安防紅外成像設備無熱化測試平臺研究

■ 文/公安部第一研究所 劉琦

關鍵字：紅外成像 溫度變化 性能評價 無熱化測試

1 引言

紅外成像技術發展至今，因其溫度敏感特性，已大規模研發并廣泛部署于安防領域的諸多場景，如火車站、機場、地鐵等，進行著熱點檢測、溫度測量、體溫篩查等重要應用。在蓬勃發展的同時，針對紅外成像設備的性能評價與相關測試已成為當前紅外領域研究的重要方向。

正是由于紅外成像設備對溫度敏感，因此，在測試過程中，目標與環境的絕對溫度和差分溫度變化會影響到被測設備的多種光學參數與補償算法，進而影響性能評價結果，造成無法全面、客觀、可溯源的反映紅外成像設備性能的情況。亟需對測試過程進行無熱化設計及補償，大范圍的減少測試時溫度變化對紅外光學系統成像的不利影響。

本文基于紅外成像設備工作原理，介紹了主流紅外成像設備性能測試模型，同時結合溫度變化對紅外光學系統的影響，闡述并分析了無熱化平臺工作原理、設計路線與仿真結果。

2 紅外成像設備原理

紅外成像技術是基于所有溫度為絕對零度以上的物體都具有熱特征來實現的，即當物體溫度高于—273.15℃時，該物體會向外發出紅外輻射能量。

紅外成像設備本質上為熱傳感設備，可對相關紅外輻射能量（熱量）進行檢測和捕捉，并根據絕對溫度信息和溫差信息（差分溫度）映射電信號、數字轉換、創建像素、組成圖像，可作為高精度尖端探測設備使用，也可作為視頻成像設備使用。紅外成像探測器的工作波段會比可見光探測器功的工作波段更長，因此具有更低的頻率、更強的波動性、更弱的粒子性、更顯著的衍射性，進而在應用中會具有高穿透性與超遠作用距離。目前紅外成像設備已廣泛部署并應用在夜視、測溫、制導、跟蹤、航空航天、森林防火、工業診斷等領域。

3 紅外成像設備主要性能評價模型

根據性能評價考慮參數的情況，紅外成像設備的性能評價模型可分為3 類：綜合評價模型、單項評價模型和單一參數模型。綜合評價模型是考慮全部參數表現，并針對參數逐一設置權重值的評價模型，主要包括FLIR92 綜合模型、NVTherm 一體化模型、1975NVL 窄段模型、MTDP/TRM3 增強模型等；單項評價模型是測試考慮部分成像關鍵參數并進行公式計算的評價模型，主要包括噪聲等效溫差（NETD）、最小可分辨溫差（MRTD）、三角形方向鑒別閾值（TOD）、調制傳遞函數（MTF）等；單一參數模型，顧名思義，為紅外成像設備或系統的單一光學參數值，主要包括鏡頭焦距f0、鏡頭光圈大小F、有效通光孔徑D0、瞬時視場α/β、掃描效率、像元尺寸等。在我國，已應用成熟且被各類機構廣泛采納的評價模型多為單項評價模型。

3.1 NETD 模型

噪聲等效溫差（Noise Equivalent Temperature Difference 縮寫為NETD）是衡量被測紅外成像設備溫度靈敏度的一個客觀模型，也被稱為熱靈敏度。被測紅外成像設備對標準的方形測試靶樣或D 型測試靶樣進行觀察,當系統的基準電子濾波器輸出的信號電壓峰值和噪聲電壓的均方根值在數值上相等時,即信噪比的值等于1 時，目標與背景的溫差△T 稱為噪聲等效溫差，通常以毫開爾文（mK）為單位。根據定義可知，NETD 的計算公式為：

式中ΔT：為被測紅外成像設備入瞳處目標與背景的表觀溫差；

ΔV為對應于ΔT的電壓信號變化量；

σ 為噪聲均方根；

SiTF 為被測紅外成像設備信號傳遞函數。

根據GB/T 17444—2013《紅外焦平面陣列參數測試方法》和GA/T 1708—2020《安全防范視頻監控紅外熱成像設備》等標準中的相關內容，在NETD 測試時，需要將對靶樣圖像尺寸進行控制，需保證靶樣圖像尺寸遠大于被測紅外成像設備的瞬時視場（約為占全視場至少10×10 個圖像像素），且被測紅外成像設備入瞳處目標與背景的表觀溫差TΔ 應遠超NETD 的設定值，才可以按照較小公差計算出NETD 測試值。

