红外热像仪性能参数的评价

苏红雨，张宪亮，陈 宇

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

1 引 言

红外热像仪是指通过光学系统、红外探测器及电子处理系统，将物体表面红外辐射转换成可见图像的设备。它具有测温功能，具备定量绘出物体表面温度分布的特点，能够将灰度图像进行伪彩色编码[1]。

随着红外热像仪技术的不断发展，在军事上，广泛应用于军事夜视侦查、武器瞄具、夜视导引、红外搜索和跟踪、卫星遥感等多个领域；在民用上，用于材料缺陷的检测与评价、建筑节能评价、设备状态热诊断、生产过程监控、自动测试、减灾防灾等诸多方面。

针对红外热像仪在军民两个领域的广泛应用，尤其是很多热像仪应用于质量控制、安全检测等场合，直接关系着产品质量和人民群众的生命财产安全，因此建立红外测量系统的定标装置对于红外系统的测量准确度至关重要。

2 红外热像仪的性能参数

评价红外热像仪的性能参数有温度、噪声、信号传递函数SiTF（响应度）、均匀性、噪声等效温差NETD、最小可探测温差MDT、最小可分辨温差MRTD、视场角FOV和焦距、分辨率、系统畸变、系统光学同轴度、调制传递函数MTF[2-3]。

2.1 红外热像仪的温度

以普朗克定律为理论依据，红外图像的伪彩色值与热值满足以下关系式：

式中：I——红外图像的热值；

L——热像仪的热平；

K——热像仪的热范围。

利用红外图像热值与绝对温度的关系，被测物体的温度值t满足以下关系式：

式中：I0=I/τε——实际的热值；

τ——透射率；

ε——物体发射率；

A、B——热像仪标定曲线常数，对于短波系统

C为1。

2.2 噪声

噪声广义上定义为各种源引起的不希望的信号成分。均方根噪声电压可作为产生信噪比为1的输入信号。

对于焦平面阵列噪声N[4]，定义为采集图像中每个像元的标准偏差。

式中：n——采集图像的帧数；

V——焦平面阵列的响应电平。

2.3 信号传递函数SiTF

2.3.1 响应度

响应度函数是固定靶尺寸和变化靶强度的输出/输入的转换，是一个典型的S形状。对直流耦合系统，暗电流（本底噪声）限制最小可探测信号，饱和限制最大可探测信号。其动态范围为最大可测量信号与最小可测量信号之比。

对于焦平面阵列，定义为采集图像中每个像元在高、低两个温度辐射源辐照下的响应电平与温差之比。

2.3.2 信号传递函数SiTF

SiTF是典型的S型响应度函数线性部分的斜率[2-3，5]。而响应度函数是目标尺寸固定而强度变化的输入到输出的转变，提供了待测系统的增益（对比度）、线性、动态范围和饱和度信息。对于扫描DC耦合系统和凝视系统，暗电流（或基底噪声）限制了最小可探测信号，饱和度限制了最大信号，对于这类系统习惯上把输出作为输入绝对值的函数。对于有AGC的AC耦合系统和DC耦合系统，输出信号以平均值为中心，以差分输出信号作为差分输入信号的函数，平均值周围的正负差分输入信号的饱和度由放大器或A/D转换器动态范围的电学特性限制。因此，随增益变化的SiTF，对于不同的系统，不能作为一个好的度量参数。信号传递函数表达式如下：

