非相干强光干扰可见光成像研究.pdf

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 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;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 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,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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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.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影响,而场景中辐射源在物体表面的辐射照度与物体自身无关。图像中像素之间的相关性包含图像结构特征的重要信息,可以通过探测其所携带的结构信息是否不同来比对所拍摄的两幅图像,从而判断图像是否失真,因此,可以不考虑辐射照度对于物体的影响,而考虑图像中的结构信息,即结构相似度(s t r u c t u r a l s i m i l a r i t y,S S I M),S S I M测量方法如图3所示。图3 S S I M测量方法基本框图F i g.3 B a s i c f l o w c h a r t o f S S I M m e a s u r e m e n t m e t h o d 首先,图像各像素点的亮度值可以视为离散信 号,因 此 可 用 平 均 灰 度 作 为 亮 度 估 量值,即:x=1NNi=1xi(5)图3中,亮度对比函数l(x,y)是平均灰度45第3期章沁钰,等:非相干强光干扰可见光成像研究 x、y的函数。其次,由图3可知,对比度测量需要将平均灰度从信号中去掉,即离散信号x-x,因此可以使用标准差作为对比度的估量值:x=1N-1Ni=1(xi-x)2 12(6)也就是说,图3中对比度对比函数c(x,y)是关于标准差x、y的函数。接着,用信号除以自身的标准差,可以将结构对比函数s(x,y)定义为(x-x)/x和(y-y)/y的函数。最后,将这3个对比函数组合成为一体化的相似测量函数,即:S(x,y)=fl(x,y),c(x,y),s(x,y)(7)并且S(x,y)函数需要满足以下3个条件:1)对称性:S(x,y)=S(y,x);2)有界性:S(x,y)1;3)最大值唯一性:当且仅当x=y时,S(x,y)=1。现在再定义3个对比函数,其中,常数C1、C2、C3是为了防止当2x+2y趋近于0时可能会造成系统不稳定。由图3可以看出S S I M包括3个部 分,分 别 为 亮 度 对 比、对 比 度 对 比 和 结 构对比。亮度对比函数为:l(x,y)=2xy+C122x2y+C1(8)式中,常数C1=(K1L)2,L作为图像灰度级数,而关于8 b i t灰度图像,L=2 2 5,K11,并且式(8)满足上述3个条件。对比度对比函数为:c(x,y)=2xy+C222x2y+C2(9)式中,常数C2=K2L 2,且K21。式(9)也满足上述3个条件。结构对比函数为:s(x,y)=x y+C3xy+C3(1 0)式中,常数C3=K3L 2,且K31。式(1 0)同样也满足上述3个条件。最后将定义的3个函数组合起来得到S S I M函数为:SS S I M(x,y)=l(x,y)c(x,y)s(x,y)(1 1)由于一个场景中的辐射亮度和辐射对比度始终在变化,因此图像的统计特征在空间中的分布一般来说是不均匀的。为了避免这一因素的影响,可以对局部进行分别处理,把一幅图像分为若干重叠或不重叠的子块,计算每个图像块的S S I M值,然后对所有图像块的S S I M取均值,从而得到平均结构相似度(m e a n s t r u c t u r a l s i m i l a r-i t y,M S S I M),分析结果也会更加精确。因此,在上述公式中,均采用8 b i t的正方形窗口。每一步计算和M S S I M指数都是基于窗口中的像素,最终得到由诸多局部S S I M指数所组成的M S S I M指数映射矩阵。但是,像这样简单的加窗会导致所得的映射矩阵产生不良的“分块”效应。为解决这个问题,可以使用对称的“高斯”加权函数1 11 1作为加权窗口,标准差为1.5,且有:Ni=1i=1n!r!n-r !