微光遥感成像技术研发动态评述

      西安应用光学研究所向世明研究员在2018年第2期发表了“微光遥感成像技术研发动态评述”一文,评述有关微光遥感成像技术的基本原理、系统组成、关键技术、性能测试、总体评价、推广应用等方面的最新研发动态和成就,具体见《激光与光电子学进展》第2期。

人们非常熟悉并使用的手机中都有一块成像器件——CCD(Charge Coupled Devices),它是一类新型的固体阵列扫描式光敏成像器件。若在CCD前端耦合一级微光管或微光像增强器,即构成所谓ICCD(Image Intensified CCD)。由于微光管前端的光阴极比普通CCD或人眼的视网膜的等效读出噪声,要低3~4个数量级,因而ICCD相机比“猫眼”更敏感,能在更加漆黑夜晚下正常工作。

微光遥感成像技术,是指用微光像增强CCD(即ICCD),补充或弥补现有CCD成像器件的遥感相机技术,其主要技术特色是宽光谱、低噪声、高灵敏度、大动态范围等。

1、技术特色

低噪声、高灵敏度

看清目标的基本前提是探测器必须有足够低的热噪声,或高的输入信噪比。

因此,不难理解,猫为什么能在漆黑的夜晚扑捉上老鼠,海龟等动物为什么能在10-8lx漆黑的深海下自由游弋和生活,而人类晚上行走办事为什么必须打手电,普通数码相机在低照度下拍照为什么要开闪光灯。究其根本原因,就是猫的视网膜热噪声要比人的低2个数量级以上,而微光管光阴极的热噪声要比CCD的低6~8个量级。所以微光遥感成像系统的装备和应用,将大大拓展各类航天器的有效工作时间范围(从10.00——16.00拓宽至06:00—20:00,甚至更宽),使其能在更宽的时段内,为观察、报告、预警地面的突发事件,如自然灾害、恐怖活动,以及必要的地理、地质和测绘等需求,提供实时宝贵信息。

宽光谱响应(X-紫外-蓝延伸-可见-近红外等)

根据不同的用途,可以选用不同光谱响应的光阴极ICCD。从X光(CsI光阴极)、紫外日盲光(GaN光阴极)、蓝延伸光(GaAs蓝延伸光阴极)、可见光(Sb-K-Na-Cs光阴极或GaAs光阴极),直到近红外光(GaInAs光阴极)等。其中,X光阴极像管用于宇宙短波射线探测成像;紫外日盲光阴极像管用于洲际导弹尾焰探测和预警;蓝延伸光阴极像管与激光配合、用于深海探测成像等。

大动态范围( 60~80db)

微光管供电系统可配置ABC(亮度自动控制)和BPC(强光保护控制)电路,特别适用于对照度大范围变化目标场景,进行同时智能探测与识别。

2、技术应用

3D微光遥感成像技术

基于激光雷达,运用公式  可实现ICCDs微光遥感3D成像过程,其最大的技术优势是:

1)通过距离选通,可以排除非选通时段距离内的杂光干扰,提高系统在恶劣天候环境下的作用距离。例如,作者1967年完成的液氮制冷GaAs激光器/红外变像管选通夜视技术实验研究”项目,在浓雾霾天候条件下,能见度不到10m的夜晚,通过选通和不选通进行对比试验,二者的夜视视距分别为251m和83m。

2)海水只对蓝绿光有一定透过率,而几乎全部吸收其他波长的辐射。正是基于这一特性,使得水下的探测成像任务除分辨率低的声呐以外 ,就只有靠蓝绿激光+ICCD选通3D成像系统。美国用于水下激光/ICCD选通成像系统,视距150~200m,分辨力可分辨小罐头筒。

