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§5 .5红外成像系统的综合特性 红外成像系统性能的综合量度指标 空间分辨率、温度分辨率 时间分辨率、光谱分辨率 空间分辨率棗调制传递函数(MTF) 温度分辨率棗噪声等效温差(NETD) 最小可分辨温差(MRTD) 最小可探测温差(MDTD) MTF棗Modulation Transfer Function PTF棗Phase Transfer Function NETD棗Noise Equivalent Temperature Difference MRTD棗Minimum Resolvable Temperature Difference MDTD棗Minimum Detectable Temperature Difference 一、调制传递函数(MTF) 1 基本概念 红外成像系统棗低通线性滤波器 给红外成像系统输入一个正弦信号(即给出一个光强正弦分布的目标),输出仍然是同一频率的正弦信号(即目标成的像仍然是同一空间频率的正弦分布),只不过像的对比有所降低,位相发生移动。 对比降低的程度和位相移动的大小是空间频率的函数 对比传递函数(MTF) 位相传递函数(PTF) 函数的具体形式完全由红外成像系统的成像性能所决定 传递函数客观地反映了成像系统的成像质量,红外成像系统存在一个截止频率,对这个频率,正弦目标的像的对比降低到0 目标经系统成像后一般都是能量减少,对比降低和信息衰减 通常所谓的分辩率,是将物体结构分解为线或点,这只是分解物体方法的一种。 另一种方法是将物体结构分解为各种频率的谱,即认为物体是由各种不同的空间频率组合而成的。 红外成像系统的特性就表现为它对各种物体结构频率的反应:透过特性、对比变化和位相推移。 空间频率棗定义为周期量在单位空间上变化的周期数: 线对/毫米,lp/mm 物体的调制度(对比度)定义: 光学系统对某一频率的调制传递函数MTF: 2 红外成像过程中各个环节的调制传递函数 红外成像系统模型如前所述,根据线性滤波理论,对于由一系列具有一定频率特性(空间的或时间的)的分系统所组成的红外成像系统,只要逐个求出分系统的传递函数,其乘积就是整个系统的传递函数 总体设计 光学系统的调制传递函数MTF0 探测器的MTFd 电子线路的MTFe 显示器的MTFm 大气扰动的MTFom 人眼调制传递函数MTFeye 人眼能发现的能量起伏为0.05,即最大能量为1,最低能量是0.95时也能发现,所以人眼能接收感知的极限调制度为0.026 系统的传递函数MTF 例:一目标经红外成像系统成像后供人眼观察,在某一特征频率时,目标对比度为0.5,大气的MTF为0.9,探测器的MTF为0.5,电路的MTF为0.95,CRT的MTF为0.5,则在这一特征频率下,光学系统的MTF至少要多大? 二、噪声等效温差(NETD) NETD的定义 用红外成像系统观察标准试验图案,当红外成像系统输出端产生的峰值信号与均方根噪声电压之比为1时的目标与背景之间的温差,称为噪声等效温差(NETD) NETD是表征红外成像系统受客观信噪比限制的温度分辨率的一种量度 NETD测试图案 NETD的表达式及物理意义 假设目标与背景都是朗伯辐射体 先求出红外成像系统分辨单元接收到的辐射功率 再求出由于目标与背景温差引起的接收功率的差异 继而求得信号电压的变化量及信噪比 由定义可得到NETD的表达式 对单元探测器光机扫描方式,其NETD表达式为: 棗探测器的归一化探测度(比探测率) 棗目标的光谱辐射出射度 表征一个红外成像系统性能的三个主要特征参数,分别反映了系统的温度分辨率、信息传递速率及空间分辨率: 三个特征参数在性能要求上是 相互矛盾的,即存在制约关系 NETD反映的是客观信噪比限制的温度分辨率,没有考虑视觉特性的影响 单纯追求低的NETD值并不意味着一定有很好的系统性能 NETD反映的是系统对低频景物(均匀大目标)的温度分辨率,不能表征系统用于观测较高空间频率景物时的温度分辨性能 NETD具有概念明确、测量容易的优点,在系统设计阶段,采用NETD作为对系统诸参数进行选择的权衡标准是有用的 NETD的局限性 三、最小可分辨温差(MRTD) MRTD是景物空间频率的函数,是表征系统
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