紅外熱成像系統(tǒng)性能參數(shù)測(cè)量?jī)x

1、光電探測(cè)與信號(hào)處理紅外熱成像系統(tǒng)性能參數(shù)測(cè)量?jī)x班級(jí) 姓名 同組者 日期 2016年 1 月 2 日目 錄1 課題的目的與意義.21.1課題意義.21.2 紅外成像系統(tǒng)的應(yīng)用.21.3 參數(shù)測(cè)量的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.22紅外成像系統(tǒng)性能參數(shù).42.1信號(hào)傳遞函數(shù)（SiTF）.52.2噪聲等效溫差(NETD).82.3調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF) .112.4最小可分辨溫差(MRTD) 123 紅外成像系統(tǒng)的性能測(cè)試及評(píng)價(jià).123.1 SiTF的測(cè)試123.2 NETD 的測(cè)試.133.3 MTF 的測(cè)試.143.4 MRTD的測(cè)試.154 基本測(cè)量裝置165總結(jié)18參考文獻(xiàn).181 課題的目的與意義1.1

2、課題意義近年來,隨著各種新型的紅外成像系統(tǒng)在軍事和民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,出現(xiàn)了多種紅外成像系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)模型。紅外成像系統(tǒng)是利用熱紅外輻射來產(chǎn)生被觀察場(chǎng)景的紅外輻射圖的。隨著夜視技術(shù)的發(fā)展,使紅外成像系統(tǒng)大量裝備部隊(duì)并廣泛用于偵察、制導(dǎo)和火控,使夜戰(zhàn)能力大幅提高,對(duì)未來戰(zhàn)爭(zhēng)中的軍用目標(biāo)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此對(duì)紅外成像系統(tǒng)性能的評(píng)估成為紅外技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的重要課題。根據(jù)目前紅外圖像采集、紅外圖像處理、紅外熱圖像噪聲特性、紅外熱像儀性能評(píng)估、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）和最小可分辨溫差（MRTD）的測(cè)量等諸多方面的相關(guān)文獻(xiàn)1-4，對(duì)于熱像儀性能參數(shù)的客觀測(cè)量方法，存在許多不同的看法，在向小型化、實(shí)用化，轉(zhuǎn)化中亦存

3、在許多技術(shù)難題。對(duì)整機(jī)參數(shù)綜合測(cè)試的研究還是不足，尚缺乏一類結(jié)構(gòu)緊湊，功能綜合，并有故障判斷能力的面向使用單位需求的檢測(cè)系統(tǒng)，因此有必要加快這方面的研究工作。1.2 紅外成像系統(tǒng)的應(yīng)用紅外熱成像系統(tǒng)在輻射波長35um和814um的光譜區(qū)內(nèi)有效的工作。這兩個(gè)光譜區(qū)內(nèi)大氣輻射損耗較小,即所謂的大氣窗口,因而熱成像能在復(fù)雜的氣象條件下工作,這是熱成像系統(tǒng)最大的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。軍事上,根據(jù)紅外線能穿透濃霧,較厚云層及黑夜的性能,己用它進(jìn)行空中攝影,遠(yuǎn)距離制導(dǎo),反導(dǎo)彈自衛(wèi)及制造夜視裝備器材。在航天領(lǐng)域,通過靈敏的紅外探測(cè)器接收物體的紅外線,經(jīng)電子儀器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理,便能察知被探測(cè)物體的特征,這就是遙感技

4、術(shù),衛(wèi)星上的遙感裝置可勘察礦產(chǎn),森林,魚群等資源,進(jìn)行氣象預(yù)報(bào),繪制紅外遙感地圖等。工業(yè)上,利用紅外儀器進(jìn)行自動(dòng)化分析,控制和產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè),測(cè)量物體的溫度,液位,料位,厚度,只數(shù)等;工廠高溫車間根據(jù)水吸收紅外線強(qiáng)的原理,進(jìn)行防暑降溫工作。食品行業(yè)利用紅外熱效應(yīng)和穿透性強(qiáng)的特性,進(jìn)行食品烘干和糕點(diǎn)生產(chǎn)。電機(jī)制造和修理行業(yè),電焊條生和使用單位,利用紅外加熱技術(shù)進(jìn)行電機(jī)和焊條焊藥的烘干處理。農(nóng)業(yè)和林業(yè)部門用紅外加熱裝置對(duì)谷物,木材,藥材等進(jìn)行干燥處理。公安干警使用紅外技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)搜索,跟蹤和偵破案子。在家用電器中,紅外技術(shù)的應(yīng)用占了很大比例,如彩電,空調(diào),風(fēng)扇,電燈的紅外遙控器,紅外水龍頭,紅外食

