3 熱成像測試儀的發(fā)展現(xiàn)狀 做熱成像測試儀的主要廠商有美國的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、可見光、激光參數(shù)測試方面 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、控溫儀、測試軟件等一整 套測試器材。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 門生產(chǎn)用于測試和模擬各種成像系統(tǒng)的儀器。該 公司生產(chǎn)的紅外成像測試儀系列產(chǎn)品有FT750、 DT1000、DT1500、DT2000、DT2500。還有 幾種便攜式的型號如LAFT和SAFT。此外該公 司還有一些用于測試其他成像系統(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 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的各項參數(shù)如表2所示。 表2 型號 光管類型 口徑 焦距 。光譜范 空間分辨 視場 (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公司是美國的一家專門生產(chǎn)成像系統(tǒng) 測試儀的老牌公司。該公司的資金和技術(shù)都很雄 厚，其全球用戶已經(jīng)超過600家，其中大部分是 前500強的企業(yè)。其產(chǎn)品包括黑體、平行光管、 目標(biāo)盤、控溫儀等一整套測試器材。 下面是該公司產(chǎn)品的一些主要參數(shù)： 表3 圖3 型號 口徑(in) 焦距(in) 最大目標(biāo)(in) 視場角。 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 口徑(in) 焦距(in) 視場角(。) 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是三個比較重要的參數(shù)，基本能反映系統(tǒng) 的性能，下面就對這三個參數(shù)進(jìn)行討論。
4．1 NETD 的測量噪聲等效溫差(NETD)的定義是系統(tǒng)基準(zhǔn) 化電路輸出的信號峰值與噪聲信號均方根之比 為1時，黑體目標(biāo)與背景的溫差。 NE T D ： — 1／ ／ L 測量NETD的目標(biāo)盤圖案是方孔，方孔的 邊長W要比被測探測器的瞬時視場角(IFOV)大 很多倍，如圖4所示。另外國標(biāo)中規(guī)定了紅外焦 平面測試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焦平面IFOV的4倍， 如圖4右圖。測量時背景溫度一般在30℃，同 時AT也取大一些。 圖4 測試NETD的方法如下： 使用一個大的黑體目標(biāo)(其對系統(tǒng)的張角是 系統(tǒng)瞬時視場的若干倍)，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)，測量 AT， 和 ，然后按定義公式計算NETD。
4．2 MRTD的測量 最小可分辨溫差(MRTD)是綜合評價熱成 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，觀測者剛好 能分辨出(50％ 概率)四條帶圖案時，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)。觀測者眼睛感覺到的圖像信噪比 大于或等于視覺閾值信噪比時，對應(yīng)的目標(biāo)與 背景的溫差就是MRTD。 測量MRTD的目標(biāo)盤圖案是4桿圖，如圖 5所示。其中a：b：c=7：I：1。測試MRTD 曲線時最少選4個空間頻率，一般都選0．2fo、 0．5fo， 1．0fo和1+2，0，其中，0= 1 (DAS為 探測器對它的物鏡張角)為特征頻率(奈奎斯特 頻率)。 圖5 測量MRTD的方法一般分為主觀測量法和 客觀測量法。 MRTD主觀測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，記下此時的溫差 △ 。 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4桿圖又會再次出現(xiàn)，記下剛 好能分辨4桿圖時的溫差△ 。 ④則此熱像儀在這個空間頻率下的 MRTD(f)：—IA — T — + — I + — IA — 一 T-I ⑤對另一空間頻率的4桿圖重復(fù)上面步驟． MRTD客觀測量法一般分為MTF法、光度 法和圖像識別法。 (1)MTF法 客觀測量MRTD的MTF方法是通過從熱成 像儀視頻輸出信號測量調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)、 噪聲功率譜(NPS)、噪聲等效溫差(NETD)等來 確定的。