陳旭浪，黨小剛，郭欣達，王 磊，張姝麗，拜曉鋒，韓 坤，袁 淵，李軍國，成 偉

（1.微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安，710065；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；3.空軍裝備部駐昆明地區(qū)軍代表室，云南 昆明 650223）

引言

作用距離是評價微光夜視整機系統(tǒng)的一個重要指標[1]。微光夜視整機夜間作用距離與目標對比度、環(huán)境溫濕度、能見度、環(huán)境光照度等參數(shù)密切相關，而在這些因素中目標對比度對作用距離評估的影響最為突出[1-2]。國外對微光夜視成像的相關文獻是封鎖的，國內目標對比度方面的研究工作主要聚焦于系統(tǒng)的信噪比[3]、圖像處理算法[4-5]等方面。Orlando、李文娟、羅華、金偉其等在光電成像系統(tǒng)性能評價方向就MRC（minimum resolvable contrast）開展了較多的研究工作[6-9]。此外，2004年，王毅等開展了大氣中目標背景對比度及其影響因素的數(shù)值分析[10]，但未進行微光目標對比度影響因素研究。2010年，杜石明等進行了紅外光照射對目標與背景對比度影響研究[11]，未對微光條件下可見光區(qū)間進行研究。

目標對比度的測量通過觀察物體時物體和背景的亮度差異而實現(xiàn)[3]。在夜天光條件下開展微光夜視儀試驗時，自然光輻射光譜強度會隨著光照的降低而發(fā)生較大變化[12]。由于三代微光像增強器具有與星光條件下自然光輻射光譜良好匹配的使用特性[13-14]，建立了基于三代微光ICCD成像裝置。為了探究環(huán)境光照度、目標反射率、背景反射率對目標對比度測量的影響，從微光成像系統(tǒng)能量傳遞鏈、光電子成像系統(tǒng)視覺特征方程出發(fā)，分別推導環(huán)境光照度和目標-背景反射率比與對比度的關系。并以三代微光ICCD成像裝置為基礎，開展了暗室和夜天光環(huán)境下的對比度測試試驗。本研究工作對開展夜間對比度測試及微光夜視儀試驗具有重要意義。

1 理論分析

1.1 對比度的計算

利用ICCD 采集夜間低照度環(huán)境下的目標景物圖像，然后利用圖像分析軟件分別提取目標物的灰度值Ik和目標周邊背景的灰度值I0。由于圖像灰度值與像面照度線性相關，因此利用公式計算得到目標對比度[2]：

式中：CON為目標對比度；Lk、L0分別表示目標亮度和背景光亮度；Ik、I0分別表示目標物灰度值和周邊背景灰度值。

1.2 系統(tǒng)能量傳遞鏈評價

ICCD成像系統(tǒng)檢測目標各點的亮度分布基于像面上所獲得的照度獲得：

（2）式和（3）式中：E0為環(huán)境照度；Le為目標像面亮度；L0為背景像面亮度；ρa為目標光反射率；ρ0為背景光反射率；（D/f）為相對孔徑；τ為大氣及物鏡透射率；像增強器的亮度增益G是以環(huán)境照度E0為自變量的函數(shù)。將（2）式和（3）式代入（1）式得：

由于三代微光像增強器自動亮度控制（automatic brightness control，ABC），1×10?3lx～5×10?2lx照度區(qū)間內，像增強器的熒光屏亮度與環(huán)境照度E0線性相關[15]，即像增強器亮度增益G為定值。當G值恒定時，CON與環(huán)境光照度無關。

1.3 光電子成像系統(tǒng)視覺特征方程

在照度-亮度的線性相關照度區(qū)間[Es，Em]內，三代像增強器的亮度增益G為定值。根據(jù)光子數(shù)統(tǒng)計漲落之規(guī)律，對于面元A的光照度為E0，其反射特性服從郎伯分布，則反射光強度分別為

式中：σ為每流明光通量所包含的每秒光子數(shù)目，對色溫Tc=2856 K，σ ≈1.6·1016光子數(shù)/lm·s；ρa為面元A的光反射率；?x和?y是面元尺寸。