5、品烘烤,紅外解凍器,紅外爐灶和微晶電熱紅外輻射取暖器等。總之,紅外技術(shù)已在很多方面造福人類。1.3 參數(shù)測(cè)量的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀熱像儀從 20 世紀(jì) 20 年代末開始發(fā)展，從第一代的光機(jī)掃描式發(fā)展到現(xiàn)在第二代的陣列式焦平面凝視成像。陣列式凝視成像的焦平面熱像儀在性能上大大優(yōu)于光機(jī)掃描式熱像儀。其被測(cè)目標(biāo)的整個(gè)視野都聚焦到探測(cè)器上，圖像更加清晰，儀器也更小巧輕便。熱像儀成像的質(zhì)量參數(shù)是衡量一個(gè)熱成像儀好壞的標(biāo)準(zhǔn)，這些參數(shù)客觀地反映了熱成像儀對(duì)各種目標(biāo)的分辨能力、探測(cè)能力、工作波段、工作溫度、精度、范圍等重要特性，正確而且準(zhǔn)確地測(cè)量這些參數(shù)就顯得尤為重要。紅外成像系統(tǒng)的靜態(tài)性能描述系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)目標(biāo)的成像

6、性能，即對(duì)分布不隨時(shí)間變化（或緩慢變化）的景物進(jìn)行了探測(cè)、識(shí)別和辨認(rèn)。 目前世界上一些發(fā)達(dá)國家提出了幾種用來評(píng)價(jià)紅外光電系統(tǒng)性能的模型，并建立了一套與之相適應(yīng)的成像系統(tǒng)評(píng)估和測(cè)試的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量系統(tǒng)。國內(nèi)一些主要研制單位基本依靠從國外引進(jìn)的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，如：兵器工業(yè)總公司昆明 211 所引進(jìn)的熱像儀檢測(cè)系統(tǒng)，價(jià)格在 60 萬美元左右；信息產(chǎn)業(yè)部北京 11 所引進(jìn)的SIRA 熱像儀檢測(cè)組件，價(jià)格也在幾十萬美元。從這些引進(jìn)的熱像儀檢測(cè)系統(tǒng)來看，一般比較復(fù)雜，大多由一系列高性能的獨(dú)立測(cè)試單元構(gòu)成，其綜合性能較差，不含故障診斷系統(tǒng)，且價(jià)格昂貴，體積龐大。我國很多學(xué)者在熱像儀性能測(cè)試上也做了很多有創(chuàng)造性的工

7、作，如：電阻陣列紅外目標(biāo)源的研究、便攜式紅外靶發(fā)生器的設(shè)計(jì)、SPRITE 探測(cè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)等性能參數(shù)的測(cè)試和濾波特性的分析。對(duì) MRTD的測(cè)試技術(shù)隨著紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展而不斷深入發(fā)展。近年來國外客觀測(cè)試 MRTD 的技術(shù)有較大進(jìn)展，主要有兩類測(cè)試方法：一類通過測(cè)量有關(guān)參數(shù)得出 MRTD；另一類通過測(cè)量四組不同頻率的 4 桿靶溫差熱圖像，經(jīng)處得到 MRTD。殷祖燾5等設(shè)計(jì)出一套便攜式紅外熱像儀最小可分辨溫差（MRTD檢測(cè)裝置，可用于各類紅外熱像儀作用距離的檢測(cè)。Braddick R C 和 Harold Orlando 等人6-10提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 MRTD 客觀測(cè)量方法，即利用計(jì)

8、算機(jī)對(duì)紅外熱成像系統(tǒng)產(chǎn)生的 4 桿靶圖像進(jìn)行特征提取，然后利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)特征向量進(jìn)行識(shí)別和判斷。1975 年，美國首次提出一套完整的性能模型用來評(píng)價(jià)紅外成像系統(tǒng)，后來又發(fā)展了主要用于第二代熱成像系統(tǒng)的FLIR（用來計(jì)算 MRTD）性能模型。目前，經(jīng)典 MRTD 不能充分預(yù)測(cè)新一代焦平面熱成像系統(tǒng)的目標(biāo)獲取性能，因此國際上提出了 3種替代的性能模型：夜視成像系統(tǒng)性能模型、熱范圍模型、三角方向辨別模型。 制造熱成像測(cè)試儀的主要廠商有美國的 SBIR 公司和 EOI 公司、波蘭的 Inframat 公司、CI-Systems公司的 Electro-opties 分部等。美國的 SBIR 公司在紅

9、外、可見光、激光參數(shù)測(cè)試方面做得很出色，處于世界領(lǐng)先水平。其產(chǎn)品包括黑體、平行光管、目標(biāo)盤、控溫儀、測(cè)試軟件等一整套測(cè)試器材。EOI 公司是美國一家專門生產(chǎn)成像系統(tǒng)測(cè)試儀的老牌公司。該公司的資金和技術(shù)都很雄厚，其全球用戶已經(jīng)超過 600家，其中大部分是前 500 強(qiáng)的企業(yè)。其產(chǎn)品包括黑體、平行光管、目標(biāo)盤、控溫儀等一整套測(cè)試器材。Inframat 是波蘭的一家中小規(guī)模的公司，專門生產(chǎn)用于測(cè)試和模擬各種成像系統(tǒng)的儀器。該公司生產(chǎn)的紅外成像測(cè)試儀系列產(chǎn)品有 FT750、DT1000、DT1500、DT2000、DT2500。還有幾種便攜式的型號(hào)如 LAFT 和 SAFT。此外該公司還有一些用于測(cè)試