NETD 模型為多參數協同客觀測試模型，涉及到的參數（溫差、電壓信號變化量、噪聲均方根）均需分別對信號區和背景區進行單獨采集后再代入公式進行計算，因此NETD 模型測試可分為單幀NETD 測試和多幀NETD 測試，顧名思義，單幀NETD 測試為僅對指定一幀的測試參數進行采集并計算，多幀NETD 測試需采集多幀圖像的測試參數。目前在多數測試要求中，NETD 模型測試結果以多幀NETD 為準。

3.2 MRTD 模型

MRTD 模型名為最小可分辨溫差（Minimum Resolvable Temperature Difference）模型，是指在被測紅外成像設備的特征頻率下，試驗觀察者剛好能分辨出四桿靶靶樣的溫差。MRTD 所用四桿靶靶標為具有指定特征頻率的高寬為1 比7 的標準條帶圖案（如圖2 所示），測試時將該靶標置于均勻的黑體背景中，分別控制正差分溫度（背景區溫度高于靶標區）和負差分溫度（背景區低于靶標區）并分別進行無限長時間的觀察，正負差分溫度絕對值分別從零增大到觀察者能分辨出四個條帶圖案目標為止，此時上述正負差分溫度絕對值的算數均值與修正系數的乘積為MRTD 測試結果。

在MRTD模型的測試中，“分辨出”為主觀判定的結果，為增強該主觀判定結果的溯源性，通常采用4 位經培訓的測試人員，其中3 人能分辨出四標桿圖案即可通過測試。MRTD 模型的測試結果通常采用下列公式進行計算：

式中：

ΔTT1—正溫差，單位K；

ΔTT2—負溫差，單位K；

Φ —測試系統的修正系數，通常＜1，其值經過標定獲得。

值得一提的是，與分析靜止單幀畫面相比，在對MRTD 進行評判時，要進行長時間觀察，即對時間序列進行分析，因為測試人員的感知對于時間變化函數非常敏感，也更容易得出判定結論。

影響MRTD 的因素有很多，主要分為客觀因素和主觀因素2 個方面?？陀^因素包括被測紅外成像設備的NETD、IFOV 等，主觀因素包括觀察者區分不同顏色、不同灰度和不同顯示質量的能力等。

3.3 TOD 模型

TOD 模型為三角形方向辨別閾值法（Triangle Orientation Discrimination threshold）。該模型需要控制的變量主要有2 個，空間分辨力和差分溫度?？臻g分辨力即為三角形靶標的尺寸，差分溫度為靶標溫度與黑體背景溫度的差值。TOD 模型使用多種尺寸的三角形靶標、多種差分溫度的黑體背景，用于提供三角形靶樣圖案（如圖3 所示）。測試人員通過觀察被測紅外成像設備輸出畫面判定三角形方向，判斷準則采用4AFC 方法并搭配單選機制，最后對判斷結果正確與否進行統計，在指定空間分辨力的情況下輸出判斷結果正確率與差分溫度的關系曲線，同時也需在指定差分溫度的情況下輸出判斷結果正確率與空間分辨率的關系曲線，最后通過WEIBULL 函數進行擬合，得到TOD 關系曲線，即該被測紅外成像設備空間分辨率與差分溫度的關系曲線。

簡單來講，TOD 測試模型為MRTD 測試模型的客觀溯源加強版，把四桿靶的是否可分辨的判定改進為對正三角形方向的辨別，同時，不再采用4 位經測試人員3 人能分辨出為正的判定，改進為多次測試，將結果改為關系曲線擬合。同時，TOD 測試模型在人眼視覺判定結果與機器視覺判定結果達到了高度統一。

