光電成像系統(tǒng)復習

光電成像系統(tǒng)基礎理論第一章：人眼視覺性能的局限性；靈敏度的限制：光線很差時人的視覺能力很差；分辨力的限制：沒有足夠的視角和對比度就難以辨識；時間上的限制：變化過去的影像無法存留在視覺上；空間上的限制：離開的空間人眼將無法觀察；光譜上的限制：人眼局限于電磁波的可見光區(qū)；因此，眼睛的直觀視覺只能有條件地提供圖像信息，為了突破人眼的限制催生了光電成像技術這門學科。擴展視見光譜范圍、視見靈敏度和時空限制。光電成像系統(tǒng)的分類以及各自的工作方式；直視型光電成像系統(tǒng)工作方式：①通過外光電效應將入射的輻射圖像轉換為電子圖像；②由電場或電磁場的聚焦加速作用進行能量增強以及通過二次發(fā)射作用進行電子倍增；③經過增強的電子圖像轟擊熒光屏，激發(fā)熒光屏產生可見光圖像。電視型光電成像系統(tǒng)工作方式：①接收二維的光學圖像或熱圖像，②利用光敏面的光電效應或熱電效應將其轉換為二維電荷圖像并進行適當時間的存儲，③然后通過電子束掃描或電荷耦合轉移等方式,輸出一維時間的視頻信號。變像管與像增強器的異同。變像管：接受非可見輻射圖像的直視型光電成像器件：紅外變像管、紫外變像管和X射線變像管等。共同特點：入射圖像的光譜和出射圖像的光譜完全不同，輸出圖像的光譜是可見光。像增強器：接受微弱可見光圖像的直視型光電成像器件：級聯式像增強器、帶微通道板的像增強器、負電子親和勢光陰極的像增強器等。共同特點：輸入的光學圖像極其微弱，經器件內電子圖像的能量增強和數量倍增后通過熒光屏輸出可見光學圖像。第二章：絕對視覺閾、閾值對比度、光譜靈敏度；人眼的絕對視覺閾所謂人眼的絕對視覺閾，是在充分暗適應的狀態(tài)下，全黑視場中，人眼感覺到的最小光刺激值(用照度表示，單位lx)，在10-9數量級。人眼的閾值對比度閾值對比度是指在一定背景下把目標鑒別出來所必須的目標在背景中的襯度(對比度C)。C的倒數成為反襯靈敏度。人眼的光譜靈敏度人眼對不同波長的光具有不同的靈敏度響應，不同人的眼睛，對波長靈敏度響應也有差異。在可見光區(qū)域內，任意波長與555nm波長處的輻射功率之比稱為光譜靈敏度，其構成的曲線就稱為光譜響應曲線。約翰遜準則對探測水平的分級及其各自的定義；

人眼在搜索目標像時，眼睛的連續(xù)響應可分為探測（發(fā)現）、定向、識別和辨別四個等級（探測水平）。探測視場內發(fā)現目標分辨力1.0左右定向可大致區(qū)分目標是否對稱及方位1.4識別可將目標分類分辨力4.0辨別區(qū)分型號及其他特征6.4Rand探測-識別模型。Rand模型（變量分離方法）：PR=P2P3①其中，PR是顯示器上目標的識別概率，P1是搜索一個確定的包含有目標的面積時，掃視到目標的概率；P2是掃視到的目標被探測的概率，稱為對比度探測；P3是探測到的目標被識別的概率；n是總的噪聲引起的衰減因子。Rand模型如何把搜索過程簡單化？探測一識別模型沒有考慮噪聲對P1、P2、P3影響，用總噪聲的衰減因子表示噪聲對識別概率的影響：1-exp「1-exp「SNR-1,snr“0,SNR：：1式中，SNR是輸出顯示信噪比。探測一識別Rand模型采用了分離變量的方法，使P1、P2、P3表示為不受噪聲影響的少數幾個參數的函數，并把噪聲項進行單獨處理，從而把問題簡單化。第三章:基爾霍夫定律及其物理意義;基爾霍夫（1859）定律：物體的發(fā)射本領e入或輻射出射度M和吸收本領a的比值與物體的性質無關，只與波長和溫度有關，都等于同一溫度下絕對黑體（a=1）的輻射出射度M0,即:基爾霍夫定律的物理意義基爾霍夫定律的物理意義:M1=M2=…=M°=fTa1a2吸收本領大的物體，其發(fā)射本領也大，如果物體不能發(fā)射某一波長的輻射能，那么它也不能吸收該波長的輻射能，反之亦然。