田留德，劉朝暉，趙建科，趙懷學(xué)，潘 亮，段亞軒，龍江波，周 艷

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紅外熱像儀MRTD測(cè)試方法研究

田留德1,2，劉朝暉1，趙建科1，趙懷學(xué)1，潘 亮1，段亞軒1,2，龍江波1，周 艷1

（1. 中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039）

MRTD是評(píng)價(jià)熱成像系統(tǒng)綜合性能的重要參數(shù)。分析了熱像儀參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的兩種基本結(jié)構(gòu)，比較各自的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了各自應(yīng)用場(chǎng)所。研究了MRTD測(cè)試對(duì)熱像儀參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)各組成單元的具體要求。根據(jù)MRTD參數(shù)的特點(diǎn)，分析了引起MRTD測(cè)試結(jié)果一致性較差的原因，給出了相應(yīng)的解決措施和修正方法。為驗(yàn)證解決措施和修正模型的正確性，以一個(gè)熱像儀為例進(jìn)行了MRTD測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與該熱像儀的出廠結(jié)果比對(duì)，測(cè)試結(jié)果偏差小于15%。實(shí)驗(yàn)表明，該修正模型可以提高M(jìn)RTD測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

熱像儀；最小可分辨溫差；測(cè)試方法；性能評(píng)價(jià)；修正模型

0 引言

紅外成像技術(shù)已在軍事和民用領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，更靈敏、精密的紅外成像系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)性能測(cè)試提出了更高的要求，測(cè)試技術(shù)必須適應(yīng)紅外技術(shù)的發(fā)展，因此紅外成像系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)與測(cè)試變得越來越重要[1]。目前世界上一些國(guó)家提出了幾種用來評(píng)價(jià)紅外光電系統(tǒng)性能的模型，并建立了一套與之相適應(yīng)的紅外成像系統(tǒng)評(píng)估和測(cè)試的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量系統(tǒng)。在紅外熱成像系統(tǒng)的多項(xiàng)性能參數(shù)中，由于MRTD既反映了系統(tǒng)的熱靈敏度特性，又反映了系統(tǒng)的空間分辨力，它既能被熱像儀的生產(chǎn)廠家測(cè)試也能夠被熱像儀的用戶測(cè)試，因此成為綜合評(píng)價(jià)紅外成像系統(tǒng)性能的最主要參數(shù)[2]。作為一個(gè)主觀參數(shù)，MRTD盡管看起來簡(jiǎn)單，但事實(shí)上MRTD測(cè)試是非常困難的，因?yàn)樵跍y(cè)量過程中有很多容易犯的錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤會(huì)嚴(yán)重降低測(cè)試結(jié)果重復(fù)性和準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[3-4]指出：“在不同實(shí)驗(yàn)室的有經(jīng)驗(yàn)人員之間，MRTD觀察效果不一致，在0＝1/2DAS處，差別達(dá)±30%，在高頻漸近線處，可達(dá)±50%”。因此作為一種生產(chǎn)檢驗(yàn)和產(chǎn)品驗(yàn)收的判斷準(zhǔn)則不夠理想，分析和研究引起MRTD測(cè)試結(jié)果重復(fù)性和精度較差的原因，找出相應(yīng)的解決措施是一個(gè)迫切需要解決的問題。本文分析了引起熱像儀MRTD測(cè)試結(jié)果一致性和精度較差的主要原因。提高M(jìn)RTD測(cè)量精度的措施有：①提高測(cè)試人員的技術(shù)水平，確保測(cè)試人員通過訓(xùn)練和培訓(xùn)且考核合格；②選擇性能良好的測(cè)試系統(tǒng)，降低測(cè)試設(shè)備對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；③統(tǒng)一判斷準(zhǔn)則；④控制測(cè)試環(huán)境，修正環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