3.4 MTF 模型

MTF 模型是目前紅外測試研究領域的主要應用模型，其反映的是被測紅外成像設備對目標場景的復制重現能力。紅外成像設備的MTF 是光學MTF 和電學MTF 的乘積所得，但在低溫環境下的MTF 測試方法與常溫和高溫環境下的MTF 測試方法存在差異。在黑體背景溫度中，通?？墒褂肕RTD 測試用的四桿靶靶標來對MTF 進行測試,在四桿靶目標結構上測量得到的函數對比度與空前頻率之間的關系被稱為調制傳遞函數 (Modulation Transfer Function，MTF)。MTF 雖然使用四桿靶測定，但讀取信息并非是完全主觀信息，需包括靶樣在被測紅外成像設備上的原始信號（也稱對象信號），下圖展示了在四桿靶靶樣測試MTF 的過程中所需進行采樣和分析的紅外圖像區域（A、B、C、D 為四塊擬采樣分析區域）。

在進行紅外成像設備無熱化系統性能評估的過程中，MTF 模型因其頻率獨立性高、主客觀參數融合度高（融合NETD 客觀參數與MRTD 觀測結果）、場景特征映射準確等原因，被作為主要評價模型使用。

4 紅外成像設備無熱化測試方案

隨著近代科學技術的發展，紅外成像設備在工藝、用料、使用效率與使用效果等方面不斷進步。然而，機械材料的熱特性和光學材料的溫度特性（如折射率、曲率半徑、焦距、厚度等）對紅外成像設備的使用效果影響較大，這種影響也被稱之為光學系統的熱效應。溫度的升降會導致光學系統特性參數如焦距、像面的漂移，成像質量的下降甚至不能正常工作，這種熱不穩定性在紅外成像設備中尤其嚴重，故有必要在測試過程中進行無熱化控制，以此來測試紅外成像設備在不同環境溫度下的性能或成像質量。對熱不穩定性或測試環境溫度進行控制后在開展的測試過程稱為無熱化測試。

針對上述紅外成像上設備測試模型，現使用MTF 作為性能評估主要指標，同時，在無成型測試平臺的情況下，由于目前焦平面設備在低溫測試時與常溫、高溫測試時冷凝狀態差異巨大，故擬采用2 種測試方案分別開展測試。

4.1 常溫、高溫下紅外成像設備MTF 測試

4.1.1 常溫、高溫下紅外成像設備MTF 測試原理

在常溫、高溫環境下對紅外成像的系統主要采用MRTD 反推導法，主要由NETD、光學系統MTF、電路MTF、電路信噪比D*等決定。常溫、高溫下MRTD 的客觀推導公式如下：

其中fx表示給定的空間頻率，當空間頻率一定時，k(fx)就為常數，MRTD 與被測紅外成像設備的的MTF 成反比。

MRTD 既反映被測紅外成像設備的溫度靈敏度，又反映了被測紅外成像設備的空間分辨力，是一個系統的綜合性能指標，因此可以用MRTD 來定量反應光學系統MTF。

首先采用MTF 測試儀測量常溫下的光學系統MTF，然后分別測量常溫、高溫下不同溫度點的MRTD，根據MRTD 值推算高溫下光學系統MTF。

4.1.2 常溫、高溫下紅外成像設備MTF 測試流程

MRTD 使用CI 測試系統進行測量，測試前測試系統應開機預熱30 分鐘。

1）將待測試的紅外成像設備水平放置在平行光管口，調節紅外成像設備高度，使紅外成像設備觀測的靶標區域處于監視器屏幕的中心位置。

2）選擇主頻為紅外成像設備特征頻率處的靶標（本紅外成像設備的特征頻率為1.5 周），調節紅外成像設備的位置并觀察監視器的圖像，使屏幕中的四桿條靶標最清晰。

3）調節黑體的溫度，并觀察監視器上的四桿條圖像（白靶，及四桿條區域亮于背景區域），當只能觀察到75%的圖像時，讀取CI 系統的MRTD 計算結果。

4）降低黑體溫度使屏幕上的靶標形成黑靶（四桿條區域暗于背景區域的靶標），當只能觀察到75%的圖像時，重新讀取CI 系統的MRTD 計算結果，取兩次MRTD 結果的平均值為最終結果。

5）將紅外成像設備置于高低溫箱內高溫+60℃環境下保溫1 個小時后，快速從溫箱取出，再放置于常溫CI測試系統上重復1—4 步。要求在5 分鐘之內完成。

6）根據常溫、高溫MRTD 測量值及常溫下光學系統MTF 值，推導并計算高溫下光學系統MTF 值。

4.2 低溫下紅外成像設備MTF 測試

4.2.1 低溫下紅外成像設備MTF 測試原理

低溫情況下，在無測試平臺時，因會在被測紅外紅外成像設備表面產生非常明顯的冷凝現象，因此不能采取MRTD 的方法來測量紅外成像設備的MTF。在低溫下我們使用對比度來衡量紅外成像設備成像質量的變化。

