熱成像設備測試方法的實驗及分析

雷 萍，吳文華，朱 祺

(63891部隊，河南 洛陽471003)

1 引言

隨著紅外技術的發展，紅外熱成像設備在軍事上的應用越來越廣泛，但針對熱成像設備在使用過程中暴露出的技術故障，目前存在的一個重要問題是缺少檢測設備或測試方法單一，遠不能滿足復雜的測試需求，文中針對熱成像設備不同指標測試原理的不同和所測熱成像設備的特殊性，設計了對熱成像設備關鍵性能指標測試的方法，并在實驗室對熱成像設備噪聲等效溫差(NETD)、最小可分辨溫差(MRTD)、調制傳遞函數(MTF)、信號傳遞函數(SiTF)等指標進行了測試及實驗研究，驗證了測試方法的適應性并發現了其局限性，提出了有效的解決方法，大大提高了部隊對熱成像設備檢測和維修保障的能力。

2 檢測設備工作原理

熱成像檢測設備主要由紅外平行光管、測試計算機系統(含視頻采集卡)、通用機械平臺、安裝支架和電源組成，如圖1所示。

紅外平行光管產生標準目標信號，輸入至待測熱成像設備的熱傳感頭，光信號經過光電轉換，通過信號電纜將視頻信號輸入給采集卡;測試計算機處理后，將圖像顯示出來;測試者觀察相關圖像，結合黑體的溫度狀態，使用分析軟件求出各指標及其特性曲線，以達到溫度控制的精確化;利用CCD攝像機，在測試軟件的指導下，推導出系統整體及各部分的調制傳遞函數。

圖1 熱像檢測儀測試框圖

3 實驗室測試方法分析

3.1 噪聲等效溫差

NETD反映了熱成像設備輸出信號的背景噪聲，影響觀察距離和識別能力［1］。廣泛的被用來表示紅外系統受信噪比影響后的探測靈敏度［2］。如圖2所示，測試計算機與發射源連接，控制紅外源溫度(控制背景板溫度);目標靶置于背景板前方，準直鏡的焦平面上;紅外探測器接收紅外信號并傳遞到顯示器上，識別目標并評價信號。

圖2 NETD測試示意圖

其中，目標靶盤上方孔的邊長要比紅外探頭的瞬態視場角(IFOV)大很多倍。然后選取固定的背景，同時溫差ΔT也要取的大一些，且要比系統的NETD大數十倍，這樣既確保系統輸出的峰值信號電壓VS遠大于均方根噪聲電壓VN，又保證系統輸出足夠大的信噪比。測量溫差、峰值信號電壓和均方根噪聲電壓，按公式(1)計算NETD值。

3.2 最小可分辨溫差

熱成像設備的MRTD是綜合評價系統溫度分辨力和空間分辨力的重要參數。本次測試選用了目標圖案為高、寬、帶間距之比為7∶1∶1的四桿圖(目標靶上有四杠孔)，并將其放置在均勻背景中，目標和背景的溫差從零開始逐漸增大，在確定的空間頻率下，觀察者剛好能分辨出四條帶目標圖案時，即可獲得該空間頻率的最小可分辨溫差［3］，鑒于MRTD是與空間頻率有關的函數，測量該函數曲線時最少要測量4個空間頻率，一般選用 0.2f0、0.5f0、1.0f0、1.2f0四種頻率，四桿圖的空間頻率按公式(2)計算。

其中，d為條紋寬度;f0=1/(2·DAS)為特征頻率;DAS為熱成像設備探測器對物鏡的張角［4］。

準直光學系統模擬目標位于無限遠處，其出射光瞳應大于或等于被測熱成像設備的入射光瞳。首先測量環境溫度，然后選空間頻率為0.2f0、0.5f0、1.0f0、1.2f0的4桿靶標依次放入指定位置(一般為準直鏡的焦平面處)，分別進行測量。得到溫差后，MRTD 按公式(3)計算［5］。

其中，ΔT+=T1－T0，ΔT－=T0－ T2。其中 T0、T1、T2分別為背景溫度、熱桿溫度和冷桿溫度。

圖3 MRTD測試靶板示意圖

3.3 信號傳遞函數

SiTF是響應度函數線性部分的斜率，響應度函數可提供待測系統增益(對比度)、線性、動態范圍和飽和度的信息，是評價紅外熱成像設備性能的重要指標，可判斷出熱成像設備工作的線性工作范圍［6］，如圖 4 所示。