3)美国蓝绿激光+ICCD探测器“蜘蛛3氪”系统,能在132km高空看清地面房屋的窗户,发射激光能让窗纸烧灼。

美国全天时KH-12卫星

该卫星可能装备了蓝绿激光/蓝延伸GaAs光阴极像管ICCD探测器,据称,在500km高空,地面分辨率:全天时CCD 0.5m;微光ICCD 1m。

星载/机载紫外日盲光阴极ICCD导弹告警系统

美国从1968 年开始发射预警卫星,采用红外探测器和电视摄像机。70~80年代以来,发展了新型导弹紫外告警技术.可在远程导弹点火90 秒钟以内探测到导弹的火焰,并能在5分钟以内将警报送入到战略防御指挥中心。在海湾战争中,它曾探测到伊拉克的“飞毛腿”导弹,为美军的“爱国者”导弹提供了90~120秒的提前拦截摧毁时间.

深空γ线遥感探测(萨德)成像系统[9]、

用几块MCP(微通道板)直接作为光电子转换器(量子效率10%~60%)及电子倍增器(≥106),制作成图像单光子计数器。其工作原理与一般微光像增强器不同的地方是,用楔条形阵列阳极代替像管荧光屏;它与EBCCD和真空多阳极MAMA管不同是,管外的面阵电荷放大器代替了管内的CCD或多阳极阵列。靠对输出电荷二维空间分布的解算和可视化显示,提供被探测目标的空间动态位置信息。美国航空航天局(NASA)已将其成功用来拍摄地球外层空间等离子体图像。其主要技术特点是:极短波长响应(γ线、X线)、高空间分辨力(150μm)、极低噪声(≤0.4计数s-1cm-2)和快响应速度(≤ms级),而且管外耦合、结构简单,性价比高,是航天星空γ线、X线探测成像及制导武器的先进的核心器件。

加拿大、瑞典,“鹰眼”反潜系统和美国“魔灯”激光水雷探测系统,可探水深30m

前苏联,“紫英石”激光探雷系统系统,装于“熊4型”战机上,可探水深45m

3、目前所面临的问题及解决方案

微光遥感相机的视觉探测方程问题

卫星、飞船、空间站等航天器身居500~700km天空上,要看清地面相隔≤1m的目标绝非易事!因此,非常有必要搞清楚其地面分辨率与相机内外部条件之间的关系,以便为相机的总体性能设计和技术途径优化,提供理论依据。

美国RCA公司《Electro-Optics Handbook》(1974),列举了各类成像器件的视觉探测/识别性能列线图。我国西安应用光学所的科技工作者,根据多年从事微光夜视技术研究的经验体会和理论探索,结合微光遥感的实际情况,给出了如下“微光遥感相机的视觉探测方程”表达式:

Ra≥      

式中,Ra为相机像面分辨率(lp/mm),它分别与系统的内外部参数有比例关系:

1)1/2方正比关系:涉及系统能量传递链的10个参数:σ- 色温2856OK光源每流明光子数;景物照度EO(lx), 目标反射率ρO(%)η- 光阴极量子效率(%);G-像管亮度增益(cd/m2/lx);T-荧光屏及 CCD像元弛豫时间(s),m-时间延迟积分(TDI)级数;τ大气、τ物镜 和 τ光纤为各环节光子数透过率(%);

2)1次方正比关系:涉及系统MTF传递链M(N)和光学系统的相对孔径(D/f)

3)1次方反比比关系:噪声归一化因子ξ(n2其他噪声与n2泊松噪声之比)及可信度档次K1/2

另外,经过大量实验认证、已被人们公认的人眼视觉探测方程如下:

 R ≥ C目标对比度L1/2目标亮度/2f˙K1/2

仔细比较两个公式不难发现,二者何其相似!其实,L目标亮度=ρ0E0; 目标对比度C与其调制度的关系为M(N)= C(N)/[2-C(N)]。这说明所有的光电成像系统,最终都是以为人眼提供清晰图像为最终目的的,为此必须通过改善系统的能量传递链(1/2次方-10个参数及D/f)、MTF传递链(1次方-M空域(N) M时域(N))和信噪比传递链(1次方反比于噪声归一化因子),才能有望获得高清晰度图像。对于微光遥感相机,这类光-机-电-算-控巨型工程项目的总体设计更是如此!