10、其他成像系統(tǒng)的產(chǎn)品（如激光）和另外一些產(chǎn)品。CI-Systems 公司生產(chǎn)成像系統(tǒng)測(cè)試儀產(chǎn)品主要是全套的成像系統(tǒng)測(cè)試器材。紅外部分的主要產(chǎn)品有中小口徑的 ILET、大口徑的 METS 和 CATS 以及超大口徑的 WFOV 等。2紅外成像系統(tǒng)性能參數(shù)2.1信號(hào)傳遞函數(shù)（SiTF）信號(hào)傳遞函數(shù)的定義信號(hào)傳遞函數(shù)是對(duì)紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)的參數(shù),它不受觀察者主觀判斷差異的影響"信號(hào)傳遞函數(shù)定義為紅外成像系統(tǒng)入瞳上的輸入信號(hào)與其輸出信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系,輸入信號(hào)規(guī)定為靶標(biāo)與其均勻背景之間的溫差,輸出信號(hào)規(guī)定為紅外系統(tǒng)輸出電壓"響應(yīng)度函數(shù)的線性部分(斜率)就是信號(hào)傳遞函數(shù)(如圖3.

11、1),必須對(duì)它進(jìn)行測(cè)量以計(jì)算噪聲等效溫差"信號(hào)傳遞函數(shù)(SiTF)的推導(dǎo)設(shè)物體的光譜輻射亮度為Le,那么有Le=As (2-1) 如果一臺(tái)紅外系統(tǒng)距離光源為R,那么入射到面積A"上的輻射通量為LENS=LeA0R12ASTATM (2-2)式中TATM為光源與紅外系統(tǒng)間的大氣傳遞系數(shù)那么到達(dá)像面上的軸上輻射通量為IMAGE=LeA0R12ASTSYSTATM (2-3)式中,Tsys為系統(tǒng)的光學(xué)傳遞系數(shù)如果光源面積As的像的面積為Ai,它遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探測(cè)器面積Ad,即A,>)A!那么,入射到探測(cè)器上的輻射通量為:DETECTOR=IMAGEAdAi (2-4)當(dāng)AiAd,

12、光源是一個(gè)擴(kuò)展光源或可分辨光源.同樣的,探測(cè)器被充分照明,根據(jù)對(duì)稱ASR12=AiR22 (2-5)那么探測(cè)器通量變?yōu)?DETECTORLeA0Ad(flSYS)2(1+M)2TSYSTATM (2-6)其中，M =R2/R1,，而R2,R1與系統(tǒng)焦距flSYS間的關(guān)系為 1R1+1R2=1flSYS (2-7)假定為一圓形孔徑，而定義其F數(shù)為F=flSYSD,則DETECTOR=4LeAdF2(1+M)2TSYSTATM (2-8)由探測(cè)器產(chǎn)生的電壓對(duì)應(yīng)于探測(cè)器的響應(yīng)RVd=RDETECTOR (2-9)則系統(tǒng)輸出VSYS，是由Vd乘上系統(tǒng)增益G，所有變量都是波長的函數(shù)VSYS=G12R()

13、4Le()AdF2(1+M)2TSYS()TATM()d (2-10)那么VSYS=G12R()4Le()AdF2(1+M)2TSYS()TATM()d (2-11) 式中，Le=Le-TARGET-Le-BACKGROUND() (2-12)對(duì)于朗伯光源，輻射直接進(jìn)入大氣中，那么Le=()As (2-13)Me=c15(1e(c2/T)-1) (2-14)如果光源和背景都是具有單位發(fā)射的真正黑體，那么VSYS=G12R()Me(,TT)-Me(,TB)Ad4F2(1+M)2TSYS()TATM()d (2-15)當(dāng)觀察一個(gè)處于準(zhǔn)直儀中的黑體時(shí)，上式變?yōu)?VSYS=G12R()Me(,TT)-

14、Me(,TB)Ad4F2TSYS()TTEST()d (2-16) 運(yùn)用泰勒級(jí)數(shù)MeTT-MeTBMeTBTT+122MeTBT2(T)2 (2-17)如果T非常小，那么MeTT-MeTBMeTBTT (2-18)定義SiTF=VSYSTTESTT (2-19)則SiTF=VSYSTTESTT=G12RAd4F2Me,TBTTSYS()d (2-20) 如果每個(gè)系統(tǒng)的光譜響應(yīng)不同，.那么各系統(tǒng)的信號(hào)傳遞函數(shù)也有變化。信號(hào)傳遞函數(shù)本身不是一個(gè)很好的比較各系統(tǒng)性能的品質(zhì)系數(shù)，因?yàn)閮H改變線性增益就能使其發(fā)生變化。若標(biāo)明了信號(hào)傳遞函數(shù)，它通常意味著系統(tǒng)工作于最大增益。 交流耦合的掃描系統(tǒng)中，信號(hào)在水平

