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标题: 微光夜视仪分辨力客观评价判据研究 [打印本页]
作者: suncon    时间: 2003-5-19 10:36
标题: 微光夜视仪分辨力客观评价判据研究
微光夜视仪分辨力客观评价判据研究


　　微光夜视仪是利用光增强技术的光电成像系统，利用它可以大大扩展人眼在微弱光下的视觉能力。由于系统可以在极低照度下完全被动式工作，因而在军事、天文、公安及医疗生物研究等领域得到广泛的应用。微光夜视仪是一个从光电再到电光的二次转换综合光电系统，评价其性能的指标很多，其中分辨力是反映其综合性能的关键指标之一。测量分辨力的传统方法是采用目视观察法，即主观测量法，该方法存在许多不足［1］，最主要的问题是测量结果因人而异，因此客观评价分辨力是非常必要的。文献［1］对可见光学系统分辨力的客观检测作了深入研究，给出了有效的客观评价方法。然而由于可见光学系统与电子光学系统有很大差别，前者成像质量取决于系统的像差，而后者除了像差外，还受光电子系统的噪声及多重传递环节的影响。因此，二者的客观评价方法不可能相同。本文从分辨力测量图案的夜视图像特点和人眼观察图像识别条纹目标的特点出发，提出用灰度－梯度共生矩阵模型的纹理分析方法来研究微光夜视仪分辨力的客观评价问题。

1　图像分析
　　从实质上讲，任何一幅图像是由两种基本要素构成，即像点的灰度和像点间的梯度，各像点灰度是构成一幅图像的基础，而梯度则是构成图像边缘轮廓的要素，图像的主要信息是由像的边缘轮廓提供的。图1.1是测量微光夜视仪分辨力用的标准分辨力板图案，图1.2是测量某微光夜视仪分辨力时，利用CCD摄取夜视仪目镜中的图像。分辨力测量图案是一系列由不同尺寸，不同间隔的三条纹刻线组组成。设背景的灰度为F1，条纹的灰度为F2，对每个三条纹图像（横向或竖向）进行分析，则对此三条纹图案来说，条纹内部和背景内部各像点分别具有各自相同的灰度值，这些像点的梯度值为零，在背景与条纹之间的边界区域内的像点， 其灰度值在F1与F2之间，梯度的大小取决于边界与条纹之间的反差和边界的宽度，如果以灰度值为X轴，梯度值为Y轴，像点数为Z轴组成三维空间，灰度相同的背景聚集在灰度轴F1处，灰度相同的条纹像点聚集在灰度轴F2处，而条纹与背景的边界处像点则聚集在梯度为零至最大值之间，灰度在F1与F2之间的区域中。　　在图1.2中，由于微光夜视仪存在像差和噪声，背景和条纹区域内的像点的灰度不均匀，噪声点与邻域内像点的灰度不再一致，因而此邻域内各像点的梯度值不再为零，此时靠近灰度轴聚集的像点数随噪声像点数的增多而减少，并离开灰度轴沿着梯度轴散开分布。在边界区域内，由于噪声像点的干扰，使像点的梯度值降低，边界也变得模糊。图1.3是经微光夜视仪成像后，分辨力图像在灰度－梯度空间中的像数分布。


　　综合以上分析，灰度－梯度空间能清晰地描绘图像内各像点灰度与梯度的分布规律，同时也反映了各像点与其邻域像点的空间关系，对图像纹理能很好地描绘。

2　纹理特征
　　灰度－梯度共生矩阵纹理分析方法是利用图像的灰度和梯度的综合信息提取纹理特征。为了避免庞大的计算量，将图像分别作灰度和梯度的正规化处理。
　　设图像的灰度矩阵为

{f(i,j), i=1,2,...,Nx， j=1,2,...,Ny}

　　灰度正规化处理表述为

F(i,j)=［f(i, j)Ng/fmax］+1(2.1)

式中，［　］表示取整，fmax为图像的最高灰度，Ng为变换后的最高灰度级。
　　对图像各点的梯度计算采用3×3窗口的Sobel算子

g(i,j)=(g2x+g2y)1/2 (2.2)
gx=f(i+1,j-1)+2f(i+1,j)+
f(i+1,j+1)-f(i-1,j-1)-
2f(i-1,j)- f(i-1,j+1) (2.3)

gy=f(i-1,j+1)+2f(i,j+1)+
f(i+1,j+1)-f(i-1,j+1)-
2f(i,j-1)-f(i+1,j-1) (2.4)

式中，g(i,j),i=1,2,…,Nx,j=1,2,…, NY 为图像的梯度矩阵, 同样对它作正规化处理，使得g(i,j)梯度值分布在更大的离散间隔Ns个等级中

G(i , j)=［g(i, j)Ns/g?max］+1(2.5)

式中，gmax为图像中的最大梯度。
　　由上述正规化灰度矩阵{F(i,j), i=1,2,…,Nx,j=1,2,…, NY }，取值范围为{1,2,…, Ng }&#59;和正规化梯度矩阵{G(i,j), i=1,2,…,Nx,j=1,2,…, NY }，取值范围为{1,2,…, NS }共同确定灰度－梯度共生矩阵

{H(i,j), i=1,2,…,Ng,j=1,2,…, Ns }

H(i,j)表示正规化后图像具有的灰度为第i级，梯度为第j级的总像素数。
　　文献［2］给出了15种基于灰度－梯度共生矩阵的图像纹理特征。依据人类视觉具有的全局适应性(统计) 和局部相关(敏感)特征，本文引入梯度熵W这个特征参量。其计算公式为

(2.6)

式中，P(i,j)=H(i,j)/(NxNy) ，i=1,2,…, Ng , j=1,2,…, Ns.

