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(tǒng)的NETD測試分析安成斌,萬英(華北光電技術(shù)研究所,北京100015)摘要:總結(jié)了目前國內(nèi)外熱成像整機(jī)測試系統(tǒng)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性視頻圖像輸出中的差異,選取測試精度、重復(fù)性更高的信號(hào)傳遞函數(shù)(SiF)測試方法作為實(shí)驗(yàn)方法。對同一熱成像系統(tǒng)在NETD測試中測試結(jié)果存在較大差異的現(xiàn)象進(jìn)行了分析。重點(diǎn)針對自動(dòng)增益亮度、圖像增強(qiáng)、伽馬嬌正、高頻濾波4種常見非線性處理方式對N巸ID測試結(jié)果的影響,提出了相應(yīng)的測議說明及解決方案,為獲得準(zhǔn)確、可重復(fù)的NETD測試結(jié)果提供了有效的手段。關(guān)鍵詞:熱成像系統(tǒng);紅外測試;NETD中圖分類號(hào):TN219文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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測試由人眼觀察監(jiān)視器上的四桿靶完成,測試過程中易受測試人主觀因素的影響,必須由經(jīng)過專業(yè)NETD是熱成像系統(tǒng)靈敏度的重要客觀評價(jià)指訓(xùn)練的多名人員進(jìn)行,因而作為客觀測試參數(shù)的標(biāo),可用于預(yù)測小溫差點(diǎn)目標(biāo)的探測距離口,從而實(shí)NETD更受到認(rèn)可現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)向戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的轉(zhuǎn)化,MRTD是熱成像系但是,隨著新型熱成像系統(tǒng)中視頻圖像處理方法統(tǒng)靈敏度和分辨率的主觀評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。NETD與MRTD的引入,同一熱成像系統(tǒng)在NETD測試中除受傳統(tǒng)的是目前熱成像系統(tǒng)最主要的性能評估參數(shù),由于環(huán)境、測試系統(tǒng)誤差、不同噪聲對應(yīng)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(xiàng)目:武器裝備探索預(yù)先研究資助項(xiàng)目(7130910)作者簡介:安成斌(1974-),男(滿族)內(nèi)蒙古烏蘭浩特人,高級(jí)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(tǒng)的NETD測試分析定義的影響外,還與被測熱成像系統(tǒng)自身輸出的信號(hào)最小二次擬合獲得信號(hào)傳遞函數(shù),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(tǒng)的信號(hào)傳遞函數(shù)特性。文中的考慮圖像處理的非線性影響,都可能獲得不同的測試NETD測試中均采用信號(hào)傳遞函數(shù)的方式以盡可能結(jié)果,從而給NETD測試帶來較大的不確定性,導(dǎo)致減少測試系統(tǒng)對測試結(jié)果產(chǎn)生的誤差。測試結(jié)果與系統(tǒng)實(shí)際性能的判定產(chǎn)生較大偏差。比較了目前國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室常用的兩種NETD測試2圖像處理對NETD測試的影響方法,通過幾款熱成像系統(tǒng)在美國I-SITE型紅外整傳統(tǒng)定義中,NETD只定義探測器和前置級(jí)的噪機(jī)測試系統(tǒng)中的應(yīng)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(hào)的NETD測試結(jié)果進(jìn)行了分析比較,提出了測試目前,焦平面熱成像系統(tǒng)前置級(jí)無輸出NETD測試過程中的注意事項(xiàng)及可能的解決方案,供熱成像系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)人員參考。引入后端電路的非線性處理的影響。1NETD的測試方法熱成像系統(tǒng)視頻圖像處理能力的增強(qiáng),使設(shè)計(jì)者不僅提升了產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo),也完善了產(chǎn)品圖像的可NETD是系統(tǒng)觀察試驗(yàn)圖案時(shí),基準(zhǔn)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景輸出端產(chǎn)生的峰值信號(hào)與均方根噪聲比為1時(shí)試驗(yàn)變化過程中將圖像亮度與增益自動(dòng)調(diào)整至適合操作人圖形上黑體目標(biāo)與背景的溫差。根據(jù)定義NETD的員觀看的視覺效果;圖像增強(qiáng)的加入盡管加強(qiáng)了畫面測試方程為m的顆粒感,但銳化和強(qiáng)化了遠(yuǎn)距離目標(biāo)、小目標(biāo)的觀察NETD= AT(1)細(xì)節(jié);伽馬矯正的引入,能夠針對觀察人員感興趣的灰度細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整,突出觀察目標(biāo);高頻濾波可以提升圖NeTD=O(2)像觀看的視覺效果。