《紅外系統(tǒng)》課件第7章 紅外成像系統(tǒng)

7.1紅外成像系統(tǒng)的基本構(gòu)成與分類7.2紅外成像系統(tǒng)的基本參數(shù)7.3光機(jī)掃描紅外成像系統(tǒng)7.4凝視型紅外成像系統(tǒng)7.5紅外成像系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)7.6紅外成像系統(tǒng)的作用距離估算7.1紅外成像系統(tǒng)的基本構(gòu)成與分類7.1.1紅外成像系統(tǒng)的基本構(gòu)成紅外成像系統(tǒng)的主要目的是將紅外輻射轉(zhuǎn)換成偽彩或灰度圖像,該圖像應(yīng)表示目標(biāo)或背景紅外輻射的二維分布。一個完整的紅外成像系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖71所示。根據(jù)圖71所示的紅外成像系統(tǒng)的基本構(gòu)成,紅外成像系統(tǒng)各組成單元的基本功能描述如下:(1)紅外光學(xué)系統(tǒng)(又稱紅外望遠(yuǎn)鏡)接收并會聚來自景物的紅外輻射。(2)光機(jī)掃描器(即光學(xué)機(jī)械掃描器)完成紅外望遠(yuǎn)鏡大視場與紅外探測器小視場的匹配;同時按照顯示制式的要求,進(jìn)行信號編碼。(3)紅外探測器將所接收的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號。(4)探測器偏置與前置放大電路完成紅外探測器所需的電壓或電流偏置,并負(fù)責(zé)對探測器輸出的微弱電信號進(jìn)行放大處理。(5)視頻處理器配合掃描同步器(在采用紅外焦平面探測器時,掃描同步器可省略),將來自放大處理電路的信號轉(zhuǎn)化為視頻顯示器所能接收的信號。在這個過程中,視頻處理器一般需要完成位深提升、分辨率規(guī)格轉(zhuǎn)換、縮放、彩色空間轉(zhuǎn)換以及圖像處理和增強等功能。(6)視頻顯示器完成可見光圖像以及用戶界面的顯示。7.1.2紅外成像系統(tǒng)的分類眾多的紅外成像系統(tǒng)可按圖72所示分為以下幾種類型。7.2紅外成像系統(tǒng)的基本參數(shù)1.瞬時視場(IFOV)瞬時視場指的是探測器線性尺寸對系統(tǒng)物空間的兩維張角,由探測器的形狀、尺寸和光學(xué)系統(tǒng)的焦距決定。若探測器為矩形,尺寸為a×b,光學(xué)系統(tǒng)焦距為f0,則水平及俯仰(垂直)方向的瞬時視場角α、β分別為2.總視場(FOV)總視場是指系統(tǒng)觀察的物空間的兩維視場角。若總視場在水平和俯仰(垂直)方向的角度分別為WH、WV,則總視場角可表示為WH×WV。3.幀周期和幀頻系統(tǒng)完成一幅完整畫面所需的時間Tf稱為幀周期(或幀時),單位為s;系統(tǒng)一秒鐘完成的畫面幀數(shù)fp稱為幀頻或幀速,單位為Hz。fp和Tf的關(guān)系為4.掃描效率光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)對景物掃描時,實際掃過的空間角度范圍通常比觀察視場角WH、WV要大。觀察視場完成一次掃描所需的時間Tfov與掃描機(jī)構(gòu)實際掃描一周所需的時間之比稱為掃描效率ηscan,即通?？臻g掃描是由水平掃描和俯仰掃描合成的,所以掃描效率也分為水平掃描效率ηHscan和俯仰掃描效率ηVscan,有5.駐留時間對光機(jī)掃描器而言,物空間一點掃過探測器單元所經(jīng)歷的時間稱為駐留時間τd。探測器在觀察視場中對應(yīng)的分辨單元數(shù)為7.3光機(jī)掃描紅外成像系統(tǒng)7.3.1基本掃描方式1.物方掃描物方掃描是指掃描器位于聚光光學(xué)系統(tǒng)之前的平行光路中,對物方光束進(jìn)行掃描。由于掃描器在平行光路中工作,故也稱其為平行光束掃描,如圖77所示。2.像方掃描像方掃描是指掃描器位于聚光光學(xué)系統(tǒng)和探測器之間的光路中,對像方光束進(jìn)行掃描。由于掃描器在會聚光路中工作,故也稱其為會聚光束掃描,如圖78所示。另有一種掃描方式稱為偽物掃描,也屬于平行光束掃描的類型,其原理結(jié)構(gòu)如圖79所示。3.兩種基本掃描方式的比較7.3.2光機(jī)掃描器1.