式中：ΔT——靶标和背景黑体源间的温差；

TTESTAVE——TTEST（λ）的加权平均值；

ΔVSYS——采集卡接收到的电压信号输出，其表

达式如下所示：

式中：TTEST（λ）——平行光管和大气光谱有效透过率；

G——待测热像仪系统增益；

R（λ）——待测热像仪系统响应度函数；

Ad——热像仪有效探测元面积；

f/#——热像仪光学系统f数；

Me（λ，TB）——光谱辐射度；

TSYS（λ）——待测热像仪的透过率；

TTEST（λ）=TCOL（λ）TATM（λ）；

TCOL（λ）——准直系统透过率；

TATM（λ）——大气透过率。

对于实际测试中采集到的信号ΔVSYS，存在一微小的偏差，利用最小二乘多项式拟和出最佳估计值：

如果采集了N个数据点，则有：

最小二乘斜率为SiTF：

由于不同的测试条件和测试设备可能导致SiTF不同，偏值VOFFSET可能是由于未能精确测量背景的温度或目标与其背景之间发射率的不同产生的，也可能是测试期间环境温度的波动产生的，而背景温度可能受环绕性空调空气通道位置和热电子等的影响。由于偏值是一个几乎不被记录的重要比较参数，因此在比较系统测试结果时应予以高度重视。

2.4 均匀性

均匀性表征成像器件各有效像元响应度的一致性，其定义如下：

式中：Vmax、Vmin——分别选定目标靶信号区域像素灰度值的最大值和最小值。一般取75%饱和响应值的条件下测量其均匀性。

2.5 噪声等效温差NETD

噪声等效温差是假定测量源为黑体、大气传输系数为1的情况下定义的实验测量值。

定义为系统基准电子滤波器输出的信号峰值与噪声信号均方根之比为1时，黑体目标与背景的温差，即：

式中：ΔT——靶标和背景黑体源间的温差；

VS、VN——目标信号和噪声信号的响应电平。

2.6 最小可探测温差MDTD

最小可探测温差是热系统灵敏度的实验室测量，包含人的作用。它直接涉及系统的噪声限探测性能，并用于探测预测方法。MDTD是用FLIR观察一个方形（或圆形）目标和均匀背景之间的温差。

2.7 最小可分辨温差MRTD

MRTD是像质的一个主观度量，是实验室内对视觉灵敏度和分辨率的一个综合度量。MRTD是观察者分辨噪声中4条纹图案能力的一个度量，结果取决于观察者的决策，而且结果随训练、运动和视觉能力而变化。视觉灵敏度是眼睛可接收最低信噪比的度量。分辨率的极限与能够真实复现最微小细节相关，因为最小可分辨温度与调制传递函数相反，当MTF→0，MRTD→∞。人眼对空间和时间积分信号有着惊人的能力，最小可分辨温度渐近线的低频段取决于存在的低频噪声量（非均匀性）。低频噪声最小时，最小可分辨温度渐近线趋于零。

2.8 视场角FOV与焦距fsys

计算光学成像镜头焦距fsys，公式如下：

式中：fcollimator——准直光管的焦距；

lLinePair——选择的玻罗板线对间距；

lCCD——对应玻罗板线对间距在CCD上成像的大小。

视场角在测得成像光学系统焦距fsys和CCD有效光敏面的几何尺寸即可计算得到。视场角指成像系统所能观察到的最大垂直和水平角度：

式中：Dx、Dy——分别为CCD器件水平和垂直方向的几何尺寸。

2.9 分辨率

比较通用的有瞬时视场（IFOV）和像分辨率两种。IFOV等于探测器有效尺寸除以成像系统的有效焦长。像分辨率是狭缝响应函数为0.5处狭缝的张角。狭缝响应函数是固定靶的强度和变化靶的张角的输出/输入转换。理想系统，像分辨率是瞬时视场的一半。像分辨率包括系统的光学和电子电路两部分响应，与几何瞬时视场相比更能表征实际系统的响应。

2.10 系统畸变

系统的几何畸变由系统的中心放大率与离心处的放大率的不同而引起，它表示点或线与理想位置偏移的程度，其定义为点源成像的实际位置与理想位置之间的极距除以视场值。畸变由下式得：

