光电探测与信号处理红外热成像系统性能参数测量仪班级姓名同组者日期2016年 1 月2 日目录1课题的目的与意义 (2)1.1课题意义 (2)1.2 红外成像系统的应用 (2)1.3 参数测量的国内外研究现状 (2)2红外成像系统性能参数 (4)2.1信号传递函数（SiTF） (5)2.2噪声等效温差(NETD) (8)2.3调制传递函数(MTF) (11)2.4最小可分辨温差(MRTD) (12)3红外成像系统的性能测试及评价 (12)3.1 SiTF的测试 (12)3.2 NETD 的测试 (13)3.3 MTF 的测试 (14)3.4 MRTD的测试 (15)4基本测量装置 (16)5总结 (18)参考文献 (18)1课题的目的与意义1.1课题意义近年来,随着各种新型的红外成像系统在军事和民用领域的广泛应用,出现了多种红外成像系统性能预测模型。

红外成像系统是利用热红外辐射来产生被观察场景的红外辐射图的。

随着夜视技术的发展,使红外成像系统大量装备部队并广泛用于侦察、制导和火控,使夜战能力大幅提高,对未来战争中的军用目标构成严重威胁。

因此对红外成像系统性能的评估成为红外技术应用领域的重要课题。

根据目前红外图像采集、红外图像处理、红外热图像噪声特性、红外热像仪性能评估、调制传递函数（MTF）和最小可分辨温差（MRTD）的测量等诸多方面的相关文献[1-4]，对于热像仪性能参数的客观测量方法，存在许多不同的看法，在向小型化、实用化，转化中亦存在许多技术难题。

对整机参数综合测试的研究还是不足，尚缺乏一类结构紧凑，功能综合，并有故障判断能力的面向使用单位需求的检测系统，因此有必要加快这方面的研究工作。

1.2 红外成像系统的应用红外热成像系统在辐射波长3~5um和8~14um的光谱区内有效的工作。

这两个光谱区内大气辐射损耗较小,即所谓的大气窗口,因而热成像能在复杂的气象条件下工作,这是热成像系统最大的特点和优点。

军事上,根据红外线能穿透浓雾,较厚云层及黑夜的性能,己用它进行空中摄影,远距离制导,反导弹自卫及制造夜视装备器材。

在航天领域,通过灵敏的红外探测器接收物体的红外线,经电子仪器对接收信号进行处理,便能察知被探测物体的特征,这就是遥感技术,卫星上的遥感装置可勘察矿产,森林,鱼群等资源,进行气象预报,绘制红外遥感地图等。

工业上,利用红外仪器进行自动化分析,控制和产品的质量检测,测量物体的温度,液位,料位,厚度,只数等;工厂高温车间根据水吸收红外线强的原理,进行防暑降温工作。

食品行业利用红外热效应和穿透性强的特性,进行食品烘干和糕点生产。

电机制造和修理行业,电焊条生和使用单位,利用红外加热技术进行电机和焊条焊药的烘干处理。

农业和林业部门用红外加热装置对谷物,木材,药材等进行干燥处理。

公安干警使用红外技术进行目标搜索,跟踪和侦破案子。

在家用电器中,红外技术的应用占了很大比例,如彩电,空调,风扇,电灯的红外遥控器,红外水龙头,红外食品烘烤,红外解冻器,红外炉灶和微晶电热红外辐射取暖器等。

总之,红外技术已在很多方面造福人类。

1.3 参数测量的国内外研究现状热像仪从20 世纪20 年代末开始发展，从第一代的光机扫描式发展到现在第二代的阵列式焦平面凝视成像。

阵列式凝视成像的焦平面热像仪在性能上大大优于光机扫描式热像仪。

其被测目标的整个视野都聚焦到探测器上，图像更加清晰，仪器也更小巧轻便。

热像仪成像的质量参数是衡量一个热成像仪好坏的标准，这些参数客观地反映了热成像仪对各种目标的分辨能力、探测能力、工作波段、工作温度、精度、范围等重要特性，正确而且准确地测量这些参数就显得尤为重要。

红外成像系统的静态性能描述系统对静态目标的成像性能，即对分布不随时间变化（或缓慢变化）的景物进行了探测、识别和辨认。

目前世界上一些发达国家提出了几种用来评价红外光电系统性能的模型，并建立了一套与之相适应的成像系统评估和测试的实验室测量系统。

国内一些主要研制单位基本依靠从国外引进的设备进行测试，如：兵器工业总公司昆明211 所引进的热像仪检测系统，价格在60 万美元左右；信息产业部北京11 所引进的SIRA 热像仪检测组件，价格也在几十万美元。

从这些引进的热像仪检测系统来看，一般比较复杂，大多由一系列高性能的独立测试单元构成，其综合性能较差，不含故障诊断系统，且价格昂贵，体积庞大。

我国很多学者在热像仪性能测试上也做了很多有创造性的工作，如：电阻阵列红外目标源的研究、便携式红外靶发生器的设计、SPRITE 探测系统传递函数等性能参数的测试和滤波特性的分析。