上述圖像處理的引入在提升產(chǎn)品式中:△T為目標(biāo)與背景的溫差值;S為信號(hào);為均方性能的同時(shí),由于處理算法中對于圖像信號(hào)的非線性根噪聲;STF為信號(hào)傳遞函數(shù)。文中主要針對隨機(jī)噪處理導(dǎo)致了NETD測試出現(xiàn)較大的測量偏差。聲高頻分量對應(yīng)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(nèi)使用的熱成像系統(tǒng)整機(jī)測試設(shè)備主要目前,多數(shù)熱成像系統(tǒng)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(dǎo)致視頻圖像在觀測目標(biāo)色列公司的測試產(chǎn)品,根據(jù)NETD測試方程,上述輻射量發(fā)生較大變化時(shí)響應(yīng)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(shè)定水平。在測試過程中,該變化帶來了信號(hào)傳遞函圓靶,通過黑體與靶標(biāo)的溫差獲得S,利用靶標(biāo)或黑數(shù)測試的非線性化,如圖1(a)所示,從而引起NETD體的選定區(qū)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(yīng)關(guān)閉自動(dòng)增益通過公式(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法消除,那么應(yīng)通過獲得溫差信號(hào)S與溫差MT的曲線關(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性區(qū)域獲得σ,通過公式(2)得到NETD。在實(shí)際的圖像處理中,電平、增益的變化隨目標(biāo)方法(1)由于只采用一組溫差值測試NETD,測試信號(hào)而變化如果目標(biāo)信號(hào)變化范圍越大,圖像亮度、速度快,但受環(huán)境因素、設(shè)備自身影響,測試誤差較增益的變化也越大。因此可以通過減小目標(biāo)信號(hào)的大,當(dāng)黑體零點(diǎn)發(fā)生偏移時(shí),動(dòng)態(tài)范圍小的系統(tǒng)易產(chǎn)變化程度獲得穩(wěn)定的增益與亮度。實(shí)驗(yàn)表明:靶標(biāo)尺生偏差,同時(shí)無法準(zhǔn)確獲知系統(tǒng)是否處于線性區(qū)域寸對信號(hào)變化程度有一定的影響,對一組不同尺寸的內(nèi),更無法獲知不同溫度點(diǎn)信號(hào)傳遞函數(shù)的非線性信靶標(biāo)測試甘中聊標(biāo)尺寸約占熱像儀息。由于該方法操作簡單、快捷,對于線性輸出的熱成60個(gè)中國煤化信號(hào)傳遞函數(shù)測像系統(tǒng),信號(hào)影響相對較少,目前也有不少用戶。方法試如CNMHG像儀15個(gè)DAS的(2)盡管測試時(shí)間較長,但由于采用多組溫差值通過信號(hào)傳遞函數(shù)測試,如圖1(b)所示416紅外與激光工程第39卷8884315%左右,觀看實(shí)際景物時(shí),觀察人員一致認(rèn)為加人圖像增強(qiáng)功能后圖像效果更佳。因此,在加入圖像增強(qiáng)的熱成像系統(tǒng)中,應(yīng)該慎用NETD值作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。23伽馬矯正的影響伽馬矯正對圖像信號(hào)的影響如圖2所示,當(dāng)y<1154728-3.000時(shí)(y=1時(shí)為線性,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(jí)的信號(hào)放大倍數(shù)大于較高灰度級(jí)(a)大靶標(biāo)SiTF信號(hào);而當(dāng)γ>1時(shí),較低灰度級(jí)的信號(hào)放大倍數(shù)小于(a)SiTF of big targe較高灰度級(jí)信號(hào)。ottom162.8823.0006.000Temperature difference/C(b)小靶標(biāo)的STF圖2不同γ值的灰度級(jí)變化差異(b) sitF of small targetFig 2 Gray change with different y value圖1不同尺寸靶標(biāo)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(jié)果及a實(shí)驗(yàn)證明:采用較小的測試靶標(biāo)可以有效地抑制測試值,NETD測試結(jié)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(hào)傳而變化。采用信號(hào)傳遞函數(shù)的測試方式通過對曲線遞函數(shù)的影響,獲得較為準(zhǔn)確的NEID測試值。線性擬合獲取該測試值,但該值并非系統(tǒng)探測器產(chǎn)生22圖像增強(qiáng)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(xiàn)測試結(jié)果與從而導(dǎo)致NETD測試的不確定性估算值差別較大,同時(shí)圖像畫面顆粒感較重的現(xiàn)象。圖3為某型熱像儀在不同y值時(shí)信號(hào)傳遞函數(shù)的此時(shí),設(shè)計(jì)人員會(huì)告知在設(shè)計(jì)中采用了圖像增強(qiáng)算492932法。