環(huán)境溫度對(duì)中波紅外成像設(shè)備MRTD的影響研究

李忠升,張春仙,王佳笑

(1.中國(guó)人民解放軍63871部隊(duì),陜西 華陰 714200；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

熱成像系統(tǒng)作為在軍事上廣泛應(yīng)用的偵察、告警裝備,作用距離是其主要的戰(zhàn)技指標(biāo),但受到大氣條件、環(huán)境溫度等各種因素的影響,測(cè)試結(jié)果并不穩(wěn)定,根據(jù)Johnson準(zhǔn)則,作用距離與MRTD(最小可分辨溫差)直接相關(guān),因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中,一般采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得到MRTD后對(duì)設(shè)備外場(chǎng)作用距離進(jìn)行預(yù)計(jì)和評(píng)價(jià)。

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)對(duì)軍事裝備的環(huán)境適應(yīng)性要求,熱成像系統(tǒng)需要適應(yīng)從-40 ℃(甚至更低)到+55 ℃的環(huán)境(依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)有所不同),因此需要在該溫度范圍內(nèi)對(duì)外場(chǎng)作用距離進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于缺少在全軍溫環(huán)境下進(jìn)行MRTD測(cè)試的設(shè)備,一般設(shè)備出廠時(shí)只檢測(cè)室溫MRTD,無法給出其他環(huán)境溫度下的MRTD,因此,當(dāng)外場(chǎng)環(huán)境溫度與室溫相差較多時(shí),由于環(huán)境溫度對(duì)設(shè)備狀態(tài)、目標(biāo)輻射等各方面的影響,采用室溫MRTD預(yù)計(jì)外場(chǎng)作用距離會(huì)有較大的偏差。

文獻(xiàn)[1]主要研究目標(biāo)尺寸、探測(cè)性能及大氣環(huán)境等因素對(duì)MRTD的影響,未考慮環(huán)境溫度對(duì)MRTD的影響,文獻(xiàn)[2]中涉及環(huán)境溫度對(duì)MRTD測(cè)試的影響,但未考慮不同環(huán)境溫度下積分時(shí)間和探測(cè)器增益對(duì)MRTD的影響。

針對(duì)以上問題,本文主要考慮環(huán)境溫度對(duì)成像設(shè)備信號(hào)傳遞函數(shù)、噪聲、調(diào)制傳遞函數(shù)等因素的影響,探究不同環(huán)境溫度下MRTD的變化規(guī)律,建立不同環(huán)境溫度下MRTD的關(guān)系,通過室溫MRTD預(yù)測(cè)得到其他環(huán)境溫度下的MRTD,從而減小不同環(huán)境溫度下的外場(chǎng)作用距離預(yù)計(jì)偏差。

2 環(huán)境溫度對(duì)MRTD的影響機(jī)理分析

2.1 MRTD基本方程

目前,國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試MRTD時(shí),一般采用以下方法:特定空間頻率、高寬比為7∶1的四桿黑體目標(biāo)處于均勻背景中,升高或降低目標(biāo)與背景之間的溫差,當(dāng)人眼恰能分辨被測(cè)系統(tǒng)顯示器上所成四桿目標(biāo)像時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫差,即為該特定空間頻率下的MRTD值,為消除零點(diǎn)漂移帶來的測(cè)試誤差,一般取正溫溫差和負(fù)溫溫差的平均值作為最終測(cè)試結(jié)果。MRTD[3-4]受系統(tǒng)溫度分辨性能和空間分辨性能的影響,同時(shí)也與觀察者的主觀感受相關(guān)。

MRTD與系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF(表征系統(tǒng)空間分辨性能)和噪聲等效溫差NETD(反映系統(tǒng)溫度分辨性能)有關(guān),其理論表達(dá)式為:

(1)

其中,MTF(f)為系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)；SNRTH為信噪比閾值；α、β為垂直和水平瞬時(shí)視場(chǎng)；fp為幀頻；NETD為噪聲等效溫差；Δfn為噪聲等效帶寬；f為目標(biāo)空間頻率；te為人眼積分時(shí)間；τd為元件滯留時(shí)間常數(shù)。

在紅外成像系統(tǒng)確定的情況下,上述表達(dá)式也可表示為:

(2)