3　计算结果
　　利用公式(2.1)～(2.6)，对荷兰生产的GS6TS的微光夜视仪在不同照度和不同靶板对比度条件下的分辨力测量图像进行了纹理分析，计算了不同空间频率的三条纹图案的梯度熵。此外还对三种不同微光夜视仪在不同照度和对比度条件下计算了分辨力测量图像的梯度熵。计算时为了避免图像大小对计算结果的影响，所计算的条纹图像的像素数均相同，对小条纹图像取满整个条纹，对大条纹则取局部(宽度与三条纹宽相等，高度由所取的面积确定)。图3.1给出了某型微光夜视仪在一定照度下对高对比度靶板的分辨力测量图像梯度熵计算曲线，横坐标为所取条纹图像的序号，纵坐标为梯度熵值。表3.1是对GS6TS微光夜视仪在四种不同照度和不同靶板对比度条件下的分辨力测量图像计算结果和观察结果，表3.2是对三种不同微光夜视仪在同一照度和对比度条件下分辨力测量图像梯度熵的计算结果。表中的观察结果是识别概率值，试验时，由四个有观察经验的人组成观察组，对分辨力条纹图像的观察等级计分，清晰计1分，识别的临界(即刚好能识别的条纹)计0.5分，不能识别的计0分，最终观察结果是四人的统计平均值。如果以观察识别概率为0.5时的条纹组为所测量的分辨力值，将表中识别概率为0.5的条纹组称为临界点(以阴影表示)。图表中的结果表明，随着条纹空间频率的增大，图像由清晰变为模糊，识别概率变小，梯度熵也逐渐变小，减小到某一极限值时，出现随着空间频率的继续增大，梯度熵增大，且此后的变化多数呈现无规律。在表3.1和表3.2中，如果以梯度熵值从有规律减小到出现增大的点称为转折点(以下画线表示)，则此转折点与人眼观察识别的临界点在相同的条纹组或相差一个条纹组。


　　　表3.1　对荷兰产的型号为GS6TS微光夜视仪分辨力的观察结果和梯度熵计算结果
　　　　　　Tab.3.1　Results of observation and calculation for the GS6TS produced by Netherlands


分辨力条
纹单元号 测量条件1 分辨力条
纹单元号 测量条件2 分辨力条
纹单元号 测量条件3 分辨力条纹单元号 测量条件4
靶板对比度35%，照度1.5×10-1lx
靶板对比度为35%，
照度1.3×10-3lx 靶板对比度为85%，
照度1.3×10-3lx 靶板对比度为85%，
照度1.5×10-1lx
人眼观
察结果 梯度熵 人眼观
察结果 梯度熵 人眼观
察结果 梯度熵 人眼观
察结果 梯度熵
-2-3 1.00 5.693 -2-5 1.00 5.875 -1-1 1.00 5.331 -2-4 1.00 5.622
-2-4 1.00 5.513 -2-6 1.00 5.787 -1-2 1.00 5.178 -2-5 1.00 5.259
-2-5 0.75 5.407 -1-1 1.00 5.272 -1-3 0.75 5.163 -2-6 0.75 5.118
-2-6 0.75 5.446 -1-2 0.75 5.242 -1-4 0.50 5.132 -1-1 0.50 5.233
-1-1 0.50 5.110 -1-3 0.50 5.376 -1-5 0.50 5.222 -1-2 0.25 5.036
-1-2 0.00 5.353 -1-4 0.25 5.266 -1-6 0.00 5.121 -1-3 0.00 4.960

表3.2　对三种不同仪器的分辨力观察结果和梯度熵计算结果
Tab.3.2　Results of observation and calculation for three kinds of instruments


仪器1 靶板对比度
为85% 分辨力条纹单元号 1-3 1-4 1-5 1-6 2-1 2-2 2-3
观察结果 1.000 1.000 1.000 0.750 0.750 0.500 0.125
梯度熵 5.238 5.191 5.170 4.895 4.422 4.646 4.506
分辨力条纹单元号 -2-2 -2-3 -2-4 -2-5 -2-6 -1-1 -1-2
仪器2 　 观察结果 1.00 1.00 1.00 0.75 0.50 0.50 0．25
梯度熵 4.978 4.725 4.650 4.373 4.467 4.172 4.378
仪器3 照度为
1.5×10-3lx 分辨力条纹单元号 0-4 0-5 0-6 1-1 1-2 1-3 1-4
观察结果 1.00 1.00 1.00 0.75 0.50 0.25 0.00
梯度熵 4.163 4.035 3.851 3.919 3.941 3.941 3.851

