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《水下微光高速光电成象系统作用距离的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第29卷第2期光子学报Vo1.29No.22000年2月ACTAPHOTONICASINICAFebruary2000水下微光高速光电成象系统作用距离的研究孙传东陈良益高立民李驰卢笛张建生(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068)摘要本文首先对水的光学特性及其对水下成象的影响进行了分析,指出了水下光学成象的特殊性对光电成象器件的要求,并对微光条件下光电成象器件的性能进行了理论分析;详细介绍了水下微光高速光电成象系统作用距离公式的推导过程;最后针对实际系统进行了计算和分析.关键词水下成象;水下光学;微光成象;高速光
2、电成象0引言-L在海洋研究与开发中,如何对发生在水下的=I0e.式中,称衰减系数,随不同的水质而各种快速现象进行记录与分析是多年困扰人们的异,也与光本身的波长有关,是光波长的复杂函数.一个技术难题.以前曾尝试过采用水下高速摄影图1表示与入射光波长的关系,它由两部分组机作为水下快速现象的记录仪器,但它的记录材成:=+,式中是吸收系数,是散射系数.料是胶片,图象只能经冲洗、放大等一系列事后处一般情况下,散射造成的衰减占总衰减的60%、理后才能得到,技术环节多,操作不便,无法实时吸收衰减占40%.观测,这对于海上
3、操作和使用是极不方便的.现在,由于以CCD为代表的光电成象器件和技术的飞速发展,使我们能够通过采用现代光电成象技术来研制记录、分析各类水下高速现象的设备——水下微光高速摄录象系统.在此,我们先从理论上对其中的光电成象器件进行系统的分析,然后对它在水下作用距离进行计算,这对于实际研制和理论分析都有十分重要的意义.1水下的光学特性对水下高速光电成象系统影响由于水下环境的特殊性,特别是水介质的光图1海水衰减系数的光谱分布Fig.1Theattenuationcoefficentofthesea学特性,使得水下高速光电成象系统与陆地
4、使用1.1水对光的散射的光学观测系统大为不同,这其中主要包括水对由于水中存在着悬浮的质点,水对光的散射光的散射与吸收对光学成象的影响,水压和海水对图象的衬比和细节都造成极为有害的影响,随腐蚀等.着拍摄距离的增大,画面衬比降低,影象的细节模由于水对可见光的吸收和散射,使得光在水糊,影响成象质量,使摄录变得困难,所以水下摄中传输时的能量按指数规律迅速地衰减.设I0录距离,一般不超过十几米.散射中又包含小粒是某水层的光量,传输了L路程后的光量I为:I收稿日期:1999—09—02186光子学报29卷-12子散射、大粒子散射、单次散
5、射、多次散射、小角度n=2(n1+n2+2nb)=Iph/e·(4/3)N(6)2散射、大角度散射等多种方式,它们使目标变得模n1+n2+2nb=1.5Iph/eN(7)糊不清和难以辨认,这是水下光电探测系统所面式中N为器件极限分辨率;4/3为摄象器件-19临的最为严重的问题.有效成象面的宽高比;e为电子电荷(1.6×101.2水对光的选择性吸收C);Iph为光电流(A),所以水对光的吸收在不同的光谱区域是不同的,SNRi=(C/N)1.5tIph/e水对光谱中的紫外和红外部分表现出强烈的吸收.纯净的水和清的大洋水在光谱的蓝
6、-绿区域透射=(C/N)1.5t·A·S·IA/e(8)2比最大,但即使在这个蓝-绿窗口,水的吸收也足式中,A为光电阴极有效面积(m);IA为以使光的强度衰减约0.04/m.其它颜色的光被2856K标准光源在象增强器输出面上产生的照度吸收的更多,几米之外,几乎完全消失了.(lx);S为光电阴极对2856K标准光源的积分灵因此,在对水下成象系统作用距离进行研究敏度(A/lm).微光象增强器件的输出信噪比分析时,必须充分考虑到水的光学特性对成象的SNR0总是要比SNRi要小,这时因为在信息的影响.处理过程中(交换、增强、读出等)
7、附加了器件内部产生的噪音,另一方面器件的空间频率传递特性2微光光电成象器件靶面照度与信也使信噪比劣化.即噪比的关系SNR0=SNRi·N·R(9)由于水下成象环境为微光,因此需要采用高式中N为象增强器内部噪音对信噪比的衰灵敏度的光电成象器件,一般是由象增强器与减因子;R为器件的空间频率特性对信噪比的衰CCD相耦合组成一个微光成象器件.下面对微减因子.而222光光电成象器件的性能进行分析.N=I1n·G/(I1n·G)+Ikn+Ipa由于单位时间内落到微光光电成象器件光电R=R(N)(10)阴极单位象素上的信息光
8、量子及其产生的光电子式中G为器件内部总增益,I1n为光电子噪音电数是随机过程,概率分布服从泊松方程.量子n流,I2kn为器件内部的暗电流、起伏电流及其它因随机起伏形成的噪音为其随机平均值n的平方根.素产生的噪音电流的平方和,IPa为前置放大器电因此信噪比SNR为流,R(N)为器件的衬比(