15、方向而不是在垂直方向上禍合，這樣在掃描方向上有一個(gè)總的電壓移動(dòng)(信號(hào)和背景)，而垂直方向上不存在電壓移動(dòng)(圖3.2 ) 必須測(cè)量信號(hào)和背景之間的電壓差，而不只是測(cè)量信號(hào)的峰值。交流禍合擴(kuò)展了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)槿绻繕?biāo)充滿50%視場(chǎng)，有效電壓差(目標(biāo)和背景之間)與全部有效輸出電壓相等。在大面積目標(biāo)飽和和之前小面積目標(biāo)達(dá)到飽和，且小面積目標(biāo)具有較小的動(dòng)態(tài)范圍。如果飽和或動(dòng)態(tài)范圍己定，目標(biāo)尺寸必須確定。 觀察目標(biāo)時(shí)，交流耦合使輸出絕對(duì)值發(fā)生變化，(a) 橫穿視場(chǎng)的兩條線，(b)兩條線的輸出電壓信號(hào)傳遞函數(shù)是響應(yīng)度曲線線性段的斜率，斜率的最佳估計(jì)值由對(duì)N個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)Vi，Ti作最小二乘方擬合來確定:Si

16、TF=Ni=1NViTi-i=1NVii=1NTiNi=1N(Ti)2-(Ni=1NTI)2 (2-21)在響應(yīng)度函數(shù)中可能存在一個(gè)偏置，這個(gè)偏置可能因?yàn)椴荒芫_地測(cè)量背景溫度或是目標(biāo)和其背景之間出射度不同引起的。在不同的試驗(yàn)室比較測(cè)試技術(shù)時(shí)要注意的正是這個(gè)偏置。除非已知不存在偏置，否則不能僅用一次輸入值的測(cè)量來精確地確定信號(hào)傳遞函數(shù)，偏置可表示為:Voffset=-SiTF (2-22)=i=1NTiN (2-23)=i=1NViN (2-24)2.2噪聲等效溫差(NETD)NETD的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖案 噪聲等效溫差的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖案如上圖所示。一個(gè)均勻溫度的目標(biāo)，處于均勻的背景中，假定目標(biāo)和背景都是

17、黑體。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)這個(gè)測(cè)試圖案進(jìn)行觀察時(shí)，則使系統(tǒng)所產(chǎn)生的峰信號(hào)電壓VA等于系統(tǒng)的均方根噪聲電壓Vn，即信噪比等于1時(shí)，目標(biāo)與背景的溫差T，稱為系統(tǒng)的噪聲等效溫差，記為NETD. 在實(shí)際測(cè)量時(shí)，為保證測(cè)量精度，通常是目標(biāo)和背景有較大溫差，使信號(hào)電壓vs.數(shù)倍于噪聲電壓Vn，然后按下式計(jì)算:NETD=TVS/Vn (2-25)NFTD的一船表達(dá)式（1)熱成像系統(tǒng)的信噪比 當(dāng)目標(biāo)與背景存在溫差時(shí)，入射到熱成像系統(tǒng)探測(cè)器上的輻射通量就存在差異，由此產(chǎn)生的信號(hào)電壓VS為VS=*R (2-26)式中R一探測(cè)器的響應(yīng)度(V/W )一目標(biāo)與背景的單色輻射差(W)系統(tǒng)的噪聲均方根電壓Vn為Vn=0sf·

18、MTFe2df1/2 (2-27)式中sf一系統(tǒng)的噪聲功率譜MTFe一電子濾波器的傳遞函數(shù)所以熱成像系統(tǒng)的信噪比為SNR=VSVn=*R0sf·MTFe2df1/2 (2-28)若假定測(cè)量比探測(cè)率D*時(shí)的噪聲電壓為Vn1，即測(cè)量點(diǎn)為f0處、帶寬f內(nèi)的噪聲電壓，則按式可知，Vn1sf0f1/2。利用D*和R的關(guān)系:R=D*Vn(Ad·f )1/2=D*sf0Ad1/2 (2-29)代入式得信噪比SNR=*D*Ad1/20sf·MTFe2df1/2 (2-30)式中sf一歸一化噪聲功率譜，sf=sfsf0定義fn=0s(f)MTFe2df (2-31)為噪聲等效帶寬。

19、由于系統(tǒng)的電子濾波器通常為低通濾波器，MTFe=1+(fft0)2-1/2，白噪聲sf=1，由此可得fn與3dB頻率ft0的關(guān)系為fn=2ft0 (2-32)由信號(hào)處理部分的討論知道，為保持基本信0的通過，取ft0=1/(2d)，所以ft0=4d (2-33) 式中d一探測(cè)器的駐留時(shí)間。 代入可得SNR=D*(Ad·fn )1/2 (2-34)(2)目標(biāo)的輻射通量 當(dāng)不考慮目標(biāo)對(duì)環(huán)境的反射時(shí)，并設(shè)目標(biāo)為朗伯輻射體，則由普朗克定律得出目標(biāo)的光譜輻亮度L=M=c15· 1expc2T-1(W· cm-2·m-1·rad-1) (2-35)式中M一目

