非制冷紅外熱像儀

1、非制冷紅外熱像儀的測(cè)溫原理、系統(tǒng)分析和性能參數(shù)簡(jiǎn)述周驍駿，楊勰，李乾，龐星摘 要：非制冷紅外熱像儀是目前主流的夜視觀察儀器之一，其通過(guò)被測(cè)物體向外界發(fā)出的輻射能量來(lái)得到物體對(duì)應(yīng)的溫度。本文主要就非制冷紅外熱像儀的測(cè)溫原理、系統(tǒng)分析及其性能參數(shù)做簡(jiǎn)單的分析及介紹。比較了兩種不同情況下的測(cè)溫公式的優(yōu)劣并且做出了相關(guān)推導(dǎo)，簡(jiǎn)單介紹了基于FPGA的非制冷紅外熱像儀的電路系統(tǒng)和通用型非制冷紅外熱像儀的性能參數(shù)及其一般測(cè)定方法。對(duì)以后的紅外熱成像系統(tǒng)的學(xué)習(xí)起到了一定幫助。關(guān)鍵字：非制冷紅外熱像儀；測(cè)溫原理；系統(tǒng)分析；性能參數(shù)The brief description of temperature meas

2、uring principle,system design and performance parameter on uncooled infrared thermal imagerZhou Xiao-jun, Yang xie, Li qian, Pang xingAbstract: Currently, uncooled infrared thermal imager is one kind of mainstream devices on night vision. It gains temperature of the detected object by the infrared r

3、adiation the object emits. This paper simply analyses and introduces temperature measuring principle, system design and performance parameter on uncooled infrared thermal imager. We compared two different temperature measuring formulae in their respective situations and did the relevant derivation.

4、We also introduced the circuit system which based on FPGA in uncooled infrared thermal imager and the performance parameter of general uncooled infrared thermal imager. This paper provides us much promotion about the future study of infrared thermal imaging system.Key words: uncooled infrared therma

5、l imager; temperature measuring principle; system design; performance parameter0 前言紅外熱像儀是一種可探測(cè)目標(biāo)的紅外輻射，并通過(guò)光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理等手段將目標(biāo)物理的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換為視頻圖像的設(shè)備1。而由于焦平面陣列探測(cè)器材料及相關(guān)工藝的限制，早期的紅外熱像儀必須經(jīng)過(guò)制冷處理來(lái)盡可能地減小誤差，因此早期的紅外探測(cè)器件往往會(huì)有相應(yīng)的制冷劑伴隨著一起工作，這樣在成本和使用率方面就比較落后。但是隨著紅外技術(shù)的不斷革新，特別是熱電材料及其相關(guān)技術(shù)的日臻成熟，人們將一些熱電、鐵電材料逐漸代替了需要制冷方能正常工作的探測(cè)器

6、陣列材料，如碲鎘貢HgCdTe等，于是在1978年非制冷熱成像技術(shù)首次研究成功。相應(yīng)地，許多不同材料、不同類(lèi)型的非制冷紅外熱像儀也相繼問(wèn)世。到目前為止，非制冷紅外熱像儀的基本工作原理，理論基礎(chǔ)已經(jīng)得到廣泛地驗(yàn)證，在各個(gè)方面的應(yīng)用也取得了比較好的效果，但是就材料、噪聲、系統(tǒng)、性能等方面仍存在需要進(jìn)行大量研究的必要性。1 非制冷紅外熱像儀的測(cè)溫原理及其理論基礎(chǔ)紅外熱像儀的測(cè)溫方式相比于其他測(cè)溫方式相比在以下兩種情況下具有明顯的優(yōu)勢(shì)4：(1溫度分布不均勻的大面積目標(biāo)的表面溫度場(chǎng)的測(cè)量；(2在有限的區(qū)域內(nèi)快速確定過(guò)熱點(diǎn)或過(guò)熱區(qū)域的測(cè)量。而非制冷紅外熱像儀更是在此基礎(chǔ)上大量地降低了成本、提高了使用率。1

