红外热像仪的噪声分析

1、第37卷,增刊 红外与激光工程 2008年6月 V ol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Jun. 2008收稿日期:2008-05-14作者简介:李相民(1964-,辽宁北票人,教授,主要从事光电测量方面的研究工作Email: li_xiangmin红外热像仪的噪声分析李相民,倪国强(北京理工大学 信息科学与技术学院,北京 100081摘要:为了深入理解红外热像仪的噪声特性并且应用到实际测量中,对红外热像仪的噪声进行了分类;分别对热像仪的各种噪声分量的产生和影响进行了深入分析;并重点分析了3维噪声模型、单一参数方法和4参数模型,给出了

2、这几种模型的优缺点;最后指出在实际测量红外热像仪的噪声特性应该采用四参数模型,并给出了一个测量实例。关键词:噪声模型; 等效噪声温差; 热像仪测量中图分类号:TN214 文献标识码:A 文章编号:1007-2276(2008增(红外-0523-04Noise analysis of infrared camerasLI Xiang-min, NI Guo-qiang(College of Information Science & Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, ChinaAbstract: In

3、 order to understand the noise characteristics of infrared camera and apply it to the measurement, the noise was classified. Each noise component and its effect were analyzed with emphasis on 3D model, single parameter method and four parameter approaches. Finally the four parameter approach could b

4、e applied to the test of infrared cameras.Key words: Noise model; NETD; Infrared camera measurement0 引 言噪声特性是衡量红外热像仪的一个非常重要的技术指标。在不同的文献中对噪声的定义也是不同的。这就导致了人们对同一热像仪的噪声特性具有不同的理解。为了在实际测量中更好地给出噪声的值, 这里详细地分析了噪声的类型,噪声的来源,分析方法。最后指出在实际应用时该采用哪种方法。1 红外热像仪的噪声分类红外热像仪的噪声可以极大地降低图像的质量和限制对低对比度目标的探测能力。噪声特性是红外热像仪最重要的性能

5、指标之一。热像仪的噪声可以分为两大类:时间噪声和空间噪声。时间噪声是指热像仪在观察一个均与靶标时探测器的像素信号随时间的变化。对于扫描时红外热像仪,这是指在单一线上的像素输出信号的变化;而对于凝视焦平面阵列红外热像仪,则是指帧与帧间像素输出信号的变化。空间噪声是指在观察一个均匀靶标时不同的像素输出信号之间的差别。空间噪声对不同的帧是一致的。这两类噪声都有他们的噪声功率谱密度(NPSD 。 噪声是十分复杂和难以理解的一个特性。通常文献中给出3种不同噪声分析方法来表征红外热像仪的噪声特性1-3。(1三维噪声模型:噪声被分为8个分量 (2单一参数方法:噪声等效温差(NETD (34参数方法:低频时间

6、噪声(1/f 噪声,高频时间噪声(NETD ,低频空间噪声(非均匀性,non-uniformity 和高频空间噪声(FPN 。524 红外与激光工程:红外成像系统仿真、测试与评价技术第37卷2 三维噪声模型三维噪声模型是基于D i方向均化微分算符的概念。D i是表示噪声的第i个分量。这些数学算符可以从噪声数据组中求出8个噪声分量的微分。 这些算符求出在由算符下标给出的方向上数据的平均。假定被测红外热像仪产生的一图像序列,那么采集的数据可以排列成三维矩阵N TVH,见图1。这里T 表示时间或帧序列,H和V表示空间信息。对于凝视焦平面系统,则用m和n是像素的位置;岁月扫描系统,m是指像素的位置,n

7、是指时间或数字化模拟信号中的采样序数。表1中给出了每个噪声分量的说明。图1 三维噪声模型Fig.1 3D noise model表1 三维噪声模型的噪声分量Tab.1 Noise components of 3D noise modelNo. 3D components Number of elements Comments Information1 S VTH m×n×N Random 3D noise2 S VH m×n Each pixel is averaged over N frames 2D spatial noise3 S HT n×N E

8、ach column is averaged over m frames Temporal column noise: variations of mean columnbrightness with time4 S VT m×N Each row is averaged over n pixels Temporal row noise: variations of mean rowbrightness with time5 S V m Each row is averaged over n pixels and N frames Temporal row noise: variat

9、ions of mean row brightness that do not depend on time6 S H n Each column is averaged over m pixels and N frames Temporal column noise: variations of mean column brightness that do not depend on time7 S V N Each frame is averaged over m×n pixels Frame to frame brightness variation(flicker8 S 1

10、Each frame is averaged over m×n pixels and N frames Average brightness of the frames in the sequence把噪声三维阵列转换成二维或一维阵列就可以计算噪声分量。利用噪声三维模型分析被测量的红外热像仪的输出的图像序列是可能得到噪声现象的本质信息。因而红外热像仪生产厂家经常使用这个模型。另一个方面,由于三维模型采用许多参数表征噪声特性,使用起来很复杂,因而热像仪的使用者很少采用三维模型进行分析。而热像仪生产厂家也很少给出三维噪声模型的参数。下面对热像仪使用者经常使用的噪声参数进行分析。3 单一参

11、数方法如果注意热像仪生产厂家提供的参数就会发现通常采用“热灵敏度”、“热分辨率”、“温度分辨率”或“等效噪声温差NETD”来表征红外热像仪的噪声特性。具有不同名称的这些参数通常指的是噪声等效温差,问题是文献中对NETD有不同的定义和测量技术。根据传统定义,NETD定义为在输出的电子信号通道的适当点上能够产生一个峰值信号和均方根噪声比为一时,需要的靶标和背景黑体的温差。这个定义是当所有的热像仪都是扫描式热像仪时引入的。尽管这个定义没有清楚地说明NETD仅仅是沿视频线高频时间噪声的一个度量,见图2。在进行NETD测量前修正了低频噪声,如图3所示。增刊李相民等:红外热像仪的噪声分析 525 图2 视