擺動平面反射鏡擺動平面反射鏡(簡稱擺鏡)在一定范圍內(nèi)周期地擺動完成掃描。根據(jù)光學(xué)原理,若出射光線保持不變,當(dāng)鏡面轉(zhuǎn)過γ角時,相應(yīng)的入射光線轉(zhuǎn)角θ=2γ,如圖710所示。2.旋轉(zhuǎn)多面反射鏡(旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓)旋轉(zhuǎn)多面反射鏡亦稱旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓,是由n個矩形平面反射鏡組成的棱柱,可繞中心軸作連續(xù)轉(zhuǎn)動,如圖713所示。3.旋轉(zhuǎn)折射棱鏡具有2(n+1)個側(cè)面(n=1,2,3,…)的折射棱鏡,繞通過其質(zhì)心的軸線旋轉(zhuǎn),就構(gòu)成旋轉(zhuǎn)折射棱鏡,如圖715所示。7.3.3幾種常用的光機(jī)掃描方案1.旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓作行掃描,擺鏡作幀掃描圖719是旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓作行掃描,擺鏡作幀掃描的掃描方案實例。2.旋轉(zhuǎn)折射棱鏡作幀掃描,旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓作行掃描圖720為旋轉(zhuǎn)折射棱鏡作幀掃描、旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓作行掃描的掃描方案實例。3.兩個旋轉(zhuǎn)折射棱鏡掃描圖721為兩個旋轉(zhuǎn)折射棱鏡的掃描方案實例。4.兩擺動平面反射鏡掃描兩擺動平面反射鏡掃描示意圖如圖73所示。5.傾斜面鏡鼓掃描在實際陣列探測器掃描應(yīng)用中,還有一種由傾斜面鏡鼓組成的掃描結(jié)構(gòu),這種傾斜面鏡鼓如圖722所示。6.平面反射鏡擺掃/推掃在航空航天遙感應(yīng)用中,常使用一種比較簡單的平面反射鏡擺掃式(也稱掃帚式)方案,如圖723所示。7.3.4多元探測器的掃描方式在光機(jī)掃描成像系統(tǒng)中,我們是利用探測器單元對一定空間范圍內(nèi)的景物進(jìn)行分解而完成成像的。通常系統(tǒng)需要觀察的視場WH×WV是比較大的(例如30°×20°),而系統(tǒng)的瞬時視場(即由探測器所對應(yīng)的空間視場)α×β往往比較小(例如30mrad×30mrad),為了圖724掃描系統(tǒng)中的觀察視場與瞬時視場能在有限的時間內(nèi)觀察一幀完整的觀察視場,必須將瞬時視場在觀察視場內(nèi)按一定順序進(jìn)行掃描。最常用的掃描形式為直線掃描,即將瞬時視場從左到右進(jìn)行行掃描(稱為方位掃描),掃完一行后依次從上到下移動一行再進(jìn)行第二行掃描,這種上下挪動的掃描稱為列掃描,即幀掃描。如此一行一行地掃下去,直到掃完全幀,如圖724所示。瞬時視場α×β將觀察視場WH×WV分成了N(=nH×nV)個單元,即nH列、nV行,對于單個探測器單元掃描而言,若掃過全幀的時間為Tf,則掃過一個觀察空間單元的時間(假設(shè)掃描效率ηscan=1),即駐留時間τd=Tf/N=αβ/(WHWVfp),幀速(或幀頻)fp=1/Tf。對單個探測器單元掃描來說,當(dāng)探測器面積一定時,為保證在規(guī)定的幀時Tf內(nèi)掃完整個觀察視場WH×WV,掃描系統(tǒng)必須具有相應(yīng)的幀速fp。為了提高系統(tǒng)的熱靈敏度,人們提出了多元探測方法,即將單個探測器單元形式的變成多元陣列形式,把很多個探測器單元集合起來去探測景物以提高熱靈敏度。對多元探測器來說,則設(shè)法從增加信號值或降低掃描速度兩個方面來提高系統(tǒng)的信噪比值。根據(jù)多元探測器的排列和掃描方向的不同,掃描方式可分為串聯(lián)掃描、并聯(lián)掃描和串并聯(lián)掃描三種,如圖725所示。7.4凝視型紅外成像系統(tǒng)所謂凝視型紅外成像系統(tǒng),是指采用紅外焦平面陣列(IRFPA)覆蓋光學(xué)系統(tǒng)的焦平面視場,從而實現(xiàn)紅外成像。