Effect of Luminance Gain on Image Quality of Third Generation Low-Light-Level Image Intensifier
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摘要: 为研究三代微光像增强器亮度增益对像质的影响，提出对不同增益条件下荧光屏输出图像的像质进行对比分析，以提高三代微光像增强器的成像质量。首先，在三代微光像增强器的理论基础上，论证了亮度增益会直接影响像增强器的成像质量。然后，通过图像质量评价的两个重要参数信噪比和分辨力，建立像质评价系统并搭建实验装置。最后，通过实验结果表明，在无月夜天光照度条件下，当亮度增益取得最佳值时，输出图像在视场明亮清晰的同时分辨力由32 lp/mm提升至40.3 lp/mm。证明该研究对夜间环境中，如何通过合理设置亮度增益值使微光夜视仪获得最佳成像质量具有指导意义。Abstract: To study the effect of the luminance gain of a third-generation low-light-level (LLL) image intensifier on the image quality, we compare and analyze the image quality of the output image under different gain conditions to improve the image quality of a third-generation image intensifier. First, based on the theory of the third-generation LLL image intensifier, it is proven that the luminance gain directly affects the image quality of the image intensifier. Then, via signal-to-noise ratio (SNR) and resolution, two important parameters of the image quality evaluation, image quality evaluation system, and experimental equipment, are set up. Finally, the experimental results show that under moonless illumination, when the luminance gain is at the optimal value, the resolution of the output image is increased from 32 lp/mm to 40.3 lp/mm while the field of view is bright and clear. It has been proven that this research has guiding significance in how to obtain the best image quality of LLL night vision instruments by reasonably setting the luminance gain value in the night environment.
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0. 引言
飞机或靶机等平台的红外辐射特性不论是民用还是军事，理论或是实践上均具有重要应用价值[1-2]。空中目标外场测量能够获取飞行平台在实飞状态下的红外辐射特性，测量结果置信度高，可为飞行平台的红外特性建模仿真和相关目标模拟提供支撑[3]。当前对靶机平台的红外辐射特性研究多为理论建模，或在地面条件下蒙皮或尾焰辐射测量[4]。飞行平台的空中动态测量不论是在人力资源方面，还是在经费方面，代价都特别大[5-6]，特别对高空飞行状态的飞行平台辐射测量相关的研究较少[3-4]。
姚凯凯等研究了外场条件下空中目标红外辐射特性测量方法，并对测温范围、测量距离和大气传输进行了分析、验证，测量精度优于25%[6]；国内相关学者在飞行平台的辐射特性测量、定标和建模仿真领域取得许多成果。乔铁英等人研究了面目标外场测量方法，设备不同积分时间的测量误差低于30%[7]；杨词银、李宁等人对大口径辐射测试设备的辐射测量和定标方法进行了研究[8-9]；常松涛等人研究了宽动态范围的点目标测量以及定标方法[10]。当前对靶机等飞行平台的红外特性建模多采用红外辐射源数值计算方式[3-4]：杜胜华等研究了红外辐射特性的形成机理[11]；另外许多学者研究了内部热源、发动机燃速、环境反射等对红外特性的影响[3, 12-13]，在此基础上各种红外特性计算方法得到发展。但靶机飞行平台辐射特性测量，特别是靶机夜间红外辐射测量结果报道较少。
靶机等飞行平台作为假想目标，在相关的试验或训练中发挥着重要作用，也对飞行平台模拟、测量和仿真提出了更高的要求[1-3]。考虑到专门组织靶机平台飞行测量其红外特性十分困难，本文结合靶机平台实际飞行，通过降落段设计相对于测量设备的绕飞航线，测量了其夜间条件下不同方位长波红外辐射强度，并对其与背景的灰度对比度进行了分析。对红外靶试领域的靶机模拟、测量和建模研究具有重要的意义，也可为相关的试验训练及装备研究提供支撑。
1. 目标背景传输分析
飞行平台空中红外辐射特性测量可采用地空动态测量态势，典型布局如图 1所示。测量设备可获取飞行平台在飞行状态下红外辐射信号。气象条件对测量结果存在影响，因此在测量期间需记录测量地域温度、湿度、能见度、压强等气象参数数据。
根据成像原理，目标和背景红外辐射经大气传输后最终成像在红外成像测量设备探测器，经探测器响应及电路处理后输出灰度图像；建立图像灰度和辐射亮度之间关系后，可由红外图像处理获得目标红外辐射特性。当前国内外常用多点温度定标法获得红外成像测量设备波段响应参数，一般设置黑体在多个温度下工作，利用红外图像灰度值与黑体不同温度下辐射亮度计算值联立，得到红外成像测量设备波段响应参数。红外成像测量设备辐射亮度和输出数字图像灰度满足式(1)所示关系[14]：
$$ H=A L+B $$ (1) 式中：A为红外成像测量设备响应率；B为红外成像测量设备响应偏置；L为黑体到达红外成像测量设备前辐射亮度。
获得红外成像测量设备波段响应参数后，结合路径辐射和路径透过率，目标辐射亮度可由式(2)计算[2]：