調制傳遞函數（MTF）為：

調制度M 的定義是：

Emax為白線條對應的灰度值，Emin為黑線條對應的灰度值

從以上公式可以得出調制度與調制傳遞函數的關系：針對相同的目標物體，像方調制度高，其MTF 就高，像方調制度與MTF 成線性關系。

故應用圖像調制度來對采集到的目標圖像進行分析，圖像調制度能明顯的反映因光學系統變化導致圖像質量的改變。當紅外成像設備對某個物體成像時，其像與物相比會發生一定程度的模糊，如下圖所示：

其對應的亮度分布如圖6 所示。

在理想狀態下，圖像探測器接收到的亮度曲線應該是一個方波，但由于紅外成像設備的采集原因會使之成為一正弦波，當紅外成像設備質量發生變化時，其像方對比度亦會發生改變，圖像越模糊，其對比度越小。

4.2.2 低溫下紅外成像設備MTF 測試流程

低溫下紅外成像設備MTF 的測試流程如圖7 所示。

1）按上圖搭建測試平臺。

2）反射鏡、黑體及四桿條靶標置于一個環境溫度穩定的空間內，使用高精度溫濕度計測量出環境溫度，設置黑體溫度使其比環境溫度的差分溫度絕對值達5℃左右。

3）常溫下，將紅外成像設備放置于高低溫試驗箱內，使紅外成像設備可透過高低溫試驗箱壁的紅外窗口觀測到靶標經反射產生的目標圖像，選取空間頻率為紅外成像設備特征頻率二分之一的靶標，調節紅外成像設備或四桿靶的位置使靶標區域處于熱紅外成像設備視場的中心，采集當前視頻數據。

4）關閉紅外成像設備，降低高低溫試驗箱的溫度至—20℃，持續2 小時后，采集紅外成像設備的視頻數據。

5）關閉紅外成像設備，升高高低溫試驗箱的溫度至30℃，持續2 小時后，采集紅外成像設備的視頻數據。

6）采集數據的分析及對比度計算，將保存的紅外視頻數據中截取一幀圖像，在靶標區域的中心位置選取一矩形區域，區域需包含靶標的正負差分溫度圖像，使用圖像分析軟件統計出此塊區域中的最大值及最小值，按照對比度公式計算此時的對比度，映射計算MTF 值。

5 紅外成像設備無熱化測試平臺的搭建

5.1 MTF 測試流程設計反饋

根據高溫、常溫、低溫下紅外成像設備MTF 測試流程可知，若想構建一體化紅外成像設備無熱化測試平臺（可調節內部環境溫度變化分別在高溫段、常溫段、低溫段），需符合以下條件：

1）被測紅外成像設備（熱像儀）需置于環境溫度穩定區域；

2）被測紅外成像設備圖像采集方向應具有高紅外透過率的紅外視窗；

3）紅外視窗不應因溫濕度差異或溫度變化產生起霧、起霜或凝結現象；

4）紅外視窗與靶樣提供裝置之間應處于均勻氣溶膠環境中，宜放置平行光管并密封；

5）整體平臺在保證密封性的同事，應可通過移動終端介質進行外部控制。

5.2 紅外成像設備無熱化測試平臺整體設計

結合高溫、常溫、低溫下紅外成像設備MTF 測試流程，所構建紅外成像設備無熱化測試平臺示意圖如圖8 所示。

在上述示意圖中，包括2 個子系統：無熱化紅外環境控制子系統及透射式紅外性能測試子系統。

其中，無熱化紅外環境控制子系統由環境控制試驗箱、鈦制緩沖層、紅外光學窗口、光學窗口溫控器、環境試驗箱光學窗口一體化控制器組成。主要核心部件為環境試驗箱光學窗口一體化控制器，其作用為：對環境試驗箱溫度濕度進行控制及讀取、對紅外光學窗口進行溫濕度監測及成像效果監測，對光學窗口溫控器進行控制；環境控制試驗箱為進行環境控制的終端設備，鈦制緩沖層作用為底部積液隔絕+冷卻液和熱凝液存放；紅外光學窗口為被測紅外成像設備的主要觀測窗口；窗口溫控器的主要作為對紅外光學窗口進行加熱和制冷，并可進行排氣和氣密性監測。