4　结论
　　以上分析及试验结果表明,梯度熵参数反映了微光夜视仪分辨力测量图案的纹理变化规律，同时该规律也与人眼的观察结果相一致。梯度熵的转折点能较准确地反映人眼观察识别的临界点即微光夜视仪的分辨力值，由此可以将梯度熵作为微光夜视仪分辨力客观测量的判据，这为解决微光夜视仪分辨力客观测量难题提供了一个有效的途径。
　　在微光夜视仪分辨力检测和纹理分析过程中发现，由于条纹图像是通过CCD从微光夜视仪目镜中摄取的，其物镜像差会使条纹图像产生畸变，轴上和轴外光强分布不均匀，视场中心和边缘亮度不一致，CCD相元的不均匀性和非线性等因素都会给计算结果带来误差。同时在将条纹图像从整个图像中分割时，无论是人工还是计算机自动分割，都会给计算结果带来影响。经过对多幅图像处理发现，图像质量好的，特征量变化规律的一致性好，反之，如果图像中出现亮度分布不均匀，靶板长时间使用后条纹间对比度的一致性差，夜视仪视场中有亮的或暗的斑点，条纹图像本身尺寸很小时，其计算结果有可能会出现规律逆转。因此，在作微光夜视仪分辨力测量实验时，为得到真实的计算结果，还应注意选用像质好的光学镜头和均匀性及一致性好的CCD器件；环境照度应均匀一致，避免杂光干扰；靶板应是标准的条纹图案，条纹间对比度一致性好；如果被试微光夜视仪视场中出现斑点，应对该处的计算结果剔除。
作者: suncon    时间: 2003-5-19 10:40
标题: 微光夜视仪分辨力客观评价判据研究
红外夜视仪是利用光电转换技术的军用夜视仪器。它分为主动式和被动式两种：前者用红外探照灯照射目标，接收反射的红外辐射形成图像；后者不发射红外线，依靠目标自身的红外辐射形成 “热图像”，故又称为”热像仪”。
（图）（一种便携主动式红外夜视仪）
夜间可见光很微弱，但人眼看不见的红外线却很丰富。红外线视仪可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶车辆。尽管人们很早就发现了红外线，但受到红外元器件的限制，红外遥感技术发展很缓慢。直到1940年德国研制出硫化铅和几种红外透射材料后，才使红外遥感仪器的诞生成为可能。此后德国首先研制出主动式红外夜视仪等几种红外探测仪器，但它们都未能在第二次世界大战中实际使用。

几乎同时，美国也在研制红外夜视仪，虽然试验成功的时间比德国晚，但却抢先将其投入实战应用。1945年夏，美军登陆进攻冲绳岛，隐藏在岩洞坑道里的日军利用复杂的地形，夜晚出来偷袭美军。于是美军将一批刚刚制造出来的红外夜仪紧急运往冲绳，把安有红外夜视仪的枪炮架在岩洞附近，当日军趁黑夜刚爬出洞口，立即被一阵准确的枪炮击倒。洞内的日军不明其因，继续往外冲，又糊里糊涂地送了命。红外夜视仪初上战场，就为肃清冲绳岛上顽抗的日军发挥了重要作用。

主动式红外夜视仪具有成像清晰、制作简单等特点，但它的致命弱点是红外按照灯的红外光会被敌人的红外探测装置发现。60年代，美国首先研制出被动式的热像仪，它不发射红外光，不易被敌发现，并具有透过雾、雨等进行观察的能力。

1982年4月─6月，英国和阿根廷之间爆发马尔维纳斯群岛战争。4月13日半夜，英军攻击承军据守的最大据点斯坦利港。3000名英军布设的雷区，突然出现在阿军防线前。英国的所有枪支、火 炮都配备了红外夜视仪，能够在黑夜中清楚地发现阿军目标。而阿军却缺少夜视仪，不能发现英军，只有被动挨打的份。在英军火力准确的打击下，阿军支持不住，英军趁机发起冲锋。到黎明时，英军已占领了阿军防线上的几个主要制高点，阿军完全处于英军的火力控制下。6月14日晚9时，14 000名阿军不得不向英军投降。英军领先红外夜视器材赢得了一场兵力悬殊的战斗。
（图）（一种装有成像仪和激光测距仪的轻型观测瞄准仪）

1991年海湾战争中，在风沙和硝烟弥漫的战场上，由于美军装备了先进的红外夜视器材，能够先于伊拉克军的坦克而发现对方，并开炮射击。而伊军只是从美军坦克开炮时的炮口火光上才得知大敌在前。由此可以看出红外夜视器材在现代战争中的重要作用。
（图）右上小图为自然光下观察到的情况，大图为热成像观察到的图象，从中可以看到掩蔽在树丛中的人员。热成像仪使依靠自然伪装的保护完全失效）　
作者: suncon    时间: 2003-5-19 10:40
标题: 微光夜视仪分辨力客观评价判据研究
夜视技术

英文名称；night vision technology
检索词：夜视技术；光电装备；夜视装备
技术类别：先进材料技术；光电技术；电子技术

[定义]
　 夜视技术是借助于光电成象器件实现夜间观察的一种光电技术。夜视技术包括微光夜视和红外夜视两方面。微光夜视技术又称像增强技术，是通过带像增强管的夜视镜，对夜天光照亮的微弱目标像进行增强，以供观察的光电成像技术。微光夜视仪，是目前国外生产量和装备量最大和用途最广的夜视器材，可分为直接观察（如夜视观察仪、武器瞄准具、夜间驾驶仪、夜视眼镜）和间接观察（如微光电视）两种。红外夜视技术分为主动红外夜视技术和被动红外夜视技术。主动红外夜视技术是通过主动照射并利用目标反射红外源的红外光来实施观察的夜视技术，对应装备为主动红外夜视仪。被动红外夜视技术是借助于目标自身发射的红外辐射来实现观察的红外技术，它根据目标与背景或目标各部分之间的温差或热辐射差来发现目标。其装备为热像仪。热成像仪具有不同于其它夜视仪的独特优点，如可在雾、雨、雪的天气下工作，作用距离远，能识别伪装和抗干扰等，已成国外夜视装备的发展重点，并将在一定成度上取代微光夜视仪。

[相关技术]先进材料技术；光电技术；电子技术

[技术难点]

