非相干强光干扰可见光成像研究.pdf
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1、第2卷第3期2 0 2 3年5月信 息 对 抗 技 术I n f o r m a t i o n C o u n t e r m e a s u r e T e c h n o l o g yV o l.2 N o.3M a y 2 0 2 3引用格式:章沁钰,冯云松,杨华,等.非相干强光干扰可见光成像研究J.信息对抗技术,2 0 2 3,2(3):5 2-6 3.Z HANG Q i n y u,F E N G Y u n-s o n g,YAN G H u a,e t a l.R e s e a r c h o n v i s i b l e l i g h t i m a g i n g
2、 s y s t e m u n d e r i n c o h e r e n t s t r o n g l i g h t i n t e r f e r e n c eJ.I n f o r m a t i o n C o u n-t e r m e a s u r e T e c h n o l o g y,2 0 2 3,2(3):5 2-6 3.(i n C h i n e s e)非相干强光干扰可见光成像研究章沁钰1,2,3,冯云松1,2,3*,杨 华1,2,3,金 伟1,2,3,赵大鹏1,2,3,胡煌康1,2,3(1.国防科技大学电子对抗学院,安徽合肥 2 3 0 0 3 7
3、;2.脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽合肥 2 3 0 0 3 7;3.红外与低温等离子体安徽省重点实验室,安徽合肥 2 3 0 0 3 7)摘 要 激光是干扰可见光侦察与告警、跟踪与制导系统的常用技术手段,但存在着频段短、波束窄、瞄准难等问题。非相干强光干扰技术能有效弥补激光干扰技术的不足,针对非相干强光干扰可见光成像系统的理论分析与实验测试问题,分析了非相干强光干扰可见光成像系统的技术机理,研究了基于图像结构相似性的干扰效果分析模型,构建了检测干扰过程并获取测试数据的实验平台,实验测试并定量分析了光源照度、入射方向、等效距离、背景照度和视场大小等参数条件的变化对可见光成像质量、干扰实施
4、前后图像的相似程度、非相干强光干扰效果的影响。结果表明:当入射到探测器表面的非相干强光定向光束照度值满足一定条件后,实施干扰前后的图像结构相似性参数平均结构相似度值减小,干扰后的图像质量下降、失真严重,模糊了图像中的有效信息,呈现出难以识别目标与背景的干扰效果。该研究成果可为非相干强光定向光束干扰可见光侦察系统和电视制导武器提供技术支撑和方法参考。关键词 光电有源干扰技术;非相干强光;可见光成像系统;可见光C C D成像探测器;干扰效果;图像质量中图分类号 TN 2 4 9 文章编号 2 0 9 7-1 6 3 X(2 0 2 3)0 3-0 0 5 2-1 2文献标志码 A D O I 1
5、0.1 2 3 9 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 6 3 x.2 0 2 3.0 3.0 0 5R e s e a r c h o n v i s i b l e l igh t i m agi ng sys t e m u n d e r i n c o h e r e n t s t r o ng l igh t i n t e r f e r e n c eZ HAN G Q i n y u1,2,3,F E N G Y u n s o n g1,2,3,*,YAN G H u a1,2,3,J I N G W e i1,2,3,Z HAO D a p e n g1,2,3
6、,HU H u a n g k a n g1,2,3(1.C o l l e g e o f E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g,N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y,H e f e i 2 3 0 0 3 7,C h i n a;2.S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f P u l s e d P o w e r L a s e r T e c h n o l o g y,H e f e i 2
7、 3 0 0 3 7,C h i n a;3.K e y L a b o r a t o r y o f I n f r a r e d a n d L o w T e m p e r a t u r e P l a s m a o f A n h u i P r o v i n c e,H e f e i 2 3 0 0 3 7,C h i n a)A b s t r a c t L a s e r h a s b e e n a c o mm o n l y u s e d t e c h n i c a l m e a n s t o i n t e r f e r e w i t h
8、v i s i b l e l i g h t r e-c o n n a i s s a n c e a n d a l a r m,t r a c k i n g,a n d g u i d a n c e s y s t e m s,b u t i t h a s p r o b l e m s s u c h a s s h o r t f r e q u e n c y b a n d,n a r r o w b e a m,a n d d i f f i c u l t a i m i n g.I n c o h e r e n t s t r o n g l i g h t i