透射式紅外性能測試子系統包括平行光管、分劃板+靶標、黑體輻射源及控制器。平行光管的主要作用為提供穩定的平行光源。值得一提的是，此平行光管內無拋物面，光管一端連接光學窗口，另一端連接分劃板和靶標；分化板與靶標主要為NETD、MRTD、TOD、MTF 等指標的測試提供測試用圖樣；黑體輻射源可提供穩定的高輻射率紅外光源；控制器一方面可對黑體輻射源進行絕對溫度和差分溫度控制，另一方面可對靶標圖案及靶位進行讀取。

平臺控制顯示終端為測試人員所用終端。一方面，終端內嵌NETD、MRTD、TOD、MTF 測試算法，同時可通過控制器進行黑體控制（包括差分溫度、絕對溫度和溫度分辨率等參數）。另一方面，終端可通過環境試驗箱光學窗口一體化控制器對環境試驗箱、紅外光學窗口進行控制。不容忽視的是，終端還接入了待測紅外成像設備進行圖像信息采集與顯示，并根據環境試驗箱及光學窗口參數對視頻圖像信息進行溫度補償與黑體發射率修正。

在進行無熱化性能測試階段，首先將待測紅外成像設備放入環境控制試驗箱，黑體上電調節，通過平臺控制顯示終端查看待測紅外成像設備是否清晰成像，根據被測紅外成像設備參數確定特征頻率，再選擇指定的分化板及靶標（NETD 為D 型靶、MRTD 和MTF 為四桿靶、TOD 為三角靶），同時讀取并調節環境控制試驗箱及紅外光學窗口參數，最后運行測試軟件開始測試。

5.3 紅外光學窗口設計

通常設計的光學系統，都只考慮在一般條件下光學材料的特性，對成像質量的評估也基于此。而在紅外成像無熱化測試平臺中，紅外光學窗口的使用環境較為復雜，尤其是環境溫度變化對使用影響較大。溫度變化引起光學材料的折射率、厚度等參數都將發生變化，從而引起成像質量的變化。因此，對于一個用于空間環境的光學系統來說，在地面上設計好的系統，如果沒有考慮這個環境中的溫度變化所帶來的影響，就會給測試平臺在工作穩定性上帶來很大的波動。

5.3.1 紅外窗口模型整體仿真

根據紅外成像設備相關標準，包括GB/T 19870—2018、GA/T 1708—2020、XF/T 635—2006 等，溫 度 變 化范圍是—45℃～60℃，在此范圍內指定光學材料的性能將隨著溫度的變化而發生改變。正是這種溫度效應限制了高分辨率紅外鏡頭的發展。光學系統在溫度上的抗逆性將直接影響整個系統的性能。因此，亟需對紅外光學窗口進行仿真，根據仿真結果進行二次設計后再加工制造。

光學窗口采用雙層Ge 窗口，內部進行抽真空處理，外嵌機械框架。仿真所用軟件為ANSYS 軟件，仿真用光學窗口在材料指標上輸入參數均被輸入ANSYS Fluent 模塊，如表1 所示。

窗口 機械框架材料：Ge 材料：T6061彈性模量：7.3e4MPa 彈性模量：68.9GPa泊松比：0.27 泊松比：0.33密度：5.35g/cm^3 密度：2.8g/cm^3線性膨脹系數：6.0e—6/K(參考溫度：300K)線性膨脹系數：23.6e—6/K(參考溫度：300K)熱導率：60.2W/(m·K) 熱導率：2.51 W/(m·K)比熱容：320J/(kg·K) 比熱容：0.9 J/(kg·K)

導入ANSYS Fluent 后對窗口在透射式使用情況下進行模擬，雙紅外Ge 片之間熱力壓力分析模型如圖9 所示。

5.3.2 窗口溫度及表面形變分析

分別對艙內空氣壓強為標準大氣壓和0.2 標準大氣壓下鏡片溫度進行仿真分析，并對艙內溫度為0.2 標準大氣壓時，鏡片變形情況進行分析。

艙內為標準大氣壓時，兩小時后，鏡片溫度及艙內空氣分布情況如左圖所示。此時，內窗口（藍色鏡片）溫度為—40℃ ，外窗口（橙色鏡片）溫度為2.7℃，室溫（紅色區域）為20℃。

