熱成像設(shè)備測(cè)試方法的實(shí)驗(yàn)及分析

雷 萍，吳文華，朱 祺

(63891部隊(duì)，河南 洛陽471003)

1 引言

隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，紅外熱成像設(shè)備在軍事上的應(yīng)用越來越廣泛，但針對(duì)熱成像設(shè)備在使用過程中暴露出的技術(shù)故障，目前存在的一個(gè)重要問題是缺少檢測(cè)設(shè)備或測(cè)試方法單一，遠(yuǎn)不能滿足復(fù)雜的測(cè)試需求，文中針對(duì)熱成像設(shè)備不同指標(biāo)測(cè)試原理的不同和所測(cè)熱成像設(shè)備的特殊性，設(shè)計(jì)了對(duì)熱成像設(shè)備關(guān)鍵性能指標(biāo)測(cè)試的方法，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)熱成像設(shè)備噪聲等效溫差(NETD)、最小可分辨溫差(MRTD)、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)、信號(hào)傳遞函數(shù)(SiTF)等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試及實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了測(cè)試方法的適應(yīng)性并發(fā)現(xiàn)了其局限性，提出了有效的解決方法，大大提高了部隊(duì)對(duì)熱成像設(shè)備檢測(cè)和維修保障的能力。

2 檢測(cè)設(shè)備工作原理

熱成像檢測(cè)設(shè)備主要由紅外平行光管、測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(含視頻采集卡)、通用機(jī)械平臺(tái)、安裝支架和電源組成，如圖1所示。

紅外平行光管產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)信號(hào)，輸入至待測(cè)熱成像設(shè)備的熱傳感頭，光信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，通過信號(hào)電纜將視頻信號(hào)輸入給采集卡;測(cè)試計(jì)算機(jī)處理后，將圖像顯示出來;測(cè)試者觀察相關(guān)圖像，結(jié)合黑體的溫度狀態(tài)，使用分析軟件求出各指標(biāo)及其特性曲線，以達(dá)到溫度控制的精確化;利用CCD攝像機(jī)，在測(cè)試軟件的指導(dǎo)下，推導(dǎo)出系統(tǒng)整體及各部分的調(diào)制傳遞函數(shù)。

圖1 熱像檢測(cè)儀測(cè)試框圖

3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法分析

3.1 噪聲等效溫差

NETD反映了熱成像設(shè)備輸出信號(hào)的背景噪聲，影響觀察距離和識(shí)別能力［1］。廣泛的被用來表示紅外系統(tǒng)受信噪比影響后的探測(cè)靈敏度［2］。如圖2所示，測(cè)試計(jì)算機(jī)與發(fā)射源連接，控制紅外源溫度(控制背景板溫度);目標(biāo)靶置于背景板前方，準(zhǔn)直鏡的焦平面上;紅外探測(cè)器接收紅外信號(hào)并傳遞到顯示器上，識(shí)別目標(biāo)并評(píng)價(jià)信號(hào)。

圖2 NETD測(cè)試示意圖

其中，目標(biāo)靶盤上方孔的邊長要比紅外探頭的瞬態(tài)視場(chǎng)角(IFOV)大很多倍。然后選取固定的背景，同時(shí)溫差ΔT也要取的大一些，且要比系統(tǒng)的NETD大數(shù)十倍，這樣既確保系統(tǒng)輸出的峰值信號(hào)電壓VS遠(yuǎn)大于均方根噪聲電壓VN，又保證系統(tǒng)輸出足夠大的信噪比。測(cè)量溫差、峰值信號(hào)電壓和均方根噪聲電壓，按公式(1)計(jì)算NETD值。

