環境溫度對中波紅外成像設備MRTD的影響研究

李忠升,張春仙,王佳笑

(1.中國人民解放軍63871部隊,陜西 華陰 714200；2.中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

熱成像系統作為在軍事上廣泛應用的偵察、告警裝備,作用距離是其主要的戰技指標,但受到大氣條件、環境溫度等各種因素的影響,測試結果并不穩定,根據Johnson準則,作用距離與MRTD(最小可分辨溫差)直接相關,因此在產品設計和生產過程中,一般采用實驗室測試得到MRTD后對設備外場作用距離進行預計和評價。

根據國軍標對軍事裝備的環境適應性要求,熱成像系統需要適應從-40 ℃(甚至更低)到+55 ℃的環境(依據應用場景會有所不同),因此需要在該溫度范圍內對外場作用距離進行評價。由于缺少在全軍溫環境下進行MRTD測試的設備,一般設備出廠時只檢測室溫MRTD,無法給出其他環境溫度下的MRTD,因此,當外場環境溫度與室溫相差較多時,由于環境溫度對設備狀態、目標輻射等各方面的影響,采用室溫MRTD預計外場作用距離會有較大的偏差。

文獻[1]主要研究目標尺寸、探測性能及大氣環境等因素對MRTD的影響,未考慮環境溫度對MRTD的影響,文獻[2]中涉及環境溫度對MRTD測試的影響,但未考慮不同環境溫度下積分時間和探測器增益對MRTD的影響。

針對以上問題,本文主要考慮環境溫度對成像設備信號傳遞函數、噪聲、調制傳遞函數等因素的影響,探究不同環境溫度下MRTD的變化規律,建立不同環境溫度下MRTD的關系,通過室溫MRTD預測得到其他環境溫度下的MRTD,從而減小不同環境溫度下的外場作用距離預計偏差。

2 環境溫度對MRTD的影響機理分析

2.1 MRTD基本方程

目前,國內實驗室測試MRTD時,一般采用以下方法:特定空間頻率、高寬比為7∶1的四桿黑體目標處于均勻背景中,升高或降低目標與背景之間的溫差,當人眼恰能分辨被測系統顯示器上所成四桿目標像時所對應的溫差,即為該特定空間頻率下的MRTD值,為消除零點漂移帶來的測試誤差,一般取正溫溫差和負溫溫差的平均值作為最終測試結果。MRTD[3-4]受系統溫度分辨性能和空間分辨性能的影響,同時也與觀察者的主觀感受相關。

MRTD與系統調制傳遞函數MTF(表征系統空間分辨性能)和噪聲等效溫差NETD(反映系統溫度分辨性能)有關,其理論表達式為:

(1)

其中,MTF(f)為系統調制傳遞函數；SNRTH為信噪比閾值；α、β為垂直和水平瞬時視場；fp為幀頻；NETD為噪聲等效溫差；Δfn為噪聲等效帶寬；f為目標空間頻率；te為人眼積分時間；τd為元件滯留時間常數。

在紅外成像系統確定的情況下,上述表達式也可表示為:

(2)

其中,K(f)是與目標空間頻率f相關的常數;σ為被測系統噪聲;SiTF為信號傳遞函數。

2.2 環境溫度對MRTD的影響分析

紅外成像系統主要由探測器組件、光學系統及信號處理系統組成,光學系統在接收目標和背景輻射后,將輻射能量聚焦到探測器焦面上,探測器組件經過光子-電子-電壓轉換后將信號電壓值傳輸給信號處理系統,信號處理系統通過A/D轉換、降噪等信號處理算法后輸出目標和背景的灰度圖像。

環境溫度對紅外成像系統性能的影響主要包括:

探測器組件:制冷精度下降,探測器噪聲變大,從而系統噪聲σ變大；

光學系統:光學系統傳遞函數MTF有可能下降,從而像質變差；

信號處理系統:與室溫相比,電路噪聲變大；

目標與背景輻射能量差:由于目標輻射能量與溫度非線性關系,對于中波或長波紅外成像來說,其響應波段內的輻射能量與溫度近似呈拋物線關系(如圖1所示),因此,當目標溫差一定時,其與背景輻射能量差隨溫度升高呈拋物線式上升。由于信號傳遞函數SiTF對應1 K溫差的信號響應值,因此SiTF也會隨環境溫度變化而變化。

