红外焦平面热成像仪参数测试系统

3 热成像测试仪的发展现状 做热成像测试仪的主要厂商有美国的SBIR 公司和EOI公司、波兰的Inframat公司、cI— Systems公司的Electro Optics分部等。
3．1 SBIR 的STC 系列 该公司在红外、可见光、激光参数测试方面 做得很出色，处于世界领先水平。其产品包括黑 体、平行光管、目标盘、控温仪、测试软件等一整 套测试器材。表1是其各种产品的主要参数。
3．2 Inframat公司的DT系列 Inframat是波兰的一家中小规模的公司，专 门生产用于测试和模拟各种成像系统的仪器。该 公司生产的红外成像测试仪系列产品有FT750、 DT1000、DT1500、DT2000、DT2500。还有 几种便携式的型号如LAFT和SAFT。此外该公 司还有一些用于测试其他成像系统的产品(如激 光)和另外一些产品。 图3是DT系列的系统框图。表1 最大目标 离散光斑 平行光管型号 口径(cm) 焦距(cm) 空间角(。) 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的各项参数如表2所示。 表2 型号 光管类型 口径 焦距 。光谱范 空间分辨 视场 (mm) (mm) 围(gm) 率(mr甜) 角(。) CDT i000 离轴反射 i00 1145 O．6 15 >0．O1 2．3 3．3 EOI公司的系列产品 EOI公司是美国的一家专门生产成像系统 测试仪的老牌公司。该公司的资金和技术都很雄 厚，其全球用户已经超过600家，其中大部分是 前500强的企业。其产品包括黑体、平行光管、 目标盘、控温仪等一整套测试器材。 下面是该公司产品的一些主要参数： 表3 图3 型号 口径(in) 焦距(in) 最大目标(in) 视场角。 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分部的产 品 该公司生产成像系统测试仪已经有25年 了，其产品主要也是全套的成像系统测试器材。 红外部分的主要产品有中小口径的ILET、大口 径的METS和CATS以及超大口径的WFOV等。 表4和表5是ILET的主要参数。 表4 平行光管 主镜精度I波长范围( m)j温度范围(℃) 离轴反射 x＼6Qo-63 m1 0．4—14 { 0—50 表5 型号 口径(in) 焦距(in) 视场角(。) 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热成像仪的参数测量 热成像仪的参数主要有NETD、MRTD、 MDTD、SiTF、MTF等，其中NETD、MRTD、 MTF是三个比较重要的参数，基本能反映系统 的性能，下面就对这三个参数进行讨论。
4．1 NETD 的测量噪声等效温差(NETD)的定义是系统基准 化电路输出的信号峰值与噪声信号均方根之比 为1时，黑体目标与背景的温差。 NE T D ： — 1／ ／ L 测量NETD的目标盘图案是方孔，方孔的 边长W要比被测探测器的瞬时视场角(IFOV)大 很多倍，如图4所示。另外国标中规定了红外焦 平面测试NETD的目标图案为条形孔板，其中b 和c的宽度不得小于被测焦平面IFOV的4倍， 如图4右图。测量时背景温度一般在30℃，同 时AT也取大一些。 图4 测试NETD的方法如下： 使用一个大的黑体目标(其对系统的张角是 系统瞬时视场的若干倍)，目标与背景之间的温 差AT要’比系统的NETD大l0倍以上(以保证 系统输出的峰值信号电压远大于均方根噪声电 压，并保证系统能输出足够大的信噪比)，测量 AT， 和 ，然后按定义公式计算NETD。
4．2 MRTD的测量 最小可分辨温差(MRTD)是综合评价热成 像系统温度分辨率和空间分辨率的重要参数 其定义是，在确定的空间频率f下，观测者刚好 能分辨出(50％ 概率)四条带图案时，目标与背 景的温差就是该空间频率f下的最小可分辨温 差MRTD(f)。观测者眼睛感觉到的图像信噪比 大于或等于视觉阈值信噪比时，对应的目标与 背景的温差就是MRTD。 测量MRTD的目标盘图案是4杆图，如图 5所示。其中a：b：c=7：I：1。测试MRTD 曲线时最少选4个空间频率，一般都选0．2fo、 0．5fo， 1．0fo和1+2，0，其中，0= 1 (DAS为 探测器对它的物镜张角)为特征频率(奈奎斯特 频率)。 图5 测量MRTD的方法一般分为主观测量法和 客观测量法。 MRTD主观测量法的一般方法如下： ①先调高黑体温度，使黑体温度比背景温 度大很多，然后把观测调到最佳。 ⑦慢慢降低黑体温度，直到热像仪成像的4 杆图案马上就不能被分辨时，记下此时的温差 △ 。 ⑦继续缓慢降低黑体温度，使黑体温度小 于背景温度。这时4杆图又会再次出现，记下刚 好能分辨4杆图时的温差△ 。 ④则此热像仪在这个空间频率下的 MRTD(f)：—IA — T — + — I + — IA — 一 T-I ⑤对另一空间频率的4杆图重复上面步骤． MRTD客观测量法一般分为MTF法、光度 法和图像识别法。 (1)MTF法 客观测量MRTD的MTF方法是通过从热成 像仪视频输出信号测量调制传递函数(MTF)、 噪声功率谱(NPS)、噪声等效温差(NETD)等来 确定的。常用的有两类： ① SEO方程法： 舢叩㈤ ⑦匹配方程法； 姗 ： (2)光度法 所谓光度法就是使用CCD摄像机对热像仪 的显示器进行测试，得到4条纹图案目标与背景的信噪比。根据温差与信噪比的线性关系，利用 线性插值方法即可得到与特定信噪比对应的温 差(即为某一频率下的MRTD值)。测量方法如 下： ①选择某一频率的标准4条纹图案，设定目 标与背景温差为一较高值，把CCD阵列的一帧 数据存入PC机中，PC机使用这些数据来建立 与4条纹目标相对应的图像。 ⑦ 将温差减小到接近该空间频率下的 MRTD值，把此时的CCD阵列数据存入PC机 中，在对暗电流和响应率变化进行修正之后， 这些数据与①中的数据一起被用来计算信噪比 S／N。 ③将此信噪比与阈值信噪比进行比较。如 果它等于人眼视觉阈值信噪比，那么现在的温 差就是MRTD。如果不等于阈值信噪比，就使用 线性插值方法来求MRTD。如果只测量1次， 就利用坐标原点和1次测量的结果来插值 如果 测量2次，就利用2次测量结果来插值。 ④设置目标与背景温差为所求得的值，重 复测量过程，直到得到正确的信噪比 ④对目标与背景的负温差，重复上述过程， 计算正、负温差时MRTD的平均值。 ⑥选择其它频率的目标，对每个目标重复 上述过程。 (3)图像识别法 所谓图像识别法就是先对所得到的4杆靶 红外热图像进行处理，然后提取图像的特征参 数，并通过这些特征参数来对图像进行识别，最 后对识别结果进行描述或判断。
4．3 MTF的测量 调制传递函数(MTF)为系统的脉冲响应。 测量MTF的目标盘图案是狭缝图，其中狭缝宽 度b要小于0．2DAS，狭缝高度要大于IODAS． 扫描时，每次移动要小于 DAs。 测量MTF的方法主要有扫描法、干涉法、 激光散斑法等。 (1)扫描法 扫描法是通过在像面上对系统的线扩展函 数进行扫描并对其进行傅里叶变换得到系统的 MTF的(也有对点扩展函数、边缘扩展函数(刀 口函数)进行扫描的)。 扫描法测量MTF的一般步骤如下： ①先找到热像仪的线性工作区，并使热像 仪工作在线性工作区。 ⑦目标狭缝图在热像仪上成像，用光度计扫 描成像的图案(沿狭缝垂直方向扫描。扫描时， 每次移动要小于~oDAS)，得到信号s1。 ⑦关闭辐射源，扫描背景图像，得到信号 。 ④对(S 一 )进行傅里叶变换得到OTF， 取模得到MTF。 图6 以上扫描的方法适用于扫描式热成像系 统。凝视热成像系统的工作原理与扫描系统有 着本质的区别。对于凝视热成像系统，一般采用 改进型的扫描法，主要有最值法、缝扫描法、斜 缝法。 ①最值法 先将缝靶目标垂直置于某一列探测元的正 中间，此时测得的MTF是所有MTF中的最大 值；然后把缝目标置于某两列探测元的正中间， 此时测出的MTF是所有MTF中的最小值，最 后将对最大值和最小值求平均的结果作为该系 统的MTF。 ②缝扫描法 先对狭缝目标进行扫描，即使狭缝的像在 探测器的某一列上移动，从这一列探测元上输 出的信号便记录了狭缝的每一位置，由此可以 得到LSF，再由LSF得到MTF。 ③斜缝法 把狭缝相对于垂直方向略做倾斜，其过程 如下图所示 下图的实质就是相当于把垂直于探测器的狭缝沿水平方向在1个探测元上等间隔 移动5次，这就相当于把采样频率提高了5倍， 其结果也等同于对这5次移动每次得到的MTF 求平均值。 图7 狭缝对应时 间的定位 (2)干涉法 干涉法是通过光干涉的方法产生不同空间 频率的干涉条纹，得出系统的光瞳函数，再进而 得到系统的MTF。 (3)激光散斑法 激光散斑实际上是一种空间噪声 对一个 具有一定功率能谱密度分布PSD (E，叩)的随机 目标，系统输出功率谱密度PSD州(E，叩)与系统 调制传递函数(MTF)的关系为 PsD ( ，叩)=lMTF[ PSD。 ￡(￡，r／ (2) 激光散斑法测MTF的原理框图如图8所 示。 图8 利用激光散斑方法测试凝视成像系统的 MTF的突出优点是，它反映的是包括整个成像 面的系统MTF。而且它不需要复杂的红外光学 系统． 野外便携式成像传感器 为进行远距离化学探测和鉴别、远距离目标特征分 析以及地表和矿物的遥感研究， Telops公司研制出一 种野外便携式成像辐射测量光谱仪。这种重量轻、结构 5 总结 上面我们介绍丁红外热成像仪的工作原 理、发展现状、测试方法、主要产品和厂家等， 下面我计划设计一个小口径的便携式红外热成 像测试仪，准备采用离轴抛物面式平行光管，口 径lOOmm，焦距750ram，视场角3。，测三组参 数： NETD、MRTD、MTF，都选用客观测量 法，用DSP电路实现算法。 准备分两步走t (1)把采集的数据通过USB口(USB2 0)传到 PC机，先在PC机平台上实现算法。 (2)把算法移植到DSP上。