红外热成像系统调制传递函数（MTF）测试研究.pdf

第 2 7卷 第 4期 2 0 0 6年 7月 应用光学 J o u r n a l o f Ap p l i e d Op t i c s Vo1 27 No 4 J u l y 2 0 0 6 文章编号 1 0 0 2 2 0 8 2 2 0 0 6 0 4 0 3 2 3 0 4 红外热成像系统调制传递 函数 MT F 测试研究 李旭 东 惠渭生 胡铁 力 付 建 明 西 安应 用光学研 究所 西安7 1 0 0 6 5 摘 要 为 了能对 红外 热成像 系统的性 能进 行准 确 的评 价 必 须对其 MTF进行 准确 测试 利 用 高精度双黑体反射靶标评估 系统 并依据刀 口靶测试原理 首先在计算机 中进行微分运算 获得线 扩展 函数 然后再 进行 傅 里叶 变换 最终 获得 MT F 通过 对 C E DI T A 型 热像仪 MTF的测试 和 分析 发 现 MTF的测试 主要 受输入 差 分信 号强 度 脉 冲 电平 的去 除与 否 以及 采 集到 的信 号是 否 滤 波等 因素 的影 响 该 测试 评估 系统 能保证 背景 辐射 的均 匀性 和稳 定性 且 受环境 温度 变化 的影 响极 小 因此 可 大大提 高测 量的 准确 性和 可靠性 关键 词 红 外 热成像 系统 调制 传递 函数 MTF 热像 仪 测试 中图分类号 TN2 1 3 4 文献标志码 A Re s e a r c h o n M TF m e a s u r e m e nt f o r t h e r m a l i m a g i ng s y s t e m s LI Xu d o n g XI W e i s h e n g HU Ti e l i FU J i a n mi n g xi a n I n s t i t u t e o f Ap p l i e d Op t i c s Xi a n 7 1 0 0 6 5 Ch i n a Ab s t r a c t I n o r de r t o a c c u r a t e l y e v a l ua t e t h e pe r f or ma n c e o f a n i nf r a r e d t h e r ma l i ma ge r i t i s n e c e s s a r y t o t e s t i t s mo d u l a t i o n t r a n s f e r f u n c t i o n M TF I n t h i s p a p e r a CEDI T A t h e r ma l i m a gi n g s ys t e m i s me a s ur e d a n d a na l yz e d by t he e q ui p me nt wi t h d u al b l a c kb o dy a n d r e f l e c t i v e t a r ge t s y s t e m The ne w t e s t i ng me t hod ut i l i z e s t he t he or y of e d ge t a r g e t t e s t The e dg e i s d i f f e r e n t i a t e d t o o bt a i n t h e l i n e s p r e a d f unc t i o n a nd Fo ur i e r t r a ns f or me d t o g e t t he M TF I t i s d i s c o v e r e d t ha t t h e pr i ma r y f a c t or s whi c h a f f e c t M TF t e s t a r e t h e s i gn a l i nt e ns i t y f o r t he t e s t i ng s ys t e m i nc i d e nc e i mpu l s e n oi s e s up pr e s s i on a nd a c q ui s i t i on f i l t e r i ng e t c Th e e q ui pme n t c a n ke e p e v e n a nd s t e a dy r a di a t i o n a nd i s n ot a f f e c t e d b y a mbi e nt t e m p e r a t u r e S O t h e a c c ur a c y a nd r e l i a b i l i t y of me a s ur e me n t c a n be i m p r ov e d Ke y wo r d s t h e r ma l i ma g e r mo d u l a t i o n t r a n s f e r f u n c t i o n M TF t h e r ma l i ma g e r me a s l 1 r em ent 引言 红 