红外成像系统性能参数测试系统..doc

光电成像理论分析 PAGE PAGE 1 红外成像系统性能参数测试系统 摘 要：经过近几十年的发展，红外成像系统经历数次变革，已经由最初的点源和线阵扫描型发展到现在的第三代红外焦平面凝视型系统，目前国外对红外成像系统实验室测试的性能参数多达十六七项。本文对其最主要的信号传递函数（SITF）、噪声等效温差（NETD）和三维噪声模型、调制传递函数（MTF）、最小可分辨温差（MRTD）五个参数进行研究，阐述了它们的定义、物理意义和测量方法。 关键字：红外成像系统 性能参数 定义 测量方法 1 红外成像系统性能参数测试研究的意义 基于光电图像的测量，是以图像的获取及其处理为手段，来确定被测对象的诸如空间、时间、温度、速度以及功能等等有关参数或者特性的一种测量方法。把图像当作检测和传递的手段或载体加以利用，是一种建立在光学成像技术基础上并融入了计算机技术、光电子学数字图像处理技术以及光机电一体化的综合测量技术，其目的在于从图像中提取有用的信号。由于其具有非接触、高灵敏度和高准确度等特点，在信息科学、生命科学、工农业生产和制造业、航空航天、国防军事、科学研究以及人们的日常生活等领域中得到了广泛应用，是当代先进测试技术之一[1]~[3]。 自然界中凡是温度高于绝对零度的物体，就会一直向外辐射能量。通过探测并收集这些辐射能，再现物体的辐射起伏，进而显示出物体的特征信息，这样的成像系统就是红外成像系统。红外成像系统利用景物本身各部分辐射的差异获取被测对象的细节，可以穿透烟、雾、霾以及雪等不利因素以及识别伪装，具有较强的抗干扰和全天时远距离观察目标的能力，这些特点使红外成像系统广泛应用于军事领域。现代军事应用中，要求红外系统不仅具有高灵敏度、大视场、高空间分辨率、高帧频、适装性好的特点，为了适应恶劣的环境条件，还同时要求具有很好的结构稳定性和温度特性等。传统的红外光学系统的结构形式有反射式、折射式和折反式，它们共同的特点是结构简单，这往往不能满足现代军用特殊条件下的高质量的成像要求，需要增加辅助器件，就使得结构变得复杂，更加促使了人们开发新型的结构[4]。 世界各国都以巨额投资竞相开展这一领域的研究工作。经过近几十年的发展，红外成像系统经历数次变革，已经由最初的点源和线阵扫描型发展到现在的第三代红外焦平面（IRFPA）凝视型系统。同时，红外成像系统的性能测试技术也必须适应红外焦平面成像技术的发展，因此，对红外成像系统的性能评估也变得十分重要。[5] 目前国外对红外成像系统实验室测试的性能参数多达十六七项。我国在通用规范中确定测试17个参数。在这些参数中，最主要的性能参数包括信号传递函数（SITF）、噪声等效温差（NETD）和三维噪声模型、调制传递函数（MTF）、最小可分辨温差（MRTD）等。 2红外成像系统性能模型 红外成像系统的性能模型大体可分为两大类：静态性能模型和动态性能模型。[6]红外成像系统性能模型由以下模块组成，图2.1是静态性能模型和动态性能模型框图。两种性能模型都包括目标与背景模块、大气衰减干扰模块、光学系统模块、传感器模块和电子信号处理模块。不同的是：静态性能模型由人眼观察完成识别，动态性能模型是由机器视觉来完成自动目标识别。两模型的基本框架类似。 图2.1红外成像系统性能模型基本框图 以约翰逊准则为基础的红外成像系统静态性能模型，仅适用于静态目标的成像性能的预测估计。它认为目标和背景都是均匀的：目标的特征仅以目标背景的温差和尺寸来表示。它没有考虑到目标的运动、目标的细节和形状、背景杂波等因素；也没有考虑到图象处理算法和跟踪探测算法对红外系统性能的影响。因此，不适合红外预警、有哪些信誉好的足球投注网站跟踪、导引头等具有自动目标识别的红外成像系统的评估和预测。为了适应红外成像系统对复杂背景中的动态目标进行预测和评估，国外开展了动态性能评估模型的研究工作，并取得了较好的成果和应用。 国外对动态性能模型的研究取得了很大的进展，现在已经开发的动态性能模型有：科学应用国际公司开发的红外导引头/传感器动态性能模型(IRS/SDPPM)、瑞士国防科学研究中心发展的通用红外有哪些信誉好的足球投注网站跟踪探测性能模型(OPTSIM)、美国陆军导弹司令部研究开发工程中心开发的红外传感器性能分析模型(ISPAM)和通用导引头仿真模型(GENSS)等。这些动态性能模型在现场测试中已经得到很好的验证，如探测距离、锁定距离等性能与试验测量的性能结果能够很好的拟合。虽然动态性能模型的研究取得了一定的成果，但仍有很多地方需要完善：复杂背景杂波的逼真模拟、信号处理技术的模拟、目标辨别算法评估、闭环模拟中跟踪算法对工作平台运动轨迹的影响、提出新的探测准则等等。动态性能模型为了预测动态性能，必然要模拟各种红外成像系统的实时工作过程，仿真各种复杂的背景及系统各部分的运动状态，这就需要速度极快