海军武器工程导论

光电成像系统

视野（FOV）

视场(FOV)是探测器可以收集入射辐射的角度范围。视场可以分解为水平和垂直分量，分别标记为HFOV和VFOV。在这两种情况下，视场是由一个组合决定的焦距透镜f的大小视场光阑D_F.S.．

透镜的焦距是从透镜的中心到所有入射辐射(或光)在无穷远处被聚焦的点的距离。如果源在无穷远处(或非常远)，辐射的入射射线将近似平行。透镜会将它们折射到同一点，即焦点的镜头。

图1.焦点
镜头。

场阻是一种能阻挡超出其维度的光线到达探测元件的装置。探测元件位于焦平面上，通常与焦点不在同一位置。焦平面的位置决定了物体将在什么距离被聚焦。场阻恰好位于焦平面之前。如果没有物理停止，那么检测元件的边界决定场停止的尺寸。

图2。的视野。

从图2中的几何结构可以看出，野外停止的直径，d_F.S.影响到视场。如果场地停止变小，视场视场也会相应变小。通过类比推理，瞬时视场(IFOV)将受到单个探测单元的大小d的影响。瞬时视场是单个探测单元在焦平面上看到的入射角的范围。

IFOV和FOV可以用三角函数计算:

方程1方程2

对于小角度，小于20^0.，这通常是IFOV的真实，可以通过棕褐色准确地近似正切换^－1(x) x(弧度)，在这种情况下:

if d/f < = 1, if d/f < = 1, if d/f < = 1。

方程3

示例：数码相机。找到带有50毫米镜头的35毫米数码相机的FOV和IFOV，使用1152 x 864分辨率。

首先，“解码”术语:

50毫米镜头焦距f = 50 mm。

35mm现场停止D_F.S.= 35毫米(对于传统胶片相机，这是胶片的尺寸)。

1152 x 864的分辨率水平方向有1152像素，垂直方向有864像素。

因此，使用等式（1）计算FOV：

fov = 2棕褐色^－1(35/2x50) = 38.5^0.

从等式（2）或通过注意FOV的瞬时视野必须除以用于获取IFOV的元素数：

HIFOV(水平)= FOV/1152 = 0.03^0.
VIFOV（垂直）= FOV / 864 = 0.045^0.

景深

必须放置焦平面，以便在所需范围内的物体能被聚焦。对于任何物体范围，来自该物体的所有光线将在透镜之外的一个独特位置聚集在一起。如果物体在很长的距离上，光线就会聚集在焦点上。在较短的距离，这个点离镜头越来越远。

图3。物体和图像的距离。

物体在透镜前的距离，s_O.，以及镜头后面聚焦图像的位置，s_我,镜片制造商的方程式

1 / S._O.+ 1 / s_一世= 1 / f。

方程4

如果焦平面是如此定位，则物体处于完美的焦点，这意味着对象和图像距离满足等式（4），问题变为：在对象的范围内，图像变得明显不专心？当物体距离改变时，其图像将在焦平面上展开。当图像变得如此展开时，它与相邻的检测元件重叠时，整体图像将被扭曲。因此，检测元件的大小确定了未聚焦图像的限制。满足制作适当聚焦图像的标准的对象距离的范围被称为景深．

焦点最初取决于检测元件尺寸和焦距。在实践中，可以控制聚焦的深度。这是通过使用孔径挡（A.）来实现的。由于我们已经看到，光圈停止将限制收集的助焊量。因此，似乎最大可能的孔径停止是最有益的。然而，光圈停止越大，焦点较短。这是通过另一个几何构造来说明的。

图4.焦点焦点。

通过限制光线可以进入光学器件的角度范围，孔径停止实际上改善了焦深。然而，作为权衡，减小孔径仪会限制可以通过检测系统收集的磁通量，因此需要更敏感的检测元件来实现相同的最大检测范围。这就是为什么较小的孔径需要较长的常规摄影曝光时间。

扫描与凝视传感器

在前面的讨论中，我们假设在焦平面上有一组检测元件，每个检测元件对应视场内图像的每个部分。该配置用于star传感器。视野中的对象的分辨率由IFOV确定，可以从等式（2）或（3）中找到。