外成像 系统 的 MTF是 光学 MTF和 电学 MTF之乘积 它不包含任何信号强度 的信息 是系 统精确再现场景 的一个测量值 是系统设计 分析 和规范的基本参数 当和三维噪声参数相结合时 MT F能独立地定义系统特征 如果眼睛的探测阈 值能被精确模拟 那么可用它来计算最小可分辨率 温差 和最 小可探 测 温差 对 于过密 采样 大于采 样 频率 系统 截止频率是MT F接近于零的位置 对 于过疏采样系统来说 截止频率就是能奎斯特频率 采 样频 率 1 2的位 置 由于MTF具有频率独立性 所以可用来描述 系统特性 而最小可分辨率 温差 MR TD 可作 为 一 个单一值来描述系统特征 测试结果 中MTF曲 收稿 日期 2 0 0 5 0 9 2 8 修 回 日期 2 0 0 6 一 O 1 1 2 基金项 目 国防军工计量 九五 技 术基础项 目 作者简介 李旭 东 1 9 7 5 一 男 山西晋城人 博士 主要从事红外辐射计量研究工作 E ma i l L i x d 0 0 8 1 6 3 c o m 维普资讯 3 2 4 应用光学 2 0 0 6 2 7 4 李旭东 等 红外热成像系统调制传递 函数 MT F 测试 研究 线下方的面积通常可作为像质 的一个评价值 所以 系统空间截止频率的微小变化通常并不影响系统 像质 的定义 但 当给 出一条单一 的曲线 时 MTF 可 能就 不是 一个非 常好 的评 价量 也 就是说 对 于 视场 的不同部分和不同方位 MTF可能不同 通 常情况下 垂直和水平方向的MT F并不相同 红外热成像 系统 MT F的测试通常有 3种方法 1 建立在正弦信号和条带 目标响应基础上的直接 法 2 建立在对所测量的线扩展函数傅里叶变换计 算基础上 的间接法 3 由相干激光束或激光散斑法 产生 的杨 氏干涉条纹法 这 3种方法各有 优缺点 正 弦 目标虽然在视觉 上非常有 效 但对 红外系统 来说 正弦 目标不易被生成 人们常用四杆靶来获得 C TF 然 后在数学上 采用一 系列 近似变换 生成正 弦响应 的 MT F 但 C TF并不是对 MTF的代替 而 只是给 出了 一 种方便的测量技术 MTF的第 2种常见测试方法 是通过刀 口靶获得扩展响应函数 E S F 它亦称作边 缘响应 刀 口响应或 台阶响应 使 用刀 口靶 目标有 2 个优点 1 目标 比狭缝做起 来更简单 2 不像狭缝技 术那样需 要对MT F进行修正 刀 口靶先通过微分运 算来 获得 线 扩展 函数 然后再 进行 傅里 叶 变换 得到 MTF 然而对 噪声 限系统来说 微分运 算增 强 了噪 声 这就使合成的MT F含有掺杂 在相干激光束或 由 激光散斑法产生 的杨 氏干涉条纹法 中 由于激光是单 一 波长 因此 结果生成 的MTF不能代表多色MTF 但这种方法对系统 比较分析非常有用 本文采用刀 口 靶 对热成像系统 MTF进行 了测试 l 测试 系统装置 图1为双黑体红外热像仪主要参数校准装置 原理框图 该装置 由标准辐射准直系统 系统控制 与输出系统 待测系统 以及图像数据采集与存储 系统4部分组成 标准辐射准直系统在控制系统的 控制下提供一个标准的差分信号给待测系统 图像 数据采集与存储 系统接收处理来 自待测系统的电 压 信号 并给 出最 终 的测 试结 果 黑 体 温 度 校 准 标 准 辐 射 准直 系 统 黑体2 H 1 反射靶 标准准直器 系统控制与处理计算机 结果输出 系统 控 制 与输 出 系统 待 测 系 统 待 测红外 热 像 仪 图像数据采集 帧存储 高速缓冲存储 显示 监视器 图像数据采集与存储系统 图 1 红外热像仪主要参数校准装置原理框 图 Fi g 1 Th e bl oc k di a gr a m of c a l i br a t i on e qu i pm e n t f o r pr i mar y pa r am e t e r s o f i nf r a r e d i m a gi ng s y s t e m 2 测试 原理 整套测试系统由计算机控制 计算机发送指令 给高精度温控器和靶轮 受温控器控制的目标黑体 和背景黑体产生稳定 的差分信号 丁 经靶标 反射 镜和离轴抛物面镜反射后形成无限远 的温差信号 供待测热成像系统接收 图2为待测热像仪接收到 的刀 口图像 在待测热成像系统 中 标准辐射准直系统提供 的红外入射通量经过光学系统聚焦在探测器上 把 图 2 刀口图像 Fi g 2 I m ag e o f e dg e t ar ge t 维普资讯 应用光学 2 0 0 6 2 7 4 李旭东 等 红外热成像系统调制传递 函数 MTF 测试研究 3 2 5 光信号转换成电信号 经后续 电路放大和处理后 再被显示在监视器上形成一幅灰度 图像 图3给出 了 用 刀 口靶 测试 待 测 系 统 MT F 的数 据 处 理 流 程 图 计算机先采集从待测热像系统传来的电信号 然后差分接收到的刀口信息 再经过计算机的傅里 叶变换以及归一化 最终生成 图中的MTF函数 所 测量的MTF包括从辐射源到计算机的所有子系统 的MTF 其 中傅里 叶变 换用计 算 机完 成 假 定 待测 系统 是 