圖1 3.7～4.8 μm波段內黑體輻射出射度隨溫度的變化曲線

最后,當環境溫度變化時,探測器為適應輻射能量變化而變化的參數,如積分時間與探測器增益,也會對信號傳遞函數SiTF產生影響。

綜上所述,環境溫度變化時,紅外成像系統噪聲σ、信號傳遞函數SiTF及MTF會產生不同程度的變化,從而影響MRTD值。

以下分別分析環境溫度變化時紅外成像系統噪聲σ、信號傳遞函數SiTF及MTF的變化情況。

2.2.1 環境溫度對紅外成像系統噪聲σ的影響

紅外成像系統在接收到來自外界的紅外輻射后,通過探測器的光電轉換作用及讀出電路、信號處理電路的電子學處理后以模擬信號或數字信號的形式輸出,在整個光子到電子,電子到模擬電壓,模擬電壓到數字信號的信號轉換過程中,主要會產生五種類型的噪聲,包括光子散粒噪聲、光子響應非均勻性、暗電流噪聲、KTC噪聲、量化噪聲,其中光子響應非均勻性可通過非均勻性校正算法得到抑制,對于中波探測器來說,KTC噪聲和暗電流噪聲所占比例很小,可不考慮；通過采用高精度A/D轉換可大幅度降低量化噪聲,因此,光子散粒噪聲為中波成像系統中占主導地位的噪聲。

光子散粒噪聲由接收外界輻射光子的隨機性而導致的光電子隨機產生,其大小為:

(3)

式中,L(λ,T)為光子通量；η為量子效率；光子通量L(λ,T)與輻射出射度Me(λ,T)成正比；由圖1可知,黑體輻射出射度隨溫度呈拋物線變化,溫度越高,黑體輻射出射度越大,L(λ,T)越大。

當溫度變化時,為了保證探測器像元光電二極管工作在半阱區(工作在半阱時的動態范圍最大),紅外成像系統在開機時自動獲取當前溫度下的擋板圖像,通過調節積分時間和探測器增益使光電流工作在半阱。背景溫度升高時,黑體輻射出射度變大,L(λ,T)變大,光電二極管光電流增大,此時為了使探測器像元光電二極管工作在半阱區,紅外成像設備會自動減小積分時間和探測器增益；背景溫度降低時,黑體輻射出射度變小,L(λ,T)變小,光電二極管光電流減小,此時為了使探測器像元光電二極管工作在半阱區,紅外成像設備會自動增加積分時間和探測器增益,這樣,通過調節積分時間和探測器增益,補償由于背景溫度變化而引起的L(λ,T)的變化對噪聲的影響,從而保證探測器像元光電二極管始終工作在半阱區。

因此,從理論上來說,當背景溫度發生改變時,由于積分時間對背景輻射變化的自適應調節作用,探測器像元的噪聲水平應該基本一致。

然而,在實際中,由于探測器混成芯片封裝在保持真空的金屬微杜瓦內,微型真空杜瓦需保持探測器芯片低溫工作溫度,在高低溫情況下,相比室溫,制冷機制冷精度和穩定性都會有所下降,從而影響探測器工作溫度的穩定性,探測器噪聲會有所增加。

綜合以上分析,雖然探測器組件可通過調節積分時間和探測器增益,以適應不同溫度應力下的光通量變化,保證探測器像元在不同溫度應力下的噪聲水平基本一致,但由于制冷機在高低溫極限環境下制冷機控溫精度不穩定,從而導致探測器噪聲在高低溫環境下噪聲略有升高。對于中波成像設備來說,試驗結果顯示,根據環境溫度的不同,相比室溫,高低溫環境下噪聲水平比室溫環境高大約20 %～30 %。

2.2.2 環境溫度對信號傳遞函數SiTF的影響

為保證模擬結果的可靠性，對光滑管從0.5～2.0m/s的入口流速進行模擬，由于研究流體為無相變流體在光滑管管內作強制流動，可將模擬得到的摩擦系數fA與Blasius公式計算理論值對比[9]，從而判定模擬結果的可靠性。結果如表2所示。

根據文獻[5]可知,SiTF隨環境溫度變化關系如下:

(4)

式中,t1,C1為環境溫度T1時的積分時間和積分電容；t0,C0為環境溫度T0時的積分時間和積分電容；T1,T0為環境溫度。

L(T,λ)為溫度為T的黑體的輻亮度,即:

