热像仪综合测量评价系统
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特ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 。 当然 ,由于红外整机技术水平的不断提高 、红外
系统原理的持续发展 ,对红外系统的综合测量评价 方法和手段也提出了更高的要求 ,衷心希望能够与 业内同行专家就这个领域的最新进展不断进行讨 论 ,并不断完善和升级现有的产品 。
MDTD 测试 :采用不同空间频率的方形或圆形 靶 ,用靶来模拟点目标 ,改变温差和靶的大小 ,可以 测量出仪器对不同大小和温差目标的探测能力 ;
M TF性能测试 :小于 1 个瞬时视场大小的狭缝 (线 )图案 ,以测量仪器对高空间频率目标的响应能 力 ,并由此计算出 M TF;
光轴一致性图案 :圆孔靶 ,模拟一个点目标 ;均
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激 光 与 红 外 第 35卷
2. 1. 3 靶标轮 靶标轮上安装多个靶标 ,每个靶标可透过辐射 ,
使其成为具有一定形状的目标 。靶标轮由控制器驱
动旋转 ,以选择不同的靶标 。靶标平面位于抛物面 反射镜的焦平面上 ,其中心为抛物面反射镜的光轴 , 在靶标轮旋转过程中 ,要确保靶标处于该焦平面上 。
本系统由热辐射源 (黑体 ) 、光学投影仪 (偏轴 平行光管和靶标 ) 、调整平台和 PC机构成 。图 1为 系统的组成示意图 ;图 2为实际系统 。 2. 1. 1 黑体辐射源
黑体由面形辐射源和控温器二部分组成 。黑体 面辐射源具有高的温度稳定性和均匀性 , 它采用 TEC模块控温 。该设计的特点是 :可以快速地升温 和降温 ,能够很方便的进行温度的设置 ,可以得到相 对于环境 (即靶标 )为正或负的温差 。在黑体的控 制器上有按扭便于操作 。也可通过单片机与计算机 的串口相连 。
图 1 系统的组成示意图
2. 1. 2 偏轴平行光管 由平面反射镜和抛物面反射镜构成 ,用于将红
外辐射近似成无限远的光源 ,整个平行光管封装在 一个框架内 ,可避免周围物体辐射的影响 ,如图 3所 示 。抛物面反射镜为偏轴型 ,黑体安装在抛物面反 射镜的焦平面附近 ,辐射经平面反射镜照射到抛物 面主反射镜上 ,出射光为与其口径相同的平行光 ,由 于为偏轴型 ,在出射光中无遮挡 。
图 7 黑体控温原理方框图
3. 1. 3 靶 标 靶标是针对所需要的测试内容进行设计的 ,靶
的透空部分为黑体温度 ,实体部分为环境温度 。靶 标不能完全对目标进行仿真 ,只是在实验室条件下 检验仪器性能的一种手段 。计划的测试内容和所采 用的靶标为 :
NETD 性能测试 :采用低空间频率的方形靶 ,测 量出方靶 (对应为黑体温度 )与靶标架之间的信号 幅值以及噪声均方值 ,就可计算出 ETDN 值 ,方靶是 为了得到一定面积上信号的平均值 ,低空间频率方 形靶即面积较大的靶 ,以消除 M TF的影响 ;
在测试中计算机需要完成的任务有 : 1 对系统 中各设备进行控制 ; 2 根据编制的软件对热像仪进 行测试 。
4 结束语 为了实现综合测量评价系统在产品设计过程和
产品检验过程应有的作用 ,在本系统的技术说明书 中对相关测试参数的理论定义 、测量方法等给出了 说明 ,在确定理论定义 、测量方法的过程中 ,着重考 虑了红外系统参数理论计算过程 、工程实现过程 、测 量检验阶段等不同阶段的实际特点 ,并兼顾了热像 仪一代串并扫 、二代线扫 、三代凝视设备的不同技术
图 5 二维旋转转台及控制器
2. 1. 5 控制部分 计算机经单片机 (位于靶标轮的控制箱内 )控
制电动调整部分 。用于外设 (黑体温度 、转台 、靶标 轮 )与计算机系统的串口通信 ,能支持多台 232 协 议的外设 ;此外 ,被测试的各种红外热像仪视频信 号 ,通过视频采集卡在计算机内转换成数字信号 ,并 由计算机处理和完成测试 。 2. 2 软件部分