[国外概况] 。
　 1、微光夜视技术
　目前，微光夜视仪在国外正广泛装备部队。它分为像增强微光夜视技术（直接观察）和微光电视（间接观察）两种。
　 （1） 像增强技术
　 像增强微光夜视技术是通过带增强管的夜视镜，对夜天光照亮的微弱目标像进行增强，以供观察的光电成像技术。其工作原理为：首先将进行光电转换，然后用微通道版（MCP）增强电子信号，最后进行电光转换。
　 在50-60年代，由于多碱光电阴极、光纤面板、微通道板（MCP）和负电子亲和力（NEA）光电阴极的诞生，该技术迅速发展起来。由于它克服了主动红外夜视的致命弱点，所以，它一出现，便成为夜视领域的发展重点。它逐渐代替了较早应用的主动红外夜视技术，占据着统治地位。迄今为止，已发展到第三代。第一代产品于60年代初期开始发展，它采用光电阴极、光纤面板耦合的级联式像增强管，1966年美军在侵越战场使用，于70年进行批量生产，装备部队。第二代产品于七十年代初期开始发展，采用多碱光电阴极和微通道板（MCP）的像增强管，目前，美、英、法、德、荷兰、以色列等许多技术先进国家都能生产第二代产品，自80年代以后，这些国家基本上用第二代取代了第一代产品。第三代产品于70年代初期开始研究，自80年代末美军开始装备，美国研制的第三代产品目前只限于向北约、韩国、日本、以色列和澳大利亚出售。
　 目前美军已装备和即将装备的主要微光夜视装备如下：
　 航空应用
　 AN/AVS-6型飞行员夜视镜，研制公司为Bell Hawell，视场40o，美陆军先后通过奥米尼巴斯采办计划（OminibusⅠ，OmnibusⅡ,OmnibusⅢ,Omnibus Ⅳ），进行过四次采办，每次采办，性能都有所改进。目前正大量装备陆军航空部队，用于固定翼飞机或直升机。其中，OmniBus Ⅳ计划由ITT承包，负责提供改进的AN/AVS-6，改后的AN/AVS-6的核心部分为ITT研制的MX-10160像增强管，这种第三代像增强管使用最新砷化镓技术，工作于近红外区，代替了早期（Omnibus Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）系统的像增强管，使分辩率提高78%，光灵敏度提高80%，信噪比提高30%，探测距离也大大提高，在星光和更暗的夜光下也能看清物体。
　 ITT也研制和生产AN/AVS-9型（前身为F4949）夜视镜，安装在固定翼飞机飞行员的头盔上。
　 美国和以色列联合提供的AN/AVS-7型夜视飞行图像系统/平视显示器（ANVIS/HUD），是对AN/AVS-6型的改进。该系统安装在飞行员护目镜上部两侧，以获取关键飞行信息，并传输至护目镜，和护目镜的图像叠加后，飞行员可看到综合夜景和关键飞行数据符号体系。配备该装置后，飞行员低头看仪表的时间大大减少，而平视挡风玻璃的时间大大增加。美陆军原计划部署1904部这种系统，到目前为止，已得到大约1800部，目前，正在进一步改进这种系统，以和UH-60A/L和CH-47D平台所使用的改进型全球定位系统（GPS）相兼容。计划今年9月份，将有1200部这种系统进一步升级为高级平视显示器，以取得现场可编程能力、录像能力和更快的反应速度。该系统也用于美海军陆战队。
　 地面部队应用
　 美陆军地面部队用的新一代在役夜视装置主要为单筒眼镜，如由ITT公司提供的AN/PVS-7D和当前最先进的AN/PVS-14。AN/PVS-14结合了第三代超级 MX-10160型无源像增强管和航空用夜视镜AN/AVS-6的优点，有助于增强观察、指挥和控制能力，它比AN/PVS-7D分辩率更高（1.3圈/微弧度，而AN/PVS-7D为1.15）、重量更轻（0.4公斤，而AN/PVS-7D为0.68公斤），步兵作战小组指挥员使用起来更加灵活[可戴到头上固定到一只眼睛观察，可手持观察，也可置于轻武器（如M-16/M-4步枪）瞄准杆上], 观察距离也大大增加。1996年，ITT和Litton两公司跟美国陆军通信-电子司令部研究、发展和工程中心所属的夜视和电子传感器委员会（NVESD）签订了Omnibus(OMNI) Ⅴ共同生产合同，来生产AN/PVS-14装置。迄今为止，AN/PVS-14装置已部署了大约3000部。预期到2000年时，ITT公司将向美陆军交付3万部这种装置。Omnibus Ⅴ还继续为地面战斗应用生产先进的 AN/PVS-7D单管夜视护目镜和Litton公司建议的先进的I2改进型AN/AVS-6飞行员护目镜，这些工作希望在2001年3月31日前完成。据Litton公司的首席执行官称，该项目通过适当的改进延长了数千个野外系统的寿命，同时大大地提高了夜视系统的性能。
　 第三代像增强管也是AN/PVS-10狙击手夜晚瞄准具和改进型昼/夜火控和观察装置的必要组成部分。该增强管的采办由陆军特种作战司令部负责，以向特种部队提供实时可见的像增强（I2）图像，既可用于中型和重型阻击步枪瞄准，也可用于战略侦察。
　 第三代像增强（I2）管也用于改进许多现役系统。例如，用于将70年代服役的AN/PVS-4型武器瞄准具改进为当前的AN/PVS-4A型，到目前为止，已改进了1000多个，计划最终要改进5000多个。
　 覆行全球作战任务的一些美军作战部队不久也将把目标定位和观察系统（TLOS） 装配于其M-16系列步枪上。这种系统装有一个第三代门控像增强管、两个视域物镜和一个激光发光器。该系统使用近红外低能激光来直接获取目标光电信息。该装置不
　 1、 赢得有效夜战时间
　 夜间和不良天气占全年时间的比例相当大，夜视装备使夜间变得透明，大大延长了有效作战时间。红外夜视器材分辩率高，具有探测掠海飞行目标的优势。舰载跟踪用红外热像仪既可用于为发射导弹提供目标数据，还可用于探测敌方掠海飞行导弹。配备热成像设备在内的光电火控系统，便于识别目标并缩短武器系统的反应时间。
　 2、 确立了夜战的军事地位
　 西方发达国家随着三军大量装备夜视装备，已将主宰夜晚作战作为制胜策略。
　 3、 倍增武器效能
　 夜视技术与武器装备相结合将大大提高武器装备在夜间和不良天气下区获取信息、实施打击、指挥部队、机动兵力和协同作战的效能。
　 4、 减少飞行事故
　通过在飞机上使用配备前视红外摄像机的导航吊仓和让飞行员配戴装有夜视镜的护目镜，可大大减少航空事故。
　

