MRTD高精度測(cè)試和校準(zhǔn)技術(shù)研究

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

紅外熱像儀以其隱蔽性好、具有穿透煙、霧等限制以及可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離全天候觀察等優(yōu)點(diǎn)[1]，在軍事領(lǐng)域具有極其重要的地位，主要應(yīng)用于制導(dǎo)、火控、紅外干擾、紅外對(duì)抗和武器瞄具等方面，紅外熱像儀裝備在光電吊倉(cāng)（EO）、前視紅外系統(tǒng)（FLIR）和光電觀瞄具等光電武器系統(tǒng)上，其與電視觀瞄具、激光武器系統(tǒng)一起能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的晝夜探測(cè)、識(shí)別和跟蹤[2]。隨著紅外隱身和對(duì)抗技術(shù)發(fā)展，需要高性能紅外熱像儀實(shí)現(xiàn)對(duì)隱身、干擾目標(biāo)的準(zhǔn)確識(shí)別，因而對(duì)紅外熱像儀參數(shù)評(píng)估提出了更高的要求。

為準(zhǔn)確評(píng)估紅外熱像儀的性能，需對(duì)其成像參數(shù)MRTD（最小可分辨溫差）、NETD（噪聲等效溫差）、SITF（信號(hào)傳遞函數(shù)）等進(jìn)行測(cè)試。MRTD 既反映紅外熱像儀的熱靈敏度特性，又反映系統(tǒng)的空間分辨力[3]，因此成為評(píng)價(jià)紅外熱成像系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)[4]，本文圍繞紅外熱像儀MRTD測(cè)試問(wèn)題開(kāi)展研究，提出了減小測(cè)試中不利因素影響的方法，提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，滿足日益增長(zhǎng)的高精度紅外熱像儀測(cè)試需求。

1 紅外熱像儀MRTD測(cè)試裝置和測(cè)試原理

紅外熱像儀MRTD測(cè)試采用紅外熱像儀評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行，評(píng)估系統(tǒng)根據(jù)光學(xué)原理分為兩類：透射式和反射式。透射式體積小、易攜帶，但受紅外材料限制，光譜范圍比較窄，測(cè)試孔徑小，無(wú)法滿足高空間頻率熱像儀測(cè)試的需求，因而透射式評(píng)估系統(tǒng)一般用于中波3 μm～5 μm 或長(zhǎng)波8 μm～14 μm 紅外熱像儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

反射式評(píng)估系統(tǒng)主鏡采用拋物面反射鏡，表面鍍高反射膜層，可覆蓋2 μm～15 μm 紅外波段，光學(xué)材料采用普通光學(xué)玻璃，測(cè)試孔徑、光譜范圍不受材料限制，可制作成大口徑、長(zhǎng)焦距、寬光譜的評(píng)估系統(tǒng)，滿足高精度紅外熱像儀高空間頻率測(cè)試的需求，但由于其體積大、質(zhì)量重，一般用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

反射式紅外熱像儀評(píng)估系統(tǒng)測(cè)試原理如圖1所示[5-6]，主要由面源黑體?、靶輪、面源黑體Π、四桿靶、次反射鏡、離軸拋物面反射鏡、差分溫度控制系統(tǒng)組成。目標(biāo)黑體（面源黑體?）和背景黑體（面源黑體Π）形成差分黑體，用來(lái)模擬目標(biāo)和環(huán)境背景輻射，可根據(jù)熱像儀使用環(huán)境設(shè)置背景溫度；四桿靶高寬比為7：1，安裝在靶輪上，通過(guò)靶輪轉(zhuǎn)動(dòng)可選擇不同空間頻率的四桿靶。目標(biāo)和背景黑體發(fā)出的輻射，通過(guò)次反射鏡、離軸拋物面反射鏡反射形成無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)，供紅外熱像儀測(cè)試。

圖1 反射式紅外熱像儀評(píng)估系統(tǒng)Fig.1 Evaluation system of reflective IR thermal imager

MRTD測(cè)試時(shí)，首先采用較低空間頻率的四桿靶標(biāo)，并把溫差調(diào)到高于規(guī)定值進(jìn)行觀察；調(diào)節(jié)熱像儀，使靶標(biāo)清晰成像，觀察者把各個(gè)測(cè)試狀態(tài)及觀察距離調(diào)到最佳；降低溫差，繼續(xù)觀察，直至目標(biāo)黑體溫度從背景溫度以下調(diào)到背景溫度以上，分辨黑白圖樣，記錄觀察到的溫差，稱之為白桿溫差；繼續(xù)降低溫差，直到黑桿出現(xiàn)，記錄并判讀黑桿溫差。判讀時(shí)以觀察人員能分清圖像為準(zhǔn)；對(duì)其他規(guī)定空間頻率靶標(biāo)重復(fù)上述過(guò)程；分別記錄每個(gè)空間頻率四桿靶標(biāo)圖案的最大溫差值，即為熱像儀不同頻率下的MRTD值。目標(biāo)溫度高于背景溫度時(shí)白桿稱為正溫差 ?T1，目標(biāo)溫度低于背景溫度時(shí)黑桿稱為負(fù)溫差 ?T2，取其絕對(duì)值的平均值，即被測(cè)熱像儀的MRTD（f）為