20、標(biāo)的光譜輻射出射度(W· cm-2·m-1)c1一第一輻射常數(shù)，c1=3.7415×104(W· cm-2·m4)c2一第二輻射常數(shù)，c2=14388(m·K)一目標(biāo)的發(fā)射率。如圖3.4所示，面積為At，的目標(biāo)的輻射強(qiáng)度為I=LAt，當(dāng)目標(biāo)剛好充滿一個(gè)探測(cè)元時(shí)，At=R2,則I=LR2=MR2(W·m-1·rad-1) (2-36)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)所張的立體角為D02/4R2,D0為光學(xué)系統(tǒng)的入瞳孔徑，經(jīng)過路徑R的大氣衰減及光學(xué)系統(tǒng)的衰減后，探測(cè)器所接收到的輻射通量為:=M4D02a0() (W/ m) (2-37)式中

21、a0一路徑R上的大氣光譜透射比;0()一光學(xué)系統(tǒng)的光譜透射比。設(shè)目標(biāo)溫度為TT，發(fā)射率為T，背景溫度為TB，發(fā)射率為B，則目標(biāo)與背景在探測(cè)器上的光譜輻射通量差為=D024a0TM(TT)-BM(TB) (2-38)當(dāng)TT與TB相差不大時(shí)，可用微分代替差分，因此上式可寫為d=D024a0BMTBTT+M(TB) (2-39)式中T一目標(biāo)與背景的溫度差;一目標(biāo)與背景的發(fā)射率差。(3)NETD表達(dá)式 NETD的公式推導(dǎo)過程中假定如下條件:.目標(biāo)和背景都是黑體，T=B=1.探測(cè)器在整個(gè)光敏面上的響應(yīng)度一致;.D'與噪聲等效溫差中的其它參數(shù)無關(guān);.目標(biāo)與系統(tǒng)間的大氣透過損失忽略不計(jì)，即a=1.系

22、統(tǒng)在工作波段內(nèi)0為常數(shù)0。;.電子處理電路不產(chǎn)生附加噪聲。于是，上式可簡(jiǎn)化為=D0240MTT (2-40)設(shè)系統(tǒng)的工作波段為12，由式可得圖像信噪比為SNR=VSVn=TD0204Ad·fn 1212D*M(TB)Td (2-41)上式只是單元或并掃情況，如包含串掃還將使信噪比提高ns倍，ns為串聯(lián)元數(shù)。當(dāng)熱成像系統(tǒng)采用光子探測(cè)器時(shí)，其理論性能是D*=Dp*p (p) (2-42)D*=0 (>p) (2-43)式中p一探測(cè)器材料所確定的截止波長。 對(duì)中長波紅外輻射，ec2/T1,因此光譜輻射出射度對(duì)溫度的變化率近似為MTc2T2M (2-44)由NETD的定義式可得NETD

23、=TVS/Vn=4F2fnnsAd0Dp*c2pTB212M(TB)d-1 (2-45)式中F一光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)。 NETD作為系統(tǒng)性能的綜合量度有一些不足之處: a) NETD的測(cè)量點(diǎn)是在基準(zhǔn)化電路的輸出端。由于從電路輸出端到終端圖像之間 還有其它子系統(tǒng)(如顯示器)，因而NETD并不能表征整個(gè)系統(tǒng)的性能。 b) NETD反映的是客觀信噪比限制的溫度分辨率，但人眼對(duì)圖像的分辨效果與視 在信噪比有關(guān)。NETD沒有考慮視覺特性的影響。 c) NETD反映的是系統(tǒng)對(duì)低頻景物(均勻大目標(biāo))的溫度分辨率，不能表征系統(tǒng) 用于觀測(cè)高空間頻率景物時(shí)的溫度分辨性能。 鑒于NETD存在以上這些缺點(diǎn)，需要采用更完善的

24、性能指標(biāo)作為紅外光電系統(tǒng)綜合性能的評(píng)價(jià)，例如MRTD . 2.3調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF) 調(diào)制傳遞函數(shù)是評(píng)價(jià)熱成像系統(tǒng)的成像性能的重要參數(shù)。它是從光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量評(píng)價(jià)發(fā)展而來的。調(diào)制傳遞函數(shù)是基于把物體看作是由各種頻率的譜組成,就是把物體的光場(chǎng)分布函數(shù)即物函數(shù)展開成傅立葉級(jí)數(shù)（物函數(shù)為周期函數(shù)）或傅立葉積分（物函數(shù)為非周期函數(shù)）的形式。MTF的基礎(chǔ)是線性濾波理論,光學(xué)中應(yīng)用在分析各種線性的、時(shí)空不變的穩(wěn)定系統(tǒng)性能。應(yīng)用傅立葉變換建立光學(xué)成像問題的數(shù)學(xué)模型,把非相干光成像系統(tǒng)近似為一個(gè)低通濾波器,當(dāng)目標(biāo)為正弦分布時(shí),其對(duì)應(yīng)輸出仍然是同一空間或時(shí)間頻率的正弦分布,但是對(duì)比度降低,位相發(fā)生移動(dòng),且對(duì)