3.2 最小可分辨溫差

熱成像設(shè)備的MRTD是綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)溫度分辨力和空間分辨力的重要參數(shù)。本次測(cè)試選用了目標(biāo)圖案為高、寬、帶間距之比為7∶1∶1的四桿圖(目標(biāo)靶上有四杠孔)，并將其放置在均勻背景中，目標(biāo)和背景的溫差從零開始逐漸增大，在確定的空間頻率下，觀察者剛好能分辨出四條帶目標(biāo)圖案時(shí)，即可獲得該空間頻率的最小可分辨溫差［3］，鑒于MRTD是與空間頻率有關(guān)的函數(shù)，測(cè)量該函數(shù)曲線時(shí)最少要測(cè)量4個(gè)空間頻率，一般選用 0.2f0、0.5f0、1.0f0、1.2f0四種頻率，四桿圖的空間頻率按公式(2)計(jì)算。

其中，d為條紋寬度;f0=1/(2·DAS)為特征頻率;DAS為熱成像設(shè)備探測(cè)器對(duì)物鏡的張角［4］。

準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)模擬目標(biāo)位于無限遠(yuǎn)處，其出射光瞳應(yīng)大于或等于被測(cè)熱成像設(shè)備的入射光瞳。首先測(cè)量環(huán)境溫度，然后選空間頻率為0.2f0、0.5f0、1.0f0、1.2f0的4桿靶標(biāo)依次放入指定位置(一般為準(zhǔn)直鏡的焦平面處)，分別進(jìn)行測(cè)量。得到溫差后，MRTD 按公式(3)計(jì)算［5］。

其中，ΔT+=T1－T0，ΔT－=T0－ T2。其中 T0、T1、T2分別為背景溫度、熱桿溫度和冷桿溫度。

圖3 MRTD測(cè)試靶板示意圖

3.3 信號(hào)傳遞函數(shù)

SiTF是響應(yīng)度函數(shù)線性部分的斜率，響應(yīng)度函數(shù)可提供待測(cè)系統(tǒng)增益(對(duì)比度)、線性、動(dòng)態(tài)范圍和飽和度的信息，是評(píng)價(jià)紅外熱成像設(shè)備性能的重要指標(biāo)，可判斷出熱成像設(shè)備工作的線性工作范圍［6］，如圖 4 所示。

圖4 SiTF線性范圍示意圖

通過測(cè)試所得響應(yīng)函數(shù)線性部分的M組數(shù)據(jù)，利用公式(4)計(jì)算SiTF。

3.4 調(diào)制傳遞函數(shù)

紅外熱成像系統(tǒng)的MTFSYS，包括熱傳感頭(由紅外光學(xué)系統(tǒng)和熱探測(cè)器組成)的MTFSEN、顯示器件的MTFMON，人眼的MTF EYE等。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)人眼因素的影響可忽略。系統(tǒng)的MTF值就是各個(gè)分系統(tǒng)的乘積，以及是在各個(gè)分系統(tǒng)共同作用下的結(jié)果。即系統(tǒng)的MTF按公式 (5)和(6)計(jì)算。光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)［6］為:

其中，輸出函數(shù)為φOUT(x);輸入函數(shù)為φIN(x);自變量x為空間位置坐標(biāo)。

在測(cè)試中采取逐個(gè)分開測(cè)量的手段，測(cè)量出各分系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)。如在現(xiàn)有的情況下，可以通過實(shí)驗(yàn)中 NETD、MRTD、SiTF三者推算出熱傳感頭的MTFSEN。

4 測(cè)試中出現(xiàn)的問題及解決方法

為測(cè)試方便，設(shè)置典型值，如表1所示。

表1 測(cè)試參數(shù)設(shè)置的典型值

4.1 增益問題和解決方法

(1)增益對(duì)噪聲等效溫差的影響

依照設(shè)置的測(cè)試參數(shù)，在目標(biāo)靶板溫度為293K時(shí)，背景溫度由291K升至295K得到了一系列NETD，如表2所示。

表2 NETD的測(cè)試值

從測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，由于熱成像檢測(cè)設(shè)備信號(hào)的變化范圍很寬，熱成像設(shè)備接收裝置接收到的最大輸入信號(hào)和最小輸入信號(hào)相差很大，這就造成了熱成像設(shè)備在接受不同信號(hào)時(shí)所要求的增益值不同。比如在增益小時(shí)，且增益達(dá)不到要求，出現(xiàn)了微弱信號(hào)得不到識(shí)別的現(xiàn)象;而在增益過大時(shí)，則出現(xiàn)了強(qiáng)信號(hào)經(jīng)過放大使放大器達(dá)到飽和同樣得不到識(shí)別的現(xiàn)象。