對于紅外焦平面陣列而言,視場內(nèi)的景物同時被投射到焦平面上時,IRFPA的探測器單元與觀察景物的空間單元一一對應(yīng),直接實現(xiàn)對景物空間的分解,分解的景物像元數(shù)量就是IRFPA探測器單元的數(shù)量。IRFPA同時接收景物各像元的紅外輻射,并采用電子驅(qū)動自掃描的方式,將IRFPA各探測器單元的信號讀出,變成一維時序信號,經(jīng)處理后的信號送至顯示器即可得到景物的紅外圖像。對于采用單個探測器單元掃描的光機(jī)掃描紅外成像系統(tǒng),探測器的駐留時間為τds=αβ/(WHWVfp)。如果采用并聯(lián)掃描,并假設(shè)沿垂直方向放置一個探測器數(shù)目為nV的線陣,恰好覆蓋所要求的垂直視場,而在水平方向掃描,則當(dāng)幀頻一定時,并聯(lián)掃描熱成像系統(tǒng)探測器的駐留時間增加至單個探測器單元時的nV倍通道頻帶寬度壓縮至單個探測器單元系統(tǒng)的1/nV,從而使通道信噪比提高了nV倍?？梢赃@樣認(rèn)為,采用單個探測器單元掃描的系統(tǒng),是以犧牲通道信噪比為代價的。在并聯(lián)掃描的系統(tǒng)中,用nV個探測器覆蓋一維方向上所要求的空間范圍,另一維采用低速掃描來覆蓋所要求的空間范圍,使探測器響應(yīng)景物輻射的時間增加,也就是使每個探測器的采樣頻率降低為原來的1/nV,因為多路傳輸幾乎沒有信號傳遞損失,所以這種掃描方式最大限度地發(fā)揮了探測器的性能,提高了系統(tǒng)的信噪比。假如在水平方向用nH個探測器來覆蓋所要求的空間范圍,以取代低速行掃描,則對于這種系統(tǒng),每個探測器的駐留時間為此時,系統(tǒng)的通道頻帶寬度Δf'壓縮為單個探測器單元掃描系統(tǒng)的通道頻帶寬度Δf=1/(2τds)的1/(nH×nV),即由于帶寬壓縮為單個探測器單元掃描系統(tǒng)帶寬的1/(nH×nV),所以信噪比提高了(nH×nV)1/2倍。為了在駐留時間內(nèi)將nH×nV個通道轉(zhuǎn)換成單一通道,每一通道所占的時間為所以系統(tǒng)的采樣頻率為由此可以看出,fts'?fp,因此取出每個探測器響應(yīng)信號所需的時間很短,在幀頻一定的條件下,采樣頻率取決于所用的探測器單元數(shù)。而由式(732)可知,探測器駐留時間大幅度增加,表示響應(yīng)目標(biāo)輻射的時間長。對于系統(tǒng)來說就是響應(yīng)時間長,而讀取信號的時間短,兩者相比,響應(yīng)時間長到好像固定注視一樣,這就是“凝視”概念的由來。為了更好地說明凝視型紅外成像系統(tǒng)的優(yōu)點,圖728給出了掃描型紅外成像系統(tǒng)和凝視型紅外成像系統(tǒng)所拍攝的長波紅外圖像。7.5紅外成像系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)紅外成像系統(tǒng)綜合性能參數(shù)分類如圖729所示。(1)分辨率參數(shù):描述紅外成像系統(tǒng)能夠分辨出目標(biāo)細(xì)節(jié)的能力。(2)響應(yīng)參數(shù):描述紅外成像系統(tǒng)對目標(biāo)大小和目標(biāo)紅外輻射的響應(yīng)水平。(3)噪聲參數(shù):描述限制紅外成像系統(tǒng)對低對比度目標(biāo)探測能力的噪聲特征。(4)主觀圖像質(zhì)量參數(shù):描述人眼利用紅外成像系統(tǒng)對不同場景中目標(biāo)的探測、識別、辨識能力。(5)幾何參數(shù):描述目標(biāo)與成像系統(tǒng)輸出圖像之間的幾何關(guān)系。(6)準(zhǔn)確度參數(shù):描述利用紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行非接觸溫度測量的精確度。(7)光譜參數(shù):描述紅外成像系統(tǒng)響應(yīng)與波長的關(guān)系。7.5.1分辨率參數(shù)紅外成像系統(tǒng)的分辨率參數(shù)包含空間分辨率、時間分辨率、溫度(灰度等級)分辨率和光譜分辨率。空間分辨率也稱圖像分辨率或成像分辨率,主要指紅外成像系統(tǒng)對高對比度目標(biāo)空間細(xì)節(jié)的感知能力;時間分辨率是在時間上區(qū)分事件能力的度量;溫度(灰度等級)分辨率表示的是能量分辨細(xì)節(jié);光譜分辨率就是系統(tǒng)的光譜通帶。