空間噪聲等效溫差測試方法研究

樂麗珠，陸正杰，王小鳳，于 聞，楊 帆，張 成

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空間噪聲等效溫差測試方法研究

樂麗珠1，陸正杰2，王小鳳2，于 聞1，楊 帆1，張 成1

（1.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2.西北大學信息科學與技術學院，陜西 西安 710127）

噪聲等效溫差（NETD）是熱像儀主要性能參數之一。對空間噪聲等效溫差（spatial-NETD）的測試方法進行研究，完善空間噪聲等效溫差測試技術，并對測試結果進行分析比較，指出空間噪聲等效溫差測試的重要性，為空間噪聲等效溫差在熱像儀性能測試中的應用提供依據。

噪聲等效溫差；時間噪聲等效溫差；空間噪聲等效溫差；信號傳遞函數

0 引言

隨著科學技術的發展及武器裝備的更新換代，用戶對軍用光電產品的要求也必然會越來越高、越來越嚴格。為了滿足越來越多產品尤其是新產品更精確、快速的測試要求，更加準確全面地反映熱像儀的性能高低，用戶對熱像儀主要性能參數之一——噪聲等效溫差（noise equivalent temperature difference, NETD）——的測試提出了新的要求。熱成像系統噪聲按三維噪聲模型可劃分為7個噪聲分量，目前對熱像儀的評價中測量的僅僅是時間噪聲等效溫差（temporal-NETD），不能全面反映熱像儀噪聲的大小。由于熱像儀技術的進步，僅根據temporal-NETD值已經很難對目前多種類型的熱像儀進行信噪性能的比較，也不能全面地評價熱像儀性能?？臻g噪聲等效溫差（spatial-NETD）的測量則正好彌補了時間噪聲等效溫差的不足，有著十分重要的意義。

1 噪聲等效溫差測試系統

熱像儀對測試圖像進行觀察，當系統輸出的信號電壓峰值和噪聲電壓的均方根值之比為1時，目標和背景的溫度差為噪聲等效溫差（NETD）。熱像儀NETD測試系統如圖1所示。

2 目前NETD測試存在的問題

熱成像系統噪聲按三維噪聲模型可劃分為7個噪聲分量，目前對熱像儀的評價中測量的僅僅是temporal-NETD（T-NETD）。T-NETD按頻率范圍可分為時間域低頻噪聲等效溫差和時間域高頻噪聲等效溫差。

時間域高頻噪聲使熱像儀像元的輸出隨時間相對快速地變化，將熱像儀輸出的時間域高頻噪聲轉換為靶標的溫差，其量值稱為時間域高頻噪聲等效溫差。

圖1 熱像儀NETD測試系統示意圖

信號傳遞函數（signal transfer function, SiTF）定義為熱像儀入瞳孔徑上的輸入信號變量的輸出信號函數。SiTF是對紅外成像系統進行客觀評價的參數，它不受觀察者主觀判斷差異的影響。

通過試驗可以看出，同一熱像儀視場內不同區域的SiTF、噪聲、非均勻性都不相同，通常測出的結果是測量區域內的T-NETD平均值，僅僅能反映熱像儀的平均SiTF和平均噪聲的情況，無法反映出熱像儀視場內任意點的SiTF和噪聲的高低。要全面反映視場內每一個空間點（每一個像素點）的高頻時間噪聲需要對每個點進行逐一統計計算。

從噪聲的三維分析可知現有T-NETD的檢測結果不能全面反映熱像儀的信噪性能的高低，T-NETD只能描述那些幀與幀之間隨著時間變化的噪聲。對凝視型熱像儀來說，從信號處理不均勻和焦平面不均勻性引起的噪聲對系統噪聲有重大貢獻，甚至占據主要地位，僅從T-NETD數值不能全面的反映出熱像儀的噪聲強弱、均勻性等。

從以上分析的T-NETD的局限性來看，現在的T-NETD測試已經很難滿足對產品越來越全面、越來越精確的要求。

3 空間噪聲等效溫差

時間噪聲（tvh）和空間噪聲（vh）能進一步分成高頻和低頻分量，見表1。

表1 Ntvh和Nvh的高頻和低頻分量

噪聲等效溫差針對高頻時間噪聲，而低頻時間噪聲就是1/噪聲。高頻空間噪聲是固定圖案噪聲，低頻空間噪聲是非均勻性。觀察者同時看到空間和時間噪聲的影響。低頻分量表現為監視器上出現條帶或監視器上的亮度變化，它影響空間頻率最小可分辨溫度的結果。

熱像儀的空間噪聲包括空間低頻噪聲（即非均勻性）和空間高頻噪聲（即固定模式噪聲FPN），是熱像儀噪聲中不隨時間變化的噪聲等效輸入溫差。將熱像儀的空間噪聲轉換為靶標的溫差，其量值稱為空間噪聲等效溫差（S-NETD）。

4 S-NETD的測試方法

1）將熱像儀增益、電平設置為定值。將熱像儀對準測量裝置準直光管的視場中心，調整熱像儀焦距，使之成像清晰，用刀口靶標測量出熱像儀此時的SiTF。

2）保持上述設置不變，換用空靶或者大開口的矩形或圓形靶標，將溫差設置為0。

3）設置圖像采集幀數，采集由被測熱像儀生成的短時間連續圖像視頻序列（假設1/噪聲的影響可以忽略不計）。

4）待黑體溫度穩定，采集一個由待測熱像儀生成的熱圖像視頻序列（假設1/噪聲的影響可以忽略不計），一般采集100幀以上，將其圖像存入測試計算機中。

5）對采集的各幀圖像中的每個像素進行時間平均，所采集的各幀圖像由一幀圖像取代，被測熱像儀視場中被分析區域的空間噪聲（或整個熱像圖像的空間噪聲）按被分析區域內不同像素的視頻電壓值隨空間變化的標準偏差計算。