由于造成几何畸变的原因是成像的光学系统其中光轴中心的放大率Mo和边缘的放大率Mb不同而造成，因其畸变又用下式表示：

当q>0称为枕形畸变，反之q<0称为桶形畸变。

2.11 系统光学同轴度

视轴对准是指调整系统的成像光学镜头与CCD器件对准一个共同的观察点时,处于系统视场中的同一位置,即镜头的光轴与CCD的光轴重合。

2.12 调制传递函数MTF

用于系统设计、分析和性能说明的基本参数。3D噪声模型参数和MTF[2-3]唯一地确定了系统性能。理论上，狭缝响应函数和对比度传递函数能够由MTF求出。

MTF表示系统或系统元件对一个正弦波输入的振幅响应。作用多数如同低通滤波器的系统元件，MTF描述对比度随频率增加而衰减。

测量MTF的方法要考虑光学和电子信号，它是系统对空间正弦信号的响应。MTF是系统真实地复现景象程度的一个度量。

确定MTF通常有直接法和间接法两种方法。直接法是测量不同正弦靶的响应。间接法由线扩展函数（LSF）的傅里叶变换得到一维MTF。两种方法的利弊：正弦图案在可见光范围易得到，在红外波段则不易；用方（条纹）靶得到对比度传递函数，然后采用一系列数学近似把它转换成正弦响应（MTF）。

调制度M定义为：

式中：Bmax和Bmin定义为最大和最小强度电平。

MTF为：

它是空间频率的函数，其中：Mo——像方调制度；Mi——物方调制度。对比度传递函数是系统对方波的响应，若方波替代正弦波，便得到对比度传递函数。

物方空间频率fx是靶张角的倒数，通常以每毫弧度周期数来度量：

式中：一个周期（一条条纹和一个间隔）的张角由2d/R给出；

2d——一个周期的空间距离；

R——成像系统入射孔经至靶的距离。

用准直仪，R由准直仪焦长fcol代替，位于准直仪焦平面的靶能够在物空间中描述。

3 实验数据及处理

3.1 红外热像仪性能参数测量系统

红外热像仪性能参数测量系统原理如图1所示。标准黑体为标定的大口径热管黑体和温差面源黑体；标准靶标为玻罗靶，十字分划靶，刀口靶，四杆靶，分辨率靶，畸变靶等；标准准直器由平面反射镜（次镜）和离轴反射式抛物面镜（主镜）组成。

对于被测热像仪的本底噪声、响应度、饱和响应、动态范围、均匀性以及温度的检测校准，直接用标准黑体对其进行测量。其他热像仪性能参数的测量需利用图1虚线框中的标准器具。

3.2 实验数据及处理

利用研制的红外热像仪性能参数测试系统，对U314CT红外热像仪进行测量。

3.2.1 热像仪测温准确度

把黑体置于规定的工作距离，使热像仪能清晰成像，准确测温。黑体温度设置为热像仪测温范围每一量程的最高、最低和中点[1]，读出热像仪测得的数据。

图1 红外热像仪性能参数测量系统的原理框图

当t2<100℃，按下式计算：

当t2≥100℃，按下式计算：

式中：θ——准确度；

t1——已知标准黑体温度，单位为摄氏度（℃）；

t2——热像仪测温读数，单位为摄氏度（℃）。

红外热像仪的测温准确度应不超过±2℃或测量值乘以±2%（℃）（取绝对值大者）。标准黑体的发射率ε1=0.99，则被测热像仪的发射系数设为ε2=0.99。被测热像仪温度准确度的测量数据如表1所示。

表1 热像仪温度准确度测量

由此可见，待测热像仪的测温准确度满足GB/T 19870-2005《工业检测型红外热像仪》。

3.2.2 热像仪的特征测温范围

特征测温范围是热像仪在使用同一光学镜头、不改变光栏、不增加滤光片的前提下，可同时测量的最大温度范围，且测温误差满足准确度要求。设定两台精密黑体辐射温度分别到0℃与100℃[1]，将待检热像仪放置在距黑体2 m或最近成像焦距处的平台上，其轴线基本垂直于黑体端面，使两个黑体同时处于同一视场，观察热像仪的成像效果并同时进行温度测量，且测出的温度值满足准确度要求。被测热像仪特征测温范围的测量数据如表2所示。