本小節(jié)先討論空間分辨率,然后再討論時間分辨率。由于溫度(灰度等級)分辨率主要受響應(yīng)信號、A/D轉(zhuǎn)換器以及基底噪聲的影響。光譜分辨率比較簡單,可以認(rèn)為是系統(tǒng)的波段范圍。7.5.2響應(yīng)參數(shù)響應(yīng)參數(shù)描述了紅外成像系統(tǒng)在對目標(biāo)進(jìn)行觀測時,系統(tǒng)輸出信號與目標(biāo)溫度或目標(biāo)尺寸變化的響應(yīng)關(guān)系。通常情況下,關(guān)于紅外成像系統(tǒng)的響應(yīng)參數(shù),常用的有三個:響應(yīng)函數(shù)、非周期傳遞函數(shù)(ATF)和狹縫響應(yīng)函數(shù)(SRT)。1.響應(yīng)函數(shù)響應(yīng)函數(shù)是針對尺寸較大的目標(biāo),成像系統(tǒng)輸出信號(電壓、電流或屏幕亮度)與目標(biāo)溫度(絕對或相對)關(guān)系的描述函數(shù),可以用兩個參數(shù)進(jìn)行表征:信號傳遞函數(shù)(SiTF)和動態(tài)范圍。2.非周期傳遞函數(shù)(ATF)非周期傳遞函數(shù)(ATF)提供了有關(guān)系統(tǒng)對小目標(biāo)探測能力的信息,它定義為系統(tǒng)對可變尺寸矩形(或圓形)目標(biāo)的歸一化響應(yīng)。紅外成像系統(tǒng)可以探測角尺寸小于其瞬時視場(IFOV)的目標(biāo),但當(dāng)目標(biāo)很小,且由于衍射或像差原因造成很明顯的彌散斑時,成像系統(tǒng)對這類目標(biāo)的分辨就會有問題,且探測輸出信號與彌散斑的大小有一定的關(guān)系,這種關(guān)系可以利用非周期傳遞函數(shù)對理想情況下的系統(tǒng)輸出信號進(jìn)行修正。3.狹縫響應(yīng)函數(shù)(SRF)當(dāng)目標(biāo)為狹長形狀,且其寬度角尺寸θ(水平方向)小于像元瞬時視場(IFOV),長度角尺寸(垂直方向)遠(yuǎn)大于像元瞬時視場(IFOV)時,借助同樣的描述方法,可獲得系統(tǒng)輸出信號隨目標(biāo)寬度的變化關(guān)系,從而得到一維狹縫響應(yīng)函數(shù)(SRF)。因此,狹縫響應(yīng)函數(shù)(SRF)被定義為系統(tǒng)對可變尺寸狹縫目標(biāo)的歸一化響應(yīng),它提供了有關(guān)系統(tǒng)對狹長目標(biāo)探測能力的信息。7.5.3噪聲參數(shù)從廣義上講,任何不需要的信號成分都可以定義為噪聲。噪聲可能以各種形式出現(xiàn),比如,固定圖案噪聲、行間非均勻性、1/f噪聲、散粒噪聲、帶寬(漂移)和通道閃爍等。它們中的任何一個都可成為占主要地位的噪聲源。由于噪聲的瞬態(tài)特性,它們的度量可能是困難的。而一些噪聲影響可能很容易預(yù)測,但測量起來卻不容易。從系統(tǒng)輸出的紅外圖像上講,噪聲一般可以分為兩類:時間噪聲和空間噪聲。時間噪聲是指在觀察均勻目標(biāo)時,像元輸出信號的時間變化。對于掃描型成像系統(tǒng),這種信號變化是針對掃描線信號而言的;對于凝視型成像系統(tǒng),這種信號變化指的是幀間信號?？臻g噪聲是指在觀察均勻目標(biāo)時,不同像元信號之間的差異,而不是幀間的變化。這兩種類型的噪聲都有自己的噪聲功率譜密度(NPSD)。噪聲可以明顯降低圖像質(zhì)量并限制系統(tǒng)檢測低對比度目標(biāo)能力,對紅外成像性能度量非常重要。關(guān)于噪聲的描述,常采用三種不同的分析方法:單參數(shù)模型、三維噪聲模型以及四參數(shù)模型。7.5.4主觀圖像質(zhì)量參數(shù)紅外成像系統(tǒng)可以擴(kuò)展人類在黑暗和低能見度條件下的可視能力。從用戶的角度來看,如果想要借助紅外成像系統(tǒng)對感興趣的目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測、識別和辨識,就需要了解紅外成像系統(tǒng)的溫度分辨率和空間分辨率。從前面的分析可知,圖像分辨率可描述系統(tǒng)對目標(biāo)空間分布細(xì)節(jié)的分辨能力,而噪聲等效溫差可以描述系統(tǒng)對目標(biāo)溫度變化的探測能力。