2.輻射度量與光度量的聯系與區(qū)別;光輻射度量有兩套度量糸統(tǒng)：輻射度學和光度學。輻射度學建立在物理測量基礎上，是輻射能的客觀度量，不受人眼主觀視覺的限制，適用于整個光輻射范圍；輻射度學參數是純粹的技術參數，不涉及光對人類的影響作用，這些參數可從功率單位瓦特推導得到。光度學建立在人眼對光輻射的主觀感覺基礎上，需要考慮人眼的光譜響應曲線，是心理物理法的測量，不適用于紅外輻射、紫外輻射；光度學參數是從光通量單位流明推導得到。波長入的輻射通量P入和引起人眼感受的光通量①入的關系：G,-KmVP.對于某波段［入a,入b］的輻射功率所產生的光通量為：.bb式中，△入=入i-入i-1，是第i個波長區(qū)間的寬度。in紅外目標仿真器的基本要求；目前通過哪幾種技術途徑實現。紅外場景仿真器的6個技術要求溫度范圍溫度分辨力一紅外目標仿真器產生的最小溫差空間分辨力一紅外仿真器產生場景的空間分辨水平動態(tài)范圍(灰度級)時間分辨力⑹目標圖像尺寸紅外目標仿真的方法：熱輻射法：直接產生紅外輻射；通過溫度控制產生紅外輻射。可見光-紅外圖像變換法：用可見光-紅外圖像變換器將可見光進行波長變換，產生紅外圖像。視型光電成像系統(tǒng)第五章：像管的性能參數；光譜響應特性.增益特性背景特性成像特性負電子親和勢光陰極對于正電子親和勢光陰極，遷移到表面的受激電子必須克服電子親和勢才能產生光電發(fā)射，限制了這種類型光陰極的量子效率提高以及向長波長方向擴展。負電子親和勢能夠大大改善這兩個方面。光敏面發(fā)射電子過渡過程的分析(中心區(qū)電位的變化)；對于選通式的像管或者是連續(xù)像管在輸入突變的輻射信號時，在光敏面中心區(qū)將產生光電轉換的動態(tài)過渡過程：中心區(qū)因接受瞬間強輻射而失去大量的電子，由于面電阻高使得在此瞬間不能及時補充失去的電子，導致中心區(qū)的電位升高，從而造成光敏面上的電位不一致。規(guī)范化電位；規(guī)范化電位：表示選擇電子動能為零的地方作為電位的零點，的動能。電子光學系統(tǒng)軸上點和軸外點理想成像的討論對于軸上點，有r(z0)=0，咼斯軌跡方程解的形式為：用該規(guī)范化電位直接表示電子1rz[=rZorizrz0sz1=r(zo)a(z)對于會聚電子透鏡，電子受到向軸的徑向力作用，以單位斜率發(fā)射的電子沿z軸方向運動一段距離以后必交與z=zi點，所以有rzirz0r2zi0因此，軸上點z0的電子以單位斜率發(fā)射的特解成像于軸上點zi，根據二階線性齊次方程，其余不同斜率發(fā)射的電子也將成像于該像點zi。對于離軸點，并且考慮離軸單位距離平行發(fā)射電子的這個特解，高斯軌跡方程解的形式為：r乙］=rzori乙廠r'z°ri乙=rzoriZi即：物平面z=z0上的離軸點平行發(fā)射的電子成像于像平面z=zi上的某一點，根據二階線性齊次方程或者上式解的形式，物平面上該物點以不同的斜率發(fā)射的電子都將在像平面上會聚于該像點，該像點坐標為：z=zi，r=rzi=r(Zo)ri(zi)因此，不管是軸上點還是離軸點，不同斜率發(fā)射的所有電子都能會聚于像平面上同一點，

