熱成像系統的NETD測試分析

第39卷第3期紅外與激光工程2010年6月Vol 39 No. 3Infrared and Laser EngineeringJun.2010熱成像系統的NETD測試分析安成斌,萬(wàn)英(華北光電技術(shù)研究所,北京100015)摘要:總結了目前國內外熱成像整機測試系統中常用的兩種NETD測試方法。分析了NETD測試模型,比較了兩種測試方法在處理非線(xiàn)性視頻圖像輸出中的差異,選取測試精度、重復性更高的信號傳遞函數(SiF)測試方法作為實(shí)驗方法。對同一熱成像系統在NETD測試中測試結果存在較大差異的現象進(jìn)行了分析。重點(diǎn)針對自動(dòng)增益亮度、圖像增強、伽馬嬌正、高頻濾波4種常見(jiàn)非線(xiàn)性處理方式對N巸ID測試結果的影響,提出了相應的測議說(shuō)明及解決方案,為獲得準確、可重復的NETD測試結果提供了有效的手段。關(guān)鍵詞:熱成像系統;紅外測試;NETD中圖分類(lèi)號:TN219文獻標識碼:A文章編號:1007-2276(2010)03-0414-04Analysis of NETD test for thermal imaging systemAN Cheng-bin, WAN Ying(North China Research Institute of Electro-optics, Beijing 100015, China)Abstract: Two common NETD test methods of test system of thermal imaging machine at home andabroad was summarized. NETD test model was analyzed. Difference of the two methods in dealing withnon-linear video image output was compared. The SitF test method with higher test precision andrepeatability was used as the experimental method. The quite difference phenomenon was analyzed in theNETD test results of the same thermal imaging system (TIS). Based on the effect of automatic gainbrightness, image enhancement, Gamma correction, high frequency filter on NETD test results, thecorresponding test descriptions and solutions were proposed. It provides the effect means for obtainingaccurate and repeatable NETD test resultsKey words: Thermal imaging system; IR test; NETDMRTD測試由人眼觀(guān)察監視器上的四桿靶完成,測試過(guò)程中易受測試人主觀(guān)因素的影響,必須由經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)NETD是熱成像系統靈敏度的重要客觀(guān)評價(jià)指訓練的多名人員進(jìn)行,因而作為客觀(guān)測試參數的標,可用于預測小溫差點(diǎn)目標的探測距離口,從而實(shí)NETD更受到認可現技術(shù)指標向戰術(shù)指標的轉化,MRTD是熱成像系但是,隨著(zhù)新型熱成像系統中視頻圖像處理方法統靈敏度和分辨率的主觀(guān)評價(jià)標準。NETD與MRTD的引入,同一熱成像系統在NETD測試中除受傳統的是目前熱成像系統最主要的性能評估參數,由于環(huán)境、測試系統誤差、不同噪聲對應的 NETD3 6-71中國煤化工CNMHG收稿日期:200008-18;修訂日期:2009-09-08基金項目:武器裝備探索預先研究資助項目(7130910)作者簡(jiǎn)介:安成斌(1974-),男(滿(mǎn)族)內蒙古烏蘭浩特人,高級工程師,主要從事光電子技術(shù)方面的研究。 