浅析热成像系统噪声等效温差

浅析热成像系统噪声等效温差测试

朱海龙马永龙

(驻宜昌地区军代室，宜昌443005)

摘要：本文阐述了目前国内外热成像整机测试系统中常用的NETD 测试原理及方法。重点针对积分时间、增益设置、背景温度、图像增强、伽马矫正、高频滤波等几个常见的参数设置及非线性处理方式对NETD 测试结果的影响，提出了相应的测试说明及解决方案，为正确测试噪声等效温差提供了重要的参考依据。

关键词：红外探测；噪声等效温差；测试

中图分类号：TN216文献识别码：A 文章编号：Development Analysis of Infrared Detection Technology

ZHU Hai-long MA Yong-long

（EO Systems Office of PLA in Yichan Area, Wuhan 430073）

Abstract:This paper introduced the history and generation standard of infrared detection technology for AAM, then the technology features of infrared detection were analyzed. This paper believed that

inter-generational change of infrared detection technology is arising as the significant progress of infrared detector, and its direct power is meeting the military needs. This paper summarized the development tendency of infrared detection technology for Guidance weapon, and predicted future infrared detection technology will be along the high-performance, low cost

and miniaturized direction.

Keywords: Infrared Detection technology; Infrared detector; PGM;

Development analysis

作者简介：

1引言

在噪声等效温差实际测试中，各种参数的设置会对NETD 的测试结果产生较大

的影响，尤其是第二代热成像系统，信号处理和焦平面响应的不均匀性以及各种图

像处理技术的应用，使系统噪声变得更加复杂，并且以各自的方式影响着NETD 的

测试结果。红外热成像系统的完整特性测试包括测量信号传递函数（SiTF ）、分辨

率、狭缝响应函数（SRF ）、噪声等效温差（NETD ）、调制传递函数（MTF ）和最小可

分辨温差（MRTD ）。其中NETD 与MRTD 是目前热成像系统最常用也是最主要的性能

评估参数，NETD 是热成像系统灵敏度的重要客观评价指标，可用于预测小温差点

目标的探测距离，从而实现技术指标向战术指标的转化， MRTD 是热成像系统灵敏

度和分辨率的主观评价标准。由于MRTD 测试由人眼观察监视器上的四杆靶完成，

测试过程中易受测试人主观因素的影响，必须由经过专业训练的多名人员进行， 因

而作为客观测试参数的NETD 更受到认可。

但是，随着热成像系统中各种视频图像处理方法的发展及引入，同一热成像系

统在NETD 测试中除受传统的环境、测试系统误差、不同噪声对应的NETD 定义的

影响外，还与被测热成像系统自身输出的信号有关。在实际测试中，即使同一次

NETD 测试，如果不考虑相关参数设置及图像处理的非线性影响，都可能获得不同

的测试结果，从而给NETD 测试带来较大的不确定性，导致测试结果与系统实际性

能的判定产生较大偏差。

2 NETD 的测试原理及方法

NETD 是系统观察试验图案时，基准电子滤波器输出端产生的峰值信号与噪声均方根比为1 时试验图形上黑体目标与背景的温差。根据定义，NETD 的测试方程为：

(1)

或 NETD SiTF σ=

(2)

式中：T ∆为热成像系统入瞳处目标与背景的表观温差；V ∆ 为对应于T ∆的电压信号变化量；σ 为噪声均方根；SiTF 为信号传递函数。

2.1关于辐射度与△T 概念

T NETD V σ∆=

∆

对于红外热成像系统，可近似为线性系统，实际响应的信号是目标和其背景间的辐射出射度差，并产生成正比的输出电压差信号，假定为朗伯辐射源和没有遮挡的圆形孔径，输出电压差为：

2

1

2()()()()4(#)e atm col sys d V G R d f M T T T A λλλλλλλ∆∆=⎰ （3） 其中G 为电子放大器增益；()R λ为探测器光谱响应；e M ∆为目标和背景之间光谱辐射出

射度差，等于(,)(,)T B e e T T M M λλ-,T T B T 分别为目标温度和背景温度；#f 为光学成

像系统F 数，()col T λ为大气光谱透过率，()col

T λ为准直仪光谱透过率，()sys T λ为系统光谱透过率。对于微小输入信号，并取平均透过率，则（1）式可近似为： ()()()2

1

2,4#col atm sys source d

e B V G R d T

f T T T T A M T λλλλλ∆∂∆=∂⎰ （4） 上式中用source T ∆ 表示微小辐射出射度， 引入T ∆ 概念后上式化为

V SiTF T ∆=∆ (5) 式中col atm source T T T T ∆=∆，由（3）（4）式可推知source T ∆为入射波长与背景温度的函数，因此，所有用T ∆作为输入的测量都受背景温度的影响。

2.2关于信号传递函数SiTF

对于多数系统而言，电子线路与探测器相比动态范围是有限的，其输出信号是以某均值为中心，以动态范围临界响应饱和点为边界的响应度函数(Responsivityfunction)的线性部分（斜率），即信号传递函数SiTF （如图1）。它可以准确反映出红外热成像系统的增益及电平对系统的视频图像的控制作用。信号传递函数是评价红外热像仪性能的最基本且最关键的技术指标之一，也是评价热像成像系统性能的一个客观参数。对于扫描直流耦合系统和凝视型系统来说，暗电流(或基底噪声)限制了最小可探测信号，饱和度则限制了最大可探测信号，