（光学专业论文）红外成像系统的测试与评价.pdf

摘要 摘要 性能模型是热成像技术的重要环节，它可为系统设计、分析、论证以及新 思想的产生提供理论依据和分析工具。 在研究国内外文献和详细的理论分析基础上，推导了二代热成像系统的三 维噪声模型，将系统噪声按时问、空间水平和垂直方向划分为7 个噪声项，论 文分析了各噪声因子的定义，给出了计算方法。同时，对二代热成像系统的 m t f ，n e t d ，m r t d 。s i t f 也进行了详细的研究，推导和描述。 在文章中，以一个实际系统为例，给出了测试这四个基本参数所用到的测 试原理、测试设备以及试验安排，并将理论值和测量值进行了比较，分析了误 差的原因。 关键词：二代红外成像系统，性能模型，三维噪声，s i t f ，n e t d ，m r t d ，m t f 红外成像系统的测试j 评价 a b s t r a c c i n v e s t i g a t i o ni si m p o r t a n tl i n ki nt h e r m a li m a g i n gt e c h n o l o g i e sa n dp r o v i d et h e t h e o r e t i c a lb a s i sa n da n a l y t i c a lt o o l sf o r s y s t e md e s i g n ，a n a l y s i s ，v e r i f i c a t i o n a n d g e n e s i so f n e w c o n c e p t s a3 一dn o i s eo fm o d e ls e c o n d g e n e r a t i o nt h e r m a li m a g i n gs y s t e mi sd e d u c e d o n t h eb a s i so f r e v i e w i n g l i t e r a t u r ea n dd e t a i l e dt h e o r i t c a l a n a l y s i s i nt e m p o r a l ， h o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i m e n s i o n st h en o i s em a yb ed i v i d e di n t os e v e nc o m p o n e n t s ， a n dt h e i m p l i c a t i o n s o fv a r i o u s c o m p o n e n t s a r e a n a l y z e d w i t ht h ec a c u l a t i o n m e t h o d sa r eg i v e n a tt h es a m et i m e ，m t f ，m r t d ，s i t fa b o u ts e c o n dg e n e r a t i o n t h e r m a li m a g i n g s y s t e m a r er e s e a r c h e d 、d e r i v e da n dd e s c r i b e di nd e t a i l i nt h ep a p e r ，at h e r m a li m a g i n gs y s t e mi st e s t e d ，t h et e s tm e t h o d s ，e q u i p m e n t a n d s e t u pf o rs i t f 、n e t d 、m t f a n dm r t da r e g i v e n ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d i d e a l i z e dv a l u e sa r ec o m p a r e d ，t h ee r r o r sa r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：s e c o n dg e n e r a t i o n t h e r m a l i m a g i n gs y s t e m ，p e r f o r m a n c e m o d e l ， t h r e e d i m e n s i o n a lf l o i s e ，s i t f ，n e t d ，m r t d ，m t f 儿 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 1 1 1 课题背景 第一章绪论 由于所有物体都发射红外辐射，在本世纪三四十年代开始研制用于观察景物 并将热图像转换成可见光图像的红外成像系统( 热像仪) 使得人们可获的物体信 息量得到了扩展。 红外热成像系统在辐射波长3 5 朋z 和8 1 4 t u n 的光谱区内有效的工作。