空間噪聲等效溫差測試方法研究

樂麗珠，陸正杰，王小鳳，于 聞，楊 帆，張 成

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空間噪聲等效溫差測試方法研究

樂麗珠1，陸正杰2，王小鳳2，于 聞1，楊 帆1，張 成1

（1.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2.西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710127）

噪聲等效溫差（NETD）是熱像儀主要性能參數(shù)之一。對空間噪聲等效溫差（spatial-NETD）的測試方法進(jìn)行研究，完善空間噪聲等效溫差測試技術(shù)，并對測試結(jié)果進(jìn)行分析比較，指出空間噪聲等效溫差測試的重要性，為空間噪聲等效溫差在熱像儀性能測試中的應(yīng)用提供依據(jù)。

噪聲等效溫差；時(shí)間噪聲等效溫差；空間噪聲等效溫差；信號傳遞函數(shù)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及武器裝備的更新?lián)Q代，用戶對軍用光電產(chǎn)品的要求也必然會(huì)越來越高、越來越嚴(yán)格。為了滿足越來越多產(chǎn)品尤其是新產(chǎn)品更精確、快速的測試要求，更加準(zhǔn)確全面地反映熱像儀的性能高低，用戶對熱像儀主要性能參數(shù)之一——噪聲等效溫差（noise equivalent temperature difference, NETD）——的測試提出了新的要求。熱成像系統(tǒng)噪聲按三維噪聲模型可劃分為7個(gè)噪聲分量，目前對熱像儀的評價(jià)中測量的僅僅是時(shí)間噪聲等效溫差（temporal-NETD），不能全面反映熱像儀噪聲的大小。由于熱像儀技術(shù)的進(jìn)步，僅根據(jù)temporal-NETD值已經(jīng)很難對目前多種類型的熱像儀進(jìn)行信噪性能的比較，也不能全面地評價(jià)熱像儀性能?？臻g噪聲等效溫差（spatial-NETD）的測量則正好彌補(bǔ)了時(shí)間噪聲等效溫差的不足，有著十分重要的意義。

1 噪聲等效溫差測試系統(tǒng)

熱像儀對測試圖像進(jìn)行觀察，當(dāng)系統(tǒng)輸出的信號電壓峰值和噪聲電壓的均方根值之比為1時(shí)，目標(biāo)和背景的溫度差為噪聲等效溫差（NETD）。熱像儀NETD測試系統(tǒng)如圖1所示。

2 目前NETD測試存在的問題

熱成像系統(tǒng)噪聲按三維噪聲模型可劃分為7個(gè)噪聲分量，目前對熱像儀的評價(jià)中測量的僅僅是temporal-NETD（T-NETD）。T-NETD按頻率范圍可分為時(shí)間域低頻噪聲等效溫差和時(shí)間域高頻噪聲等效溫差。

時(shí)間域高頻噪聲使熱像儀像元的輸出隨時(shí)間相對快速地變化，將熱像儀輸出的時(shí)間域高頻噪聲轉(zhuǎn)換為靶標(biāo)的溫差，其量值稱為時(shí)間域高頻噪聲等效溫差。

圖1 熱像儀NETD測試系統(tǒng)示意圖

信號傳遞函數(shù)（signal transfer function, SiTF）定義為熱像儀入瞳孔徑上的輸入信號變量的輸出信號函數(shù)。SiTF是對紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行客觀評價(jià)的參數(shù)，它不受觀察者主觀判斷差異的影響。

通過試驗(yàn)可以看出，同一熱像儀視場內(nèi)不同區(qū)域的SiTF、噪聲、非均勻性都不相同，通常測出的結(jié)果是測量區(qū)域內(nèi)的T-NETD平均值，僅僅能反映熱像儀的平均SiTF和平均噪聲的情況，無法反映出熱像儀視場內(nèi)任意點(diǎn)的SiTF和噪聲的高低。要全面反映視場內(nèi)每一個(gè)空間點(diǎn)（每一個(gè)像素點(diǎn)）的高頻時(shí)間噪聲需要對每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行逐一統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

從噪聲的三維分析可知現(xiàn)有T-NETD的檢測結(jié)果不能全面反映熱像儀的信噪性能的高低，T-NETD只能描述那些幀與幀之間隨著時(shí)間變化的噪聲。對凝視型熱像儀來說，從信號處理不均勻和焦平面不均勻性引起的噪聲對系統(tǒng)噪聲有重大貢獻(xiàn)，甚至占據(jù)主要地位，僅從T-NETD數(shù)值不能全面的反映出熱像儀的噪聲強(qiáng)弱、均勻性等。