(5)

式中,c1為第一輻射常數；c2為第二輻射常數。

2.2.3 環境溫度對MTF的影響

紅外熱成像系統的MTF主要由光學系統MTF和探測器MTF決定,探測器MTF由像元大小決定,不受環境溫度影響；而光學元件在溫度應力的作用下折射率、膨脹系數等結構參數發生變化,從而引起光學系統MTF發生變化。

環境溫度對光學系統的影響主要表現為光學元件厚度、光學元件折射率、曲率半徑、光學元件之間的間隔以及光學元件面形的變化,所有這些變化都會引起光學系統成像質量的變化。具體可參考資料[6]。

同時,當環境溫度升高時,光學系統受熱,自身輻射增加,引起探測器焦面雜散輻射增加,也會影響光學系統MTF。

綜上所述,當溫度變化時,由于光學元件結構參數、材料折射率、面形等發生變化,造成光學系統離焦、散焦,導致像質降低,環境溫度升高還會造成雜散輻射增加等,從而引起光學系統傳遞函數MTF下降。

在實際的光學系統設計時,需要考慮環境應力對光學元件的以上影響,通過無熱化等設計方法盡可能降低環境溫度對光學系統MTF的影響。

2.3 環境溫度對MRTD的影響建模

根據式(1)可知MRTD與SiTF成反比,與噪聲成正比,與系統MTF成反比,因此,結合環境溫度對三維噪聲Ntvh、SiTF、光學系統MTF的影響分析,可得不同環境溫度下的MRTD關系如下:

MRTD(T1)/MRTD(T0)=

{Ntvh(T1)·MTF(T0)·

(6)

式中,t1,C1為環境溫度T1時的積分時間和積分電容；t0,C0為環境溫度T0時的積分時間和積分電容；T1,T0為環境溫度；MTF(T0)為環境溫度T0時的紅外光學系統傳遞函數；MTF(T1)為環境溫度T1時的紅外光學系統傳遞函數。

需要說明的是,該預測模型基于線性信號處理理論,若系統采用圖像增強等非線性算法,則MRTD測試結果需依據具體算法效果進行修正。

3 試驗驗證

3.1 試驗對象

成像設備技術參數如表2所示。

表2 試驗設備參數

3.2 試驗過程

試驗采用HGH全軍溫紅外整機測試系統(f=1500 mm,口徑250 mm),將成像設備與全軍溫紅外整機測試系統放置于高低溫試驗箱中,成像設備光軸與全軍溫紅外整機測試系統光軸對準,試驗箱溫度分別設置-40 ℃到+50 ℃之間的不同溫度點,到溫保溫2 h后,打開成像設備和全軍溫紅外整機測試系統測試設備,并選擇空間頻率為12 Cycle/mrad的四桿靶,測試MRTD值。試驗現場如圖2所示。

圖2 試驗現場圖

3.3 試驗結果

試驗結果如表3所示。該紅外成像設備采用無熱化設計,在高低溫環境下可以通過補償調焦等方法保持高低溫環境下光學傳遞函數(MTF)不退化,因此在該試驗中,不考慮光學傳遞函數的變化。

表4 各溫度點在3.7～4.8 μm波段內的微分輻射度值

在實際工作中,假定測得某臺紅外成像設備在室溫(環境溫度26 ℃)下,積分時間18.3 ms,積分電容CB時的MRTD,我們就可以預測其他環境溫度下的MRTD值,預測結果及預測誤差如表5所示。

表5 A型成像設備MRTD測試結果與預測結果對比

MRTD試驗結果與預測結果如圖3所示。分析數據,可知A型MRTD預測誤差最大為20 %。

圖3 MRTD試驗結果與預測結果比對

4 結 論

MRTD可用于預測和評價紅外成像系統的外場性能,為評價設備在不同環境溫度下的外場性能,需要采用不同環境溫度下的MRTD值,一般紅外熱成像系統在出廠時只提供室溫下的MRTD值。針對該問題,本文通過理論分析得出了不同環境溫度下的MRTD關系,建立了MRTD隨溫度變化的數學模型,并進行了試驗驗證。本文主要針對中波成像設備進行了理論分析和試驗驗證,對于長波成像設備來說,由于噪聲模型等與中波有所區別,需要做進一步的研究。