心情压抑-营销计划书

第３４卷第４期
２０１３年７月
应用光学
Ｖ０１．３４
Ｎｏ． ４
Ｊｕｌ．２０１３Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ
文章编号：１０ ０２—２０８２（２０１３）０４—０６７２—０４
直视型微光夜视系统最小可分辨对比度模型
高教波１’２，张芳１，李
宇
（１．西安应用光学研究所，陕西西安７１００６５；２．微光夜 视技术重点实验室，陕西西安７１００６５）
摘要：从信号检测和人眼视觉角度出发，研究了直视微光夜 视系统综合性能评估理论，推导出
直视型微光成像系统的ＭＲＣ（最小可分辨对比度）模型。该模型将光 学传递特性与系统信噪比
结合，建立了系统直视微光夜视ＭＲＣ与目标特性、直视微光夜视仪以及人眼各 部分参数之间的
数学关系。验证结果表明，由该模型得到的系统极限分辨率相较于系统实际测出的分辨率 相对
误差为３．０８％。
关键词：微光夜视系统；性能评价；最小可分辨对比度（ＭＲＣ）；人 眼视觉
中图分类号：ＴＮ２２文献标志码：Ａ
ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡ０２０１３３４． ０４０５００２
Ｍｉｎｉｍｕｍ
ｒｅｓｏｌｖａｂｌｅ
ｃｏｎｔｒａｓｔ
ｍ< br>ｅｌｆｏｒｄｉｒｅｃｔｖｉｅｗＬＬＬ
ｎｉｇｈｔ
ｖｉｓｉｏｎ
ｓｙｓｔｅｍ
ＧＡｏ
Ｊｉａｏ—ｂ０１～，ＺＨＡＮＧ
Ｆａｎ９１，ＬＩ
Ｙｕｌ
（ １．Ｘｉ’ａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ
Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｏｐｔｉｃｓ，Ｘｉ’ａｎ
７ １００６５，Ｃｈｉｎａ；
２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ
ｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｏｎ
Ｌｏｗ—Ｌｉｇｈｔ－ＬｅｖｅｌＮｉｇｈｔ
Ｖｉｓｉｏ ｎ，Ｘｉ’ａｎ７１００６５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ
ｇｅｎｅｒａｌｐｅｒ ｆｏｒｍａｎｃｅ
ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ
ｔｈｅｏｒｙ
ｏｆｌｏｗ
ｌｉｇｈｔ ｌｅｖｅｌ（ＬＬＬ）ｎｉｇｈｔ
ｖｉｓｉｏｎ
ｓｙｓ—
ｔｅｒｎｉｓｓｔｕｄｉｅｄ ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｓｉｇｎａｌ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｈｕｍａｎ
ｖｉｓｉ ｏｎ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ｔｈｅ
ｍｉｎｉｍｕｍ
ｒｅ—
ｓｏｌｖａｂｌ ｅ
ｃｏｎｔｒａｓｔ（ＭＲＣ）ｍｏｄｅｌ
ｉｓ
ｄｅｄｕｃｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ
ｔｈｅ
ｏｐｔｉｃａｌ
ｔｒａｎｓｆｅｒ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｗｉ ｔｈ
ｔｈｅ
ｓｉｇｎａｌ—ｔｏ—ｎｏｉｓｅ
ｒａｔｉｏｏｆ
ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ
ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ
ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇ
ｔａｒｇｅｔ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，
ＬＬＬ
ｎｉｇｈｔ
ｖｉｓｉｏｎ
ｓ ｙｓｔｅｍ
ａｎｄｈｕｍａｎｖｉｓｕａｌ
ｓｙｓｔｅｍ
ｉｓ
ｅｓｔａｂｌｉ ｓｈｅｄ．Ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｒｅｓｕｌｔ
ｓｈｏｗｓ
ｔｈａｔｔ ｈｅｒｅｌａｔｉｖｅ
ｅｒｒｏｒ
ｏｆｔｈｅｌｉｍｉｔｅｄ
ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙ
ＭＲＣ
ｍｏｄｅｌｉＳ
ａ
３．０８％，ｃ ｏｍｐａｒｅｄ
ｏｎｅ
ｗｉｔｈｔｈｅ
ｒｅａｌｉｔｙ
ｏｆ
ｓｙｓｔ ｅｍ．Ｔｈｅ
ＭＲＣ
ｍｏｄｅｌｍｅｎｔｉｏｎｅｄｉｎ
ｔｈｅ
ｐａｐｅｒ< br>ｉｓ
ｖａｌｕａｔｉｎｇ
ｔｈｅ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｏｆＬＬＬ< br>ｎｉｇｈｔ
ｖｉｓｏｎ
ｓｙｓｔｅｍ．
ｍｏｒｅ
ｐｅｒｆｅｃｔ
ｆｏｒ
ｅ—
Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｌｏｗ
ｌｉｇｈｔ
ｌｅｖｅｌｎｉｇｈｔ
ｖｉｓｉｏｎ
ｓｙｓｔｅｍ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｅｖａｌｕａｔ ｉｏｎ；ｍｉｎｉｍｕｍ
ｒｅｓｏｌｖａｂｌｅ
ｃｏｎｔｒａｓｔ；ｈｕｍａｎ
ｖｉｓ ｉｏｎ
引言
像增强器是微光夜视系统口‘４］的核心器件，主
要用于对环境光、月光及 星光进行增强。依据像
增强器构成系统的工作方式不同，微光夜视系统
分为直视型和电视型两类 ，本文考虑的是直视型。
其基本工作原理是：夜间景物辐射或反射的光线
通过物镜成像在像增强 器的阴极面上，通过光电
转换，电子加速或倍增，在像增强器的荧光屏面上
获得经过增强的景物 像，再通过目镜放大，使观察
者看到增强的景物图像。
由于信噪比是系统的固有特性，不随目标 的
变化而变化，因此本文以分辨率三杆靶口１］为目标，
分析了系统的信噪比，从信号检测提取 角度，推导
出了系统ＭＲＣ（最小可分辨对比度）模型。该模
型以人眼视觉［８蜘为基础，综合 考虑了系统性能参
数与目标特性、微光夜视系统各部分特性参数以
及人眼特性之间的关系，可作 为微光夜视系统性
能的综合评价方法。
收稿日期：２０１２—１２－２６；修回日期：２０１３ —０２—２８
作者简介：高教波（１９６２一），男，湖北广水人，研究员，主要从事目标光学特性开发 与应用、光电系统建模仿真评估技术和超
光谱成像探测技术等方面研究工作。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｇ ｉｂｘｉａｎｇ＠１６３．ｃｏｒｎ
万方数据

应用光学２０１３，３４（４）高 教波，等：直视型微光夜视系统最小可分辨对比度模型
・６７３・
１
目标和背景在荧光 屏上产生的信号
环境光照度与像增强器阴极面照度的关系
如下：
ＢｆＤ—Ｂ：＾Ｒ／（ ４Ｔ＃２）
（１）
式中：Ｂ庙为像增强器阴极面照度；Ｂ；。为环境光照
度；Ｒ为场景 反射率；Ｔ＃＝Ｆ＃／￣／Ｔ，Ｆ＃是物镜的
Ｆ数；Ｔ是物镜的光学透过率。
像增强器荧光屏上 每秒单位立体角获得的平
均电子数为
Ｅ—ＢｆｐＦ０
２Ｒ。Ｂ自／ｅ
（２）< br>式中：Ｆ。为物镜焦距；Ｒ。。。为阴极响应；Ｂｉ。值为１
表示单管，为２表示双管；Ｐ是电荷 量。
假设以与系统光轴垂直的是分辨率三杆靶为
观测对象，目标和背景的调制对比度定义如下：
Ｍ—Ｉ（Ｅｂ—Ｅ。）／（Ｅｂ＋Ｅ。）Ｉ
（３）
式中Ｅ。和Ｅ。分别为靶和靶与靶之 间的间隔在荧
光屏上产生的平均电子数。
２
ＭＲＣ模型
２．１信号的确定ＭＲＣ模型预测的是系统能探测到三杆靶标
中单独一个靶的能力。忽略微光系统和人眼传递
函数，系统得到的信号为
Ｓ一（Ｅｂ—Ｅ。）ＬＷ。。
（４）
式中：Ｌ和Ｗ分别是靶的 长度和宽度；ｔ。为人眼积
分时间。
实际上，系统和人眼传递函数会对靶的信号
产生模 糊作用，模糊效应可以用系统及人眼各部
分传递函数的乘积来表示。对于靶的长度方向，
峰值信 号可表示为
ｒ＋。。
ＳＬ—Ｌ２
Ｈ（厂）Ｈ。（，）Ｈｃ（厂）ｄｆ
（５）< br>Ｊ一∞
Ｉ
式中：Ｈ（厂）为直视型微光系统的传递函数；Ｈ。（厂）
为人眼传递 函数；Ｈｃ（ｆ）一ｓｉｎ（ｕｆＬ）／（．ｆＬ）为靶
的传递函数。
由于系统传递函数在低频 处的值较高频处
高，因此对于靶的周期方向（宽度方向），系统响应
如图１所示，可用正弦响应 表示被模糊后的三杆靶
信号分布。正弦响应近似于方波的一次谐波，一
次谐波幅值上是初始方波 的４／．倍。最终，靶周
期方向信号可表示为
～
Ｓ。＝（４／７ｃ）Ｈ（厂）Ｈ。（， ）Ｉ
ｓｉｎ（７【ｚ／ｗ）ｄｘ（６）
万方数据
强
度
靶的冤厦方向< br>图１靶标周期方向的正弦响应
Ｆｉｇ．１
Ｓｉｎｅｗａｖｅ
ｒｅｓｐｏｎｓｅ< br>ｕｓｅｄｉｎ