像點與物點互為共軛點，像平面z=zi是物平面z=z0的共軛像面。6.電子光學與幾何光學的區(qū)別；且可隨電壓的調節(jié)而變化，（類似漸變折射率晶體）1~2.5之間變化，因此光從而引起幾何光學電子光學中的規(guī)范化電位和矢量磁位函數是漸變的，故電子光學折射率是空間位置的連續(xù)函數，其電子軌跡不可能是突變折射的連續(xù)曲線，幾何光學由于折射率是突變的，是一定值，光線是折線；且可隨電壓的調節(jié)而變化，（類似漸變折射率晶體）1~2.5之間變化，因此光從而引起幾何光學電子光學系統(tǒng)中，折射率隨著邊界的確定而完全確定，不能自由改變和選擇來消除像差，但幾何光學中可以；電磁復合場的電子光學系統(tǒng)中，由于磁場的存在使得折射率與電子運動方向有關，因此電磁復合場中電子的運動軌跡不可逆，類似于幾何光學中各向異性介質中傳輸的光線；電子光學系統(tǒng)折射率與電子速度的絕對值有關，某點的折射率對于同一陰極發(fā)出的初速不同的電子有不同的數值，因此會出現色差；而幾何光學中色差是由于折射率與波長之間的關系引起。7.1)27.1)2)3)利用軸上電位的二階導數判斷靜電透鏡最終是會聚還是發(fā)散；根據折射定律分析電子運動軌跡的趨勢判斷靜電透鏡最終是會聚還是發(fā)散；利用電子透鏡的焦距公式，依據焦距的正負判斷靜電透鏡是會聚還是發(fā)散。a:只要微通道的長徑比a—定，則電流增益不變。由簡化式可知，長徑比的最佳值a:只要微通道的長徑比a—定，則電流增益不變。由簡化式可知，長徑比的最佳值:工作電壓工作電壓U=22〔4e工作電壓工作電壓U=22〔4e2V^2最佳工作電壓：UU:KU與最佳長徑比之間具有確定的一一對應關系，通常取單位：va.='KU24eVoMCP的離子反饋MCP的離子反饋離子反饋：MCP工作于像管內壁的真空狀態(tài)下，像管內具有殘余的氣體分子，它們在（輸出端）將受到密集的二次電子碰撞電離，的光陰極而產生電子發(fā)射，從而在熒光屏產生亮斑電子透鏡的成像公式和焦距公式。電子透鏡的成像關系式：高斯公式：f0fi‘1loliMCP碰撞電離產生的正離子在電場作用下轟擊像管（離子斑）。牛頓公式:X°X廠1

牛頓公式:X°X廠1

fo電子透鏡的焦距公式:14J「i?1——像方焦度，其中--物方焦度，其中i是電子飛出處的電位0是電子飛入處的電位主動與被動紅外成像系統(tǒng)的主要部件；直視型主動紅外成像系統(tǒng)的主要部件：紅外照明光源、物鏡、紅外變像管/具有近紅外延伸的像增強器、目鏡，圖6-1。發(fā)射t反射t大氣傳輸t接收t光電轉換t圖像增強t可見光圖像顯示直視型微光成像系統(tǒng)的主要部件：微光物鏡、像增強器、目鏡，圖6-3。反射、大氣傳輸t接收t光電轉換t圖像增強t可見光圖像顯示主動與被動紅外成像系統(tǒng)的異同；主動紅外成像系統(tǒng)工作在近紅外波段的特點：充分利用軍事目標和自然界景物之間反射能力的顯著差異。圖6-2的典型目標反射光譜曲線，利用反射光譜曲線在某一波段的差異獲得高對比度的目標與背景細節(jié)。(識別偽裝)近紅外輻射比可見光受大氣散射的影響小，具有較高的大氣透射比。惡劣天氣情況除外。主動成像系統(tǒng)工作不受環(huán)境照明的影響，可在全黑”條件下工作，并且可利用窄光束照明，從而使得目標與背景的反差增大，獲得較為清晰的圖像。直視型微光成像系統(tǒng)工作的特點：被動式工作，靠自然光照明景物，隱蔽性好，但是目標與景物之間反差小，圖像較平淡，層次不夠分明。系統(tǒng)受自然照度和大氣透明度影響較大，尤其是在濃云和地面煙霧較濃的情況下，景物照度和對比度會明顯下降。拋物面反射鏡對主動成像系統(tǒng)的影響；影響：(1)、實際散射角稍大于理想散射角；、可確定出全發(fā)光距離，由反射鏡結構和光源半徑決定，與光源亮度無關。、使系統(tǒng)軸向光強只取決于光源亮度、反射鏡的光孔面積及反射比。、通常軸向光最強，光強隨散射角增大而衰減，一般用光強降到中心強度10%對應的散射角表示系統(tǒng)的散射角大小。主動、被動成像系統(tǒng)最大工作距離的估算方法。