这 两个光谱区内大气辐射损耗较小，即所谓的大气窗口，因而热成像能在复杂的气 象条件下工作，这是热成像系统最大的特点和优点。 军事上，根据红外线能穿透浓雾，较厚云层及黑夜的性能，已用它进行空中 摄影，远距离制导，反导弹自卫及制造夜视装备器材。 在航天领域，通过灵敏的红外探测器接收物体的红外线，经电子仪器对接收 信号进行处理，便能察知被探测物体的特征，这就是遥感技术，卫星上的遥感装 置可勘察矿产，森林，鱼群等资源，进行气象预报，绘制红外遥感地图等。 工业上，利用红外仪器进行自动化分析，控制和产品的质量检测，测量物体 的温度，液位，料位，厚度，只数等；工厂高温车间根据水吸收红外线强的原理， 进行防暑降温工作。食品行业利用红外热效应和穿透性强的特性，进行食品烘干 和糕点生产。电机制造和修理行业，电焊条生产和使用单位，利用红外加热技术 进行电机和焊条焊药的烘干处理。 农业和林业部门用红5 i - n 热装置对谷物，木材，药材等进行干燥处理。公安 干警使用红外技术进行目标搜索，跟踪和侦破案子。 在家用电器中，红外技术的应用占了很大比例，如彩电，空调，风扇，电灯 的红外遥控器，红外水龙头，红外食品烘烤，红外解冻器，红外炉灶和微晶电热 红外辐射取暖器等。 总之，红外技术已在很多方面造福人类。 红外成像系统的测试与评价 1 1 2 热成像静态性能评估模型的发展 热成像系统静态性能通常指系统的实验室可测试参量( 如信号传递函数 ( s i t f ) 、调制传递函数( m t f ) 、噪声等效温差( n e t d ) 、最小可分辨温差( m r t d ) 等) 。 进一步可扩展为系统的作用距离( 视距) 。性能模型的研究将建立这些参量的数学 模型及计算机模拟软件，为系统计、分析及新思想和技术途径的产生提供理论依 据和分析工具。 国外研究状况： 在国际上，热成像系统性能模型较系统的研究和应用是从七十年代中期开 始，比较典型的结果有： ( 1 ) 1 9 7 5 年美国j m l i o y d 就在其著作中系统论述了热成像系统的组成和 性能，给出主要性能参量的推导思想及一些简化模型。 ( 2 ) 1 9 7 5 年美国陆军夜视实验室j a r a t c h e s 和w r l a w s o n 等“研究了热 成像系统理论，建立了系统静态性能模型( m t f 、n e t d 模型、和m r t d 的工程积分 器模型以及视距估算模型等) ，这是较早系统给出的性能模型，成为后续许多研究 和对比的基础。该模型成功用于美军第一代热像仪的分析设计，并随美国热成像 技术输出国外，目前仍在使用。 ( 3 ) 1 9 7 9 年美国陆军夜视实验室f r o m t i 和g h a r v e y 等对7 5 年模型作了 改进，增加了m r t d 的理想同步积分器模型，并采用新的视距估算思想和模型( 即 基于j o h n s o n 准则的视觉判别模型) 。 ( 4 ) 1 9 8 2 年英国c t e 1 l i o t t 等提出了不同于美国串并扫体制的扫积型 s p r i t e 探汹器的思想和模型，对s p r i t e 探测器的性能模型、探测器优化设计方 法等问题进行了广泛深入的研究，使s p r i t e 探测器成为英国高性能热像仅的主 流。 ( 5 ) 1 9 8 7 年以色列j g v o r t m a n 和a b a r l e v 研究了m r t d 的自适应匹配 滤波器模型和有限同步积分器模型，计算结果与实验室测试数据的一致性更好， 但其匹配滤波器模型在处理“彩色噪声”过程时存在与实际矛盾之处，而对“白 噪声”的条件又过于苛刻。 从几十年代，国外有关性能模型的研究随热成像技术发展转移到二代热成像 塑二翌堕堡 系统，并通过新的研究逐步改造一代模型的一些处理方法。比较典型的结果有： ( 1 ) 1 9 9 0 年r l e b a n c 和c c o n t i m i e n 研究了红外焦平面热成像模型，其模 型的改进之处主要为：给出了焦平面的m t f 模型，但未考虑扫描混淆影响，噪声 模型考虑了光子散粒噪声、探测器阵列响应不均匀性噪声、探测器噪声、转移躁 声、多路调制器噪声、多路调制器输出电容充放电的噪声和前置放大器噪声；m r t d 模型为“自噪声”模型，并通过定义等效扫描速度等来达到与一代模型表达形式 的一致性。 ( 2 ) 1 9 9 0 年美国陆军通讯电子指挥部夜权电光中心l b s c o t t 和 l r c o n d i f f 研究提出了c 2 n v e o 高级f l i r 系统性能模型，并重新编制了计算机 模拟软件。该模型对前两版( 1 9 7 5 年版及1 9 7 9 年版) 的改进主要表现在：考虑了 采样效应，改进了垂直分辨率，将m t f 模型变为适应焦平面阵列，增加了c c d 积 分、信号输出、显示采样保持以及两个任选的m t f 模型，并提供了两种人眼m t f 的选择，消除了大f 数的假设并增加了光谱滤波，改进了计算方法，提高了计算 精度；m r t d 取消了一些假设，修改了常引用的方程常数，例如将阈值信噪比s n r = 2 2 5 和人h 艮积分时间t = 0 2 s e c 推荐为更具代表性的s n r = 2 5 和t = 0 1 s e c 并构造了二维m r t d 模型，以适应在二维范围内m r t d 的预测。