微光遥感相机微光管优选问题

如上所述,微光管的性能优选对提高微光遥感相机的质量至关重要。目前,如下图所示:国内外微光管的灵敏度η、分辨率R和信噪比(S/N)已经经历过零代、一代、二代、三代和超三代微光创新阶段,用户可从中优化选择。


国内外微光夜视技术发展历程示意图

微光遥感相机视频器件优选问题

   目前,有如下三类微光遥感视频器件:ICCD(像增强CCD)、EBCCD(电子轰击CCD) 和EMCCD(电子雪崩倍增CCD)。目前,国内比较成熟的属第一种,即ICCD,精密且均匀地实施光纤耦合工艺是保证ICCD高清晰度像质的关键因素之一。


三类微光视频器件。(a)ICCD;(b)EBCCD;(c)EMCCD 

大线阵ICCDs 6个自由度的相互精准拼接问题

   为了满足微光遥感相机对地面大视场观察的需要,必须将几十个ICCD 前后错位拼接成一个21xICCDs大线阵探测器。这需要对这个大型“游行队伍”ICCDs个体之间的6个自由度(⊿x、⊿y、⊿z、⊿α、⊿β、⊿γ),进行前后、左右精准对齐,否则会使遥感图像严重失真。解决的技术途径可采用如下投影仪投射电子靶,进而通过面像元间的“心电图”诊断方法,予以实时校正。


 

微光遥感相机动像MTF恶化及其反演校正问题

    相机在推扫遥感的过程中,会观察到星外飞行物(导弹、飞船)和地面高速运动目标(飞机、汽车、舰艇等)相对于相机的运动;加之载体在星载平台上的其他类型的抖动、晃动和随机振动,都会使系统的MTF恶化,图像会变得愈来愈模糊,因此,应采取相应的电子稳像稳瞄措施,予以反演补偿.

作者对“光电成像系统动像MTF衰减”问题进行了系统研究。文中令遥感相机的惰性(迟豫时间)为τ、星地相对运动速度为v,则其匀速动像下的MTF应为,

 
M输出(N)=M静像(N)/[1+2πvτN ]1/2 
 

对所求得的M输出(N)进行傅里叶反变换后,即可反演求得无动像模糊的景象空间分布.例如图05所示,一快速汽车模糊影像(左图)的电子稳像,经过上述傅里叶反演修正后,变为一清晰的图像(右图)。


遥感相机动像模糊反演算法示意图

微光遥感相机杂散光定标消除问题

遥感相机视场内,除包含有用的目标辐射信息以外,还接收来自机舱外部杂散光、实验室内或机舱内尚未消除的杂散光。这些杂散光在像面上会形成附加照度为⊿E杂散光,将使输入图像的调制度降低,像质恶化。 其中,⊿E杂散光与视场总照度(Emax+Emin)之比,被定义为杂光系数ξ.它对系统MTF的恶化影响可表示为:

M杂散光(N)= (Emax-Emin)/( Emax+Emin+2⊿E杂散光)  
= MO(N)/[1+2⊿E杂散光/ (Emax+Emin)]
= MO(N)/[1+2ξ]   

可见,杂散光系数ξ愈大,图像的MTF下降愈厉害。这是微光遥感系统除其静态传函MO(N)、动像传函M动像(N)外,第3个衬度恶化因素,必须精心予以屏蔽。 

相比于可见光CCD遥感技术而言,ICCD微光遥感技术是近些年发展起来的一门新技术,国内外尚处于严格保密阶段。“微光遥感成像技术研发动态评述”一文是根据部分国内外情报资料和承研单位的研究论文撰写而成,希望能为该方向的学者提供参考。