IR Image In tegra ted Test System
HE W en2Zhong, PENG Huan2liang
(North China Rearch Institute of Electro2op tics, Beijing 100015, China)
Abstract: IR image integrated test system is one of the most important basis of the research and manufacture of ther2 mal imager. The p roduct and its p rincip le of IR image integrated test system are introduced in the paper. Key words: thermal imager; integrated test system; IR image
1 概 述 在红外热像仪的开发 、生产过程中 ,热成像综合
测量评价系统既是全面测量技术参数 、评价系统性 能的检测设备 ,又是指导产品开发方向 、进行生产过 程检验的测试设备 ,是从事该技术领域科研 、生产企 业必备的基础设备 。目前 ,我国各红外专业企业的 热成像综合测量评价系统主要依靠从国外进口 ,不 仅价格昂贵 ,维护和升级也遇到很多问题 。为解决 这类问题 ,我们设计开发一套完全自有知识产权的 热成像综合测量评价系统 。本文即对该系统的工作 原理和设计实现给以介绍 。 2 系统组成别 2. 1 硬件部分
匀性测试 :方形靶或圆形靶 ,测量出在靶范围内信号 幅度的变化值 ;
视场或焦距测试 : 具有垂直 、水平边缘的条形 靶 ,测量出总视场和计算出焦距 ;
畸变或失真度测试 :方形靶 ,用于测量方靶像在 不同位置图像的尺寸 。
靶标置于偏轴平行光管的焦面上 ,靶标图案为 透空形 ,其温差由黑体来产生 ,所发出的光通过平行 光管后就成为一束平行光 。被测系统的光对准平行
热像仪综合测量评价系统
何文忠 ,彭焕良
(华北光电技术研究所 ,北京 100015)
摘 要 :热成像综合测量评价系统是红外整机研制和生产中最重要的基础设备之一 ,本文介绍 了一种热成像综合测量评价系统产品及其工作原理 。 关键词 :热像仪 ;综合测量评价系统 ;红外图像 中图分类号 : TN206 文献标识码 : A
第 35卷 第 9期 激 光 与 红 外 2005年 9月 LASER & INFRARED
Vol. 35, No. 9 Sep tember, 2005
文章编号 : 100125078 (2005) 0920653203
·红外技术 ·
(1)信号传递函数 ( SiTF) (2)声等效温差 (NETD ) (3)小可分辨温差 (MRTD ) (4)最小可探测温差 (MDTD ) (5)调制传递函数 (M TF) ( 6 )图像畸变及扫描线性 ( 7 )图像均匀性及盲元 ( 8 )光轴一致性 ( 9 )视场测试 ( 10 )焦距测定 ( 11 )光学质量检测 3 系统工作原理 3. 1 设备工作原理 3. 1. 1 目标投影仪 (准直仪 、偏轴平行光管 )
支持的操作系统包括 : w indow s2000 Profession2 al、W indow sXP、W indow s2000 Server、W indow s2003 Server。系统开发工具为 : V isual Studio、Net 2003、 W in32SDK、D ire ctX9. 0bSDK、SQL Server2000。可 实现以下功能的测试 :
黑体是一块利用温差电法加热和冷却的金属 板 ,它由金属板 、温差电堆 、温度传感器和温度控制 器等组成 。辐射用的金属板表面涂黑 ,使其发射率 在 0. 95以上 。在黑体前面放置一个 45°反射镜 ,使 黑体辐射经过反射镜后再穿过靶标 ,靶标图案透过 的部分即为黑体辐射 。黑体辐射的温度值是黑体和 靶标基体这两者温度的差 。
