陳一超，胡文剛，武東生，何永強(qiáng)，張冬曉，何云峰

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單通道三波段彩色夜視系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

陳一超1，胡文剛1，武東生1，何永強(qiáng)1，張冬曉1，何云峰2

（1. 軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003；2. 66440部隊(duì)，河北 石家莊 050081）

針對(duì)目前微觀夜視儀器產(chǎn)生單色圖像的缺陷，提出了一種單通道三波段的彩色夜視方案。簡要介紹了單通道三波段彩色夜視系統(tǒng)的工作原理，重點(diǎn)論述了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)濾光片的光譜透過率、色輪的窗口數(shù)量、熒光屏與CCD光電陰極的耦合方式等問題進(jìn)行了計(jì)算和分析。在單通道三波段彩色夜視系統(tǒng)裝置研制基礎(chǔ)上，開展了彩色夜視實(shí)驗(yàn)，成功得到色彩較為真實(shí)的夜視圖像。

夜視系統(tǒng)；彩色夜視；三波段；單通道；像增強(qiáng)器

0 引言

目前廣泛應(yīng)用的微光夜視儀器產(chǎn)生的都是單色圖像，單色圖像存在著信噪比低、立體感差、長時(shí)間觀察容易疲勞等缺點(diǎn)。相比較單色圖像，人眼對(duì)彩色有相對(duì)較高的分辨率和靈敏度。彩色夜視的實(shí)現(xiàn)主要是利用不同波段進(jìn)行成像、融合，微光圖像與紅外圖像融合[1]，微光雙譜圖像融合[2]等。微光與紅外圖像融合是基于雙通道實(shí)現(xiàn)的，即微光像增強(qiáng)器與紅外變像管相結(jié)合，這種雙通道的方式能夠明顯提高目標(biāo)被識(shí)別的概率，但存在著圖像配準(zhǔn)困難、成本高等問題。微光雙譜圖像融合克服了雙通道的問題，將夜天光光譜分為兩部分分別成像，經(jīng)過處理、融合成假彩色圖像[3]，而假彩色圖像不利于人眼的長時(shí)間觀察。為在單通道的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)逼近真實(shí)色彩的彩色夜視技術(shù)，提出了一種單通道三波段彩色夜視系統(tǒng)。

1 三波段真彩色夜視技術(shù)方案

根據(jù)RGB彩色模型，對(duì)任意彩色光C都選用3種單色光R、G、B進(jìn)行彩色合成，其配色方程可寫成[4]：

C＝(R)＋(G)＋(B)

利用濾光片將目標(biāo)的發(fā)射光譜分為R、G、B三個(gè)波段，通過CCD采集每個(gè)波段輻射強(qiáng)度，通過合成就能夠得到目標(biāo)的彩色信息。

單通道三波段彩色夜視系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。物鏡將目標(biāo)發(fā)射和反射光匯聚，分譜濾光片將匯聚的光進(jìn)行濾光后成像在增強(qiáng)器的光電陰極上產(chǎn)生光電子，光電子經(jīng)過像增強(qiáng)器的倍增，成像在熒光屏上，通過中繼元件被CCD采集、記錄在計(jì)算機(jī)上，得到則是反映目標(biāo)在某一波段強(qiáng)度信息的圖像。3塊分譜濾光片通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)的方式控制轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)單通道。將采集到的圖像經(jīng)過處理后融合成彩色圖像。

圖1 單通道三波段彩色夜視系統(tǒng)原理

單通道三波段彩色夜視技術(shù)的核心思想是在顯示單色圖像的像增強(qiáng)器的基礎(chǔ)上增加了一對(duì)嵌入了3原色不斷旋轉(zhuǎn)的色輪，通過濾光片的作用將目標(biāo)的發(fā)射和反射的顏色成分離成“R”、“G”、“B”三個(gè)波段。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 色輪的光譜透過率

色輪的作用是將目標(biāo)的反射光譜分為“R”、“G”、“B”三個(gè)部分，分割結(jié)果直接影響后期合成的圖像是否接近目標(biāo)的真實(shí)色彩，是否能夠提高目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)和識(shí)別的概率等。

微光夜視系統(tǒng)的工作過程是光電陰極對(duì)目標(biāo)和背景反射光譜積分[5]，產(chǎn)生的光電流為：

式中：()是光源的相對(duì)光譜密度分布；m是光源的相對(duì)光譜密度分布的峰值；()是目標(biāo)對(duì)光源的光譜反射比；()是光電陰極的相對(duì)光譜響應(yīng)；m是光電陰極的相對(duì)光譜響應(yīng)的峰值；1、2是光電陰極敏感范圍的下、上限波長。

