高温背景下热像仪噪声等效温差测试与分析

赖富文，张志杰，周汉昌，雷铁新



高温背景下热像仪噪声等效温差测试与分析

赖富文1,2，张志杰1，周汉昌1，雷铁新2

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中国白城兵器试验中心，吉林 白城 137001）

阐述了噪声等效温差、传递函数等相关概念，提出了高温背景下红外热像仪的噪声等效温差具体测试方法和实施过程；采用黑体炉，在背景温度825℃下对MCS640型红外热像仪的时间和空间噪声等效温差进行了测试和分析；结果表明，空间NETD为该型热像仪的主要影响。

红外热像仪；时间噪声等效温差；空间噪声等效温差；信号传递函数；高温背景

0 引言

红外热成像测温技术由于其非接触，测温上限高，能够测试温度场，直观等优点，已经成为温压炸药爆炸火球温度场测试的重要手段之一[1-3]。热成像系统是通过物体辐射温度成像，系统本身与景象周围辐射环境将产生噪声，其对图像质量均有较大的影响，即便在热图像中一块均匀的黑体区域内，图像灰度值并不完全一致，不一致的灰度值折算到温差轴上就是所谓的噪声等效误差（NETD），它是红外热像仪的重要客观评价指标之一，NETD的测试方法和指标分析比较成熟[4-11]。但是，当前NETD指标测试多在室温背景条件下进行，很少对高温背景下的NETD进行测试和分析。温压炸药爆炸时火球温度很高，红外热像仪也多用其高温段，因此对红外热像仪在高温背景下的NETD测试和分析具有重要意义。本文以美国MIKRON公司生产的MCS640型红外热像仪为研究对象，测试和分析高温背景下红外热像仪的NETD。

1 噪声等效温差（NETD）

温度为T的均匀方形黑体目标，处在温度为B的均匀黑体背景中，热像仪对目标进行观察，当系统输出的信噪比为1时，黑体目标和黑体背景的温差称为噪声等效温差，也就是系统能够识别的最小信号值。NETD可以用测得的噪声和信号传递函数获得[5,12]：

NETD＝D/(/) (1)

或

NETD＝/SiTF (2)

式中：D为目标与背景的温差值；为信号；为噪声均方根；SiTF为信号传递函数。

信号传递函数（SiTF）表示红外热像仪输出随温度变化的变化率，该参数能够反映系统的增益、线性度、动态范围、饱和特性和均匀性等特性，是评价红外热像仪性能的最基本技术指标之一，它在响应度函数上表现为线性部分的斜率。响应度函数是目标尺寸固定，输出随着目标输入强度变换的函数，见图1。SiTF可由下式表达：

SiTF＝D/D(3)

式中：D为红外热像仪的输出（灰度值或温度值），D为温差。

图1 典型响应度函数

在实际测试中采集到的信号是离散数据点，且采集到的信号D通常存在微小偏差，所以需要采用数据拟合方法来求取SiTF的最佳估计，热像仪的输出和黑体炉的温度对应的线性关系如下式：

D＝SiTF×D＋0(4)

为了更好地得到SiTF的最佳估计，往往需要测试多组数据，由组数据对（DC，DT）作最小二乘法拟合来确定：

式中：为测量点的个数；DT为第次温差；DC为第次测得的红外热像仪的输出温度值。

传统的NETD测量主要是时间NETD，只反映热像仪的时间噪声相对信号的情况，未能全面反映红外热像仪的噪声情况，为此引进三维噪声模型方法[9]，其噪声分量可以精确地描述热像仪的噪声特性，但是对热像仪中各个环节产生噪声来源没有针对性，对于多数人使用时又过于专业和复杂性，不利于分析，为了更好地研究分析热像仪噪声来源，噪声分为空间噪声等效温差和时间噪声等效温差[10]。

2 NETD的测量

采用黑体炉为测试背景，当黑体炉温度稳定后，取统计区域内红外热像仪输出读数的平均值和标准偏差[4]。每隔一定的温差读取相应的数据，绘制红外热像仪输出温差数据和曲线，根据所测数据求取信号传递函数SiTF和NETD。

