紅外成像系統(tǒng)的綜合特性

1、紅外成像系統(tǒng)的綜合特性第1頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二紅外成像系統(tǒng)性能的綜合量度指標(biāo) 空間分辨率、溫度分辨率?？臻g分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）溫度分辨率噪聲等效溫差（NETD）最小可分辨溫差（MRTD）最小可探測(cè)溫差（MDTD） 第2頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二一、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF） 1. 基本概念 紅外成像系統(tǒng)可以看作是一個(gè)低通線性濾波器，給紅外成像系統(tǒng)輸入一個(gè)正弦信號(hào)（即給出一個(gè)光強(qiáng)正弦分布的目標(biāo)），輸出仍然是同一頻率的正弦信號(hào)（即目標(biāo)成的像仍然是同一空間頻率的正弦分布），只不過(guò)像的對(duì)比有所降低，位相發(fā)生移動(dòng)。 第3頁(yè)，共23頁(yè)，

2、2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二 對(duì)比降低的程度和位相移動(dòng)的大小是空間頻率的函數(shù)，被稱為紅外成像系統(tǒng)的對(duì)比(調(diào)制)傳遞函數(shù)（MTF）和位相傳遞函數(shù)（PTF）。 這個(gè)函數(shù)的具體形式則完全由紅外成像系統(tǒng)的成像性能所決定，因此傳遞函數(shù)客觀地反映了成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，紅外成像系統(tǒng)存在一個(gè)截止頻率，對(duì)這個(gè)頻率，正弦目標(biāo)的像的對(duì)比降低到0。 目標(biāo)經(jīng)系統(tǒng)成像后一般都是能量減少，對(duì)比降低和信息衰減。 第4頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二 通常所謂的分辯率，是將物體結(jié)構(gòu)分解為線或點(diǎn)，這只是分解物體方法的一種。 另一種方法是將物體結(jié)構(gòu)分解為各種頻率的譜，即認(rèn)為物體是由各種不同的空

3、間頻率組合而成的。這樣紅外成像系統(tǒng)的特性就表現(xiàn)為它對(duì)各種物體結(jié)構(gòu)頻率的反應(yīng)：透過(guò)特性、對(duì)比變化和位相推移。 第5頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二 空間頻率定義為周期量在單位空間上變化的周期數(shù)。第6頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二第7頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二第8頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二2. 紅外成像過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)制傳遞函數(shù) 紅外成像系統(tǒng)模型如前所述，根據(jù)線性濾波理論，對(duì)于由一系列具有一定頻率特性（空間的或時(shí)間的）的分系統(tǒng)所組成的紅外成像系統(tǒng)，只要逐個(gè)求出分系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，其乘積就是

4、整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 第9頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二（1）光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF0（2）探測(cè)器的MTFd（3）電子線路的MTFe（4) 顯示器的MTFm（5）大氣擾動(dòng)的MTFom（6）人眼調(diào)制傳遞函數(shù)MTFeye 第10頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二 人眼能發(fā)現(xiàn)的能量起伏為0.05，即最大能量為1，最低能量是0.95時(shí)也能發(fā)現(xiàn)，所以人眼能接收感知的極限調(diào)制度為0.026，目視儀器各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)值可以以此作為考慮的出發(fā)點(diǎn)。 （7）系統(tǒng)的傳遞函數(shù)MTF紅外成像系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為各分系統(tǒng)傳遞函數(shù)的乘積： 第11頁(yè)，共23頁(yè)，2022年

5、，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二二、噪聲等效溫差（NETD）1. NETD的定義 用紅外成像系統(tǒng)觀察標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)圖案，當(dāng)紅外成像系統(tǒng)輸出端產(chǎn)生的峰值信號(hào)與均方根噪聲電壓之比為1時(shí)的目標(biāo)與背景之間的溫差，稱為噪聲等效溫差(NETD)。 NETD是表征紅外成像系統(tǒng)受客觀信噪比限制的溫度分辨率的一種量度。 第12頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二NETD測(cè)試圖案第13頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二2. NETD的表達(dá)式及物理意義 假設(shè)目標(biāo)與背景都是朗伯輻射體，先求出紅外成像系統(tǒng)分辨單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

6、信號(hào)電壓的變化量及信噪比，由定義可得到NETD的表達(dá)式。 第14頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二對(duì)單元探測(cè)器光機(jī)掃描方式，其NETD表達(dá)式為： 第15頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二第16頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二NETD的局限性：（1）NETD反映的是客觀信噪比限制的溫度分辨率，沒有考慮視覺特性的影響。（2）單純追求低的NETD值并不意味著一定有很好的系統(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

7、式未能保證與系統(tǒng)實(shí)際性能的一致性。第17頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二（3）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)較高空間頻率景物時(shí)的溫度分辨性能。 NETD具有概念明確、測(cè)量容易的優(yōu)點(diǎn)，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)準(zhǔn)是有用的。第18頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二三、最小可分辨溫差（MRTD） MRTD是景物空間頻率的函數(shù)，是表征系統(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： 第19頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二 由成像系統(tǒng)對(duì)某一組

8、四條帶圖案成像，調(diào)節(jié)目標(biāo)相對(duì)背景的溫差，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)空間頻率下的最小可分辨溫差。分別對(duì)不同空間頻率的條帶圖案重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程，可得到MRTD曲線。 第20頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二MRTD曲線： 第21頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二 MRTD綜合描述了在噪聲中成像時(shí)，紅外成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的空間及溫度分辨能力。 MRTD存在的問題主要是：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。此外，未考慮人眼的調(diào)制傳遞函數(shù)對(duì)信號(hào)的影響也是其不足之處。 第22頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)46分，星期二四、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)