25、比度降低和位相移動(dòng)的大小均是頻率的函數(shù)。 整個(gè)熱成像系統(tǒng)可近似看作線性不變系統(tǒng)，認(rèn)為熱成像是由一系列具有一定頻率特性（空間的或時(shí)間的）的分系統(tǒng)組合而成。根據(jù)線性不變系統(tǒng)的卷積性質(zhì)，若能得到各分系統(tǒng)的頻率特性，則熱成像系統(tǒng)的頻率特性也就確定了。模型中采用調(diào)制傳遞函數(shù)的概念來描述各分系統(tǒng)的頻率特性，先逐個(gè)求出各分系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。再將它們相乘就得到了整個(gè)熱成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)?？傉{(diào)制傳遞函數(shù)的組成可以劃分為光學(xué)系統(tǒng)的 MTF、探測(cè)器的 MTF、電路的 MTF、顯示器的 MTF、人眼的 MTF、晃動(dòng)引入的 MTF 等。2.4最小可分辨溫差(MRTD) 熱成像系統(tǒng)中 MRTD 是綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)溫度分辨力和空

26、間分辨力的主要參數(shù)，它不僅包括了系統(tǒng)特征，也包括了觀察者的主觀因素，其定義是：對(duì)具有某一空間頻率的 4 個(gè)條帶（高寬比為 7:1）目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)黑體圖案，由觀察者在顯示屏上作無限長時(shí)間的觀察5。當(dāng)目標(biāo)與背景之間的溫差從零逐漸增大到觀察者確認(rèn)能分辨（50的概率）出 4 個(gè)條帶的目標(biāo)圖案為止，此時(shí)目標(biāo)與背景之間的溫差稱為該空間的最小可分辨溫差。當(dāng)目標(biāo)圖案的空間頻率變化時(shí)，相應(yīng)的可分辨溫差是不同的，也即 MRTD 是空間頻率 f 的函數(shù)。對(duì)于低頻條紋，如果具有小的 MRTD 值，就表明該光學(xué)系統(tǒng)具有好的靈敏度，然而如果高頻條紋具有小的MRTD 值，又表明該光學(xué)系統(tǒng)具有高分辨率。因此 MRTD 被廣泛的用

27、于成像系統(tǒng)的性能預(yù)測(cè)，MRTD 能提供一個(gè)快速同時(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單的過程檢測(cè)硬件的性能。公式如下：MRTDf=2414SNRTHNETDMTF(f)(thv)12 (2-46)式中：(thv)12為眼濾波器函數(shù)，取值范圍0.520.65；SNRTH信噪比域值一般取 2.25；MTF(f)為紅外光電系統(tǒng)傳遞函數(shù)；NETD 為系統(tǒng)噪聲等效溫差。3紅外成像系統(tǒng)的性能測(cè)試及評(píng)價(jià)3.1 SiTF的測(cè)試信號(hào)傳遞函數(shù)是響應(yīng)度曲線線性段的斜率。響應(yīng)度函數(shù)是輸出/輸入的轉(zhuǎn)換。線性系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)與目標(biāo)與其背景間輻射出射度差成正比的輸出電壓差，假定為朗伯輻射源沒有遮擋的圓形孔徑，其電壓差為:V=G12R()Mc4f#2Tat

28、m()Tcol()Tsys()Add (3-1)Mc是目標(biāo)和背景之間光譜輻射出射度差，等于Me(,TT)-Me(,TB) (3-2)對(duì)小信號(hào)和平均透過率，上式可近似為:V=GTsourseAd4f#2×12R()d (3-3)用Tsourse表示微小輻射出射度差，上式可表示為:V=SiTFT (3-4)其中T=Tsourse斜率的最佳估計(jì)值由對(duì)N個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)(Vi,Ti)作最小二乘方擬合來確定:SiTF=Ni=1NViTi-i=1NVii=1NTiNi=1N(Ti)2-(Ni=1NTI)2 (3-5)在響應(yīng)函數(shù)中存在一個(gè)偏置，可表示為Voffset=-SiTF (3-6)式中=i=1NT

29、iN =i=1NViN (3-7)3.2 NETD 的測(cè)試由計(jì)算機(jī)通過視頻采集卡采集L幀由探測(cè)器所成的圖像，每幀包含M行N列個(gè)單元，測(cè)試過程中，總是取探測(cè)器的數(shù)字輸出口的數(shù)據(jù)。設(shè)每個(gè)單元輸出為，t=1® L，v=1®M，h=l®N。 LxMxN個(gè)單元的輸出平均 (3-8)第h列固定，LxM個(gè)單元的輸出平均 (3-9)第v列固定，Lxl1個(gè)單元的輸出平均 (3-10)第t幀固定，MxN個(gè)單元的輸出平均 (3-11)第h列、v行固定，L個(gè)單元的輸出平均 (3-12)第t幀、h列固定，M個(gè)單元的輸出平均 (3-13)第t幀，V行固定，N個(gè)單元的輸出平均 (3-14)則

