紅外成像系統(tǒng)NETD客觀測量方法研究

徐立偉,李 強,程高峰

(陸軍裝甲兵學院兵器與控制系,北京 100072)

1 引 言

隨著紅外技術的不斷發(fā)展成熟,紅外成像系統(tǒng)的應用范圍也越來越廣,國防、工業(yè)、交通、民用等多個領域的寬泛應用更是促進了紅外成像技術的發(fā)展,隨著紅外技術的成熟應用,紅外成像系統(tǒng)使用的時間不斷增長,紅外成像系統(tǒng)可能會出現(xiàn)一些相應的老化故障。針對紅外成像系統(tǒng)的幾個重要指標進行測試,找出相應的故障是目前主要的檢測方式。

近些年來,大量學者對NETD的測量進行了研究,文獻[1]設計了一種NETD參數(shù)自動測量的算法但是測量過程只應用一組測量值,文獻[2]研究了影響NETD測量的幾種因素,文獻[1]和文獻[2]都運用模擬信號,沒有用真實的數(shù)字信號。文獻[3]將數(shù)字信號與模擬信號處理進行對比,文獻[4]對幾種非線性處理對于NETD的影響進行了研究,文獻[5]對于整個紅外成像系統(tǒng)檢測平臺進行了詳述但是沒有詳述操作步驟和注意事項。文獻[6]對SiTF的測試方法進行研究對NETD的測量有一定的研究意義。文獻[7]對NETD測量進行了研究,其測量方法中計算量較大,沒有分析主要的誤差原因。

NETD作為評價紅外成像系統(tǒng)的重要指標,可以用于預測極限溫差下的觀測距離,對于戰(zhàn)術指標的檢測有著極為重要的作用。本文從NETD的測試理論、數(shù)學模型入手,簡要介紹了兩種NETD測量方法。從NETD的測量方法入手分析整個測量過程,優(yōu)化SiTF參數(shù)測試方法。對某型紅外熱像儀在兩種環(huán)境溫度條件下的測量表現(xiàn)對比分析,為野外環(huán)境下的測量提供理論依據(jù)。

2 噪聲等效溫差NETD及其測試理論

2.1 噪聲等效溫差

NETD是指紅外熱像系統(tǒng)在觀察特定的圖像靶標時,視場中心的輸出信號與均方根噪聲兩者之比為一時,實驗靶標目標區(qū)域與背景區(qū)域的溫差。根據(jù)定義,NETD的測試方程可以有下列兩種表達方式:

(1)

或者

(2)

其中,ΔT是目標與背景的溫度差；S為信號；σ為均方根噪聲；SiTF為信號傳遞函數(shù)。

目前國內各大科研機構相繼引進國外的紅外成像系統(tǒng)整機測試設備,其中主要有美國SBIR、Optikos、EOI公司、法國HGH公司、以色列CI公司的測試產(chǎn)品。現(xiàn)階段利用以上公司測試產(chǎn)品主要應用兩種方法進行測試:(1)利用特定靶標進行測試,控制黑體與靶標的溫差以獲得信號S,選定信號區(qū)域或者背景區(qū)域來獲得σ,黑體顯示溫差為ΔT,通過公式(1)求得NETD；(2)通過黑體的溫度變化控制溫差,來獲得不同溫差下的溫差信號,得到相應的關系函數(shù)SiTF,在信號區(qū)域或者背景區(qū)域求取σ,通過公式(2)獲得NETD測量值。

2.2 信號傳遞函數(shù)(SiTF)

目標靶標尺寸固定,目標的強度可變時,我們就可以得到響應率函數(shù),其線性區(qū)域的斜率就是信號傳遞函數(shù)。對于SiTF測量,通過視頻采集卡對圖像進行采集,通過控制不同溫差獲取相應圖像進行處理,獲取所需要的數(shù)據(jù)。對獲取數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合,最佳擬合式如式(3)所示:

(3)