1 熱像儀參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

最初的熱像儀是用于軍事上觀察遠(yuǎn)處的目標(biāo)，成像距離較遠(yuǎn)，這類熱像儀的測(cè)試通常使用以平行光管作為目標(biāo)投影器的可變目標(biāo)系統(tǒng)。目前，市場(chǎng)上有大量熱像儀是用于近距離監(jiān)視或非接觸溫度測(cè)量，因此可變距離測(cè)試系統(tǒng)也是需要的。據(jù)估計(jì)世界上超過90%的熱像儀測(cè)試系統(tǒng)是可變目標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)，可變距離測(cè)試系統(tǒng)可以看作是其簡(jiǎn)化形式[5-6]?？勺兡繕?biāo)測(cè)試系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由平行光管、黑體、目標(biāo)靶、旋轉(zhuǎn)靶輪、控制單元、圖像采集單元、計(jì)算機(jī)及測(cè)試軟件等部分組成。平行光管將焦平面上的目標(biāo)靶的溫度場(chǎng)分布投影到被測(cè)熱像儀視場(chǎng)內(nèi)，圖像采集單元采集被測(cè)熱像儀輸出的圖像，經(jīng)過測(cè)試軟件分析計(jì)算得到被測(cè)熱像儀的性能參數(shù)?？勺兙嚯x測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。沒有平行光管，被測(cè)熱像儀直接對(duì)目標(biāo)靶進(jìn)行成像。

圖1 可變目標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

可變目標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)可以完成任何類型的熱像儀的測(cè)試，通常在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用，具有熱穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是被測(cè)熱像儀的口徑受限、價(jià)格較高?？勺兙嚯x測(cè)試系統(tǒng)具有價(jià)格低、便攜的優(yōu)點(diǎn)，但是該系統(tǒng)僅能夠測(cè)試工作距離較短的熱像儀。

圖2 可變距離測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 測(cè)試對(duì)系統(tǒng)各模塊的要求

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)MRTD的精確測(cè)量，需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)各模塊提出相應(yīng)的要求。

2.1 平行光管

在熱像儀測(cè)試系統(tǒng)中平行光管的功能是產(chǎn)生一個(gè)與平行光管焦面處目標(biāo)靶相似的熱場(chǎng)分布，所成像的畸變應(yīng)可以忽略。對(duì)平行光管的要求主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：分辨率，口徑，光譜范圍，熱特性。

2.1.1 分辨率

平行光管的空間分辨能力應(yīng)與被測(cè)熱像儀的空間分辨能力相匹配。若平行光管的質(zhì)量太差會(huì)帶來較大的測(cè)量誤差，質(zhì)量太高的平行光管會(huì)帶來不必要的成本。

平行光管的空間分辨率定義為平行光管映射的能被觀測(cè)者分辨的靶板的最低頻率。被測(cè)熱像儀的分辨率是其奈奎斯特頻率，它決定了熱像儀的理論分辨率極限。為了使平行光管對(duì)被測(cè)熱像儀成像質(zhì)量的影響可以忽略，平行光管的分辨率至少為被測(cè)熱像儀分辨力的5倍[7]。平行光管的空間分辨力不能夠計(jì)算，但是能夠測(cè)量。文獻(xiàn)[8]給出了一種測(cè)量方法，因?yàn)榉瓷涫郊t外平行光管的幾何像差不隨光譜范圍改變，選擇在可見光波段測(cè)量平行光管的空間分辨率，測(cè)試點(diǎn)分布在目標(biāo)靶所在范圍內(nèi)。

2.1.2 孔徑/焦距

平行光管的孔徑是平行光管能夠產(chǎn)生的最大光束的直徑。平行光管的孔徑至少比被測(cè)熱像儀光學(xué)孔徑大10%。若該條件滿足不了，將會(huì)產(chǎn)生額外的測(cè)量誤差。用于熱像儀測(cè)試的平行光管的F數(shù)變化范圍大致是從5～12。這意味著具有相同孔徑不同F(xiàn)數(shù)的平行光管的焦距變化范圍非常大。低F數(shù)平行光管尺寸小，能夠減小系統(tǒng)的體積，但是，低F數(shù)離軸平行光管在軸外點(diǎn)具有較大的幾何像差，熱穩(wěn)定性也差?？傊绻枰叽缧?、系統(tǒng)集中則應(yīng)選擇低F數(shù)平行光管；如果需要整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)具有較好像質(zhì)，則應(yīng)選擇高F數(shù)平行光管。