初始對(duì)比度為：

式中：1、2分別是目標(biāo)和背景產(chǎn)生的光電流值；1()、2()分別是目標(biāo)和背景對(duì)光源的光譜反射率。

軍事觀察中，暗綠色漆和綠色草木往往是典型目標(biāo)和背景，在月光條件下其產(chǎn)生的電流相對(duì)值如圖2。

圖2 光電陰極對(duì)綠色草木和暗綠色漆的光電流的比較

提高對(duì)比度有助于更快地發(fā)現(xiàn)、識(shí)別目標(biāo)，所以最佳光譜匹配技術(shù)的關(guān)鍵是研究合適的光譜分割點(diǎn)（c）使對(duì)比度增大，采用的原則是對(duì)比度反轉(zhuǎn)最大原則[6]，即下式最大：

通過計(jì)算機(jī)計(jì)算可得到，分割點(diǎn)位于510nm、580nm和700nm附近。在波長大于700nm時(shí)，人眼的光視效率變得很低，為了使得到的圖像色彩更接近人眼的視覺，將波長大于700nm的部分予以截止。根據(jù)以上計(jì)算實(shí)際制備的短波、中波、長波濾光片光譜的光譜透過率如圖3中1、2、3所示。濾光片在相應(yīng)波段的透過率都超過或者接近80%，其透過率滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.2 色輪的窗口數(shù)

將反射光譜分為“R”、“G”、“B”三原色分別進(jìn)行放大、再進(jìn)行合成，理論上可以合成任意顏色。加入濾光片會(huì)降低像增強(qiáng)器的信噪比，通過計(jì)算濾光片加入前后信噪比存在式(4)的關(guān)系[7]：

式中：(S/N)、(S/N)1分為加入濾光片前后像增強(qiáng)器信噪比；l1、l2分別是像增強(qiáng)器敏感波段的上、下限；t(l)為濾光片的透過率；計(jì)算可得到短波、中波、長波濾光片加入前后信噪比之比約為0.267、0.251、0.347。加入濾光片嚴(yán)重降低了像增強(qiáng)器的信噪比，將導(dǎo)致采集到的圖像噪聲過大抑制圖像探測(cè)。為了克服這種情況，在原有3個(gè)窗口的基礎(chǔ)上增加一組全波（W）窗口，即透全波。所以，色輪的窗口個(gè)數(shù)是4個(gè)，如圖4所示：R、G、B和W。

2.3 色輪轉(zhuǎn)速及尺寸要求

當(dāng)圖像的轉(zhuǎn)換速度大于25幀/s的時(shí)候，人眼就認(rèn)為是連續(xù)圖像。色輪每旋轉(zhuǎn)一圈完成一幅完整圖像的采集。所以，色輪每秒旋轉(zhuǎn)25圈，每圈40ms。一幅完整的圖像由兩個(gè)步驟完成：一，R、G、B三幀圖像合成一幅彩色圖像；二，彩色圖像和全波圖像疊加。為了使獲得的圖像更逼近真實(shí)色彩，又不至于采集到的圖像太暗或者太亮，R、G、B和W的曝光時(shí)間為1:1:1:1，即單幀曝光時(shí)間為10ms，通過設(shè)置CCD探測(cè)器的曝光時(shí)間實(shí)現(xiàn)同步采集。色輪窗口的尺寸應(yīng)與像增強(qiáng)器陰極匹配以保證照射在光陰極上的光都經(jīng)過濾光片的濾波。

2.4 電機(jī)和轉(zhuǎn)速要求

電機(jī)驅(qū)動(dòng)色輪旋轉(zhuǎn)，對(duì)電機(jī)的要求有：轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性要好，電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求為1500fps，并且能夠保持穩(wěn)定；轉(zhuǎn)軸要穩(wěn)定，否則會(huì)影響圖像真實(shí)色彩的還原和圖像精度；像增強(qiáng)器一般采用電池供電，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓最好為12V，有利于設(shè)備的集成；電機(jī)的體積和重量應(yīng)盡可能的小，有利于設(shè)備的小型化。

2.5 熒光屏與CCD光電陰極耦合

熒光屏與CCD探測(cè)器光電陰極的耦合方式有兩種：光纖耦合和透鏡耦合[8]。光纖耦合是利用光纖光錐或光纖面板將像增強(qiáng)器熒光屏輸出的圖像耦合到CCD光電陰極上，其主要原理都是基于光纖的傳光特性。光纖耦合的優(yōu)點(diǎn)是熒光屏的光能利用率較高，體積小，畸變小等，缺點(diǎn)是成本較高、耦合時(shí)幾何對(duì)準(zhǔn)困難和光纖元件本身的瑕疵造成光能損失。透鏡耦合是通過透鏡將像增強(qiáng)器的輸出圖像耦合到CCD光電陰極，透鏡耦合具有調(diào)焦容易，成像質(zhì)量高的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是體積較大、光能利用率、系統(tǒng)有雜光干擾等缺點(diǎn)。

在實(shí)際的應(yīng)用中，采用光纖耦合方式具有價(jià)格高，操作復(fù)雜的不利因素，綜合考慮性能、價(jià)格比，實(shí)驗(yàn)采用透鏡耦合的方式，如圖5。

