浅析热成像系统噪声等效温差.doc

浅析热成像系统噪声等效温差测试朱海龙 马永龙(驻宜昌地区军代室，宜昌443005)摘 要：本文阐述了目前国内外热成像整机测试系统中常用的NETD 测试原理及方法。重点针对积分时间、增益设置、背景温度、图像增强、伽马矫正、高频滤波等几个常见的参数设置及非线性处理方式对NETD 测试结果的影响，提出了相应的测试说明及解决方案，为正确测试噪声等效温差提供了重要的参考依据。关键词：红外探测；噪声等效温差；测试 中图分类号：TN216文献识别码：A文章编号：Development Analysis of Infrared Detection TechnologyZHU Hai-long MA Yong-long（EO Systems Office of PLA in Yichan Area, Wuhan 430073）Abstract: This paper introduced the history and generation standard of infrared detection technology for AAM, then the technology features of infrared detection were analyzed. This paper believed that inter-generational change of infrared detection technology is arising as the significant progress of infrared detector, and its direct power is meeting the military needs. This paper summarized the development tendency of infrared detection technology for Guidance weapon, and predicted future infrared detection technology will be along the high-performance, low cost and miniaturized direction.Keywords: Infrared Detection technology; Infrared detector; PGM; Development analysis作者简介： 1引言在噪声等效温差实际测试中，各种参数的设置会对NETD的测试结果产生较大的影响，尤其是第二代热成像系统，信号处理和焦平面响应的不均匀性以及各种图像处理技术的应用，使系统噪声变得更加复杂，并且以各自的方式影响着NETD的测试结果。红外热成像系统的完整特性测试包括测量信号传递函数（SiTF）、分辨率、狭缝响应函数（SRF）、噪声等效温差（NETD）、调制传递函数（MTF）和最小可分辨温差（MRTD）。其中NETD 与MRTD是目前热成像系统最常用也是最主要的性能评估参数，NETD 是热成像系统灵敏度的重要客观评价指标，可用于预测小温差点目标的探测距离，从而实现技术指标向战术指标的转化， MRTD 是热成像系统灵敏度和分辨率的主观评价标准。由于MRTD 测试由人眼观察监视器上的四杆靶完成，测试过程中易受测试人主观因素的影响，必须由经过专业训练的多名人员进行， 因而作为客观测试参数的NETD 更受到认可。但是，随着热成像系统中各种视频图像处理方法的发展及引入，同一热成像系统在NETD 测试中除受传统的环境、测试系统误差、不同噪声对应的NETD定义的影响外，还与被测热成像系统自身输出的信号有关。在实际测试中，即使同一次NETD 测试，如果不考虑相关参数设置及图像处理的非线性影响，都可能获得不同的测试结果，从而给NETD 测试带来较大的不确定性，导致测试结果与系统实际性能的判定产生较大偏差。2 NETD 的测试原理及方法NETD 是系统观察试验图案时，基准电子滤波器输出端产生的峰值信号与噪声均方根比为1 时试验图形上黑体目标与背景的温差。根据定义，NETD 的测试方程为： (1) 或 (2)式中：为热成像系统入瞳处目标与背景的表观温差； 为对应于的电压信号变化量； 为噪声均方根；SiTF 为信号传递函数。2.1关于辐射度与T概念对于红外热成像系统，可近似为线性系统，实际响应的信号是目标和其背景间的辐射出射度差，并产生成正比的输出电压差信号，假定为朗伯辐射源和没有遮挡的圆形孔径，输出电压差为： （3）其中G为电子放大器增益；为探测器光谱响应；为目标和背景之间光谱辐射出射度差，等于,分别为目标温度和背景温度；为光学成像系统F数，为大气光谱透过率，为准直仪光谱透过率，为系统光谱透过率。对于微小输入信号，并取平均透过率，则（1）式可近似为： （4）上式中用 表示微小辐射出射度， 引入 概念后上式化为 (5)式中，由（3）（4）式可推知为入射波长与背景温度的函数，因此，所有用作为输入的测量都受背景温度的影响。