(1 2)式中,i为高斯分布中的标准差,r和n代表矩阵中的行和列,则x,x,x y的估量值为:x=Ni=1ixi(1 3)x=Ni=1i(xi-x)2 12(1 4)x y=Ni=1i(xi-x)(yi-y)(1 5)通过对这种加窗方法的应用,最终所求得的映射矩阵就可以拥有局部各向同性的性质。本文采用基于图像M S S I M的分析方法,对比分析非相干强光干扰可见光成像系统前后的成像质量1 1-1 2,以此分析干扰效果。在评估图像质量的过程中,采用干扰前后图像M S S I M评估模型,对不同能见度条件下的干扰有效距离进行分析。M S S I M值越低,表明干扰后图像和原图像的 相 似 度 低,即 干 扰 效 果 也 越 好。通 常 当M S S I M的值小于或等于0.7时,干扰前后图像的特征信息已经出现了较大变化,即达到了干扰目的1 3。3 研究干扰过程的实验平台强光照射可干扰可见光成像系统增益及其自适应调节,会造成目标图像质量和成像对比度的大幅下降。为了满足研究非相干强光干扰可见光成像系统的需求,针对性地构建了实验平55 信 息 对 抗 技 术2 0 2 3年台,重点研究可见光C C D成像探测器受到非相干强光定向照射时所呈现的干扰效果。实验平台主要由非相干强光发射装置、衰减片组、可见光成像系统、图像数据采集系统、光谱照度计和精密机械工作台组成1 4,如图4所示。非相干强光发射装置为实验提供需要的非相干定向光束,衰减片组不仅可以调节实验过程中光源照度值和背景照度值,还能够设置平均透过系数以模拟不同的大气传输过程中的传输衰减;可见光成像系统在不同光照条件和干扰条件下对目标进行探测并成像;数据采集系统记录所获取的图像信息,并进行相应的分析、处理,在此过程中,利用光谱照度计测量背景和非相干强光发射装置的光照数据。实验采用的定向光源在1 0 m处的光斑半径为1 7 c m,光照强度为1.41 06 l x。可见光成像系统使用的C C D成像组件为三星S AM S UNG-A 1,具有自调节和自对焦功能,其主要性能参数如表1所列。表1 S AM S U N G-A 1型C C D成像组件主要性能参数T a b.1 M a i n p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f S AM S U N G-A 1 v i s i b l e l i g h t d e t e c t o r性能参数参数值摄像元件1/4 S u p e r HA D C C D 分辨率6 0 0 TV线(彩色),7 0 0 TV线(黑白)最低照度0.2 l x F 1.6(彩色),0.0 2 l x(黑白)总像素7 9 5(水平)5 9 6(垂直)信噪比5 2 d B焦距3.6 69 1.3 6 mm(2 5倍光学变焦)扫描系统2 1隔行扫描镜头可视角度H:5 4.9 5(w i d e)2.2 4(t e l e)V:4 1.8 3(w i d e)1.6 8(t e l e)电子快门速度1/5 01/1 2 0 0 0 0 s图4 实验平台结构示意图F i g.4 T h e d i a g r a m o f e x p e r i m e n t a l p l a t f o r m s t r u c t u r e4 结果与讨论当研究对象有多个影响因素时,最为常用的实验研究方法就是控制变量法。控制变量,即通过人为把握影响因素的变化,将多影响因素问题转化为单影响因素问题,来获得特定影响因素对研究对象单独的影响。重复此法,就可以得到所有影响因素对研究对象的影响规律。在非相干强光干扰可见光成像系统实验研究过程中,采用控制变量法,来实现变量单一化,以获得其对可见光成像系统的影响规律。非相干强光照射装置与可见光成像系统之间距离设置为1 0 m,非相干强光照射装置内光源出光口与衰减片组之间的距离设置为1 m,逐次改变光源照度、入射方向、等效距离、背景照度和视场大小等参数条件,图像数据采集系统实时采集、存储可见光成像系统获取的图像并同时记录光谱照度计所获取的光照数据。4.1 光源照度的影响控制其他参量不变,通过改变衰减片组的倍数,可以调节实验平台的光源照度,记录光源照度对于可见光成像质量的影响,图像数据采集系统实时采集到的实验图像如图5所示,利用基于图像结构相似性的干扰效果评估方法,计算出上述实验图像不同光源照度条件下的M S S I M值,如图6所示。