热像仪空间NETD测量技术

胡铁力，马世帮，郭 羽，辛 舟，李四维，解 琪，刘瑞星，范纪红，张 玫，谢 毅，刘军宁

(1.西安应用光学研究所，陕西 西安 710065； 2.中国人民解放军94303部队，山东 潍坊 261051)

引言

在热像仪应用中，被广泛关注的噪声有时间NETD、空间NETD。进一步具体分为：高频时间噪声、低频时间噪声(即1/f噪声)、高频空间噪声(即固定模式噪声FPN)和低频空间噪声(非均匀性)[1-5]。时间域噪声使红外成像系统像素视频电压随时间变化，直观的表现为，当目标没有任何改变时，热像仪像素输出电压自身随机起伏[6]，极端的表现为像素视频电压自身随时间剧烈变化，导致通过热像仪视频无法观察目标。空间噪声使热像仪像素视频电压随空间变化，直观的表现为，热像仪对大面积红外辐射均匀目标成像时，热像仪诸多像素彼此之间视频电压不一致。极端的表现为像素之间视频电压相差很大，导致通过热像仪视频无法观察目标。热像仪的空间噪声包括空间低频噪声和空间高频噪声，空间低频噪声是热像仪图像出现的较大面积非均匀性分布，是对光学缺陷(暗斑、污点或瑕疵)的一个衡量指标，也包括冷反射造成的视频图像不均匀。空间高频噪声是由热像仪像素之间的偏压、光谱响应率等因素差异产生的，使热像仪每个像素的亮度随空间分布显著不一致，影响视频图像细节分辨。由于这种将红外成像噪声分为空间和时间噪声来研究和评估红外成像噪声的模型科学易于理解和评估，因此已经被国际红外成像技术领域广泛接受和使用。因为时间域低频噪声会影响固定模式噪声，使得固定模式噪声在热像仪开机校准后还会缓慢变化。工程上习惯称呼的非均匀性校准，其实包括对低频空间噪声、高频空间噪声的同时校准。对于非制冷红外凝视阵列型热像仪尤其需要定时校准。

凝视阵列型热像仪已成为陆海空军用及民用领域的主流，针对凝视阵列型热像仪科研、生产中对其空间噪声测量需求，采用先测量热像仪信号传递函数(SiTF)，再测量空间噪声的技术途径来得到热像仪的空间NETD。

1 测量设备

实验室内常用的热像仪参数测量装置，主要包括红外准直辐射系统、图像数据采集及存储系统、靶标温度测控系统及计算机测控软件系统等部分，如图1所示。

将热像仪图像输出端口与热像仪参数测量设备[7-8]中的视频图像采集系统输入端连接，如图1所示。如果热像仪参数测量设备中有背景黑体，则设置背景黑体温度于用户方要求的温度下；若热像仪参数测量设备无背景黑体，则以高发射率靶标温度(等于实验室环境温度)为背景温度。

图1 热像仪参数测量用设备Fig.1 Facility for evaluating infrared thermal imager

2 SiTF测量

首先测量与热像仪的NETD测量相同的增益、电平及背景温度条件下热像仪的SiTF。SiTF定义为热像仪的输出信号与输入信号的函数关系。输入信号一般规定为目标黑体和背景黑体之间的温差，输出信号为热像仪输出的视频电压差。SiTF等于被测量热像仪观察窗口型靶标时其输出电压相对于输入温差的斜率，一般在一定温度范围内对测量不同温差时热像仪的输出视频电压差，再用最小二乘法采集到的数据进行拟合，得到热像仪的SiTF。

测量热像仪的信号传递函数时，其计算公式可以表示为

(1)

式中：ΔU为被测热像仪的视频电压差；φ为热像仪参数测量设备的仪器常数；ΔT为热像仪测量设备中目标黑体与背景黑体(靶标)的热力学温差，即黑体温度测控仪器显示的温差。(1)式中的φ·ΔT就是被测热像仪实际得到的红外辐射温差。

3 空间NETD测量

3.1 空间NETD测量参数设置及图像采集

采用大开口靶标或者空靶测量热像仪空间NETD。将测量设备温差设置为零，此时热像仪将接受均匀的目标黑体的红外辐射。设定被测热像仪的采样帧数，一般设置采样热像仪视频帧数大于或等于100，以利于下一步剔除时间噪声，只留下需要测量的热像仪空间噪声。