根據有限元分析結果，窗口的變形量如下圖所示，縱坐標為矢高數據，數據單位為nm，橫坐標為窗口的徑向尺寸，數據單位為mm。由圖中的分析結果可見，表面面型的變化量小于14nm。

艙內為0.2 個標準大氣壓時，兩小時后，鏡片溫度及艙內空氣分布情況如左圖所示。此時，內窗口（藍色鏡片）溫度為—40℃ ，外窗口（橙色鏡片）溫度為12.8℃，室溫（紅色區域）為20℃。

根據有限元分析結果，窗口的變形量如圖13 所示，縱坐標為矢高數據，數據單位為nm，橫坐標為窗口的徑向尺寸，數據單位為mm。由圖中的分析結果可見，表面面型的變化量小于30nm。

圖1 NETD 測試靶標成像示例

圖2 正負差分溫度下的四桿靶條帶圖案

圖3 三角形方向分別為上、下、左、右的TOD 靶標圖案樣例

圖4 MTF 采樣分析圖像區域樣例

圖5 圖像調制度變化帶來的模糊成像效果圖

圖6 物像亮度曲線與方波

圖7 低溫下紅外成像設備MTF 測試示意圖

圖8 紅外成像設備無熱化測試平臺示意圖

圖9 雙光學Ge 片間熱力壓力仿真模型

圖10 標準大氣壓下溫度及空氣分布情況

圖11 標準大氣壓下窗口表面變形量

圖12 0.2 個標準大氣壓下溫度及空氣分布情況

圖13 0.2 個標準大氣壓下窗口表面變形量

圖14 單晶硅鏡筒應力示意圖

圖15 單晶硅鏡片應力示意圖

圖16 N 型鍺單晶鏡筒應力示意圖

圖17 N 型鍺單晶鏡片應力示意圖

此外，由于窗口工作在透射條件下，前后表面的變形趨勢是一樣的，因此透射波前可認為不受到影響，采用雙Ge 窗口的設計可以滿足溫度均勻性及形變需求，對于被測的紅外成像設備沒有影響。

5.3.3 窗口靜力分析

靜力分析方面，使用的是ANSYS Mechanical 模塊，代入與溫度及表面形變相同參數數值，靜力分析驗證窗口在結構上能夠承受使用環境中最大的作用力，以及在這些載荷作用期間和作用后其結構剛度和強度是否會降低。

鏡筒及鏡片的應力如上圖所示，最大應力為7.2MPa，鏡片材料為單晶硅，不會因壓強差而被破壞。觀察鏡片的變形情況，可以看出，由于壓強差的影響，鏡片中心位置向內凹陷。最大位移為25um=2.5 絲。壓強差越大，鏡片變形越嚴重。

窗口鏡片口徑為160mm，厚度為10mm，該變形量使鏡片凹面面型變為曲率半徑為37500mm 的等厚球罩，兩個球罩彎曲方向相反，對焦距300F2及以內的中波光學系統無影響。

鏡筒及鏡片的應力如上圖所示，最大應力為7.2MPa，鏡片材料為N 型鍺單晶，不會因壓強差而被破壞。觀察鏡片的變形情況，可以看出，由于壓強差的影響，鏡片中心位置向內凹陷。最大位移為32um=3.2 絲。壓強差越大，鏡片變形越嚴重。

窗口鏡片口徑為120mm，厚度為8mm，該變形量使鏡片凹面面型變為曲率半徑為22000mm 的等厚球罩，兩個球罩彎曲方向相反，對光學系統無影響。

5.3.4 窗口防結霜、凝露設計

由于在進行高低溫試驗時，窗口與外部溫差較大，會造成局部結霜或凝結現象，影響測試精度和測試結果。對紅外窗口進行二次處理并外加對接設備，對高低溫試驗箱內外場景進行有效隔離，防止外部窗口結霜或結露。

首先需要對窗口雙層玻璃之間進行抽真空處理。經摸底驗證若只抽真空，低溫時（—40℃為例）紅外觀察窗口外壁仍然會結存在明顯凝結現象，因此在涉及紅外窗口玻璃時，添加熱風機對外進行鼓風操作，可以調整窗口表面的風速及熱風溫度，保證窗口表面受熱均勻，阻止窗口表面凝結或結霜。