据报道模型的预测 结果与测试结果的一致性较好，与7 j 年模型相比在低频时较好，而在高频时较 差一些。 ( 3 ) 1 9 9 1 年美国德克萨斯仪器公司h v k e n n e d y 研究了红外焦平面热成像模 型，沦述了二代热像仪与一代之区别，考虑了采样效应及其对m t f 及m r t d 的影 响，主要包括取样混淆现象、量化噪声和焦平面取样、固定图案噪声、直流分量 恢复效应等的模型，讨论了二代热成像系统的n e t d 和m r t d 的定义及识别准则， 并提出了调谐匹配滤波器模型 ( 4 ) 1 9 9 0 年美国陆军夜视实验室j o a g o s t i n o 研究提出了f l i r r 9 0 性能模 型，1 9 9 2 年i b s c o t t 和j d a g o s t i n o 又联合提出n v e o df l i r9 2 模型，可对 扫描或凝视热成像系统的m t f 、噪声、m r t d 进行计算预测。模型除保留二维m r t d 及新推荐的m r 3 、d 方程参量外，进一步考虑了采样效应和三维噪声模型，提出了 三维噪声分系统的定义及其隐含值、噪声校正函数等新概念，由此得到新的m r t d 模型，对典型系统一代、二代扫描系统及二代轻视系统的计算结果与实测结果符 合情况良好。他们同时指出，目前热成像性能模型中有许多问题有待研究解决， 自外成像系统的删试j 评价 美国陆军夜视实验室将继续加强这一方面的工作。 ( 5 ) 1 9 9 3 年英国a h 【，e t t i n g t o n 和q h i o n g 研究了用于焦平而阵列的离散 调制传递函数，通过用离散傅立i 】r 变换( d f t ) 避免非等晕问题，简化混淆分析。 该处理方法接近实际数值化处理，但并未完全避免非等晕问题，只是在离散处理 中回避了该问题。 ( 6 ) 九十年代乌克兰b 丁。科洛勃多夫和德国n ，舒斯持合编的红外热成 像一书，较全面地阐述了热成像系统的基本组成、原理及一些分析处理方法， 虽然是以一代为主，性能模型没有大的变化，且未涉及二代系统模型，但部分模 型及其处理方法和分析仍具有一些特点。 国内研究状况 目前，幽内对热成像系统性能的研究还是局部的或较零散的，较系统的描述 主要集中在一些教科书中，模型基本采用便于手工计算的简化模型，因而精度较 低，只能给出大致的结果或趋势，并且视距估算大多以点目标探测为主，较少涉 及识别等成像方式。八十年代的实际工程中仍较多采用简化公式计算，且由于各 自采用模型和处理方法不同，难以相互比较。进入九十年代，随着我国热成像技 术的发展，有关性能模型的研究也有进展，比较媳型的有： ( 1 ) 1 9 9 1 年骆清铭和刘贤德对热成像系统作用距离估算方法进行了研究。 ( 2 ) 1 9 9 1 年高稚允研究了热成像系统对小目标探测距离估算方法。 ( 3 ) 国内八f 年代曾引进一个一代热成像系统性能的模拟软件，其运行环境 是美圈专用中型机，软件的某些运算通过计算机的硬件完成，模型主要针对美国 串并扫体制，没有英国s p r i t e 探测器模型。该软件在一些处理，特别是目标背 景图像模拟方面具有独特之处，但由于这一系统主要在引入单位内使用，且机型 届淘汰类型，因而，基本停留在自己使用阶段，对软件的消化、推广、应用以及 进一步的完善和发展等工作进展不大，在国内影响不是很大。 ( 4 ) 近年来，北京理工大学的金伟其等人较为系统地研究热成像系统的静态 性能模型，建立了代通用组件热像仪的静态性能模型及模拟软件包一可对热成 像系统的静态特性参量和系统( 对扩展源和点源目标) 的作用距离进行计算和预 测。模型吸收了美国7 9 年模型和英国s p r i t e 模型，并加入了一些自己的观点和 第一章绪论 处理方法，在系统的完整性及工程化方面取得好的效果，对实际系统的计算结果 与实验室测试和野外实验结果有较好的一致性，已在工程中使用。 ( 5 ) 目前二代热成像系统性能的研究国内还刚开始，虽然尚未形成系统的模 型，但已丌始提出一些模型，例如1 9 9 3 年吴小平、周起勃等研究了红外焦平面 凝视系统的评估方法，建立了m r t d 模型，编制了评估软件，计算结果与实际结 果比较，具有比k e n n e d y 的模型更好的一致性。另外，围内以往一些类似的研究 也具有很好的参考价值，例如，张保民有关镶嵌面阵传递特性及抽样混淆效应研 究；邹异松和张保民对成像系统性能分折方法的研究。 应该指出，目前国内对图像处理的研究大多是对可见光进行的，其行之有 效的一些处理方法直接用于热图像不一定会取得预期的效果，这在实际军用热成 像跟踪仪的实验中己得到证实。国外一些研究认为其原因在于连续变化图像中一 些难以察觉的噪声和人为干扰成为数字处理和显示单帧图像的障碍，带来了系统 误差，而且目前所基于的红外系统性能模型尚不完善。 