2.2关于信号传递函数SiTF对于多数系统而言，电子线路与探测器相比动态范围是有限的，其输出信号是以某均值为中心，以动态范围临界响应饱和点为边界的响应度函数(Responsivityfunction)的线性部分（斜率），即信号传递函数SiTF（如图1）。它可以准确反映出红外热成像系统的增益及电平对系统的视频图像的控制作用。信号传递函数是评价红外热像仪性能的最基本且最关键的技术指标之一，也是评价热像成像系统性能的一个客观参数。对于扫描直流耦合系统和凝视型系统来说，暗电流(或基底噪声)限制了最小可探测信号，饱和度则限制了最大可探测信号，动态范围定义为最大可测量信号与最小可测量信号之比，而最小可测量信号通常取NETD。根据公式（2）可知要准确测量NETD必须准确测量SiTF, 目前，国内使用的热成像系统整机测试设备主要为美国SBIR、Optikos、EOI 公司， 法国HGH 公司，以色列CI 公司的测试产品，上述公司测试产品测试NETD 时，比较准确且常用的测输出输入（）最大线性输入范围图1 描述的响应度函数 试SiTF的方法为通过测量N组（，）数据，应用最小二乘法拟合测得，如下公式所示： （6）2.3关于噪声均方根2.3.1 3D噪声模型红外热成像系统测试过程的噪声分析及处理，通常采用较成熟的三维噪声分析法，即3D噪声模型。该模型根据各类噪声的起源、特性及影响将系统复杂的噪声分解为一个与三维坐标系的时间和空间有关的8个分量集，有效的简化了对复杂噪声现象的理解，进一步增强了系统噪声的可测量性、可排除性。同时该模型还把噪声等效温差、固定图案噪声和非均匀性通过两个噪声分量有机地结合在一起，即时间噪声分量（随机3D噪声）和不随信号帧与帧变化的空间噪声分量 ,两个噪声分量又能进一步分成高频和低频分量，在几类常见的红外系统中的表现形式见下表：表一 噪声等效温差、固定图案噪声和非均匀性3D噪声分量频率分量串扫描并扫描凝视阵列高频NETDNETDNETD低频噪声噪声噪声高频-固定图案噪声低频非均匀性非均匀性非均匀性如表中所示，NETD主要针对高频时间噪声，而低频时间噪声就是 噪声。高频空间噪声是固定图案噪声，低频空间噪声是非均匀性。观察者同时看到空间和时间噪声的影响。低频分量表现为监视器上出现条带或监视器上的亮度变化，它影响系统对低空间频率目标的最小可分辨温度。高频分量能显著地影响系统分辨微小细节的能力。结合上述分析，NETD的计算公式可变为： （7）为高频时间噪声分量均方根。2.3.2 噪声均方根的测试根据RS-170标准视频格式，低频噪声定义为低于150kHz的噪声，而高于150kHz的噪声定义为高频噪声。噪声均方根的测试系统中所用的高通滤波器即为150kHz带通滤波器，用于从高频信号中消除低频分量，亦称作趋势消除。具体的试验布局如下图所示：N帧平均大黑体源（充满视场）红外成像系统150kHz高通滤波器 计算机 模拟 帧捕捉器 视频 + 计算高频 图2 噪声均方根测试布局图使红外成像系统观察一个大的均匀的黑体辐射源（必须充满系统的整个视场），在模拟视频或监视器的输出端接入高通滤波器首先消除低频噪声分量，再通过帧捕捉器消除高频空间噪声即固定图案噪声以获得与NETD相关高频时间噪声分量，并取N个分量数据构成数据集计算标准偏差,可多次测量并取作为NETD的计算参数。（帧捕捉器原理：捕捉N帧视频信号并进行平均以最大限度的消除时间噪声分量，而空间噪声分量不变，再用某一帧信号减去这个平均后的信号就得到时间噪声分量信号。）3 传统参数设置对NETD 测试的影响噪声等效温差在测试过程中会有各种参数的设置，在利用三维噪声模型对系统的噪声进行评价时可以发现，随着各类参数设置的不同，噪声的测量结果呈现不同的变化。每种参数的设置都有可能对测试结果产生影响。对于一个特定的系统而言，其F数是确定的，因此不需要讨论。可改变的参数主要有积分时间、增益、背景温度等。3.1积分时间设置的影响积分时间是指红外焦平面成像系统探测器像元积累辐射信号产生电荷的时间。对于凝视型热成像系统，有很多性能及参数与积分时间有关，如系统的输出电压、噪声、动态范围及实时性等。其中，输出电压与积分时间成正比例关系，由公式（5）可推知SiTF与积分时间亦成正比例关系。系统噪声亦随着积分时间增大而增大，但实践证明并不成正比例关系。综上，由公式（2）可知，NETD随着积分时间的增大而减小。但积分时间的增大会影响系统采集和输出图像的速率即系统的实时性，所以，必须在保证系统实际使用性能及战术技术指标要求的同时，尽可能大的调整积分时间。3.2增益设置的影响在红外系统中，红外输入信号的变化范围很宽，红外接收装置的输入信号的大小随各种条件的改变而有很大的差异，最大输入信号与最小输入信号之间有时相差几十分贝。显然，在接收微弱信号时，要求放大器有较高的增益，在接收强信号时，要求放大器不至于堵塞或饱和。因此要求放大器能够改变增益，一般的热成像系统增益有手动和自动两档。自动增益确保输出信号值都在系统的动态范围之内，而背景强度、目标强度或者目标的位置都有可能影响自动增益的变化。