热成像系统的NETD测试分析

第39卷第3期红外与激光工程2010年6月Vol 39 No. 3Infrared and Laser EngineeringJun.2010热成像系统的NETD测试分析安成斌,万英(华北光电技术研究所,北京100015)摘要:总结了目前国内外热成像整机测试系統中常用的两种NETD测试方法。分析了NETD测试模型,比较了两种测试方法在处理非线性视频图像輸出中的差异,选取测试精度、重复性更高的信号传递函数(SiF)测试方法作为实验方法。对同一热成像系统在NETD测试中测试结果存在较大差异的现象进行了分析。重点针对自动增益亮度、图像增强、伽马娇正、高频滤波4种常见非线性处理方式对N巸ID测试结果的影响,提出了相应的测议说明及解决方案,为获得准确、可重复的NETD测试结果提供了有效的手段。关键词:热成像系统;红外测试;NETD中图分类号:TN219文献标识码:A文章编号:1007-2276(2010)03-0414-04Analysis of NETD test for thermal imaging systemAN Cheng-bin, WAN Ying(North China Research Institute of Electro-optics, Beijing 100015, China)Abstract: Two common NETD test methods of test system of thermal imaging machine at home andabroad was summarized. NETD test model was analyzed. Difference of the two methods in dealing withnon-linear video image output was compared. The SitF test method with higher test precision andrepeatability was used as the experimental method. The quite difference phenomenon was analyzed in theNETD test results of the same thermal imaging system (TIS). Based on the effect of automatic gainbrightness, image enhancement, Gamma correction, high frequency filter on NETD test results, thecorresponding test descriptions and solutions were proposed. It provides the effect means for obtainingaccurate and repeatable NETD test resultsKey words: Thermal imaging system; IR test; NETDMRTD测试由人眼观察监视器上的四杆靶完成,测试过程中易受测试人主观因素的影响,必须由经过专业NETD是热成像系统灵敏度的重要客观评价指训练的多名人员进行,因而作为客观测试参数的标,可用于预测小温差点目标的探测距离口,从而实NETD更受到认可现技术指标向战术指标的转化,MRTD是热成像系但是,随着新型热成像系统中视频图像处理方法统灵敏度和分辨率的主观评价标准。NETD与MRTD的引入,同一热成像系统在NETD测试中除受传统的是目前热成像系统最主要的性能评估参数,由于环境、测试系统误差、不同噪声对应的 NETD3 6-71中国煤化工CNMHG收稿日期:200008-18;修订日期:2009-09-08基金项目:武器装备探索预先研究资助项目(7130910)作者简介:安成斌(1974-),男(满族)内蒙古乌兰浩特人,高级工程师,主要从事光电子技术方面的研究。 Email: anchengbin@ sinacom第3期安威斌等:热成像系統的NETD测试分析定义的影响外,还与被测热成像系统自身输出的信号最小二次拟合获得信号传递函数,误差较小,可充分有关。在实际测试中,即使同一次NETD测试,如果不反映不同成像系统的信号传递函数特性。文中的考虑图像处理的非线性影响,都可能获得不同的测试NETD测试中均采用信号传递函数的方式以尽可能结果,从而给NETD测试带来较大的不确定性,导致减少测试系统对测试结果产生的误差。测试结果与系统实际性能的判定产生较大偏差。比较了目前国内实验室常用的两种NETD测试2图像处理对NETD测试的影响方法,通过几款热成像系统在美国I-SITE型红外整传统定义中,NETD只定义探测器和前置级的噪机测试系统中的应用,重点对几种视频图像处理后的声,不考虑其他电路的影响和S具有相同的增益。信号的NETD测试结果进行了分析比较,提出了测试目前,焦平面热成像系统前置级无输出NETD测试过程中的注意事项及可能的解决方案,供热成像系统釆用视频输出,包含了后端处理电路的影响,同时也测试工作者及系统设计人员参考。引入后端电路的非线性处理的影响。