邵 銘，張 樂，張雷雷，柴國慶，胡琥香

（中國人民解放軍63891部隊，河南 洛陽471003）

引言

CCD（charge couple device電荷耦合器件）和CMOS（complementary metal oxide semiconductor互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器。CCD圖像傳感器主要應(yīng)用于遙感、遙測、制導(dǎo)武器、衛(wèi)星偵察、圖像跟蹤等軍事和科學(xué)研究領(lǐng)域［1-7］；隨著微電子技術(shù)發(fā)展，CMOS傳感器在工藝、成像質(zhì)量方面的改進(jìn)，其本身功耗低、攝像系統(tǒng)尺寸小、集成度高等優(yōu)點(diǎn)使其在遙感成像、空間探測等領(lǐng)域均也有廣泛應(yīng)用［8-9］。目前，利用高重頻激光干擾敵成像觀瞄和精確制導(dǎo)武器，是一種有效的對抗方式。為了對比高重頻激光對CCD和CMOS兩種相機(jī)的干擾效果，本文開展了對CCD、CMOS兩種相機(jī)的飽和干擾實(shí)驗研究。通過對CCD、CMOS相機(jī)飽和干擾條件的分析和受到干擾后干擾圖像的處理，得到了干擾激光功率與CCD、CMOS相機(jī)有效干擾像元、飽和像元和干擾圖像相關(guān)度等之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗裝置

實(shí)驗中采用高重頻YAG激光器作為干擾源，激光波長1.06μm，重頻64kHz，脈寬10ns，平均功率1.5W。CCD相機(jī)和COMS相機(jī)型號和相關(guān)參數(shù)見表1。實(shí)驗系統(tǒng)布局如圖1所示。激光器出口處用可調(diào)衰減片作適當(dāng)衰減，濾光片用來阻止880nm的泵浦光進(jìn)入相機(jī)，用分光鏡將光束一分為二，一部分進(jìn)入功率能量計實(shí)時監(jiān)測激光器功率變化，另一部分進(jìn)入相機(jī)后對相機(jī)進(jìn)行干擾，視頻采集卡和計算機(jī)對相機(jī)輸出圖像進(jìn)行實(shí)時采集和存儲。

表1 CCD、CMOS相機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of CCD and CMOS cameras

圖1 實(shí)驗布局示意圖Fig.1 Experimental setup

2 實(shí)驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

實(shí)驗中調(diào)整激光束與相機(jī)光軸對準(zhǔn)，利用計算機(jī)監(jiān)視器觀察相機(jī)輸出的圖像，通過觀察監(jiān)視器的圖像判斷入射到相機(jī)的光信號是否使相機(jī)達(dá)到飽和。首先，將激光衰減到使相機(jī)處于線性工作區(qū)功率范圍，記錄成像在相機(jī)傳感器表面的光斑像素點(diǎn)個數(shù)，利用相機(jī)像元尺寸計算激光輻照在相機(jī)傳感器表面的面積，計算出相機(jī)傳感器表面的功率密度。然后，逐漸減小衰減直至相機(jī)處于臨界飽和狀態(tài)。實(shí)驗中采集到的典型干擾圖像及干擾光斑的灰度分布如圖2～圖3所示。

圖2 對CCD相機(jī)的干擾效果Fig.2 Jamming effect of CCD camera

圖3 對CMOS相機(jī)的干擾效果Fig.3 Jamming effect of CMOS camera

2.1 干擾機(jī)理分析

CCD相機(jī)工作時，感光元件生成的電信號由CCD傳感器中的放大器專門負(fù)責(zé)，經(jīng)放大器處理之后，每個像點(diǎn)的電信號強(qiáng)度都獲得同樣幅度的增大，然后輸出到A／D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，最終輸出給專門的DSP處理芯片。CCD傳感器的每個像元可等效于一個電容，所能存儲和處理的最大電子電荷數(shù)是一定的，當(dāng)較強(qiáng)的激光輻照CCD傳感器局部時，由于CCD光積分時間為幾微秒到幾百微秒，光生載流子產(chǎn)生時間為10-12s量級，將有足夠的時間發(fā)生電子“溢出”現(xiàn)象，這就是CCD的“飽和串?dāng)_”現(xiàn)象［9-10］，見圖2。造成這種現(xiàn)象的原因文獻(xiàn)［7，9，10］中作了詳細(xì)的分析與論述 ，普遍認(rèn)為其與CCD傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸、勢阱深度有關(guān)，是干擾綜合結(jié)果的反映?！帮柡痛?dāng)_”現(xiàn)象并沒有對CCD相機(jī)及其材料造成損傷，但卻嚴(yán)重干擾了CCD相機(jī)的正常工作。

在對CMOS實(shí)施干擾過程中，當(dāng)激光器能量逐漸增加時，從圖3中可以看到并沒有出現(xiàn)CCD干擾的“飽和串?dāng)_”現(xiàn)象，這主要是因為CMOS相機(jī)和CCD相機(jī)感光元件的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳遞的方式存在較大的差異。CMOS相機(jī)中除了位于核心地位的感光二極管之外，每個感光像元都直接整合了放大器和A／D轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)感光二極管受到激光輻照后，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生與入射光信號成比例的模擬電信號，電信號首先被感光元件中的放大器放大，然后由A／D轉(zhuǎn)換電路直接轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號，再采用類似閃存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出，CMOS圖像傳感器的這種結(jié)構(gòu)使得它各個像元之間的串?dāng)_很小，所以相對CCD傳感器來說，用相同功率的激光很難對CMOS圖像傳感器造成大面積的飽和干擾，也不存在類似“飽和串音”現(xiàn)象。