金属板和温差电堆之间需要有很好的热传导 , 这样金属板和温差电堆均为同一温度 T2 , T1 为靶标 轮的温度 。当温度控制器由 T2 和 T1 的差来控制 时 ,则所显示的温度值为两者的温度差 。图 7 为黑 体控温原理图 。
测温用的传感器为铂电阻 , 控制器采用了日本 生产的高精度 SR253控制器 。
MRTD性能测试 :不同空间频率的四杆图案 ,选 择需要测试空间频率的四杆靶 ,改变靶的温度差 ,人 眼从显示器上观察图像 ,刚刚能分辨出四杆图案时 对应的温差 ,即为在该空间频率下的 MRTD 值 。四 杆靶图案是为了得到一个周期变化的图像 ,以检验 仪器对空间物体的分辨能力 。测试中包含了空间频 率和温度两个变量 ;
作者简介 :何文忠 ( 1970 - ) ,男 ,高级工程师 ,一直从事红外整 机的研制与技术管理工作 ; 1991年毕业于成都电子科技大学自动控 制专业 ,获工业学士学位 ; 2003年毕业于清华大学工商管理学院 ,获 工商管理硕士学位 ; 1996年至今 ,任华北光电技术研究所红外应用 部副主任 、主任 , 2002年起兼任北京艾方科技有限公司总经理 。 收稿日期 : 2005206202;修订日期 : 2005206206
参数中角位置的调整和测量 。其最小步进角度为 3. 6″,可电动调整 ,其转动速度可任意选择 。整个平 台还可以由升降台进行上下移动 ,由平移台进行左 右平移 ,以使被测热像仪对准平行光管的中心 。
图 2 实际系统 (不包括计算机 )图
图 3 偏轴平行光管 (内部 )
图 4 靶标 、靶标轮及控制器
靶标轮由靶标 、一维转台和控制器等组成 ,如图 4所示 。
光管的出口 ,用来接收黑体经靶标后的辐射 ,在热像 仪显示器上就能得一幅靶标的图像 。 3. 1. 4 靶标轮
为了便于用计算机控制和选择项目所需要的靶 标 ,靶标轮由一个作一维旋转的转台控制 ,其大小取 决于投影仪的像面大小 、黑体面积等 。靶标轮上可 安装多个靶 ,每个靶都位于固定的位置 。计算机通 过 RS - 232通信接口控制靶标轮驱动器选择需要 的靶 。一维旋转转台由步进电机经减速器带动 ,而 步进电机由控制器驱动 。由控制驱动步进电机的脉 冲数得到所需要的旋转角度 ,选择不同的脉冲频率 可得到不同的旋转速度 。靶标轮代表了环境温度 , 上面安装有温度传感器 ,所以必须具有较大的热容 量 ,以保持黑体的温差稳定 。 3. 1. 5 二维旋转调节转台
本靶标共有 8块大靶标 ,其中个别大靶标上还 有不同的子靶标 ,按照靶标上的图形可分为 :圆靶 、 方靶 、四杆靶 、狭缝形靶等 。
在靶标位置可安装自准目镜 ,用于调整被测系 统的光机轴 。 2. 1. 4 调整平台部分 (图 5) 包括 :二维旋转转台 、升降台和平移台 。用于移 动调整红外成像仪位置 ,以实现与平行光管之间的 几何角度关系 。二维旋转转台可用于系统某些测试
图 6 偏轴平行光管光路图
它用来模拟处于无穷远的不同形状和温差的真 实目标 。图 6为偏轴平行光管光路图 ,此偏轴平行 光管为折反射式 ,主要由一块离轴抛物面镜和一块平 面反射镜组成 。在焦面上的光源先经倾斜放置的平
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面反射镜 ,反射到抛物面反射镜上 ,后经抛物面镜反 射出的光线就成了一束平行光 。在焦面上放置能够 产生温差图案的靶标 ,就可模拟处于无穷远的目标 。 3. 1. 2 黑体辐射源
为了调整热像仪的接收角度以及进行有关的测 量 ,热像仪需要安装在一个可进行二维角度调节的 转台上 ,并且转台能够以一定精度读出角度值 。转 台的水平旋转角度较大 ,而垂直方向可较小 。二维 转台由两个一维旋转转台叠加而成 ,所以需要两个 驱动器 。同样 ,步进电机驱动可通过 RS - 232通信 接口由计算机控制 。 3. 1. 6 测试计算机系统及软件