2.1.3 光譜范圍

平行光管映射的黑體和目標(biāo)靶的熱輻射至少應(yīng)包含被測(cè)熱像儀的光譜范圍，即應(yīng)覆蓋3～15mm，若該平行光管還要用于可見光相機(jī)測(cè)試，則其光譜范圍應(yīng)覆蓋0.4～15mm。反射式平行光管的光譜范圍是由反射鏡的膜層確定的。鋁膜具有反射率高、耐久性好和價(jià)格較低的優(yōu)點(diǎn)，平行光管的主鏡選用鋁膜較好，但是鋁膜工作在45°角時(shí)，在10mm波段反射率較低，因此平面鏡反射鏡應(yīng)選擇金膜或銀膜。

2.1.4 熱屬性

在選擇光學(xué)元件的材料時(shí)應(yīng)考慮一下幾個(gè)方面的因數(shù)：熱膨脹系數(shù)、面型精度和價(jià)格。

若平行光管工作環(huán)境復(fù)雜多變（如野外），則應(yīng)使用鍺材料，至少使用耐熱玻璃。若平行光管工作在環(huán)境溫度相對(duì)穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室條件下，則可以利用任何一種紅外玻璃材料，但是考慮到成本問題，光學(xué)冕牌玻璃是不錯(cuò)的選擇。

2.2 黑體

在熱像儀測(cè)試系統(tǒng)中，黑體是作為測(cè)量和標(biāo)定熱像儀性能參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，黑體性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到熱像儀參數(shù)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)黑體的要求體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：溫度分辨率、絕對(duì)溫度范圍、差分溫度范圍、發(fā)射率、穩(wěn)定時(shí)間、均勻性、穩(wěn)定性、溫度絕對(duì)精度以及有效面積等，具體要求見表1。

2.3 旋轉(zhuǎn)靶輪

旋轉(zhuǎn)靶輪的主要功能是能夠快速的更換目標(biāo)。對(duì)旋轉(zhuǎn)靶輪的要求如下：①使用具有良好熱傳導(dǎo)性的材料制造，與目標(biāo)靶具有良好的熱接觸；②為了消除手動(dòng)旋轉(zhuǎn)靶輪對(duì)目標(biāo)靶溫度的影響，應(yīng)選擇機(jī)動(dòng)旋轉(zhuǎn)靶輪；③為了消除外界環(huán)境對(duì)目標(biāo)靶及旋轉(zhuǎn)靶輪溫度的影響，應(yīng)采取隔熱措施；④旋轉(zhuǎn)靶輪的定位重復(fù)性應(yīng)優(yōu)于1mm；⑤旋轉(zhuǎn)靶輪表面應(yīng)涂覆一層高發(fā)射率的膜層。

2.4 目標(biāo)靶

測(cè)試熱像儀的紅外目標(biāo)靶通常在金屬板上精確刻畫不同形狀的孔來制造。用于熱像儀參數(shù)測(cè)量的目標(biāo)靶有十幾種，其中最常用的主要有：四桿靶、圓孔靶、刀口靶、方孔靶、畸變靶等，各靶標(biāo)用途如表2所示。

表1 熱像儀測(cè)試系統(tǒng)對(duì)黑體輻射源的要求

表2 不同類型紅外目標(biāo)靶的用途

制作紅外目標(biāo)靶是很非常困難的，原因如下：①為了使目標(biāo)靶表面的溫度均勻性為被測(cè)熱像儀MRTD的若干倍，應(yīng)選擇熱傳導(dǎo)性好的金屬（如銅或銅合金）制作，且目標(biāo)靶不易太薄，建議大于0.3mm，否則會(huì)影響熱傳導(dǎo)性；②靶板必須具有高精度的幾何尺寸，否則會(huì)降低測(cè)量精度，其幾何尺寸偏差應(yīng)小于2%；③目標(biāo)靶面向被測(cè)熱像儀的一面應(yīng)鍍有高發(fā)射率的膜層，使其具有和黑體一樣的發(fā)射率，達(dá)到0.97；④為了減弱黑體溫度對(duì)目標(biāo)靶溫度的影響，目標(biāo)靶面向黑體的一面應(yīng)鍍高反射率的膜層或則拋光，使其反射率大于0.9。