其中,N為測試數(shù)據(jù)的個數(shù)；ΔVi是紅外系統(tǒng)輸出電壓值；ΔTi是目標與背景之間的溫差值。

2.3 三維噪聲模型

在噪聲等效溫差的測量中,噪聲的測量準確性有著決定性作用。空間噪聲的測量、時間噪聲的測量等促進了噪聲等效溫差的測量,目前較為常用的是美國陸軍夜視和電子傳感委員會提出來的三維噪聲模型。利用三維噪聲模型進行評估,噪聲等效溫差、固定圖案噪聲、背景不均勻性在三維噪聲模型中都能得以考慮,將多種噪聲分成7個分量來進行處理。所以本文仍采用三維噪聲模型對噪聲等效溫差進行分析測量。

對每一幀圖像都計算噪聲,共采集L張圖片,在每幀圖像已選區(qū)域內,選擇背景區(qū)域的M×N個像元,取得了L幀圖像中的M×N×L個點,用于計算噪聲均方根值。

其中M×N×L個像元的平均值為:

(4)

第k0幀上M×N個像元的平均值為：

(5)

第j0列上M×L個像元的平均值為:

(6)

第i0行上N×L個像元的平均值為:

(7)

第i0行、j0列上L個像元的平均值為:

(8)

第i0行、k0幀上N個像元的平均值為:

(9)

第j0列、k0幀上M個像元的平均值為:

(10)

紅外成像系統(tǒng)的噪聲均方根值為:

(11)

由噪聲均方根VRMS和信號傳遞函數(shù)SiTF可得噪聲等效溫差NETD。

3 噪聲等效溫差測試環(huán)境搭建及測試

3.1 實驗環(huán)境搭建

紅外成像系統(tǒng)的NETD測試需要紅外目標源、平行光管、數(shù)字視頻采集設備、NETD計算軟件和監(jiān)視器,實驗原理如圖1所示。

圖1 NETD測試原理圖Fig.1 Diagram of the NETD testing

其中可控黑體和目標靶組成紅外目標源,一般采用圓形方孔靶標或者半月靶。黑體大小、均勻性、控溫精度和分辨率影響NETD的測試精度,采用大靶標測量同樣可以減少NETD的測量數(shù)據(jù)誤差,所以我們采用的靶標要求要占紅外成像系統(tǒng)視場三分之一以上。數(shù)字視頻采集設備精度不低于紅外成像系統(tǒng)數(shù)字視頻采集卡的采集精度。

3.2 測試方法

為了滿足野外復雜環(huán)境,短時間內測量大量配備設備,獲取更加精確的測量數(shù)據(jù)。對第二種方法進行了優(yōu)化,在保證精度的基礎上,縮短每一臺設備的測量時間。具體方法如下:

首先將黑體溫差調至所需要的最高負溫差,隨后將溫差調至最大正溫差。因為黑體控溫電路穩(wěn)定,變溫速度恒定,在黑體變溫的過程中,采集不同溫差下的幀圖像,圖像處理之前,對每幀圖像進行圖像分割,選擇一塊固定區(qū)域,區(qū)域內包含背景區(qū)域和信號區(qū)域,兩區(qū)域像元數(shù)基本一致。

通過水平sobel算子對區(qū)域進行邊緣檢測。通過邊緣識別,可以確定信號區(qū)和背景區(qū)的分界線,求取信號區(qū)域和背景區(qū)域的像素灰度均值,以獲得固定溫差下的溫差信號S,進而獲取SiTF。以其中的背景區(qū)(或信號區(qū))計算噪聲均方根VN。噪聲包括時間噪聲和空間噪聲。利用邊緣識別出的背景區(qū)域計算噪聲VRMS,代入公式(2),計算出NETD的值。

由于采用計算機邊緣識別,在黑體變溫過程中進行幀圖像采集,縮減了采集時間,對于單黑體紅外檢測設備,極大的減少了環(huán)境所造成的影響,減少了人為操作,在對大規(guī)模配備的紅外熱像儀檢測方面,有著顯著的促進作用,提高了檢測效率。