65第3期章沁钰,等:非相干强光干扰可见光成像研究 图5 不同光源照度对成像质量的影响F i g.5 T h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t s o u r c e i l l u m i n a t i o n s o n i m a g i n g q u a l i t y图6 不同照度条件下的M S S I M值F i g.6 M S S I M v a l u e s u n d e r d i f f e r e n t i l l u m i n a t i o n c o n d i t i o n s 该组实验是在保持背景光照度为3 1.9 l x的条件下,测试光源照度由小变大对可见光成像质量的影响。如图5所示,随着光源照度的不断增大,图像特征信息也随之发生了较大变化,干扰前后图像的相似程度不断降低。如图6所示,干扰前后图像的M S S I M值逐渐减小,非相干强光干扰效果增强;光源照度增大到1.51 04 l x后,M S S I M值随着光源照度的增大只是缓慢减小,此时通过增大光源照度来增强干扰效果的作用不再明显。4.2 入射方向的影响通常干扰光束不会垂直入射到成像系统的光学窗口,因此需要测试入射光束与成像系统探测器光敏面法线之间的夹角对成像质量的影响,控制其他参量不变,改变入射角度,图像数据采集系统实时采集到的实验图像见图7,利用基于图像结构相似性的干扰效果评估方法,计算上述实验图像不同入射方向条 件 下 的M S S I M值,结果如图8所示。该组实验在保持背景光照度为2 8.4 l x、光源照度为1 4 4 8 9 9 5 l x的条件下,测试入射方向从0 开始逐渐增大,非相干强光对可见光成像系统干扰效果的变化。实验数据表明,随着入射角度的增加,图像的特征信息发生了较大变化,干扰前后图像的M S S I M值逐渐增高,干扰效果越来越弱;M S S I M值大于0.7后,不再构成有效干扰。因此,入射方向越偏离法线方向,图像相似程度越高,非相干强光干扰效果越差。75 信 息 对 抗 技 术2 0 2 3年图7 不同入射方向对成像质量的影响F i g.7 E f f e c t o f d i f f e r e n t d i r e c t i o n s o f i n c i d e n c e o n i m a g e q u a l i t y图8 不同入射方向条件下的M S S I M值F i g.8 M S S I M v a l u e u n d e r d i f f e r e n t i n c i d e n t d i r e c t i o n c o n d i t i o n s4.3 等效距离的影响为了在室内实验环境下研究非相干强光传输距离对成像质量的影响,采用等效衰减的方法,通过设置衰减片组不同的等效平均透过系数来模拟不同的传输距离。对于初始照度为E0的光源,在距离成像系统探测器l处的照度El为:El=0r0+t a n(/2)l 2=E0r20r0+t a n(/2)l 2(1 6)式中,为透过率,0为初始光通量,r0为初始光斑半径,为散射角。从而得到光源照度随传输距离变化的情况,通过衰减片模拟不同传输距离的透过系数,将实验所得照度与理论计算值对照,可以得到模拟的等效传输距离(简称等效距离)。首先利用MO D T R AN软件计算不同能见度(V I S)下1 5-1 6、不同距离处0.3 80.7 6 m波段的大气平均透过率,计算结果如表2所列。表2 0.3 80.7 6 m波段不同距离对应的大气平均透过率T a b.2 T h e a v e r a g e t r a n s m i t t a n c e o f t h e a t m o s p h e r e a t d i f f e r e n t d i s t a n c e s i n t h e 0.3 80.7 6 m b a n d距离/k m大气平均透过率VV I S=2 3 k mVV I S=5 k m0.10.9 80.9 20.50.9 10.6 610.8 20.4 41.50.7 50.2 920.6 80.2 030.5 70.0 940.4 70.0 450.3 90.0 21 00.1 60.0 12 00.0 3085第3期章沁钰,等:非相干强光干扰可见光成像研究 控制其他参量不变,通过设置衰减片组不同的平均透过系数以模拟不同的传输距离,改变等效距离,实验图像见图9,其中等效距离表示等效距离由近到远。利用基于图像结构相似性的干扰效果评估方法,计算上述实验图像不同等效距离条件下的M S S I M值,结果如图1 0所示。