Email: anchengbin@ sinacom第3期安威斌等:熱成像系統的NETD測試分析定義的影響外,還與被測熱成像系統自身輸出的信號最小二次擬合獲得信號傳遞函數,誤差較小,可充分有關(guān)。在實(shí)際測試中,即使同一次NETD測試,如果不反映不同成像系統的信號傳遞函數特性。文中的考慮圖像處理的非線(xiàn)性影響,都可能獲得不同的測試NETD測試中均采用信號傳遞函數的方式以盡可能結果,從而給NETD測試帶來(lái)較大的不確定性,導致減少測試系統對測試結果產(chǎn)生的誤差。測試結果與系統實(shí)際性能的判定產(chǎn)生較大偏差。比較了目前國內實(shí)驗室常用的兩種NETD測試2圖像處理對NETD測試的影響方法,通過(guò)幾款熱成像系統在美國I-SITE型紅外整傳統定義中,NETD只定義探測器和前置級的噪機測試系統中的應用,重點(diǎn)對幾種視頻圖像處理后的聲,不考慮其他電路的影響和S具有相同的增益。信號的NETD測試結果進(jìn)行了分析比較,提出了測試目前,焦平面熱成像系統前置級無(wú)輸出NETD測試過(guò)程中的注意事項及可能的解決方案,供熱成像系統釆用視頻輸出,包含了后端處理電路的影響,同時(shí)也測試工作者及系統設計人員參考。引入后端電路的非線(xiàn)性處理的影響。1NETD的測試方法熱成像系統視頻圖像處理能力的增強,使設計者不僅提升了產(chǎn)品的技術(shù)指標,也完善了產(chǎn)品圖像的可NETD是系統觀(guān)察試驗圖案時(shí),基準電子濾波器視效果,其中自動(dòng)增益、自動(dòng)亮度控制功能能夠在場(chǎng)景輸出端產(chǎn)生的峰值信號與均方根噪聲比為1時(shí)試驗變化過(guò)程中將圖像亮度與增益自動(dòng)調整至適合操作人圖形上黑體目標與背景的溫差。根據定義NETD的員觀(guān)看的視覺(jué)效果;圖像增強的加入盡管加強了畫(huà)面測試方程為m的顆粒感,但銳化和強化了遠距離目標、小目標的觀(guān)察NETD= AT(1)細節;伽馬矯正的引入,能夠針對觀(guān)察人員感興趣的灰度細節進(jìn)行調整,突出觀(guān)察目標;高頻濾波可以提升圖NeTD=O(2)像觀(guān)看的視覺(jué)效果。上述圖像處理的引入在提升產(chǎn)品式中:△T為目標與背景的溫差值;S為信號;為均方性能的同時(shí),由于處理算法中對于圖像信號的非線(xiàn)性根噪聲;STF為信號傳遞函數。文中主要針對隨機噪處理導致了NETD測試出現較大的測量偏差。聲高頻分量對應的NETD進(jìn)行分析2.1自動(dòng)增益、自動(dòng)亮度的影響目前,國內使用的熱成像系統整機測試設備主要目前,多數熱成像系統中的圖像處理都加入自動(dòng)為美國SBR、 Optikos、EOI公司,法國HGH公司,以增益、自動(dòng)亮度控制功能,導致視頻圖像在觀(guān)測目標色列公司的測試產(chǎn)品,根據NETD測試方程,上述輻射量發(fā)生較大變化時(shí)響應圖像的平均亮度保持在公司測試產(chǎn)品測試NETD的方法有兩種:(1)利用半設定水平。在測試過(guò)程中,該變化帶來(lái)了信號傳遞函圓靶,通過(guò)黑體與靶標的溫差獲得S,利用靶標或黑數測試的非線(xiàn)性化,如圖1(a)所示,從而引起NETD體的選定區域獲得,利用黑體的顯示溫差獲得△T,測量誤差。因此,在該情況下,首先應關(guān)閉自動(dòng)增益通過(guò)公式(1)得到NETD;(2)利用黑體的溫度變化自動(dòng)亮度功能如果上述功能無(wú)法消除,那么應通過(guò)獲得溫差信號S與溫差MT的曲線(xiàn)關(guān)系STF,在選取必要的測試手段盡可能減少上述影響溫度的線(xiàn)性區域獲得σ,通過(guò)公式(2)得到NETD。在實(shí)際的圖像處理中,電平、增益的變化隨目標方法(1)由于只采用一組溫差值測試NETD,測試信號而變化如果目標信號變化范圍越大,圖像亮度、速度快,但受環(huán)境因素、設備自身影響,測試誤差較增益的變化也越大。因此可以通過(guò)減小目標信號的大,當黑體零點(diǎn)發(fā)生偏移時(shí),動(dòng)態(tài)范圍小的系統易產(chǎn)變化程度獲得穩定的增益與亮度。實(shí)驗表明:靶標尺生偏差,同時(shí)無(wú)法準確獲知系統是否處于線(xiàn)性區域寸對信號變化程度有一定的影響,對一組不同尺寸的內,更無(wú)法獲知不同溫度點(diǎn)信號傳遞函數的非線(xiàn)性信靶標測試甘中聊標尺寸約占熱像儀息。