红外成像系统NETD参数测试算法及应用研究

噪声等效温差(NETD)是表征红外成像系统灵敏度的关键参数,也是评估红外成像系统性能的重要参数之一,应用广泛。通过对红外成像系统3D噪声、信号传递函数(SiTF)、NETD等参数测试方法、算法和流程研究,给出一种基于视频文件的3D噪声离线对比测试方法和一种SiTF线性区自动判断计算斜率算法,在此基础上针对某型技术保障装备国产化光电检测平台开发了配套应用软件功能模块。实现了通过计算单位均方根噪声所对应的SiTF斜率值,分析得出系统NETD参数值的功能。以某型热像仪为被测对象,开展了测试结果重复性和一致性试验,并与美国Optikos公司I-SITE红外整机测试系统进行了对比测试。实验结果表明开发的NETD参数测试功能模块测试精度和重复性满足设计要求,具有较高实用价值,已进行了工程应用。     

目标红外波段辐射亮度差通用计算方法

在采用NETD计算红外热像仪的探测距离时,需要计算目标在热像仪探测波段范围内的辐射亮度差.提出了一种红外波段目标的辐射亮度差通用计算方法,可提高利用NETD计算热像仪作用距离的准确度.     

一种新的热像仪作用距离表示方法

提出了一种利用噪声等效温差(NETD)计算热像仪作用距离的方法.分析了NETD的定义、表达式及其实际使用意义,建立了用NETD表示的热像仪作用距离方程,算法合理准确,提高了热像仪的利用效率.     

琼斯法定标用双波段红外辐射计的研制和校准

目前野外工作大口径双波段红外经纬仪的外场辐射定标装置普遍采用大面积均匀扩展辐射源,该方法需要两套定标设备,功耗高、便携性能差、研制难度大。为解决这一问题,分析比较了不同定标方法的原理、过程及技术性能,得出琼斯法是对野外环境下工作的大口径红外经纬仪进行辐射定标最佳方案的结论。为此研制了双波段红外辐射计,该辐射计由黑体照明光管和参考辐射计两部分组成,采用牛顿式望远系统及中继光路系统,选用InGaAs和PbSe两款红外探测器分别接收短波红外和中波红外辐射信号,可对短波和中波双波段进行辐射定标。讨论了校准参考辐射计对保证红外经纬仪最终测量精度的必要性,并给出参考辐射计在短波和中波不同的校准方法和校准结果。对校准该辐射计的不确定度进行了分析,短波和中波校准不确定度分别为4.12%和2.35%。     

热像仪空间NETD测量技术

凝视阵列型热像仪的空间噪声制约着热像仪对远距离目标的探测、分辨、跟踪性能。为解决热像仪空间噪声实际测量问题,分析了热像仪的空间噪声测量原理,给出了热像仪基于信号传递函数的空间噪声测量数学模型,介绍了热像仪某一组、某一区域或全部像素如何剔除时间域NETD,再通过统计计算得到其空间NETD的数学模型。对制冷型MCT320256凝视列阵热像仪的SiTF和空间NETD进行测量,当背景黑体温度为5 ℃时,FOV区域中心信号传递函数（SiTF）为27.29 mV/℃,NETD为0.128 ℃,20 ℃时FOV区域中心SiTF为29.03 ℃,NETD为0.121 ℃。测量结果表明:该方法可评估空间噪声对热像仪性能的影响。     

精密红外辐射计测量模块研究北大核心CSCD

红外辐射计用于红外热像仪测试设备的校准。介绍了一种用于红外辐射计的测量模块及方法。设计了采样保持的测量方案,通过参考信号生成采样脉冲,并将采样点设置在每个信号周期的1/4相位处,能显著提高微弱信号的测量能力。对于35℃的黑体辐射信号,通过与现有方案的对比实验,测量信号强度可提高57.6%;在红外热像仪测试设备背景温度为22℃条件下,通过与现有仪器的对比测试,测量信号精度可提升50%以上。     

双通道数字红外辐射计的研究

 针对目前所使用的红外辐射强度测试系统的不足,提出双通道数字红外辐射计的方案,即在同一红外辐射计中设计两套相互独立的红外辐射强度测试通道,在红外辐射产品点火试验测试中,双通道测试同时工作,同时进行数据采集。用研制的双通道数字红外辐射计分别在室温（25℃）和低温（-15℃）条件下进行6次对比试验,结果表明：两系统测试的误差小于5%,双通道数字红外线辐射计两通道之间误差小于5％,原1905A测试系统出现2次漏测,双通道数字红外辐射计无漏测。     

高精度线偏振辐射计数据采集系统设计

根据高精度线偏振辐射计应用需求,设计了基于电容积分法的可见光至短波红外波段偏振辐射计信号采集系统。简要介绍了高精度线偏振辐射计的工作原理,分析其采集系统具有的探测信号动态范围大、采样频率低和探测精度高的特点;建立了基于跨阻放大法和电容积分法的2种放大电路噪声模型,并推导出信噪比公式,采用DDC112的电容积分法放大电路的数据采集系统能够有效减小系统噪声、简化电路设计、提高系统灵活性和系统信噪比;实验测试了系统的动态范围、等效噪声辐亮度、信噪比、稳定性和线偏振度,并进行了外场试验。实验结果表明:该数据采集系统具有较高的响应动态范围,等效噪声辐亮度比较理想,常规气溶胶探测波段信噪比≥127,典型地表探测波段信噪比≥147,仪器稳定性优越,线偏振度测量精度优于0.5%,达到仪器设计指标。     

