高溫背景下熱像儀噪聲等效溫差測(cè)試與分析

賴富文，張志杰，周漢昌，雷鐵新

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高溫背景下熱像儀噪聲等效溫差測(cè)試與分析

賴富文1,2，張志杰1，周漢昌1，雷鐵新2

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城 137001）

闡述了噪聲等效溫差、傳遞函數(shù)等相關(guān)概念，提出了高溫背景下紅外熱像儀的噪聲等效溫差具體測(cè)試方法和實(shí)施過(guò)程；采用黑體爐，在背景溫度825℃下對(duì)MCS640型紅外熱像儀的時(shí)間和空間噪聲等效溫差進(jìn)行了測(cè)試和分析；結(jié)果表明，空間NETD為該型熱像儀的主要影響。

紅外熱像儀；時(shí)間噪聲等效溫差；空間噪聲等效溫差；信號(hào)傳遞函數(shù)；高溫背景

0 引言

紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)由于其非接觸，測(cè)溫上限高，能夠測(cè)試溫度場(chǎng)，直觀等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為溫壓炸藥爆炸火球溫度場(chǎng)測(cè)試的重要手段之一[1-3]。熱成像系統(tǒng)是通過(guò)物體輻射溫度成像，系統(tǒng)本身與景象周?chē)椛洵h(huán)境將產(chǎn)生噪聲，其對(duì)圖像質(zhì)量均有較大的影響，即便在熱圖像中一塊均勻的黑體區(qū)域內(nèi)，圖像灰度值并不完全一致，不一致的灰度值折算到溫差軸上就是所謂的噪聲等效誤差（NETD），它是紅外熱像儀的重要客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，NETD的測(cè)試方法和指標(biāo)分析比較成熟[4-11]。但是，當(dāng)前NETD指標(biāo)測(cè)試多在室溫背景條件下進(jìn)行，很少對(duì)高溫背景下的NETD進(jìn)行測(cè)試和分析。溫壓炸藥爆炸時(shí)火球溫度很高，紅外熱像儀也多用其高溫段，因此對(duì)紅外熱像儀在高溫背景下的NETD測(cè)試和分析具有重要意義。本文以美國(guó)MIKRON公司生產(chǎn)的MCS640型紅外熱像儀為研究對(duì)象，測(cè)試和分析高溫背景下紅外熱像儀的NETD。

1 噪聲等效溫差（NETD）

溫度為T(mén)的均勻方形黑體目標(biāo)，處在溫度為B的均勻黑體背景中，熱像儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀察，當(dāng)系統(tǒng)輸出的信噪比為1時(shí)，黑體目標(biāo)和黑體背景的溫差稱為噪聲等效溫差，也就是系統(tǒng)能夠識(shí)別的最小信號(hào)值。NETD可以用測(cè)得的噪聲和信號(hào)傳遞函數(shù)獲得[5,12]：

NETD＝D/(/) (1)

或

NETD＝/SiTF (2)

式中：D為目標(biāo)與背景的溫差值；為信號(hào)；為噪聲均方根；SiTF為信號(hào)傳遞函數(shù)。

信號(hào)傳遞函數(shù)（SiTF）表示紅外熱像儀輸出隨溫度變化的變化率，該參數(shù)能夠反映系統(tǒng)的增益、線性度、動(dòng)態(tài)范圍、飽和特性和均勻性等特性，是評(píng)價(jià)紅外熱像儀性能的最基本技術(shù)指標(biāo)之一，它在響應(yīng)度函數(shù)上表現(xiàn)為線性部分的斜率。響應(yīng)度函數(shù)是目標(biāo)尺寸固定，輸出隨著目標(biāo)輸入強(qiáng)度變換的函數(shù)，見(jiàn)圖1。SiTF可由下式表達(dá)：

SiTF＝D/D(3)

式中：D為紅外熱像儀的輸出（灰度值或溫度值），D為溫差。

圖1 典型響應(yīng)度函數(shù)

在實(shí)際測(cè)試中采集到的信號(hào)是離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，且采集到的信號(hào)D通常存在微小偏差，所以需要采用數(shù)據(jù)擬合方法來(lái)求取SiTF的最佳估計(jì)，熱像儀的輸出和黑體爐的溫度對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系如下式：

D＝SiTF×D＋0(4)

為了更好地得到SiTF的最佳估計(jì)，往往需要測(cè)試多組數(shù)據(jù)，由組數(shù)據(jù)對(duì)（DC，DT）作最小二乘法擬合來(lái)確定：

式中：為測(cè)量點(diǎn)的個(gè)數(shù)；DT為第次溫差；DC為第次測(cè)得的紅外熱像儀的輸出溫度值。

傳統(tǒng)的NETD測(cè)量主要是時(shí)間NETD，只反映熱像儀的時(shí)間噪聲相對(duì)信號(hào)的情況，未能全面反映紅外熱像儀的噪聲情況，為此引進(jìn)三維噪聲模型方法[9]，其噪聲分量可以精確地描述熱像儀的噪聲特性，但是對(duì)熱像儀中各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生噪聲來(lái)源沒(méi)有針對(duì)性，對(duì)于多數(shù)人使用時(shí)又過(guò)于專業(yè)和復(fù)雜性，不利于分析，為了更好地研究分析熱像儀噪聲來(lái)源，噪聲分為空間噪聲等效溫差和時(shí)間噪聲等效溫差[10]。

