红外成像系统的综合特性6幻灯片

光电子技术学课件之十七：红外成像系统的综合特性 制作者：赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华 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。空间分辨率调制传递函数（MTF）温度分辨率噪声等效温差（NETD）最小可分辨温差（MRTD）最小可探测温差（MDTD） 一、调制传递函数（MTF） 1. 基本概念红外成像系统可以看作是一个低通线性滤波器，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，被称为红外成像系统的对比(调制)传 递函数（MTF）和位相传递函数（PTF）。 这个函数的具体形式则完全由红外成像系统 的成像性能所决定，因此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。这样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。 空间频率定义为周期量在单位空间上变化 的周期数。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。 （1）光学系统的调制传递函数MTF0（2）探测器的MTFd（3）电子线路的MTFe（4) 显示器的MTFm（5）大气扰动的MTFom（6）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，目视 仪器各个环节的传递函数值可以以此作为考 虑的出发点。 （7）系统的传递函数MTF红外成像系统总的传递函数为各分系统传递 函数的乘积： 二、噪声等效温差（NETD）1. 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2. 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： NETD的局限性：（1）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。（2）单纯追求低的NETD值并不意味着一定有 很好的系统性能。例如，增大工作波段的宽度 ，显然会使NETD减小。但在实际应用场合， 可能会由于所接收的日光反射成分的增加，使 系统测出的温度与真实温度的差异增大。表明 NETD公式未能保证与系统实际性能的一致性 。（3）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。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 受视在信噪比限制的温度分辨率的量度。MRTD的测试图案： 由成像系统对某一组四条带图案成像，调节 目标相对背景的温差，从零逐渐增大，直到在显 示屏上刚能分辨出条带图案为止。此时的温差就 是在该组目标空间频率下的最小可分辨温差。分 别对不同空间频率的条带图案重复上述测量过程 ，可得到MRTD曲线。 MRTD曲线： MRTD综合描述了在噪声中成像时，红外成像系统对目标的空间及温度分辨能力。MRTD存在的问题主要是：它是一种带有主观成分的量度，测试结果会因人而异。此外 ，未考虑人眼的调制传递函数对信号的影响也 是其不足之处。 四、最小可探测温差（MDTD） 最小可探测温差MDTD是将NETD与MRTD 的概念在某些方面作了取舍后而得出的。具体 地说，MDTD仍是采用MRTD的观测方式，由 在显示屏上刚能分辨出目标时所需的目标对背 景的温差来定义。但MDTD采用的标准图案是 位于均匀背景中的单个方形目标，其尺寸W可 调整，这是对NETD与MRTD标准图案特点的 一种综合。MDTD用来估算点源目标的可探测性是有 价值的。