但是,圖像分辨率針對的是高對比度條件下目標(biāo)細(xì)節(jié)的變化;而噪聲等效溫差針對的是均勻擴(kuò)展源目標(biāo)下目標(biāo)溫度的變化。所以說,這兩個分辨率參數(shù)是相互獨立,且都是以客觀測量為基礎(chǔ)的。而人眼觀察一種主觀行為,客觀測量所得的參數(shù),無法適應(yīng)主觀觀察圖像質(zhì)量的描述。最小可分辨溫差(MRTD)以及最小可探測溫差(MDTD)將圖像分辨率和溫度分辨率進(jìn)行了巧妙的融合,且引入了人眼視覺的主觀因素,是綜合描述紅外成像系統(tǒng)溫度分辨能力和空間分辨能力的重要參數(shù),對于評價紅外成像系統(tǒng)全鏈路性能十分必要。1.最小可分辨溫差(MRTD)MRTD的定義為:對于處于均勻黑體背景中,具有某一空間頻率高寬比為7∶1的四個條帶黑體目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)條帶圖案如圖790所示,由觀察者在顯示屏上作無限長時間的觀察,直到目標(biāo)與背景之間的溫差從零逐漸增大到觀察者確認(rèn)能分辨(50%的概率)出四個條帶的目標(biāo)圖案為止,此時目標(biāo)與背景之間的溫差稱為該空間頻率下的最小可分辨溫差。當(dāng)目標(biāo)圖案的空間頻率變化時,相應(yīng)的可分辨溫差將是不同的,也就是說MRTD是空間頻率的函數(shù)。2.最小可探測溫差MDTD最小可探測溫差MDTD是將NETD與MRTD的概念在某些方面作了取舍后而得出的。具體地說,MDTD仍是采用MRTD的觀測方式,由在顯示屏上剛能分辨出目標(biāo)時所需的目標(biāo)對背景的溫差來定義。但MDTD采用的標(biāo)準(zhǔn)圖案是位于均勻背景中的單個方形目標(biāo),其尺寸W'可調(diào)變,這是對NETD與MRTD的標(biāo)準(zhǔn)圖案特點的一種綜合。3.三角方向辨別閾值(TOD)人們在研究了不同類型的圖像降質(zhì)對人眼識別簡單空間測試樣條的影響后發(fā)現(xiàn),周期矩形樣條的焦平面成像表現(xiàn)為明顯欠采樣頻譜混淆,而觀察實際的非周期目標(biāo),這種現(xiàn)象并不明顯,而非周期三角形的成像觀測特性受焦平面欠采樣頻譜混淆的影響較小,更能反映真實目標(biāo)的觀察特性。在這些研究成果的基礎(chǔ)上,針對基于周期矩形樣條的性能評價本身的固有缺陷,人們提出了一種能充分表征紅外成像系統(tǒng)性能且易使用的新方法:三角方向鑒別閾值法,即TOD法。此方法是利用不同尺寸、不同對比度的等邊三角形作為測試樣條,通過紅外成像系統(tǒng),由觀察者多次判斷三角形方位,得到75%正確判斷概率對應(yīng)的閾值對比度與三角形尺寸之間的關(guān)系曲線。TOD性能表征方法是以等邊三角形測試樣條、更好地定義觀察者任務(wù)和一種純粹的心理測量程序為基礎(chǔ),具有較強的理論基礎(chǔ)和實驗應(yīng)用的優(yōu)點,適合于掃描型、凝視型紅外成像系統(tǒng),且能夠很好地用于真實目標(biāo)的獲取性能預(yù)測。4.最小可感知溫度差(MTDP)最小可感知溫度差(MTDP)也可以用來描述紅外成像系統(tǒng)的主觀觀察圖像質(zhì)量。MTDP定義為測試圖案放置在最佳相位時,能被觀察者分辨出二條、三條或四條帶圖案的最小溫差。MTDP模型與MRTD模型相似,只是調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)被一種稱為AMOP的品質(zhì)因子所替代。AMOP品質(zhì)因子描述了在采樣和信號讀出(包含人眼MTF)后對于成像的MRTD測試圖案在最佳相位的平均調(diào)制。AMOP無明確的解析表達(dá)式,對于指定的系統(tǒng),可通過標(biāo)準(zhǔn)四條帶測試圖案實驗測得。MTDP是MRTD概念的擴(kuò)展,使用MTDP概念,超過奈奎斯特頻率(1/2采樣頻率)的成像性能仍然可進(jìn)行分析,并且可以消除經(jīng)典MRTD的顯著缺點。同時,MTDP使用了MRTD的一些概念(類似的靶標(biāo),相同的測試設(shè)備),對于熟悉MRTD的人員很容易理解和接受。MTDP概念已在熱成像系統(tǒng)性能評估模型中得到采用。如果MTDP能得到普遍接受和支持,將來有可能成為紅外成像系統(tǒng)的主要品質(zhì)因數(shù)。