7、.1 紅外熱像儀的測(cè)溫原理及理論基礎(chǔ)紅外熱成像技術(shù)是在紅外波段3m6m和8m14m兩個(gè)大氣窗口，利用場(chǎng)景中物體本身的熱輻射，將熱目標(biāo)的紅外圖像轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光圖像。其轉(zhuǎn)換過(guò)程為2：熱像儀對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)其瞬時(shí)視場(chǎng)將物體的表面看作一個(gè)個(gè)像元，然后通過(guò)內(nèi)部機(jī)構(gòu)將含有像元溫度的輻射能量匯聚到探測(cè)器上，從而探測(cè)器的輸出電信號(hào)幅度與輸入的輻射能量大小成正比，最后經(jīng)信號(hào)處理在顯示器上顯示出對(duì)應(yīng)于物體表面溫度分布的熱像圖。在整個(gè)過(guò)程中，熱像儀陣列的每個(gè)傳感器接受對(duì)應(yīng)于目標(biāo)上的一個(gè)像元，每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的輸入輻射在焦平面上成像，隨后通過(guò)置于焦平面的光電或是熱電系統(tǒng)將每個(gè)像元含有的輻射能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)后置電路的放大及去

8、噪顯示在顯示器上。紅外熱成像的理論基礎(chǔ)是斯忒藩玻爾茲曼定律。該定律指出黑體表面單位面積所發(fā)射的各種波長(zhǎng)的總輻射功率與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比。即6 （1.1）式中，為黑體表面單位面積所發(fā)射的各種波長(zhǎng)的總輻射功率，為其對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)溫度，為斯忒藩常數(shù)， 。而在紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)際物體的熱輻射可近似看作灰體輻射，灰體接近黑體輻射的程度被稱(chēng)為灰體的發(fā)射率，且該參數(shù)不隨波長(zhǎng)的改變而改變。換言之，發(fā)射率能夠說(shuō)明物體的輻射本領(lǐng)與同溫度同測(cè)量條件下黑體的輻射本領(lǐng)之比。如果將輻射功率看成是波長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)熱力學(xué)溫度的函數(shù)，那么紅外波長(zhǎng)范圍下的物體表面單位面積所發(fā)射的各波長(zhǎng)的總輻射功率與黑體表面單位面積所發(fā)射的各波長(zhǎng)的

9、總輻射功率可分別表示為 （1.2）和 （1.3）又根據(jù)發(fā)射率的定義，有 （1.4）而紅外波長(zhǎng)范圍的物體發(fā)射率不隨波長(zhǎng)而改變，故可得到 （1.5）所以 （1.6）上述四個(gè)公式中，為紅外波長(zhǎng)范圍下的物體表面單位面積所發(fā)射的各波長(zhǎng)的總輻射功率，為紅外波長(zhǎng)范圍下的物體表面單位面積所發(fā)射的單一波長(zhǎng)的輻射功率，為黑體表面單位面積所發(fā)射的各波長(zhǎng)的總輻射功率，為黑體表面單位面積所發(fā)射的單一波長(zhǎng)的輻射功率，為被測(cè)物體的發(fā)射率，為所測(cè)量輻射對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)溫度，為斯忒藩常數(shù)。在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，紅外熱像儀所接收到的輻射包括2：(1被測(cè)物體表面本身的輻射能量；(2被測(cè)物體表面反射的環(huán)境輻射能量；(3被測(cè)物體表面透射的環(huán)

10、境輻射能量。所以探測(cè)器接收到的溫度不是真實(shí)溫度，在實(shí)際測(cè)溫時(shí)通常要先用高精度黑體對(duì)熱像儀進(jìn)行標(biāo)定，找出物體表面的輻射溫度與其真實(shí)溫度二者之間的關(guān)系，并對(duì)此進(jìn)行修正，這樣才能在最終的成像顯示結(jié)果中得到被測(cè)物體的真實(shí)溫度。物體表面的輻射溫度與其真實(shí)溫度二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下2：假設(shè)被測(cè)物體表面本身的輻射能量為，被測(cè)物體表面反射的環(huán)境輻射能量為，被測(cè)物體表面透射的環(huán)境輻射能量，紅外熱像儀所接收到的輻射能量為，則有 （1.7）又設(shè)被測(cè)物體的發(fā)射率為，反射率為，透射率，環(huán)境輻射能量為，與被測(cè)器件表面相同的黑體輻射能量為，則有 （1.8） （1.9）和 （1.10）根據(jù)式（1.7）有 （1.11）又根據(jù)，

