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红外焦平面热成像仪参数测试系统

发布时间:2021-04-16 16:46 人气:

导读:红外焦平面热成像仪参数测试系统热成像仪参数测试系统发展简介 热成像仪从20世纪2o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......

       1热成像仪参数测试系统发展简介 热成像仪从20世纪2o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。其探测器由单片集成电路组成,被测目标的整个视野都聚焦到上面,图像更加清晰,使用更加方便,仪器也更小巧轻便。 热成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,正确而且准确地测出这些参数的重要性也就体现出来了。对这两种热成像仪进行参数测试的设备并没有太多的改变,只是不断地有新的技术和新的方法引入,已经从原来的清一色主观测量法发展到了今天越来越多的客观测量法。
 
红外焦平面热像仪参数测试系统
  2热成像仪参数测试系统的结构测试仪(红外目标发生器)的一般结构。测试仪主要由平行光管、黑体、目标盘、目标转盘、控制与显示电路等组成。由测试仪发出模拟无穷远目标的光线,被测的热成像仪对这模拟的目标成像,再由被测的热成像仪的图像 输出和测试仪的控制信号得出待测的参数。
  2.1红外目标发生器的光学系统目标发生器的光学系统通常有两种:全反射式和离轴抛物面式。 ①全反射式这种目标发生器采用一块全反射镜(一般镀 金以提高反射率),结构简单,但用起来比较麻烦,使用时需要调整被测热像仪与测试仪的距离,要对热成像仪进行调焦。 ②离轴抛物面式 离轴抛物面式的平行光管把在焦平面处目标发出的光线变成平行光输出,来模拟无穷远目标发出的光线,就是光学应用上的牛顿光学系统,由一块主抛物镜和一块次平面反射镜组成.其口径一般要比被测的热成像仪的口径大10%左右,主镜的F数一般要大于5。船 平行光管主镜焦距,0一平行光管通光口径Do 采用离轴抛物面式的平行光管可以模拟无穷远的目标,不需对被测的热成像仪进行调焦,不必管被测热像仪与测试仪之间的距离,测量更方便准确,因而被广泛使用。
  2.2黑体黑体是热辐射研究的标准物体,可吸收所有入射的辐射,然后以所有温度的最大辐射能 量辐射出去。即吸收率为1,发射率也为1。理 想黑体不存在,实际用的黑体都是近似,就是用 开孔的高发射率空腔近似。
  2.3目标盘为了使目标盘表面温度稳定,目标都是通过在很厚的热传导率高的金属片(一般是铝或铜)上用机械方法或光刻方法刻出来的。目标盘的正面(成像的面)是一层发射率很高的涂层,模拟一个黑体,来与环境保持等温。目标盘的背面是一层很光滑的反射率很高的金属(一般是铝或金)涂层,以尽量减小黑体辐射对目标盘温度的影响。于是目标盘面温度即为环境温度(目标转盘温度),目标图案温度即为黑体温度。对热成像仪各个参数的测量需要一系列的目标盘。
  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。
  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。NETD : — 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。测量时背景温度一般在30℃,同时AT也取大一些。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。
  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。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)。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。
  3 MTF的测量调制传输函数(MTF)是系统的脉冲应对。测量MTF的目标盘图案为缝线图,其中缝线宽度B小于0.2DAS,缝线高度大于IODAS.扫描时,每次移动小于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扫描系统的线扩展功能,并通过在傅里叶转换获得系统的MTF(也有对点扩展功能、边缘扩展功能(切口功能)扫描的。扫描法测量MTF的一般步骤如下:①首先找到热像仪的线性工作区域,使热像仪在线性工作区域工作。⑦目标缝图在热像仪上成像,用光度计扫描成像图案(沿缝垂直方向扫描)。扫描时,每次移动都小于~oDAS),获得信号s1。⑦关闭辐射源,扫描背景图片,获取信号。④对(S1)进行傅里叶转换获得OTF,取模获得MTF。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,一般采用改进型扫描法,主要有最值法、缝隙扫描法、斜缝法。①最值法首先将目标垂直放置在某列探测元的中间,此时测定的MTF是所有MTF中的最大值,然后将目标放置在某两列探测元的中间,此时测定的MTF是所有MTF中的最小值,最后将最大值和最小值平均的结果作为该系统的MTF。②缝隙扫描法首先扫描缝隙目标,即使缝隙像移动到探测器的一列,从该列探测元输出的信号也记录了缝隙的各个位置,从而获得LSF,从LSF获得MTF。③斜缝法将缝隙与垂直方向稍微倾斜,其过程如下图所示,下图的本质相当于将垂直于探测器的缝隙沿水平方向在一个探测元上等间隔移动5次,相当于将采样频率提高5倍,其结果也相当于这5次移动每次获得的MTF平均值。缝隙对应时间定位(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,得出系统系统的光瞳函数,从而获得系统的MTF。(3)激光分布法激光分布实际上是空间噪声具有一定功率谱密度分布PSD(E、敲)的随机目标,系统输出谱密度PSD州(E、敲)与系统调制传输函数(MTF)的关系是PSD(、敲)=lMTF[PSD。(2)、r/(2)激光散斑法测量MTF的原理框图。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。而且不需要复杂的红外光学系统。野外便携式影像传感器为了进行远程化学探测和鉴别、远程目标特征分析和地表和矿物的遥感研究,Telops公司开发了野外便携式影像辐射测量光谱仪。该重量轻,结构5总结上介绍丁红外热影像仪的工作原理、发展现状、测试方法、主要产品和制造商等接下来,我计划设计一个小口径的便携式红外热影像测试仪,准备采用离轴抛物面式平行光管,口径lOOmm,焦距750ram,视角3。测量三组参数:NETD、MRTD、MTF选择客观测量法,用DSP电路实现算法。准备分两步走t(1)将采集的数据通过USB口(USB20)传输到PC机,首先在PC机平台上实现算法。(2)将算法移植到DSP上。
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本能反映系统的性能,下面就对这三个参数进行讨论。
  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。NETD : — 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。测量时背景温度一般在30℃,同时AT也取大一些。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。
  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。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)。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。
  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。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。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。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。
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