图9 不同等效距离对成像质量的影响F i g.9 E f f e c t o f d i f f e r e n t e q u i v a l e n t r a n g e s o n i m a g i n g q u a l i t y图1 0 能见度分别为2 3 k m和5 k m时不同等效距离条件下的M S S I M值F i g.1 0 M S S I M v a l u e s u n d e r d i f f e r e n t e q u i v a l e n t d i s t a n c e c o n d i t i o n s w i t h v i s i b i l i t y o f 2 3 k m a n d 5 k m r e s p e c t i v e l y 该组实验在保持背景光照度为3 2 l x、光源照度为1 4 4 8 9 9 5 l x的条件下,测试能见度分别为2 3 k m和5 k m时不同等效距离对可见光成像质量的影响。实验数据表明,随着等效作用距离逐95 信 息 对 抗 技 术2 0 2 3年渐增加,图像的特征信息发生了较大变化,干扰前后图像的M S S I M值随着干扰光束传输距离的增加,非相干强光干扰效果不断下降;当M S S I M值大于0.7后,不再构成有效干扰。4.4 背景照度的影响控制其他参量不变,通过改变户外阳光的入射量,调节背景照度,记录背景照度对于可见光成像系统干扰效果的影响,图像数据采集系统实时采集到的实验图像见图1 1,利用基于图像结构相似性的干扰效果评估方法,计算得到的上述实验图像不同背景照度条件下的M S S I M值如图1 2所示。图1 1 不同背景照度对成像质量的影响F i g.1 1 T h e e f f e c t o f d i f f e r e n t b a c k g r o u n d i l l u m i n a t i o n s o n i m a g e q u a l i t y图1 2 不同背景照度条件下的M S S I M值F i g.1 2 M S S I M v a l u e s u n d e r d i f f e r e n t b a c k g r o u n d i l l u m i n a t i o n c o n d i t i o n s 该组实验是在保持干扰光源照度为4 8 1.9 l x的条件下,测试背景照度由小变大时,非相干强光对可见光成像系统干扰效果的影响。实验数据表明,随着背景照度逐渐增大,图像的特征信息发生了较大变化,干扰前后图像的M S S I M值仍全部小于0.7,但M S S I M值上升趋势得到遏制;实验数据表明,随着背景照度逐步增大,干扰前后图像相似程度不断升高,非相干强光干扰效果随之下降。4.5 视场大小的影响控制其他参量不变,通过调节C C D成像组件光圈的大小,改变视场大小,记录视场大小对可见光成像质量的影响,图像数据采集系统实时采集到的实验图像见图1 3,利用基于图像结构相似性的干扰效果评估方法计算上述实验图像不同视场大小条件下的M S S I M值,结果如表3所示。06第3期章沁钰,等:非相干强光干扰可见光成像研究 图1 3 不同视场大小对成像质量的影响F i g.1 3 T h e e f f e c t o f d i f f e r e n t f i e l d s i z e s o n i m a g e q u a l i t y表3 不同视场大小条件下的M S S I M值T a b.3 M S S I M v a l u e s u n d e r d i f f e r e n t v i e w i n g c o n d i t i o n s视场大中小M S S I M值0.4 4 0 40.3 9 7 20.3 0 7 1该组实验在保持背景光照度为1 7 0 8 l x、光源照度为2 8 4 1.6 l x的条件下,测试视场由大到小对可见光成像系统的影响。实验数据表明,随着视场由大变小,图像的特征信息发生了较大变化,干扰前后图像的M S S I M值由0.4 4 0 4降低到0.3 0 7 1,全部小于0.7;视场逐步减小,干扰前后图像相似程度不断减小,非相干强光干扰效果随之上升。可见光C C D成像探测器在其动态范围内具有良好的线性光电响应特性,当非相干强光照度满足一定条件后,C C D像元中存储的电荷就会溢出或者饱和,产生串扰或全屏饱和现象,模糊了图像中的有效信息,达到了难以识别目标与背景的干扰效果。非相干强光干扰可见光成像系统实验结果表明:当入射到可见光C C D成像探测器表面的非相干强光照度满足一定条件后,干扰后的成像质量变差、严重失真,干扰前后图像的结构相似性参数值小于0.7,非相干强光照射对可见光成像系统具有良好的干扰效果,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均影响系统