1 2 热成像系统的组成及二代热成像系统的特征 热成像系统是将接收到的二维空间分布的景物红外辐射转换成一维时间分 柿的电信号，经过放大、信号处理、最后以二维空间分布的可见光图像再现景物 红外图像的装置。 热成像系统往往在最前端有一个红外望远镜，不过在本文模型中，把望远镜 后的系统看作一个单独的系统，仅将它作为静态性能的研究对象。这个系统的空 间被称为探测器空间，它与物空间之间的关系：探测器空间尺寸与物空间尺寸的 比值等于望远镜放大率。 二代热成像一般有凝视和扫描两种，两者的组成有不同之处。前者一般由光 学系统、焦平面、后续视频信号处理和显示系统等组成( 如图l 所示) 。后者一 般山光学系统、扫描器、焦平面、后续视频信号处理系统和显示系统等组成( 如 图2 所示) 。焦平面往往已包括单元前胃放大、多路传输、一些信号处理，如采 样保持、相关双采样、输出视频放大，4 n 扫描的还要带t d i 电路。 5 红外成像系统的测试与评价 图i凝视二代热成像系统的基本组成 图24 n 扫描二代热成像系统的基本组成 为了分析计算上的方便，通常把探测器及后续系统的噪声影响等效为一个噪 声源，在探测器与前置放大器之间定义为噪声插入点。 二代热成像系统最突出的特征就是焦平面技术，信号的采样、放大、多路 传输、处理均集成在焦平面上。首先，探测器在焦平面上进行采样，目前有一维 采样的4 n 扫描型，也有二维采样的凝视阵列，这将引入探测器二维采样调制传 递函数：其次，焦平面的噪声已不再局限于时闻、空间随机的噪声，由信号处理 不均匀和焦平面不均匀性引入的噪声( 固定图案噪声) 对系统噪声有重大贡献， 甚至占据主要地位；再者，焦平面电信号转移输出若采用c c d ，则c c d 对于调制 传递函数又有额外的贡献。 另外，二代热成像系统可能采用许多新技术，如a d 转换及其后可能跟随的 数字信号处理，数字图像处理，这些都有待于考虑。显示器的选用也不再局限于 c m 了，l c d 常在应用之列中。 第一章绪论 二代热成像系统的新特征给胜能评估模型带来的不但是某些系统的增添或 减少，更主要的是某些橛念上的变化，如系统噪声的测量位置对n e t d 的影响， 采样系统的m t f 、m r t d 的计算和测量值对输入信号相位的依赖等。 1 3 课题主要研究内容及研究意义 课题研究内容是针对二代热成像系统的新特点，首先要建立一个完整正确的 静态性能的数学模型，其次对一台热像仪进行实际测量，以验证模型的正确性。 m 1 i f 、n e t d 、m r t d 、s i t f 是目前在国际上公认的有效评价参数，我所建的模 型也使用这几个参量。 本文第二章研究并给出了二代热成像系统的s j t f ( 信号传递函数) 模型； 第三章祥述了n e t d 模型和三维噪声模型，尤其是仔细地分析了三维噪声模型； 第网章着重推导了m r t d 的匹配滤波器模型：第五章推导了m t f 模型。第六章验 证了模型的准确性，列出了实际系统的参数，比较了性能参量的测量值和模型的 计算值。 红外成像系统的测试j 评价 第二章信号传递函数 2 1 信号传递函数( s i t f ) 的定义 信号传递函数是对红外成像系统进行客观评价的参数，它不受观察者主 观判断差异的影响。定义为红外成像系统入瞳上的输入信号与其输出信号之 洲的函数关系，输入信号规定为靶标与其均匀背景之间的温差，输出信号规 定为红外系统输出电压。 2 2 信号传递函数( s i t f ) 的推导 能流。 设物体的光谱辐射是度为l 。( a ) ，那么 三。( 九) ；等 ( 2 1 ) 如栗一台红外系统距光源为r ，那么入射到面积a 0 上的辐射通量为 中。含a l 。 ( 2 - 2 ) 式中l 。为光源与红外系统间的大气传递系数 那么到达像面上的轴上辐射通量为 中。= l - 。叁a s t s r s t a ，。 ( 2 3 ) 式中，b 。为系统的光学传递系数 如果光源面积a 。的像的面积为a 。，它远远大于探测器丽积a 。，即a ； - a 。 第二章信号传递函数 那么，入射到探测器上的辐射通量为 中一m 一= 中等 c z 舢 当a ， _ 卜a 。，光源是一个扩展光源或可分辨光源，同样的，探测器被充分照 明，根据对称 生；生 只? r ： 那么探测器通量变为 ( 2 5 ) 中m ”c 一。石插五m l w ( 2 6 ) 其中，m = r ：r 。，而月。，r j 与系统焦距热。问的关系为 土+ 土：一l r 1r 2一s b 假定为一圆形孔径，而定义其f 数为f = 号笋，则 币m ”c 一。；i 榆五”l m 由探测器产生的电压对应于探测器的n 向应r y d2 “叩d e t e c t o r 则系统输出k 。，是由k 乘上系统增益g ，所有变量都是波长的函数 蜘呻) 三篇等州帆小膨 那么 岷= 嗡砌) 三等等划帆水m 式c i 一，虬。( ) = l 。一。( a ) 一l e - e a c 。( a ) 对于朗伯光源，辐射直接进入大气中，那么 上舢) = 裂 9 ( 2 7 ) ( 2 ，8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 ，1 1 ) ( 2 1 2 ) 红外成像系统的测试j 评价 m 舢) 2 嘉( 志) 如果光源和背景都是具有单位发射的真正黑体，那么 = 砸) 幽戬端些咖蹦a a 旺 当观察个处于准直仪中的黑体时，上式变为： = a 。