11、有 （1.12）設(shè)被測(cè)物體表面的輻射溫度為，物體真實(shí)溫度為，環(huán)境溫度為，環(huán)境的發(fā)射率為則結(jié)合式（1.1）和式（1.12）可得 （1.13）即 （1.14）這樣就找到了被測(cè)物體表面的輻射溫度和其真實(shí)溫度之間的關(guān)系，從而可根據(jù)此關(guān)系式對(duì)紅外熱像儀進(jìn)行標(biāo)定。若考慮大氣與環(huán)境溫度不一致，則紅外熱像儀的熱輻射示意圖如圖1.1所示。圖1.1 紅外熱像儀熱輻射示意圖圖中，1環(huán)境，2被測(cè)物體，3大氣，4紅外熱像儀，為物體自身輻射，為環(huán)境反射輻射，為大氣透射輻射，為環(huán)境溫度，為大氣透過(guò)率，為物體發(fā)射率，為大氣溫度。從被測(cè)物體表面的輻射照度入手，一般有5 （1.15）式中，為被測(cè)物體表面的輻射照度，為最小空間張角

12、所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)的可視面積，為目標(biāo)到熱像儀的距離，一般為常量，為某一波長(zhǎng)下大氣光譜透過(guò)率，為某一波長(zhǎng)下被測(cè)物體的表面發(fā)射率，為對(duì)應(yīng)溫度的輻射亮度，為被測(cè)物體的實(shí)際溫度，為被測(cè)物體在某一波長(zhǎng)下的表面吸收率，為環(huán)境溫度，為某一波長(zhǎng)下大氣的發(fā)射率，為大氣溫度。探測(cè)器的信號(hào)電壓有相應(yīng)的輻射功率和探測(cè)器光譜響應(yīng)度決定，所以在某一波長(zhǎng)下探測(cè)器的信號(hào)電壓為5： （1.16）式中為探測(cè)器的光譜響應(yīng)率。由于紅外熱像儀工作波段比較窄，所以取，為所測(cè)波段上，的平均值，則可近似認(rèn)為與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。則式（1.16）可寫(xiě)成5 （1.17）式中。1.2 非制冷紅外熱像儀在測(cè)溫原理上的改進(jìn)非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的核心是非制冷焦平面1，

13、是利用某些物質(zhì)對(duì)溫度的敏感特性探測(cè)紅外輻射能量的熱敏元件，非制冷紅外探測(cè)器探測(cè)紅外輻射的基本原理包含兩個(gè)過(guò)程3：(1探測(cè)器吸收輻射以后溫度隨之升高，伴隨入射輻射功率的變化，元件的溫度也在發(fā)生相應(yīng)的變化；(2利用元件某種溫度的敏感特性把輻射能引起的溫度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，或者利用元件某種溫度的敏感特性來(lái)調(diào)整電路中電流強(qiáng)度的大小，從而得到相應(yīng)的電信號(hào)，此過(guò)程實(shí)際上就是測(cè)量物體溫度變化的過(guò)程。對(duì)非制冷紅外熱像儀的分析均起始于紅外輻射造成的敏感元件的溫升，依賴(lài)于探測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)溫升的探測(cè)。如圖1.2所示為非制冷紅外探測(cè)器的回路示意圖5。圖1.2 非制冷紅外探測(cè)器的回路示意圖導(dǎo)熱體具有恒定的溫度，在沒(méi)有輻

14、射照射時(shí)，熱探測(cè)器與導(dǎo)熱體之間滿(mǎn)足熱平衡，當(dāng)探測(cè)器吸收輻射后，一部分傳導(dǎo)出去，一部分使探測(cè)器溫度升高，其中，熱傳導(dǎo)方程為7 （1.18）式中，為熱容，表示探測(cè)器每升高1攝氏度的溫度所要吸收的熱能；為熱容量；為熱傳導(dǎo)系數(shù)，表示單位時(shí)間內(nèi)探測(cè)器和導(dǎo)熱體之間交換的熱量；為探測(cè)器的熱導(dǎo)；為探測(cè)器吸收輻射后引起的溫升；為探測(cè)器吸收系數(shù)；為入射輻射功率。通過(guò)熱傳導(dǎo)方程能夠得到溫升7 （1.19）式中，為熱時(shí)間常數(shù)，。則溫度響應(yīng)率為 （1.20）結(jié)合式（1.20）和式（1.17），即將熱探測(cè)器的響應(yīng)度代入式（1.17），得到 （1.21）式中，為熱探測(cè)器的探頭溫度?，F(xiàn)在使得，則式（1.21）變?yōu)?（1.22