表1是對某型中波凝視熱成像系統(tǒng)的NETD測試數(shù)據(jù),表中數(shù)據(jù)說明:圖像增強(qiáng)并不影響信號(hào)傳遞函數(shù)測試,但是,明顯增大了高頻時(shí)空噪聲(隨機(jī)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1倍。1196103.000因此,首先應(yīng)要求設(shè)計(jì)人員關(guān)閉圖像增強(qiáng)功能Temperature difference/C如果該功能無法關(guān)閉,考慮到在MRTD測試中,加入142.472圖像增強(qiáng)的熱成像系統(tǒng)指標(biāo)測試比未加入前提升了表1圖像增強(qiáng)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(tǒng)的NETD測試分析417測試結(jié)果,圖(a)為y=2,圖(b)為y=15,y=8時(shí)為線性。行分析,對于信號(hào)傳遞函數(shù)、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(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析,并根據(jù)系統(tǒng)自身特性制定適合測試結(jié)果表明:在不同溫差范圍內(nèi)取值,NEID測試的測試方法與評估標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果差異較大。參考文獻(xiàn):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(yáng),陳曹,等,基于NETD和0.2-031.36852ΔT紅外點(diǎn)源目標(biāo)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(yīng)要求設(shè)計(jì)人員將伽馬矯正Engineering(趙妙娟,車宏.軍用光電系統(tǒng)作用距離分析.紅外與激光工程),2008,37(S2):501-503.調(diào)整至線性狀態(tài),使信號(hào)傳遞函數(shù)有一個(gè)較好的線性wAY, an Cheng-bi. Analysis on detection曲線以獲取正確的NETD測試結(jié)果thermal imaging system for point target [J]. Laser Infrared2.4高頻濾波的影響萬英,安成斌,熱成像系統(tǒng)點(diǎn)目標(biāo)探測距離分析,激光與紅在NETD的定義中,NETD使用的是通過基準(zhǔn)濾外),2007,37(2):134-136波器輸出端產(chǎn)生的峰值信號(hào)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(tǒng)輸出的視頻信號(hào)也應(yīng)滿足該要求。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(hào)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(yīng)用光學(xué)),2005,26(5):21-24優(yōu)于探測器的出廠值,但由于該視頻信號(hào)帶寬小于基5 ANG Gui如, LAN Tian, NI Guo qiang, Important準(zhǔn)濾波器帶寬,該值并不滿足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(lán)天,倪國強(qiáng).紅外熱成像系統(tǒng)評價(jià)應(yīng)慎用NETD作為性能評價(jià)參數(shù)。的重要參數(shù)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(tǒng)470-473MRTD的測試結(jié)果,降低系統(tǒng)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(yīng)記錄NETD與MRTD的測試結(jié)果以供系noise model of the staring image system []. Laser統(tǒng)使用人員參考,同時(shí),設(shè)計(jì)人員也應(yīng)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(tǒng)噪對系統(tǒng)性能的影響,進(jìn)行濾波處理時(shí)應(yīng)考慮基準(zhǔn)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(jié)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(tǒng)的重要參數(shù),在測試過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(jié)果的影響,為獲得準(zhǔn)確的NETD測量結(jié)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圖像處理算法對NETD19CN Gg System Performance的非線性影響,在實(shí)際測試中應(yīng)針對不同測試情況進(jìn)[M]. winter Park, FL: JCD Publishing, 1995: 362-382