系统原理的持续发展 ,对红外系统的综合测量评价 方法和手段也提出了更高的要求 ,衷心希望能够与 业内同行专家就这个领域的最新进展不断进行讨 论 ,并不断完善和升级现有的产品 。
MDTD 测试 :采用不同空间频率的方形或圆形 靶 ,用靶来模拟点目标 ,改变温差和靶的大小 ,可以 测量出仪器对不同大小和温差目标的探测能力 ;
M TF性能测试 :小于 1 个瞬时视场大小的狭缝 (线 )图案 ,以测量仪器对高空间频率目标的响应能 力 ,并由此计算出 M TF;
光轴一致性图案 :圆孔靶 ,模拟一个点目标 ;均
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2. 1. 3 靶标轮 靶标轮上安装多个靶标 ,每个靶标可透过辐射 ,
使其成为具有一定形状的目标 。靶标轮由控制器驱
动旋转 ,以选择不同的靶标 。靶标平面位于抛物面 反射镜的焦平面上 ,其中心为抛物面反射镜的光轴 , 在靶标轮旋转过程中 ,要确保靶标处于该焦平面上 。
本系统由热辐射源 (黑体 ) 、光学投影仪 (偏轴 平行光管和靶标 ) 、调整平台和 PC机构成 。图 1为 系统的组成示意图 ;图 2为实际系统 。 2. 1. 1 黑体辐射源
黑体由面形辐射源和控温器二部分组成 。黑体 面辐射源具有高的温度稳定性和均匀性 , 它采用 TEC模块控温 。该设计的特点是 :可以快速地升温 和降温 ,能够很方便的进行温度的设置 ,可以得到相 对于环境 (即靶标 )为正或负的温差 。在黑体的控 制器上有按扭便于操作 。也可通过单片机与计算机 的串口相连 。
图 1 系统的组成示意图
2. 1. 2 偏轴平行光管 由平面反射镜和抛物面反射镜构成 ,用于将红
外辐射近似成无限远的光源 ,整个平行光管封装在 一个框架内 ,可避免周围物体辐射的影响 ,如图 3所 示 。抛物面反射镜为偏轴型 ,黑体安装在抛物面反 射镜的焦平面附近 ,辐射经平面反射镜照射到抛物 面主反射镜上 ,出射光为与其口径相同的平行光 ,由 于为偏轴型 ,在出射光中无遮挡 。
图 7 黑体控温原理方框图
3. 1. 3 靶 标 靶标是针对所需要的测试内容进行设计的 ,靶
的透空部分为黑体温度 ,实体部分为环境温度 。靶 标不能完全对目标进行仿真 ,只是在实验室条件下 检验仪器性能的一种手段 。计划的测试内容和所采 用的靶标为 :
NETD 性能测试 :采用低空间频率的方形靶 ,测 量出方靶 (对应为黑体温度 )与靶标架之间的信号 幅值以及噪声均方值 ,就可计算出 ETDN 值 ,方靶是 为了得到一定面积上信号的平均值 ,低空间频率方 形靶即面积较大的靶 ,以消除 M TF的影响 ;
在测试中计算机需要完成的任务有 : 1 对系统 中各设备进行控制 ; 2 根据编制的软件对热像仪进 行测试 。
4 结束语 为了实现综合测量评价系统在产品设计过程和
产品检验过程应有的作用 ,在本系统的技术说明书 中对相关测试参数的理论定义 、测量方法等给出了 说明 ,在确定理论定义 、测量方法的过程中 ,着重考 虑了红外系统参数理论计算过程 、工程实现过程 、测 量检验阶段等不同阶段的实际特点 ,并兼顾了热像 仪一代串并扫 、二代线扫 、三代凝视设备的不同技术
图 5 二维旋转转台及控制器
2. 1. 5 控制部分 计算机经单片机 (位于靶标轮的控制箱内 )控
制电动调整部分 。用于外设 (黑体温度 、转台 、靶标 轮 )与计算机系统的串口通信 ,能支持多台 232 协 议的外设 ;此外 ,被测试的各种红外热像仪视频信 号 ,通过视频采集卡在计算机内转换成数字信号 ,并 由计算机处理和完成测试 。 2. 2 软件部分
IR Image In tegra ted Test System