2.2 干擾有效面積與入射激光功率關(guān)系

利用計算機(jī)和視頻采集卡，采集到不同激光功率下CCD和CMOS相機(jī)的干擾圖像。通常，高斯光束經(jīng)過透鏡后的光強(qiáng)分布仍為高斯分布，因此，將激光光強(qiáng)降為1／e2處作為光斑的邊緣，以圖像的灰度值來對應(yīng)光強(qiáng)的大小。故在輸出圖像中，將大于光斑灰度最大值1／e2的像素點(diǎn)的灰度值視為有效干擾光斑灰度閾值，對激光干擾圖像進(jìn)行處理，得到了在不同激光功率輻照下，CCD和CMOS探測器上干擾有效面積占整個探測器面積的比例，如圖4所示。為方便看出區(qū)別，其中橫坐標(biāo)入射的激光功率采用以10為底對數(shù)形式表示。從圖中可以看出：1）隨著入射激光功率的增加，CCD和CMOS探測器的干擾有效面積并不是線性增加，CCD比CMOS相機(jī)有效干擾面積增加更快，CCD比CMOS相機(jī)更容易受到干擾；2）在達(dá)到相同的干擾面積時，干擾CMOS相機(jī)比CCD相機(jī)需要的激光功率約大10倍～100倍；3）相同的干擾激光功率，干擾CCD相機(jī)比CMOS相機(jī)效果要好，換句話說，在其他條件不變的情況下，CMOS比CCD相機(jī)抗激光干擾能力更強(qiáng)。

圖4 激光入射功率與干擾有效面積的關(guān)系Fig.4 Relationship between laser incident power and jamming effective area

2.3 飽和像元面積與入射激光功率關(guān)系

實(shí)驗時逐漸減小衰減倍數(shù)，同步觀察CCD和CMOS探測器的輸出圖像。隨著照射到相機(jī)上的能量不斷增大，相機(jī)輸出的光斑亮度變強(qiáng)，相機(jī)受干擾程度愈嚴(yán)重。圖5給出了CCD、CMOS相機(jī)干擾圖像中灰度值達(dá)到255的飽和像元數(shù)目和入射激光功率之間的關(guān)系。為方便看出兩者之間的關(guān)系，將橫、縱坐標(biāo)均取以10為底的對數(shù)。從圖中可以得出以下結(jié)論：1）CCD探測器達(dá)到單元像素飽和的激光功率閾值約為1×10-3mW，CMOS探測器達(dá)到單元像素飽和的閾值約為2×10-2mW，大約是CCD的20倍；2）CCD探測器比CMOS探測器的像元達(dá)到全部飽和的速度要快，所需功率要??；3）相同的入射激光功率CMOS飽和像元面積要小于CCD飽和像元面積。

圖5 激光入射功率與飽和像元數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between laser incident power and saturated pixel number

2.4 干擾前后圖像相關(guān)度與入射激光功率關(guān)系

為了定量評價入射激光功率對兩種相機(jī)干擾效果的影響，可利用干擾前后圖像之間的協(xié)方差系數(shù)來表示干擾前后圖像之間的相關(guān)度［11］。兩幅圖像協(xié)方差的計算公式為

利用上述公式分別對兩種相機(jī)干擾前后的圖像質(zhì)量進(jìn)行了計算。式中：Amn、Bmn分別表示受到干擾后與干擾前圖像中m 行n列的灰度值；A、B分別表示受到干擾后與干擾前圖像的平均灰度值。圖6是受到干擾后CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)輸出圖像相關(guān)度隨入射激光功率的變化曲線。從圖中可以看出：1）隨著入射激光功率的增大，兩種相機(jī)干擾前后圖像的相關(guān)度減小，圖像質(zhì)量下降，干擾效果提高；2）在小功率干擾條件下（＜0.1 mW），CCD相機(jī)圖像質(zhì)量下降較快，CMOS相機(jī)受到干擾后的圖像與起初受到干擾后的圖像變化不大；3）在相同入射激光功率條件下，CCD相機(jī)的干擾效果要好于CMOS相機(jī)，這與前面結(jié)論一致；4）要達(dá)到相同的干擾效果，CCD相機(jī)所需激光功率要小于CMOS相機(jī)。

圖6 入射激光功率與圖像相關(guān)度的關(guān)系Fig.6 Relationship between laser incident power and imaging correlation

3 結(jié)論

通過實(shí)驗研究了1.06μm高重頻激光對CCD、CMOS相機(jī)的輻照飽和效應(yīng)，測量并計算了CCD、CMOS兩種相機(jī)的圖像飽和激光功率密度閾值。在此基礎(chǔ)上通過對干擾圖像的處理，得到了入射激光功率與有效干擾面積、飽和干擾面積以及圖像相關(guān)度之間的關(guān)系，并對兩者之間進(jìn)行了比較。實(shí)驗結(jié)果表明：

1）CMOS相機(jī)達(dá)到單元像素飽和的激光功率閾值約在2×10-2mW，是CCD相機(jī)的20倍。

2）兩種相機(jī)要達(dá)到相同的干擾有效面積，干擾所需的激光功率CMOS相機(jī)比CCD相機(jī)約大10倍～100倍；

3）兩種相機(jī)要達(dá)到相同的飽和像元數(shù)，干擾所需的激光功率CMOS相機(jī)比CCD相機(jī)約大10倍～60倍；

4）干擾隨著入射激光功率的增大，兩種相機(jī)的干擾前后圖像的相關(guān)度均減小，干擾效果提高，但在小功率干擾條件下，CCD相機(jī)比CMOS相機(jī)圖像質(zhì)量下降快，更容易受到干擾。

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