苗 旺, 李翰山

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院,西安 710021)

0 引言

光電探測是檢測目標(biāo)參數(shù)的重要技術(shù)，影響光電探測能力的干擾因素有很多，例如探測器性能、探測目標(biāo)輻射特性、探測區(qū)域背景照度等[1-3]，其中，目標(biāo)的輻射特性是影響探測性能的主要因素；對于高靈敏度光電探測靶而言，在多云等弱輻射背景下，環(huán)境引起的干擾小，系統(tǒng)靈敏度和穩(wěn)定性較高，而在強(qiáng)光輻射背景下，環(huán)境噪聲與干擾會(huì)明顯增加，同時(shí)，當(dāng)強(qiáng)光作用到探測系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓信號隨著接收輻射能量的增大而導(dǎo)致探測器發(fā)生飽和串?dāng)_效應(yīng)，干擾系統(tǒng)正常工作。

從國內(nèi)外公開的文獻(xiàn)來看，目前對光電成像探測性能的研究主要是從弱輻射與紅外輻射特性出發(fā)[4-6]：一方面，建立了相應(yīng)的靈敏度與信噪比模型；另一方面，分析了輻射背景對目標(biāo)探測的干擾特性，對于強(qiáng)輻射背景下的成像探測性能分析較少。另外，弱輻射背景的光電成像探測性能計(jì)算方法主要針對靈敏度與信噪比進(jìn)行建模，而強(qiáng)輻射背景下的噪聲大、干擾多，此時(shí)僅依靠靈敏度與信噪比已無法衡量系統(tǒng)探測性能。因此，為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)輻射背景下光電成像探測性能建模，需要綜合考慮目標(biāo)及其背景自身輻射特性、探測系統(tǒng)靈敏度、信噪比，建立強(qiáng)輻射背景作用下探測概率與成像串?dāng)_概率模型。

本文依據(jù)強(qiáng)輻射背景下空間目標(biāo)光學(xué)特性，建立了光電探測靈敏度、信噪比以及探測、串?dāng)_概率模型，分析了實(shí)際探測過程中影響成像探測能力的各種因素，為光電探測性能改善提供了有效的理論依據(jù)。

1 強(qiáng)輻射背景下的目標(biāo)特性

研究光電探測系統(tǒng)的成像探測性能，首先需要建立強(qiáng)輻射背景下的目標(biāo)特性模型；在光電探測過程中，探測目標(biāo)的光學(xué)特性由輻射亮度體現(xiàn)，探測器光敏元接收的光能量來自目標(biāo)反射的輻射能量。目標(biāo)輻射示意圖見圖1。

圖1 目標(biāo)輻射示意圖Fig.1 Schematic diagram of target radiation

一般認(rèn)為太陽是絕對溫度為5900 K的黑體，根據(jù)普朗克黑體輻射原理，在一定光譜范圍內(nèi)的輻射度可表示為[7]

(1)

式中：h為普朗克常數(shù)；c為真空中的光速；λ為探測波段波長；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為太陽的黑體溫度。

則空間目標(biāo)在該波段光譜下的輻照度為

(2)

式中：A為太陽表面積；dr為日地平均距離。

假設(shè)β表示空間目標(biāo)單位輻射面元上法線和強(qiáng)光入射方向夾角，ε(λ)表示單位輻射面元反射系數(shù)，則探測目標(biāo)單位面元ds1實(shí)際接收到的光通量為

(3)

同時(shí)，假設(shè)探測器光敏元為全擴(kuò)展面，并且與法線的夾角為γ，目標(biāo)與光敏元的距離為m，則光敏面元ds2實(shí)際接收的光通量為

(4)

2 探測能力分析

2.1 靈敏度

探測靈敏度是光電探測的核心環(huán)節(jié)，假設(shè)探測區(qū)域背景輻射的強(qiáng)度為EB，CCD光學(xué)系統(tǒng)視場角為θ，探測距離為dm，則對應(yīng)的總背景輻射強(qiáng)度為