30、(3-15)即可求出tvh，由式NETD=tvhSiTF和所求出的SiTF便可求出NETD。3.3 MTF 的測(cè)試設(shè)斜縫同時(shí)覆蓋一列像元的 N 行，即把采樣頻率提高到 N 倍，探測(cè)元為方形，則斜縫相對(duì)于探測(cè)元陣列平面的傾斜角為：=arctan(1N) (3-16)計(jì)算機(jī)首先通過幀捕獲器獲得縫目標(biāo)的成像數(shù)據(jù)，并選擇理想的數(shù)據(jù)處理區(qū)域。選擇區(qū)域每行的數(shù)據(jù)代表一個(gè)刀口擴(kuò)展函數(shù)，對(duì)它們進(jìn)行水平差分，即轉(zhuǎn)化成線擴(kuò)展函數(shù)，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)該線擴(kuò)展函數(shù)的峰值位置，覆蓋同一列探測(cè)元的斜縫法具有相同的峰值位置，設(shè)每一個(gè)相同峰值位置的行數(shù)為 A1，A2，從這些行數(shù)中找出出現(xiàn)頻率最大的值，即認(rèn)為是上面所說的斜縫經(jīng)覆蓋的

31、同一列像元的 N 值。把這些值挑出來，并對(duì)同一峰值位置的 N 行數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)號(hào)，每N行稱為一步，斜縫經(jīng)覆蓋同一列探測(cè)元數(shù)目為3，差分后的數(shù)據(jù)標(biāo)為 A，B，C。為了把同一標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值取平均，每隔一步后的行數(shù)據(jù)必須進(jìn)行水平移位，轉(zhuǎn)移方向與斜縫方向相同，這樣就保證同一標(biāo)號(hào)的峰值位置相同。對(duì)同一標(biāo)號(hào)的行數(shù)取平均，然后，把這些數(shù)據(jù)交疊成一行數(shù)據(jù)，并對(duì)它們進(jìn)行一維傅里葉交換，求出系統(tǒng)的 MTF。3.4 MRTD的測(cè)試 可變溫差目標(biāo)發(fā)生器由面輻射源（黑體）和具有一定空間頻率的標(biāo)準(zhǔn) 4 桿標(biāo)圖案組成，靶標(biāo)圖案的溫度始終處于環(huán)境（背景）溫度，面輻射源溫度可以通過微機(jī)或手控來調(diào)節(jié)，改變面輻射源溫度即可獲得目標(biāo)與

32、背景的溫差。準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)模擬目標(biāo)位于無限遠(yuǎn)處，其出射光瞳應(yīng)大于或等于被測(cè)熱像儀的入射光瞳。 先測(cè)量環(huán)境溫度,然后選空間頻率為f =0.2f0,0.4f0,0.6f0,0.8f0, f0（f0為熱像儀的特征頻率）的 4 桿靶標(biāo)依次放入指定位置，桿的高寬比為7：1。首先將較低頻率的標(biāo)準(zhǔn) 4 桿靶標(biāo)圖案，置于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)焦平面上，并把溫差調(diào)到高于規(guī)定值進(jìn)行觀察。調(diào)節(jié)熱像儀，使靶標(biāo)清晰成像，觀察者把各種控制及觀察距離調(diào)到最佳。降低溫差，繼續(xù)觀察，把平面黑體溫度從背景溫度以下調(diào)到背景溫度以上，分辨黑白圖樣，記錄當(dāng)觀察到每桿面積的 75和兩桿面積的 75時(shí)的溫差，稱之為熱桿（白桿）溫差。繼續(xù)降低溫差，直到

33、冷桿（黑桿）出現(xiàn)，記錄并判讀冷桿溫差。判讀時(shí)以觀察人員能分清圖像為準(zhǔn)。對(duì)其它規(guī)定空間頻率靶標(biāo)重復(fù)上述過程。再觀察熱像儀顯示器上的 4 桿靶標(biāo)圖像，調(diào)節(jié)輻射源的溫度以改變測(cè)試圖案與環(huán)境溫差，使得觀察者對(duì)每個(gè) 4 桿靶標(biāo)測(cè)試圖案剛能分辨清楚為準(zhǔn)，分別記下對(duì)每個(gè)測(cè)試頻率 4 桿靶標(biāo)圖案的最大溫差值，即為熱像儀不同頻率下的 MRTD 值。 上述測(cè)量中當(dāng)目標(biāo)溫度高于背景溫度時(shí)（白桿）稱為正溫差T1，目標(biāo)溫度低于背景溫度時(shí)（黑桿）稱為負(fù)溫差T2 ，取其絕對(duì)值的平均值，用下式計(jì)算被測(cè)熱像儀的 MRTD(f)：MRTD=T1+T22 (3-17)T1=T1-T0 T2 =T0-T2 (3-18)式中：T0為有