從以上分析的T-NETD的局限性來看，現(xiàn)在的T-NETD測試已經(jīng)很難滿足對產(chǎn)品越來越全面、越來越精確的要求。

3 空間噪聲等效溫差

時(shí)間噪聲（tvh）和空間噪聲（vh）能進(jìn)一步分成高頻和低頻分量，見表1。

表1 Ntvh和Nvh的高頻和低頻分量

噪聲等效溫差針對高頻時(shí)間噪聲，而低頻時(shí)間噪聲就是1/噪聲。高頻空間噪聲是固定圖案噪聲，低頻空間噪聲是非均勻性。觀察者同時(shí)看到空間和時(shí)間噪聲的影響。低頻分量表現(xiàn)為監(jiān)視器上出現(xiàn)條帶或監(jiān)視器上的亮度變化，它影響空間頻率最小可分辨溫度的結(jié)果。

熱像儀的空間噪聲包括空間低頻噪聲（即非均勻性）和空間高頻噪聲（即固定模式噪聲FPN），是熱像儀噪聲中不隨時(shí)間變化的噪聲等效輸入溫差。將熱像儀的空間噪聲轉(zhuǎn)換為靶標(biāo)的溫差，其量值稱為空間噪聲等效溫差（S-NETD）。

4 S-NETD的測試方法

1）將熱像儀增益、電平設(shè)置為定值。將熱像儀對準(zhǔn)測量裝置準(zhǔn)直光管的視場中心，調(diào)整熱像儀焦距，使之成像清晰，用刀口靶標(biāo)測量出熱像儀此時(shí)的SiTF。

2）保持上述設(shè)置不變，換用空靶或者大開口的矩形或圓形靶標(biāo)，將溫差設(shè)置為0。

3）設(shè)置圖像采集幀數(shù)，采集由被測熱像儀生成的短時(shí)間連續(xù)圖像視頻序列（假設(shè)1/噪聲的影響可以忽略不計(jì)）。

4）待黑體溫度穩(wěn)定，采集一個(gè)由待測熱像儀生成的熱圖像視頻序列（假設(shè)1/噪聲的影響可以忽略不計(jì)），一般采集100幀以上，將其圖像存入測試計(jì)算機(jī)中。

5）對采集的各幀圖像中的每個(gè)像素進(jìn)行時(shí)間平均，所采集的各幀圖像由一幀圖像取代，被測熱像儀視場中被分析區(qū)域的空間噪聲（或整個(gè)熱像圖像的空間噪聲）按被分析區(qū)域內(nèi)不同像素的視頻電壓值隨空間變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算。

6）將以數(shù)字視頻電平為單位的空間噪聲計(jì)算值轉(zhuǎn)換為以溫差為單位的S-NETD值：

S-NETD＝噪聲電壓均方根值/SiTF

5 實(shí)測結(jié)果

對288×4二代掃描型熱像儀，非制冷凝視型熱像儀和制冷掃描型熱像儀，一代和二代掃描型熱像儀，二代制冷凝視型熱像儀和二代制冷掃描型熱像儀分別進(jìn)行T-NETD和S-NETD測試，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1）288×4二代掃描型熱像儀測試

從圖2可以看出熱像儀圖像行與行之間NETD差異是無規(guī)律性的、隨機(jī)的，熱像儀圖像列與列之間差異有一定的規(guī)律性，體現(xiàn)了熱像儀的非均勻性。經(jīng)過大量的測試比較，測試數(shù)據(jù)見圖3～圖5，發(fā)現(xiàn)二代掃描型熱像儀行S-NETD相對較小，而每列的S-NETD相對較大，S-NETD的測量能反映固定模式噪聲和非均勻性的好壞。對同一熱像儀在不同增益下進(jìn)行S-NETD的測量，發(fā)現(xiàn)S-NETD值隨增益的增大而減小，熱像儀圖像隨增益變化而變化。其中列和行S-NETD的值是波動(dòng)的，但總體趨勢是隨增益的增大而減小的。其深層原因在探索中。