式中：?T1=T1?T0，?T2=T0－T2；T0為背景黑體溫度；T1為人眼能分辨出白桿時(shí)目標(biāo)黑體溫度；T2為人眼能分辨出黑桿時(shí)目標(biāo)黑體溫度。

2 影響MRTD測(cè)試的主要因素分析

2.1 測(cè)試位置對(duì)MRTD測(cè)試的影響

MRTD測(cè)試時(shí)，需要滿足兩個(gè)條件：熱像儀評(píng)估系統(tǒng)的視場(chǎng)必須小于被測(cè)紅外熱像儀視場(chǎng)，評(píng)估系統(tǒng)出瞳必須大于熱像儀入瞳。除此之外，還需確保被測(cè)熱像儀在評(píng)估系統(tǒng)準(zhǔn)直光路中的放置位置為熱像儀各瞬時(shí)視場(chǎng)提供的紅外輻射相同[7]，否則會(huì)對(duì)MRTD測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生不利影響，因此熱像儀測(cè)試時(shí)放置的位置不準(zhǔn)會(huì)對(duì)MRTD測(cè)試造成很大誤差[8]。

被測(cè)紅外熱像儀測(cè)試位置放置區(qū)域如圖2所示。假如熱像儀評(píng)估系統(tǒng)視場(chǎng)為α，被測(cè)熱像儀放置在評(píng)估系統(tǒng)四桿靶標(biāo)上光線和下光線重疊部分，即圖2中剖面線區(qū)域，且熱像儀入瞳大小不超過(guò)剖面線外沿，此時(shí)進(jìn)行MRTD測(cè)試時(shí)，四桿靶不同部位發(fā)出的光線全部到達(dá)被測(cè)熱像儀，且光線數(shù)量相同，則熱像儀視場(chǎng)內(nèi)瞬時(shí)視場(chǎng)接收光線數(shù)相同，即能量相同，從而保證MRTD 準(zhǔn)確測(cè)試。

圖2 紅外熱像儀測(cè)試位置放置區(qū)域示意圖Fig.2 Schematic of placement area for IR thermal imager testing position

2.2 差分黑體溫差對(duì)MRTD測(cè)試結(jié)果的影響

根據(jù)MRTD測(cè)試原理，紅外熱像儀評(píng)估系統(tǒng)差分黑體產(chǎn)生的溫差 ?T（白桿 ?T1為正，黑桿 ?T2為負(fù)。）經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后被紅外熱像儀接收，熱像儀接收的實(shí)際上是目標(biāo)和背景輻射溫差 ?T′（白桿為正，黑桿為負(fù)），因此輻射溫差直接影響MRTD測(cè)試結(jié)果[9]。

紅外熱像儀MRTD測(cè)試時(shí)，目標(biāo)黑體白桿和黑桿溫度T1和T2、背景黑體溫度T0可從溫度控制器直接讀取，計(jì)算得到?T1和?T2后代入（1）式，得到紅外熱像儀MRTD值[10]。但是，由于差分黑體內(nèi)部測(cè)溫傳感器測(cè)溫準(zhǔn)確性、傳感器位置與輻射面距離、溫度控制器控溫能力等因素的影響，差分黑體真實(shí)溫度與白桿和黑桿溫度T1和T2、背景黑體溫度T0不 一致，會(huì)造成溫差 ?T1和?T2不準(zhǔn)，影響（1）式中MRTD的計(jì)算結(jié)果。因此，差分黑體溫差測(cè)量不準(zhǔn)是MRTD測(cè)量主要誤差源之一。

2.3 差分黑體發(fā)射率對(duì)MRTD測(cè)試結(jié)果的影響

根據(jù)普朗克黑體輻射理論，黑體輻射主要由溫度和發(fā)射率決定，在MRTD測(cè)試時(shí)被測(cè)紅外熱像儀接收的輻射由差分黑體溫度和發(fā)射率共同決定，但是在MRTD 計(jì)算式（1）中，T0、T1、T2是差分黑體的溫度，認(rèn)為目標(biāo)和背景黑體的發(fā)射率為理想黑體發(fā)射率。

