紅外焦平面熱成像儀參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

3 熱成像測(cè)試儀的發(fā)展現(xiàn)狀 做熱成像測(cè)試儀的主要廠商有美國(guó)的SBIR 公司和EOI公司、波蘭的Inframat公司、cI— Systems公司的Electro Optics分部等。
3．1 SBIR 的STC 系列 該公司在紅外、可見(jiàn)光、激光參數(shù)測(cè)試方面 做得很出色，處于世界領(lǐng)先水平。其產(chǎn)品包括黑 體、平行光管、目標(biāo)盤(pán)、控溫儀、測(cè)試軟件等一整 套測(cè)試器材。表1是其各種產(chǎn)品的主要參數(shù)。
3．2 Inframat公司的DT系列 Inframat是波蘭的一家中小規(guī)模的公司，專(zhuān) 門(mén)生產(chǎn)用于測(cè)試和模擬各種成像系統(tǒng)的儀器。該 公司生產(chǎn)的紅外成像測(cè)試儀系列產(chǎn)品有FT750、 DT1000、DT1500、DT2000、DT2500。還有 幾種便攜式的型號(hào)如LAFT和SAFT。此外該公 司還有一些用于測(cè)試其他成像系統(tǒng)的產(chǎn)品(如激 光)和另外一些產(chǎn)品。 圖3是DT系列的系統(tǒng)框圖。表1 最大目標(biāo) 離散光斑 平行光管型號(hào) 口徑(cm) 焦距(cm) 空間角(。) 尺寸(am) 4pro R) lO#m ( R) STC一630 6。00 30 2．75 1．44 64．04 160．i STC一840 8．00 40 2．86 2．00 48．03 120．1 STC一1260 12．00 60 2．86 3．00 32．02 80．05 平行光管 DT 1000的各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。 表2 型號(hào) 光管類(lèi)型 口徑 焦距 。光譜范 空間分辨 視場(chǎng) (mm) (mm) 圍(gm) 率(mr甜) 角(。) CDT i000 離軸反射 i00 1145 O．6 15 >0．O1 2．3 3．3 EOI公司的系列產(chǎn)品 EOI公司是美國(guó)的一家專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)成像系統(tǒng) 測(cè)試儀的老牌公司。該公司的資金和技術(shù)都很雄 厚，其全球用戶(hù)已經(jīng)超過(guò)600家，其中大部分是 前500強(qiáng)的企業(yè)。其產(chǎn)品包括黑體、平行光管、 目標(biāo)盤(pán)、控溫儀等一整套測(cè)試器材。 下面是該公司產(chǎn)品的一些主要參數(shù)： 表3 圖3 型號(hào) 口徑(in) 焦距(in) 最大目標(biāo)(in) 視場(chǎng)角。 LC—O3 3 15 0．5 2．0 LC—08 8 40 1．5 2．0 LC-14 14 70 2．0 2．0 LC-16 16 80 2．0 2．O 3．

4 CI-Systems公司Electro—Optics分部的產(chǎn) 品 該公司生產(chǎn)成像系統(tǒng)測(cè)試儀已經(jīng)有25年 了，其產(chǎn)品主要也是全套的成像系統(tǒng)測(cè)試器材。 紅外部分的主要產(chǎn)品有中小口徑的ILET、大口 徑的METS和CATS以及超大口徑的WFOV等。 表4和表5是ILET的主要參數(shù)。 表4 平行光管 主鏡精度I波長(zhǎng)范圍( m)j溫度范圍(℃) 離軸反射 x＼6Qo-63 m1 0．4—14 { 0—50 表5 型號(hào) 口徑(in) 焦距(in) 視場(chǎng)角(。) 7—2．8 7 40 2．8 6—2．8 6 40 2．8 4—1，6 4 30 1．6 2．5—0．5 2．5 19．7 0。5 4熱成像儀的參數(shù)測(cè)量 熱成像儀的參數(shù)主要有NETD、MRTD、 MDTD、SiTF、MTF等，其中NETD、MRTD、 MTF是三個(gè)比較重要的參數(shù)，基本能反映系統(tǒng) 的性能，下面就對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行討論。