激光干扰红外成像系统的噪声等效温差及信噪比分析

噪声等效温差(NETD)和信噪比(SNR)是衡量红外成像系统性能的重要指标之一,它与探测器的多种性能参数有关。分析了激光辐照干扰红外探测系统及不同材料类型红外探测器性能参数变化。通过理论定量计算分析,比对YAG激光(波长1.06 μm)干扰前后系统噪声等效温差、信噪比曲线,得到了激光损伤后的NETD比损伤前NETD大2至3个数量级,同时,激光干扰后的信噪比相对激光干扰前信噪比小2个多数量级,进一步推导出激光干扰对红外探测系统的影响。     

红外大气能见度:定义、算法及关键因素分析

通常用大气能见度表征大气对可见光波段的视觉影响程度,但它并不适用于红外波段。鉴于大气能见度的直观特性和红外光电技术的迫切需求,参照可见光大气能见度的定义,依据红外系统对比度阈值,提出了红外大气能见度的概念。根据这里提出的定义和涉及的红外大气透射率的物理过程,分析了决定红外大气能见度的关键大气因素。一般情况下,这些因素是可见光大气能见度、水汽含量、气溶胶类型。建立了红外大气能见度与这些关键参数间的定量关系,计算了噪声等效温差(NETD)为0.05 K对应的3个大气窗口(1.06、3~5、8~12μm)的红外大气能见度。     

大面阵非制冷红外热像仪的噪声等效温差精度分析

分析了采用脉冲偏置电压读出电路的大面阵(320×240)凝视型非制冷焦平面的原理。根据处于脉冲偏置的红外热像仪噪声等效温差的表达式,分析了影响噪声等效温差的几个因素。数值计算表明:脉冲偏置时非制冷焦平面温度升高带来的误差,是影响热像仪噪声等效温差精度的主要因素。     

An approach for the performance analysis of an uncooled infrared bolometer imager

As an approach for analyzing an uncooled infrared bolometer imager, a method is introduced which supposes that a thermal system is built into the infrared radiation detection mechanism. In this analysis, the bi-directional radiation energy flows between two thermal elements are considered and a radiation thermal conductance between them is defined. Based on the values of the radiation thermal conductances and conventional material thermal conductance, an equivalent thermal circuit for a bolometer detector element is extracted. Calculations were carried out using software written in visual C++. The analysis shows a Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) of 50 mK is obtained as a typical value, assuming that no additional noise other than temperature fluctuation noise exists, and that the NETD becomes better as the system time constant built into the equivalent thermal circuit increases.     

红外热像仪参数的双黑体测量装置

对红外热像仪参数双黑体测量装置的工作原理进行了介绍。装置采用双黑体及反射型靶标为温差辐射源，可实现黑体温度温差准直辐射的定期校准和红外热像仪参数测量量值的溯源，也可实现红外热像仪参数的可控性，以及对它进行稳定的、可复现的精确测量。推导出利用红外热像仪参数双黑体测量装置测量信号传递函数SiTF数学模型，分析了红外热像仪参数测量装置的客观因素——仪器常数，针对仪器常数对SiTF测量的影响进行了试验。试验结果表明，仪器常数对红外热像仪SiTF参数测量精度影响较大，并同时影响时域与空域NETD及3D噪声的准确测量。     

自校准多通道红外辐射计的设计与性能测试

为满足遥感器热红外波段自动化观测定标的需求，研制了具有自动化观测能力的自校准多通道红外辐射计。该设备需具有以下特色功能:1）采用电机驱动镀金反射镜的设计，实现0°～90°仰角的大气下行辐射和地表辐亮度的测量，为消除大气下行辐射对反演地表温度的影响提供了技术手段；2）采用滤光轮分光的方法实现了6个光谱通道的自动设置，结合多通道温度与发射率分离算法可以实现场地温度与发射率的分离，为卫星遥感器热红外波段绝对辐射定标提供了2个关键因子；3）采用内置2个控温精度分别优于0.04 K和0.05 K、发射率均高于0.994，稳定性均优于0.0014的黑体实现内部探测器的实时辐射定标，有效地消除了内部背景辐射对辐射测量的影响，定标不确定度小于0.167%。等效测温不确定度为0.2 K（@303 K, 11 μm），为遥感器热红外波段场地自动化定标应用的开展奠定了基础。     

高精度非致冷长波红外热像仪的辐射标定

为使非致冷长波红外热像仪在不同温度下保持较高的测温精度,建立了考虑探测器工作温度效应的非致冷长波红外热像仪的辐射标定模型。对非致冷长波红外热像仪进行辐射标定实验,在不同黑体温度和不同亮度增益值条件下,获得了16组图像灰度与探测器工作温度之间的函数关系,建立了目标温度的数学计算模型,并对定标结果进行了实验验证。结果表明：在25～40℃,探测器的工作温度效应可做线性化处理,且与目标温度无关。通过设定合适的亮度增益值可使红外热像仪的测温误差〈0.5℃,极大地提高了非致冷长波红外热像仪在不同温度环境下的测温精度。     

不同非均匀性校正温度的红外测温技术

为使制冷型中波红外热像仪在不同环境温度下经过非均匀性校正后保持较高的测温精度,研究了考虑非均匀性校正温度效应的中波红外热像仪标定模型。利用不同温度的面源黑体对热像仪进行非均匀性校正,然后对黑体目标进行测温实验,获得了不同校正温度下热像灰度与黑体辐射亮度之间的变化关系,建立了目标的测温数学计算模型,最后对测温结果进行误差分析。结果表明：在不同校正温度下,热像灰度相对非均匀校正辐亮度的漂移可做线性化处理,且与目标温度变化无关。在非均匀性较低的测温范围内热像仪的测温误差小于±0.22 ℃,极大减小了制冷型中波红外热像仪在不同校正温度下非均匀性校正后的测温误差。