知- 2 ) 幽监豢垃迪瓦。n k 勘m ( 2 1 4 ) 运用泰勒级数 m 川一川叫掣卜爿掣p 如果a t 非常小，那么 m 川也” 掣 丁 s 一器= 嗡砌) 萨a d 鼍掣孙肌 2 2 小结 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 本章由辐射亮度开始，引出了辐射通量，通过它们，导出了信号传递函数的 定义，并求出了它的表达式。 1 0 器 = f7 s义定 则 第三章噪声等效温差与二维噪声模型 第三章噪声等效温差与三维噪声模型 3 1n e t d 和三维噪声的引进 定义和测量标准的n e t d 时，一般采用角尺寸w w ，温度为t t 的均匀方 形黑体目标，令其处在温度为t b ( t t t b ) 的均匀黑体背景中构成测试图案。 热像仪对这个测试图案观察，当系统的基准电子滤波器的输出信号等于系统本身 的均方根噪声时，辐射系统的黑体目标和背景之间的温差就是噪声等效温差。 一代热成像系统的噪声分布在各个分系统中，由于扫描的作用，可以用时间 性噪声来表示，应用噪声功率谱，把系统噪声等效为一个噪声源，插入探测器后。 一般用测量n e t d 时的基准参考电子滤波器模拟一代热成像系统的探测器 后续系统的滤波效果。最后可以使用n e t d 与系统噪声的带宽来求出系统噪声。 对二代热成像系统而言，二代n e t d 测量点往往被典型地设在视频信号输 出口，系统显示之前，这时n e t d 已不足描述系统噪声。因为首先，n e t d 的测 量和计算都要求一个基准参考滤波器，以之来模拟后续的系统信号处理电路，而 事实上，二二代热成像系统的信号处理往往已出现在n e t d 的测量点之前；其次， 从信号处理不均匀和焦平面不均匀性出来后的噪声对系统噪声有重大贡献，甚至 占据主要地位，而n e t d 显然不能描述这些噪声。 事实上，输出二代焦平面的信号中已包含了包括时间空间随机的噪声、时间 无关空间相关的噪声、空间相关时间无关的噪声等各种噪声。为此引进了三维噪 声分析方法，三维指空间的水平、垂直方向及时间方向。其中的时问空间随机的 噪声项o - 。转换为对应的温度时，类似于n e t d 的形式，事实上，对于凝视阵 列，人们经常把写成n e t d 。由于主要受光子噪声影响，其噪声功率谱 是自噪声功率谱：同时，虽然文献 2 s 】认为其它噪声( 称固定噪声) 应有其非 空问的噪声功率谱，但目前考虑的模型中只考虑噪声均方根，而且认为其空间噪 声功率谱为白噪声功率谱，处理方法类似于嚷。，当然这有一定的近似性，尤其 会影i 响探测运动小目标的精度。 虽然n e t d 已不足以描述二代热成像系统，但因为人们已习惯于使用它， 因此对于二代热成像系统，模型中仍然使用n e t d ，并山它推出d 。 红外成像系统的测试与评价 3 2n e t d 模型 3 2 1 标；佳n e t d 的推导 通常要求测量标准的n e t d 时的目标尺寸w 超过瞬时视场若干倍，目标和 背景的温差t 超过n e t d 数十倍，使信号峰值电压v s 远大于均方根噪声电压 v n ，然后按下式计算n e t d ： n 旺d ；竖 k 化 ( 3 1 ) 测量n e t d 时，从系统的基准电子滤波器输出后的信噪比口 表不为 s n r ：羔： 竺i 墨 ( 3 2 ) n 蠹s ( d m t p , = ( f ) , c f 式中，中为目标与背景的辐射通量差： r 为探测器的响应度； s ( f ) 为系统的噪声功率谱； m t f e ( f ) 为电子滤波器的传递函数。 式巾分母积分项为噪声均方根，若假定v 。为在测量归一化探测率d + 时，测量点 f o 处单位带宽所对应的噪声电压，f 为测量带宽，a a 为探测器面积，则d + 与r 的表达式为 r ：丝：d 业 ( 3 3 ) 0 a d 萄、 a d 将此式代入上式，得 s n r _ s n = 佤a a p - z m d 雨 面。丽a p x d 心令 其中，s ( 0 = s ( 0 s ( 为归一化噪声功率谱； 馘为噪声等效带宽，其定义为： 耐。= 1s t f w t 呱 ) d f 对于成像系统，目标与背景辐射通量差可表示为 ( 3 5 ) 第三章噪声等皴温差1 j 三维噪声模型 峨= 嘉柏) 警r ( 3 s ) 其巾，( a ) 为光学系统的辐射投射比； f 为透镜的f 数： ，、为景物温差； a m d 丁为相对背景温度t b 下的光谱辐射出射度对温度的变化率。 如果热成像系统限定在某波长段工作，对大多数光学材料，可以认为 ( a ) = = 常数，则可得到 羔：丁望堡垒r d ( a ) 塑娅d a ( 3 7 ) n 4 j a b 鲥j j 、 o t 由n e t d 定义，当s n = 1 时，得到( n 。为串扫元数) e 仞2 赢再4 f 萍2 q 瓯 ( 3 - 8 ) 这就是热成像系统n e t d 的普遍表达式，一般情况下可按该式通过数值积 3 2 2 探测器驻留时间与基准带宽的关系 在白噪声下 s ( 厂) 一1 ，馘称为噪声标准带宽，o 。 