6）將以數字視頻電平為單位的空間噪聲計算值轉換為以溫差為單位的S-NETD值：

S-NETD＝噪聲電壓均方根值/SiTF

5 實測結果

對288×4二代掃描型熱像儀，非制冷凝視型熱像儀和制冷掃描型熱像儀，一代和二代掃描型熱像儀，二代制冷凝視型熱像儀和二代制冷掃描型熱像儀分別進行T-NETD和S-NETD測試，并對測試數據進行分析。

1）288×4二代掃描型熱像儀測試

從圖2可以看出熱像儀圖像行與行之間NETD差異是無規律性的、隨機的，熱像儀圖像列與列之間差異有一定的規律性，體現了熱像儀的非均勻性。經過大量的測試比較，測試數據見圖3～圖5，發現二代掃描型熱像儀行S-NETD相對較小，而每列的S-NETD相對較大，S-NETD的測量能反映固定模式噪聲和非均勻性的好壞。對同一熱像儀在不同增益下進行S-NETD的測量，發現S-NETD值隨增益的增大而減小，熱像儀圖像隨增益變化而變化。其中列和行S-NETD的值是波動的，但總體趨勢是隨增益的增大而減小的。其深層原因在探索中。

2）多種熱像儀測試

從表2、表3看出，非制冷凝視型熱像儀的T-NETD較制冷掃描型熱像儀小，但非均勻性要差一些，實際上制冷掃描型熱像儀的成像質量比非制冷凝視型熱像儀好，S-NETD的測量結果也恰好彌補了T-NETD的這一不足。以前只通過T-NETD來評價熱像儀顯然是不全面的。綜合T-NETD和S-NETD兩者來評價非制冷凝視型熱像儀才更全面準確，也更利于對熱像儀的綜合評判。二代制冷焦平面凝視型熱像儀和非制冷凝視型熱像儀的T-NETD接近，但實際上制冷凝視型熱像儀的成像質量比非制冷凝視型熱像儀好，S-NETD的測量結果也恰好反映了這一點。僅從T-NETD來評價一代和二代掃描型熱像儀也是不夠的，某些一代掃描熱像儀的T-NETD和二代掃描熱像儀的很接近，但二代掃描型熱像儀的成像質量明顯優于一代，S-NETD也明顯優于一代。

圖2 288×4掃描型熱像儀的S-NETD

圖3 掃描型熱像儀的(a)行S-NETD曲線與(b)列S-NETD曲線

圖4 熱像儀圖像隨增益變化的情況

表2 制冷掃描型和非制冷凝視型熱像儀NETD測試結果

表3 二代制冷凝視型和非制冷凝視型熱像儀NETD測試結果

從表4、表5看出，二代制冷凝視型熱像儀的T-NETD一般比二代制冷掃描型熱像儀好，但實際成像質量比二代制冷掃描型熱像儀稍差一些，盲元數也多一些，經過大量測試，二代制冷凝視型熱像儀的S-NETD一般比二代制冷掃描型熱像儀稍差一些。

表4 一代和二代掃描型熱像儀NETD測試結果

表5 二代制冷凝視型熱像儀和二代制冷掃描型熱像儀NETD測試結果

S-NETD的測試有效地彌補了T-NETD的不足，對熱像儀的評價更加全面。因此，僅從時間相關的NETD來評價一代和二代掃描熱像儀顯然是不夠全面的，加入空間相關的NETD的測量才能對掃描型熱像儀的信噪性能有一個更加準確全面的評價。

6 結論

隨著科學技術的發展，對熱像儀的各個性能參數都有了新的認識，對主要參數之一的NETD也有了更加全面的認識。隨著三維噪聲模型的建立，原有的一維噪聲的測量已經暴露出了越來越多的不足，迫切需要改進。

二代熱成像系統的信號中已包含了包括時間空間隨機的噪聲、時間無關空間相關的噪聲、時間相關空間無關的噪聲等各種噪聲，如何更合理地評價其性能是目前需要探索的一個問題。

對時間域和空間域都進行測量，得出的NETD才是更全面的NETD，才能更加準確全面地反映出產品的實際性能，也才能滿足越來越高的各種測試需要。

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Test Method of Spatial Noise Equivalent Temperature Difference

YUE Lizhu1，LU Zhengjie2，WANG Xiaofeng2，YU Wen1，YANG Fan1，ZHANG Cheng1

(1.,650223,; 2.,’710127,)

Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) is one of the signs of infrared thermal imaging system performance index. In this paper, SpatialNoise Equivalent Temperature Difference (S-NETD) was studied, the testing technology of S-NETD was improved, the test results were compared, and the importance of the test of S-NETD was pointed out. The basis for the application of S-NETD in the thermal imager performance test is provided.

noise equivalent temperature difference，temporal noise equivalent temperature difference，spatial noise equivalent temperature difference，signal transfer function

TN216

A

1001-8891(2016)06-0519-05

2015-10-21；

2016-01-07.

樂麗珠（1966-），女，漢，高級工程師，主要研究方向為熱成像系統測試技術研究。