其中,K(f)是與目標(biāo)空間頻率f相關(guān)的常數(shù);σ為被測(cè)系統(tǒng)噪聲;SiTF為信號(hào)傳遞函數(shù)。

2.2 環(huán)境溫度對(duì)MRTD的影響分析

紅外成像系統(tǒng)主要由探測(cè)器組件、光學(xué)系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)組成,光學(xué)系統(tǒng)在接收目標(biāo)和背景輻射后,將輻射能量聚焦到探測(cè)器焦面上,探測(cè)器組件經(jīng)過光子-電子-電壓轉(zhuǎn)換后將信號(hào)電壓值傳輸給信號(hào)處理系統(tǒng),信號(hào)處理系統(tǒng)通過A/D轉(zhuǎn)換、降噪等信號(hào)處理算法后輸出目標(biāo)和背景的灰度圖像。

環(huán)境溫度對(duì)紅外成像系統(tǒng)性能的影響主要包括:

探測(cè)器組件:制冷精度下降,探測(cè)器噪聲變大,從而系統(tǒng)噪聲σ變大；

光學(xué)系統(tǒng):光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)MTF有可能下降,從而像質(zhì)變差；

信號(hào)處理系統(tǒng):與室溫相比,電路噪聲變大；

目標(biāo)與背景輻射能量差:由于目標(biāo)輻射能量與溫度非線性關(guān)系,對(duì)于中波或長(zhǎng)波紅外成像來說,其響應(yīng)波段內(nèi)的輻射能量與溫度近似呈拋物線關(guān)系(如圖1所示),因此,當(dāng)目標(biāo)溫差一定時(shí),其與背景輻射能量差隨溫度升高呈拋物線式上升。由于信號(hào)傳遞函數(shù)SiTF對(duì)應(yīng)1 K溫差的信號(hào)響應(yīng)值,因此SiTF也會(huì)隨環(huán)境溫度變化而變化。

圖1 3.7～4.8 μm波段內(nèi)黑體輻射出射度隨溫度的變化曲線

最后,當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),探測(cè)器為適應(yīng)輻射能量變化而變化的參數(shù),如積分時(shí)間與探測(cè)器增益,也會(huì)對(duì)信號(hào)傳遞函數(shù)SiTF產(chǎn)生影響。

綜上所述,環(huán)境溫度變化時(shí),紅外成像系統(tǒng)噪聲σ、信號(hào)傳遞函數(shù)SiTF及MTF會(huì)產(chǎn)生不同程度的變化,從而影響MRTD值。

以下分別分析環(huán)境溫度變化時(shí)紅外成像系統(tǒng)噪聲σ、信號(hào)傳遞函數(shù)SiTF及MTF的變化情況。

2.2.1 環(huán)境溫度對(duì)紅外成像系統(tǒng)噪聲σ的影響

紅外成像系統(tǒng)在接收到來自外界的紅外輻射后,通過探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換作用及讀出電路、信號(hào)處理電路的電子學(xué)處理后以模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)的形式輸出,在整個(gè)光子到電子,電子到模擬電壓,模擬電壓到數(shù)字信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中,主要會(huì)產(chǎn)生五種類型的噪聲,包括光子散粒噪聲、光子響應(yīng)非均勻性、暗電流噪聲、KTC噪聲、量化噪聲,其中光子響應(yīng)非均勻性可通過非均勻性校正算法得到抑制,對(duì)于中波探測(cè)器來說,KTC噪聲和暗電流噪聲所占比例很小,可不考慮；通過采用高精度A/D轉(zhuǎn)換可大幅度降低量化噪聲,因此,光子散粒噪聲為中波成像系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的噪聲。

光子散粒噪聲由接收外界輻射光子的隨機(jī)性而導(dǎo)致的光電子隨機(jī)產(chǎn)生,其大小為:

(3)

式中,L(λ,T)為光子通量；η為量子效率；光子通量L(λ,T)與輻射出射度Me(λ,T)成正比；由圖1可知,黑體輻射出射度隨溫度呈拋物線變化,溫度越高,黑體輻射出射度越大,L(λ,T)越大。