常用的有兩類： 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攝像機對熱像儀 的顯示器進(jìn)行測試，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應(yīng)的溫 差(即為某一頻率下的MRTD值)。測量方法如 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機中，PC機使用這些數(shù)據(jù)來建立 與4條紋目標(biāo)相對應(yīng)的圖像。 ⑦ 將溫差減小到接近該空間頻率下的 MRTD值，把此時的CCD陣列數(shù)據(jù)存入PC機 中，在對暗電流和響應(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)一起被用來計算信噪比 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 線性插值方法來求MRTD。如果只測量1次， 就利用坐標(biāo)原點和1次測量的結(jié)果來插值 如果 測量2次，就利用2次測量結(jié)果來插值。 ④設(shè)置目標(biāo)與背景溫差為所求得的值，重 復(fù)測量過程，直到得到正確的信噪比 ④對目標(biāo)與背景的負(fù)溫差，重復(fù)上述過程， 計算正、負(fù)溫差時MRTD的平均值。 ⑥選擇其它頻率的目標(biāo)，對每個目標(biāo)重復(fù) 上述過程。 (3)圖像識別法 所謂圖像識別法就是先對所得到的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)，并通過這些特征參數(shù)來對圖像進(jìn)行識別，最 后對識別結(jié)果進(jìn)行描述或判斷。
4．3 MTF的測量 調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)為系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。 測量MTF的目標(biāo)盤圖案是狹縫圖，其中狹縫寬 度b要小于0．2DAS，狹縫高度要大于IODAS． 掃描時，每次移動要小于 DAs。 測量MTF的方法主要有掃描法、干涉法、 激光散斑法等。 (1)掃描法 掃描法是通過在像面上對系統(tǒng)的線擴展函 數(shù)進(jìn)行掃描并對其進(jìn)行傅里葉變換得到系統(tǒng)的 MTF的(也有對點擴展函數(shù)、邊緣擴展函數(shù)(刀 口函數(shù))進(jìn)行掃描的)。 掃描法測量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，用光度計掃 描成像的圖案(沿狹縫垂直方向掃描。掃描時， 每次移動要小于~oDAS)，得到信號s1。 ⑦關(guān)閉輻射源，掃描背景圖像，得到信號 。 ④對(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元的正 中間，此時測得的MTF是所有MTF中的最大 值；然后把縫目標(biāo)置于某兩列探測元的正中間， 此時測出的MTF是所有MTF中的最小值，最 后將對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 先對狹縫目標(biāo)進(jìn)行掃描，即使狹縫的像在 探測器的某一列上移動，從這一列探測元上輸 出的信號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 把狹縫相對于垂直方向略做傾斜，其過程 如下圖所示 下圖的實質(zhì)就是相當(dāng)于把垂直于探測器的狹縫沿水平方向在1個探測元上等間隔 移動5次，這就相當(dāng)于把采樣頻率提高了5倍， 其結(jié)果也等同于對這5次移動每次得到的MTF 求平均值。 圖7 狹縫對應(yīng)時 間的定位 (2)干涉法 干涉法是通過光干涉的方法產(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 激光散斑實際上是一種空間噪聲 對一個 具有一定功率能譜密度分布PSD (E，叩)的隨機 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MTF的原理框圖如圖8所 示。 圖8 利用激光散斑方法測試凝視成像系統(tǒng)的 MTF的突出優(yōu)點是，它反映的是包括整個成像 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、測試方法、主要產(chǎn)品和廠家等， 下面我計劃設(shè)計一個小口徑的便攜式紅外熱成 像測試儀，準(zhǔn)備采用離軸拋物面式平行光管，口 徑lOOmm，焦距750ram，視場角3。，測三組參 數(shù)： NETD、MRTD、MTF，都選用客觀測量 法，用DSP電路實現(xiàn)算法。 準(zhǔn)備分兩步走t (1)把采集的數(shù)據(jù)通過USB口(USB2 0)傳到 PC機，先在PC機平臺上實現(xiàn)算法。 (2)把算法移植到DSP上。