环境温度对中波红外成像设备MRTD的影响研究

李忠升,张春仙,王佳笑

(1.中国人民解放军63871部队,陕西 华阴 714200；2.中国电子科技集团公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

热成像系统作为在军事上广泛应用的侦察、告警装备,作用距离是其主要的战技指标,但受到大气条件、环境温度等各种因素的影响,测试结果并不稳定,根据Johnson准则,作用距离与MRTD(最小可分辨温差)直接相关,因此在产品设计和生产过程中,一般采用实验室测试得到MRTD后对设备外场作用距离进行预计和评价。

根据国军标对军事装备的环境适应性要求,热成像系统需要适应从-40 ℃(甚至更低)到+55 ℃的环境(依据应用场景会有所不同),因此需要在该温度范围内对外场作用距离进行评价。由于缺少在全军温环境下进行MRTD测试的设备,一般设备出厂时只检测室温MRTD,无法给出其他环境温度下的MRTD,因此,当外场环境温度与室温相差较多时,由于环境温度对设备状态、目标辐射等各方面的影响,采用室温MRTD预计外场作用距离会有较大的偏差。

文献[1]主要研究目标尺寸、探测性能及大气环境等因素对MRTD的影响,未考虑环境温度对MRTD的影响,文献[2]中涉及环境温度对MRTD测试的影响,但未考虑不同环境温度下积分时间和探测器增益对MRTD的影响。

针对以上问题,本文主要考虑环境温度对成像设备信号传递函数、噪声、调制传递函数等因素的影响,探究不同环境温度下MRTD的变化规律,建立不同环境温度下MRTD的关系,通过室温MRTD预测得到其他环境温度下的MRTD,从而减小不同环境温度下的外场作用距离预计偏差。

2 环境温度对MRTD的影响机理分析

2.1 MRTD基本方程

目前,国内实验室测试MRTD时,一般采用以下方法:特定空间频率、高宽比为7∶1的四杆黑体目标处于均匀背景中,升高或降低目标与背景之间的温差,当人眼恰能分辨被测系统显示器上所成四杆目标像时所对应的温差,即为该特定空间频率下的MRTD值,为消除零点漂移带来的测试误差,一般取正温温差和负温温差的平均值作为最终测试结果。MRTD[3-4]受系统温度分辨性能和空间分辨性能的影响,同时也与观察者的主观感受相关。

MRTD与系统调制传递函数MTF(表征系统空间分辨性能)和噪声等效温差NETD(反映系统温度分辨性能)有关,其理论表达式为:

(1)

其中,MTF(f)为系统调制传递函数；SNRTH为信噪比阈值；α、β为垂直和水平瞬时视场；fp为帧频；NETD为噪声等效温差；Δfn为噪声等效带宽；f为目标空间频率；te为人眼积分时间；τd为元件滞留时间常数。

在红外成像系统确定的情况下,上述表达式也可表示为:

(2)

其中,K(f)是与目标空间频率f相关的常数;σ为被测系统噪声;SiTF为信号传递函数。

2.2 环境温度对MRTD的影响分析

红外成像系统主要由探测器组件、光学系统及信号处理系统组成,光学系统在接收目标和背景辐射后,将辐射能量聚焦到探测器焦面上,探测器组件经过光子-电子-电压转换后将信号电压值传输给信号处理系统,信号处理系统通过A/D转换、降噪等信号处理算法后输出目标和背景的灰度图像。

环境温度对红外成像系统性能的影响主要包括:

探测器组件:制冷精度下降,探测器噪声变大,从而系统噪声σ变大；

光学系统:光学系统传递函数MTF有可能下降,从而像质变差；

信号处理系统:与室温相比,电路噪声变大；

目标与背景辐射能量差:由于目标辐射能量与温度非线性关系,对于中波或长波红外成像来说,其响应波段内的辐射能量与温度近似呈抛物线关系(如图1所示),因此,当目标温差一定时,其与背景辐射能量差随温度升高呈抛物线式上升。由于信号传递函数SiTF对应1 K温差的信号响应值,因此SiTF也会随环境温度变化而变化。