$$ L_{\mathrm{t}}=\left[\left(H_{\mathrm{t}}-B\right) / A-L_{\text {path }}\right] / \tau_{\text {path }} $$ (2) 式中：Ht为目标灰度；L为目标在处理波段内的辐射亮度；Lpath为传输路径在处理波段内的辐射亮度；τpath为传输路径在处理波段内的平均透过率。本文采用MODTRAN4.1计算路径辐射和路径透过率。
确定目标区域后，目标真实辐射强度根据式(3)计算，由靶机的大小及测量距离可知，在计算目标辐射强度时只选取弥散范围小于4个像素的图像进行辐射强度计算。
$$ {I_{\text{t}}} = \sum\limits_{i = 1}^N {\frac{{{A_{\text{d}}}}}{{{f^2}}}{R^2}{L_{\text{t}}}} $$ (3) 式中：Ad为红外成像测量设备单元探测器面积；f为红外成像测量设备光学系统焦距；R为红外成像测量设备和被测目标之间距离。
红外对比度对目标人工探测或自动探测识别意义重大[15]。为了分析目标灰度与背景灰度差异，采用相对对比度描述目标和背景差异，如式(4)所示：
$$ C = \frac{{\left| {{H_{\text{t}}} - {H_{\text{b}}}} \right|}}{{{H_{\text{b}}}}} $$ (4) 式中：C为目标与背景灰度相对对比度；Ht为目标灰度；Hb为背景灰度，本文背景灰度取目标区域处4倍大小，目标外区域的平均灰度作为背景灰度。
2. 标定及测量误差分析
2.1 标定及结果
测量过程使用的测量设备包括红外成像测量设备、HGH DCN1000N面源黑体和气象设备等。其中红外成像测量设备工作波段为7.7~9.3 μm，像元尺寸25 μm×25 μm，量化位数为14 bit。HGH DCN1000N面源黑体参数见表 1。
表 1 黑体参数Table 1. Parameters of blackbodyParameters Parameter ranges Temperature range/℃ 0~100 Radiation area/mm 300×300 emissivity 0.98±0.02 Temperature resolution/℃ 0.01 Temperature accuracy/℃ ±0.03 Uniformity/℃ 0.4 根据式(1)，利用Matlab拟合可以得到红外成像测量设备输出灰度与亮度的关系，定标曲线如图 2所示。计算得到测量设备响应率约为270，响应偏置约为5639。
2.2 误差分析
由公式(1)~(3)，影响目标真实辐射计算结果的误差源主要包括：测量设备自身误差、定标误差、大气辐射计算误差和对时误差等。
对于测量设备自身误差，输出图像的起伏基本表征了测量设备随机误差水平，其噪声等效温差表征了设备的噪声起伏水平。设备的噪声等效温差要求不大于50 mK，考虑实际使用条件真实的噪声等效温差不大于150 mK。结合定标结果设备自身误差约为0.39%。
对于定标误差，可能影响定标精度的因素有：大面源黑体辐射、数据采集噪声和随机因素等。大面源黑体辐射误差主要为表面发射率、温度精度和非均匀性等。试验中使用的大面源黑体发射率为0.98±0.02，温度精度±0.03℃，温度均匀性为0.4℃；经计算定标总误差约为2.95%。但实际定标还受数据采集噪声和随机因素影响，很难定量描述，特别是对小目标测量时一般认为定标误差可能扩大1~2倍，取本次定标误差为7%。
小目标的大气辐射计算误差较为困难，该误差是红外辐射特性测量中较难消除的误差。当前国内一般公认LOWTRAN或MODTRAN的计算误差不大于20%[8, 10]。
对于对时误差，对时误差主要影响测量设备相对于目标的方位、俯仰、斜距等辅助信息计算；对时误差约±1 s，经计算即使在俯仰和斜距变化较大情况，路径辐射和透过率计算偏差分别约为0.61%和1.52%。
综上，测量误差主要来源于大气辐射计算和定标。上述误差因素相互独立，根据误差传递公式，测量总误差应不大于21.24%。
3. 测量结果及分析
目标辐射强度为给定方向单位立体角目标向外的辐射通量，单位为W⋅Sr－1；目标辐射亮度为该给定方向辐射强度除以通过面元的正投影面积，单位为W⋅m－2⋅Sr－1，而目标平均辐射亮度为多个面元的平均值。空中靶机作为小目标，在实际使用中更关注辐射强度，下面重点分析其辐射强度随方位变化情况。
3.1 不同方位辐射强度和对比度分析
利用文中的目标红外辐射特性计算方法，对某无人靶机长波红外辐射进行了测量。测量时间为秋季夜晚，天气晴朗，能见度约12 km，温度为－8~－10℃，湿度约75.6%。根据公式(1)~(3)测量得到的该靶机不同方位辐射强度抽帧结果如图 3所示。图中红叉实线为第一圈靶机红外辐射强度分布；绿方框虚线为预备降落前第二圈靶机红外辐射强度分布；蓝色虚线，为靶机降落时辐射强度分布。
从测量结果可以看出：虽然受环境扰动，靶机飞行状态存在一定差异，靶机绕飞状态下辐射强度基本一致，且从红外图像上基本观察不到尾焰；说明靶机在约4 km外即使侧飞状态下，尾焰长波红外辐射的影响也较小，这在靶机模拟和图像仿真时需要注意。
根据式(4)计算了目标最大灰度和背景灰度对比度，如图 4所示。该靶机的目标和背景灰度对比度较小，在该距离下绕飞阶段仅2倍多于人眼对比度响应阈值，造成了该目标利用人工探测识别较为困难。由图 3和图 4，目标辐射强度在降落段存在较大起伏，对比度突然增加且近似稳定为固定值，说明此时红外成像测量设备探测到了目标非蒙皮部位。
3.2 目标不同方位辐射亮度分析
目标不同方位平均辐射亮度抽帧结果如图 5所示，红叉实线为靶机第一圈平均辐射亮度；绿方框虚线为预备降落前第二圈靶机平均辐射亮度；蓝色虚线，为靶机降落时平均辐射亮度。分析目标平均辐射亮度发现：目标平均辐射亮度在降落段起伏较大，且约1.5倍于绕飞段平均辐射亮度。
目标路径辐射和透过率变化如图 6所示，此时路径辐射增加、透过率减少，但路径辐射和透过率的变化是缓变的；同时由公式(2)及上文中侧向飞行时尾焰基本探测不到，说明此时测量设备明显探测到非蒙皮和尾焰区域。
目标降落前航迹如图 7所示，可以看出导致目标平均辐射亮度增加的主要原因为：当目标降落时，测量设备可以探测到目标部分尾喷口区域；但暴露喷口较少，该区域并未充满整个像素，导致目标平均辐射亮度虽大于绕飞段，但尚不明显。结合理论计算发现，目标在夜晚长波平均红外辐射亮度与气动加热计算结果在误差范围内，说明测量结果较为可信。
4. 结论