对MRTD的测试技术随着红外热成像技术的发展而不断深入发展。

近年来国外客观测试MRTD 的技术有较大进展，主要有两类测试方法：一类通过测量有关参数得出MRTD；另一类通过测量四组不同频率的 4 杆靶温差热图像，经处得到MRTD。

殷祖焘[5]等设计出一套便携式红外热像仪最小可分辨温差（MRTD 检测装置，可用于各类红外热像仪作用距离的检测。

Braddick R C 和Harold Orlando 等人[6-10]提出了一种基于人工神经网络的MRTD 客观测量方法，即利用计算机对红外热成像系统产生的 4 杆靶图像进行特征提取，然后利用人工神经网络对特征向量进行识别和判断。

1975 年，美国首次提出一套完整的性能模型用来评价红外成像系统，后来又发展了主要用于第二代热成像系统的FLIR（用来计算MRTD）性能模型。

目前，经典MRTD 不能充分预测新一代焦平面热成像系统的目标获取性能，因此国际上提出了3种替代的性能模型：夜视成像系统性能模型、热范围模型、三角方向辨别模型。

制造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-opties 分部等。

美国的SBIR 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。

EOI 公司是美国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。

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。

CI-Systems 公司生产成像系统测试仪产品主要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。

2红外成像系统性能参数2.1信号传递函数（SiTF）信号传递函数的定义信号传递函数是对红外成像系统进行客观评价的参数,它不受观察者主观判断差异的影响"信号传递函数定义为红外成像系统入瞳上的输入信号与其输出信号之间的函数关系,输入信号规定为靶标与其均匀背景之间的温差,输出信号规定为红外系统输出电压"响应度函数的线性部分(斜率)就是信号传递函数(如图3.1),必须对它进行测量以计算噪声等效温差"信号传递函数(SiTF)的推导设物体的光谱辐射亮度为L e(λ),那么有L e (λ)=∅(λ)A s Ω (2-1) 如果一台红外系统距离光源为R,,那么入射到面积A"上的辐射通量为∅LENS =L e A 0R 12A S T ATM (2-2)式中T ATM 为光源与红外系统间的大气传递系数那么到达像面上的轴上辐射通量为∅IMAGE =L e A 0R 12A S T SYS T ATM (2-3)式中,Tsys 为系统的光学传递系数如果光源面积As 的像的面积为Ai,它远远大于探测器面积Ad,即A,>)A!那么, 入射到探测器上的辐射通量为:∅DETECTOR =∅IMAGE A dA i (2-4)当A i ≫A d ,光源是一个扩展光源或可分辨光源.同样的,探测器被充分照明,根 据对称A S R 12=A i R 22 (2-5)那么探测器通量变为 ∅DETECTOR L e A 0A d (fl SYS )2(1+M)2T SYS T ATM(2-6) 其中，M =R 2/R 1,，而R 2,R 1与系统焦距fl SYS 间的关系为 1R 1+1R 2=1fl SYS (2-7) 假定为一圆形孔径，而定义其F 数为F =fl SYS D ,则∅DETECTOR =π4L e A d F 2(1+M)2T SYS T ATM (2-8)由探测器产生的电压对应于探测器的响应RV d =R∅DETECTOR (2-9)则系统输出V SYS ，是由V d 乘上系统增益G ，所有变量都是波长的函数V SYS =G ∫R(λ)λ2λ1π4L e (λ)A d F 2(1+M)2T SYS (λ)T ATM (λ)dλ (2-10)那么 ∆V SYS =G ∫R(λ)λ2λ1π4∆L e (λ)A d F 2(1+M)2T SYS(λ)T ATM (λ)dλ (2-11) 式中，∆L e (λ)=L e−TARGET (λ)−L e−BACKGROUND (λ) (2-12) 对于朗伯光源，辐射直接进入大气中，那么L e (λ)=∅(λ)A s Ω (2-13)M e (λ)=c 1λ5(1e (c 2/λT)−1) (2-14)如果光源和背景都是具有单位发射的真正黑体，那么 ∆V SYS =G ∫R(λ)λ2λ1[M e (λ,T T )−M e (λ,T B )]A d 4F 2(1+M)2T SYS (λ)T ATM (λ)dλ (2-15)当观察一个处于准直仪中的黑体时，上式变为: ∆V SYS =G ∫R(λ)λ2λ1[M e (λ,T T )−M e (λ,T B )]A d 4F 2T SYS (λ)T TEST (λ)dλ (2-16)运用泰勒级数 M e (T T )−M e (T B )≈[ðM e (T B )ðT ]∆T +12[ð2M e (T B )ðT 2](∆T)2 (2-17) 如果△T 非常小，那么 M e (T T )−M e (T B )≈[ðM e (T B )ðT ]∆T (2-18)定义 SiTF =∆V SYS T TEST ∆T(2-19) 则 SiTF =∆V SYST TEST ∆T =G ∫R (λ)λ2λ1A d 4F 2ðM e (λ,T B )ðT T SYS (λ)dλ (2-20)如果每个系统的光谱响应不同，.那么各系统的信号传递函数也有变化。