通過大氣和系統(tǒng)物鏡后，輸入到光電子成像器件光敏面A′的光子數(shù)通量na為：

式中：D為物鏡口徑；r為觀察距離；τ為物鏡及大氣的總透過率。若背景光照度引起的光子數(shù)通量為n0，背景光反射率為ρ0，則對比度為

則CON與目標光反射率ρa與背景光反射率ρ0之比越接近1，對比度越小。

2 試驗裝置及方法

本文基于三代微光ICCD成像裝置，開展了不同對比度靶標的暗室對比度測試與夜天光對比度測試。

2.1 不同對比度靶標的暗室測試

暗室對比度測試時[16-19]，ICCD成像鏡頭為康標達F 1.4/50 標準鏡頭；照度計為KLL-04 型寬量程照度測試儀，量程可覆蓋10?7lx～103lx；積分球光源可提供10?5lx～102lx的照度。

暗室對比度測試原理圖如圖1所示。照度計與靶標設置在一側，積分球與ICCD 距離靶標為5 m。

圖1 對比度測試原理圖Fig.1 Schematic diagram of contrast test

測試具體步驟為：

1）通過積分球光源實現(xiàn)暗室照度的調節(jié)；調節(jié)環(huán)境光照度分別為7.5×10?2lx、4×10?2lx、1×10?2lx、7.5×10?3lx、4×10?3lx、1×10?3lx；

2）照度計測量暗室光照度并記錄；

3）使用ICCD 在2）測得的各光照度下，使用ICCD 采集分別采集靶標圖像，在計算機上通過灰度值計算得到靶標的對比度；

4）更換靶標后重復以上步驟。

2.2 夜天光對比度測試

夜天光對比度測試時，需要攜帶ICCD成像裝置（鏡頭為康標達F 1.4/50）、KLL-04 型寬量程照度測試儀、便攜計算機、蓄電池，以及必要的場地標定設備。試驗場地按照GJB4396-2002 微光夜視儀定型試驗規(guī)程選定。如圖2所示，試驗時設置目標位與觀察位，目標位站立兩位分別身著沙漠迷彩與叢林迷彩的試驗人員，在觀察位處，使用ICCD成像裝置進行圖像采集。

圖2 試驗場地情況示意圖Fig.2 Schematic diagram of test site

試驗具體步驟為：

1）測試時，目標位占高不小于背景高度的1/4，在距離目標N為50 m、100 m 及150 m 處進行圖像采集。

2）用照度計監(jiān)測自然光照度并記錄；

3）以著叢林迷彩人員和著沙漠迷彩人員為目標，用ICCD測試裝置觀察目標并調焦至圖像清晰后，在距離目標、背景距離M為50 m、100 m 及150 m 處分別進行圖像采集（分別采集25幀）。

4）在完成3）的圖像采集后，經(jīng)計算后給出對比度結果。

5）更換試驗場地重復以上步驟。

3 試驗結果及分析

3.1 不同對比度靶標的暗室測試結果及分析

對10組不同對比度靶標進行ICCD 圖像采集并計算，得到的對比度測試結果如表1所示。

表1 對不同對比度靶標的對比度測試數(shù)據(jù)Table1 Contrast test data for different contrast targets%

由于光電子成像系統(tǒng)各環(huán)節(jié)逐級傳遞的衰減存在，ICCD測得的對比度低于實際靶標對比度。由圖3暗室對比度測試結果知，在暗室條件下，不同靶標在不同照度下的測試值與標準對比度對比下降趨勢基本一致。驗證了成像裝置進行對比度測量的有效性。

圖3 暗室對比度測試結果Fig.3 Dark room contrast test results

圖4為對比度-照度曲線，由圖中可知，對比度與環(huán)境照度幾乎不相關。從1#靶標到10#靶標，它們的區(qū)別在于黑白條紋中黑色條紋的顏色深淺程度不同。白色、黃色等明亮顏色可以反射光線，黑色、紫紅色等較深顏色可以吸收光線。黑色線條顏色越深反射率越小。因此，1#靶標到10#靶標對比度的降低可以看做是黑條紋反射率的增加，即黑條紋反射率接近白條紋反射率，他們的比值接近于1。從圖4中可以看出，隨著靶標從1#更換到10#，黑條紋與白條紋反射率的比值增加，對比度降低。以上試驗結果與1.3 節(jié)分析一致。