實(shí)際上面源黑體發(fā)射率腔體效應(yīng)不明顯，其發(fā)射率主要依靠輻射面涂層材料本身的發(fā)射率決定，很難達(dá)到理想的黑體發(fā)射率1，大都在0.92～0.98范圍內(nèi)，并隨著波長(zhǎng)不同，發(fā)射率為0.92～0.98的面源黑體的輻射與發(fā)射率為1的理想黑體差別很大[11]，因此，差分黑體發(fā)射率能對(duì)MRTD測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響。

2.4 光學(xué)系統(tǒng)像差和光譜反射率對(duì)MRTD測(cè)試結(jié)果的影響

在測(cè)量MRTD時(shí)，差分黑體的溫差為ΔT時(shí)產(chǎn)生的輻射溫差為ΔT′，當(dāng)黑體輻射面遠(yuǎn)大于熱像儀光學(xué)系統(tǒng)衍射極限情況下，熱像儀得到的輻射溫差應(yīng)該也為ΔT′，但經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在差分黑體溫差ΔT不變的情況下，隨著靶標(biāo)空間頻率的變化，熱像儀測(cè)得的輻射溫差小于ΔT′，并且MRTD靶標(biāo)間溫度分布不均勻。

造成上述現(xiàn)象的原因是評(píng)估系統(tǒng)存在光學(xué)像差，光線經(jīng)過(guò)熱像儀評(píng)估系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)后會(huì)產(chǎn)生彌散，造成能量分散，隨著空間頻率的增加，彌散光線灑落在四桿靶的相鄰靶桿上，靶間輻射差下降，像差對(duì)MRTD 影響與光學(xué)MTF表現(xiàn)一致，圖3為評(píng)估系統(tǒng)焦距為2 m、口徑為Φ300 mm的光學(xué)MTF，與通?？吹降腗TF 不同，將橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間頻率，縱坐標(biāo)還是對(duì)比度，從圖中看出，空間頻率差別越大，傳遞對(duì)比度越大，靶間輻射差下降越厲害。

圖3 某熱像儀評(píng)估系統(tǒng)不同空間頻率光學(xué)MTFFig.3 Optical MTF of thermal imager evaluation system at different spatial frequency

熱像儀評(píng)估系統(tǒng)中，差分黑體的輻射經(jīng)過(guò)次反射鏡、離軸拋物面反射鏡后到達(dá)被測(cè)紅外熱像儀，紅外輻射經(jīng)過(guò)兩次反射后會(huì)發(fā)生衰減，直接影響評(píng)估系統(tǒng)準(zhǔn)直光路的輸出輻射溫差 ?T′，從而影響MRTD的測(cè)試結(jié)果。

圖4為某鍍鋁反射鏡光譜反射率曲線[12]，從圖中看出，其光譜反射率隨著波長(zhǎng)在0.90～0.97之間變換，那么經(jīng)過(guò)兩次反射后2 μm 波長(zhǎng)附近反射率最低達(dá)到0.83，評(píng)估系統(tǒng)出射能量很大幅度減小[13]，造成輸出輻射 ?T′不準(zhǔn)，因此熱像儀評(píng)估系統(tǒng)的光譜透過(guò)率是影響MRTD測(cè)量結(jié)果的最重要因素。

圖4 鍍鋁反射鏡光譜反射率曲線Fig.4 Spectral reflectance curve of aluminized mirror

3 熱像儀評(píng)估系統(tǒng)的精確校準(zhǔn)

從上面的分析可知，在熱像儀處于正確的測(cè)試位置時(shí)，熱像儀評(píng)估系統(tǒng)的差分黑體溫度、差分黑體發(fā)射率、光學(xué)像差和光譜反射率等4個(gè)方面會(huì)影響MRTD的測(cè)試結(jié)果。MRTD反映的是熱像儀溫差分辨能力，其測(cè)試裝置—熱像儀評(píng)估系統(tǒng)的差分黑體溫度、差分黑體發(fā)射率等因素最終影響其自身輻射溫度差值的準(zhǔn)確性，從而造成熱像儀MRTD測(cè)量不準(zhǔn)，為保證MRTD測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要對(duì)輻射溫差進(jìn)行校準(zhǔn)[14]。

為了解決該問(wèn)題，本文提出采用掃描輻射計(jì)直接測(cè)量評(píng)估系統(tǒng)出射口輻射溫差的方法，由于掃描輻射計(jì)是專為小視場(chǎng)目標(biāo)溫度測(cè)量而設(shè)計(jì)，通過(guò)校準(zhǔn)后其溫度測(cè)量誤差小于2 mK，熱像儀評(píng)估系統(tǒng)輸出溫差經(jīng)過(guò)精確校準(zhǔn)后，即可保證MRTD測(cè)量的準(zhǔn)確性。