ｍｏｄｅｌ
靶标的总信号为
Ｓ＝（Ｅｂ—Ｅ。）ＳＷＳＬｔｅ（７）
２．２噪声的确定
光电阴极发射电子时的涨落噪声是直视型微光
成像系统的 主要噪声源。噪声功率等于噪声功率谱
密度乘以噪声带宽之积。此外，还应考虑像增强器、
目镜 、以及人眼传递函数对噪声的滤波作用。
三杆靶靶标长度方向和宽度方向的噪声宽度
分别如下：
，＋∞
Ｂ。一Ｌ２
［Ｈ丁（厂）Ｈ。（厂）ＨＬ（厂）］ｄ厂
（８）
ｄ——ｏｏ
Ｉ
一＋。。
ＢＷ—ｗ２
ｄ——ｏ。
Ｉ
［Ｈ丁（厂 ）Ｈ。（厂）Ｈｗ（厂）］ｄ，（９）
式中：ＢＬ和岛分别代表靶标长度方向和宽度方向噪
声带 宽；ＨＴ（力是指像增强器和目镜传函之积。
直视型微光系统的总噪声为
Ｎ，一（Ｅ。，ＢＬＢ ｗｒｅ）１７２
（１０）
式中Ｅ。。一（Ｅｂ＋Ｅ。）／２为噪声功率谱密度。
２．３ 信噪比及ＭＲＣ模型
依据（７）式和（１０）式可得到系统的信噪比为
ＳＩＮｓ＝２ＭＳｗＳＬ （Ｅ。，ｔ。）１脂ＥＮｆ（ＢＷＢＬ）１７２］
（１１）
式中Ｎ，为噪声修正因子。
假定ＳＮＲＴ为人眼能分辨目标的阈值信噪
比，令Ｓ／Ｎｓ＝ＳＮＲＴ，由公式（１１）解出Ｍ，即最小
可分辨对比度：
ＭＲＣ＝ＳＮＲＴＮ，（ＢｗＢＬ）１门ＥｚｓⅣＳＬ・
（Ｅ卸ｔｅ） “２］
（１２）
３
数据验证
由某三代微光管构成的直视型微光夜视系统
的性能参数如表１～表５所示。

・６７４・
应用光学２０１３，３４（４）高 教波，等：直视型微光夜视系统ＭＲＣ模型
表１像增强器特性参数
Ｔａｂｌｅ
１
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｏｆ
ｉｍａｇｅ
ｉｎ ｔｅｎｓｉｆｉｅｒｔｕｂｅ
表３人眼参数
Ｔａｂｌｅ
３
Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｏｆｈｕｍａｎ
ｖｉｓｕａｌ
ｓｙｓｔｅｍ
在ＭＲＣ曲线中，当对比度为１时，对应 的空
间频率为８．７ｃｙｃ／ｍｒａｄ，即为系统的极限空间分
辨率，与实际系统观测值８．４ ４ｃｙｃ／ｍｒａｄ相比，相
对误差仅为３．０８％。从而说明本文建立的ＭＲＣ
模型较准确地 评价了直视型微光系统的性能
指标。
参数名称阈值信噪比人眼积分时间／ｓ人眼传函模型
参数数值
１．８
０．２
复合模型ｍ］
４
表５
Ｔａｂｌｅ< br>５
结束语
本文从人眼视觉阈值角度推导出的ＭＲＣ模
系统各部分传递函数
ＭＴＦ
ｏｆ
ｅａｃｈ
ｓｕｂ－ｓｙｓｔｅｍ
型，不仅考虑了整个系统光学传 递特性，而且融合
了信噪比特性。模型计算结果与具体直视型微光
传感类型
堕壑２．堕 ５窒塑塑７．皇５
１１旦二竺１５１
夜视系统的实际试验结果的相对误差为３．０８％。
该模型既可用于对已有的直视型微光成像系统进
行性能评价，以减少外场试验费用，也可用于优化直视型微光成像系统的设计参数。
在表４所示的环境条件下，使用该系统观测
２８．７参考文献：
Ｅ１３艾克聪．微光夜视技术的进展和展望ＥＪ］．应用光学，
２００６，２７ （４）：３０３－３０７．
ＡＩ
Ｋｅ－ｃｏｎｇ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔ
ｏｆ
ｌｏｗ—ｌｉｇｈｔ—
ｌｅｖｅｌ（ＬＬＬ）ｎｉｇｈｔ< br>ｖｉｓｉｏｎ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｍ外的野外测试分辨率靶。将表１～表５参
数代入ＭＲＣ模型，计算结果如图２所示，极限空
间频率为８．７ｃｙｃ／ｍｒａｄ。实际观测到的极限 值为
ｏ～６号靶，线宽为３．４ｍｍ，即对应的空间频率为
８．４４
ＥＪ］．Ｊｏｕｒ ｎａｌ
ｏｆ
ｃｙｃ／ｍｒａｄ。模型计算结果与外场试验实测结
ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔ ｉｃｓ，２００６，２７（４）：３０３—３０７．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ
ｗｉｔｈ
ａ ｎ
果的相对误差为
紫×１００。％－＝３．０８％．
空间分辩率／ｃｙｃ・ｍｒａｄ。
图２
Ｆｉｇ．２
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ｆｏｒｔｈｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏ ｆ
ｌｏｗ—ｌｉｇｈｔ—ｌｅｖｅｌｎｉｇｈｔ