3.3 測試數(shù)據(jù)分析

將某型紅外熱像系統(tǒng)為研究對象,對其進行NETD參數(shù)測試,由于是單黑體控溫,測得環(huán)境溫度為27 ℃,測量靶標溫差為-4～2 ℃時的數(shù)據(jù),每間隔0.5 ℃,進行一次幀圖像采集。同理在環(huán)境溫度為25 ℃時,進行圖像數(shù)據(jù)收集,將溫度差值ΔT和其對應的信號灰度值通過最小二乘擬合,得出兩次的信號傳遞函數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 信號傳遞函數(shù)測量曲線Fig.2 Testing curve of SiTF

從信號傳遞函數(shù)圖像來看,檢測區(qū)間都處于線性區(qū)域,實驗測得SiTF分別為29.7978 Cnts/K和30.008 Cnts/K。基于三維噪聲模型,我們對每個測試點的圖像進行處理,在選中區(qū)域內的背景部分(也可取信號部分)進行數(shù)據(jù)收集測量,分別測得每個溫差點的三維噪聲均方根,通過公式(2),對兩種環(huán)境溫度下每個溫差值時的NETD數(shù)值進行計算,數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 NETD測量結果

如圖3所示,測量結果基本一致,數(shù)據(jù)分布較穩(wěn)定。背景溫度為25 ℃時NETD測量平均值為56.95 mK,背景溫度為27 ℃時NETD測量平均值為53.72 mK。該紅外成像系統(tǒng)標稱值NETD≤50 mK。

圖3 噪聲等效溫差測量曲線Fig.3 Testing curve of NETD

3.4 誤差分析

噪聲等效溫差NETD是紅外成像系統(tǒng)性能評價的重要參數(shù),在現(xiàn)階段,實驗室條件下的NETD測量日漸成熟。野外復雜環(huán)境下的NETD測量仍存在重點難點,能穩(wěn)定的測量NETD是一直追求的目標。針對該測量設備在兩次不同背景溫度下的測量結果與出廠標稱值存在一定誤差,主要從以下四方面進行誤差分析:

(1)式(1)中的溫度差為熱成像系統(tǒng)入瞳處目標和背景的表觀溫度差,平行光管中的黑體發(fā)射率并沒有達到理論黑體的100%。紅外波長的光在折反射平行光管中的傳輸過程中也有一定的損耗,需要參數(shù)加以修正,即能量損失,在實驗室條件下的參數(shù)大約在0.85～0.95范圍內。

(2)為了更貼切使用環(huán)境,該紅外熱像系統(tǒng)是經(jīng)過一段時間的使用之后,特別是在野外應用過的情況下,再對其進行相應的測試,因此該紅外熱像設備可能存在無效像元,在信號區(qū)域或者背景區(qū)域測量噪聲均方根時,會導致噪聲均方根數(shù)值偏大,根據(jù)式(2)測得的噪聲等效溫差數(shù)值與標稱值有一定偏差。

(3)熱成像系統(tǒng)所接受的信號是目標與背景之間的輻射差值,不同的目標溫度,不同背景溫度對應不同的輻射差值。熱像儀處在較高的背景溫度下,系統(tǒng)噪聲可能會有增加,從而導致熱像儀NETD的測量值隨環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生變化。

(4)紅外成像系統(tǒng)對于不同大小的目標靶標有著不同的響應度,在10個DAS與10%視場間選擇合適的測試靶標可以獲得最大的響應率。在對該紅外成像設備進行測量的過程中,在選擇上有所偏差,沒有達到最理想的效果。

4 結 論

針對紅外熱像系統(tǒng)的噪聲等效溫差參數(shù)測試進行研究,在三維噪聲模型的基礎上,對于測量過程和算法處理方面進行優(yōu)化,對兩種不同溫度下的NETD進行測試并與出廠參數(shù)標準進行對比,由于要實現(xiàn)紅外成像測量的工程化、測量設備的簡單化,雖然NETD的測量值與標準值、實驗室條件下測量值有所出入,但是數(shù)據(jù)穩(wěn)定,有較好的相似度。通過影響因子的修正,可以有效的促進NETD大規(guī)模即時測量方法的發(fā)展,研究結果對紅外熱像系統(tǒng)的工程化評價也有一定的實用價值。