HE W en2Zhong, PENG Huan2liang
(North China Rearch Institute of Electro2op tics, Beijing 100015, China)
Abstract: IR image integrated test system is one of the most important basis of the research and manufacture of ther2 mal imager. The p roduct and its p rincip le of IR image integrated test system are introduced in the paper. Key words: thermal imager; integrated test system; IR image
1 概 述 在红外热像仪的开发 、生产过程中 ,热成像综合
测量评价系统既是全面测量技术参数 、评价系统性 能的检测设备 ,又是指导产品开发方向 、进行生产过 程检验的测试设备 ,是从事该技术领域科研 、生产企 业必备的基础设备 。目前 ,我国各红外专业企业的 热成像综合测量评价系统主要依靠从国外进口 ,不 仅价格昂贵 ,维护和升级也遇到很多问题 。为解决 这类问题 ,我们设计开发一套完全自有知识产权的 热成像综合测量评价系统 。本文即对该系统的工作 原理和设计实现给以介绍 。 2 系统组成别 2. 1 硬件部分
匀性测试 :方形靶或圆形靶 ,测量出在靶范围内信号 幅度的变化值 ;
视场或焦距测试 : 具有垂直 、水平边缘的条形 靶 ,测量出总视场和计算出焦距 ;
畸变或失真度测试 :方形靶 ,用于测量方靶像在 不同位置图像的尺寸 。
靶标置于偏轴平行光管的焦面上 ,靶标图案为 透空形 ,其温差由黑体来产生 ,所发出的光通过平行 光管后就成为一束平行光 。被测系统的光对准平行
热像仪综合测量评价系统
何文忠 ,彭焕良
(华北光电技术研究所 ,北京 100015)
摘 要 :热成像综合测量评价系统是红外整机研制和生产中最重要的基础设备之一 ,本文介绍 了一种热成像综合测量评价系统产品及其工作原理 。 关键词 :热像仪 ;综合测量评价系统 ;红外图像 中图分类号 : TN206 文献标识码 : A
第 35卷 第 9期 激 光 与 红 外 2005年 9月 LASER & INFRARED
Vol. 35, No. 9 Sep tember, 2005
文章编号 : 100125078 (2005) 0920653203
·红外技术 ·
(1)信号传递函数 ( SiTF) (2)声等效温差 (NETD ) (3)小可分辨温差 (MRTD ) (4)最小可探测温差 (MDTD ) (5)调制传递函数 (M TF) ( 6 )图像畸变及扫描线性 ( 7 )图像均匀性及盲元 ( 8 )光轴一致性 ( 9 )视场测试 ( 10 )焦距测定 ( 11 )光学质量检测 3 系统工作原理 3. 1 设备工作原理 3. 1. 1 目标投影仪 (准直仪 、偏轴平行光管 )
支持的操作系统包括 : w indow s2000 Profession2 al、W indow sXP、W indow s2000 Server、W indow s2003 Server。系统开发工具为 : V isual Studio、Net 2003、 W in32SDK、D ire ctX9. 0bSDK、SQL Server2000。可 实现以下功能的测试 :
黑体是一块利用温差电法加热和冷却的金属 板 ,它由金属板 、温差电堆 、温度传感器和温度控制 器等组成 。辐射用的金属板表面涂黑 ,使其发射率 在 0. 95以上 。在黑体前面放置一个 45°反射镜 ,使 黑体辐射经过反射镜后再穿过靶标 ,靶标图案透过 的部分即为黑体辐射 。黑体辐射的温度值是黑体和 靶标基体这两者温度的差 。