MTDP的特點如下:(1)不是四條帶靶標(biāo)都要求分辨。(2)測試圖案位置必須選擇最優(yōu)相位。(3)MTDP中使用了AMOP。(4)系統(tǒng)性能評估不局限在1/2采樣頻率內(nèi)。圖7100給出了典型的MTDP與MRTD曲線的比較。5.主觀圖像質(zhì)量參數(shù)測量以上所描述的主觀圖像質(zhì)量參數(shù):最小可分辨溫差(MRTD)、最小可探測溫差(MDTD)以及三角方向鑒別閾值(TOD)以及信號傳遞函數(shù)(SiTF)和調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF),都可在專業(yè)測試平臺上進(jìn)行測量,從而完成對紅外成像系統(tǒng)的綜合評價。紅外成像系統(tǒng)性能參數(shù)測試平臺基本構(gòu)成如圖7101所示。7.5.5幾何參數(shù)系統(tǒng)的幾何參數(shù)主要包含視場、畸變和掃描線性度。對理想的成像系統(tǒng)而言,顯示器上看到的圖像可以精確地復(fù)現(xiàn)目標(biāo)的幾何特征。自動視覺(機(jī)器視覺)系統(tǒng)則依賴于系統(tǒng)的幾何傳遞特性,這是因為系統(tǒng)的輸出是由所測得的目標(biāo)幾何特征推導(dǎo)出來的,這些幾何特征包括目標(biāo)的外形、尺寸及運動等。通常情況下,所有與復(fù)現(xiàn)目標(biāo)幾何特征有關(guān)的輸入輸出變化關(guān)系都稱為幾何傳遞函數(shù)。光學(xué)子系統(tǒng)可能在水平和垂直方向上引起幾何失真。光學(xué)子系統(tǒng)所引起的幾何失真通常稱為幾何畸變。幾何畸變定義為點源成像的實際位置與理想位置之間的極距除以垂直視場。典型的畸變包括桶形畸變(矩形向外凸起)、枕形畸變(矩形向內(nèi)收縮)以及S形畸變(直線扭曲為“S”形狀),如圖7104所示。對于掃描型成像系統(tǒng),幾何失真的原因可能是掃描的非線性(掃描方向的失真),也可能是正向和反向掃描區(qū)域沒有準(zhǔn)確地對準(zhǔn)(往返掃描失真)。當(dāng)陣列存在缺陷像元(該像元的響應(yīng)度與其他像元有較大差別,或與其他像元相比噪聲較大)時,相鄰像元的輸出與缺陷像元輸出會“捆綁”在一起形成條帶。圖7105為掃描型成像系統(tǒng)可能出現(xiàn)的幾何失真示意圖。幾何畸變測試一般為針孔矩陣靶標(biāo)或矩形靶標(biāo),而掃描失真測試通常采用45°放置的窄帶靶標(biāo),如圖7106所示。7.5.6準(zhǔn)確度參數(shù)到目前為止,我們所討論的參數(shù)幾乎都是用于測試和評估觀察型紅外成像系統(tǒng)的,對于這種類型的紅外成像系統(tǒng),系統(tǒng)所輸出的圖像質(zhì)量是最重要的品質(zhì)因數(shù)。然而,對于測量型紅外成像系統(tǒng),高質(zhì)量輸出圖像當(dāng)然是非常必要的,但其非接觸測溫的準(zhǔn)確度則顯得更加重要。早期紅外成像系統(tǒng)生產(chǎn)廠家給出的“準(zhǔn)確度”指標(biāo),一般是指在忽略外部誤差源時,測量溫度和物體溫度真值的接近程度,但利用這種“準(zhǔn)確度”參數(shù)來描述紅外成像系統(tǒng)溫度測量的優(yōu)劣,一是不太容易理解,二是不夠嚴(yán)謹(jǐn),因為該“準(zhǔn)確度”是溫度測量值與真值的接近程度,只表示了一個定性的概念,而不是一個定量的數(shù)值。因此,采用“測量不確定度”作為紅外成像系統(tǒng)溫度測量準(zhǔn)確度的衡量是比較合適的。測量不確定度表示了與最好值的接近程度,可通過估計測量結(jié)果離散度的標(biāo)準(zhǔn)差來衡量。測量不確定度一般用測量過程的數(shù)學(xué)模型和傳遞規(guī)則來評估。紅外成像系統(tǒng)的測溫不確定度可分為兩類:內(nèi)在不確定度和結(jié)果不確定度?！皟?nèi)在不確定度”是忽略所有外部誤差時的測溫不確定度,這個參數(shù)可以用來比較不同的紅外成像系統(tǒng);“結(jié)果不確定度”是在實際測量條件下,包括內(nèi)在和外部誤差源時的測量結(jié)果,這也是評估紅外成像系統(tǒng)在實際使用條件下測溫準(zhǔn)確度的衡量方法。