本文利用红外成像设备获得了某靶机红外辐射图像，通过计算获得了该靶机平台夜间不同方位辐射强度分布。经分析，虽受环境扰动、飞行状态差异影响，但靶机相对测量设备绕飞状态下目标辐射强度基本一致，约4 km外探测不到长波波段尾焰，尾焰辐射影响较小。绕飞阶段该距离下靶机的目标和背景灰度对比度较小，仅约人眼对比度响应阈值的2倍，造成了人工侦察探测识别较为困难，在靶机模拟目标时需注意目标背景对比度对最终试验结果影响。结合理论计算发现，目标在夜晚长波平均红外辐射亮度与气动加热计算结果在误差范围内，说明测量结果较为可信。本文研究成果可为靶机特性建模、模拟应用、靶机侦察探测和相关测量设备研制提供一定的支撑。
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图 2 三代微光像增强器像质评价系统
Figure 2. Image quality evaluation system of the third generation low-light-level image intensifier
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图 3 微光像增强器亮度增益测量装置
Figure 3. Luminance gain measuring device for low-light image intensifier
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图 5 三代微光像增强器亮度增益与信噪比的关系
Figure 5. The relationship between the luminance gain and SNR of the third generation low-light-level image intensifier
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[1] 郭晖, 向世明, 田民强. 微光夜视技术发展动态评述[J]. 红外技术, 2013, 35(2): 63-68. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201302003 GUO Hui, XIANG Shiming, TIAN Minqiang. A review of development of low light level night vision technology[J]. Infrared Technology, 2013, 35(2): 63-68. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201302003
[2] 程宏昌, 石峰, 李周奎, 等. 微光夜视器件划代方法初探[J]. 应用光学, 2021, 42(6): 1092-1101. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX202106023.htm CHENG Hongchang, SHI Feng, LI Zhoukui, et al. Preliminary study on distinguishment method of low-level-light night vision devices[J]. Journal of Applied Optics, 2021, 42(6): 1092-1101. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX202106023.htm
[3] 史继芳, 王生云, 孙宇楠, 等. 三代微光像增强器亮度增益测量装置[J]. 应用光学, 2011, 32(2): 300-302. DOI: 10.3969/j.issn.1002-2082.2011.02.023 SHI Jifang, WANG Shengyun, SUN Yunan, et al. Third generation of image intensifier brightness gain measurement device[J]. Journal of Applied Optics, 2011, 32(2): 300-302. DOI: 10.3969/j.issn.1002-2082.2011.02.023
[4] 刘秉琦, 周斌, 高稚允, 等. 像增强器增益对输出信噪比影响的分析[J]. 光学技术, 2005, 31(1): 120-121, 124. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJS200501035.htm LIU Bingqi, ZHOU Bin, GAO Zhiyun, et al. Analysis of the gain's effect on output signal to noise ratio of image intensifier[J]. Optical Technique, 2005, 31(1): 120-121, 124. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJS200501035.htm
[5] 拜晓锋, 郭晖, 杨书宁, 等. 微光像增强器亮度增益测量及寿命预测[J]. 红外技术, 2019, 41(3): 203-207. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201903001 BAI Xiaofeng, GUO Hui, YANG Shuning, et al. Luminance gain measurement and life prediction of low-light-level image intensifier[J]. Infrared Technology, 2019, 41(3): 203-207. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201903001
[6] 石峰, 程宏昌, 贺英萍, 等. MCP输入电子能量与微光像增强器信噪比的关系[J]. 应用光学, 2008, 29(4): 562-564. DOI: 10.3969/j.issn.1002-2082.2008.04.018 SHI Feng, CHENG Hongchang, HE Yingping, et al. Optimization for signal to noise ratio of low light level image intensifier[J]. Journal of Applied Optics, 2008, 29(4): 562-564. DOI: 10.3969/j.issn.1002-2082.2008.04.018