理想状况下，所有的测量时增益都应该被固定。根据增益的定义，系统的噪声和信号传递函数都与增益成正比例关系，因此增益的改变并不影响噪声等效温差的测量结果，但是在进行噪声等效温差测量时，一般将增益放到最大值，这是因为如果增益设置过低，数值过低的噪声将不能被采样出来，这时的测量结果将会受到影响。3.3背景温度的影响背景温度指的是测试过程中环境温度值。前述引入概念时已分析，用于替代并表示朗伯辐射源目标微小的辐射出射度差，任何以作为输入的测量都受背景温度的影响，由公式（5）可知SiTF亦受背景温度影响。根据普朗克辐射定律，我们以红外黑体辐射为例，对普朗克辐射公式在波长35m进行积分，黑体温度在从260400 K，其辐射出射度变化如图3所示，从图中可以看出，黑体的辐出度随着温度的上升而上升，其变化率逐渐增大。因此，由公式（5）可知，随着背景温度的增大，同样的温度变化量会产生更大的辐射出射度差，通过红外系统的接收后亦会产生更大的输出信号,信号传递函也会由此增大，而噪声均方根经实验验证在较大温度范围变化不大。所以，由公式（2）或（7）可知，在辐射波长固定的情况下噪声等效温差会随背景温度的增大而减小。因此，NETD指标及测量结果的典型表述如下例:背景温度为23时，NETD不大于0.1或100mk；背景温度为23时，NETD测量结果为0.08或80mk。如果在另一背景温度下进行测量，必须加一个校正系数（与具体系统有关），否则测量结果就会产生偏差。4 图像处理对NETD 测试的影响随着红外技术及器件的不断发展，各种先进的图像处理技术已被逐步应用到红外视频图像后端处理过程当中，其中，图像增强的加入尽管加强了画面的颗粒感，但锐化和强化了远距离目标、小目标的观察细节；伽马矫正的引入，能够针对观察人员感兴趣的灰度细节进行调整，突出观察目标；高频滤波可以提升图像观看的视觉效果。上述图像处理的引入在提升产品性能的同时， 由于处理算法中对于图像信号的非线性处理，导致了NETD 测试出现较大的测量偏差。4.1 图像增强的影响在实际NETD 的测试中，有时会出现测试结果与要求值差别较大， 同时图像画面颗粒感较重的现象。此时， 设计人员会告知在设计中采用了图像增强算法。表二 是对某型中波凝视热成像系统的NETD 测试数据，表中数据说明：图像增强并不影响信号传递函数测试，但是，明显增大了高频时间噪声分量（随机3D噪声）的测试值，从而引起NETD 的巨大变化， 前后NETD测试值相差超过1 倍。因此，首先应要求设计人员关闭图像增强功能，如果该功能无法关闭，考虑到在MRTD 测试中，加入图像增强的热成像系统指标测试比未加入前提升了15%左右，观看实际景物时，观察人员一致认为加入图像增强功能后图像效果更佳。因此，在加入图像增强的热成像系统中，应该慎用NETD 值作为评价标准。表二 图像增强对NETD测试值的影响SiTFNETD图像增强148.76.6945关闭图像增强147.62.95204.2 伽马矫正的影响伽马矫正对图像信号的影响原理为，当 1时(=1 时为线性，此为 归一化以后的值)，增加相同的温差，较低灰度级的信号放大倍数大于较高灰度级信号；而当 1 时，较低灰度级的信号放大倍数小于较高灰度级信号。因此，采用伽马校正的处理电路如果调解设置不恰当，将导致信号传递函数的非线性影响，即较低的输入信号可能获得相对较高的输出信号或较高的输入信号可能获得相对较低的输出信号，从而导致NETD 测试的不确定性。因此，在上述情况下应要求设计人员将伽马矫正调整至线性状态，使信号传递函数有一个较好的线性曲线以获取正确的NETD 测试结果。4.3 高频滤波的影响目前，很多红外探测器特别是非制冷焦平面探测器的后端图像处理中加入了高频滤波，从前面的测试原理（2.3.2）分析中可知，高频滤波能有效的减小用于表征NETD大小的高频时间噪声分量（3D随机噪声分量的高频部分），从而使该类器件在实际测试中测得的NETD 值优于探测器芯片的出厂值，但在高频滤波滤掉高频时间噪声分量的同时，也滤掉了有用视频信号的高频部分，导致视频信号带宽减小，而视频信号的高频信号部分正是能显著影响系统分辨微小细节能力的信号带宽，因此，此种情况下应慎用NETD 作为性能评价参数，设计人员也应综合考虑滤波对系统性能的影响。在实际使用及测试中， 应综合NETD 与MRTD 的测试结果并结合外场实测效果以评价器件性能及确定使用方案。5结论NETD 作为表征热成像系统的重要参数，在测试过程中受众多因素影响，文中重点阐述了NETD测试原理及方法，分析了几种参数设置及图像处理对测试结果的影响，为获得准确的NETD 测量结果提供了有效手段。文中仅提及了几种常见参数设置及图像处理算法对NETD测试的影响，在实际测试中应针对不同测试情况进行分析，对于信号传递函数、NETD、噪声测试异常的情况应进行详细分析，并根据系统自身特性制定适合的测试方法与评估标准。参考文献：1 R. 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