紅外技術(shù)第十七次課

1、第十七次課第五章熱成像系統(tǒng)5.8熱成像系統(tǒng)性能的綜合量度對(duì)熱成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)性能的綜合量度是溫度分辨率。描述溫度分辨率的參數(shù)有三種，即噪聲等效溫差（NETD）、最小可分辨溫差（MRTD）和最小可探測(cè)溫差（MDTD）。下面分別作一討論。5.8.1 噪聲等效溫差（NETD）一、NETD的定義用熱成像系統(tǒng)觀察標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)圖案，圖案上的目標(biāo)與背景之間能使基準(zhǔn)化電路輸出端產(chǎn)生峰值信號(hào)與均方根噪聲之比為1時(shí)的溫差，稱為噪聲等效溫差一一NETD。NETD是表征熱成像系統(tǒng)受客觀信噪比限制的溫度分辨率的用來(lái)測(cè)量NETD的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)圖案上圖所示。目標(biāo)與背景均為黑體，目標(biāo)寬度W為熱像儀分辨元的數(shù)倍，TtTb0為了標(biāo)準(zhǔn)化

2、和便于系統(tǒng)間進(jìn)行比較起見(jiàn)，在系統(tǒng)電路上外接一個(gè)作通頻帶校正用的電濾波器，使全部電路（包括外接電濾波器）的總傳遞函數(shù)為基準(zhǔn)化電路的傳遞函數(shù)。二、NETD的表達(dá)式NETD是按下式計(jì)算：NETDVs /Vn(5-166)式中，Vn是基準(zhǔn)電路輸出的噪聲的均方根值，Vs是目標(biāo)與背景之間溫差為T時(shí)基準(zhǔn)電路輸出端目標(biāo)信號(hào)與背景信號(hào)之差（一）單元光機(jī)掃描方式的NETD推導(dǎo)過(guò)程是，先求出熱像儀分辨元接收到的輻射功率，再求出由于目標(biāo)與背景溫差引起的接收功率的差異，繼而求得信號(hào)電壓的變化量及信噪比，最后由式（5-166）得到NETD。推導(dǎo)可得NETD,ab f'R-C2oD*( p)f pTb2W (Tb

3、)d1(K)式中，a、b為探測(cè)器尺寸；f%是基準(zhǔn)化電路的噪聲等效帶寬；、為瞬時(shí)視場(chǎng)角；。為光學(xué)系統(tǒng)平均透過(guò)率；D*（p）為探測(cè)器峰值響應(yīng)度；為峰值響應(yīng)頻率；（二）其他掃描方式的NETD1）、對(duì)于多元申掃方式，由于N個(gè)元件的信號(hào)線性相加，而噪聲的均方根值只增大可倍,則信噪比相對(duì)單元探測(cè)器提高到JN倍，即TT1.NETD串；=NETD單（Vs/Vn）串VN（Vs/Vn）單VN2）、對(duì)于多元并掃方式，其NETD與單元掃描NETD的差別在于表達(dá)式中JTT的具體結(jié)果有所不同。在白噪聲時(shí)，多元并掃并行傳送方式的，71比單元掃描方式多乘因子1/JN;多元并掃多路轉(zhuǎn)換方式的比單元掃描方式多乘因子Jmo3）、凝

4、視方式與單元方式有相同的jfR。?綜上所述，在幀速F相同的條件下，用掃及并掃并行傳輸方式比單元掃描時(shí)降低了NETD,其原因分別在于提高了信噪比或減小了帶寬，并掃多路轉(zhuǎn)換方式使NETD增大為Jm倍，由此換取了高的信息速率。（三）NETD與系統(tǒng)性能參數(shù)的關(guān)系在其他參數(shù)確定時(shí)，NETD可寫為?,FNETD?幀頻F及瞬時(shí)視場(chǎng)角是表征一個(gè)熱成像系統(tǒng)性能的三個(gè)主要特征參數(shù)，分別反映了系統(tǒng)的溫度分辨率、信息率及空間分辨率。易見(jiàn)，這三個(gè)特征參數(shù)在性能要求上是相互矛盾的，即存在制約關(guān)系，比如要減小NETD,就要犧牲空間分辨率降低信息率。（四）NETD的局限性NETD作為系統(tǒng)性能的綜合量度有一些不足之處：1）、N

5、ETD的測(cè)量點(diǎn)是在基準(zhǔn)化電路的輸出端。由于從電路輸出端到終端圖像之間還有其他子系統(tǒng)（如顯示器），因而NETD并不能表征整個(gè)系統(tǒng)的性能。2）、NETD反映的是客觀信噪比限制的溫度分辨率，但人眼對(duì)圖象的分辨效果與視在信噪比有關(guān)。NETD并沒(méi)有考慮視覺(jué)特性的影響。3）、單純追求低的NETD值并不意味著一定有好的系統(tǒng)性能。例如，增大工作波段的寬度，顯然會(huì)使NETD減小。但在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，可能會(huì)由于所接收的日光反射成分的增加，使系統(tǒng)測(cè)出的溫度與真實(shí)溫度的差異增大。表明NETD公式未能保證與系統(tǒng)實(shí)際性能的一致性。4）、NETD反映的是系統(tǒng)對(duì)低頻景物（均勻大目標(biāo)）的溫度分辨率，不能表征系統(tǒng)用于觀測(cè)較高空間額

