可确定二氧化碳的透过率下。o，(A)。2 3气溶胶的散射对于近、中红外波段的激光大气传输衰减分析中，波长处于大气窗口时，辐射的衰减主要由气溶胶散射引起。大气的散射计算较复杂，实际应用中，常利用气象能见度尺，来简化计算。海平面上能见度屁，与衰减系数J B 的关系为：1Q 1，卢=气产(8)对上式进行波长修正得到：卢=半一般，A。取0 5 5 斗m，波长修正因子g 视能见度而定：R，2 0k i n)时，q 取1 6。同样，气溶胶的密度随海拔高度而变化，需进行高度上的修正1J，即：卢=岛(器)(1 0)其中，N(h)，N(0)分别为h 高度和海平面上气溶胶分子的浓度；(h)=0 e x p(一h h。)；h。为特征高度，与气候有关。几种能见度条件下，特征高度和气溶胶衰减系数分别如表1 和表2 所示。因此，h 高度上气溶胶的透过率为：7。=e x p【一3 R 9。1 2(0 A 5 5)9 尺e-(h h。)】(1 1)7 2 既p【一R。A。rJL)表I不同地面能见度条件下的气溶胶特征高度能见度k m3I581 01 32 5h o k mo 9 0 卜9 91 1 01 1 51 2 31 4 5表2 几种能见度下的衰减系数后(单位：k m 一)波长“0 8 0 81 0 6 41 5 4 0标准晴朗R v=2 3k m0 0 9 1 90。0 5 9 50 0 3 2 8轻雾R y=1 0k m0 2 3 7 30 1 6 5 90 1 0 2 6中雾R y=5k m0 5 3 2 50 4 0 4 30 2 7 9 3 万方数据1 2 6激光与红外第4 0 卷3 大气对主动夜视系统的影响对于一般主动红外成像系统来讲，在远距离观察时，光源光轴常接近系统光轴。光源发出的光在进入接收装置前，除受大气双程的衰减外，还有一部分后向散射辐射也进入接收系统，这相当于产生一附加背景，降低了对比度和清晰度，特别当大气状态不好或超远距离工作时图像可能被后向散射淹没，从而严重影响了系统正常工作J。后向散射对系统的影响主要表现为对目标对比度的影响”-8J。如图1 所示，考虑接收器立体角力内的大气的后向散射情况。假设照明器发射功率为P，光束发散立体角蜴。的光强为，0(I o=舢i。)，照明器与接收器视场的重叠始于凡，终于目标尺。处，其间某一位置尺处d 尺长度内的辐射衰减量为如。d 妒=一，0 力k 一柚d R(1 2)幽1 主动照明不蒽囝大气对辐射的散射在空间以内有一角分布盯(0)，后向散射考虑的是0=1 8 0。的情况，此时衰减系数k 后为：I|后2J o (1 8 0。)d o 2 争(1 3)式中，墙为物镜对此散射元的接收立体角，骗=霄D 2 R 2，D 为物镜口径。由此得到d R 路程上后向散射通量为：a 4,后=厶磁后e-搬d R=，o 力毒,4 r r 彤D 2 e 枷d 尺(1 4)这部分后向散射在进入接收系统前还要经过大气的再次衰减，则上式修改为：d 4,后：百l o O D Z k 旨-2 k R d 尺(1 5)后2 1 r 可d R(1 5)物镜接收到的总后向散射为从R。到R。整个路程散射通量之和，即：咖后=2 郴后=饯R1 I o 1 0 r 2 k 爷-2 k R d R(1 6)化简后得：忙警：筝d R(1 7)假设景物立体角兀n 内，景物为朗伯面，目标的反射率为P。，与目标相邻背景反射率为P。，有：”“舻砜羔(1 8)4,t=P b 沙砜羔(1 9)考虑后向散射影响时，目标对临近背景的表观对比度C。为：r 一!尘!尘重2 二!垒!垒厦!。9 一(币。+币后)+(咖6+币后)=C o(百獗)(2。)其中，c o 为目标与背景间的固有对比度C。=f P _ tm P b l，由于大气的后向散射作用，目标的对比度恶化为：瓦e l l=(+篇i R,e-Z。R d R I(2 1)式(2 1)变形得到：纠+訾等可e-2 k R d N J“(2 2)在主动照明系统中，广泛采用距离选通技术以削弱大气后向散射的影响。通过采用短脉冲光源配合以选通型工作像管，以时间的先后分开有用的景物反射光和影响对比度的大气后向散射光，从而很大程度地减小了后向散射对成像系统的影响。4 讨论对于主动照明系统的信噪比的表述式如下：S N R2 赢M T F(2 3)E f=4 l o R p：,(玎DIr，(r J C)(2 4)式中，M T F，为系统总调制传递函数，包括物镜、像管、电子线路和显示器等；N E I 为S N R=l 时噪声等效照度；E 为目标的输入照度；r，为接收系统的透过率；大气透过率r。和目标表观对比度c 体现了大气对目标信号的影响。