15、）探測(cè)器的輸出值為，則令，有 （1.23）在紅外波長(zhǎng)范圍下可被測(cè)物體近似看作為灰體，則，且若對(duì)于大氣有，則被測(cè)物體表面溫度計(jì)算公式可以寫(xiě)為 （1.24）比較式（1.14）和式（1.24），可以看到，兩個(gè)公式雖然不同，但是對(duì)于環(huán)境的測(cè)量值和被測(cè)物體真實(shí)的測(cè)量值而言，形式相近，但式（1.24）不僅考慮到大氣的因素，還將輸出具體到相應(yīng)電壓，故式（1.24）的測(cè)溫公式應(yīng)用更加廣泛。根據(jù)式（1.24）變形可得 （1.25）根據(jù)上述標(biāo)定原理，用高精度黑體標(biāo)定時(shí)，=1，=1，則有 （1.26）可見(jiàn)，儀器輸出值僅與被測(cè)物體表面溫度有關(guān)5。2 非制冷紅外熱像儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析非制冷紅外熱像儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般分為硬件

16、電路系統(tǒng)和軟件處理系統(tǒng)兩個(gè)部分。硬件電路系統(tǒng)能夠在數(shù)據(jù)段傳輸、使用效率方面起關(guān)鍵的作用，并且決定成像過(guò)程能否實(shí)現(xiàn)。而軟件處理系統(tǒng)則是將熱像儀更加實(shí)用化，提高其對(duì)目標(biāo)或被測(cè)物體的識(shí)別以及細(xì)節(jié)上的分析能力，二者對(duì)于非制冷紅外熱像儀的系統(tǒng)都缺一不可。2.1 基于FPGA的非制冷紅外熱像儀的硬件電路系統(tǒng)簡(jiǎn)述在硬件電路中，目前的非制冷紅外熱像儀大多采用DSP+FPGA架構(gòu)，但是在能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算、通信、系統(tǒng)管理以及非均勻校正、盲元補(bǔ)償、視頻合成等功能的同時(shí)，DSP+FPGA架構(gòu)也減小了相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸效率，而且不便于儀器的小型化。南京理工大學(xué)引入了一種基于FPGA的可編程單芯片系統(tǒng)（SOPC），該系統(tǒng)不僅

17、能夠支持信號(hào)處理，還能夠集成可編程嵌入式處理器和專(zhuān)用IP核，使得非制冷紅外熱像儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)小型化、低功耗。該基于FPGA的非制冷紅外熱成像系統(tǒng)主要由紅外光學(xué)系統(tǒng)、非制冷紅外焦平面探測(cè)器組件、電路系統(tǒng)和顯示設(shè)備構(gòu)成，如圖2.1所示8。圖2.1 基于FPGA的非制冷紅外熱成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從圖2.1中可見(jiàn)，該系統(tǒng)通過(guò)FPGA把A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)器，USB接口和鍵盤(pán)等外設(shè)連接到了一起，且FPGA內(nèi)部集成有NiosII嵌入式處理器、實(shí)時(shí)信號(hào)處理、直方圖處理、視頻合成、DPRAM、時(shí)序控制邏輯等模塊。其中NiosII嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的管理功能。NiosII是Altera公司開(kāi)發(fā)的一種

18、基于FPGA的可配置單指令流的32位RISC嵌入式處理器。在上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，NiosII通過(guò)Avalon總線(xiàn)與SDRAM、Flash、USB控制器、鍵盤(pán)等外設(shè)相連，通過(guò)時(shí)序控制邏輯發(fā)出中斷請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)與DPRAM、直方圖處理模塊的數(shù)據(jù)通信。NiosII規(guī)定了系統(tǒng)的兩種工作模式：標(biāo)定模式和校正模式。其中，在標(biāo)定模式下，NiosII計(jì)算每個(gè)像素的增益和偏移校正系數(shù)，確定盲元的位置；在校正模式下，NiosII主要更新校正系數(shù)。系統(tǒng)程序采用多任務(wù)管理，其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示8。圖2.2 系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)以后首先初始化內(nèi)部寄存器和外設(shè)的狀態(tài)參數(shù)，然后實(shí)行校正/標(biāo)定模式、鍵盤(pán)管理和USB通信3個(gè)線(xiàn)程，其