7.6紅外成像系統(tǒng)的作用距離估算7.6.1對點源目標(biāo)的作用距離1.基于系統(tǒng)參數(shù)的作用距離模型當(dāng)紅外成像系統(tǒng)探測點目標(biāo)時,由于光學(xué)系統(tǒng)的衍射和像差效應(yīng)會限制成像面積的最小尺寸,即點目標(biāo)在像平面上也不會是一個點,而是一個彌散斑。彌散斑將決定點目標(biāo)圖像的大小以及輻射通量的分布,而與目標(biāo)大小無關(guān)。假設(shè)目標(biāo)的面積為AS、溫度為TT、輻射亮度為L(λ,TT)、與系統(tǒng)的距離為R,背景的溫度為TB、輻射亮度為L(λ,TB),光學(xué)系統(tǒng)的入瞳面積為Ao、透過率為τo(λ),探測器電壓響應(yīng)度為Ru(λ),大氣透過率為τatm(λ),系統(tǒng)的目標(biāo)傳遞函數(shù)為TTF,系統(tǒng)信號增益為G,則由式(7152)可知,相對于背景而言,系統(tǒng)在波段(λ1,λ2)的輸出信號為由于Ru(λ)、ΔL(λ)、τo(λ)和τatm(λ)均是波長的函數(shù),根據(jù)式(7236)很難求出R的確切解析式。為了計算簡單,假設(shè)光譜帶寬Δλ=λ2-λ1很小,可以用帶寬中心λc=(λ1+λ2)/2的值估算積分,因此有對于Ru(λc),有將式(7238)代入式(7237),并利用ΔI(λc)=ΔL(λc)AS,其中ΔI(λc)為輻射強度,有式(7239)符號的右邊,第1項為目標(biāo)、背景及大氣輻射參數(shù);第2項為光學(xué)系統(tǒng)參數(shù);第3項為探測器參數(shù);第4項為系統(tǒng)和信號處理參數(shù)。如果上述參數(shù)均可獲得,則可計算出成像系統(tǒng)作用于點目標(biāo)的作用距離R。2.基于NEFD和NETD的作用距離根據(jù)NEFD的定義可知,在不考慮大氣影響的情況下,當(dāng)基準(zhǔn)化電路輸出端產(chǎn)生單位噪聲比時,點目標(biāo)在光學(xué)系統(tǒng)處的輻照度即NEFD。如果已知系統(tǒng)的NEFD,且考慮大氣透過率τatm(λc),假設(shè)點目標(biāo)的輻射強度為ΔI(λc)Δλ,則在距離系統(tǒng)為R處的輻照度為ΔE=ΔI(λc)Δλτatm(λc)/R2,于是由式(7162)可知故式(7241)等號的右邊,第1項為目標(biāo)、背景及大氣輻射參數(shù);第2項為系統(tǒng)和信號處理參數(shù)。如果上述參數(shù)均可獲得,則可計算出成像系統(tǒng)作用于點目標(biāo)的作用距離R。在定義和測量系統(tǒng)的NETD時,要求目標(biāo)的角尺寸超過系統(tǒng)的瞬時視場若干倍,但在點目標(biāo)探測時,目標(biāo)像不能充滿系統(tǒng)的單個分辨元,因此,需要對NETD進(jìn)行修正。根據(jù)NETD推導(dǎo)式(7154),以及目標(biāo)沒有充滿瞬時視場時的系統(tǒng)輸出信號表達(dá)式(7150)及式(7149),可得目標(biāo)沒有充滿瞬時視場情況下的NETD修正式為其中,ATF為系統(tǒng)的非周期傳遞函數(shù)。理想情況下,由式(7147)可知其中:α'和β'為目標(biāo)對系統(tǒng)的張角;α和β為系統(tǒng)的瞬時視場角,且α'<α,β'<β,并且有如果考慮大氣透過率τatm(λc)的影響,假設(shè)黑體目標(biāo)與背景之間的零視距溫差為ΔT0,經(jīng)過一段距離R的大氣傳輸?shù)竭_(dá)紅外成像系統(tǒng)時,目標(biāo)與背景之間的等效溫差ΔT可近似表示為根據(jù)噪聲等效溫差的定義,此時,有故式(7247)等號的右邊,第1項為目標(biāo)、背景及大氣輻射參數(shù);第2項為系統(tǒng)和信號處理參數(shù)。如果上述參數(shù)均可獲得,則可計算出成像系統(tǒng)作用于點目標(biāo)的作用距離R。3.基于MDTD的作用距離人眼通過熱成像系統(tǒng)對點目標(biāo)視距估算的基本要求是:系統(tǒng)的信噪比應(yīng)大于或等于閾值信噪比。