待黑体温度稳定，温差达到零后，按采样帧数，连续采集被测热像仪的视频图像，存入计算机供下一步分析计算空间噪声。

3.2 某一像素的视频帧序列分布平均值

对采集到的热像仪视频图像进行分析计算，首先选中欲分析的一组像素(或整个红外图像)，如图2中虚框所示。图2中左侧为像素视频电压差三维分布坐标轴示意图，其中H、V为像素空间平面分布坐标轴，表示为i、j；T为沿视频帧数坐标轴,表示为k,图中k=1，2，…，F。对于所采集的F帧视频图像，第k帧图像中第i行、第j列像素视频电压差表示为U(k,i,j)。

图2 一帧图像取代一组像素中每个像素电压取帧序列平均值后所采集的各帧图像Fig.2 One frame video replaces grabbed sequence video after video signals of every pixel in interesting block being averaged

对一组像素(或整个热图像)中某一像素取帧序列分布平均值 ，按(2)式计算：

(2)

3.3 一组像素(或整个图像)中像素视频电压差帧序列平均值随空间分布的标准偏差SVH

由一组像素(或整个图像)中的像素视频电压差帧序列平均值随空间分布的标准偏差SVH，得到该组像素(或整个热图像)的空间噪声电压值。按贝塞尔公式可计算一组像素(或整个热图像)中像素视频电压差帧序列平均值随空间分布的标准偏差SVH：

(3)

(4)

3.4 一组像素(或整个图像)的空间噪声等效温差

为直观表达热像仪的空间噪声，红外工程领域习惯将噪声换算为目标的温差。热像仪空间噪声等效温差按(5)式计算[9]：

(5)

式中：NETDSpatial为测量区域的空间噪声等效温差； SiTF为与测量NETD时相同增益、电平、背景温度条件下热像仪的信号传递函数，单位mV/℃。

在测量过程中，由于热像仪视场中心的余弦效应小、像质好，而且坏像素少，因此视场中心区域的空间噪声也相对较小[10]。

3.5 测量热像仪空间NETD注意事项

为了实现热像仪空间NETD的准确测量，应注意以下方面：

1) SiTF、空间NETD均在相同的固定增益、电平条件下测量；

2) 为提高噪声测量准确度，需将热像仪的增益设置为较大值；

3) 测量热像仪空间NETD过程中，若非默认积分时间，应注明热像仪的积分时间；

4) SiTF、空间NETD均在相同的背景温度下测量，并在测量结果中注明背景温度值；

5) 测量结果中应注明所选取的一组像素的位置以及所选取的一组像素占整幅图像的比例；

6) 测量结果中应注明实验室温湿度。

4 测量不确定度

测量热像仪空间噪声等效温差的合成不确定度uc计算公式为

表1 热像仪空间噪声等效温差的测量不确定度Table 1 Measurement uncertainty of spatial NETD of thermal imager

说明：以上不确定度分量彼此不相关。

5 测量结果分析

在实验室测量某制冷型MCT 320×256 凝视阵列热像仪参数，该热像仪工作波段为7.7 μm～10.3 μm，测量其小视场下的空间NETD。其增益范围：0～15，电平范围：0～31，设置热像仪固定增益为12，电平为15。视频帧取样数为125，取样区域像素占整个FOV像素的1/2。

从测量结果可以看出，热像仪探测目标的背景温度不同，热像仪空间噪声不同，原因是热像仪一点或多点非均匀性校正所选取的温度点不同。视场中心空间噪声较小，原因是视场中心坏像素少，且像质优于其他区域。

表2 空间NETD测量结果Table 2 Spatial NETD measuring results of thermal imager

6 结论

分析了空间高频噪声、空间低频噪声、时间域高频噪声、时间域低频噪声之间的区别。介绍了背景温度可控型热像仪参数测量设备测量热像仪SiTF、NETD参数的数学模型和测量方法，着重介绍了热像仪某一组、某一区域或全部像素如何剔除时间域NETD，再通过统计计算得到其空间NETD的数学模型。强调了空间NETD的测量条件及注意事项，给出了测量热像仪某一组像素或全部像素空间NETD的测量不确定度，列举了某制冷型热像仪在不同背景温度下不同区域像素的空间NETD测量结果。本文中的方法可以准确测量出热像仪空间NETD，评估空间噪声对热像仪性能的影响。

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