[7] 王洪刚, 钱芸生, 王勇, 等. 微通道板电子输运特性的仿研[J]. 计算物理, 2013, 30(2): 221-228. DOI: 10.3969/j.issn.1001-246X.2013.02.009 WANG Honggang, QIAN Yunsheng, WANG Yong, et al. Simulation of electronic transport in micro-channel plate[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2013, 30(2): 221-228. DOI: 10.3969/j.issn.1001-246X.2013.02.009
[8] 向世明, 倪国强. 光电子成像器件原理[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006. XIANG Shiming, NI Guoqiang. The Principle of Photoelectronic Imaging Devices[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2006.
[9] 汪贵华. 光电子器件[M]. 北京: 国防工业出版社, 2008. WANG Guihua. The Photoelectronic Devices[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2008.
[10] 周立伟. 关于微光像增强器的品质因数[J]. 红外与激光工程, 2004, 33(4): 331-337. DOI: 10.3969/j.issn.1007-2276.2004.04.001 ZHOU Liwei. On figure of merit of low light level image intensifiers[J]. Infrared and Laser Engineering, 2004, 33(4): 331-337. DOI: 10.3969/j.issn.1007-2276.2004.04.001
[11] 赵静, 张益军, 常本康, 等. 高性能透射式GaAs光电阴极量子效率拟合与结构研究[J]. 物理学报, 2011, 60(10): 679-685. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WLXB201110106.htm ZHAO Jing, ZHANG Yijun, CHANG Benkang, et al. Research on quantum efficient fitting and structure of high performance transmission-mode Ga As photocathode[J]. Chinese Journal of Physics, 2011, 60(10): 679-685. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WLXB201110106.htm
[12] 董伟, 董煜辉, 周玉鉴, 等. 像增强器通用规范: GJB 2000A-2020[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020. DONG Wei, DONG Yuhui, ZHOU Yujian, et al. General Specification of Image Intensifier: GJB 2000A-2020[S]. Beijing: Standards Press of China, 2020.
[13] 邱亚峰, 钱芸生, 常本康. 像增强器亮度增益和等效背景照度测试仪的研制[J]. 红外技术, 2003, 25(5): 76-79. DOI: 10.3969/j.issn.1001-8891.2003.05.020 QIU Yafeng, QIAN Yunsheng, CHANG Benkang. Research and development of luminance gain and equivalent background input test set for LLL image intensifier[J]. Infrared Technology, 2003, 25(5): 76-79. DOI: 10.3969/j.issn.1001-8891.2003.05.020
[14] 潘京生. 像增强器的迭代性能及其评价标准[J]. 红外技术, 2020, 42(6): 509-518. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs202006001 PAN Jingsheng. Image intensifier upgraded performance and evaluation standard[J]. Infrared Technology, 2020, 42(6): 509-518. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs202006001
[15] 拜晓锋, 尹雷, 胡文, 等. 像增强器亮度增益测试的重复性研究[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(2): 495-498. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201302052.htm BAI Xiaofeng, YIN Lei, HU Wen, et al. Repetitive characteristic of image intensifier's luminance gain[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(2): 495-498. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201302052.htm
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