19、中校正/標(biāo)定模式的優(yōu)先級(jí)最高。在校正/標(biāo)定模式下，信號(hào)處理模塊和NiosII的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)DPRAM完成的，DPRAM是一個(gè)FPGA內(nèi)部定義的雙向雙端口的存儲(chǔ)器。其中，在標(biāo)定模式下，信號(hào)處理模塊直接將來(lái)自于A/D的原始圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DPRAM中，當(dāng)完整的兩幀高溫和低溫黑體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)束后，NiosII將會(huì)計(jì)算每個(gè)像素的增益和偏移校正系數(shù)以及確定盲元的位置，并存儲(chǔ)于Flash內(nèi)。信號(hào)處理模塊也可以在時(shí)序邏輯控制下將處理好的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DPRAM內(nèi)，最后經(jīng)過(guò)USB接口傳輸?shù)絇C機(jī)終端，以此來(lái)提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。在此系統(tǒng)中FPGA實(shí)時(shí)信號(hào)處理的結(jié)構(gòu)使用的是流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)相比于乒乓結(jié)構(gòu)而言降

20、低的整個(gè)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時(shí)減小了輸出延時(shí)。實(shí)時(shí)信號(hào)處理在紅外成像系統(tǒng)中有三個(gè)基本內(nèi)容：非均勻校正、盲元補(bǔ)償和圖像增強(qiáng)。非均勻校正通常采用線(xiàn)性方式消除紅外焦平面陣列的非均勻性導(dǎo)致的固定圖案噪聲；盲元的位置估計(jì)使用左右像素估計(jì)響應(yīng)值的方法；圖像增強(qiáng)則給予圖像冗余技術(shù)，將表達(dá)圖像信息的區(qū)域擴(kuò)展到整個(gè)直方圖的動(dòng)態(tài)范圍。實(shí)時(shí)信號(hào)處理的流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2.3所示8。圖2.3 實(shí)時(shí)信號(hào)處理流水線(xiàn)從圖2.3可以看到8，整個(gè)流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)首先進(jìn)行增益校正，其增益校正系數(shù)同原始圖像數(shù)據(jù)一起輸入乘法器中，然后到達(dá)加法器，而偏移校正系數(shù)經(jīng)過(guò)一級(jí)流水線(xiàn)延時(shí)后同樣到達(dá)加法器，加法器輸出后便完成了非均勻校正的過(guò)程（見(jiàn)）；然后進(jìn)入

21、盲元補(bǔ)償過(guò)程（見(jiàn)圖），在此過(guò)程中加法器始終在計(jì)算某個(gè)像素前后兩個(gè)像素的均值，該均值與像素值一同向后轉(zhuǎn)移，直至雙路選通開(kāi)關(guān)，而盲元標(biāo)志F始終在向后轉(zhuǎn)移直至雙路選通開(kāi)關(guān)，當(dāng)雙路選通開(kāi)關(guān)處，由盲元標(biāo)志決定是傳輸均值還是像素值，即若此像素為盲元，則傳輸均值，若不是，則傳輸原來(lái)的像素值，從而實(shí)現(xiàn)了盲元補(bǔ)償；隨后，數(shù)據(jù)分兩路，一路進(jìn)入直方圖處理模塊（見(jiàn)），另一路進(jìn)入圖像增強(qiáng)模塊（見(jiàn)），經(jīng)過(guò)兩級(jí)模塊增強(qiáng)運(yùn)算后，圖像數(shù)據(jù)最后被傳輸?shù)揭曨l合成模塊（見(jiàn)）。2.2 非制冷紅外熱像儀的軟件處理系統(tǒng)簡(jiǎn)述目前，通用型非制冷紅外熱像儀的輸出圖像一般為數(shù)字圖像，故軟件處理圖像的過(guò)程一般基于數(shù)字圖像處理過(guò)程，軟件平臺(tái)也同樣基于