滤波器，从而可得到甑与3 d b 带宽瓯的关系为 瓴= 要，c ， 一般为保持光脉冲信号波形能达到最大值，要求 虬= 1 2 v a 其中乃为探测器驻留时问或等效驻留时间。 则有凝视阵列的。为： b = q 一= 1 ( m n f ) 由于m t f e ( f ) 一般为低通 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 式中，f ，为帧频，m n 为光敏元总数，哎为探测器水平采样间距，u 为等效扫 描速率。 其实，对于凝视这是没有意义的，对于计算噪声等效带宽毫无用处。这里只 红外成像系统的测试j 评价 是为了模型的统一性才列出的。 则4 n 扫描阵列的为： l = v = ( c t ) ( m f )( 3 1 2 ) 故噪声标准带宽与驻留时间的关系为： 轷考2 石2 f v ( 3 1 3 ) 式中，f ，为帧频，m 是光敏元行数，睨是水平方向的视场：a 为扫描探测器的 水平尺寸，u 为扫描尺寸；为水平扫描效率。 3 2 3 扫描系统的扫描效率 扫描系统的扫描效率是有效扫描空间与实际扫描空间之比，因此只有水平扫 描效率存在。 对于高扫描效率的像空间扫描，在反射式扫描方式中，水平扫描通常用转鼓 转动来实现，设转鼓面数为n i l , 则每面镜对应转动为 a 0 ：堡( 3 1 4 ) 门h 扫描空间为2 8 0 。对于实际扫描头水平视场为b ，假定扫描基本匀速，则可 知水平扫描效率为 叩俨旦 ( 3 1 5 ) 叩，2 a 0 p 。1 。， 例如，对于六面转鼓和b 一6 0 0 , r , = 0 5 3 2 4 光子探测器及其背景限的n e t d 对于光子探测器，其光谱探测率可作如下假定： 。c a ，2 。 吉a 7 a 9 ：i 2 3 1 6 ) 在目标背景温差不大的情况下，m 。( 丁) 随温度变化的变化率作近似处理后 可得： 掣一惫圳l ) ( 3 筇三章噪声等效温差与三维噪声模型 考虑到串，并扫情况，可得到 n e t d = 4 f ：q 。九l ； ( 3 1 8 ) a 缸t d n s t o d ( 4 p ) c 2f m ( ) c f a 气 式中，c 2 = 1 4 3 8 8 x 1 0 4 a n k 为第二辐射常数： 疋为背景绝对温度； k , p 为峰值响应波长： d ( ) 为探测器峰值响应的归一化探测率； 能表现理论极限性能的光电探测器的n e t d 表达式是在背景极限条件下得 到的，此时具有冷屏角为q 。探测器的探测率d 二。( ) 与冷屏角等效为玎时的探 测率d 二，户( a ) 之间的关系为 d ：。，( a ) = 2 f 瓜d b i ，( a ) ( 3 1 9 ) 将这些关系应用到n e t d 式中则有： 腰m ：竺型望生蔓： ( 3 2 0 ) 五再。夺瓦d i ，馈p 、c 2l m x ( g ) d x 式中，仇为量子效率； 3 2 5二代n e t d 的改动 这里提出的二代n e t d 不再单指一个探测器，而是整个焦平面的综合。由 于标准的n e t d 只反映时间上的噪声特性，对于整个焦平面来说，为了去掉焦 平面上的空间噪声影响，只有取平均值。 由于各探测器的d ( a ) 不同，此处求得平均d ( 允) 来算n e t d 。当测量n e t d 时，只需用固定温差为r 的目标与背景去探测各探测器，得到不同响应，算出 平均响应i ， n e t d ：a t ( s n 、 ( 3 2 1 ) 红外成像系统的测试0 评价 3 。3三维噪声模型 3 3 1三维噪声描述 我们这里利用三维( 3 一d ) 噪声分析方法来分析二代热成像系统的系统噪声。 三维噪声分析方法把系统噪声分为八个部分，见表1 1 三维噪声分析 用v ( t ，h ) 代表t 帧v 行h 列的输出，包含信号和噪声。 u ，v ，的= s + n t + n 。+ nh + n 。+ n t h + n 。h + n 。h ( 3 2 2 ) s 为观察均匀背景时各单元输出的均值，s 项后的七个噪声项是随时间，空 间的波动，他们之和的均值为0 ，均方根( o - ) 为输出噪声。 j v ，代表只基于不同帧之间差异的噪声，也即只对不同帧输出有贡献，与行， 列无关。m 的均方根为o ，。 j v 代表只基于不同行之间的差异的噪声，只影响不同行输出，与帧，列无 关。的的均方根为口，。 j v 。代表只基于不同列之间的差异的噪声，只影响不同列输出，与帧，行无 关。n 。的的均方根为。 n 。代表基于不同帧和行的差异的噪声，或说随一帧一帧变换时不同行输出 所受的影响，只与行无关，而。却对每帧是固定的，只对不同行的输出有贡献。 n 。的的均方根为d 矿 n 。代表基于不同帧和列的差异的噪声，或说随一帧一帧变换时不同列输出 所受的影响，只与列无关。n 。的的均方根为o r 。a n 。代表只基于不同行列之问的差异噪声，影响不同行列输出，只与帧无关。 j v 。的均方根为盯。 n 。