紅外熱像儀性能參數檢測系統校正方法研究

宿軍，王勁松，李延風，劉斯堯

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

近幾十年來，紅外熱像儀以其隱蔽性好、具有穿透煙、霧、雨、雪等限制以及可實現遠距離全天候觀察等優點，在偵查、導航、氣象、醫學熱診斷、工業設備等諸多領域得到廣泛應用，推動了國家經濟建設的發展。隨著紅外熱像儀研發和生產的日益更新，對相應的系統性能測試提出了更高的要求，其各項參數的檢測也愈發重要，紅外熱像儀性能參數檢測系統，控溫準確，快速，能夠完成最小可分辨溫差［1］、最小可探測溫差等紅外熱像儀重要性能參數的測試。系統校正方法的研究。很好地解決了測試系統標定的技術問題。對獲得準確的、等指標測試數據，降低測試系統自身特性的影響，具有十分重要的意義。

1 檢測系統工作原理及測量參數

1.1 工作原理

檢測系統工作原理如圖1所示。靶標位于準直儀的焦面上，模擬無窮遠目標，使熱像儀接收到近似于無窮遠目標的平行光束?？勺儨夭钅繕税l生器為熱像儀提供一個均勻可調的目標-背景溫差，經過反射式準直儀輻射到熱像儀視場內，使靶標在熱像儀視頻圖像上呈現一定對比度的圖案，增加減小溫差可使圖案對比度增加或減小。通過熱像儀視頻圖像實現對MRTD/MDTD、光軸一致性等參數的精確測試。

圖1 檢測系統工作原理圖

1.2 檢測參數

國標中規定用于評估紅外熱像儀性能的參數主要有零位走動量［2］、最小可分辨溫差（MRTD）［3］、最小可探測溫差（MDTD）［4］、噪聲等效溫差（NETD）和調制傳遞函數（MTF）。其中MRTD是綜合評價紅外熱像儀的核心參數，是能表征紅外熱像儀熱靈敏度和高頻極限分辨力的綜合度量。MDTD是一種能與受噪聲限制的野外探測性能相關的參數［5，6］。

用于MRTD溫差判讀的靶標采用四桿靶形式，紅外熱像儀的MRTD為：

測量時，目標溫度比背景溫度高時（白桿），稱為正溫差ΔT1，目標溫度比背景溫度低時（黑桿），稱為負溫差ΔT2，取其絕對值的平均值。

MDTD的測試原理與MRTD類似。不同的是靶標形式采用圓孔靶。紅外熱像儀的MDTD為：

測量時，通過調節面源黑體溫度，使目標溫度逐漸高于背景溫度，當觀察亮圓斑時的溫差，稱之為正溫差ΔT1′。繼續降低溫差，直到暗圓斑出現，稱之為負溫差ΔT2′，其中K是系統校正系數。該系統校正的量值傳遞基準是鉑電阻溫度計（二級標準），經過標準黑體對掃描輻射計進行校正，再用校準合格的輻射計對熱像儀整機性能測試系統進行校正。

2 校正系統設計

2.1 系統校正系數

系統黑體源輻射的是物理溫差，經平面反射鏡、拋物面鏡反射后平行投射于熱像儀，這過程中由于大氣衰減、反射損失等因素，最后熱像儀接收到的輻射能將減弱，也就是接收到輻射溫差。輻射溫差與物理溫差之間的比值（測試很多組數據，再用最小二乘法計算斜率）即為系統校正系數。這個系數K經校正后，即可長期使用。

2.2 系統設計

基于準直光學系統的MTF、透射比及面源黑體發射率的影響，檢測系統測量前需要進行系統校正標定。系統校正示意圖如圖2所示。設備配置圖如圖3所示。

圖2 系統校正示意圖

圖3 校正系統布局圖

3 校正結果與討論

進行系統較正，首先將四桿靶溫差（物理溫差）通過熱源控制器降至-8℃（注：最大負溫差不能低于黑體輻射溫差表的下限，最大正溫差不能高于黑體輻射溫差表的上限），使用經標定的輻射計，在±1.5°角范圍內，對其進行掃描。得到如圖4結果。改變溫差，測得不同溫度（物理溫差）下的靶標溫差。得到一系列具有四個波峰，三個波谷的溫度分布曲線。

圖4 溫度分布曲線圖

對于負溫差，將溫度分布曲線中四個波峰溫度（最小值）取算術平均Tf，再將三個波谷溫度（最大值）取算術平均Tg，則Tf-Tg即為該物理溫差下的輻射溫差。對于正溫差，將溫度分布曲線中的四個波峰溫度（最大值）取算數平均得Tf，再將三個波谷溫度（最小值）取算術平均Tg，則Tf-Tg即為該物理溫差下的輻射溫差。其測試數據表如表1所示。

表1 物理溫差與輻射溫差測試數據表

由表1中溫差數據可知，以物理溫差為橫坐標，輻射溫差為縱坐標，采用最小二乘方法對這些數據進行線性擬合，擬合曲線如圖5所示。

圖5 系統校正系數擬合曲線

由擬合結果計算可知，K=0.864。得到校正系數后，代入計算公式中，進行系統修正。即可求得被測紅外熱像儀的MRTD和MDTD參數。完成測試設備的全部校正。

4 結論

紅外熱像儀各項性能參數的測試離不開紅外成像系統性能測試系統。測試系統校正系數的標定是進行紅外成像系統各參數測試的基礎，本文針對紅外熱像儀性能參數檢測系統的系統校正問題，進行了研究和探討。分析了采用高精度成像式紅外測溫儀測溫的系統校正方法，通過測試實驗獲得了系統校正系數。實驗結果表明該方法可滿足儀器常數的標定測試要求。能夠很好解決檢測系統校正的技術問題。對于紅外熱像儀的應用具有重要的現實意義和應用價值。

參考文獻

［1］ 王東偉，張旭升.紅外熱像儀最小可辨溫差客觀評測技術［J］.紅外與激光工程，2010，39（4）：611-613.

［2］ 王偲姣，安志勇，王勁松，等.零位走動量測量的微動對零讀數細分機構研究［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2010，33（04）：58-61.

［3］ 王晶，紀明，敬鳴，等.動態紅外成像系統MRTD的測試與分析［J］.激光與紅外，2013，43（5）：526-531.

［4］ Bodoff，David.Test theory for evaluating reliability ofIR testcollections［J］.Information Processing and Management，2008，44（5）：1117-1145.

［5］ 卞江，馬冬梅，孫鴿.紅外光電成像系統MTF測試技術分析［J］.應用光學，2013，34（5）：748-753.

［6］ 陳振興.紅外成像系統MRTD測試技術研究［D］.長春：長春理工大學，2011.