2 NETD的測(cè)量

采用黑體爐為測(cè)試背景，當(dāng)黑體爐溫度穩(wěn)定后，取統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)紅外熱像儀輸出讀數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差[4]。每隔一定的溫差讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，繪制紅外熱像儀輸出溫差數(shù)據(jù)和曲線，根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)求取信號(hào)傳遞函數(shù)SiTF和NETD。

黑體爐采用美國(guó)MIKRON公司生產(chǎn)M390C-2型高溫黑體爐，溫度范圍為600℃～3000℃，發(fā)射率為0.99，精度為讀數(shù)的±0.25%±1℃。被測(cè)的MCS640型熱成像儀是美國(guó)MIKRON公司生產(chǎn)的在線式高溫短波紅外熱像儀，波長(zhǎng)為650～1080nm，溫度測(cè)量范圍為800℃～3000℃，幀頻為60幀/s，精度為讀數(shù)的±0.5%。

本次實(shí)驗(yàn)是測(cè)量熱像儀在背景溫度為825℃時(shí)的NETD，具體測(cè)量步驟如下：

1）熱像儀距黑體爐1m，選用25mm標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，調(diào)整熱像儀焦距，使之成像清晰。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物見(jiàn)圖2所示。

2）關(guān)閉熱像儀的自動(dòng)增益、自動(dòng)亮度功能，保證信號(hào)傳遞函數(shù)的在一個(gè)穩(wěn)定的增益條件下測(cè)量[8]；

3）調(diào)整黑體爐到溫度800℃，紅外熱像儀采集3次數(shù)據(jù)，圖3為熱像儀采集到某幀測(cè)量圖像，圖4為NETD測(cè)量圖像的三維坐標(biāo)灰度值。調(diào)整黑體爐溫度，每隔5℃測(cè)量一次，至到850℃。

4）統(tǒng)計(jì)每次測(cè)量圖像的像元素100pixels×100pixels內(nèi)的平均值，得到熱像儀對(duì)應(yīng)每個(gè)黑體爐溫度的輸出值和每個(gè)溫度測(cè)量平均值。

5）利用式(5)計(jì)算出熱像儀的SiTF。

6）求取溫度為825℃的熱像儀測(cè)量的噪聲均方根值，然后采用式(2)計(jì)算出NETD。

圖2 NETD測(cè)量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

根據(jù)上述步驟，可以得到溫度范圍為800℃～850℃內(nèi)溫差5℃時(shí)熱像儀對(duì)應(yīng)輸出值，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。采用式(4)計(jì)算出SiTF的值為1.06，得到熱像儀的響應(yīng)度函數(shù)為D＝1.06D＋826.9，實(shí)測(cè)響應(yīng)度函數(shù)曲線見(jiàn)圖5所示。由于實(shí)測(cè)值與真實(shí)值會(huì)有差別，擬合曲線不過(guò)零點(diǎn)。

圖3 NETD實(shí)際測(cè)量圖像

圖4 NETD實(shí)際測(cè)量圖像的灰度值

表1 熱像儀測(cè)量黑體爐的結(jié)果

3 NETD的測(cè)量結(jié)果

3.1 空間NETD測(cè)量結(jié)果

采用最高幀頻60幀/s，采集40幀，圖6為像元素的統(tǒng)計(jì)直方圖。對(duì)采集的各幀圖像中和每個(gè)像素取時(shí)間平均，所采集的各幀圖像由一幀圖像取代，該幀圖像的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.407℃，得到MCS 640型熱像儀在825℃的空間NETD為1.328K。

圖5 MCS640熱像儀的實(shí)測(cè)響應(yīng)度函數(shù)

圖6 像元素統(tǒng)計(jì)分布直方圖

3.2 時(shí)間NETD測(cè)量結(jié)果

每分鐘采集1幀，共采集20幀。選定黑體靶面溫度讀數(shù)盡量一致的區(qū)域作為時(shí)間NETD測(cè)試的統(tǒng)計(jì)區(qū)域，即此時(shí)在該區(qū)域由于空間差異引起的噪聲可忽略。對(duì)采集的各幀圖像取平均，所采集的各幀圖像由一組數(shù)據(jù)取代，計(jì)算該組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.139℃，得到MIKRON MCS640型熱像儀在825℃的時(shí)間NETD為0.131K。

可以看出，MCS640型熱像儀在825℃背景溫度下的空間NETD和時(shí)間NETD是不同的，空間NETD的值大于時(shí)間NETD，該熱像儀的空間NETD起著主要影響。因此，為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)紅外熱像儀的NETD，測(cè)試傳統(tǒng)的NETD是不夠的，需要測(cè)試時(shí)間NETD和空間NETD。

4 結(jié)論

提出了高溫背景環(huán)境下紅外熱像儀的噪聲等效溫差具體測(cè)試方法和步驟，利用M390C-2型高溫黑體爐，在背景溫度825℃下對(duì)MCS640型紅外熱像儀的SiTF、時(shí)間NETD和空間噪聲等效溫差NETD進(jìn)行了測(cè)試，得到了熱像儀的SiTF、時(shí)間NETD和空間NETD，測(cè)試結(jié)果表明，空間NETD占該型熱像儀NETD的主要影響，為該型熱像儀的使用提供了參考依據(jù)。

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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.

賴富文（1973-），男，四川鄰水人，高級(jí)工程師，博士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理及嵌入式系統(tǒng)。