4．1 NETD 的測(cè)量噪聲等效溫差(NETD)的定義是系統(tǒng)基準(zhǔn) 化電路輸出的信號(hào)峰值與噪聲信號(hào)均方根之比 為1時(shí)，黑體目標(biāo)與背景的溫差。 NE T D ： — 1／ ／ L 測(cè)量NETD的目標(biāo)盤(pán)圖案是方孔，方孔的 邊長(zhǎng)W要比被測(cè)探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)角(IFOV)大 很多倍，如圖4所示。另外國(guó)標(biāo)中規(guī)定了紅外焦 平面測(cè)試NETD的目標(biāo)圖案為條形孔板，其中b 和c的寬度不得小于被測(cè)焦平面IFOV的4倍， 如圖4右圖。測(cè)量時(shí)背景溫度一般在30℃，同 時(shí)AT也取大一些。 圖4 測(cè)試NETD的方法如下： 使用一個(gè)大的黑體目標(biāo)(其對(duì)系統(tǒng)的張角是 系統(tǒng)瞬時(shí)視場(chǎng)的若干倍)，目標(biāo)與背景之間的溫 差A(yù)T要’比系統(tǒng)的NETD大l0倍以上(以保證 系統(tǒng)輸出的峰值信號(hào)電壓遠(yuǎn)大于均方根噪聲電 壓，并保證系統(tǒng)能輸出足夠大的信噪比)，測(cè)量 AT， 和 ，然后按定義公式計(jì)算NETD。
4．2 MRTD的測(cè)量 最小可分辨溫差(MRTD)是綜合評(píng)價(jià)熱成 像系統(tǒng)溫度分辨率和空間分辨率的重要參數(shù) 其定義是，在確定的空間頻率f下，觀測(cè)者剛好 能分辨出(50％ 概率)四條帶圖案時(shí)，目標(biāo)與背 景的溫差就是該空間頻率f下的最小可分辨溫 差MRTD(f)。觀測(cè)者眼睛感覺(jué)到的圖像信噪比 大于或等于視覺(jué)閾值信噪比時(shí)，對(duì)應(yīng)的目標(biāo)與 背景的溫差就是MRTD。 測(cè)量MRTD的目標(biāo)盤(pán)圖案是4桿圖，如圖 5所示。其中a：b：c=7：I：1。測(cè)試MRTD 曲線時(shí)最少選4個(gè)空間頻率，一般都選0．2fo、 0．5fo， 1．0fo和1+2，0，其中，0= 1 (DAS為 探測(cè)器對(duì)它的物鏡張角)為特征頻率(奈奎斯特 頻率)。 圖5 測(cè)量MRTD的方法一般分為主觀測(cè)量法和 客觀測(cè)量法。 MRTD主觀測(cè)量法的一般方法如下： ①先調(diào)高黑體溫度，使黑體溫度比背景溫 度大很多，然后把觀測(cè)調(diào)到最佳。 ⑦慢慢降低黑體溫度，直到熱像儀成像的4 桿圖案馬上就不能被分辨時(shí)，記下此時(shí)的溫差 △ 。 ⑦繼續(xù)緩慢降低黑體溫度，使黑體溫度小 于背景溫度。這時(shí)4桿圖又會(huì)再次出現(xiàn)，記下剛 好能分辨4桿圖時(shí)的溫差△ 。 ④則此熱像儀在這個(gè)空間頻率下的 MRTD(f)：—IA — T — + — I + — IA — 一 T-I ⑤對(duì)另一空間頻率的4桿圖重復(fù)上面步驟． MRTD客觀測(cè)量法一般分為MTF法、光度 法和圖像識(shí)別法。 (1)MTF法 客觀測(cè)量MRTD的MTF方法是通過(guò)從熱成 像儀視頻輸出信號(hào)測(cè)量調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)、 噪聲功率譜(NPS)、噪聲等效溫差(NETD)等來(lái) 確定的。