代表基于不同帧，行，列输出的差异的噪声，或说随一帧一帧变换时， 处不同行列的探测元输出所受的影响。 k 的的均方根为吼。 1 6 第兰章噪声等效温差j 三维噪声模型 表1 三维噪声因子描述及嗓声来源 串扫系统并扫系统凝视系统 o m | 綦本探测器噪声基本探测器噪声基本探测器噪声 盯岫 无像元处理探测元不均匀，l f o 1 f 噪声行处理，1 f读出行处理 盯p 无行间不均匀，1 f忽略 u m 无扫描影响忽略 a 无扫描影响忽略 o - r 1 f 噪声帧处理忽略 在实际使用模型中，在模型中将不应用总输出的均方根d ，而只应用其他分 立的三维噪声圆子，原因是焦平面后续的滤波对三个方向上的噪声的作用是不一 样的；模型中，o - m 代替了n e t d ；o - 。，盯o - 。，o - 。，o - 。被用来计算噪声修 _ = 因子，结合盯。，修正m r t d ；旺因其相对于盯。可被忽略，也将不被使用。 划于不同类型的热成像系统，有不同的三维噪声分布，见表2 ： 表2 三种系统的三维噪声 噪声噪声描述 l 噪声来源 盯 时间，空间上随机的噪声基本的探测器时间噪声 盯 时问的行噪声行处理，1 f ，读出噪声 u m 时问性的列噪声扫描影购( 4 n 扫描型) 仃油 随机空间噪声，像素处理，不均匀性 即双向固定图形噪声 1 f 噪声 盯。 固定行噪声探测器问不均匀 指行一行间不均匀 g r h 闯定列噪声，指列列间噪声 扫描( 4 n 扫描型) 盯f 帧帧问噪声 帧处理 ( 总输出的均方根 目前为止，3 - d 噪声因子q j 只有仃。建立了计算模型，其它噪声因子可以参 1 7 红外成像系统的测试lj 评价 照美国n v e o df l i r 9 2 模型给出的缺省值。在热成像系统设计中，可应用这些 缺省值，电可以用下面介绍的测量值。 4 n 扫描型的3 d 噪声因子( 没列出的为0 ) 表3 三维噪声因子 噪声程度低噪声中等噪声高噪声 盯0 2 5 0 。ao 7 5 0 m ,1 0 0 r f m o 。 0 2 5 0 0 7 5 仃“1 0 口“ 凝视型的3 d 噪声因子( 没列出的为0 ) ：盯。= 0 4 0 0 。 2 三维噪声测量分析 假定取l 帧数据，每帧包含m 行n 列个单元，这个行列概念不一定指凝视 的行列，可扩大至扫描时对应的等效行列。测量过程中，总是取探测器的数字输 出口的数据，或是视频输出口经过模数转换后的数据。设每个单元输出为g ( t ，v ，h ) ， t ：1 一上，v ；1 一m ，h ；1 一n 。各噪声因子可大约计算如下。 a 首先计算各个平均值。 l mx n 个单元的输出平均 虱巧而2 志军；车占( r ，v ， 门2 3 夏丽中，g ( t ，v ， ) 上的三条横线意味着将数字输出信号取三个方向的 平均，下面还将出现g ( t ，v ， ) 上有两条横线，一条横线，分别表示取某 个方向，一个方向的平均。 g ( f ，l t ， ) 应是一个常量。 笫h 列固定，l x m 个单元的输出平均 示蓊= 南辜缸， z 。， 得出夏i i 两是一个以列为变量的函数变量。下面的几个函数变量的 意义同理类推。 第y 列固定，x n 个单元的输出平均 面丽5 击善荟g ( t o , v , h t ，) 3 2 5 第三章噪声等效温差1 j 三维噪声模型 第r 帧【直j 定，m n 个单元的输出平均 如 ，v 0 ) - 志善善咖”) 第h 列，v 行固定，l 个单元的输出平均 g ( t ， ) = 手g ( v ， ) 第f 帧，h 列固定，m 个单元的输出平均 g ( ， ) 。吉荟占， ) 第f 帧，v 行固定，n 个单元的输出平均 鬲而2 专善她 b 计算总输出均方差 赢面辜掌粼丽一萧) 菰雨一葫) + ( 蒜丽一丽) g ( t v ，h ) 一g ( f o ，v ，h 【1 ) 一占( fn ，v u ，h ) + g ( f o ，v o ，h o ) l ， g ( t ，v d ，h ) 一g ( f o ，v o ，h ) 一占( f ，v o ，h 1 1 ) + g ( f o ，v o ，h o ) 1 g ( t ，v ，h ”) 一g ( f o ，v ，h o ) 一g o ，v 0 ，h o ) + g ( f o ，v 0h o ) l ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 ，2 9 ) + f g o ，v ，h ) 一占o o ，v ，h ) 一g ( f ，v d ，h ) 一占( f ，v ，h o ) 十g ( f o ，v o ，h ) + 占( r o ，v 0h ) + g ( t ”v ，h o ) 十占( f o ，v o ，j ( 3 3 0 ) 上式中，由于时问，水平方向，垂直方向对总噪声的影响为无交互作用，和 的平方可以写成平方的和，最后可以写成这样的形式： 1，mn 2 1mn 2 0 - 2 2 志军；辜( ) + 志；萃( ) + 3 共七项，对应式3 2 9 的各个平方项。 第一项为0 - ? ，第二项为d ：，第三项为盯：，第四项为盯二，第五项为u ：， 1 9 红外成像系统的测试t j i , i i 价 第六项为盯。