[影响]
　 1、 赢得有效夜战时间
　 夜间和不良天气占全年时间的比例相当大，夜视装备使夜间变得透明，大大延长了有效作战时间。红外夜视器材分辩率高，具有探测掠海飞行目标的优势。舰载跟踪用红外热像仪既可用于为发射导弹提供目标数据，还可用于探测敌方掠海飞行导弹。配备热成像设备在内的光电火控系统，便于识别目标并缩短武器系统的反应时间。
　 2、 确立了夜战的军事地位
　 西方发达国家随着三军大量装备夜视装备，已将主宰夜晚作战作为制胜策略。
　 3、 倍增武器效能
　 夜视技术与武器装备相结合将大大提高武器装备在夜间和不良天气下区获取信息、实施打击、指挥部队、机动兵力和协同作战的效能。
　 4、 减少飞行事故
　通过在飞机上使用配备前视红外摄像机的导航吊仓和让飞行员配戴装有夜视镜的护目镜，可大大减少航空事故。

作者: suncon    时间: 2003-5-19 10:41
标题: 微光夜视仪分辨力客观评价判据研究
夜视仪在侦探中的用途、分类及工作原理
   人们对周围事物的认识，约有百分之八十五是以光线作为媒介，通过视觉而引起反应 的，这说明光线对于人们观察、了解和分析事物的重要性。但是由于人类的视觉有局限性 ，为了扩大人们的视界，就必需利用一些器材，比如，观察远景需借助望远镜，观察细微 需要显微镜，那么观察暗处的景物，就要利用夜视仪。 夜视技术已成为当前电视技术的一个部分。多年来，在直视夜视技术的基础上，电视 夜视技术已得到迅速发展。当今电视技术不仅仅在广播电视系统得到广泛的应用，而且也 浸透到工业、农业、国防、公安、科学以及国民经济和生活的各个部门和领域。电视技术 在公安业务中的应用，已愈来愈引起人们的高度重视。在重要场所的监控，首脑人物的警 卫，重要文物的保护，安全检查，交通管制，刑事侦察，消防工作，传送情报等业务工作 中，都把电视技术作为重要手段。  由于公安业务工作有其自身的特点，使夜视器材在公安业务工作中大有用武之地。这 是因为在公安业务工作中有很多工作在时间、地点、场合上是随机的，时间上可能是白天 、也可能是晚上，可能是严冬、也可能是酷夏，这就要求使用的器材是全天时的、全天候 的，即要求摄象机能在从微光直到晴空烈日的光动动态范围内工作，或者说能在从夜晚的 无月晴空、甚至阴天即在10E-4勒克司（L X ) 直到烈日下10E+5 勒克司（L X ）照度下 均能工作，因为人所以能看到景物，是因为人眼感受到了从景物上反射出来的光线。光线 太暗即照度太低，人眼看不清或者看不见。所谓照度，是入射到物体表面上的光通量密度 ，单位为勒克司（L X ）。一般地讲，环境照度在10E-2 勒克司以下，人眼就很难分辨物 体了。而在我们现实生活的环境中，环境照度在10E-2 勒克司以下的情况还是少见的。这 里列一个景物照度与天气关系的经验数据，仅供参考。在太阳直射下，景物照度可达10E+5 勒克司，白天为10E+4 勒克司，阴天为10E+3 勒克司，薄暮为10E+2 勒克司，黎明或黄昏 （旅馆、饭店）为10E+1 勒克司，深度黄昏（剧场）为10E+0 勒克司，全月晴空为10E-1 勒克司，1 / 4 月晴空为10E-2 勒克司，星光无月为10E-3 勒克司，布满云的夜空为10E-4 勒克司。当然，还有些地方象深海、森林深处、无灯光的仓库、船舱、暗室等，照度可能 还低。这样对于一些象金融、商贸、文物、机要、枪支弹药库、危险物品库等重要场所， 为了防止被盗，必须采取监控措施。而这些场所，由于消防、防爆，防光对文物的腐蚀或 者其它一些原因，不允许用灯光照明，就得考虑采用夜视器材。其次，在地点上的随机性 更是显而易见的。偷渡、走私在海上、海岸或边陲 ，盗窃电器物资在荒野，偷伐树木在 林区。为防止这些坏人为非作歹，就要进行监视。而这些地点由于地域广阔，不能都装上 照明设备，也只好利用夜视仪来帮忙了。其三，在场合上有的是公开场合，也有的是秘密 场合。为了能监视坏人而又不暴露自己，就不允许用照明设备。比如边防出入境、走私偷 渡和重要机密部门的警卫暗哨，夜视仪是很好的帮手。

   坏人做坏事，也有其特点，因为他们干的事是见不得人的，所以往往选择在夜间或者 人烟稀少的地方作案，以逃避人们的监视。而夜视器材除了能在暗处观物外，还能在较远 的地方对较大范围的地区进行监控。这就为夜视器材的应用开辟了更加广阔的前景。可以 这么说，电视技术已在公安业务工作中得到了广泛的应用，这是众所周知的。而在低照度 范围内，夜视技术成为电视技术中不可缺少的重要一员是当之无愧的。