圖5 中繼透鏡組照片

2.6 熒光屏與CCD光電陰極光譜匹配

在三波段真彩色夜視系統(tǒng)中，熒光屏發(fā)出的光由下級(jí)CCD光電陰極接收。因此，對(duì)熒光屏的發(fā)射光譜就有一定的要求，即必須與CCD光電陰極的光譜較好匹配。

光電陰極對(duì)光源的積分響應(yīng)與其峰值響應(yīng)的比例關(guān)系稱為光電陰極同輻射源的光譜匹配系數(shù)。其數(shù)值表示光源的輻射通量被光電陰極接收的利用率。匹配系數(shù)越大，則表明光源的能量利用率越高。表1所列出部分常見熒光屏與光電陰極光譜匹配系數(shù)的近似值[9]。

表1 熒光屏與光電陰極光譜匹配系數(shù)

從表1數(shù)據(jù)可看出，P11熒光屏與S11和S25光電陰極、P31與S25光電陰極都有較大的光譜匹配系數(shù)。除了要考慮匹配系數(shù)以外，還要兼顧其他特性參量：發(fā)光效率、余輝等。P31的發(fā)光效率要大于P11，兩者的余輝時(shí)間相近且都不大于0.1ms。S25光電陰極的典型光響應(yīng)度為200mA/lm，遠(yuǎn)大于其他材料[9]。因此，像增強(qiáng)器熒光屏材料為P31，像增強(qiáng)器光電陰極材料為S25。根據(jù)以上理論分析，選用的像增強(qiáng)器型號(hào)為1XZ18/18WS-7，其主要參數(shù)表2所示。

表2 像增強(qiáng)器主要參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用上述單通道3波段彩色夜視系統(tǒng)在室內(nèi)及室外進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)為設(shè)定的實(shí)驗(yàn)場景、綠色草木、表面涂有紅色顏料的建筑，其照度條件分別是0.268 lx，0.135 lx，0.142 lx。實(shí)驗(yàn)采集到的結(jié)果如圖6所示，其中(a)、(b)、(c)、(d)分別為全波、短波、中波和長波圖像（圖中中間部位的黑色線條是物鏡自帶的分劃板所致）。從圖中可以看出，短波圖像能明顯的區(qū)分白色等淺色區(qū)域，對(duì)于其他顏色則不敏感；中波圖像能夠反應(yīng)目標(biāo)整體輪廓，局部有所突出，其他具體細(xì)節(jié)不明顯；長波圖像對(duì)于目標(biāo)整體顏色強(qiáng)度有明顯的反應(yīng)，亮度較短波和中波高。

圖6 實(shí)驗(yàn)圖像

圖7 融合圖像

微光圖像對(duì)比度低，經(jīng)過線性增強(qiáng)、融合，得到的結(jié)果如圖7。通過將圖7中的融合圖像與圖6的原始微光圖像對(duì)比，在分辨率方面，融合圖像對(duì)于不同目標(biāo)之間的紋理、邊界顯示得更為清晰。在色彩還原方面，圖像較真實(shí)地顯示了目標(biāo)的真實(shí)、自然色彩，與人的長期記憶中的色彩相近顏色協(xié)調(diào)性較好，可以較好地避免由于長時(shí)間觀察帶來的疲勞感。同時(shí)，融合圖像增強(qiáng)了目標(biāo)景深，目標(biāo)和地面、樹木和草地、樹木和墻體等的層次比較明顯，有利于快速地識(shí)別目標(biāo)、判斷地形等。因此，單通道三波段彩色夜視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

通過對(duì)單通道三波段彩色夜視系統(tǒng)的原理分析，設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)的原型結(jié)構(gòu)并利用該系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明本文的設(shè)計(jì)能夠在一定照度條件下實(shí)現(xiàn)色彩還原較為真實(shí)的彩色夜視。受制于像增強(qiáng)器性能、熒光屏與CCD的耦合方式等因素，系統(tǒng)在更微弱光照的條件下的實(shí)用性存在困難以及對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)探測(cè)存在不足，這些問題都是以后的工作中需要進(jìn)一步研究優(yōu)化的。

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Experimental Study on Single-channel Triple-spectrum Color Night Vision System

CHEN Yichao1，HU Wengang1，WU Dongsheng1，HE Yongqiang1，ZHANG Dongxiao1，HE Yunfeng2

(1.,,050003,;050081,)

Low-light level night vision device produces black and white images, which isn’t conducive to long time observation of human eyes. To solve this disadvantage, a night vision system of single-channel triple-spectrum is put forward. Working principle of the color night system is introduced briefly And the design method of the system is discussed. The spectral transmittance of filters, the number of color wheel windows, the coupling modes of fluorescent screen with CCD and other questions are calculated and analyzed. Color night vision experiment is done by color night vision system of single-channel triple-spectrum. The result shows that the system designed could produce color night image preferablly.

night vision system，true-color，triple-spectrum，single-channel，image intensifier

TN223

A

1001-8891(2017)01-0062-05

2015-02-02；

2015-06-29.

陳一超（1991-），男，碩士研究生，主要從事光電對(duì)抗與信息處理方向的研究。

軍械工程學(xué)院基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目（YJJXM12026）。