图5。盯着(并行
扫描)系统。

所有的检测元件同时暴露于物体的图像中，因此可以产生输出平行．检测元素的输出被扫描一次，以创建一个完整的图像或帧。在标准视频中，每帧持续1/30秒。帧率是帧被改变的频率，因此，帧率为30赫兹。帧速率限制了图像中每个元素与检测元素接触的时间，即停留时间，T._住．在凝视系统中，停留时间与帧的持续时间相同，或帧速率的倒数。一般来说，停留时间越长，探测器的灵敏度就越高。另一方面，较长的停留时间降低了电带宽，从而降低了探测器的噪声，这有相同的结果。

一个单一的检测元件可以用于扫描系统。在这种配置中，一些设备被用来顺序扫描瞬时视场(这里由孔径决定)到单个探测器。扫描系统可能是一个旋转镜，引导IFOV到单个元素上。这种扫描系统可用于检测元件非常昂贵的应用场合。由于只使用单个元件，它比典型的640x400阵列凝视传感器便宜得多。

图6。扫描(串行
扫描)系统。

由于只有IFOV在任何时候都针对探测器，因此扫描系统的输出是串行．对于扫描系统，停留时间不仅由帧速率决定，而且还由一个完整图像中的元素(或像素)总数决定。例如，标准VGA监视器的640x400像素图像与同等的凝视系统相比，使用的停留时间是1/256,000。缩短的停留时间增加了电带宽(回想一下BW 1/2)T.关系），其又可以增加系统中的噪声。

决议

空间分辨率

成像系统的空间分辨率是其能够将对象的单独对象或部分区分开在其视野中。最小的图像元素由IFOV确定。可能存在不同的垂直（vifov）和水平（hifov）瞬时视野。对于某些范围的对象，R，来自探测器，IFOV将包含一定长度。例如，如果IFOV = 1MRAD，则在1000米处，即时视野将覆盖1米的长度。估计物体范围R处的IFOV的空间程度（用于小角度）

高度：D.H R X Vifov

宽度：D.w r x hifov

方程
5 = 6.

例如:找出视场为10的凝视传感器在500米时的空间分辨率^0.x 10^0.使用100 x 100检测元件焦平面阵列。

由于任一方向的FOV是10^0.，IFOV仅为1/100或：

Hifov = vifov = 0.1^0.= 1.7 mrad

在500,

D.h =D.W = 500 m (0.0017) = 85 cm

热分辨率

对于探测目标热辐射的红外成像系统来说，其性能的一个重要衡量指标是其探测微小温度变化的能力。一个系统可以检测到的最小温差(因此可以以不同的方式显示)被称为热分辨率。微小到无法从系统背景噪声中分辨出来的变化将不会被检测到。有时热分辨率用NETD来描述，它代表噪声等效温度差。NETD是温度变化，其变化量等于噪声当量功率(NEP)。

通过增加检测元件的尺寸可以提高热分辨率（或NETD），因为每个磁通量将由每个通量收集。不幸的是，通过增加IFOV，这将降低空间分辨率。作为一般结果（这里没有经过证明的）热量和空间分辨率是成反比的。

空间和热分辨率，MRTD

由于不可能同时实现高空间分辨率和热分辨率，这两者都不是衡量红外成像系统整体性能的好方法。一个被称为最小可分辨温差(MRTD)的单一量，可以同时测量这两个性能因素。MRTD是通过实验确定的，因此需要考虑所有的理论和现实因素。测量是通过在探测器的一定范围内缓慢加热一个测试图形来完成的。目标如下所示:

图7. MRTD目标。

从一个条形到另一个条形是测试模式的一个单一周期(像波)。由于间距为d，空间频率为1/d，单位为周期/m。由于空间范围与IFOV有关的范围，空间频率可以表示为周期/mrad从1000/(R d)计算。

MRTD是棒状物在背景中首次可见时的温差。MRTD的单位是^O.C在给定的空间频率（在循环/ mrad）处。MRTD将空间和热分辨率结合成可用于比较系统的单个数量。