2.5 圖像獲取和分析模塊

圖像的采集和分析模塊主要由計(jì)算機(jī)，圖像采集卡和測(cè)試軟件組成。

2.5.1 圖像采集卡

圖像采集卡的主要功能是獲取熱像儀輸出的圖像序列，為進(jìn)一步的分析和處理提供原始數(shù)據(jù)。理想的圖像采集卡應(yīng)能夠接收多種標(biāo)準(zhǔn)圖像制式的數(shù)據(jù)：如PAL制、NTSC制、火線、USB 2.0、Camera Link，GigE，LVDS。其次，經(jīng)過圖像采集卡采集后，圖像的質(zhì)量應(yīng)無明顯的降低。

2.5.2 計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)應(yīng)能夠處理從圖像采集卡輸入圖像數(shù)據(jù)和其它參數(shù)信息，得到被測(cè)熱像儀的參數(shù)。

2.5.3 測(cè)試軟件

在熱像儀測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試軟件主要功能為：通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)硬件模塊的控制及熱像儀性能參數(shù)的計(jì)算和顯示。對(duì)測(cè)試軟件要求如下：①以簡(jiǎn)單易學(xué)，圖形化界面的方法控制黑體的溫度和旋轉(zhuǎn)靶輪的位置；②給MRTD、MDTD的測(cè)量提供軟件支撐，如：存儲(chǔ)測(cè)試條件，完成目標(biāo)靶寬度到頻率的轉(zhuǎn)換，自動(dòng)插入當(dāng)前黑體溫度到測(cè)試表格，校正環(huán)境溫度及平行光管透過率對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，以圖像或表格的形式顯示和保存測(cè)量結(jié)果；③與不同類型的圖像采集卡協(xié)作以無壓縮方法或不會(huì)降低圖像質(zhì)量的壓縮方法獲取不同格式的圖像數(shù)據(jù)。

2.6 其他模塊

還有一些模塊不是熱像儀測(cè)試必須的，但是又非常重要，如溫度箱和光學(xué)平臺(tái)。

為了驗(yàn)證熱像儀在不同環(huán)境溫度下的性能及可靠性，需要一個(gè)熱慣量較小、具有紅外傳輸窗口的溫度試驗(yàn)箱，該試驗(yàn)箱的溫度范圍應(yīng)與被測(cè)熱像儀工作溫度范圍相匹配。

其次，在進(jìn)行高空間分辨率熱像儀測(cè)試時(shí)，需要將整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)放置在抗振動(dòng)的光學(xué)平臺(tái)上以消除振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

3 最小可分辨溫差測(cè)量

MRTD的主觀測(cè)量方法是一個(gè)非常耗時(shí)的過程。使用客觀測(cè)量方可以縮短測(cè)試時(shí)間，但是，由于在客觀測(cè)試之前需要對(duì)同一類型的熱像儀進(jìn)行大量的MRTD主觀測(cè)量，從而確定系統(tǒng)參數(shù)。這一要求使得MRTD客觀測(cè)量?jī)H僅在大量同一型號(hào)的熱像儀需要測(cè)試時(shí)有優(yōu)勢(shì)，客觀測(cè)量法適合于熱像儀生產(chǎn)廠家使用。MRTD客觀測(cè)量法主要由：MTF法、光度法和圖像識(shí)別法，此處不詳細(xì)介紹。