   夜视仪的分类: 夜视仪按原理来分，有主动式和被动式两种。主动夜视系统是利用非可视光作光源， 它有两种工作方式：一种是区域发光器，如红外灯；另一种是采用窄光束控制扫描视场， 接收反射非可视光在监视器荧光屏上同步显示图像，所以这种夜视仪也可称为光夜视仪， 热成像、红外、紫外、X 射线等等都属于这类。被动夜视系统是利用例如月光、星光、天 空辉光、夜天光、热和一切很微弱的自然光线，加以放大增强达到可视的目的。这类夜视 仪也成为微光夜视仪，用于电视上叫微光摄象机。它与一般摄象机怎么划分呢？目前还没 有一个精确的标准。一般用灵敏度来定义：任何摄象机，其灵敏度超过普通硫化锑光导管 电视摄象机时，均成为低照度摄像机或微光摄像机。 另外，在低照度情况下，用人眼直接观察的叫夜视镜，利用监视器进行观察的叫微光 摄像机，微光摄像机还有彩色和黑白之分。 夜视仪的工作原理: 人眼能直接观察到景物的必要条件是有光线，但这并不充分。充分条件是必须要一定 的环境照度和可见光。夜视技术就是围绕解决这两个问题来作文章的。 光也是一种电磁波，它是一种频率很高、波长很小的电磁波。它的波长一般在10到 10E+6纳米（1 纳米相当于10E-9 米）之间，而可见光仅占其中的一小部分，约在3 9 0 到7 7 6 纳米之间。3 9 0 纳米以下为紫外线，7 7 6 纳米以上为红外线。人们如何将不可见光转为可见光，将低照度提高呢？这就得从光的一种特性说起。十 九世纪爱尔兰人史密斯发现了一种光电效应，这就使光和电互相转换成为可能。而在科学 技术高度发展的今天，将电信号进行变频、变相和放大，并不是一件难事。只要把景物各 部分明暗不同的亮度转变成大小不同的电信号（电流和电压），然后通过扫描技术，将光 图像转变为电图像，这个过程就叫摄像。最后利用显像技术将电图像还原为光图像，以达 到观察的目的。就以红外夜视仪为例，使用红外灯照在目标上，因为红外光是不可视光， 可以不暴露自己，然后通过红外变像管将不可视的电像转变成人眼可见的光学像，达到观 察的目的。热成像是利用目标与周围环境之间由于温度或发射率的差异所产生的热对比度 进行成像。由于热对比度的差异而把红外辐射能量密度分布图显示出来，成为热像，再通 过热像将红外图像变为可见光图像。 微光夜视仪是将微弱的自然光图像通过像增强器转变为增强了百倍甚至几万倍的电子 图像，再将增强的电子图像转变成为可视的光学图像。

    美国AN/PVS-5A微光夜视眼镜(AN/PVS-5A Night Vision Goggles)美国瓦洛公司研制，用于夜间驾驶车辆、巡逻、警戒、探测红外光源、驾驶低空直升机等；配上红外光源后还可用于看地面及维修仪器等。该夜视眼镜观察图象清晰，易于佩戴在驾驶员或飞行员的头盔上，现已在美国陆军大量装备。它可在200米内发现人，在136米内识别人，在565米内发现坦克，在395米内识别坦克。

    美国AN/TVS-5多人武器瞄准镜(AN/TVS-5 Crewserved Weapon Sight)美国瓦洛公司研制，可安装在各种多人武器上进行夜间瞄准，并可安装在三脚架上进行夜间观察。该瞄准镜配有可调节的内部分划板照明器和可互换的分划板图案，所以各种武器在不移动瞄准镜的情况下就能进行瞄准。瞄准镜可探测到1310米处的人员，在990米内识别人员，在2664米处探测到坦克，在1903米内识别坦克。

   中国GW89-200微光夜视仪(GW89-200 Low-Light Level Viewer)我国第二代头盔式微光夜视仪，是一种带电池的高视力眼镜，广泛用于夜间驾驶车辆、观察、夜间巡逻、单兵武器发射和瞄准，以及在战场上阅读和修理。视野为38度，重800克，在月光下对人的识别距离为150米。

    英国“鹰”远距离手持微光夜视仪(Eagle LR Handhold Night Vision)英国Pilkington公司研制，1984年生产，可手持或安装在低三脚架上进行远距离夜间监视和观察，也可与激光测距机、火炬火控系统配用，且可在各种战场条件下使用。夜视仪配有折反物镜、双目镜和武器瞄准与火力校正用的亮十字分划。重不超过4千克，采用第二代和第三代像增强管时分别可在1000米和1400米内识别主战坦克。

    英国OTIS观察员用热成像系统(OTIS Observer’’s Thermal Imaging System)英国索恩.伊美电子公司制造，用于战场监视和观察、火炮和迫击炮火力控制以及制导武器的跟踪。该成像系统配有激光测距仪和测角仪，并有手持式和车载式两种。重10.7千克，视场12.9度X7.9度和4.9度X3.2度，最小可分辨温差0.3摄氏度。

    英国“风筝”单兵武器微光瞄准镜(KITE Individual  Weapon Sight)英国研制的一种高性能瞄准镜，已在SA80  5.56毫米枪上使用。重不超过1千克，在弱月光下观察距离600米，在星光下观察距离400米。
作者: suncon    时间: 2003-5-19 10:42
标题: 微光夜视仪分辨力客观评价判据研究
红外基本原理

   自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度(-273℃)就存在分子和原子无规则的运动，其表面就不断地辐射红外线。红外线是一种电磁波，它的波长范围为0.78～1000um，不为人眼所见。红外成像设备就是探测这种物体表面辐射的不为人眼所见的红外线的设备。它反映物体表面的红外辐射场，即温度场。

