熱像儀空間NETD測量技術(shù)

胡鐵力，馬世幫，郭 羽，辛 舟，李四維，解 琪，劉瑞星，范紀(jì)紅，張 玫，謝 毅，劉軍寧

(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065； 2.中國人民解放軍94303部隊(duì)，山東 濰坊 261051)

引言

在熱像儀應(yīng)用中，被廣泛關(guān)注的噪聲有時(shí)間NETD、空間NETD。進(jìn)一步具體分為：高頻時(shí)間噪聲、低頻時(shí)間噪聲(即1/f噪聲)、高頻空間噪聲(即固定模式噪聲FPN)和低頻空間噪聲(非均勻性)[1-5]。時(shí)間域噪聲使紅外成像系統(tǒng)像素視頻電壓隨時(shí)間變化，直觀的表現(xiàn)為，當(dāng)目標(biāo)沒有任何改變時(shí)，熱像儀像素輸出電壓自身隨機(jī)起伏[6]，極端的表現(xiàn)為像素視頻電壓自身隨時(shí)間劇烈變化，導(dǎo)致通過熱像儀視頻無法觀察目標(biāo)?？臻g噪聲使熱像儀像素視頻電壓隨空間變化，直觀的表現(xiàn)為，熱像儀對大面積紅外輻射均勻目標(biāo)成像時(shí)，熱像儀諸多像素彼此之間視頻電壓不一致。極端的表現(xiàn)為像素之間視頻電壓相差很大，導(dǎo)致通過熱像儀視頻無法觀察目標(biāo)。熱像儀的空間噪聲包括空間低頻噪聲和空間高頻噪聲，空間低頻噪聲是熱像儀圖像出現(xiàn)的較大面積非均勻性分布，是對光學(xué)缺陷(暗斑、污點(diǎn)或瑕疵)的一個(gè)衡量指標(biāo)，也包括冷反射造成的視頻圖像不均勻?？臻g高頻噪聲是由熱像儀像素之間的偏壓、光譜響應(yīng)率等因素差異產(chǎn)生的，使熱像儀每個(gè)像素的亮度隨空間分布顯著不一致，影響視頻圖像細(xì)節(jié)分辨。由于這種將紅外成像噪聲分為空間和時(shí)間噪聲來研究和評估紅外成像噪聲的模型科學(xué)易于理解和評估，因此已經(jīng)被國際紅外成像技術(shù)領(lǐng)域廣泛接受和使用。因?yàn)闀r(shí)間域低頻噪聲會(huì)影響固定模式噪聲，使得固定模式噪聲在熱像儀開機(jī)校準(zhǔn)后還會(huì)緩慢變化。工程上習(xí)慣稱呼的非均勻性校準(zhǔn)，其實(shí)包括對低頻空間噪聲、高頻空間噪聲的同時(shí)校準(zhǔn)。對于非制冷紅外凝視陣列型熱像儀尤其需要定時(shí)校準(zhǔn)。

凝視陣列型熱像儀已成為陸?？哲娪眉懊裼妙I(lǐng)域的主流，針對凝視陣列型熱像儀科研、生產(chǎn)中對其空間噪聲測量需求，采用先測量熱像儀信號傳遞函數(shù)(SiTF)，再測量空間噪聲的技術(shù)途徑來得到熱像儀的空間NETD。

1 測量設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常用的熱像儀參數(shù)測量裝置，主要包括紅外準(zhǔn)直輻射系統(tǒng)、圖像數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)、靶標(biāo)溫度測控系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)測控軟件系統(tǒng)等部分，如圖1所示。

將熱像儀圖像輸出端口與熱像儀參數(shù)測量設(shè)備[7-8]中的視頻圖像采集系統(tǒng)輸入端連接，如圖1所示。如果熱像儀參數(shù)測量設(shè)備中有背景黑體，則設(shè)置背景黑體溫度于用戶方要求的溫度下；若熱像儀參數(shù)測量設(shè)備無背景黑體，則以高發(fā)射率靶標(biāo)溫度(等于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度)為背景溫度。

圖1 熱像儀參數(shù)測量用設(shè)備Fig.1 Facility for evaluating infrared thermal imager

2 SiTF測量

首先測量與熱像儀的NETD測量相同的增益、電平及背景溫度條件下熱像儀的SiTF。SiTF定義為熱像儀的輸出信號與輸入信號的函數(shù)關(guān)系。輸入信號一般規(guī)定為目標(biāo)黑體和背景黑體之間的溫差，輸出信號為熱像儀輸出的視頻電壓差。SiTF等于被測量熱像儀觀察窗口型靶標(biāo)時(shí)其輸出電壓相對于輸入溫差的斜率，一般在一定溫度范圍內(nèi)對測量不同溫差時(shí)熱像儀的輸出視頻電壓差，再用最小二乘法采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到熱像儀的SiTF。

測量熱像儀的信號傳遞函數(shù)時(shí)，其計(jì)算公式可以表示為

(1)

式中：ΔU為被測熱像儀的視頻電壓差；φ為熱像儀參數(shù)測量設(shè)備的儀器常數(shù)；ΔT為熱像儀測量設(shè)備中目標(biāo)黑體與背景黑體(靶標(biāo))的熱力學(xué)溫差，即黑體溫度測控儀器顯示的溫差。(1)式中的φ·ΔT就是被測熱像儀實(shí)際得到的紅外輻射溫差。

3 空間NETD測量

3.1 空間NETD測量參數(shù)設(shè)置及圖像采集

采用大開口靶標(biāo)或者空靶測量熱像儀空間NETD。將測量設(shè)備溫差設(shè)置為零，此時(shí)熱像儀將接受均勻的目標(biāo)黑體的紅外輻射。設(shè)定被測熱像儀的采樣幀數(shù)，一般設(shè)置采樣熱像儀視頻幀數(shù)大于或等于100，以利于下一步剔除時(shí)間噪聲，只留下需要測量的熱像儀空間噪聲。