22、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，由于本文作者未對(duì)相關(guān)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)，故對(duì)非制冷紅外熱像儀的軟件處理系統(tǒng)僅做一個(gè)概念性的介紹。非制冷紅外熱像儀的軟件處理系統(tǒng)一般集合了數(shù)字圖像處理中常用的增強(qiáng)算法和分割算法，而這類(lèi)算法的仿真實(shí)現(xiàn)可以使用MATLAB來(lái)完成，但是實(shí)際處理紅外熱圖像的過(guò)程中，MATLAB軟件存在語(yǔ)句不嚴(yán)格、可移植性差、使用性弱等缺點(diǎn)，故此類(lèi)軟件開(kāi)發(fā)一般使用C語(yǔ)言或是C+語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，鑒于C+語(yǔ)言語(yǔ)句更加接近對(duì)象化思考的模式，故PC終端上對(duì)圖像的處理窗口一般使用MFC來(lái)編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Microsoft Visual C+。紅外圖像具有很多缺點(diǎn)，例如分辨率低、空間相關(guān)性強(qiáng)、信噪比低、空間立體感差、對(duì)

23、比度低、圖像模糊等，所以在使用紅外圖像進(jìn)行分析之前一般需要對(duì)紅外圖像進(jìn)行圖像處理。整個(gè)圖像處理系統(tǒng)的流程分為三個(gè)階段9：(1圖像處理階段；(2圖像分析階段；(3圖像理解階段。圖像處理階段主要對(duì)像素進(jìn)行處理，在校正紅外焦平面陣列非均勻性、補(bǔ)償盲元像素等處理后使用軟件再次優(yōu)化圖像像素質(zhì)量，例如進(jìn)行圖像的灰度變換處理、噪聲平滑處理、邊界銳化處理等；圖像分析階段主要對(duì)紅外圖像中有用信息的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)、分割、特征提取等；圖像理解階段主要利用人類(lèi)的思維方式去研究圖像各目標(biāo)的性質(zhì)及相關(guān)關(guān)系，從而把有用信息給出。綜上所述，一幅優(yōu)質(zhì)的紅外熱圖像的產(chǎn)生同時(shí)依賴(lài)于高效的硬件系統(tǒng)和良好的軟件系統(tǒng)，而對(duì)于非制冷紅外熱像

24、儀而言，硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為重要，因?yàn)槿绻蟮玫较嗤膱D像，要在熱像儀生成紅外熱圖像之后對(duì)圖像進(jìn)行處理往往要比在接受紅外熱輻射個(gè)過(guò)程中處理噪聲難得多，而且通常得不到比較理想的效果。也正因?yàn)槿绱?，不管是在探測(cè)器材料方面的研究方面，還是在硬件電路的設(shè)計(jì)方面，對(duì)于儀器本身的價(jià)值而言要比后期的圖像處理更為關(guān)鍵，所遇到的難度和瓶頸自然也比較多。當(dāng)然，后期的軟件處理平臺(tái)是必不可少的，畢竟夜視儀器的成像效果還不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)被人類(lèi)的視覺(jué)所適應(yīng)，只有通過(guò)適當(dāng)?shù)膱D像處理，才有助于人們更好、更方便地去分析紅外圖像。3 非制冷紅外熱像儀的性能參數(shù)非制冷紅外熱像儀的性能參數(shù)主要包含以下幾個(gè)個(gè)方面：(1噪聲等效溫差（NE

25、TD）；(2最小可分辨溫差（MRTD）；(3最小可探測(cè)溫差（MDTD）；(4非均勻性（NU）；(5信號(hào)傳遞函數(shù)（SiTF）；(6調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。非制冷紅外熱像儀還有其它一些性能參數(shù)，比如焦平面陣列噪聲、視場(chǎng)角FOV與焦距f、系統(tǒng)分辨率、系統(tǒng)畸變以及系統(tǒng)光學(xué)同軸度等等。3.1 噪聲等效溫差（NETD）噪聲等效溫差是假定測(cè)量源為黑體、大氣傳輸系數(shù)為1的情況下定義的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。其定義為系統(tǒng)基準(zhǔn)電子濾波器輸出的信號(hào)峰值與噪聲信號(hào)的均方根之比為1時(shí)黑體目標(biāo)與背景的溫差，即10 （3.1）式中，為靶標(biāo)與背景黑體源之間的溫差，為目標(biāo)信號(hào)的響應(yīng)電平，為背景信號(hào)的響應(yīng)電平。然而在紅外熱像儀中，單個(gè)像元的