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ＤＡＮＧ
Ｌｉ—ｐｉｎｇ，ＤＡＩＢｉｎｇ—ｍｉｎｇ，ＴＡＮＧＳｈｕ—ｇａ ｎｇ．
Ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
ｔｈｅ
ａｕｔｏ—ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ
ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆ
ｏｐｔｉｃａｌ
万方数据
ｓｙｓｔｅｍ
Ｉ－Ｊ］． １９９５（３）：２７８—２８１．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈ
ａｎ
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ＺＨＯＵ
Ｚｈｏｎｇ－ｘｉａｎ．ＵＳＡｌ９５
１
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ＡｒｍａｍｅｎｔＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ， １９９５（６）：７－１０．（ｉｎＣｈｉ－
ｎｅｓｅ
ｗｉｔｈ
ａｎ
Ｅｎｇｌ ｉｓｈ
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系统性能评价方法研究ｌ－Ｊ］．兵工学报，２００２，２３（４）：
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ＺＨ ＯＵ
Ｙａｎ，ＪＩＮＷｅｉ—ｑｉ，ＬＩＵ
Ｇｕａｎｇ－ｒｏｎｇ，ｅｔ
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Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆ
ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｉｍａｇ ｉｎｇ
ｓｙｓ—
ｔｅｒｎｂａｓｅｄ
ｏｎ
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ｈｕｍａｎｖｉｓｕａｌ
ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ａｃｔａ
Ａｒｍａ—
ｍｅｎｔ
Ａｒｉｉ，２００２，２３ （４）：５０４—５０７．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈ
ａｎ
Ｅｎｇｌｉｓｈ
ａｂｓｔｒａｃｔ）
Ｅｌｏ］周燕，金伟其．人眼视觉的传递特性及其模型化［Ｊ］．
光学技 术，２００２，２８（１）：５７—５９．
ＺＨＯＵ
Ｙａｎ，ＪＩＮ
Ｗｅｉ—ｑｉ．Ｔ ｈｅ
ｔｒａｎｓｆｅｒ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ａｎｄｍｏｄｅｌｏｆｈｕｍａｎｖｉｓｕａｌ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃａｌ
Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，
２００２，２８（１）：５７ —５９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈ
ａｎ
Ｅｎｇｌｉｓｈ
ａｂ—
ｓｔｒａ ｃｔ）

直视型微光夜视系统最小可分辨对比度模型
作者：
作者单位：< br>刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
高教波， 张芳， 李宇， GAO Jiao-bo， ZHANG Fang， LI Yu
高教波,GAO Jiao-bo(西安应用 光学研究所,陕西西安710065;微光夜视技术重点实验室,陕西西安710065)
， 张芳,李宇,ZHANG Fang,LI Yu(西安应用光学研究所,陕西西安,710065)
应用光学
Journal of Applied Optics
2013,34(4)



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