待黑體溫度穩(wěn)定，溫差達(dá)到零后，按采樣幀數(shù)，連續(xù)采集被測熱像儀的視頻圖像，存入計(jì)算機(jī)供下一步分析計(jì)算空間噪聲。

3.2 某一像素的視頻幀序列分布平均值

對采集到的熱像儀視頻圖像進(jìn)行分析計(jì)算，首先選中欲分析的一組像素(或整個(gè)紅外圖像)，如圖2中虛框所示。圖2中左側(cè)為像素視頻電壓差三維分布坐標(biāo)軸示意圖，其中H、V為像素空間平面分布坐標(biāo)軸，表示為i、j；T為沿視頻幀數(shù)坐標(biāo)軸,表示為k,圖中k=1，2，…，F(xiàn)。對于所采集的F幀視頻圖像，第k幀圖像中第i行、第j列像素視頻電壓差表示為U(k,i,j)。

圖2 一幀圖像取代一組像素中每個(gè)像素電壓取幀序列平均值后所采集的各幀圖像Fig.2 One frame video replaces grabbed sequence video after video signals of every pixel in interesting block being averaged

對一組像素(或整個(gè)熱圖像)中某一像素取幀序列分布平均值 ，按(2)式計(jì)算：

(2)

3.3 一組像素(或整個(gè)圖像)中像素視頻電壓差幀序列平均值隨空間分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差SVH

由一組像素(或整個(gè)圖像)中的像素視頻電壓差幀序列平均值隨空間分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差SVH，得到該組像素(或整個(gè)熱圖像)的空間噪聲電壓值。按貝塞爾公式可計(jì)算一組像素(或整個(gè)熱圖像)中像素視頻電壓差幀序列平均值隨空間分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差SVH：

(3)

(4)

3.4 一組像素(或整個(gè)圖像)的空間噪聲等效溫差

為直觀表達(dá)熱像儀的空間噪聲，紅外工程領(lǐng)域習(xí)慣將噪聲換算為目標(biāo)的溫差。熱像儀空間噪聲等效溫差按(5)式計(jì)算[9]：

(5)

式中：NETDSpatial為測量區(qū)域的空間噪聲等效溫差； SiTF為與測量NETD時(shí)相同增益、電平、背景溫度條件下熱像儀的信號傳遞函數(shù)，單位mV/℃。

在測量過程中，由于熱像儀視場中心的余弦效應(yīng)小、像質(zhì)好，而且壞像素少，因此視場中心區(qū)域的空間噪聲也相對較小[10]。

3.5 測量熱像儀空間NETD注意事項(xiàng)

為了實(shí)現(xiàn)熱像儀空間NETD的準(zhǔn)確測量，應(yīng)注意以下方面：

1) SiTF、空間NETD均在相同的固定增益、電平條件下測量；

2) 為提高噪聲測量準(zhǔn)確度，需將熱像儀的增益設(shè)置為較大值；

3) 測量熱像儀空間NETD過程中，若非默認(rèn)積分時(shí)間，應(yīng)注明熱像儀的積分時(shí)間；

4) SiTF、空間NETD均在相同的背景溫度下測量，并在測量結(jié)果中注明背景溫度值；

5) 測量結(jié)果中應(yīng)注明所選取的一組像素的位置以及所選取的一組像素占整幅圖像的比例；

6) 測量結(jié)果中應(yīng)注明實(shí)驗(yàn)室溫濕度。

4 測量不確定度

測量熱像儀空間噪聲等效溫差的合成不確定度uc計(jì)算公式為

表1 熱像儀空間噪聲等效溫差的測量不確定度Table 1 Measurement uncertainty of spatial NETD of thermal imager

說明：以上不確定度分量彼此不相關(guān)。

5 測量結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室測量某制冷型MCT 320×256 凝視陣列熱像儀參數(shù)，該熱像儀工作波段為7.7 μm～10.3 μm，測量其小視場下的空間NETD。其增益范圍：0～15，電平范圍：0～31，設(shè)置熱像儀固定增益為12，電平為15。視頻幀取樣數(shù)為125，取樣區(qū)域像素占整個(gè)FOV像素的1/2。

從測量結(jié)果可以看出，熱像儀探測目標(biāo)的背景溫度不同，熱像儀空間噪聲不同，原因是熱像儀一點(diǎn)或多點(diǎn)非均勻性校正所選取的溫度點(diǎn)不同。視場中心空間噪聲較小，原因是視場中心壞像素少，且像質(zhì)優(yōu)于其他區(qū)域。

表2 空間NETD測量結(jié)果Table 2 Spatial NETD measuring results of thermal imager

6 結(jié)論

分析了空間高頻噪聲、空間低頻噪聲、時(shí)間域高頻噪聲、時(shí)間域低頻噪聲之間的區(qū)別。介紹了背景溫度可控型熱像儀參數(shù)測量設(shè)備測量熱像儀SiTF、NETD參數(shù)的數(shù)學(xué)模型和測量方法，著重介紹了熱像儀某一組、某一區(qū)域或全部像素如何剔除時(shí)間域NETD，再通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到其空間NETD的數(shù)學(xué)模型。強(qiáng)調(diào)了空間NETD的測量條件及注意事項(xiàng)，給出了測量熱像儀某一組像素或全部像素空間NETD的測量不確定度，列舉了某制冷型熱像儀在不同背景溫度下不同區(qū)域像素的空間NETD測量結(jié)果。本文中的方法可以準(zhǔn)確測量出熱像儀空間NETD，評估空間噪聲對熱像儀性能的影響。

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