3.1 影響MRTD測(cè)量結(jié)果的因素

MRTD的主觀測(cè)量通常采用多名觀察員（3名以上）進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量，取多次測(cè)量結(jié)果的平均值，理論上可以消除不同測(cè)試人員視力及判據(jù)不同帶來的差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多個(gè)不同測(cè)試團(tuán)隊(duì)對(duì)同一熱像儀的MRTD測(cè)量結(jié)果的偏差高達(dá)50%是很常見的。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因主要有兩個(gè)：①測(cè)試組人員的水平差異；②測(cè)試時(shí)使用的測(cè)試設(shè)備、判斷準(zhǔn)則、觀察環(huán)境條件及測(cè)試流程的差異。

3.1.1 測(cè)試人員

從事熱像儀MRTD測(cè)試的應(yīng)當(dāng)是視力沒有問題，通過專門的訓(xùn)練和培訓(xùn)且考核合格的人員。這些測(cè)試人員已經(jīng)從事過熱像儀工作數(shù)百小時(shí)適應(yīng)了熱像儀的各種噪聲，他們?cè)谠肼暛h(huán)境下發(fā)現(xiàn)和識(shí)別低對(duì)比度目標(biāo)的能力已經(jīng)得到證實(shí)，且測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性較好。MRTD測(cè)試人員的訓(xùn)練可以用一系列市場(chǎng)的真實(shí)的熱像儀來完成，也可以靠計(jì)算機(jī)仿真軟件來完成。

3.1.2 判斷準(zhǔn)則

在MRTD測(cè)試中關(guān)于四桿靶能否分辨標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。標(biāo)準(zhǔn)中表述為：在確定的空間頻率下，4位觀察者中不少于3位恰好可看見每桿面積的75%和兩桿間面積的75%時(shí)的溫差，就是該空間頻率下的最小可分辨溫差。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]則表述為：在確定的空間頻率下，觀測(cè)者剛好能分辨出（50%概率）4條帶圖案時(shí)，目標(biāo)與背景的溫差就是該空間頻率下的最小可分辨溫差。國(guó)外文獻(xiàn)普遍接受的準(zhǔn)則為：當(dāng)觀察者能夠辨認(rèn)出目標(biāo)圖像的確有4個(gè)桿狀目標(biāo)時(shí)，則可以認(rèn)為他能夠分辨該四桿靶目標(biāo)，此處不要求目標(biāo)一直能辨認(rèn)，目標(biāo)可以時(shí)而被噪聲掩蓋時(shí)而顯現(xiàn)，該目標(biāo)靶像可以帶有畸變，其中的一兩個(gè)靶可以比其他靶寬。

3.1.3 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試環(huán)境像環(huán)境照度、溫度可能對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來較大影響。通常認(rèn)為：MRTD測(cè)試時(shí)的環(huán)境照度條件應(yīng)當(dāng)和被測(cè)熱像儀的正常工作環(huán)境相似。標(biāo)準(zhǔn)建議的環(huán)境溫度是20±2℃。如果測(cè)試是在其它溫度條件下進(jìn)行的，應(yīng)當(dāng)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正。

3.1.3.1 環(huán)境溫度的影響與修正

環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以通過將測(cè)試結(jié)果乘以一個(gè)確定的系數(shù)來修正。對(duì)于非制冷熱像儀，可以近似認(rèn)為熱像儀噪聲不隨環(huán)境溫度變化，則修正系數(shù)可以用公式(1)計(jì)算：

式中：ba是測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度；bas是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試環(huán)境溫度；(,)是溫度為的黑體在波長(zhǎng)的輻射出射度；sys()是被測(cè)熱像儀的相對(duì)光譜響應(yīng)；D是被測(cè)熱像儀的響應(yīng)譜段。

對(duì)于制冷型熱像儀，可以假設(shè)熱像儀為背景限紅外探測(cè)器，則修正系數(shù)可以用公式(2)計(jì)算：

按公式(3)修正環(huán)境溫度的影響：

MRTDcor＝MRTDm×cor(ba) (3)