12、频线的信号分布 Fig.2 Signal profile of a video line 图3 经过低频修正后代视频线的信号分布 Fig.3 Signal profile of a video line after low frequencytrends correctionNETD 可以由如下公式(1计算:NETD = V n SiTF (1式中:V n 为信号线噪声的均方根值;SiTF 为被测热像仪的信号传递函数。V n 可以表示成不同的信号单位:数字灰度值或电压等。然而,只要信号传递函数SiTF 表示成同样单位的比值除以温度K ,那么NETD 的单位就是K 。 如前所述,对于扫描式热像仪

13、如果采用NETD作为噪声的度量则情况相对简单,NETD 就是信号线高频时间噪声的量。而对于阵列焦平面热像仪则情况十分复杂,有不同的NETD 定义方法。NETD 仍然可以定义为能够产生一个峰值信号和均方根噪声比为一时需要的靶标和背景黑体的温差。通常利用均匀目标的产生的一图像序列来计算NETD 。然而这个定义的不同取决于计算均方根噪声的方法。可以采用不同的方法计算NETD 。首先,可以计算单一像素的在不同图像上的标准偏差作为NETD 。这时NETD 则仅仅是时间噪声。第二,可以计算一组像素的信号在时间和空间上的标准偏差作为均方根噪声。这时NETD 就是总噪声(包括时间和空间噪声分量。以上两种方法可

14、以带有或不带有低频趋向修正。也就是说取决于是否有低频修正,NETD 可以仅仅是高频噪声的特性的表示或整个全谱段噪声的表示。简单地说,只有当准确地知道噪声是如何测量得到的,那么NETD 才可以作为噪声现象的一个有意义的度量,否则会产生误解。采用不同的计算方法得到的NETD 的值是不同的。采用第一种方法得到的NETD 值可能几倍的低于第二种方法计算的结果。对于非制冷热像仪这个情况是十分清楚的,因为它的总噪声是时间噪声的几倍。4 4参数方法实际上噪声现象过于复杂,所以不能仅仅采用单一参数比如NETD 来精确地表征。尽管我们准确地定义了是如何计算得到NETD 的。但是从这个单一值能够得到的噪声信息仍然

15、十分有限。比如两个相机可能有相同的NETD 值,但很容易观察到两者图像噪声的不同。 另一方面,前面提到采用三维噪声模型的8个分量可以精确地描述热像仪的噪声特性。但是对于大多数人使用时又过于专业和复杂。因此采用4参数法是一个最佳的选择。4参数法是基于假定由红外热像仪产生的图像噪声可以分成两组:时间噪声和空间噪声。另外每组的噪声又可以进一步分为低频噪声和高频噪声分量。图4 4参数噪声分类 Fig.4 Types of noise时间噪声是指即使在目标辐射不随时间变化的情况下像素信号强度在时间上的变化。空间噪声是指在均匀目标辐射充满整个红外热像仪视场的情况下像素信号强度在空间上的变化。 低频噪声是像

16、素的信号强度随时间的缓慢变化。这个噪声分量产生的影响称之为1/f 噪声。如果在较长的时间间隔采集并比较图像,就能看出1/f 噪声。图5给出了一组像素的图像。第二和第三幅图像与第一副图像相比可以明显看出会暗一些和亮一些。526 红外与激光工程:红外成像系统仿真、测试与评价技术第37卷 图5 在较长的时间间隔采集的均匀目标的图像Fig.5Images of uniform target captured at long intervals 高频时间噪声是指像素强度随时间的快速变化。如果参照对于老的扫描红外热像仪的NETD 的原始解释,NETD 被认为是总体噪声中高频时间分量的一个度量。在高频分量比

17、较重要的情况下,如果采集连续的几幅图像并比较,就能够观察到。从图6可知,尽管这些图像是相邻的图像并且采集的相隔时间很短(对NTSC 制系统1/60 s ,对PAL 制系统1/50 s,像素的强度与帧有关。 图6 由高频时间噪声为主的红外热像仪产生的均匀目标 的连续图像Fig.6 Three neighbour images of uniform target generatedby a thermal camera of dominant high frequency temporal noise低频空间噪声是指热像仪的像素信号强度在空间上的缓慢变化。这个噪声分量产生的影响称之为非均匀性。如图

18、7,在非均匀性比较重要的情况下采集几幅连续的图像并比较就可以观察到非均匀性的影响。可能在每幅图像中都能观察到非均匀性的影响,并且它并不依赖帧数。 图7在低频空间噪声为主的热像仪产生的均匀目标的连续图像Fig.7Three neighbour images of uniform target generatedby a thermal camera of dominant low frequencyspatial noise高频空间噪声是指像素信号强度随时间的快速变化。这个噪声分量产生的影响称之为固定模式噪声(FPN。如图8,在FPN 为主要噪声的情况下采集几幅连续的图像并比较就可以观察到FPN

19、 的影响。可能在每幅图像中都能观察到FPN 的影响,并且它并不依赖帧数。图8 在高频空间噪声为主的热像仪产生的均匀目标的连续图像Fig.8 Three neighbour images of uniform target generated by a thermal camera of dominant high frequency spatial noise根据以上定义,可以应用于红外热像仪的测量中。表2给出了不同类型红外热像仪的典型测量结果。表2 红外热像仪的典型测量结果Tab.2 Examples of measurement results of noise components of different thermal imagersImager type NETD /1/f /FPN /NU /Cooled scanning 0