常用的有兩類(lèi)： ① SEO方程法： 舢叩㈤ ⑦匹配方程法； 姍 ： (2)光度法 所謂光度法就是使用CCD攝像機(jī)對(duì)熱像儀 的顯示器進(jìn)行測(cè)試，得到4條紋圖案目標(biāo)與背景的信噪比。根據(jù)溫差與信噪比的線性關(guān)系，利用 線性插值方法即可得到與特定信噪比對(duì)應(yīng)的溫 差(即為某一頻率下的MRTD值)。測(cè)量方法如 下： ①選擇某一頻率的標(biāo)準(zhǔn)4條紋圖案，設(shè)定目 標(biāo)與背景溫差為一較高值，把CCD陣列的一幀 數(shù)據(jù)存入PC機(jī)中，PC機(jī)使用這些數(shù)據(jù)來(lái)建立 與4條紋目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的圖像。 ⑦ 將溫差減小到接近該空間頻率下的 MRTD值，把此時(shí)的CCD陣列數(shù)據(jù)存入PC機(jī) 中，在對(duì)暗電流和響應(yīng)率變化進(jìn)行修正之后， 這些數(shù)據(jù)與①中的數(shù)據(jù)一起被用來(lái)計(jì)算信噪比 S／N。 ③將此信噪比與閾值信噪比進(jìn)行比較。如 果它等于人眼視覺(jué)閾值信噪比，那么現(xiàn)在的溫 差就是MRTD。如果不等于閾值信噪比，就使用 線性插值方法來(lái)求MRTD。如果只測(cè)量1次， 就利用坐標(biāo)原點(diǎn)和1次測(cè)量的結(jié)果來(lái)插值 如果 測(cè)量2次，就利用2次測(cè)量結(jié)果來(lái)插值。 ④設(shè)置目標(biāo)與背景溫差為所求得的值，重 復(fù)測(cè)量過(guò)程，直到得到正確的信噪比 ④對(duì)目標(biāo)與背景的負(fù)溫差，重復(fù)上述過(guò)程， 計(jì)算正、負(fù)溫差時(shí)MRTD的平均值。 ⑥選擇其它頻率的目標(biāo)，對(duì)每個(gè)目標(biāo)重復(fù) 上述過(guò)程。 (3)圖像識(shí)別法 所謂圖像識(shí)別法就是先對(duì)所得到的4桿靶 紅外熱圖像進(jìn)行處理，然后提取圖像的特征參 數(shù)，并通過(guò)這些特征參數(shù)來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，最 后對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行描述或判斷。
4．3 MTF的測(cè)量 調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)為系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。 測(cè)量MTF的目標(biāo)盤(pán)圖案是狹縫圖，其中狹縫寬 度b要小于0．2DAS，狹縫高度要大于IODAS． 掃描時(shí)，每次移動(dòng)要小于 DAs。 測(cè)量MTF的方法主要有掃描法、干涉法、 激光散斑法等。 (1)掃描法 掃描法是通過(guò)在像面上對(duì)系統(tǒng)的線擴(kuò)展函 數(shù)進(jìn)行掃描并對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換得到系統(tǒng)的 MTF的(也有對(duì)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)、邊緣擴(kuò)展函數(shù)(刀 口函數(shù))進(jìn)行掃描的)。 掃描法測(cè)量MTF的一般步驟如下： ①先找到熱像儀的線性工作區(qū)，并使熱像 儀工作在線性工作區(qū)。 ⑦目標(biāo)狹縫圖在熱像儀上成像，用光度計(jì)掃 描成像的圖案(沿狹縫垂直方向掃描。