34、效環(huán)境溫差；T1為人眼能分辨出 4 桿白條紋圖樣時(shí)的目標(biāo)溫度；T1為人眼能分辨出 4 桿白條紋圖樣時(shí)目標(biāo)和背景的最小溫差；T2 為人眼能分辨出 4 桿黑條紋圖樣時(shí)目標(biāo)和背景的最小溫差。 MRTD的測(cè)試步驟:1.確定具有垂直條紋靶的位置,以獲得水平方向的最小可分辨溫度或水平測(cè)量垂直響應(yīng)。2.調(diào)節(jié)靶的相位可得到最大的可視度。3.用記數(shù)的方法證實(shí)條紋是可見的。4.建立一個(gè)正的輔助并緩慢提升黑體溫差。5.允許觀察者連續(xù)地調(diào)節(jié)系統(tǒng)和監(jiān)視器的旋扭以獲得最佳圖象。6.記錄一個(gè)觀察者用的時(shí)間探測(cè)所有個(gè)條紋時(shí)的溫差。7.建立負(fù)的輔助,并緩慢地降低黑體溫差。8.允許觀察者連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和監(jiān)視器以獲得最佳圖象。9.記

35、錄一個(gè)觀察者用的時(shí)間探測(cè)所有個(gè)條紋時(shí)的溫差。10.平均所記錄的正和負(fù)溫差的絕對(duì)值得到。11.對(duì)其他空間頻率重復(fù)以上步驟。12.如果靶不能被分辨,記錄為不能分辨。13.將所有觀測(cè)值乘以光管的平均透過率和平均大氣透過率,確定在紅外成像系統(tǒng)入瞳處的有效源強(qiáng)度。14.對(duì)各個(gè)觀察者的響應(yīng)作幾何平均。進(jìn)行試驗(yàn)需要相當(dāng)長時(shí)間,這取決于觀察者人數(shù)和選用不同的空間頻率數(shù)。4 基本測(cè)量裝置紅外熱像儀性能參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)原理如圖所示。標(biāo)準(zhǔn)黑體為標(biāo)定的大口徑熱管黑體和溫差面源黑體；標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)為玻羅靶，十字分劃靶，刀口靶，四桿靶，分辨率靶，畸變靶等；標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)直器由平面反射鏡（次鏡）和離軸反射式拋物面鏡（主鏡）組成。對(duì)于被測(cè)熱像

36、儀的本底噪聲、響應(yīng)度、飽和響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍、均勻性以及溫度的檢測(cè)校準(zhǔn)，直接用標(biāo)準(zhǔn)黑體對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。其他熱像儀性能參數(shù)的測(cè)量需利用圖虛線框中的標(biāo)準(zhǔn)器具。1)可變溫差目標(biāo)發(fā)生器它的功能是為熱像儀產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo),目標(biāo)發(fā)生器由平面黑體和可變靶板組成,靶板為目標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)4桿靶標(biāo)圖案(高寬比為7:l) 用以測(cè)量MRTD;刀口用以測(cè)量SiTF,NETD,MTF。各種靶標(biāo)有不同頻率,每塊板根據(jù)空間頻率不同做上一組或多組圖案。平面黑體為背景,它的工作物質(zhì)為半導(dǎo)體材料,即當(dāng)電流以不同方向流過不同半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí),在接觸處會(huì)輻射或吸收熱量,溫差控制儀控制電流大小和方向,并可精確控制平面黑體溫度。測(cè)溫多

37、用鉑電阻做溫度傳感器,把鉑電阻分別嵌入平面黑體的工作物質(zhì)和靶板內(nèi),用測(cè)溫電橋測(cè)量目標(biāo)和環(huán)境溫度,并根據(jù)需要控制目標(biāo)和背景的溫差(可精確到,±0001)。這種由半導(dǎo)體作控溫工作物質(zhì)的目標(biāo)發(fā)生器響應(yīng)時(shí)間短。平面黑體和目標(biāo)靶是一個(gè)不可分割的整體裝在一個(gè)屏蔽罩內(nèi),以免周圍環(huán)境的影響。目標(biāo)和背景的輻射發(fā)射率相等且應(yīng)0.95。本實(shí)驗(yàn)中所用黑體源的性能指標(biāo)如下:溫差范圍:-20一+70絕對(duì)溫度范圍:0.0一+95分辨率:0.001溫度顯示分辨土:0.001或0.001穩(wěn)定性:-20一+30±0.005+30一+70±0.015絕對(duì)溫度精度: ±0.015發(fā)射率:0.97±0.02%控制表面積:4”×4”最大孔徑面積:2.9”×2.9”2)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的作用是模擬無窮目標(biāo)。靶板位于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)焦平面上。準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)可采用折射系統(tǒng)或反射系統(tǒng),折射系統(tǒng)易變焦,從而可改變空間頻率,但它的價(jià)格昂貴。反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)通常采用離軸拋物面反射鏡,系統(tǒng)參數(shù)選擇取決于待測(cè)熱像儀性能。被測(cè)熱像儀要置于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)像空間輻射照度均勻的位置上,使光束照射與被測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)直物鏡的距離無關(guān)。在試驗(yàn)中所用反射鏡參數(shù)如下:口徑,270mm,焦距2500mm。3)微機(jī)微機(jī)在熱成像系統(tǒng)性能測(cè)試中可用于控制可變目標(biāo)