式中：MRTDcor修正后的結(jié)果；MRTDm是原始的測(cè)量結(jié)果；cor(ba)為環(huán)境溫度的修正系數(shù)。

3.1.3.2 光學(xué)透過率的影響與修正

透過率的影響可以將測(cè)試結(jié)果乘以光學(xué)通道的透過率來修正。對(duì)于可變目標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)，因?yàn)闇y(cè)試系統(tǒng)和熱像儀之間的距離非常近，大氣對(duì)輻射傳播的影響可以忽略，光學(xué)通道的透過率等于平行光管的透過率。平行光管的透過率和光譜范圍有關(guān)，因此，應(yīng)獲得感興趣的光譜范圍的平行光管透過率。對(duì)于可變距離測(cè)試系統(tǒng)，沒有平行光管，但是熱像儀和測(cè)試系統(tǒng)之間距離較遠(yuǎn)。若大氣條件良好，距離小于100m，大氣透過率近似為1，不需修正。若目標(biāo)與測(cè)試系統(tǒng)的距離更遠(yuǎn)或者測(cè)試在較壞的大氣條件下進(jìn)行，大氣透過率應(yīng)該進(jìn)行計(jì)算并修正對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。透過率影響的修正按公式(4)：

MRTDcor＝MRTDm×(4)

式中：MRTDcor為修正后的結(jié)果；MRTDm為原始的測(cè)量結(jié)果；為光學(xué)通道的透過率。

3.1.4 目標(biāo)靶

MRTD是與目標(biāo)空間頻率有關(guān)的溫差的連續(xù)函數(shù)。事實(shí)上，MRTD的測(cè)量?jī)H僅在幾個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行，其中必須包含低頻、中頻和高頻的頻率點(diǎn)。對(duì)于凝視型熱像儀最小目標(biāo)的空間頻率應(yīng)該在奈奎斯特頻率附近。可變目標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)和可變距離測(cè)試系統(tǒng)的四桿靶空間頻率的計(jì)算分別如公式(5)和(6)：

式中：是四桿靶的空間頻率；￠為平行光管的焦距；是測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)熱像儀的距離；是四桿靶的一個(gè)桿的寬度。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建議使用單四桿靶進(jìn)行MRTD測(cè)量，通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)水平方向、垂直方向的測(cè)量。使用單四桿靶可以幫助觀察者集中注意力，但是，實(shí)際測(cè)試經(jīng)歷表明，雙四桿靶（一個(gè)垂直四桿靶一個(gè)水平四桿靶）并不降低MRTD的測(cè)量精度，反而可以加速M(fèi)RTD的測(cè)量過程。

3.1.5 偏置

當(dāng)分辨同一空間頻率目標(biāo)靶所需的最小正溫差和最小負(fù)溫差不相等時(shí)，則系統(tǒng)偏置存在。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建議：在進(jìn)行MRTD測(cè)量時(shí)，首先使用正溫差的目標(biāo)靶測(cè)試，然后使用負(fù)溫差的目標(biāo)靶測(cè)試，最后將兩測(cè)試結(jié)果平均。目的是校正系統(tǒng)偏置對(duì)MRTD測(cè)量結(jié)果的影響。造成系統(tǒng)偏置的因素有多種：①目標(biāo)溫度測(cè)量精度不高；②目標(biāo)靶和黑體發(fā)射率有差異；③黑體表面溫度均勻性不高。若僅僅使用正溫差的目標(biāo)靶，則系統(tǒng)偏置將會(huì)帶來嚴(yán)重的測(cè)量誤差。在測(cè)試環(huán)境較好，測(cè)試系統(tǒng)比較穩(wěn)定時(shí)，事先對(duì)系統(tǒng)偏置進(jìn)行標(biāo)定，并作為修正因子對(duì)正溫差的目標(biāo)靶測(cè)試結(jié)果修正，可以加快MRTD的測(cè)量過程。系統(tǒng)偏置的計(jì)算如公式(7)：