主动夜视系统中，大气传输对激光能量的衰减作用是非常显著的。H：0 子的消光作用如图2 所示。随着大气中水蒸气含量的增加，透过率急剧降低；另一方面，近红外的0 8 0 8 肛m，1 0 6 4 斗m 和1 5p,m 的辐射中，H：O 分子对波长1 5 4 0 斗m 的辐射吸收率低，其辐射透过高，有利于夜视成像。从图 万方数据激光与红外N o 22 0 1 0邓永丽等大气传输对激光主动夜视技术的影响1 2 73 的C O：的透过率曲线中可以发现，近红外波段C O：分子对大气消光影响很小，对0 8 0 8 斗m 和1 0 6 4 斗m 几乎完全透明，即使对1 5 4 0 m 的光源，当传输距离达1 0 0 0k m 时，C O，的透过率也高达0 9 2 7。选择主动照明激光器时，应选择在大气窗口，尽量避开表3 所示一些吸收峰旧J。1 0 01 0 t1 0 21 0 3水蒸气含量(可降水毫米数)m图2 水蒸气含量对透过率的影响曲线表3H：O 及C O：对可见光和近红外区主要吸收谱线吸收分子主要吸收谱线中心波长岬O 7 20 8 20 9 30 9 41 1 31 3 81 4 61 8 7H 2 02 6 63 1 56 2 61 1 71 2 61 3 51 4 3C 0 21 41 62 0 54 35 29 41 0 4一一弑i 0i：I一一=1 _ I传输距离k m图3C 0 2 透过率曲线糕=誊二：|：I 黧擘鞯辜二#享二#二暑：|：二：李：图4 为气溶胶散射对透过率的影响曲线图。尺。取中等能见度(R。=1 0k m)情况。由图可知，气溶胶是大气消光作用的主要因素之一。同样，波长为1 5 4 0 斗m 时比0 8 0 8p m，气溶胶的透过率高。波长1 5 4 0I x m 的激光不仅在大气透过率方面有优势，同时，具有更好的隐蔽性和更高的安全性，将是未来夜视技术的主要发展发向【lo|。大气对主动夜视系统另一个影响表现在此大气的后向散射降低图像的对比度。如图5 所示，当采用波长0 8 0 8“m 照明时，若有效空气柱长度A R 达2k m 时，对比度降为原来的1 1 0；而对于照明波长为0 1 5 4 仙m 时，A R 为3 6k m 左右时，对比度衰减为原来的1 1 0。由此可见进行远距离探测时，大气后向散射可能完全淹没目标信号，致使系统无法工作。因此，要进行远距离成像就必须有解决大气后向散射的问题。l O 一-lo-1 0-被照亮的大气柱长度M U k m图5 大气后向散射对成像对比度的影响在主动照明系统中，广泛采用时间标注法分离目标回波和大气后向散射杂波。距离选通技术通过采用短脉冲光源照明，配合以选通型工作像管，以时间的先后分开目标信号和影响对比度的大气后向散射信号。假如光源脉冲宽度为r，任一时刻被照亮的大气长度为下。，信号经过双程传输，接收的大气长度仅为丁。2，大大削弱了后向散射的影响。对于搜救、监视的夜视成像大多采用大功率半导体激光器阵列光源，光源脉冲宽度一般为0 1 2 斗s，这样接收器接收到的大气长度仅为几十米到数百米，此时后向散射的影响很小。2 0 0 7 年美国O B Z E R V 夜视技术公司采用8 6 0n m 8 0 8n m 双波长半导体激光器耦合三代选通I C C D 的A R G C 一2 4 0 0系统，对车辆、人及车牌的识别距离分别为1 0k m、5k m 和2k m。而在距离选通夜视技术方面，我国尚嘲聪隧麓嘲矧翟州黼谶：斗；：fI；斗；：了；Y译：坤K憋硐讨一HH搬蛾谢量4o丽兰兰搿兰三兰兰豢憾错榭蟹|萼爝焉强秘豫豫翮黼霞一蕊：+-：坤；：t；斗：I二：+；：，；1i”；：”；+；p：；小；：；i：下工；：小；：i1一一一一一1。r_-，。-。-。_J，Lm v98765432l lO0O0OOOOO爵捌蝌暑卅隶*987654320毗8I6丑魁丑茛OOOO0OO0O井魁煅暑。8OO00OO0OO鼍捌蝌g警臻矿 万方数据1 2 8激光与红外第4 0 卷处于理论研究和实验验证阶段。5 结束语大气对激光主动夜视成像的影响主要体现在对激光辐射能量的衰减和对图像对比度的降低上。文中讨论了均匀大气的影响，从实用角度论述了大气消光的计算方法，得出几种常用波长激光的大气透过率情况，并分析了激光主动成像中大气后向散射对图像对比度的影响，对主动红外成像系统有一定指导作用。参考文献：2 3 K e v i nJS n e l l。