红外热像仪性能参数检测系统校正方法研究

宿军，王劲松，李延风，刘斯尧

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

近几十年来，红外热像仪以其隐蔽性好、具有穿透烟、雾、雨、雪等限制以及可实现远距离全天候观察等优点，在侦查、导航、气象、医学热诊断、工业设备等诸多领域得到广泛应用，推动了国家经济建设的发展。随着红外热像仪研发和生产的日益更新，对相应的系统性能测试提出了更高的要求，其各项参数的检测也愈发重要，红外热像仪性能参数检测系统，控温准确，快速，能够完成最小可分辨温差［1］、最小可探测温差等红外热像仪重要性能参数的测试。系统校正方法的研究。很好地解决了测试系统标定的技术问题。对获得准确的、等指标测试数据，降低测试系统自身特性的影响，具有十分重要的意义。

1 检测系统工作原理及测量参数

1.1 工作原理

检测系统工作原理如图1所示。靶标位于准直仪的焦面上，模拟无穷远目标，使热像仪接收到近似于无穷远目标的平行光束。可变温差目标发生器为热像仪提供一个均匀可调的目标-背景温差，经过反射式准直仪辐射到热像仪视场内，使靶标在热像仪视频图像上呈现一定对比度的图案，增加减小温差可使图案对比度增加或减小。通过热像仪视频图像实现对MRTD/MDTD、光轴一致性等参数的精确测试。

图1 检测系统工作原理图

1.2 检测参数

国标中规定用于评估红外热像仪性能的参数主要有零位走动量［2］、最小可分辨温差（MRTD）［3］、最小可探测温差（MDTD）［4］、噪声等效温差（NETD）和调制传递函数（MTF）。其中MRTD是综合评价红外热像仪的核心参数，是能表征红外热像仪热灵敏度和高频极限分辨力的综合度量。MDTD是一种能与受噪声限制的野外探测性能相关的参数［5，6］。

用于MRTD温差判读的靶标采用四杆靶形式，红外热像仪的MRTD为：

测量时，目标温度比背景温度高时（白杆），称为正温差ΔT1，目标温度比背景温度低时（黑杆），称为负温差ΔT2，取其绝对值的平均值。

MDTD的测试原理与MRTD类似。不同的是靶标形式采用圆孔靶。红外热像仪的MDTD为：

测量时，通过调节面源黑体温度，使目标温度逐渐高于背景温度，当观察亮圆斑时的温差，称之为正温差ΔT1′。继续降低温差，直到暗圆斑出现，称之为负温差ΔT2′，其中K是系统校正系数。该系统校正的量值传递基准是铂电阻温度计（二级标准），经过标准黑体对扫描辐射计进行校正，再用校准合格的辐射计对热像仪整机性能测试系统进行校正。

2 校正系统设计

2.1 系统校正系数

系统黑体源辐射的是物理温差，经平面反射镜、抛物面镜反射后平行投射于热像仪，这过程中由于大气衰减、反射损失等因素，最后热像仪接收到的辐射能将减弱，也就是接收到辐射温差。辐射温差与物理温差之间的比值（测试很多组数据，再用最小二乘法计算斜率）即为系统校正系数。这个系数K经校正后，即可长期使用。

2.2 系统设计

基于准直光学系统的MTF、透射比及面源黑体发射率的影响，检测系统测量前需要进行系统校正标定。系统校正示意图如图2所示。设备配置图如图3所示。

图2 系统校正示意图

图3 校正系统布局图

3 校正结果与讨论

进行系统较正，首先将四杆靶温差（物理温差）通过热源控制器降至-8℃（注：最大负温差不能低于黑体辐射温差表的下限，最大正温差不能高于黑体辐射温差表的上限），使用经标定的辐射计，在±1.5°角范围内，对其进行扫描。得到如图4结果。改变温差，测得不同温度（物理温差）下的靶标温差。得到一系列具有四个波峰，三个波谷的温度分布曲线。

图4 温度分布曲线图

对于负温差，将温度分布曲线中四个波峰温度（最小值）取算术平均Tf，再将三个波谷温度（最大值）取算术平均Tg，则Tf-Tg即为该物理温差下的辐射温差。对于正温差，将温度分布曲线中的四个波峰温度（最大值）取算数平均得Tf，再将三个波谷温度（最小值）取算术平均Tg，则Tf-Tg即为该物理温差下的辐射温差。其测试数据表如表1所示。

表1 物理温差与辐射温差测试数据表

由表1中温差数据可知，以物理温差为横坐标，辐射温差为纵坐标，采用最小二乘方法对这些数据进行线性拟合，拟合曲线如图5所示。

图5 系统校正系数拟合曲线

由拟合结果计算可知，K=0.864。得到校正系数后，代入计算公式中，进行系统修正。即可求得被测红外热像仪的MRTD和MDTD参数。完成测试设备的全部校正。

4 结论

红外热像仪各项性能参数的测试离不开红外成像系统性能测试系统。测试系统校正系数的标定是进行红外成像系统各参数测试的基础，本文针对红外热像仪性能参数检测系统的系统校正问题，进行了研究和探讨。分析了采用高精度成像式红外测温仪测温的系统校正方法，通过测试实验获得了系统校正系数。实验结果表明该方法可满足仪器常数的标定测试要求。能够很好解决检测系统校正的技术问题。对于红外热像仪的应用具有重要的现实意义和应用价值。

参考文献

［1］ 王东伟，张旭升.红外热像仪最小可辨温差客观评测技术［J］.红外与激光工程，2010，39（4）：611-613.

［2］ 王偲姣，安志勇，王劲松，等.零位走动量测量的微动对零读数细分机构研究［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2010，33（04）：58-61.

［3］ 王晶，纪明，敬鸣，等.动态红外成像系统MRTD的测试与分析［J］.激光与红外，2013，43（5）：526-531.

［4］ Bodoff，David.Test theory for evaluating reliability ofIR testcollections［J］.Information Processing and Management，2008，44（5）：1117-1145.

［5］ 卞江，马冬梅，孙鸽.红外光电成像系统MTF测试技术分析［J］.应用光学，2013，34（5）：748-753.

［6］ 陈振兴.红外成像系统MRTD测试技术研究［D］.长春：长春理工大学，2011.