式中：D＋為識(shí)別目標(biāo)靶的最小正溫差；D－為識(shí)別目標(biāo)靶的最小負(fù)溫差。

3.2 MRTD的測(cè)試及實(shí)驗(yàn)

MRTD測(cè)量方法有兩種：①固定空間頻率，改變溫差；②固定溫差，改變空間頻率。對(duì)于可變目標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)，只有第一種方法可行；而對(duì)于可變距離測(cè)試系統(tǒng)這兩種方法均可行，第二種方法更適用。第一種方法的優(yōu)點(diǎn)是利用測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)了溫差和空間頻率的半自動(dòng)控制，測(cè)試可在較小的空間內(nèi)進(jìn)行，但是測(cè)試頻率受四桿靶的限制。第二種方法具有需要改變被測(cè)熱像儀和測(cè)試系統(tǒng)之間的距離，需要較大的空間，但其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試可以在任何空間頻率進(jìn)行。

3.2.1 MRTD測(cè)試步驟

1）根據(jù)被測(cè)熱像儀參數(shù)，確定測(cè)試的頻率點(diǎn)，并安裝目標(biāo)靶；

2）將測(cè)試的最低頻率目標(biāo)靶旋轉(zhuǎn)到測(cè)試靶位，調(diào)高目標(biāo)背景溫差，設(shè)置被測(cè)熱像儀參數(shù)使觀測(cè)效果達(dá)到最佳，記錄熱像儀參數(shù)、環(huán)境溫度等參數(shù)；

3）逐步減小目標(biāo)背景溫差，直到4桿靶像馬上就不能被分辨時(shí)，記下此時(shí)的溫差D＋；

4）逐步降低黑體溫度，使黑體溫度小于背景溫度，使冷桿出現(xiàn)，記下剛好能分辨4桿靶時(shí)的溫差D－；

5）則熱像儀在該頻率的最小可分辨溫差為：

6）按空間頻率由低到高的順序，對(duì)另一空間的四桿靶重復(fù)步驟3）～5）；

7）繪制MRTD()曲線。

3.2.2 MRTD測(cè)試實(shí)驗(yàn)

利用上述測(cè)試步驟及修正模型對(duì)某一熱像儀進(jìn)行MRTD測(cè)試，該熱像儀的參數(shù)為：工作波段為8～12mm，視場(chǎng)為2°×1.5°。由3名合格的觀察員進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的環(huán)境溫度為16℃，平行光管透過率為0.94。將測(cè)試結(jié)果與廠家測(cè)試結(jié)果比對(duì)，最大偏差小于15%，具體測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 MRTD測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

分析了熱像儀參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的兩種基本結(jié)構(gòu)，給出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)所。給出了對(duì)熱像儀測(cè)試系統(tǒng)各組成單元的具體要求。給出了影響MRTD測(cè)量精度因素及相應(yīng)的解決措施及修正方法。最后以某一熱像儀為例進(jìn)行MRTD測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果與出廠測(cè)試結(jié)果比對(duì)，表明文章中的解決措施和修正模型可以提高M(jìn)RTD測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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Measurement Method for MRTD of Infrared Imaging System

TIAN Liu-de1,2，LIU Chao-hui1，ZHAO Jian-ke1，ZHAO Huai-xue1，PAN Liang1，DUAN Ya-xuan1，LONG Jiang-bo1，ZHOU Yan1

(1.,,710119,; 2.,100039,)

MRTD is an important parameter to evaluate the comprehensive performance of thermal imaging systems. The structure of two common test systems for testing thermal imagers is analyzed, whose advantages and disadvantages are compared and their application is given.The specific requirements on each part of test system are studied. According to the characteristics of MRTD, the causes of MRTD test result’s poor uniformity is analyzed, and the corresponding solution and correction model are given. In order to test and verify the correctness of the solution and correction model, a thermal imager is used as an example for MRTD testing. Compared with the test results of manufacturer, the maximum deviation is less than 15%. The test results show that the correction model can improve repeatability and accuracy of MRTD test results.

infrared imaging，MRTD，measurement method，performance evaluation，correction model

TN216

A

1001-8891(2015)05-0368-06

2014-11-21；

2014-12-16.

田留德（1984-），男，工程師/博士研究生，主要從事光電測(cè)量設(shè)備研制、精密檢測(cè)研究。E-mail：tianliude@126.com。

中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新基金，編號(hào)：Y154451ZZ0。