线性 相变换 系统 则 1 丌T F M T F 一 蒂 1 式 中 MT F 为待测热成像系统的调制传递 函数 MT F 一MTF MT F 其 中 MTF 和 MT F 分 别 为待 测 系统 水平 和 垂直 方 向 的调 制传 递 函数 MT F 为测量到 的总调制传递 函数 MTF 为准 直系统 的调制传递函数 MTF 为靶标的调制传 递函数 MTF 为图像采集系统的调制传递函数 如果准直仪孔径 比成像系统孔径更大且焦距 比成 像 系统 焦距 更 长 那 么 可 以忽 略掉准 直 仪 的 MTF 如果靶标 的反射率足够高 且数据采集 电路性能足 够好 那 么靶 标 的MT F和 数据采 集 系统 的MT F也 可以忽略 在测试过程 中 辐射源 靶标 准直仪和 红外成像系统均应放置在隔离振动的光学平 台上 刀 口靶响应曲线 差分 傅里叶变换 图3 刀 口靶测试 MTF数据处理流程图 Fi g 3 Fl ow c h ar t of da t a pr o c e s s i ng f o r t e s t i ng M TF of UUT wi t h e dg e t a r g e t 3 测试 结果 使用刀 口靶测试待测热像系统 MTF时 必须 把输入的差分信号控制在探测器响应的线性区域 为了得到更准确的结果 应对各种输入差分信号的 MT F进 行 测 试 如 果 系统 在线 性 区域 内运 行 那 么 在测量精度范围内MT F依赖于输入信号差分 温 度 表 1为测 试 的环境 条件 图4为探测 器响 应 线性 区域内输入差分信号温度分别为 5 C 1 0 C和 2 0 C时 的 MT F 曲线 表 2为相 应 的测试 数据 从 图 4可 以看 出 当输 入 差 分 信号 温度 较 小 时 噪 声 对 MTF测试结果影响较大 测试 曲线中出现了许 多不规则 的峰值 当输入差分信号温度为 2 0 时 MTF曲线发生了变形 即信号输 入接近探测器 的 饱和响应 因此 对待测热像仪进行测试时 输入差 分信号温度值应选取合适 输入差分信号温度通常 在探 测 器线性 响应 区 的中部取 值 表 1 MT F的测试条件 Tab l e 1 Te s t i ng c o ndi t i on s o f M TF 室温 相对湿 是否去除 是否 差分信号 透 帧 C 度 靶 标 墓 亚 脉 冲 电 平 滤 波 输 入 值 C 均 2 0 6 1 半月靶 否 否 5 1 O 2 O 0 9 7 7 空间频率 c y c mr a d 图 4 MTF测 试 曲 线 Fi g 4 Te s t i n g c u r v e o f M TF 表 2 MT F的测试数据 Ta bl e 2 Te s t i n g d a t a of M TF 维普资讯 3 2 6 应用光学 2 0 0 6 2 7 4 李旭东 等 红外热成像 系统调制传递 函数 MT F 测试研究 之评估系统受其本身测试精度和环境变化等的影 响 因此造 成 MTF波动 的原 因很 多 当MT F 的测 试 结 果 出现波 动时 有时 并不 能对 造成 波动 的可 能 因素做出准确 的评价 为此 作者在前人工作的基 础上 总结 出所 测热 成像 系统MT F可 能产生 波动 的 原因 1 待测热像仪 的聚焦不理想 2 输入差分 信号在探测器 的线性 响应区之外 3 黑体温度或 环境温度在测试期 间发生了变化 4 振幅没有被 合适归一化 5 频率因子不太精确 等 参考文献 1 李旭东 胡铁力 岳 文龙 等 红外热成像 系统 S i TF测 试研究 J 应用 光学 2 0 0 5 2 6 5 2 1 2 4 E 2 Ho l s t G C T e s t i n g a n d e v a l u a t i o n o f i n f r a r e d i ma g i n g s y s t e ms E M 2 n d e d B e l l i n g h a m WA S P I E Op t i c al Eng i ne er i n g Pr e s s 1 9 9 8 3 Ho l s t G C E l e c t r o o p t i c a l i ma g i n g s y s t e m p e r f o r m a n c e E M3 2 n d e d B e l l i n g h a m WA S P I E Op t i c a l Engi ne e r i n g Pr e s s 20 00 E 4 3 I R WI N A GA UL TN E Y P wH I TE S e t a 1 D i s c u s s i o n o f I R t e s t i n g u s i n g I R wi n d o ws 2 0 0 1 E E B OL 2 0 0 2 0 4 0 9 h t t p ww w s b i r c o rn t ee h i n f o ht m 飞机 自保护安全 系统 据英国 防务新 闻 2 0 0 6年4月 2 0日报道 雷声公司综合防务系统 I D S 部最近向美 国空军交付了飞 机 自保护