圖4 對比度-照度曲線Fig.4 Curves of contrast to illuminance

圖5為三代微光像增強器ABC曲線。當入射照度低于Es時，由于系統(tǒng)的增益不夠，熒光屏輸出亮度會很小，這不利于微光像增強器的成像探測；當入射照度處于[Es，Em]之間，近似地認為像增強器處于線性工作狀態(tài)，這時的系統(tǒng)增益基本上是一個穩(wěn)定的值；而當入射照度大于Em時，輸出亮度就會飽和。

圖5 三代微光像增強器的ABC曲線Fig.5 ABC curves of 3rd LLL image intensifier

由三代微光像增強器自動亮度控制可知，在[1×10?3lx，5×10?2lx]照度區(qū)間內，像增強器的熒光屏亮度與環(huán)境照度E0線性相關，即像增強器亮度增益G為定值。照度在[1×10?3lx，5×10?2lx]內對同一靶標測試時，目標與背景反射率不變，對比度基本一致。當照度>5×10?2lx時，此時G是以E0為自變量的函數(shù)，7.5×10?2lx時的三代像增強器的增益略有下降，導致對比度的下降，不同靶標的對比度都低于其他照度下的測試結果。以上分析結果與1.2 節(jié)分析一致。

3.2 夜天光對比度測試結果與分析

表2為夜天光對比度測試結果。一般來講，夜間夜視儀仿真環(huán)境中樹林的反射率為10%～40%，水泥坡的反射率為20%～50%，土坡反射率為20%～60%，沙漠迷彩的反射率為30%～60%，叢林迷彩的反射率為20%～40%。以樹林為背景時，沙漠迷彩-樹林的反射率差別高于叢林迷彩-樹林反射率差別，因此對比度測試結果為沙漠迷彩高于叢林迷彩；以水泥路為背景時，沙漠迷彩-水泥路的反射率差別低于叢林迷彩-水泥路反射率差別，因此對比度測試結果為沙漠迷彩低于叢林迷彩；以土坡為背景時，也能夠得到相同的規(guī)律；以上試驗結果與1.3 節(jié)分析一致。

表2 不同距離、不同背景的對比度測量數(shù)據(jù)Table2 Contrast measurement data under different distances and backgrounds %

以目標與背景反射率比為自變量，仿真理論分析1.3 節(jié)中的（7）式的函數(shù)曲線。圖6為目標與背景反射率比-對比度曲線。從圖中可知，當目標-背景的反射率比值為1時，對比度的測量值為0。即當背景不變時，目標與背景反射率差別越大，對比度越高；兩者越接近，對比度越低。

圖6 目標與背景反射率比-對比度曲線Fig.6 Curves of target and background reflectivity to contrast

4 結論

本文根據(jù)微光成像系統(tǒng)能量傳遞鏈、光電子成像系統(tǒng)視覺特征方程分別推導環(huán)境光照度和目標-背景反射率比與對比度的理論公式；建立了基于三代微光像增強器ICCD的成像裝置，通過不同靶標的對比度暗室測量試驗，驗證了基于ICCD成像裝置開展對比度試驗的有效性。為夜天光環(huán)境下的微光夜視儀整機試驗的對比度測量提供了一種技術手段。試驗結果表明，在三代微光像增強器自動亮度控制的照度-亮度增益線性區(qū)間內，以環(huán)境光照度單一變量時，對比度與其不相關；在照度-亮度增益線性區(qū)間內外，對比度-環(huán)境照度的關系與熒光屏亮度-環(huán)境照度類似。對于同一目標，目標-背景的反射率之比越接近1，測量對比度越小。本文中未對大氣透射、鏡頭相對孔徑等對比度相關因素進行分析討論。在夜天光對比度試驗中，對于同一目標與背景，對比度隨目標-背景距離的增加而減小，其原因可能是距離變大增加了ICCD 采集得到圖像的能量損失，增加了測量的誤差。由于數(shù)據(jù)點較少，因此不能得到對比度與目標-背景距離的關系。