金属板和温差电堆之间需要有很好的热传导 , 这样金属板和温差电堆均为同一温度 T2 , T1 为靶标 轮的温度 。当温度控制器由 T2 和 T1 的差来控制 时 ,则所显示的温度值为两者的温度差 。图 7 为黑 体控温原理图 。
测温用的传感器为铂电阻 , 控制器采用了日本 生产的高精度 SR253控制器 。
MRTD性能测试 :不同空间频率的四杆图案 ,选 择需要测试空间频率的四杆靶 ,改变靶的温度差 ,人 眼从显示器上观察图像 ,刚刚能分辨出四杆图案时 对应的温差 ,即为在该空间频率下的 MRTD 值 。四 杆靶图案是为了得到一个周期变化的图像 ,以检验 仪器对空间物体的分辨能力 。测试中包含了空间频 率和温度两个变量 ;
作者简介 :何文忠 ( 1970 - ) ,男 ,高级工程师 ,一直从事红外整 机的研制与技术管理工作 ; 1991年毕业于成都电子科技大学自动控 制专业 ,获工业学士学位 ; 2003年毕业于清华大学工商管理学院 ,获 工商管理硕士学位 ; 1996年至今 ,任华北光电技术研究所红外应用 部副主任 、主任 , 2002年起兼任北京艾方科技有限公司总经理 。 收稿日期 : 2005206202;修订日期 : 2005206206
参数中角位置的调整和测量 。其最小步进角度为 3. 6″,可电动调整 ,其转动速度可任意选择 。整个平 台还可以由升降台进行上下移动 ,由平移台进行左 右平移 ,以使被测热像仪对准平行光管的中心 。
图 2 实际系统 (不包括计算机 )图
图 3 偏轴平行光管 (内部 )
图 4 靶标 、靶标轮及控制器
靶标轮由靶标 、一维转台和控制器等组成 ,如图 4所示 。
光管的出口 ,用来接收黑体经靶标后的辐射 ,在热像 仪显示器上就能得一幅靶标的图像 。 3. 1. 4 靶标轮
为了便于用计算机控制和选择项目所需要的靶 标 ,靶标轮由一个作一维旋转的转台控制 ,其大小取 决于投影仪的像面大小 、黑体面积等 。靶标轮上可 安装多个靶 ,每个靶都位于固定的位置 。计算机通 过 RS - 232通信接口控制靶标轮驱动器选择需要 的靶 。一维旋转转台由步进电机经减速器带动 ,而 步进电机由控制器驱动 。由控制驱动步进电机的脉 冲数得到所需要的旋转角度 ,选择不同的脉冲频率 可得到不同的旋转速度 。靶标轮代表了环境温度 , 上面安装有温度传感器 ,所以必须具有较大的热容 量 ,以保持黑体的温差稳定 。 3. 1. 5 二维旋转调节转台
本靶标共有 8块大靶标 ,其中个别大靶标上还 有不同的子靶标 ,按照靶标上的图形可分为 :圆靶 、 方靶 、四杆靶 、狭缝形靶等 。
在靶标位置可安装自准目镜 ,用于调整被测系 统的光机轴 。 2. 1. 4 调整平台部分 (图 5) 包括 :二维旋转转台 、升降台和平移台 。用于移 动调整红外成像仪位置 ,以实现与平行光管之间的 几何角度关系 。二维旋转转台可用于系统某些测试
图 6 偏轴平行光管光路图
它用来模拟处于无穷远的不同形状和温差的真 实目标 。图 6为偏轴平行光管光路图 ,此偏轴平行 光管为折反射式 ,主要由一块离轴抛物面镜和一块平 面反射镜组成 。在焦面上的光源先经倾斜放置的平
第 9期 激 光 与 红 外
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面反射镜 ,反射到抛物面反射镜上 ,后经抛物面镜反 射出的光线就成了一束平行光 。在焦面上放置能够 产生温差图案的靶标 ,就可模拟处于无穷远的目标 。 3. 1. 2 黑体辐射源
为了调整热像仪的接收角度以及进行有关的测 量 ,热像仪需要安装在一个可进行二维角度调节的 转台上 ,并且转台能够以一定精度读出角度值 。转 台的水平旋转角度较大 ,而垂直方向可较小 。二维 转台由两个一维旋转转台叠加而成 ,所以需要两个 驱动器 。同样 ,步进电机驱动可通过 RS - 232通信 接口由计算机控制 。 3. 1. 6 测试计算机系统及软件