红外辐射的发射及其规律
黑体的红外辐射规律
所谓黑体，简单讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体，也就是说全吸收。显然，因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射(吸收率不等于1)，所以，黑体只是人们抽象出来的一种理想化的物体模型。但黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系。 下面，我着重介绍其中的三个基本定律。

(1)辐射的光谱分布规律--普朗克辐射定律
一个绝对温度为T(K)的黑体，单位表面积在波长λ附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度)Mλb (T)与波长λ、温度T满足下列关系：

         Mλb (T)=C1λ-5[EXP(C2/λT)-1]-1

式中C1--第一辐射常数，C1=2πhc2=3.7415×108w·m-2·um4
  C2--第二辐射常数，C2=hc/k=1.43879×104um· k
  普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础，介绍起来比较抽象，这里就不仔细讲了。
(2)辐射功率随温度的变化规律--斯蒂芬-玻耳兹曼定律
  斯蒂芬-玻耳兹曼定律描述的是黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的总辐射功率Mb(T)(简称为全辐射度)随其温度的变化规律。
  因此，该定律为普朗克辐射定律对波长积分得到：

Mb(T)=∫0∞Mλb(T)dλ=σ T4

  式中σ=π4C1/(15C24)=5.6697×10-8w/(m2·k4)，称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。
  斯蒂芬-玻耳兹曼定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射，而且，黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且，只要当温度有较小变化时，就将会引起物体发射的辐射功率很大变化。
  那么，我们可以想象一下，如果能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率，不是就能确定黑体的温度了吗？因此，斯蒂芬-玻耳兹曼定律是所有红外测温的基础。
(3)辐射的空间分部规律--朗伯余弦定律
  所谓朗伯余弦定律，就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比，如图所示

Iθ=I0COSθ

  此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检测时。应尽可能选择在被测表面法线方向进行，如果在与法线成θ角方向检测，则接收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的COSθ倍。 　

实际物体的红外辐射规律

基尔霍夫定律
   物体的辐射出射度M(T)和吸收本领α的比值M/α与物体的性质无关，等于同一温度下黑体的辐射出射度M0(T)。其表明，吸收本领大的物体，其发射本领大，如果该物体不能发射某一波长的辐射能，也决不能吸收此波长的辐射能。
发射率
   实验表明，实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。这里，我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，则就可把黑体的基本定律应用于实际物体。这个辐射系数，就是常说的发射率，或称之为比辐射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。
  这里，我们不考虑波长的影响，只研究物体在某一温度下的全发射率：
        ε(T) = M(T)/M0(T)
   则斯蒂芬-玻耳兹曼定律应用于实际物体可表示为：
        M(T) =ε(T).σT 4

发射率及其对设备状态信息监测的影响

   物体对于给定的入射辐射必然存在着吸收、反射和透射，而且吸收率α，反射率ρ和透射率τ之和必然等于1：
          α+ρ+τ =1
   而且，其反射和透射部分不变。因此，在热平衡条件下，被物体吸收的辐射能量必然转化为该物体向外发射的辐射能量。由此可断定，在热平衡条件下，物体的吸收率必然等于该物体在同温度下的发射率：
  α(T)=ε(T)
其实由基尔霍夫定律，我们也可以推断出以上公式：
        M(T)/α(T)=M0(T)  
        ε(T) =α (T)
ε(T) = M(T)/M0(T)
则对于一个不透明的物体
  ε(T) =1-ρ(T)
根据上式，我们不难定性地理解影响发射率大小的下列因素：
不同材料性质的影响  
不同性质的材料因对辐射的吸收或反射性能各异，因此它们 的发射性能也应不同。一般当温度低于300K时，金属氧化物的发射率一般大于0.8 。

表面状态的影响
   任何实际物体表面都不是绝对光滑的，总会表现为不同的表面粗糙度。因此，这种不同的表面形态，将对反射率造成影响，从而影响发射率的数值。这种影响的大小同时取决于材料的种类。
   例如，对于非金属电介质材料，发射率受表面粗糙度影响较小或无关。但是，对于金属材料而言，表面粗糙度将对发射率产生较大影响。如熟铁，当表面状况为毛面，温度为300K时，发射率为0.94；当表面状况为抛光，温度为310K时，发射率就仅为0.28。
   另外，应该强调，除了表面粗糙度以外，一些人为因素，如施加润滑油及其他沉积物(如涂料等)，都会明显地影响物体的发射率。
   因此，我们在检测时，应该首先明确被测物体的发射率。在一般情况下，我们不了解发射率，那么只有用相间比较法来判别故障。而对于电力设备，其发射率一般在0.85-0.95之间。

温度影响
   温度对不同性质物体的影响是不同的，很难做出定量的分析，只有在检测过程中注意。　

物体之间的辐射传递的影响

  上面我们曾经讨论过物体对于给定的入射辐射必然存在着吸收、反射，而当达到热平衡后，其吸收的辐射能必然转化为向外发射的辐射能。因此，当我们在一个变电站中，检测任意一个目标时，所检测出来的温度，必然还存在着附近其它物体的影响。
    因此，我们在检测时，要注意检测的方向和时间，使其它物体的影响降到最小。　

大气衰减的影响
  大气对物体的辐射有吸收、散射、折射等物理过程，对物体的辐射强度会有衰减作用，我们称之为消光。
    大气的消光作用与波长相关，有明显的选择性。红外在大气中有三个波段区间能基本完全透过，我们称之为大气窗口，分为近红外（0.76～1.1um），中红外（3～5um），远红外（8～14）。
   对于电力设备，其大部分的温度较低，集中在300K～600K(27℃～327℃)左右，在这一温度区间内，根据红外基本定律可以推导出，设备发射的红外辐射信号，在远红外8～14um区间内所占的百分比最大，并且辐射对比度也最大。因此，大部分电力系统的红外检测仪器工作在8～ 14um的波长之内。
   不过，请注意，即使工作在大气窗口内，大气对红外辐射还是有消光作用。尤其，水蒸气对红外辐射的影响最大。因此，在检测时，最好在湿度小于85%以下，距离则越近越好。