示例：MRTD = 0.05^O.C在0.5 cycles/mrad，

计算1000米的热分辨率和空间分辨率。

热分辨率为0.05^O.，这代表了可以在任何范围内检测到的最小温度变化。

空间分辨率可以由等式（5）和（6）计算。首先计算ifov：

ifov = 1 / 0.5循环/ mrad = 2 mrad。

因此，在R = 1000m时，空间分辨率为
D.w = R x IFOV = (1000 m) x (0.002)

D.w = 2 m。

红外搜索和跟踪系统

无源红外跟踪系统具有范围确定的额外复杂化。与雷达不同，可以直接测量范围，无源系统必须使用其他方式。有两种主要方式，其中获得了范围信息：三角测量和与激光测距仪组合。

三角(被动)

这需要两个或更多个传感器，优选地相距很远。系统的准确性随着分离距离而改善。所需的是测量轴承的差异，DQ.，从以距离d分隔的两个传感器到目标。

图8。三角测量。

如果传感器沿垂直于目标方向的直线间隔，则距离由:

r = d / 2tan（DQ./ 2）

方程7

当轴承的差异等于HIFOV时，系统达到了极限，因此系统可以运行的最大范围是

R._马克斯= d / 2 tan (HIFOV / 2)

方程8

例如:假设HIFOV为1 mrad (0.06^O.)，传感器间距为10米，求最大三角测量范围。

R._马克斯= 10/2tan (0.06^O./2) = 9500米

激光范围 - 发现器（无源活性组合）

激光器以脉冲模式操作，并以相同的方式获得脉冲雷达系统的范围。这可以用于与IR系统的轴承和高度跟踪组合时连续的范围跟踪。由于激光束具有非常小的波束宽度，因此必须使用轴承和高程跟踪来瞄准目标的激光器。激光测距仪将具有PW和PRF的参数，就像雷达一样，具有相同的含义。例如，最小和最大明确范围。然而，脉冲激光测距仪通常不适用于多普勒测量，因为第一盲速度非常低（CM / s的顺序）。

可见光波段成像系统

在合理温度下的热辐射器在红外带中的所有发射能量。为了使辐射在可见频段中需要温度类似于太阳的表面。因此，在可见带中操作的探测器（0.4至0.7mM)不能用于探测热辐射。然而，它们可以改善人类的视力。可见成像系统可以改进的主要有两个方面:放大和光放大。

放大

毫无疑问，我们对双筒望远镜和望远镜这样的放大系统都很熟悉。这些也可以被认为是武器系统的一部分。例如，步枪上的瞄准镜，或潜艇上的潜望镜。事实上，这些传感器可以提供高度精确的方位、仰角和距离，这是任何武器传感器所能要求的。

简单的薄透镜的放大倍数可以由以下结构推导出来:

图9.横向放大倍率。

对于相对较长的范围，R >> f，简化为h_一世= h_O.f / R。横向放大率是像与物的比率:

m_T.H_一世/H_O.f f / R, R > >

方程9

要制作伸缩景点或范围，两个镜头组合：

图10。角放大率。

如果对象会使唯一的视角下调，一种_你，然后透镜的组合改变了进入的光线，使得它们似乎会使辅助视角下调，一种_一种．什么时候一种_一种大于一种_你时，物体显得更大，因此被放大了。角放大率MP定义为

国会议员一种_一种/一种_你

等式10.

通过将物镜的焦点放置在目镜透镜的焦点来实现正确的组合。当这完成时，目标和目镜透镜的焦距之间的关系将确定放大电力。如果我们考虑从远处进入的光线，那么可以构建关系：

图11。放大
力量。

放大率是从

议员=一种_一种/一种_你= Tan.^－1(D_F.S.f / 2_O.) /棕褐色^－1(D_F.S.f / 2_E.）

只要我们只考虑小视角（与插图不同），这通常是放大功率的情况

议员f_O./F_E.

如果物镜的孔径停止为D_O.，它通过系统后的目标的图像大小将是d_E.．因此

MP = F._O./F_E.= D_O./ D_E.

等式11.