掃描時(shí)， 每次移動(dòng)要小于~oDAS)，得到信號(hào)s1。 ⑦關(guān)閉輻射源，掃描背景圖像，得到信號(hào) 。 ④對(duì)(S 一 )進(jìn)行傅里葉變換得到OTF， 取模得到MTF。 圖6 以上掃描的方法適用于掃描式熱成像系 統(tǒng)。凝視熱成像系統(tǒng)的工作原理與掃描系統(tǒng)有 著本質(zhì)的區(qū)別。對(duì)于凝視熱成像系統(tǒng)，一般采用 改進(jìn)型的掃描法，主要有最值法、縫掃描法、斜 縫法。 ①最值法 先將縫靶目標(biāo)垂直置于某一列探測(cè)元的正 中間，此時(shí)測(cè)得的MTF是所有MTF中的最大 值；然后把縫目標(biāo)置于某兩列探測(cè)元的正中間， 此時(shí)測(cè)出的MTF是所有MTF中的最小值，最 后將對(duì)最大值和最小值求平均的結(jié)果作為該系 統(tǒng)的MTF。 ②縫掃描法 先對(duì)狹縫目標(biāo)進(jìn)行掃描，即使狹縫的像在 探測(cè)器的某一列上移動(dòng)，從這一列探測(cè)元上輸 出的信號(hào)便記錄了狹縫的每一位置，由此可以 得到LSF，再由LSF得到MTF。 ③斜縫法 把狹縫相對(duì)于垂直方向略做傾斜，其過(guò)程 如下圖所示 下圖的實(shí)質(zhì)就是相當(dāng)于把垂直于探測(cè)器的狹縫沿水平方向在1個(gè)探測(cè)元上等間隔 移動(dòng)5次，這就相當(dāng)于把采樣頻率提高了5倍， 其結(jié)果也等同于對(duì)這5次移動(dòng)每次得到的MTF 求平均值。 圖7 狹縫對(duì)應(yīng)時(shí) 間的定位 (2)干涉法 干涉法是通過(guò)光干涉的方法產(chǎn)生不同空間 頻率的干涉條紋，得出系統(tǒng)的光瞳函數(shù)，再進(jìn)而 得到系統(tǒng)的MTF。 (3)激光散斑法 激光散斑實(shí)際上是一種空間噪聲 對(duì)一個(gè) 具有一定功率能譜密度分布PSD (E，叩)的隨機(jī) 目標(biāo)，系統(tǒng)輸出功率譜密度PSD州(E，叩)與系統(tǒng) 調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)的關(guān)系為 PsD ( ，叩)=lMTF[ PSD。 ￡(￡，r／ (2) 激光散斑法測(cè)MTF的原理框圖如圖8所 示。 圖8 利用激光散斑方法測(cè)試凝視成像系統(tǒng)的 MTF的突出優(yōu)點(diǎn)是，它反映的是包括整個(gè)成像 面的系統(tǒng)MTF。而且它不需要復(fù)雜的紅外光學(xué) 系統(tǒng)． 野外便攜式成像傳感器 為進(jìn)行遠(yuǎn)距離化學(xué)探測(cè)和鑒別、遠(yuǎn)距離目標(biāo)特征分 析以及地表和礦物的遙感研究， Telops公司研制出一 種野外便攜式成像輻射測(cè)量光譜儀。這種重量輕、結(jié)構(gòu) 5 總結(jié) 上面我們介紹丁紅外熱成像儀的工作原 理、發(fā)展現(xiàn)狀、測(cè)試方法、主要產(chǎn)品和廠家等， 下面我計(jì)劃設(shè)計(jì)一個(gè)小口徑的便攜式紅外熱成 像測(cè)試儀，準(zhǔn)備采用離軸拋物面式平行光管，口 徑lOOmm，焦距750ram，視場(chǎng)角3。，測(cè)三組參 數(shù)： NETD、MRTD、MTF，都選用客觀測(cè)量 法，用DSP電路實(shí)現(xiàn)算法。 準(zhǔn)備分兩步走t (1)把采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB口(USB2 0)傳到 PC機(jī)，先在PC機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)算法。 (2)把算法移植到DSP上。