作者: suncon    时间: 2003-5-19 10:43
标题: 微光夜视仪分辨力客观评价判据研究
红外基础知识

电磁辐射

   能量可以电磁辐射即以电磁波的相识在空间传播。电磁波的频率范围为105Hz～1025Hz,而光线只占其中很小的一部分。电磁波的性质取决于它们的波长。为方便起见，将全部波谱认为分为若干个取段，例如宇宙射线、无线电波、紫外线、X-射线等。由于在给定的一定波长范围内，电磁波的特性不会剧烈地突变，所以这些区段之间并没有严格和十分明确的界限。图1表示电磁波各区段的划分情况。



   可见光谱

   人眼能起视觉反映的很窄一段频率范围为可见光光谱。他集中在5×1014 Hz附近的一小段频率内。当可见光中所吸收各种频率的光波同时到达人眼时，我们就看到“白光”。但是，如果将整个可见光谱中的一部分滤掉，以便能看清它所包含的各种色彩的范围。这些色彩之间同样没有十分明确的界限，而显得彼此交融在一起。然而，还是可以分辨出七段较宽的范围，即：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。图1中所标数均以基本单位表示，即频率为赫(Hz，即周/秒)，波长为米(m)。由于使用上述单位时，波长的数值太大，有必要使用更小的单位来度量可见光谱的波长，由此采用了标准毫微米(符号为nm)，此处1nm=10-9m。人眼能起视觉反映的最长和最短波长780nm和380nm。它们分别处在光谱的红色端与紫色端。另一个使用极广的单位是埃(符号为)，这里1=10-10m。采用这一单位时可见光谱范围便可以说是从7800到3800。换算关系为1nm=10。

   红外线的发现

   1672年人们发现太阳光(白光)是由各种颜色的光复合而成的。当时，牛顿做出了单色光在性质上比白光跟简单的著名结论。我们用分光棱镜可把太阳光(白光)分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等单色光。1800年英国物理学家赫胥尔从热的观点来研究各色光时，发现了红外线。
   赫胥尔发现红外线的过程是这样的：他在研究各种色光的热量时，有意地把暗室的唯一的窗户用木板堵住，并在板上开了一条矩形的孔，孔内装一个分光棱镜。当太阳光通过这个棱镜时，便被分解成彩色光带。折实他用温度计去测量光带中不同色光所包含的能量。为了和环境温度比较，他在彩色光带的附近放几支用作比较的温度计，来测量周围环境的温度。在试验中，他偶尔发现一个奇怪的现象；放在光带红光外的温度计，比室内其它温度计的指示值都要高。经过对多次反复实验，这个所谓含热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是赫胥尔宣布，太阳发出的光线中除可见光外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种看不见的“热线”位于红色光外测，因而叫做红外线。红外线也常常被称为红外辐射线简称红外辐射。
   红外线的发现标志着人类对自然的又一个飞跃。随着对红外线的的不断探索与研究，已形成红外技术这个专门学科领域。

    红外线也是电磁波
   大家都知道，收音机接收电磁波可以发出声音，电视机接收电磁波可以显示图象。自然界中五光十色的光线都是电磁波。通过实验发现红外线也是电磁波。
   那么，从收音机、电视机接收的电磁波和人眼到的光线以及红外线之间的差别在哪里呢？其根本差别就在于波长范围不同。
   我们常用的交流电也是以电磁波的形式沿着导线传播的，它的波长有6000公里，可以说是波长最长的电磁波。收音机接收的电磁波，其波长范围大致是从几百米到几十米，叫做中波或短波。电视机接收的电磁波，波长范围从几米到几厘米，叫做微波。最短的无线电波波长只有几毫米。
红外线也是电磁波，其波长范围从0.78微米到1000微米。1微米等于千分之一毫米。为了研究上的方便，红外线还可划分为以下三个波段:
   近红外:波长为0.78～3.0微米
   中红外:波长为3.0～20微米
   远红外:波长为20～1000微米
  波长比0.78微米更短的电磁波便是可见光。可见光的波长范围0.38微米到0.78微米。不同波长的可见光颜色不同，其波长与颜色的关系如图1所示。
  比可见光波长更短的电磁波是紫外线、X射线、伽马射线和宇宙射线。
  红外线和无线电波、可见光、紫外线以及各种射线组成了一个连续的电磁波波谱，见图1所示。

   红外线的特点
   理论分析和实验研究表明，不仅太阳光中有红外线，而且任何温度高与绝对零度的物体(如人体等)都在不停地辐射红外线。就是冰和雪，因为它们的温度也源源高与绝对零度，所以也在不断的辐射红外线。因此，红外线的最大特点是普遍存在于自然界中。也就是说，任何“热”的物体虽然不发光但都能辐射红外线。因此红外线又称为热辐射线简称热辐射。
   红外线和可见光相比的另一个特点是，色彩丰富多样，。由于可见光的最长波长是最短波长的1倍(780nm～380nm)，所以也叫作一个倍频程。而红外线的最长波长是最短波长的10倍，即具有10个倍频程。因此,如果可见光能表现为7种颜色，则红外线便可能表现70种颜色，显示了丰富的色彩。
  红外线透过烟雾的性能好，这是它的又一个特点。

作者: wdy9006    时间: 2003-6-2 23:21
标题: 微光夜视仪分辨力客观评价判据研究
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