由于該方法操作簡(jiǎn)單、快捷,對于線(xiàn)性輸出的熱成60個(gè)中國煤化信號傳遞函數測像系統,信號影響相對較少,目前也有不少用戶(hù)。方法試如CNMHG像儀15個(gè)DAS的(2)盡管測試時(shí)間較長(cháng),但由于采用多組溫差值通過(guò)信號傳遞函數測試,如圖1(b)所示416紅外與激光工程第39卷8884315%左右,觀(guān)看實(shí)際景物時(shí),觀(guān)察人員一致認為加人圖像增強功能后圖像效果更佳。因此,在加入圖像增強的熱成像系統中,應該慎用NETD值作為評價(jià)標準。23伽馬矯正的影響伽馬矯正對圖像信號的影響如圖2所示,當y<1154728-3.000時(shí)(y=1時(shí)為線(xiàn)性,此為y歸一化以后的值),增加相同Temperature difference/C的溫差,較低灰度級的信號放大倍數大于較高灰度級(a)大靶標SiTF信號;而當γ>1時(shí),較低灰度級的信號放大倍數小于(a)SiTF of big targe較高灰度級信號。ottom162.8823.0006.000Temperature difference/C(b)小靶標的STF圖2不同γ值的灰度級變化差異(b) sitF of small targetFig 2 Gray change with different y value圖1不同尺寸靶標的SiTF變化Fig. I SiTF change with the target of different size此,利用半圓靶采取單點(diǎn)測試的方法將因選取溫差范圍的不同而產(chǎn)生不同的△T/S的測試結果及a實(shí)驗證明:采用較小的測試靶標可以有效地抑制測試值,NETD測試結果將隨測試選取溫差點(diǎn)的變化自動(dòng)電平、自動(dòng)增益在背景圖像發(fā)生變化時(shí)對信號傳而變化。采用信號傳遞函數的測試方式通過(guò)對曲線(xiàn)遞函數的影響,獲得較為準確的NEID測試值。線(xiàn)性擬合獲取該測試值,但該值并非系統探測器產(chǎn)生22圖像增強的影響的實(shí)際值,同時(shí),σ值的測量也受溫差選取點(diǎn)的影響在實(shí)際NETD的測試中,有時(shí)會(huì )出現測試結果與從而導致NETD測試的不確定性估算值差別較大,同時(shí)圖像畫(huà)面顆粒感較重的現象。圖3為某型熱像儀在不同y值時(shí)信號傳遞函數的此時(shí),設計人員會(huì )告知在設計中采用了圖像增強算492932法。表1是對某型中波凝視熱成像系統的NETD測試數據,表中數據說(shuō)明:圖像增強并不影響信號傳遞函數測試,但是,明顯增大了高頻時(shí)空噪聲(隨機噪聲)的測試值,從而引起NETD的巨大變化,前后NETD(a)測試值相差超過(guò)1倍。1196103.000因此,首先應要求設計人員關(guān)閉圖像增強功能Temperature difference/C如果該功能無(wú)法關(guān)閉,考慮到在MRTD測試中,加入142.472圖像增強的熱成像系統指標測試比未加入前提升了表1圖像增強對NETD測試值的影響Tab 1 NETD value with different image enhanced3D noise NETD中國煤化工counts/'cCN MHGncerCImage enhanced圖3不同y值的SiTF變化No image enhanced147.62.95Fig. 3 SitF change with different y value第3期安成斌等:熱成像系統的NETD測試分析417測試結果,圖(a)為y=2,圖(b)為y=15,y=8時(shí)為線(xiàn)性。行分析,對于信號傳遞函數、NETD、噪聲測試異常的表2為y=2時(shí),3個(gè)溫差范圍的NETD測試值。情況應進(jìn)行詳細分析,并根據系統自身特性制定適合測試結果表明:在不同溫差范圍內取值,NEID測試的測試方法與評估標準。結果差異較大。參考文獻:表2溫差范圍對NETD測試值的影響Tab 2 Temperature difference range vs NETD value[1] WANG Xiao-jian, LIU Yang, CHEN Lei, et al. DiscussionNETDon the operation range of the infrared imaging system fornce/Cmts/Cpoint target expressed by NETD and AT []. Infrared andLaser Engineering(王曉劍,劉揚,陳曹,等,基于NETD和0.2-031.36852ΔT紅外點(diǎn)源目標作用距離方程的討論,紅外與激光工程)03-08l.5342008,37(S2):493-4950.81.31.587[2] ZHAO Miao juan, CHE Hong. Analysis of the efficientdistance of o-E system for military [J]. Infrared and Laser因此,在上述情況下應要求設計人員將伽馬矯正Engineering(趙妙娟,車(chē)宏.