9、n t e r f e r e n c e t e c h-n o l o g y c a n e f f e c t i v e l y m a k e u p f o r t h e s h o r t c o m i n g s o f l a s e r i n t e r f e r e n c e t e c h n o l o g y.T h i s p a-p e r f o c u s e d o n t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a l t e s t i n g
10、i s s u e s o f s t r o n g i n c o h e r e n t l i g h t i n t e r f e r e n c e o n v i s i b l e l i g h t i m a g i n g s y s t e m s,a n a l y z e d t h e t e c h n i c a l m e c h a n i s m o f i n c o-h e r e n t s t r o n g l i g h t i n t e r f e r e n c e o n v i s i b l e l i g h t i m a
11、g i n g s y s t e m s,s t u d i e d t h e i n t e r f e r e n c e 收稿日期:2 0 2 3-0 3-1 4 修回日期:2 0 2 3-0 4-0 3通信作者:冯云松,E-m a i l:f y s e e i 1 6 3.c o m基金项目:国家自然科学基金资助项目(6 1 4 0 5 2 4 8);安徽省自然科学基金资助项目(1 7 0 5 0 8 5 MF 1 3 7)第3期章沁钰,等:非相干强光干扰可见光成像研究 e f f e c t e v a l u a t i o n t h e o r y m o d e l b
12、 a s e d o n i m a g e s t r u c t u r e s i m i l a r i t y,c o n s t r u c t e d a n e x p e r i m e n-t a l p l a t f o r m f o r d e t e c t i n g i n t e r f e r e n c e a n d o b t a i n i n g t e s t d a t a,a n d e x p e r i m e n t a l l y t e s t e d a n d q u a n t i t a t i v e l y e v a
13、 l u a t e d t h e i n f l u e n c e o f c h a n g e s i n p a r a m e t e r s s u c h a s l i g h t s o u r c e i l l u m i-n a n c e,i n c i d e n t d i r e c t i o n,e q u i v a l e n t d i s t a n c e,b a c k g r o u n d b r i g h t n e s s,a n d f i e l d o f v i e w s i z e o n v i s i b l e l
14、 i g h t i m a g i n g q u a l i t y,t h e s i m i l a r i t y d e g r e e o f i m a g e s b e f o r e a n d a f t e r i n t e r f e r e n c e i m p l e m e n t a t i o n,a n d t h e e f f e c t o f i n c o h e r e n t s t r o n g l i g h t i n t e r f e r e n c e.T h e r e s u l t s s h o w t h a t
15、 w h e n t h e i l l u m i n a n c e v a l u e o f t h e i n c o h e r e n t s t r o n g l i g h t d i r e c t i o n a l b e a m i n c i d e n t o n t h e d e-t e c t o r s u r f a c e m e e t s c e r t a i n c o n d i t i o n s,t h e m e a n s t r u c t u r a l s i m i l a r i t y v a l u e o f t h
16、 e i m a g e s t r u c t u r e s i m i l a r i t y b e f o r e a n d a f t e r t h e i m p l e m e n t a t i o n o f t h e i n t e r f e r e n c e d e c r e a s e s,t h e i m-a g e q u a l i t y a f t e r t h e i n t e r f e r e n c e d e c r e a s e s,a n d s e v e r e d i s t o r t i o n o c c u r
17、 s,b l u r r i n g t h e e f f e c-t i v e i n f o r m a t i o n i n t h e i m a g e,p r e s e n t i n g a n i n t e r f e r e n c e e f f e c t t h a t i s d i f f i c u l t t o d i s t i n g u i s h b e t w e e n t a r g e t s a n d b a c k g r o u n d s.T h e r e s e a r c h r e s u l t s c a n p