即對于空間角頻率為fsp'的點目標(biāo),其與背景的實際溫差在經(jīng)過大氣傳輸?shù)竭_(dá)熱成像系統(tǒng)時,仍大于或等于系統(tǒng)對應(yīng)閾值信噪比及頻率fsp'下的MDTD,即在利用式(7248)估算系統(tǒng)對點目標(biāo)的作用距離R時,由于目標(biāo)張角小于系統(tǒng)瞬時視場角,必須對MDTD(式(7212))中的NETD進(jìn)行修正。滿足式(7248)要求的最大距離Rmax即為紅外成像系統(tǒng)對點目標(biāo)的作用距離。由于α'和β'是目標(biāo)大小和距離的函數(shù),NETD的變化將造成MDTD的變化,因此,對應(yīng)點探測閾值信噪比下的MDTD也將受目標(biāo)大小和距離的影響。必須指出的是,在以上對點目標(biāo)探測作用距離的各計算表達(dá)式中,大氣透過率τatm是和距離R有關(guān)的,并可寫為7.6.2對面源目標(biāo)的作用距離1.基于MRTD的視距模型紅外成像系統(tǒng)對面源目標(biāo)視距估算的基本思想是利用目標(biāo)等效條帶圖案,即利用一組總寬度為臨界目標(biāo)尺寸、長度在垂直于臨界尺寸方向上橫跨目標(biāo),視在溫差為ΔT與目標(biāo)相同的線條圖案來代替目標(biāo)。如圖7125所示,人眼通過紅外成像系統(tǒng)能夠探測、識別和辨認(rèn)一個目標(biāo)的基本要求是:對于空間角頻率為fsp'的目標(biāo),其與背景的實際溫差在經(jīng)過大氣傳輸?shù)竭_(dá)紅外成像系統(tǒng)時,仍大于或等于該紅外成像系統(tǒng)對應(yīng)該頻率的MRTD(fsp'),同時目標(biāo)對系統(tǒng)的張角應(yīng)大于或等于探測水平所要求的最小視角:2.模型修正由于紅外成像系統(tǒng)性能參量是實驗室參量,當(dāng)紅外成像系統(tǒng)用于實際目標(biāo)的觀察時,目標(biāo)特性和環(huán)境條件并不滿足實驗室標(biāo)準(zhǔn)條件,因而必須對MRTD及其他一些參量進(jìn)行修正。同時,約翰遜準(zhǔn)則是一個基于實驗的等效準(zhǔn)則,也必須進(jìn)行說明。主要的修正和說明有以下幾項。1)目標(biāo)溫差紅外成像系統(tǒng)實際探測到的是一個復(fù)雜景物圖像,要精確地確定復(fù)雜圖像是比較困難的,涉及目標(biāo)、背景、環(huán)境、大氣傳輸?shù)?以及諸因素間的相互影響,目前的模型尚難以包含全部目標(biāo)的紅外特性。因此,在視距估算中主要采用能反映目標(biāo)宏觀特性的參數(shù),如目標(biāo)尺寸、相對于背景的等效溫差條帶圖案(或目標(biāo)與背景紅外輻射之差)來表示目標(biāo)特征。模型化目標(biāo)用一個相對背景溫差為ΔT的矩形目標(biāo)來代替真實目標(biāo),其面積大小與實際目標(biāo)相同,目標(biāo)溫度為在整個目標(biāo)信息區(qū)內(nèi)溫度對面積的加權(quán)平均值:于是,目標(biāo)相對背景溫度Tb的加權(quán)平均溫差,即等效溫差ΔT為在實際計算中輸入這些特征值工作量是很大的,因此常采用實驗統(tǒng)計分析結(jié)果,表715為典型目標(biāo)夏季野外的平均溫差統(tǒng)計值。2)大氣傳輸衰減在紅外成像系統(tǒng)的實驗室性能參量中,未考慮大氣傳輸?shù)挠绊?。但實際目標(biāo)的探測中,目標(biāo)紅外圖像總要經(jīng)過一定的大氣傳輸,從而不能忽略其影響,且往往大氣衰減是最主要的影響之一。對于小溫差目標(biāo)的探測,紅外成像系統(tǒng)所接收到的目標(biāo)背景輻射通量差(即信號)與目標(biāo)背景間的溫差成正比。設(shè)黑體目標(biāo)與背景之間的零視距(R=0)溫差為ΔT0,經(jīng)過一段距離R的大氣傳輸?shù)竭_(dá)紅外成像系統(tǒng)時,目標(biāo)與背景之間的等效溫差ΔT可近似表示為大氣傳輸衰減對實際紅外成像系統(tǒng)視距的影響是很明顯的,不同大氣條件所產(chǎn)生的衰減也有很大的差別,因此,在紅外成像系統(tǒng)的視距估算時,應(yīng)有明確的大氣條件(如大氣壓、大氣溫度、相對濕度、能見距離、傳輸路徑及其他大氣條件等)。3)約翰遜準(zhǔn)則目標(biāo)的觀察包括了所有的過程,根據(jù)不同的要求級別進(jìn)行目標(biāo)確認(rèn),可簡單地分為探測、識別和辨