當(dāng)溫度變化時(shí),為了保證探測(cè)器像元光電二極管工作在半阱區(qū)(工作在半阱時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍最大),紅外成像系統(tǒng)在開機(jī)時(shí)自動(dòng)獲取當(dāng)前溫度下的擋板圖像,通過調(diào)節(jié)積分時(shí)間和探測(cè)器增益使光電流工作在半阱。背景溫度升高時(shí),黑體輻射出射度變大,L(λ,T)變大,光電二極管光電流增大,此時(shí)為了使探測(cè)器像元光電二極管工作在半阱區(qū),紅外成像設(shè)備會(huì)自動(dòng)減小積分時(shí)間和探測(cè)器增益；背景溫度降低時(shí),黑體輻射出射度變小,L(λ,T)變小,光電二極管光電流減小,此時(shí)為了使探測(cè)器像元光電二極管工作在半阱區(qū),紅外成像設(shè)備會(huì)自動(dòng)增加積分時(shí)間和探測(cè)器增益,這樣,通過調(diào)節(jié)積分時(shí)間和探測(cè)器增益,補(bǔ)償由于背景溫度變化而引起的L(λ,T)的變化對(duì)噪聲的影響,從而保證探測(cè)器像元光電二極管始終工作在半阱區(qū)。

因此,從理論上來說,當(dāng)背景溫度發(fā)生改變時(shí),由于積分時(shí)間對(duì)背景輻射變化的自適應(yīng)調(diào)節(jié)作用,探測(cè)器像元的噪聲水平應(yīng)該基本一致。

然而,在實(shí)際中,由于探測(cè)器混成芯片封裝在保持真空的金屬微杜瓦內(nèi),微型真空杜瓦需保持探測(cè)器芯片低溫工作溫度,在高低溫情況下,相比室溫,制冷機(jī)制冷精度和穩(wěn)定性都會(huì)有所下降,從而影響探測(cè)器工作溫度的穩(wěn)定性,探測(cè)器噪聲會(huì)有所增加。

綜合以上分析,雖然探測(cè)器組件可通過調(diào)節(jié)積分時(shí)間和探測(cè)器增益,以適應(yīng)不同溫度應(yīng)力下的光通量變化,保證探測(cè)器像元在不同溫度應(yīng)力下的噪聲水平基本一致,但由于制冷機(jī)在高低溫極限環(huán)境下制冷機(jī)控溫精度不穩(wěn)定,從而導(dǎo)致探測(cè)器噪聲在高低溫環(huán)境下噪聲略有升高。對(duì)于中波成像設(shè)備來說,試驗(yàn)結(jié)果顯示,根據(jù)環(huán)境溫度的不同,相比室溫,高低溫環(huán)境下噪聲水平比室溫環(huán)境高大約20 %～30 %。

2.2.2 環(huán)境溫度對(duì)信號(hào)傳遞函數(shù)SiTF的影響

為保證模擬結(jié)果的可靠性，對(duì)光滑管從0.5～2.0m/s的入口流速進(jìn)行模擬，由于研究流體為無相變流體在光滑管管內(nèi)作強(qiáng)制流動(dòng)，可將模擬得到的摩擦系數(shù)fA與Blasius公式計(jì)算理論值對(duì)比[9]，從而判定模擬結(jié)果的可靠性。結(jié)果如表2所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知,SiTF隨環(huán)境溫度變化關(guān)系如下:

(4)

式中,t1,C1為環(huán)境溫度T1時(shí)的積分時(shí)間和積分電容；t0,C0為環(huán)境溫度T0時(shí)的積分時(shí)間和積分電容；T1,T0為環(huán)境溫度。

L(T,λ)為溫度為T的黑體的輻亮度,即:

(5)

式中,c1為第一輻射常數(shù)；c2為第二輻射常數(shù)。

2.2.3 環(huán)境溫度對(duì)MTF的影響

紅外熱成像系統(tǒng)的MTF主要由光學(xué)系統(tǒng)MTF和探測(cè)器MTF決定,探測(cè)器MTF由像元大小決定,不受環(huán)境溫度影響；而光學(xué)元件在溫度應(yīng)力的作用下折射率、膨脹系數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化,從而引起光學(xué)系統(tǒng)MTF發(fā)生變化。

環(huán)境溫度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為光學(xué)元件厚度、光學(xué)元件折射率、曲率半徑、光學(xué)元件之間的間隔以及光學(xué)元件面形的變化,所有這些變化都會(huì)引起光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的變化。具體可參考資料[6]。