图1 3.7～4.8 μm波段内黑体辐射出射度随温度的变化曲线

最后,当环境温度变化时,探测器为适应辐射能量变化而变化的参数,如积分时间与探测器增益,也会对信号传递函数SiTF产生影响。

综上所述,环境温度变化时,红外成像系统噪声σ、信号传递函数SiTF及MTF会产生不同程度的变化,从而影响MRTD值。

以下分别分析环境温度变化时红外成像系统噪声σ、信号传递函数SiTF及MTF的变化情况。

2.2.1 环境温度对红外成像系统噪声σ的影响

红外成像系统在接收到来自外界的红外辐射后,通过探测器的光电转换作用及读出电路、信号处理电路的电子学处理后以模拟信号或数字信号的形式输出,在整个光子到电子,电子到模拟电压,模拟电压到数字信号的信号转换过程中,主要会产生五种类型的噪声,包括光子散粒噪声、光子响应非均匀性、暗电流噪声、KTC噪声、量化噪声,其中光子响应非均匀性可通过非均匀性校正算法得到抑制,对于中波探测器来说,KTC噪声和暗电流噪声所占比例很小,可不考虑；通过采用高精度A/D转换可大幅度降低量化噪声,因此,光子散粒噪声为中波成像系统中占主导地位的噪声。

光子散粒噪声由接收外界辐射光子的随机性而导致的光电子随机产生,其大小为:

(3)

式中,L(λ,T)为光子通量；η为量子效率；光子通量L(λ,T)与辐射出射度Me(λ,T)成正比；由图1可知,黑体辐射出射度随温度呈抛物线变化,温度越高,黑体辐射出射度越大,L(λ,T)越大。

当温度变化时,为了保证探测器像元光电二极管工作在半阱区(工作在半阱时的动态范围最大),红外成像系统在开机时自动获取当前温度下的挡板图像,通过调节积分时间和探测器增益使光电流工作在半阱。背景温度升高时,黑体辐射出射度变大,L(λ,T)变大,光电二极管光电流增大,此时为了使探测器像元光电二极管工作在半阱区,红外成像设备会自动减小积分时间和探测器增益；背景温度降低时,黑体辐射出射度变小,L(λ,T)变小,光电二极管光电流减小,此时为了使探测器像元光电二极管工作在半阱区,红外成像设备会自动增加积分时间和探测器增益,这样,通过调节积分时间和探测器增益,补偿由于背景温度变化而引起的L(λ,T)的变化对噪声的影响,从而保证探测器像元光电二极管始终工作在半阱区。

因此,从理论上来说,当背景温度发生改变时,由于积分时间对背景辐射变化的自适应调节作用,探测器像元的噪声水平应该基本一致。

然而,在实际中,由于探测器混成芯片封装在保持真空的金属微杜瓦内,微型真空杜瓦需保持探测器芯片低温工作温度,在高低温情况下,相比室温,制冷机制冷精度和稳定性都会有所下降,从而影响探测器工作温度的稳定性,探测器噪声会有所增加。

综合以上分析,虽然探测器组件可通过调节积分时间和探测器增益,以适应不同温度应力下的光通量变化,保证探测器像元在不同温度应力下的噪声水平基本一致,但由于制冷机在高低温极限环境下制冷机控温精度不稳定,从而导致探测器噪声在高低温环境下噪声略有升高。对于中波成像设备来说,试验结果显示,根据环境温度的不同,相比室温,高低温环境下噪声水平比室温环境高大约20 %～30 %。

2.2.2 环境温度对信号传递函数SiTF的影响

为保证模拟结果的可靠性，对光滑管从0.5～2.0m/s的入口流速进行模拟，由于研究流体为无相变流体在光滑管管内作强制流动，可将模拟得到的摩擦系数fA与Blasius公式计算理论值对比[9]，从而判定模拟结果的可靠性。结果如表2所示。

根据文献[5]可知,SiTF随环境温度变化关系如下:

(4)

式中,t1,C1为环境温度T1时的积分时间和积分电容；t0,C0为环境温度T0时的积分时间和积分电容；T1,T0为环境温度。

L(T,λ)为温度为T的黑体的辐亮度,即:

(5)

式中,c1为第一辐射常数；c2为第二辐射常数。

2.2.3 环境温度对MTF的影响

红外热成像系统的MTF主要由光学系统MTF和探测器MTF决定,探测器MTF由像元大小决定,不受环境温度影响；而光学元件在温度应力的作用下折射率、膨胀系数等结构参数发生变化,从而引起光学系统MTF发生变化。

环境温度对光学系统的影响主要表现为光学元件厚度、光学元件折射率、曲率半径、光学元件之间的间隔以及光学元件面形的变化,所有这些变化都会引起光学系统成像质量的变化。具体可参考资料[6]。

同时,当环境温度升高时,光学系统受热,自身辐射增加,引起探测器焦面杂散辐射增加,也会影响光学系统MTF。

综上所述,当温度变化时,由于光学元件结构参数、材料折射率、面形等发生变化,造成光学系统离焦、散焦,导致像质降低,环境温度升高还会造成杂散辐射增加等,从而引起光学系统传递函数MTF下降。

在实际的光学系统设计时,需要考虑环境应力对光学元件的以上影响,通过无热化等设计方法尽可能降低环境温度对光学系统MTF的影响。

2.3 环境温度对MRTD的影响建模

根据式(1)可知MRTD与SiTF成反比,与噪声成正比,与系统MTF成反比,因此,结合环境温度对三维噪声Ntvh、SiTF、光学系统MTF的影响分析,可得不同环境温度下的MRTD关系如下:

MRTD(T1)/MRTD(T0)=

{Ntvh(T1)·MTF(T0)·

(6)

式中,t1,C1为环境温度T1时的积分时间和积分电容；t0,C0为环境温度T0时的积分时间和积分电容；T1,T0为环境温度；MTF(T0)为环境温度T0时的红外光学系统传递函数；MTF(T1)为环境温度T1时的红外光学系统传递函数。

需要说明的是,该预测模型基于线性信号处理理论,若系统采用图像增强等非线性算法,则MRTD测试结果需依据具体算法效果进行修正。

3 试验验证

3.1 试验对象

成像设备技术参数如表2所示。

表2 试验设备参数

3.2 试验过程

试验采用HGH全军温红外整机测试系统(f=1500 mm,口径250 mm),将成像设备与全军温红外整机测试系统放置于高低温试验箱中,成像设备光轴与全军温红外整机测试系统光轴对准,试验箱温度分别设置-40 ℃到+50 ℃之间的不同温度点,到温保温2 h后,打开成像设备和全军温红外整机测试系统测试设备,并选择空间频率为12 Cycle/mrad的四杆靶,测试MRTD值。试验现场如图2所示。

图2 试验现场图

3.3 试验结果

试验结果如表3所示。该红外成像设备采用无热化设计,在高低温环境下可以通过补偿调焦等方法保持高低温环境下光学传递函数(MTF)不退化,因此在该试验中,不考虑光学传递函数的变化。

表4 各温度点在3.7～4.8 μm波段内的微分辐射度值

在实际工作中,假定测得某台红外成像设备在室温(环境温度26 ℃)下,积分时间18.3 ms,积分电容CB时的MRTD,我们就可以预测其他环境温度下的MRTD值,预测结果及预测误差如表5所示。

表5 A型成像设备MRTD测试结果与预测结果对比

MRTD试验结果与预测结果如图3所示。分析数据,可知A型MRTD预测误差最大为20 %。

图3 MRTD试验结果与预测结果比对

4 结 论

MRTD可用于预测和评价红外成像系统的外场性能,为评价设备在不同环境温度下的外场性能,需要采用不同环境温度下的MRTD值,一般红外热成像系统在出厂时只提供室温下的MRTD值。针对该问题,本文通过理论分析得出了不同环境温度下的MRTD关系,建立了MRTD随温度变化的数学模型,并进行了试验验证。本文主要针对中波成像设备进行了理论分析和试验验证,对于长波成像设备来说,由于噪声模型等与中波有所区别,需要做进一步的研究。