18、 r o v i d e t e c h n i c a l s u p p o r t a n d m e t h o d r e f e r e n c e f o r i n c o h e r e n t s t r o n g l i g h t d i r e c t i o n a l b e a m i n t e r f e r e n c e v i s i b l e l i g h t r e c o n-n a i s s a n c e s y s t e m s a n d t e l e v i s i o n-g u i d e d w e a p o n s
19、.K e y w o r d s p h o t o e l e c t r i c a c t i v e i n t e r f e r e n c e t e c h n o l o g y;i n c o h e r e n t l i g h t;v i s i b l e l i g h t i m a-g i n g s y s t e m;v i s i b l e C C D i m a g e d e t e c t o r;i n t e r f e r e n c e e f f e c t;i m a g e q u a l i t y0 引言随着光电探测及其信号处理
20、技术的迅猛发展,可见光成像系统广泛应用于摄像、监控、测量、识别、侦察、制导等各个领域,可见光C C D成像探测器具有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、性价比高、动态范围大等优点,已经成为可见光成像系统广泛使用的核心器件1。战场条件下,非相干强光干扰可见光C C D成像探测器将严重影响可见光侦察与告警、跟踪与制导系统的成像质量与正常工作,因而分析非相干强光干扰可见光C C D成像探测器的技术机理,研究非相干强光干扰可见光成像系统的理论模型与实验数据、探讨非相干强光对可见光成像系统的干扰过程具有重要意义。干扰可见光成像系统的常见措施是应用强激光照射,使成像探测器发生串扰或全屏饱和甚至物理损伤,但
21、是激光干扰可见光成像系统过程中存在着频段短、波束窄、瞄准难等不利因素2。非相干强光干扰作为一种新型有源光电干扰技术,具有频段长、波束宽、易瞄准、预警要求低、干扰时间长等优点,可使被照射可见光C C D成像探测器串扰、饱和,暂时失效,从而导致可见光成像系统难以正常工作3-4。本文分析非相干强光干扰可见光C C D成像探测器的技术机理,研究非相干强光对可见光成像系统干扰效果的理论模型,构建检测干扰过程并获取测试数据的实验平台,在此基础上实验测试并定量分析光源照度、入射方向、等效距离、背景照度和视场大小等参数条件的变化对可见光成像质量、干扰实施前后图像的相似程度、非相干强光干扰效果的影响。1 干扰可
22、见光C C D成像探测器的技术机理C C D成像探测器的基本结构单元是一种金属 氧化物 半导体(MO S)结构5-6,一个MO S结构单元对应着所采集图像的一个像素,光辐射信息转换成电信号后,在同步时钟信号的控制下,每个单元上的电信号被转移和读取出去,从而构成一幅图像,这就是C C D成像探测器采集图像的基本原理和工作过程7。由耗尽层深度xd与电荷量Qs之间的关系,可得C C D的光电特性方程组为:xd(Qs)=d2+2de s NAQl-Qs -d(1)Qs0dQs1-e-xd=e s g p t(2)式(1)(2)中,xd是耗尽层的深度;Qs是电荷量,在半导体中Qs主要来自本身的热激发和外
23、界的光照激发;d是绝缘层厚度;e是基本电荷电量;s是 耗 尽 层 的 截 面 积;NA是 受 主 浓 度;Ql=ciUG+Us0 ,其中,ci为MO S结构的电容,UG是栅电压,Us0是未加光照时的界面电位,它35 信 息 对 抗 技 术2 0 2 3年表征 的 是MO S电 容 器 能 贮 存 的 极 限 电 荷 量;g=1-R /h,其中,是量子效率,h为普朗克常数,为光子频率;p是入射光照的功率密度,、R分别是C C D成像探测器的吸收系数和反射率;t是C C D的 取 样 时 间,通 常 由 快 门 时 间决定。可见光C C D成像探测器属于本征激发器件,它的光子吸收系数很大,光子的能
24、量几乎全部被吸收到表面,所以11-e-xd1+e-xd,代入式(1)和(2)中可得电荷量与光照功率密度之间的函数关系为:Qse s g p t(3)从式(3)可以看出,电荷量与光照功率密度、积分时间成线性关系。当势阱中的电荷增加到一定数值后,就会饱和,此时的界面电位会出现下降到与相邻单元的Us0相等的情况8,如图1所示。此时对应的电荷量为:Qs0=UGci-s e NAUs04 (4)图1 电荷溢出示意图F i g.1 C h a r g e o v e r f l o w d i a g r a m 图2为可见光C C D成像探测器的响应特性示意图,由图可见,在探测器的工作范围内,它有着线性
25、的响应特性,但当光照强度达到一定程度时,C C D像元中存储的电荷就会饱和,过多的电荷就会溢出到相邻的像元和C C D基底中9(见图1),出现串扰或全屏饱和现象,严重影响C C D成像质量,从而降低了图像清晰度和人眼识别率1 0。图2 可见光C C D成像探测器响应特性图F i g.2 R e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s d i a g r a m o f v i s i b l e C C D i m a g e d e t e c t o r2 研究干扰效果的理论模型物体的辐射亮度与物体表面的反射系数相关,反射系数会受到物体表面属性的
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