表2 被测热像仪的特征测温范围

由表2可知，被测热像仪测出的温度值满足准确度要求，且其特征测温范围为100.1℃。3.2.3 热像仪测温一致性

在待测热像仪视场内不同区域温度测量结果的一致性，是热像仪准确反映被测物体表面温度分布的能力。测温一致性的值应不超过±2℃或视场中心区域测量值乘以±2%（℃）（取绝对值大者）。

将热像仪的成像画面等分为9个区域[1]，如图2所示。把黑体置于规定的工作距离，使热像仪能清晰成像，并使面黑体的图像充满视场。设置黑体温度为热像仪测温范围内任一温度，分别选取1～9区域的中心位置为测温点，测量黑体的温度。

表3 被测热像仪的测温一致性

表4 热像仪的噪声等效温差NETD

图2 热像仪成像画面的9个等分区域

当t5<100℃，按下式计算：

图3 热像仪测得的刀口靶图像

当t5≥100℃，按下式计算：

式中：n——第1～9区域；

Φn——测温一致性；

tn——各区域的测温读数；

t5——第5区域测温读数。

被测热像仪测温一致性的测量数据如表3所示。

3.2.4 热像仪噪声等效温差（NETD）

在背景温度为13.7℃的条件下，由式（13）可知待测热像仪的噪声等效温差（NETD）如表4所示。

3.2.5 调制传递函数MTF

利用温差面源黑体和刀口靶产生差分信号ΔT，经离轴反射式抛物面镜反射后，使待测热像仪对刀口靶成像，其图像如图3所示。经采样后，得到边缘扩展函数ESF，再微分得到线扩展函数LSF，如图4所示，最后经过傅里叶变换得到调制传递函数MTF。

图4 热像仪的边缘扩展函数ESF、线扩展函数LSF

待测热像仪的调制传递函数MTF如图5所示。面源温差黑体 ΔT=6℃，DAS=1.125 mrad，ft=45 mm，fcol=1500mm。

3.2.6 红外热像仪的不确定度

根据式（13），得噪声等效温差NETD的相对误差[2，6]：

式中：ΔT——黑体的温度变化值；

VS——信号电平；

VN——均方根噪声电平。

图5 热像仪的调制传递函数MTF

在黑体的温度变化值ΔT、信号VS和噪声VN的不确定度都是随机且相互独立的条件下，则噪声等效温差NETD的不确定度为：

由此可知，随着黑体不确定度dΔT/ΔT的增加而增加。在待测热像仪的测量过程中，设定标准黑体的温度变化值ΔT=4K，稳定时的变化量d（ΔT）=0.001K，待测热像仪为10位A/D转换，则dVS/VS=0.001，dVN/VN=0.001，代入式（27）得：

待测热像仪的等效噪声温差NETD的测量不确定度为 0.28%（k=2）。

4 结束语

为了填补我国红外热像仪性能参数准确测试的空白，中国测试技术研究院建立了测量红外热像仪性能参数检测校准的标准装置，其自动化程度高，放置于暗室，减少了人为的影响，并且拥有全国唯一的国家全辐照基准黑体辐射源，能对用户黑体进行量值传递，实现对红外热像仪性能参数准确的客观评价。目前，国家全辐照基准和红外热像仪性能参数检测校准装置达到国际同类标准的先进水平，在国内处于领先地位。

[1]GB/T 19870-2005，工业检测型红外热像仪[S].北京：中国标准出版社，2006.

[2] Gerald C，Holst. Testing and evaluation of infrared imaging systems （2ndedition） [M]. SPIE Optical Engineering Press，1998.

[3] 杨应槐，译.光电系统设计、分析和测试[M].北京：航天工业总公司第三研究院，2001.

[4] 王 群，朱牡丹，赵 亮.红外探测器参数测试研究[J].红外技术，2006，28（10）：599-601.

[5] 李旭东，胡铁力，岳文龙，等.红外热像仪SiTF的测试研究[J].应用光学，2005，26（5）：21-24.

[6] 钟文辉，李文书，周起勃，等.焦平面热像仪NETD参数的自动测量[J].激光与红外，2006，36（7）：565-567.