26、NETD的給出需要用到信號(hào)傳遞函數(shù)（SiTF）的值，讓黑體源穩(wěn)定在某一溫度，通過(guò)采集一定幀數(shù)的紅外焦平面陣列組件的輸出來(lái)計(jì)算時(shí)域的NETD值，其計(jì)算公式如下11： （3.2） （3.3）式中，為第幀圖像內(nèi)點(diǎn)的輸出值，為采集圖像的幀數(shù)，為像點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。3.2 信號(hào)傳遞函數(shù)（SiTF）在3.1中提到使用信號(hào)傳遞函數(shù)（SiTF）來(lái)計(jì)算噪聲等效溫差（NETD），SiTF是典型的S型響應(yīng)度函數(shù)線(xiàn)性部分的斜率10，其表達(dá)式為10： （3.4）式中，采集卡接收到的電壓信號(hào)輸出，為平行光管與大氣光譜的有效透過(guò)率的加權(quán)平均值，為靶標(biāo)與背景黑體源之間的溫差。3.3 最小可分辨溫差（MRTD）MRTD是像質(zhì)的一個(gè)

27、主觀度量，是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)視覺(jué)靈敏度和分辨率的綜合度量10。MRTD是在某一頻率下四條紋剛好被熱像儀能夠分辨的差分溫度，其結(jié)果取決于觀察者的決策，是一個(gè)比較主觀的參數(shù)。MRTD與調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）相反，其漸近線(xiàn)的低頻段取決于非制冷紅外焦平面的非均勻性。一般測(cè)定MRTD的方法如下11：首先，把直條紋及其互補(bǔ)圖像之間的溫度設(shè)為零攝氏度，逐漸增加，直至觀察者正好能夠分辨出四條直條紋，此時(shí)觀察者選擇的最小正溫度差為，臨界溫差即為；然后將直條紋及其互補(bǔ)圖像之間的溫度重置為零攝氏度，逐漸減小，直至觀察者正好能夠分辨出四條直條紋，此時(shí)觀察者選擇的最小負(fù)溫度差為，臨界溫差即為。通過(guò)這些值和平行光管的透過(guò)率，目

28、標(biāo)空間頻率的MRTD值計(jì)算公式如下11： （3.5）式中，為平行光管的紅外透過(guò)率。3.4 調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）在3.3中提到最小可分辨溫差（MRTD）與調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）相反。MTF是用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和性能說(shuō)明的基本參數(shù)，它表示系統(tǒng)或系統(tǒng)元件對(duì)一個(gè)正弦波輸入的振幅響應(yīng)。一般確定MTF的方法分為直接法和間接法兩種，其中直接法是測(cè)量不同正弦信號(hào)的響應(yīng)，而間接法則是通過(guò)線(xiàn)擴(kuò)展函數(shù)的傅里葉變換得到一維MTF。但是在紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)不容易獲得正弦信號(hào)，可以用方塊目標(biāo)或是條紋目標(biāo)先得到對(duì)比度傳遞函數(shù)，然后采用一系列數(shù)學(xué)近似將其轉(zhuǎn)換成MTF。3.5 最小可探測(cè)溫差（MDTD）最小可探測(cè)溫差（MDTD）是熱系統(tǒng)靈敏度的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，其中包含人的作用。它可以用前視紅外（FLIR）觀察一個(gè)方形或是圓形目標(biāo)和均勻背景之間的溫差來(lái)得到10。3.6 非均勻性（NU）在3.3中提到最小可分辨溫差（MRTD）的漸近線(xiàn)的低頻段取決于非制冷紅外焦平面的非均勻性，因此非均勻性是低頻數(shù)據(jù)集結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比率11： （3.6）式中，為像點(diǎn)在水平和垂直方向的校準(zhǔn)偏差分量，為信號(hào)傳遞函數(shù)SiTF。關(guān)于非制冷紅外熱像儀的其它一些性能參數(shù)在這里就不再一一介紹了。性能參數(shù)除了作為非制冷紅外熱像儀的生產(chǎn)指標(biāo)，更重要是它能體現(xiàn)該儀器在使用范圍內(nèi)的價(jià)值，是非制冷紅外熱像儀在設(shè)