圖4 SiTF線性范圍示意圖

通過測試所得響應函數線性部分的M組數據，利用公式(4)計算SiTF。

3.4 調制傳遞函數

紅外熱成像系統的MTFSYS，包括熱傳感頭(由紅外光學系統和熱探測器組成)的MTFSEN、顯示器件的MTFMON，人眼的MTF EYE等。在實驗室測試時人眼因素的影響可忽略。系統的MTF值就是各個分系統的乘積，以及是在各個分系統共同作用下的結果。即系統的MTF按公式 (5)和(6)計算。光學系統的傳遞函數［6］為:

其中，輸出函數為φOUT(x);輸入函數為φIN(x);自變量x為空間位置坐標。

在測試中采取逐個分開測量的手段，測量出各分系統的調制傳遞函數。如在現有的情況下，可以通過實驗中 NETD、MRTD、SiTF三者推算出熱傳感頭的MTFSEN。

4 測試中出現的問題及解決方法

為測試方便，設置典型值，如表1所示。

表1 測試參數設置的典型值

4.1 增益問題和解決方法

(1)增益對噪聲等效溫差的影響

依照設置的測試參數，在目標靶板溫度為293K時，背景溫度由291K升至295K得到了一系列NETD，如表2所示。

表2 NETD的測試值

從測試中發現，由于熱成像檢測設備信號的變化范圍很寬，熱成像設備接收裝置接收到的最大輸入信號和最小輸入信號相差很大，這就造成了熱成像設備在接受不同信號時所要求的增益值不同。比如在增益小時，且增益達不到要求，出現了微弱信號得不到識別的現象;而在增益過大時，則出現了強信號經過放大使放大器達到飽和同樣得不到識別的現象。

針對出現的問題，采用了在多種溫度下，對熱成像設備不同增益下(增益高時取若干個逐步增大的值)的噪聲等效溫差進行測試。從圖5中可以看出:隨著系統增益改變，信號傳遞函數也隨之增大，噪聲均方根值也同時增大;但噪聲等效溫差在增益較大的情況下不隨增益的改變而改變。通過測試結果分析，噪聲等效溫差盡可能選取在系統增益較大固定值、增益不飽和的條件下測試。

圖5 增益改變情況下NETD與噪聲均方根、線性傳遞函數變化率的關系

(2)增益對線性傳遞函數的影響

在信號傳遞函數測試中，發現增益取值不同，線性傳遞函數也隨之變化;增益越大，斜率越大，飽和速度快，其線性范圍也越窄;隨著溫差的增大，響應函數的數值也在增大。

從圖6中可以看出:增益取值不同，線性傳遞函數也隨之變化;增益越大，斜率越大，飽和速度快，其線性范圍也越窄;隨著溫差的增大，響應函數的數值也在增大;自動增益檔位被激活，線性傳遞函數線性范圍浮動。針對該現象，通過大量實驗，獲取適當的增益范圍并在取值時盡可能使線性范圍變寬，以達到準確測試的目的，同時為熱成像檢測設備性能的改進起到指導作用。

圖6 不同增益下線性傳遞函數變化

4.2 分辨能力問題和解決方法

在MRTD測試中，發現隨著熱成像設備探測空間頻率增加，其MRTD值也在增加，且增速加快，分辨能力同時降低，MRTD特性曲線如圖7所示。

圖7 MRTD特性曲線圖

測試MRTD前，利用Sobel算子識別四桿靶并對其進行分辨［7］。如圖8所示為四桿靶正、負溫差時的圖像，分辨后的圖像如圖9所示。

在測試中發現，若短時間觀察大量的目標靶圖像，會導致人眼視覺疲勞，影響人的主觀判斷能力，降低工作效率，同時由于測試每個值，在某個溫度梯度上等待時間過長，即完成一組測試費時費力。

針對人眼疲勞問題，借助計算機利用神經網絡算法在內多種算法自動識別記錄溫差，并用大量的實驗數據進行了訓練，達到智能測試的目的。

5 結束語

依據測試方案在實驗室對熱成像設備的噪聲等效溫差、最小可分辨溫差、調制傳遞函數、信號傳遞函數等指標進行了測試，發現增益對噪聲等效溫差和線性函數的影響、MRTD分辨能力的影響等問題，提出了在多種溫度不同增益下測試噪聲等效溫差、利用神經網絡算法在內多種算法提高分辨圖像能力的方法，結果證明方法有效可行，提高了部隊對熱成像設備檢測的手段和能力。下一步將結合檢測反饋數據，建立各型號熱成像設備檢驗模型，使之具備完成快速、準確檢測的能力。

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