(5)

若CCD光學(xué)鏡頭總孔徑為D，CCD光學(xué)系統(tǒng)的透過率為τ1，則CCD獲得的總背景輻射光通量為

(6)

而探測靈敏度σ為[8]

σ=φ/φm。

(7)

2.2 信噪比

光電系統(tǒng)的探測信噪比定義為探測目標(biāo)輸出信號與噪聲比值的均方根值[9-10]。假設(shè)φs為目標(biāo)信號光子通量；ds為探測器通光口徑面積；ηs為CCD響應(yīng)目標(biāo)光譜平均量子效率；λs為目標(biāo)光譜透過率系數(shù)；Tc為CCD曝光時(shí)間，則目標(biāo)信號光電子數(shù)n1可表示為

n1=φsdsηsλsτ1Tc。

(8)

若φn表示背景輻射光子通量；ηn表示CCD響應(yīng)背景光譜平均量子效率；λn表示背景光譜透過率系數(shù)；α表示CCD光軸與目標(biāo)的夾角Dc/F，其中，Dc為CCD像元直徑，F(xiàn)為系統(tǒng)焦距，則背景信號光電子數(shù)n2算式為

n2=φndsηnλnτ1α2Tc。

(9)

在忽略探測器轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲的情況下，系統(tǒng)信噪比RS，N可表示為[11]

(10)

另外，目標(biāo)與背景的對比度是衡量能否探測到目標(biāo)的重要參數(shù)，可以表示為[10]

(11)

為了提高探測系統(tǒng)的信噪比，需要減少環(huán)境背景引入的光噪聲，因此可以依據(jù)目標(biāo)與背景的光譜輻射差異，采用合適的光譜濾波技術(shù)減少不必要的光譜成份，極大地減少CCD接收多余的背景光能量，抑制CCD探測器飽和效應(yīng)。

2.3 電荷串?dāng)_閾值

當(dāng)探測器光敏面元上的能量增大，其勢阱存儲(chǔ)電荷量增加，若勢阱存儲(chǔ)電荷量超過其飽和電荷量閾值，多余的電荷將接觸絕緣層界面而引起表面俘獲，產(chǎn)生飽和效應(yīng)，使得多余電荷通過表面勢壘溢出，引發(fā)串?dāng)_效應(yīng)，導(dǎo)致目標(biāo)和背景信號被串?dāng)_信號淹沒，從而影響系統(tǒng)成像特征及參數(shù)測試性能[12]。

根據(jù)體溝道結(jié)構(gòu)認(rèn)為，探測器光敏元的N型摻雜區(qū)內(nèi)的施主濃度和P型摻雜區(qū)內(nèi)的受主濃度為常數(shù)，分別為na和nd，耗盡層中的電子或空穴已全部耗盡，電荷全部由電離的施主或受主組成，由此可得到串?dāng)_電荷量閾值為

(12)

式中：b表示N型層厚度；εsi表示CCD光敏元感光材料的體介電常數(shù)；VG表示柵極高電壓。。

2.4 探測與成像串?dāng)_概率

探測概率是指當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在探測系統(tǒng)的視場范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)能夠探測到目標(biāo)的概率，探測概率可表示為探測系統(tǒng)的信噪比滿足一定閾值要求的概率，具體如下

(13)

光電系統(tǒng)的成像串?dāng)_概率是指在強(qiáng)輻射作用下探測器發(fā)生串?dāng)_的概率。在計(jì)算時(shí)，串?dāng)_概率可以認(rèn)為是探測器勢阱存儲(chǔ)電荷量超過門限的概率，即

(14)

3 計(jì)算分析

將光電探測系統(tǒng)設(shè)置在強(qiáng)輻射背景環(huán)境中，光照度為112 356 lx，主要參數(shù)設(shè)置如下：光學(xué)系統(tǒng)透過率為0.71，焦距為58 mm，CCD分辨率為1292×964，平均量子效率為0.32。