黑体炉采用美国MIKRON公司生产M390C-2型高温黑体炉，温度范围为600℃～3000℃，发射率为0.99，精度为读数的±0.25%±1℃。被测的MCS640型热成像仪是美国MIKRON公司生产的在线式高温短波红外热像仪，波长为650～1080nm，温度测量范围为800℃～3000℃，帧频为60帧/s，精度为读数的±0.5%。

本次实验是测量热像仪在背景温度为825℃时的NETD，具体测量步骤如下：

1）热像仪距黑体炉1m，选用25mm标准镜头，调整热像仪焦距，使之成像清晰。测量现场实物见图2所示。

2）关闭热像仪的自动增益、自动亮度功能，保证信号传递函数的在一个稳定的增益条件下测量[8]；

3）调整黑体炉到温度800℃，红外热像仪采集3次数据，图3为热像仪采集到某帧测量图像，图4为NETD测量图像的三维坐标灰度值。调整黑体炉温度，每隔5℃测量一次，至到850℃。

4）统计每次测量图像的像元素100pixels×100pixels内的平均值，得到热像仪对应每个黑体炉温度的输出值和每个温度测量平均值。

5）利用式(5)计算出热像仪的SiTF。

6）求取温度为825℃的热像仪测量的噪声均方根值，然后采用式(2)计算出NETD。

图2 NETD测量实验现场

根据上述步骤，可以得到温度范围为800℃～850℃内温差5℃时热像仪对应输出值，具体数据见表1。采用式(4)计算出SiTF的值为1.06，得到热像仪的响应度函数为D＝1.06D＋826.9，实测响应度函数曲线见图5所示。由于实测值与真实值会有差别，拟合曲线不过零点。

图3 NETD实际测量图像

图4 NETD实际测量图像的灰度值

表1 热像仪测量黑体炉的结果

3 NETD的测量结果

3.1 空间NETD测量结果

采用最高帧频60帧/s，采集40帧，图6为像元素的统计直方图。对采集的各帧图像中和每个像素取时间平均，所采集的各帧图像由一帧图像取代，该帧图像的标准偏差为1.407℃，得到MCS 640型热像仪在825℃的空间NETD为1.328K。

图5 MCS640热像仪的实测响应度函数

图6 像元素统计分布直方图

3.2 时间NETD测量结果

每分钟采集1帧，共采集20帧。选定黑体靶面温度读数尽量一致的区域作为时间NETD测试的统计区域，即此时在该区域由于空间差异引起的噪声可忽略。对采集的各帧图像取平均，所采集的各帧图像由一组数据取代，计算该组数据的标准偏差为0.139℃，得到MIKRON MCS640型热像仪在825℃的时间NETD为0.131K。

可以看出，MCS640型热像仪在825℃背景温度下的空间NETD和时间NETD是不同的，空间NETD的值大于时间NETD，该热像仪的空间NETD起着主要影响。因此，为了准确评价红外热像仪的NETD，测试传统的NETD是不够的，需要测试时间NETD和空间NETD。

4 结论

提出了高温背景环境下红外热像仪的噪声等效温差具体测试方法和步骤，利用M390C-2型高温黑体炉，在背景温度825℃下对MCS640型红外热像仪的SiTF、时间NETD和空间噪声等效温差NETD进行了测试，得到了热像仪的SiTF、时间NETD和空间NETD，测试结果表明，空间NETD占该型热像仪NETD的主要影响，为该型热像仪的使用提供了参考依据。

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Measurement and Analysis of Noise Equivalent Temperature Difference Based on High Temperature Background

LAI Fu-wen1,2，ZHANG Zhi-jie1，ZHOU Han-chang1，LEI Tie-xin2

(1.,,030051,; 2.,137001,)

The noise equivalent temperature difference, signal transfer function and other related concepts are presented, and the specific measurement methods and process of noise equivalent temperature difference based on the high temperature background are put forward. Under the background temperature 825℃, temporal and spatial noise equivalent temperature difference of MCS640 infrared thermal imaging system were measured and analyzed by means of a blackbody. The measurement result shows that the spatial noise equivalent temperature difference is primary.

infrared imaging system，temporal-NETD，spatial-NETD，SiTF，high temperature background

TH744.41

A

1001-8891(2015)04-0311-04

2014-11-14；

2015-03-18.

赖富文（1973-），男，四川邻水人，高级工程师，博士研究生，主要研究方向为数字信号处理及嵌入式系统。