2）多種熱像儀測試

從表2、表3看出，非制冷凝視型熱像儀的T-NETD較制冷掃描型熱像儀小，但非均勻性要差一些，實(shí)際上制冷掃描型熱像儀的成像質(zhì)量比非制冷凝視型熱像儀好，S-NETD的測量結(jié)果也恰好彌補(bǔ)了T-NETD的這一不足。以前只通過T-NETD來評價(jià)熱像儀顯然是不全面的。綜合T-NETD和S-NETD兩者來評價(jià)非制冷凝視型熱像儀才更全面準(zhǔn)確，也更利于對熱像儀的綜合評判。二代制冷焦平面凝視型熱像儀和非制冷凝視型熱像儀的T-NETD接近，但實(shí)際上制冷凝視型熱像儀的成像質(zhì)量比非制冷凝視型熱像儀好，S-NETD的測量結(jié)果也恰好反映了這一點(diǎn)。僅從T-NETD來評價(jià)一代和二代掃描型熱像儀也是不夠的，某些一代掃描熱像儀的T-NETD和二代掃描熱像儀的很接近，但二代掃描型熱像儀的成像質(zhì)量明顯優(yōu)于一代，S-NETD也明顯優(yōu)于一代。

圖2 288×4掃描型熱像儀的S-NETD

圖3 掃描型熱像儀的(a)行S-NETD曲線與(b)列S-NETD曲線

圖4 熱像儀圖像隨增益變化的情況

表2 制冷掃描型和非制冷凝視型熱像儀NETD測試結(jié)果

表3 二代制冷凝視型和非制冷凝視型熱像儀NETD測試結(jié)果

從表4、表5看出，二代制冷凝視型熱像儀的T-NETD一般比二代制冷掃描型熱像儀好，但實(shí)際成像質(zhì)量比二代制冷掃描型熱像儀稍差一些，盲元數(shù)也多一些，經(jīng)過大量測試，二代制冷凝視型熱像儀的S-NETD一般比二代制冷掃描型熱像儀稍差一些。

表4 一代和二代掃描型熱像儀NETD測試結(jié)果

表5 二代制冷凝視型熱像儀和二代制冷掃描型熱像儀NETD測試結(jié)果

S-NETD的測試有效地彌補(bǔ)了T-NETD的不足，對熱像儀的評價(jià)更加全面。因此，僅從時(shí)間相關(guān)的NETD來評價(jià)一代和二代掃描熱像儀顯然是不夠全面的，加入空間相關(guān)的NETD的測量才能對掃描型熱像儀的信噪性能有一個(gè)更加準(zhǔn)確全面的評價(jià)。

6 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對熱像儀的各個(gè)性能參數(shù)都有了新的認(rèn)識，對主要參數(shù)之一的NETD也有了更加全面的認(rèn)識。隨著三維噪聲模型的建立，原有的一維噪聲的測量已經(jīng)暴露出了越來越多的不足，迫切需要改進(jìn)。

二代熱成像系統(tǒng)的信號中已包含了包括時(shí)間空間隨機(jī)的噪聲、時(shí)間無關(guān)空間相關(guān)的噪聲、時(shí)間相關(guān)空間無關(guān)的噪聲等各種噪聲，如何更合理地評價(jià)其性能是目前需要探索的一個(gè)問題。

對時(shí)間域和空間域都進(jìn)行測量，得出的NETD才是更全面的NETD，才能更加準(zhǔn)確全面地反映出產(chǎn)品的實(shí)際性能，也才能滿足越來越高的各種測試需要。

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Test Method of Spatial Noise Equivalent Temperature Difference

YUE Lizhu1，LU Zhengjie2，WANG Xiaofeng2，YU Wen1，YANG Fan1，ZHANG Cheng1

(1.,650223,; 2.,’710127,)

Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) is one of the signs of infrared thermal imaging system performance index. In this paper, SpatialNoise Equivalent Temperature Difference (S-NETD) was studied, the testing technology of S-NETD was improved, the test results were compared, and the importance of the test of S-NETD was pointed out. The basis for the application of S-NETD in the thermal imager performance test is provided.

noise equivalent temperature difference，temporal noise equivalent temperature difference，spatial noise equivalent temperature difference，signal transfer function

TN216

A

1001-8891(2016)06-0519-05

2015-10-21；

2016-01-07.

樂麗珠（1966-），女，漢，高級工程師，主要研究方向?yàn)闊岢上裣到y(tǒng)測試技術(shù)研究。