同時(shí),當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),光學(xué)系統(tǒng)受熱,自身輻射增加,引起探測(cè)器焦面雜散輻射增加,也會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)MTF。

綜上所述,當(dāng)溫度變化時(shí),由于光學(xué)元件結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料折射率、面形等發(fā)生變化,造成光學(xué)系統(tǒng)離焦、散焦,導(dǎo)致像質(zhì)降低,環(huán)境溫度升高還會(huì)造成雜散輻射增加等,從而引起光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)MTF下降。

在實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮環(huán)境應(yīng)力對(duì)光學(xué)元件的以上影響,通過無熱化等設(shè)計(jì)方法盡可能降低環(huán)境溫度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)MTF的影響。

2.3 環(huán)境溫度對(duì)MRTD的影響建模

根據(jù)式(1)可知MRTD與SiTF成反比,與噪聲成正比,與系統(tǒng)MTF成反比,因此,結(jié)合環(huán)境溫度對(duì)三維噪聲Ntvh、SiTF、光學(xué)系統(tǒng)MTF的影響分析,可得不同環(huán)境溫度下的MRTD關(guān)系如下:

MRTD(T1)/MRTD(T0)=

{Ntvh(T1)·MTF(T0)·

(6)

式中,t1,C1為環(huán)境溫度T1時(shí)的積分時(shí)間和積分電容；t0,C0為環(huán)境溫度T0時(shí)的積分時(shí)間和積分電容；T1,T0為環(huán)境溫度；MTF(T0)為環(huán)境溫度T0時(shí)的紅外光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)；MTF(T1)為環(huán)境溫度T1時(shí)的紅外光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

需要說明的是,該預(yù)測(cè)模型基于線性信號(hào)處理理論,若系統(tǒng)采用圖像增強(qiáng)等非線性算法,則MRTD測(cè)試結(jié)果需依據(jù)具體算法效果進(jìn)行修正。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)對(duì)象

成像設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用HGH全軍溫紅外整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)(f=1500 mm,口徑250 mm),將成像設(shè)備與全軍溫紅外整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)放置于高低溫試驗(yàn)箱中,成像設(shè)備光軸與全軍溫紅外整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)光軸對(duì)準(zhǔn),試驗(yàn)箱溫度分別設(shè)置-40 ℃到+50 ℃之間的不同溫度點(diǎn),到溫保溫2 h后,打開成像設(shè)備和全軍溫紅外整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備,并選擇空間頻率為12 Cycle/mrad的四桿靶,測(cè)試MRTD值。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。該紅外成像設(shè)備采用無熱化設(shè)計(jì),在高低溫環(huán)境下可以通過補(bǔ)償調(diào)焦等方法保持高低溫環(huán)境下光學(xué)傳遞函數(shù)(MTF)不退化,因此在該試驗(yàn)中,不考慮光學(xué)傳遞函數(shù)的變化。

表4 各溫度點(diǎn)在3.7～4.8 μm波段內(nèi)的微分輻射度值

在實(shí)際工作中,假定測(cè)得某臺(tái)紅外成像設(shè)備在室溫(環(huán)境溫度26 ℃)下,積分時(shí)間18.3 ms,積分電容CB時(shí)的MRTD,我們就可以預(yù)測(cè)其他環(huán)境溫度下的MRTD值,預(yù)測(cè)結(jié)果及預(yù)測(cè)誤差如表5所示。

表5 A型成像設(shè)備MRTD測(cè)試結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

MRTD試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示。分析數(shù)據(jù),可知A型MRTD預(yù)測(cè)誤差最大為20 %。

圖3 MRTD試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果比對(duì)

4 結(jié) 論

MRTD可用于預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)紅外成像系統(tǒng)的外場(chǎng)性能,為評(píng)價(jià)設(shè)備在不同環(huán)境溫度下的外場(chǎng)性能,需要采用不同環(huán)境溫度下的MRTD值,一般紅外熱成像系統(tǒng)在出廠時(shí)只提供室溫下的MRTD值。針對(duì)該問題,本文通過理論分析得出了不同環(huán)境溫度下的MRTD關(guān)系,建立了MRTD隨溫度變化的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。本文主要針對(duì)中波成像設(shè)備進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)于長(zhǎng)波成像設(shè)備來說,由于噪聲模型等與中波有所區(qū)別,需要做進(jìn)一步的研究。