視距估算列線圖視距等效處理方法非直視型光電成像系統(tǒng)第七章：攝像管成像的物理過程以及攝像管的必備功能；攝像管成像的物理過程：攝像管光敏元件接收二維空間分布的圖像信號并進行光電轉換成二維空間分布的電荷量；攝像管電荷存儲元件(靶)在一幀周期內連續(xù)積累光敏元件的電荷量并保持其空間分布;攝像管電子槍產生空間二維掃描的電子束，在一幀周期內完成全靶面的掃描，在輸出電路上產生與被掃描點輻射強度成比例的視頻信號。攝像管的必備功能：圖像的寫入、存儲過程，即輸入的光學圖像照射在靶面上產生電荷圖像并積累一段時間；圖像的閱讀、擦除過程，即電子槍的掃描電子束從靶面上取出視頻信號。視頻信號的形成過程(無光照和有光照時)無光照時，被電子束掃描后，電容器開始沿著RdC回路放電，掃描側A的電位VAd隨電容器C的放電從零開始上升，其值VAd=VT[1-exp(-1/RdC)]，所以在幀周期Tf(40ms)內，A點電位的最大值VAdm=VT[1-exp(-Tf/RdC)]，如果暗電阻很大，貝UVAdm=0;當掃描再次來臨時，與靶電源一起構成的回路中C充電，A點電位下降，其值VAd=VAdm{exp[-1/(Rb+RL)C}~VAdm{exp[-1/RbC]}有強光照射時，被電子束掃描后，電容器開始沿著RC回路放電，掃描側A的電位VAd隨電容器C的放電開始上升，其值VAe=VT[1-exp(-1/ReC)]，所以在幀周期Tf內，A點電位的最大值VAem=VT[1-exp(-Tf/ReC)];當掃描再次來臨時，束電阻等與靶電源一起構成回路向C充電，A點電位下降，其值VAe=VAem{exp[-1/(Rb+RL)C}?VAem{exp[-1/RbC]}因此，由于強光照射產生的有效信號為△V=VAem-VAdm。降低電容性惰性的方法；減小靶的等效電容。選取介電常數較低的靶材料；不影響光電導效應以及分辨力的情況下增加靶的厚度。降低電子束的等效電阻。在不影響電子束電流的前提下降低發(fā)射電子束的等效溫度，從而使束電阻減小。選取合適的電子透鏡使得電子速度的分散仍保持發(fā)射時的分布，使得電子束溫度較低達到較低的目的(層流電子槍，利用長焦距電子透鏡)。在低照度攝像時增加背景光。掃描電子束的束電阻下降時可提高電子束的電流值，因此加大輸出信號也可減小惰性。為了提高電子束電流值，在攝取低照度圖像時人為地反饋給靶面一個均勻的底光，使輸出信號電流疊加一個背景電流，從而減小惰性。底光產生的背景電流是直流量，可以由隔直電容加以濾除。掃描電子束對攝像管分辨力的影響；如果電子束落點尺寸不等線寬，垂直分辨力隨著束點尺寸的變化而變化。如果束點尺寸增大，垂直分辨力將會下降。這是由于在掃描時，同時取走了相鄰線條的信號，使它們相互混淆所致。此外，垂直分辨力還與束點上的電流密度分布有關。通常束截面上的電流密度服從高斯分布。所以束點中心和邊緣部分的閱讀能力不同。如果設計均勻密度分布的束點，閱讀效果及分辨力會大大改善束點尺寸對水平分辨力的影響稱為孔闌效應。為了減小孔闌效應，應縮小束點的水平尺寸。熱釋電效應；所謂熱釋電效應，是晶體在沒有外加電場和應力的情況下，它具有自發(fā)的或永久的極化強度，且這種電極化強度隨晶體本身溫度的變化而變化。熱釋電效應是少數介電晶體(鐵電體)所特有的一種性質。溫度降低時電極化強度升高，相反，溫度升高時電極化強度降低。熱釋電攝像管光電轉換的基本原理；在束縛面電荷被中和之前的時間內，鐵電體的溫度發(fā)生變化時，晶體的自發(fā)電極化強度將隨著溫度的變化而變化，相應的束縛面電荷也隨之變化，從而完成溫度變化轉化為束縛面電荷的變化。熱釋電攝像管實際應用時考慮的因素。①熱點系數n。熱電系數的數值越大，則攝像管的靈敏度越高，因此材料的熱電系數越大越好。

居里溫度。居里溫度是熱釋電效應的上限溫度，為使攝像管