光电探测与目标识别作业.doc

第一次作业题一：什么是Johnson判则？答：Johnson依据实验，将视觉辨别分为四类：探测、取向、识别和确认，并把人眼对目标的观察感知同对“等效条带图案”的视觉联系起来，使人们可以不必顾及目标的具体类别和形态，直接以其“临界尺寸”中所包含的可分辨条带数来评定视觉感知水平。Johnson判则给出了在50%概率等级上，所需的可分辨等效条带周数。通过这一方法探测能力大致与传感器的阈值条带图像分辨能力相关联，其实验结果已成为今天所用的目标辨别方法学的基础。在工业应用中，Johnson判则通常采用如下标准。工业上采用的Johnson判则辨别等级含义最小尺寸上的周数探测存在一个目标，把目标从背景中区别出来1.0识别识别出目标属与哪一类别4.0确认认出目标，并能够足够清晰地确定其类型8.0题二：观察2km外宽2m、高1.5m的坦克，如果人眼的空间分辨能力是20线对/度，用一个望远镜观察该坦克，要求对目标的识别概率达到50%，试求望远镜的视放大率。解：坦克最小尺寸对人眼的张角为要使识别概率达到50%，需在最小尺寸上观测到4个线对，对应的张角为则望远镜的视放大率应为题三：如果某人的瞳孔间距为60mm，体视锐度为10”，试求（1）他的体视半径；（2）在50m距离上，他的体视误差。解：体视半径为在50m距离上的体视误差为第二次作业题一：一个年龄50岁的人，近点距离为-0.4m，远点距离为无限远，试求他的眼睛的屈光调节范围。 解：远点对应的视度为近点对应的视度为 他眼睛的屈光调节范围是-2.5。题二：用人眼直接观察敌方目标，能在400m距离看清目标编号，要求使用望远镜能在2000m距离也能看清，试求望远镜的倍率。解：设目标编号的大小为，在400m处与观测点形成的张角为；在2000m处与观测点形成的张角为；如果在2000m处通过望远镜可以看清目标编号，则目标编号通过望远镜后形成的张角为。则望远镜的倍率为题三：画图标出望远系统的物镜、物镜后焦点、目镜、前焦点、像面、孔径光阑、视场光阑、入瞳和出瞳位置。答：l 物镜：在光学仪器中最先对实际物体成像的光学部件。 l 目镜：将物镜所成的像放大后供眼睛观察用的光学部件。 l 光阑：光具组件中光学元件的边缘、框架或特别设置的带孔屏障称为光阑。限制轴上物点光束口径的光阑称为孔径光阑；限制视场的光阑称为视场光阑。 l 入瞳：把孔径光阑在物空间的共轭像称为“入瞳”，入瞳的位置和直径代表了入射光束的位置和口径。 l 出瞳：光学系统的孔径光阑在光学系统像空间所成的像称为系统的“出瞳”。在望远系统中，一般情况下，物镜镜框是它的孔径光阑，也是系统的入瞳。 第三次作业题一：一半径为的圆盘，其辐射亮度，其中是观察方向与圆盘面法线的夹角。求圆盘的辐出度、辐射强度以及距中心垂直距离为处点的辐照度。 解：辐射亮度 扩展源表面一点处的面元在给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出辐射通量，单位Wsr-1m-2。辐出度 扩展源单位面积辐射的通量，单位Wm-2。辐射强度 点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射能量，单位Wsr-1。辐照度 投影到单位面积上的辐射通量，单位Wm-2。（1） 计算辐出度（2） 计算辐射强度（看作无究远处的点光源）（3） 辐照度题二：一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面上照度为30lx，求该白炽灯的光通量。 解：光通量 人眼能够感受到的光强度。单位换算：lm在单位上相当于W，但与人眼有视觉特性有关辐射通量 单位时间内发射、传播或接收的辐射能。照度 投射在单位面积上的辐射通量。由题意知白炽灯发光均匀，则白炽灯向空间各方向的辐射是均匀的。可以求得在以白炽灯中心为球心，半径为1.5m的球面积为可以求得白炽灯的光通量为第四次作业题一：物体与周围环境的对比定义为，其中为物体亮度，为背景亮度。按此定义，为物体与观测者之间的距离，当时，；当时，。