2 ，第七项为u 2 。 c 计算个均方根噪声因子 叫志渤丽一萧) 2 2 s z ， 卟f 赢溯丽一萧) 2 1 2 s s ， d v2 l 赢；( g ( r 。，u 6 。) 一g ( f 。，v ”，6 u ) ) i 3 3 3 旷志溯丽一萧) 2 2 s a ， 口一2l 志萃善；( g o 。，q ”“) 一g o 。，v 。，“。) i 3 _ 3 4 r1 lm n ，一一兰兰三三三要苎、l 2 盯* 2 l z 志；摹( g ( 。，“) 一g ( 。，v ，“。) 一占o 。，v 。，“) + 占( “，v 。， 。) l ( 3 3 5 ) l1 lm n ，一一一三三= = = = = = 、l 2 。i 而南莩；车( 烈”- 9 0 0 v ”叩。，十g ( f ”ji ( 3 3 6 ) 1 lm n ，一一苎兰三j = 2 、2 1 2 。一。l i 志军；军( 占。，v ，) 一g ( f 。，6 。) 一g o ，v 。，6 。) + g ( 。，”。 。ji ( 3 t 3 7 ) r1 lmnr 一= = = = = = # 一 仃m = l 志；军；k 嵋 ) 一占( f 0 ，一烈l v ，) 一“f u + “f 0 u ) ，! +丽g(th + 丽g ( t h 一丽g ( t 2 2 3 8 )+ ”v o ，) +o ，v ) 一 o ，v o ，) il ( 3 3 8 ) 若这些噪声均方根用类似于n e t d 的方式来表示时( 以温度单位为单位) ， 它们便可以用以m r t d 的计算。 冲从下而_ n ：抬j 文批曝声翱表示相府的噪声等效温差，单位。 3 3 2 时间，空间上的随机噪声c r 。的计算 根据上丽的分析，d 。是时问 i i j j 上随机的噪声。标准的n e t d 的电路测 笙兰兰堡兰篓塑型茎兰三丝坚至鉴型 量等效带宽不同于盯m 的电路等效带宽，但是可以经由带宽变换推出口。的表达 式。不过，对于凝视阵列来说，t 是没有意义的。一般来说，凝视的n e t d 就 是指盯。 。啦皿鼍= 砜厄瓜p ( a 面0m 。( ) d a ( 3 3 9 ) 凝视型时n ，= l ，扫描型时，= 4 。 a l 为焦平面输出的等效带宽，应该包括焦平面光子积分，电荷读出等焦平 面上的处理对噪声带宽的影响。 埘p 一文 、m t f ( 、啊 t 3 4 0 ) 关于m t f 。，t 扫描阵列 碱m ( 厂) = m 珥。( f ) m 砜，( ，) 肘磁，( f ) m t f ：( 厂) ( 3 ，4 1 ) 7 曩。，是焦平面采样积分传递函数， m t f , ，是c c d 传递函数 肘7 只是焦平面低通滤波传递函数 吖邛：，是焦平面高通滤波传递函数。 凝视阵列 m z 。，( ，) = 肘丁f 。( ，) ( 3 ，4 2 ) m t f , 是由于探测器凝视积分时间而得的传递函数，t 。是凝视积分时间， 这个值不应是每帧h , j - i h j ，尤其是h g c d t e 系统两者的差距更大。 m r f , 。( 厂) = s i n c ( 妒。) ( 3 4 3 ) 更要强调的是，由于盯。是空问时间随机的噪声，若用式( 3 3 8 ) 计算它， 要求d ( 九) 是不包含空间噪声影响的。解决方法是峰值比探测率d ；( a ) 取整个探 测器平面上所有探测器的峰值比探测率d ；( a ) 的平均，这与式( 3 2 0 ) 是一致的。 d ：= d ：( v ， ) ( 3 4 4 ) v , h 表探测器平而上第v 行，h 列的探测元。 红外成像系统的测试j 评价 d ；( a ) 可测量或计算，目前的二代热成像系统的常用背景限噪声来计算d ；( a ) 。 3 3 小结 本章详细叙述了描述热成像系统噪声特性的模型。首先提出了n e t d 和三 维噪声的定义，分析了二代热成像系统的系统噪声特性。指出了n e t d 的局限 性，三维噪声的合理性；然后，又推导了标准n e t d 的表达式，为计算盯。作了 准备；接着着重研究了三维噪声的各个因子的含义和测量方法。最终建立起了完 整有效的噪声模型。 第”q 章最小可分辨温差模型 第四章最小可分辨温差模型 4 1 最小可分辨温差( m r t d ) 4 1 1m r t d 的定义 在热成像系统中，m r t d 是综合评价系统温度分辨力和空间分辨力的主要参 数，它不仅包括了系统特征，也包括了观察者的主观因素，其定义是：对具有某 一空间频率的四个条带( 高宽比为7 ：1 ) 目标的标准黑体图案，由观察者在显 示屏上作无限长时间的观察。当目标与背景之间的温差从零逐渐增大到观察者确 认能分辨( 5 0 的概率) 出四个条带的目标图案为止，此时目标与背景之间的温 差称为该空间的最小可分辨温差。当目标图案的空间频率变化时，相应的可分辨 温差是不同的也即m r t d 是空间频率f 的函数。 4 1 2 = 代热成像系统适用的m r t d 模型的新内容 自从f l i r 9 2 中正式应用3 一d 噪声以来，s n