針對(duì)出現(xiàn)的問題，采用了在多種溫度下，對(duì)熱成像設(shè)備不同增益下(增益高時(shí)取若干個(gè)逐步增大的值)的噪聲等效溫差進(jìn)行測(cè)試。從圖5中可以看出:隨著系統(tǒng)增益改變，信號(hào)傳遞函數(shù)也隨之增大，噪聲均方根值也同時(shí)增大;但噪聲等效溫差在增益較大的情況下不隨增益的改變而改變。通過測(cè)試結(jié)果分析，噪聲等效溫差盡可能選取在系統(tǒng)增益較大固定值、增益不飽和的條件下測(cè)試。

圖5 增益改變情況下NETD與噪聲均方根、線性傳遞函數(shù)變化率的關(guān)系

(2)增益對(duì)線性傳遞函數(shù)的影響

在信號(hào)傳遞函數(shù)測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)增益取值不同，線性傳遞函數(shù)也隨之變化;增益越大，斜率越大，飽和速度快，其線性范圍也越窄;隨著溫差的增大，響應(yīng)函數(shù)的數(shù)值也在增大。

從圖6中可以看出:增益取值不同，線性傳遞函數(shù)也隨之變化;增益越大，斜率越大，飽和速度快，其線性范圍也越窄;隨著溫差的增大，響應(yīng)函數(shù)的數(shù)值也在增大;自動(dòng)增益檔位被激活，線性傳遞函數(shù)線性范圍浮動(dòng)。針對(duì)該現(xiàn)象，通過大量實(shí)驗(yàn)，獲取適當(dāng)?shù)脑鲆娣秶⒃谌≈禃r(shí)盡可能使線性范圍變寬，以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)試的目的，同時(shí)為熱成像檢測(cè)設(shè)備性能的改進(jìn)起到指導(dǎo)作用。

圖6 不同增益下線性傳遞函數(shù)變化

4.2 分辨能力問題和解決方法

在MRTD測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)隨著熱成像設(shè)備探測(cè)空間頻率增加，其MRTD值也在增加，且增速加快，分辨能力同時(shí)降低，MRTD特性曲線如圖7所示。

圖7 MRTD特性曲線圖

測(cè)試MRTD前，利用Sobel算子識(shí)別四桿靶并對(duì)其進(jìn)行分辨［7］。如圖8所示為四桿靶正、負(fù)溫差時(shí)的圖像，分辨后的圖像如圖9所示。

在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，若短時(shí)間觀察大量的目標(biāo)靶圖像，會(huì)導(dǎo)致人眼視覺疲勞，影響人的主觀判斷能力，降低工作效率，同時(shí)由于測(cè)試每個(gè)值，在某個(gè)溫度梯度上等待時(shí)間過長，即完成一組測(cè)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

針對(duì)人眼疲勞問題，借助計(jì)算機(jī)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在內(nèi)多種算法自動(dòng)識(shí)別記錄溫差，并用大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了訓(xùn)練，達(dá)到智能測(cè)試的目的。

5 結(jié)束語

依據(jù)測(cè)試方案在實(shí)驗(yàn)室對(duì)熱成像設(shè)備的噪聲等效溫差、最小可分辨溫差、調(diào)制傳遞函數(shù)、信號(hào)傳遞函數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)增益對(duì)噪聲等效溫差和線性函數(shù)的影響、MRTD分辨能力的影響等問題，提出了在多種溫度不同增益下測(cè)試噪聲等效溫差、利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在內(nèi)多種算法提高分辨圖像能力的方法，結(jié)果證明方法有效可行，提高了部隊(duì)對(duì)熱成像設(shè)備檢測(cè)的手段和能力。下一步將結(jié)合檢測(cè)反饋數(shù)據(jù)，建立各型號(hào)熱成像設(shè)備檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停怪邆渫瓿煽焖?、?zhǔn)確檢測(cè)的能力。

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