对于正常人眼，对比阈值为。假设消光系数在可见光区不依赖于波长，试证视程（能见度）为。如果包含背景气溶胶的晴空大气和浓雾的消光系数分别为0.08km-1和100km-1，求它们的能见度分别为多少。证明：利用Schwarzschild方程进行证明根据题意，天空背景的亮度为在位置处的目标亮度为物体与周围环境的对比为因为所以由于对比阈值的数值为，则则有：第五次作业题一：简述第一、第二和第三代夜视仪的主要特点和区别。答：微光夜视系统主要包括：强光力物镜、像增强器、目镜，如上图所示。微弱自然光经由目标表面反射，进入微光夜视系统；在强光力物镜作用下聚焦于像增强器的光阴极面，激发出光电子；光电子在像增强器内部电子光学系统的作用下被加速、聚焦、成像，以极高速度轰击像增强器的荧光屏，激发出足够强的可见光，从而把一个被微弱自然光照明的远方目标变成适于人眼观察的可见光图像，经过目镜的进一步放大，实现更有效地目视观察。第一代像增强器采用电子透镜对光电子进行加速，从而实现图像的增强。单级像增强器的增益达40-50倍。第二代像增强器以微通道板的二次电子倍增效应为图像增强的主要手段，大大减少了仪器的体积和重量。与一代微光像增强器相比，二代微光像增强器具有更高的分辨力和灵敏度。一般微通道板的电子增益为103104量级，一只微通道板像增强器的图像增强效果可达到三级级联像增强器同样的水平。第三代像增强器采用具有负电子亲和势的光阴极取代第一、二代微光夜视器件使用的多碱光阴极，具有更高的高灵敏度。题二：，试求其识别距离；如果大气消光系数，忽略地平天空的辐亮度，求些时的识别距离。（可以把不考虑大气影响时的结果作为初始值进行迭代运算）解：给定迭代退出条件第一步：不考虑大气影响，计算识别距离 计算目标的对比度计算光阴极面照度校正到对比度时的情况由查表得到像增强器的极限分辨率计算视距第二步，根据第一步计算的视距，由比尔-布格-朗伯定律计算大气的透过率 计算目标的表观对比度，由于忽略了地平天空的辐亮度，则有计算光阴极面照度校正到对比度时的情况由查表得到像增强器的极限分辨率计算视距 计算视距误差进入下一步迭代第六次作业机载行扫红外系统采用光机扫描方式对地面进行探测，如果飞机的飞行高度为9km，飞行速度为900km/h，扫描视场为10°，探测器的瞬时视场为0.01°× 1°，探测器的时间常数为1s，求系统搜索角速度的上限和下限。解：探测系统的地面覆盖宽度为若探测器的行扫描频率为，则计算系统搜索角速度下限计算系统搜索角速度上限第七次作业题一：利用红外预警系统进行探测，假设背景噪声产生的输出电压幅值服从均方根误差为0.2mV的瑞利分布，当门限电平设置为0.3mV时，试求系统的虚警概率；如果系统电路的等效带宽为1.0e4Hz，试求系统的虚警时间。解：系统的虚警概率为系统的虚警时间为题二：利用红外预警系统进行探测，假设目标产生的输出电压幅值为1mV，背景噪声和目标产生的总的输出电压幅值服从均值为1mV，均方根误差为0.2mV的高斯分布，当门限电平设置为0.3mV时，试计算系统的探测概率Pd 、虚警概率Pfa与漏警概率Pm 。解：计算虚警概率计算系统的探测概率计算漏警概率第八次作业利用红外预警系统进行探测，假设背景噪声产生的输出电压幅值服从均方根误差为0.2mV的瑞利分布；目标产生的输出电压幅值为1mV，背景噪声和目标产生的总的输出电压幅值服从均值为1mV，均方根误差为0.2mV的高斯分布。假定目标出现的概率为0.01，试求： (1) 给出基于最小错误率的贝叶斯决策规则；(2) 给出基于最小风险的贝叶斯决策规则（决策表如下）；(3) 如果要求漏警率不大于0.001，给出Neyman-Pearson决策规则。 (4) 如果有一信号，试用以上三种方法判断是否存在目标。解：令背景归属于类，目标归属于类，则, , (1) 基于最小错误率的贝叶斯决策规则(2) 基于最小风险的贝叶斯决策规则(3) 给出Neyman-Pearson决策规则(4) 判断x的归属基于最小错误率的贝叶斯决策：基于最小风险的贝叶斯决策：基于Neyman-Pearson决策：