双筒望远镜和望远镜由双数组合指定：mp x d_O.(毫米)。例如，7x50双筒望远镜有MP = 7和D_O.= 50毫米。客观直径越大，低光照情况的性能越好。视野由现场停止控制。通常双筒望远镜具有一定的视野，约为8^0.．您也可能已经注意到这个简单的系统会导致反相图像。在实践中，这通过目标和目镜透镜之间的架设系统来校正。

测距仪测距

只有知道物体的大小，才能从严格的被动可见光光学系统得到距离。这个原理是基于三角函数的(又是!)假设我们有一个高度为h的物体，在某个未知的距离r处，如果测量物体的角度范围为问：，然后可以从中确定范围

R = h / tan (问：）

等式12.

当然，这个结果不是特别方便，因为它需要一个计算器。这个结果通常用于角度较小的情况下，例如1^0.．如果我们用弧度来表示角度，那么就可以用小角度近似，

棕褐色（问：）问：

将抽象仪范围方程转换为

R.h /问：，弧度角度

如果角度是度数，那么

R 60 h /问：，角度的度数。

一个100英尺高的物体将对着1^O.在1海里

这可以用来推导方便的拇指:


对于其他高度或角度，其范围可通过比值求得。










示例：使用带8的双筒望远镜^O.在视野中，你可以看到一个1200英尺高的塔，占据了视场的四分之一。找到塔的射程。

角度是2^0.，这是8季度^O.．

如果一个100英尺高的塔^O.在1nm处，它对着2^0.在0.5nm。

这座1200英尺高的塔由2个部分组成^0.在12 x 0.5 nm或6 nm处。

R = 6 nm。

另一个例子:潜望镜测距。

大多数潜望网都有一个8^O.在大功率视场。该光学仪器有32个用于测距的垂直标记。每一项是1/4^0.因此，典型的桅杆头在100英尺的船，当它在4海里时，将面对一个分区。

光放大

所谓的低级光（LLL）系统被设计成增强从目标反射的光。与红外线不同，LLL系统需要一些背景照明以便运行。这些系统仅放大了来自外部来源的东西，如月亮或星光。普通范围的目镜的输出放入图像增强管．这包括三个部分：

光电阴极。射入的光使光电阴极发出电子。

电极。这些在高电压差上是一对板，使得电子在它们之间加速。电子从阴极移动到阳极。为了实现高增益，介于介于达到逆端，其充当阳极和阴极。电子从第一Dynode的光电阴极收集。这导致二次电子的发射，反过来再次加速。每对Dynodes充当阶段，并且在每个阶段，增加电子总数增加。

磷板。在多次增加电子的数量之后，磷板刚刚从光电阴极的另一端放置。当电子撞击板时，它会发光。通常，光是绿色的。通过增加阶段中的电子数量来实现增益。使用许多阶段，光线可以增加超过30,000倍的探测器。

图12.图像强化
系统。

LLL Systems加强了已经存在的光量。如果没有光明，他们就无法工作。另外，如果存在太多的光，它们可以变得饱和。

微光探测系统的分辨率由探测元件的大小和数量决定。一般来说，分辨率与灵敏度成反比。例如，通过许多阶段，到达磷板的电子数量可以大大增加。当电子到达极板时，将很难精确地将这一堆电子聚焦回图像中的小元素而不产生任何重叠或干扰。另一种提高灵敏度的方法是通过增加光圈阻挡，在入口处(物镜)收集更多的光。然而，这将影响焦点的深度。

低亮度系统由于其操作的性质不适合进行精确成像，所以成像质量低也不是什么大问题。我们需要的是探测诸如部队或车辆等物体的存在。

LLL系统可以与其自己的光源组合，以用于在没有环境光的条件下使用，例如在建筑物内部。当然，系统不再被动，并且可以检测到其使用。此外，LLL系统可以与窄波束宽激光源组合，这可以产生偏光的反射，以便提供准确的武器瞄准。

激光目标照明

由于激光具有狭窄的波束宽度，因此它非常适合精确测量。使用与雷达伺服跟踪系统相同的设计激光跟踪系统将非常准确。作为额外的好处，反射光束可用于将武器引导到目标中。当以这种方式使用时，激光伺服跟踪系统称为目标发光器．目标照明可以由武器本身提供，或者更常见的是由第三方提供。

图13.目标照明。