A n d r eP a r e n t，M a r cL e v e s q u e，e ta 1 A c t i v er a n g e-g a t e dn e a r-I RT Vs y s t e mf o ra l l w e a t h e rs u r v e i l-l a n c e J P r o c S P I E，1 9 9 7，2 9 3 5：1 7 1 1 8 2 杨玉兰，孙金霞，付国柱主动成像系统中大气后向散射的分析和处理 J 液晶与显示，2 0 0 9，2 4(1)：3 3 1 3 3 4 周国辉，刘湘伟，徐记伟一种计算红外辐射大气透过率的数学模型 J 红外技术，2 0 0 8，3 0(6)：3 3 1 3 3 5 4 于继平，齐文宗，郭春风，等激光大气传输特性的数值模拟 J 激光与红外，2 0 0 8，3 8(6)：5 2 3 5 2 7 5 张敬贤，等微光与红外成像技术 M 北京：北京理工大学出版社，2 0 0 1：1 1 2 1 1 6 6 吴晗平红外辐射大气透过率的工程理论计算方法研究 J 光学精密工程，1 9 9 8，6(4)：3 5 4 2 7 宋正方应用大气光学基础 M 北京：气象出版社，1 9 9 0：1 1 6 3 8 R i c h a r dLE s p i n o l a，B r i a nT e a n e y，Q u a n gN g u y e n，e ta 1 A c t i v ei m a g i n gs y s t e mp e r f o r m a n c em o d e lf o rt a r g e ta c q u i-s i t i o n J P r o c S P I E，2 0 0 7 6 5 4 3：6 5 4 3 0 T l 一6 5 4 3 0 T 一1 2 9 王祥科小型化激光主动成像系统研究 D 长沙：国防科技大学，2 0 0 6。1 0 M a r t i nHE t t e n b e r g，R o b e r tMB r u b a k e r，M i c h a e lAB l e s s i n g e r，e ta 1 A3 2 0 2 5 6I n G a A sC a m e r af o rR a n g eG a t e da n dS t a r i n gA p p l i c a t i o n s J P r o c S P I E，2 0 0 5，5 7 8 3：2 1 3 2 万方数据大气传输对激光主动夜视技术的影响大气传输对激光主动夜视技术的影响作者：邓永丽，叶超，刘云，秦莉，王立军，DENG Yong-li，YE Chao，LIU Yun，QIN Li，WANG Li-jun作者单位：邓永丽,叶超,DENG Yong-li,YE Chao(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院研究生院,北京,100039)，刘云,秦莉,王立军,LIU Yun,QIN Li,WANGLi-jun(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033)刊名：激光与红外英文刊名：LASER&INFRARED年，卷(期)：2010,40(2)参考文献(10条)参考文献(10条)1.王祥科 小型化激光主动成像系统研究 20062.Richard L Espinola;Brian Teaney;Quang Nguyen Active imaging system performance model for targetacquisition 20073.宋正方 应用大气光学基础 19904.吴晗平 红外辐射大气透过率的工程理论计算方法研究 1998(04)5.张敬贤 微光与红外成像技术 20016.Martin H Ettenberg;Robert M Brubaker;Michael A Blessinger A 320256 InGaAs Camera for Range Gatedand Staring Applications外文期刊 20057.于继平;齐文宗;郭春风 激光大气传输特性的数值模拟期刊论文-激光与红外 2008(06)8.周国辉;刘湘伟;徐记伟 一种计算红外辐射大气透过率的数学模型期刊论文-红外技术 2008(06)9.杨玉兰;孙金霞;付国柱 主动成像系统中大气后向散射的分析和处理期刊论文-液晶与显示 2009(01)10.Kevin J Snell;Andre Parent;Marc Levesque Active range-gated near-IR TV system for all-weathersurveillance外文期刊 1997 本文链接：http:/