光學(xué)系統(tǒng)透過率對探測能力的影響主要體現(xiàn)在對輻射背景噪聲的影響，為了保證噪聲范圍并兼顧目標(biāo)信號的探測，光學(xué)透過率設(shè)置在0.7左右；焦距以及分辨率決定了探測視場以及探測過程中干擾的多少，為了綜合分析強(qiáng)輻射背景的特性，選擇光學(xué)系統(tǒng)焦距58 mm，CCD分辨率1292×964，保證35°以上的探測視場。

當(dāng)光電探測系統(tǒng)處在弱輻射背景下時(shí)，系統(tǒng)靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，輸出目標(biāo)過靶信號如圖2a所示，此時(shí)可用靈敏度與信噪比對探測性能進(jìn)行衡量；但當(dāng)光電探測系統(tǒng)處在強(qiáng)輻射背景下時(shí)，其輸出信號如圖2b所示，可以看出，探測系統(tǒng)噪聲變強(qiáng)，干擾較多，因此僅依靠靈敏度與信噪比已無法衡量系統(tǒng)探測性能，需要引入串?dāng)_概率與探測概率對探測系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖2 不同輻射背景下的探測信號Fig.2 Detection signal in different radiation background

3.1 輻射特性對探測能力的影響

根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算得到探測輻射能量與探測距離的變化曲線，如圖3所示。

圖3 輻射能量變化曲線Fig.3 Radiation energy variation

從圖3可以看出，探測距離越遠(yuǎn)，目標(biāo)表面面元的輻射能對探測器的入瞳處輻射光能量貢獻(xiàn)越小，光學(xué)衰減、漸暈造成的能量變化越強(qiáng)，所以目標(biāo)反射到探測器光敏元的輻射能量就越小，當(dāng)探測距離大于10 m時(shí)，光敏元接收的輻射能量衰減到了5000 lm以下。

圖4為不同目標(biāo)尺寸l下光通量E0對探測靈敏度的影響，隨著太陽輻射照度的增大，光電探測接收器能感知的目標(biāo)輻射通量也增大，使得探測靈敏度增加，尺寸大小為12 mm的目標(biāo)最高靈敏度可以達(dá)到1100左右。但當(dāng)照度增加，背景光通量也在增加，導(dǎo)致探測器光敏面元接收的目標(biāo)輻射光通量φm與背景輻射光通量φ的比值接近定值。

圖4 靈敏度變化曲線Fig.4 Sensitivity variation curve

3.2 信號調(diào)理與濾波技術(shù)對探測能力的影響

在系統(tǒng)參數(shù)確定的條件下，系統(tǒng)探測能力受不同信號處理以及光譜處理方式的影響，圖5給出了不同處理方式下采集輸出的電壓信號波形，CH1為強(qiáng)光下加入濾光片后信號調(diào)理電路增益為105倍時(shí)的噪聲電壓，CH2為強(qiáng)光下不加濾光片后信號調(diào)理電路增益為105倍時(shí)的噪聲電壓，CH3為強(qiáng)光下不加濾光片后信號調(diào)理電路增益為107倍時(shí)的噪聲電壓，可以看出,光譜濾波技術(shù)對于探測性能有著明顯的改善。另外，靈敏度的增加會(huì)增強(qiáng)背景對系統(tǒng)干擾的程度，使串?dāng)_概率急劇增加，以致系統(tǒng)無法進(jìn)行測試。

圖5 不同信號調(diào)理方式對輸出信號的影響Fig.5 Influence of different signal conditioning methods on output signal

在探測過程中，為了增加極限探測距離，一般會(huì)提高參數(shù)增益，增加靈敏度，圖6a是探測系統(tǒng)靈敏度為300的電壓信號，信噪比為10左右，圖6b是探測系統(tǒng)靈敏度為1000的電壓信號，信噪比在0.5～2左右，可以看出，圖6a中目標(biāo)與背景的對比度較強(qiáng)，而圖6b中的對比度較弱，目標(biāo)趨于淹沒在背景中，主要原因是靈敏度越大，探測距離也會(huì)增加，但是同時(shí)也引入了更多背景輻射光子通量φn，又減小了信噪比。

