红外技术第十七次课.doc

红外技术教案 第 7页 共 7页第十七次课第五章 热成像系统5.8 热成像系统性能的综合量度对热成像系统来说，系统性能的综合量度是温度分辨率。描述温度分辨率的参数有三种，即噪声等效温差(NETD)、最小可分辨温差(MRTD)和最小可探测温差(MDTD)。下面分别作一讨论。5.8.1 噪声等效温差（NETD）一、NETD的定义用热成像系统观察标准试验图案，图案上的目标与背景之间能使基准化电路输出端产生峰值信号与均方根噪声之比为1时的温差，称为噪声等效温差NETD。NETD是表征热成像系统受客观信噪比限制的温度分辨率的一种量度。用来测量NETD的标准试验图案上图所示。目标与背景均为黑体，目标宽度为热像仪分辨元的数倍，。为了标准化和便于系统间进行比较起见，在系统电路上外接一个作通频带校正用的电滤波器，使全部电路(包括外接电滤波器)的总传递函数为基准化电路的传递函数。二、NETD的表达式NETD是按下式计算： （5-166）式中，是基准电路输出的噪声的均方根值，是目标与背景之间温差为时基准电路输出端目标信号与背景信号之差。（一）单元光机扫描方式的NETD推导过程是，先求出热像仪分辨元接收到的辐射功率，再求出由于目标与背景温差引起的接收功率的差异，继而求得信号电压的变化量及信噪比，最后由式(5-166)得到NETD。推导可得式中，、为探测器尺寸；是基准化电路的噪声等效带宽；、为瞬时视场角；为光学系统平均透过率；为探测器峰值响应度；为峰值响应频率；（二）其他扫描方式的NETD1）、对于多元串扫方式，由于个元件的信号线性相加，而噪声的均方根值只增大倍，则信噪比相对单元探测器提高到倍，即2）、对于多元并扫方式，其NETD与单元扫描NETD的差别在于表达式中的具体结果有所不同。在白噪声时，多元并扫并行传送方式的比单元扫描方式多乘因子；多元并扫多路转换方式的比单元扫描方式多乘因子。3）、凝视方式与单元方式有相同的。综上所述，在帧速相同的条件下，串扫及并扫并行传输方式比单元扫描时降低了NETD，其原因分别在于提高了信噪比或减小了带宽，并扫多路转换方式使NETD增大为倍，由此换取了高的信息速率。（三）NETD与系统性能参数的关系在其他参数确定时，NETD可写为帧频及瞬时视场角是表征一个热成像系统性能的三个主要特征参数，分别反映了系统的温度分辨率、信息率及空间分辨率。易见，这三个特征参数在性能要求上是相互矛盾的，即存在制约关系，比如要减小NETD，就要牺牲空间分辨率降低信息率。（四）NETD的局限性NETD作为系统性能的综合量度有一些不足之处： 1)、NETD的测量点是在基准化电路的输出端。由于从电路输出端到终端图像之间还有其他子系统(如显示器)，因而NETD并不能表征整个系统的性能。 2)、NETD反映的是客观信噪比限制的温度分辨率，但人眼对图象的分辨效果与视在信噪比有关。NETD并没有考虑视觉特性的影响。 3)、单纯追求低的NETD值并不意味着一定有好的系统性能。例如，增大工作波段的宽度，显然会使NETD减小。但在实际应用场合，可能会由于所接收的日光反射成分的增加，使系统测出的温度与真实温度的差异增大。表明NETD公式未能保证与系统实际性能的一致性。 4)、NETD反映的是系统对低频景物(均匀大目标)的温度分辨率，不能表征系统用于观测较高空间额率景物时的温度分辨性能。 因此，NETD作为系统性能的综合量度是有局限性的。但是NETD这个量概念明确，测量容易，目前仍在广泛采用。尤其在系统设计阶段，采用NETD作为对系统诸参数进行选择的权衡标淮是有用的。5.8.2 最小可分辨温差（MRTD）一、MRTD的概念MRTD是一个作为景物空间频率函数的表征系统受视在信噪比限制的温度分辨率的量度。 MRTD的测试图案如下图所示。目标为四条带图案，高度为宽度的7倍，目标与背景均为黑体。由成像系统对某一组四条带图案成像，调节相对的温差，从零逐渐增大，直到在显示屏上刚能分辨出条带图案为止。此时的温差就是在该组目标基本空间频率下的最小可分辨温差。分别对不同基频的条带图案重复上述测量过程，可得到MRTD()曲线。二、MRTD的表达式推导MRTD的作法是根据图案持点及视觉特性，将客观信噪比修正成视在信噪比，从而得到与图案测试频率有关的在极限视在信噪比下的温差值，即MRTD。对均匀大目标图案，有即对测量信噪比进行修正，得到视在信噪比为式中，为修正因子，其中包含了成像系统MTF的条带基频修正、人眼空时积分效应修正等。推导得到人眼对条带图案进行分辨的效果与视在信噪比有关。温差愈小，信号及视在信噪比也愈小。当视在信噪比低到某极限值时的即为MRTD。极限视在信噪比与分辨概率有关。研究和实验提供的数据是：当要求分辨概率不低于50时，需视在信噪比大于2.25，当要求分辨概率高于90时，需视在信噪比大于4.5。令极限视在信噪比为是所要求满足的分辨概率值。由此，即得到MRTD为当系统的诸设计参数已确定时，MRTD仅是图案中的目标基频的函数，可写作是比例系数。下图是典型的MRTD()曲线。 MRTD的有用之处在于：MRTD综合描述了在噪声中成像时对目标的空间及温度分辨能力。MRTD存在的问题主要是；它是一种带有主观成分的量度，测试结果会因人而异。另外，未考虑眼睛的调制传递函数对信号的衰减也是其不足之处。5.8.3 最小可探测温差（MDTD） 最小可探测温差MDTD是将NETD与MRTD的概念在某些方面作了取舍后而得出的。具体地说，MDTD仍是采用MRTD的观测方式，由在显示屏上刚能分辨出目标时所需的目标对背景的温差来定义。但MDTD采用的标准图案是位于均匀背景中的单个方形目标，其尺寸W可调变，这是对NETD与MRTD的标准图案特点的一种综合。推导MDTD的步骤与MRTD类似，仍是由考虑了目标图案及视觉效应后，从对测量信噪比作修正入手来导出的。修正包括系统高频衰减修正以及人眼空间、时间积分修正，最终的结果是式中，是目标经系统所成的像的相对平均值。MDTD在应用上的不便之处在于：要准确地求出方块目标经系统所成的像的相对平均值是困难的。当方块目标尺寸W比探测器