軍用光電系統作用距離分析.紅外與激光工程),2008,37(S2):501-503.調整至線(xiàn)性狀態(tài),使信號傳遞函數有一個(gè)較好的線(xiàn)性wAY, an Cheng-bi. Analysis on detection曲線(xiàn)以獲取正確的NETD測試結果thermal imaging system for point target [J]. Laser Infrared2.4高頻濾波的影響萬(wàn)英,安成斌,熱成像系統點(diǎn)目標探測距離分析,激光與紅在NETD的定義中,NETD使用的是通過(guò)基準濾外),2007,37(2):134-136波器輸出端產(chǎn)生的峰值信號與噪聲I,因此,被測熱{4] LI Xu dong, HU Tie-li, YUE Wen-long,eal. Research of成像系統輸出的視頻信號也應滿(mǎn)足該要求。the SiTF measurement for thermal imaging systems [J]在實(shí)際測試中,采用高頻濾波后的視頻信號盡管Applied Optics(李旭東,胡鐵力,岳文龍,等.紅外熱像儀降低了圖像的噪聲均方根,在視頻端測試的NETD值STF的測試研究,應用光學(xué)),2005,26(5):21-24優(yōu)于探測器的出廠(chǎng)值,但由于該視頻信號帶寬小于基5 ANG Gui如, LAN Tian, NI Guo qiang, Important準濾波器帶寬,該值并不滿(mǎn)足NETD的基本測試條parameters and testing methods of performance evaluation of件,所測試的NETD值是不真實(shí)的。因此,此種情況下thermal infrared imaging system J). Infrared and LaserEngineering(姜貴彬,藍天,倪國強.紅外熱成像系統評價(jià)應慎用NETD作為性能評價(jià)參數。的重要參數及測試方法.紅外與激光工程),20037(2):同時(shí),使用此種濾波有可能降低熱成像系統470-473MRTD的測試結果,降低系統分辨能力,因而,在實(shí)際1 HU Min, MA Dong-mei, LI Hong-zhuan,ed.mh測試中,應記錄NETD與MRTD的測試結果以供系noise model of the staring image system []. Laser統使用人員參考,同時(shí),設計人員也應綜合考慮濾波Infrared(胡明鵬,馬冬梅,李宏壯,等.凝視型熱成像系統噪對系統性能的影響,進(jìn)行濾波處理時(shí)應考慮基準濾波聲模型研究.激光與紅外),207,37(9):863-866.器帶寬的影響。[7] HOLST G C. Testing and EvalSystems [M]. Winte Park, FL: JCD Publishing: Beijingham3結論WA: SPIE Optical Engineering Press, 1998.[8] HU Tie -li, FENG Zhuo xiang, LI Xu dong, et al. ModelingNETD作為表征熱成像系統的重要參數,在測試過(guò)程中受眾多因素影響,文中重點(diǎn)分析了幾種圖像處Infrared and Laser Engineering(胡鐵力,馮卓樣,李旭東,理對測試結果的影響,為獲得準確的NETD測量結果外熱像儀時(shí)間嗓聲測量技術(shù)研究.紅外與激光工程),提供了有效手段。中國煤化工文中僅提及了幾種常見(jiàn)圖像處理算法對NETD19CN Gg System Performance的非線(xiàn)性影響,在實(shí)際測試中應針對不同測試情況進(jìn)[M]. winter Park, FL: JCD Publishing, 1995: 362-382