6、率景物時(shí)的溫度分辨性能。因此，NETD作為系統(tǒng)性能的綜合量度是有局限性的。但是NETD這個(gè)量概念明確，測(cè)量容易，目前仍在廣泛采用。尤其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，采用NETD作為對(duì)系統(tǒng)諸參數(shù)進(jìn)行選擇的權(quán)衡標(biāo)淮是有用的。5.8.2 最小可分辨溫差（MRTD）一、MRTD的概念MRTD是一個(gè)作為景物空間頻率函數(shù)的表征系統(tǒng)受視在信噪比限制的溫度分辨率的量度。MRTD的測(cè)試圖案如下圖所示。目標(biāo)為四條帶圖案，高度為寬度W的7倍，目標(biāo)與背景均為黑體。由成像系統(tǒng)對(duì)某一組四條帶圖案成像，調(diào)節(jié)Tt相對(duì)Tb的溫差，從零逐漸增大，直到在顯示屏上剛能分辨出條帶圖案為止。此時(shí)的溫差就是在該組目標(biāo)基本空間頻率下的最小可分辨溫差。分別

7、對(duì)不同基頻的條帶圖案重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程，可得到MRTD（）曲線。、MRTD的表達(dá)式推導(dǎo)MRTD的作法是根據(jù)圖案持點(diǎn)及視覺(jué)特性,將客觀信噪比修正成視在信噪比，從而得到與圖案測(cè)試頻率有關(guān)的在極限視在信噪比下的溫差值，即MRTDo對(duì)均勻大目標(biāo)圖案，有NETD(S/N)測(cè)(S/N)測(cè)TNETD對(duì)測(cè)量信噪比進(jìn)行修正，得到視在信噪比為令V部h式中，h為修正因子，其中包含了成像系統(tǒng)MTF的條帶基頻修正、人眼空時(shí)積分效應(yīng)修正等。推導(dǎo)得到(S/N)V1.52NETDHs(fT)'.FTe人眼對(duì)條帶圖案進(jìn)行分辨的效果與視在信噪比有關(guān)。溫差T愈小，信號(hào)及視在信噪比也愈小。當(dāng)視在信噪比低到某極限值時(shí)的T即為MR

8、TDo極限視在信噪比與分辨概率有關(guān)。研究和實(shí)驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)是：當(dāng)要求分辨概率不低于50%時(shí)，需視在信噪比大于2.25,當(dāng)要求分辨概率高于90%時(shí)，需視在信噪比大于4.5。令極限視在信噪比為5K(P)NVminP是所要求滿足的分辨概率值。由此，即得到MRTD為K(P)NETD,fTMRTD1.52?Hs(fT),FTe當(dāng)系統(tǒng)的諸設(shè)計(jì)參數(shù)已確定時(shí)，MRTD僅是圖案中的目標(biāo)基頻的函數(shù)，可寫作MRTD(fT)Af1Hs(二)MRTD的有用之處在于：MRTD綜合描述了在噪聲中成像時(shí)對(duì)目標(biāo)的空間及溫度分辨能力。MRTD存在的問(wèn)題主要是；它是一種帶有主觀成分的量度，測(cè)試結(jié)果會(huì)因人而異。另外，未考慮眼睛的調(diào)制傳

9、遞函數(shù)Heye(f)對(duì)信號(hào)的衰減也是其不足之處。5.8.3最小可探測(cè)溫差(MDTD)最小可探測(cè)溫差MDTD是將NETD與MRTD的概念在某些方面作了取舍后而得出的。具體地說(shuō)，MDTD仍是采用MRTD的觀測(cè)方式，由在顯示屏上剛能分辨出目標(biāo)時(shí)所需的目標(biāo)對(duì)背景的溫差來(lái)定義。但MDTD采用的標(biāo)準(zhǔn)圖案是位于均勻背景中的單個(gè)方形目標(biāo)，其尺寸W可調(diào)變，這是對(duì)NETD與MRTD的標(biāo)準(zhǔn)圖案特點(diǎn)的一種綜合。推導(dǎo)MDTD的步驟與MRTD類似，仍是由考慮了目標(biāo)圖案及視覺(jué)效應(yīng)后，從對(duì)測(cè)量信噪比作修正入手來(lái)導(dǎo)出的。修正包括系統(tǒng)高頻衰減修正以及人眼空間、時(shí)間積分修正，最終的結(jié)果是Hs(fT)MDTD(fT)2.14s-L2MRTD(fT)I式中，I是目標(biāo)經(jīng)系統(tǒng)所成的像的相對(duì)平均值。MDTD在應(yīng)用上的不便之處在于：要準(zhǔn)確地求出方塊目標(biāo)經(jīng)系統(tǒng)所成的像的相對(duì)平均值I是困難的。當(dāng)方塊