圖6 不同靈敏度下的探測信號Fig.6 Detection signals with different sensitivities

因此，由于不同環(huán)境的背景光譜特性不同，系統(tǒng)信噪比與靈敏度不能同時(shí)兼顧，相同信號處理方式對探測能力的貢獻(xiàn)是不同的。在光電系統(tǒng)布站方式確定時(shí)，需要分析測試環(huán)境背景亮度與光譜特性，選擇合理的信號處理與光譜濾波方式，使系統(tǒng)的信噪比和靈敏度可以同時(shí)兼顧探測要求。

3.3 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)對探測能力的影響

光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)是光電探測首先需要確定的參數(shù)，因此，需要定量分析光學(xué)系統(tǒng)的各主要參數(shù)對系統(tǒng)探測能力的影響，分別分析CCD有效通光口徑ds、光學(xué)系統(tǒng)透過率τ1以及由光學(xué)系統(tǒng)造成的彌散斑直徑p對探測能力的影響。

圖7所示為光學(xué)參數(shù)對探測概率的影響。

圖7 光學(xué)參數(shù)對探測概率的影響

從圖7中可以看出，光學(xué)系統(tǒng)有效通光口徑ds越大，收集光信號能力越強(qiáng)，光敏元接收到目標(biāo)輻射能量越大，信噪比會(huì)增強(qiáng)，探測概率增加，當(dāng)口徑大到一定范圍后，會(huì)引入更多的背景輻射通量φn，但目標(biāo)輻射能量不會(huì)明顯增加，使得信噪比減小，探測概率變?。欢鈱W(xué)系統(tǒng)透過率越高，到達(dá)光敏元的能量越大，彌散斑直徑越小，能量密度越高，探測能力越強(qiáng)，但同樣在增加到一定范圍后會(huì)引入更多噪聲，致使探測概率降低。另外，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)環(huán)境設(shè)置合理時(shí)，探測概率可以達(dá)到0.95以上。

另外，像元的大小和曝光時(shí)間也會(huì)影響探測能力，圖8為不同CCD像元大小和曝光時(shí)間與串?dāng)_概率的關(guān)系。

圖8 光學(xué)參數(shù)對串?dāng)_概率的影響

從圖8可以看出，像元尺寸越大，單像元接收的光子數(shù)越多，平均量子效率變高，光電轉(zhuǎn)換比變高，噪聲產(chǎn)生的光電子數(shù)變大，導(dǎo)致串?dāng)_概率增加；而曝光時(shí)間越長，收集光背景噪聲光電子數(shù)的增幅大于目標(biāo)光電子數(shù)的增幅，導(dǎo)致了探測系統(tǒng)成像串?dāng)_概率隨曝光時(shí)間的增大而增加。因此，為了提高系統(tǒng)探測概率，避免串?dāng)_引起成像性能的降低，光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)在滿足一定要求的情況下不可設(shè)置過大，而當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)環(huán)境設(shè)置合理時(shí)，成像串?dāng)_概率可以降低到0.05以下。

4 結(jié)束語

本文分析了強(qiáng)輻射背景下光電成像探測性能計(jì)算方法，依據(jù)空間目標(biāo)輻射特性，建立了光電探測靈敏度、信噪比以及探測串?dāng)_概率模型，分析了實(shí)際探測過程中影響探測性能的因素；通過計(jì)算分析分別給出了目標(biāo)輻射特性對探測能力影響變化曲線，信號處理與光譜濾波技術(shù)對探測能力影響變化曲線，以及光學(xué)參數(shù)對探測能力影響變化曲線，驗(yàn)證了理論分析的合理性，為光電探測性能的改善提供了有效的理論依據(jù)。