1NETD的测试方法热成像系统视频图像处理能力的增强,使设计者不仅提升了产品的技术指标,也完善了产品图像的可NETD是系统观察试验图案时,基准电子滤波器视效果,其中自动增益、自动亮度控制功能能够在场景输出端产生的峰值信号与均方根噪声比为1时试验变化过程中将图像亮度与增益自动调整至适合操作人图形上黑体目标与背景的温差。根据定义NETD的员观看的视觉效果;图像增强的加入尽管加强了画面测试方程为m的颗粒感,但锐化和强化了远距离目标、小目标的观察NETD= AT(1)细节;伽马矫正的引入,能够针对观察人员感兴趣的灰度细节进行调整,突出观察目标;高频滤波可以提升图NeTD=O(2)像观看的视觉效果。上述图像处理的引入在提升产品式中:△T为目标与背景的温差值;S为信号;为均方性能的同时,由于处理算法中对于图像信号的非线性根噪声;STF为信号传递函数。文中主要针对随机噪处理导致了NETD测试出现较大的测量偏差。声高频分量对应的NETD进行分析2.1自动增益、自动亮度的影响目前,国内使用的热成像系统整机测试设备主要目前,多数热成像系统中的图像处理都加入自动为美国SBR、 Optikos、EOI公司,法国HGH公司,以增益、自动亮度控制功能,导致视频图像在观测目标色列公司的测试产品,根据NETD测试方程,上述辐射量发生较大变化时响应图像的平均亮度保持在公司测试产品测试NETD的方法有两种:(1)利用半设定水平。在测试过程中,该变化带来了信号传递函圆靶,通过黑体与靶标的温差获得S,利用靶标或黑数测试的非线性化,如图1(a)所示,从而引起NETD体的选定区域获得,利用黑体的显示温差获得△T,测量误差。因此,在该情况下,首先应关闭自动增益通过公式(1)得到NETD;(2)利用黑体的温度变化自动亮度功能如果上述功能无法消除,那么应通过获得温差信号S与温差MT的曲线关系STF,在选取必要的测试手段尽可能减少上述影响温度的线性区域获得σ,通过公式(2)得到NETD。在实际的图像处理中,电平、增益的变化随目标方法(1)由于只采用一组温差值测试NETD,测试信号而变化如果目标信号变化范围越大,图像亮度、速度快,但受环境因素、设备自身影响,测试误差较增益的变化也越大。因此可以通过减小目标信号的大,当黑体零点发生偏移时,动态范围小的系统易产变化程度获得稳定的增益与亮度。实验表明:靶标尺生偏差,同时无法准确获知系统是否处于线性区域寸对信号变化程度有一定的影响,对一组不同尺寸的内,更无法获知不同温度点信号传递函数的非线性信靶标测试甘中聊标尺寸约占热像仪息。由于该方法操作简单、快捷,对于线性输出的热成60个中国煤化信号传递函数测像系统,信号影响相对较少,目前也有不少用户。方法试如CNMHG像仪15个DAS的(2)尽管测试时间较长,但由于采用多组温差值通过信号传递函数测试,如图1(b)所示416红外与激光工程第39卷8884315%左右,观看实际景物时,观察人员一致认为加人图像增强功能后图像效果更佳。因此,在加入图像增强的热成像系统中,应该慎用NETD值作为评价标准。23伽马矫正的影响伽马矫正对图像信号的影响如图2所示,当y<1154728-3.000时(y=1时为线性,此为y归一化以后的值),增加相同Temperature difference/C的温差,较低灰度级的信号放大倍数大于较高灰度级(a)大靶标SiTF信号;而当γ>1时,较低灰度级的信号放大倍数小于(a)SiTF of big targe较高灰度级信号。ottom162.8823.0006.000Temperature difference/C(b)小靶标的STF图2不同γ值的灰度级变化差异(b) sitF of small targetFig 2 Gray change with different y value图1不同尺寸靶标的SiTF变化Fig. I SiTF change with the target of different size此,利用半圆靶采取单点测试的方法将因选取温差范围的不同而产生不同的△T/S的测试结果及a实验证明:采用较小的测试靶标可以有效地抑制测试值,NETD测试结果将随测试选取温差点的变化自动电平、自动增益在背景图像发生变化时对信号传而变化。采用信号传递函数的测试方式通过对曲线递函数的影响,获得较为准确的NEID测试值。线性拟合获取该测试值,但该值并非系统探测器产生22图像增强的影响的实际值,同时,σ值的测量也受温差选取点的影响在实际NETD的测试中,有时会出现测试结果与从而导致NETD测试的不确定性估算值差别较大,同时图像画面颗粒感较重的现象。图3为某型热像仪在不同y值时信号传递函数的此时,设计人员会告知在设计中采用了图像增强算492932法。表1是对某型中波凝视热成像系统的NETD测试数据,表中数据说明:图像增强并不影响信号传递函数测试,但是,明显增大了高频时空噪声(随机噪声)的测试值,从而引起NETD的巨大变化,前后NETD(a)测试值相差超过1倍。1196103.000因此,首先应要求设计人员关闭图像增强功能Temperature difference/C如果该功能无法关闭,考虑到在MRTD测试中,加入142.472图像增强的热成像系统指标测试比未加入前提升了表1图像增强对NETD测试值的影响Tab 1 NETD value with different image enhanced3D noise NETD中国煤化工counts/'cCN MHGncerCImage enhanced图3不同y值的SiTF变化No image enhanced147.62.95Fig. 3 SitF change with different y value第3期安成斌等:热成像系统的NETD测试分析417测试结果,图(a)为y=2,图(b)为y=15,y=8时为线性。