5.3.5 公差仿真分析

一般情況下公差分析常用的方法主要有以下幾種：MTF 法、能量包圍圓法、波前誤差法和點列圖法等，該方案采用 MTF 法對系統進行公差分配，要求光學系統特征頻率處傳函下降量不大于 0.1，具體步驟如下：

1）給系統添加一批適當的公差；

2）添加一個或多個補償器組件，補償器不能改善像質，只能使性能損失盡量減??；

3）選擇一個適當的標準，本文中選取系統 MTF 作為標準，分別從子午和弧矢兩個方向對七個視場進行 MTF計算；

4）選擇使用的模式，MTF 法中具有靈敏度分析或者反轉靈敏度分析兩種分析方法；

5）查看靈敏度分析表，收縮一些對整體公差影響較大的結構參數的公差，或者增加新的公差來滿足系統要求，執行公差分析；

6）查看公差分配值對系統性能的影響，根據靈敏度表對公差值進行修改，考慮公差的殘差值，可返回到步驟5。

目前，國際上經常將光學系統加工與裝配公差分為商業級、精確級、高精密級這三個級別。根據上述過程，結合無熱化測試平臺的光學元件的加工要求及現有的加工裝調水平，盡量避免高精密級公差水平，對系統的公差進行合理地分配。為了得到準確的傳函變化量，對子午和弧矢兩個方向共都進行了 MTF 的計算，系統后截距作為補償量，根據靈敏度表格反復調整公差值。此外，由于可見光及紅外通道共用一個主系統，公差分配時要保證系統的前三個面具有相同的公差值。系統的主鏡及次鏡都為雙曲面，在這里采用與透鏡系統不同的公差評價標準。通過合理分配各個系統的公差值，最終得到了一組精度適中的公差仿真分析值。

根據所得到的公差仿真分析值矩陣，構造復合光衍射MTF 曲線圖，如圖18 所示。

圖18 復合光衍射MTF 曲線圖（像質圖）

復合光衍射MTF 曲線圖也被稱為像質圖，是公差仿真模型的主體表現，像質圖中每個方向計算所得的MTF模型均可進行拓展展示，通過圖形顯示設置的公差范圍、厚度公差閾值、不規則程度公差閾值、表面偏心公差閾值等情況。

通過對紅外窗口表面不規則程度公差閾值進行二次建模，分別采用12NFC 選擇法和RSS 方法，選擇重建圖像后進行一致性展示，像面非均勻性結果如圖19 所示。

圖19 12NFC 選擇法下的光學窗口像面非均勻性

在非均勻性展示后，使用RSS 方法對壞偏離類型和數值進行統計，預計的性能變化值采用名義MTF 和預計MTF 進行曲線擬合，并對補償器反饋結果進行統計，統計參數類型主要針對后焦點變化，包括最大值、最小值及平均值，根據后焦點變化統計情況得出標準偏差，在通過標準偏差對光學窗口的場曲閾值和畸變閾值進行圖形化展示，如圖20 所示。

圖20 場曲閾值和畸變閾值的圖形化展示

通過上述分析可以看到，以已有的工藝水平公差為基礎，加工出來后的產品，在仿真結果上所有視場MTF 變化完全在公差控制范圍內，彌散斑均方根半徑變化程度較小，最大為3.5um，仍小于目前市場上最小像元探測器的單個像元尺寸4.5um，場曲小于0.1，畸變小于2%，影響較小，完全符合紅外成像設備無熱化測試需要。

6 結語

紅外成像系統在安防領域越來越得到重視和廣泛應用，針對安防紅外成像系統的測試需求也愈發強烈，目前控制溫度變化，減少對被測紅外成像設備成像的不利影響、對測試平臺測試結果的偏移，已成為目前紅外領域科學研究的重要內容。無熱化測試平臺的出現，成功解決了無法進行多種環境溫度下紅外成像設備性能測試的問題，實現多種紅外測試模型在不同環境溫度下的自動調節和處理，形成控制、測量、監控一體化的測控系統，通過仿真已驗證其具有較高的可靠性與精準性。相信在不久的將來，紅外成像系統無熱化測試平臺的研發可促進相關紅外成像設備的提升與轉型。