評(píng)估系統(tǒng)差分黑體溫差為?T，經(jīng)過(guò)熱像儀評(píng)估系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)后實(shí)際輻射溫差為?T′，掃描輻射計(jì)測(cè)量得到白桿輻射溫差為?T1′，黑桿為?T2′，則熱像儀MRTD實(shí)測(cè)（f）為

增加的評(píng)估系統(tǒng)溫差校準(zhǔn)的MRTD 參數(shù)測(cè)量不確定度來(lái)源主要包括掃描輻射計(jì)測(cè)溫不準(zhǔn)引入的不確定度（B類）、人員判斷引入的不確定度（B類）、四靶靶標(biāo)空間頻率不準(zhǔn)引入的不確定度（B類）、評(píng)估系統(tǒng)輻射出射口不均勻性引入的不確定度（B類）和測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度（A類）等5個(gè)方面，測(cè)試完成后需按上述不確定度分量開(kāi)展不確定度評(píng)定，給出測(cè)量結(jié)果不確定度。

掃描輻射計(jì)采用美國(guó)OPTIKOS公司RAD900，如圖5所示，該輻射計(jì)光譜范圍為3 μm～5 μm和8 μm～12 μm，輻射溫度測(cè)量范圍5℃～100℃，最小可分辨溫差0.002℃，方位俯仰掃描角范圍±1.5°，掃描角分辨率0.001°，瞬時(shí)視場(chǎng)1 mrad。

圖5 紅外掃描輻射計(jì)Fig.5 Infrared scanning radiometer

采用紅外掃描輻射計(jì)對(duì)紅外熱像儀評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，首先用掃描輻射計(jì)代替圖1中的被測(cè)紅外熱像儀，評(píng)估系統(tǒng)選用需要校準(zhǔn)的四桿靶，設(shè)置差分黑體溫度為所需的目標(biāo)和背景溫度T1、T0，其中T0根據(jù)需要模擬的測(cè)試環(huán)境溫度設(shè)置，如無(wú)特殊需求T0=2 0℃，T1=T0?2?C，則有此時(shí)設(shè)置溫差為?T設(shè)置=T1?T0=?2?C，掃描輻射計(jì)透過(guò)四桿靶掃描目標(biāo)和背景溫差得到?T，將目標(biāo)黑體溫度T1從 ?2?C逐 漸增加到+2?C，掃描輻射計(jì)得到從?2?C到＋2?C的校準(zhǔn)溫差，圖6為紅外熱像儀評(píng)估系統(tǒng)溫差校準(zhǔn)曲線。

圖6 熱像儀評(píng)估系統(tǒng)校準(zhǔn)曲線Fig.6 Calibration curve of thermal imager evaluation system

紅外熱像儀評(píng)估系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，由于評(píng)估系統(tǒng)光學(xué)像差的存在，不同空間頻率靶標(biāo)經(jīng)過(guò)評(píng)估系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)比度下降，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要對(duì)所有空間頻率的靶標(biāo)都進(jìn)行校準(zhǔn)。

表1是FLIR公司SC7700 紅外熱像儀MRTD測(cè)試結(jié)果，根據(jù)圖6校準(zhǔn)曲線對(duì)其測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正，得到0.054℃（54 mK）對(duì)應(yīng)真實(shí)溫差為0.036℃，則在0.71 cyc/mrad 下MRTD測(cè)試結(jié)果為36 mK。

表1 SC7700 紅外熱像儀MRTD測(cè)試結(jié)果Table1 MRTD testing results of SC7700 IR thermal imager

評(píng)估系統(tǒng)給出的測(cè)量不確定度為34 mK（k=2），即uB=17 mk，表1中重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度為0.95 mK，uA=0.95 mK，所以合成不確定度：

按照置信水平為95%，取k=2，則擴(kuò)展不確定度為

4 總結(jié)

采用瞬態(tài)視場(chǎng)為1 mard 紅外掃描輻射計(jì)進(jìn)行MRTD 校準(zhǔn)時(shí)，為保證校準(zhǔn)精度，四桿靶靶寬視場(chǎng)不能超過(guò)1 mard，對(duì)于靶寬大于1 mard 四桿靶，建議采用刀口靶對(duì)輻射溫差校準(zhǔn)，然后通過(guò)評(píng)估系統(tǒng)的MTF 進(jìn)行修正[15]，也可采用高精度紅外測(cè)溫儀測(cè)量相對(duì)溫差驗(yàn)證，對(duì)于熱像儀其他參數(shù)NETD、MTF 測(cè)試的溫差校準(zhǔn)，應(yīng)選用與該參數(shù)測(cè)試所用相同的靶標(biāo)進(jìn)行。