行分析,对于信号传递函数、NETD、噪声测试异常的表2为y=2时,3个温差范围的NETD测试值。情况应进行详细分析,并根据系统自身特性制定适合测试结果表明:在不同温差范围内取值,NEID测试的测试方法与评估标准。结果差异较大。参考文献:表2温差范围对NETD测试值的影响Tab 2 Temperature difference range vs NETD value[1] WANG Xiao-jian, LIU Yang, CHEN Lei, et al. DiscussionNETDon the operation range of the infrared imaging system fornce/Cmts/Cpoint target expressed by NETD and AT []. Infrared andLaser Engineering(王晓剑,刘扬,陈曹,等,基于NETD和0.2-031.36852ΔT红外点源目标作用距离方程的讨论,红外与激光工程)03-08l.5342008,37(S2):493-4950.81.31.587[2] ZHAO Miao juan, CHE Hong. Analysis of the efficientdistance of o-E system for military [J]. Infrared and Laser因此,在上述情况下应要求设计人员将伽马矫正Engineering(赵妙娟,车宏.军用光电系统作用距离分析.红外与激光工程),2008,37(S2):501-503.调整至线性状态,使信号传递函数有一个较好的线性wAY, an Cheng-bi. Analysis on detection曲线以获取正确的NETD测试结果thermal imaging system for point target [J]. Laser Infrared2.4高频滤波的影响万英,安成斌,热成像系统点目标探测距离分析,激光与红在NETD的定义中,NETD使用的是通过基准滤外),2007,37(2):134-136波器输出端产生的峰值信号与噪声I,因此,被测热{4] LI Xu dong, HU Tie-li, YUE Wen-long,eal. Research of成像系统输出的视频信号也应满足该要求。the SiTF measurement for thermal imaging systems [J]在实际测试中,采用高频滤波后的视频信号尽管Applied Optics(李旭东,胡铁力,岳文龙,等.红外热像仪降低了图像的噪声均方根,在视频端测试的NETD值STF的测试研究,应用光学),2005,26(5):21-24优于探测器的出厂值,但由于该视频信号带宽小于基5 ANG Gui如, LAN Tian, NI Guo qiang, Important准滤波器带宽,该值并不满足NETD的基本测试条parameters and testing methods of performance evaluation of件,所测试的NETD值是不真实的。因此,此种情况下thermal infrared imaging system J). Infrared and LaserEngineering(姜贵彬,蓝天,倪国强.红外热成像系统评价应慎用NETD作为性能评价参数。的重要参数及测试方法.红外与激光工程),20037(2):同时,使用此种滤波有可能降低热成像系统470-473MRTD的测试结果,降低系统分辨能力,因而,在实际1 HU Min, MA Dong-mei, LI Hong-zhuan,ed.mh测试中,应记录NETD与MRTD的测试结果以供系noise model of the staring image system []. Laser统使用人员参考,同时,设计人员也应综合考虑滤波Infrared(胡明鹏,马冬梅,李宏壮,等.凝视型热成像系统噪对系统性能的影响,进行滤波处理时应考虑基准滤波声模型研究.激光与红外),207,37(9):863-866.器带宽的影响。[7] HOLST G C. Testing and EvalSystems [M]. Winte Park, FL: JCD Publishing: Beijingham3结论WA: SPIE Optical Engineering Press, 1998.[8] HU Tie -li, FENG Zhuo xiang, LI Xu dong, et al. ModelingNETD作为表征热成像系统的重要参数,在测试过程中受众多因素影响,文中重点分析了几种图像处Infrared and Laser Engineering(胡铁力,冯卓样,李旭东,理对测试结果的影响,为获得准确的NETD测量结果外热像仪时间嗓声测量技术研究.红外与激光工程),提供了有效手段。中国煤化工文中仅提及了几种常见图像处理算法对NETD19CN Gg System Performance的非线性影响,在实际测试中应针对不同测试情况进[M]. winter Park, FL: JCD Publishing, 1995: 362-382