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1、红外成像系统的综合特性本讲稿第一页，共二十三页红外成像系统性能的综合量度指标红外成像系统性能的综合量度指标 空间分辨率空间分辨率、温度分辨率。温度分辨率。空间分辨率空间分辨率调制传递函数（调制传递函数（MTF）温度分辨率温度分辨率噪声等效温差（噪声等效温差（NETD）最小可分辨温差（最小可分辨温差（MRTD）最小可探测温差（最小可探测温差（MDTD）本讲稿第二页，共二十三页一、调制传递函数（一、调制传递函数（MTF）1.基本概念基本概念 红外成像系统可以看作是一个红外成像系统可以看作是一个低通线性滤波低通线性滤波器器，给红外成像系统输入一个正弦信号（即给，给红外成像系统输入一个正弦信号（即给出
2、一个光强正弦分布的目标），输出仍然是同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。降低，位相发生移动。本讲稿第三页，共二十三页 对比降低的程度和位相移动的大小是空间频率的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函数，被称为红外成像系统的对比对比(调制调制)传递函数传递函数（MTF）和和位相传递函数（位相传递函数（PTF）。这这个个函函数数的的具具体体形形式式则则完完全全由由红红外外成成像像系系
3、统统的的成成像像性性能能所所决决定定，因因此此传传递递函函数数客客观观地地反反映映了了成成像像系系统统的的成成像像质质量量，红红外外成成像像系系统统存存在在一一个个截截止止频频率率，对对这这个个频率，正弦目标的像的对比降低到频率，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。和信息衰减。本讲稿第四页，共二十三页 通常所谓的分辩率，是将物体结构分解通常所谓的分辩率，是将物体结构分解为线或点，这只是分解物体方法的一种。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，另一种方法是将物体结构分解
4、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。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。构频率的反应：透过特性、对比变化和位相推移。本讲稿第五页，共二十三页 空空间间频频率率定定义义为为周周期期量量在在单单位位空空间间上上变变化化的的周周期期数。数。本讲稿第六页，共二十三页本讲稿第七页，共二十三页本讲稿第八页，共二十三页2.红外成像过程中各个环节的调制传递函数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，根据线性红外成像系统模型如
5、前所述，根据线性滤波理论，滤波理论，对于由一系列具有一定频率特性（空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，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。系统的传递函数。本讲稿第九页，共二十三页（1）光学系统的调制传递函数）光学系统的调制传递函数MTF0（2）探测器的）探测器的MTFd（3）电子线路的）电子线路的MTFe（4)显示器的显示器的MTFm（5）大气扰动的）大气扰动的MTFom（6）人眼调制传递函数）人眼调制传递函数MTFeye 本讲稿第十页，共二
6、十三页 人眼能发现的能量起伏为人眼能发现的能量起伏为0.050.05，即最大能量为，即最大能量为1 1，最低能量是，最低能量是0.950.95时也能发现，所以时也能发现，所以人眼能接收人眼能接收感知的极限调制度为感知的极限调制度为0.0260.026，目视仪器各个环节的，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。传递函数值可以以此作为考虑的出发点。（7 7）系统的传递函数）系统的传递函数MTFMTF红外成像系统总的传递函数为各分系统传递函红外成像系统总的传递函数为各分系统传递函数的乘积：数的乘积：本讲稿第十一页，共二十三页二、噪声等效温差（二、噪声等效温差（NETD）1.NETD的
7、定义的定义 用红外成像系统观察标准试验图案，当红外成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像系统输出端产生的峰值信号与均方根噪声电压之比为比为1时的目标与背景之间的温差，称为噪声等效时的目标与背景之间的温差，称为噪声等效温差温差(NETD)。NETD是表征红外成像系统受客观信噪比限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。制的温度分辨率的一种量度。本讲稿第十二页，共二十三页NETD测试图案测试图案本讲稿第十三页，共二十三页2.NETD的表达式及物理意义的表达式及物理意义 假设目标与背景都是朗伯辐射体，先求出红假设目标与背景都是朗伯辐
8、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，由定义可得而求得信号电压的变化量及信噪比，由定义可得到到NETD的表达式。的表达式。本讲稿第十四页，共二十三页对单元探测器光机扫描方式，其对单元探测器光机扫描方式，其NETD表达式表达式为：为：本讲稿第十五页，共二十三页本讲稿第十六页，共二十三页NETD的局限性：的局限性：（1）NETD反反映映的的是是客客观观信信噪噪比比限限制制的的温温度度分分辨辨率率，没有考虑视觉特性的影响。没有
9、考虑视觉特性的影响。（2）单单纯纯追追求求低低的的NETD值值并并不不意意味味着着一一定定有有很很好好的的系系统统性性能能。例例如如，增增大大工工作作波波段段的的宽宽度度，显显然然会会使使NETD减减小小。但但在在实实际际应应用用场场合合，可可能能会会由由于于所所接接收收的的日日光光反反射射成成分分的的增增加加，使使系系统统测测出出的的温温度度与与真真实实温温度度的的差差异异增增大大。表表明明NETD公公式式未未能能保保证证与与系统实际性能的一致性。系统实际性能的一致性。本讲稿第十七页，共二十三页（3 3）NETDNETD反反映映的的是是系系统统对对低低频频景景物物（均均匀匀大大目目标标）的的
10、温温度度分分辨辨率率，不不能能表表征征系系统统用用于于观观测测较较高空间频率景物时的温度分辨性能。高空间频率景物时的温度分辨性能。NETDNETD具具有有概概念念明明确确、测测量量容容易易的的优优点点，在在系系统统设设计计阶阶段段，采采用用NETDNETD作作为为对对系系统统诸诸参参数数进进行行选选择择的的权权衡标准是有用的。衡标准是有用的。本讲稿第十八页，共二十三页三、最小可分辨温差（三、最小可分辨温差（MRTD）MRTD是是景景物物空空间间频频率率的的函函数数，是是表表征征系系统统受受视视在信噪比限制的温度分辨率的量度。在信噪比限制的温度分辨率的量度。MRTD的测试图案：的测试图案：本讲稿
11、第十九页，共二十三页 由成像系统对某一组四条带图案成像，调节目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，可得到空间频率的条带图案重复上述测量过程，可得到MRTDMRTD曲线。曲线。本讲稿第二十页，共二十三页MRTD曲线：曲线：本讲稿第二十一页，共二十三页 MRTD综合描述了在噪声中成像时，红外综合描述
12、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。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，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。其不足之处。本讲稿第二十二页，共二十三页四、最小可探测温差（四、最小可探测温差（MDTD）最最小小可可探探测测温温差差MDTD是是将将NETD与与MRTD的的概概念念在在某某些些方方面面作作了了取取舍舍后后而而得得出出的的。具具体体地地说说，MDTD仍仍是是采采用用MRTD的的观观测测方方式式，由由在在显显示示屏屏上上刚刚能能分分辨辨出出目目标标时时所所需需的的目目标标对对背背景景的的温温差差来来定定义义。但但MDTD采采用用的的标标准准图图案案是是位位于于均均匀匀背背景景中中的的单单个个方方形形目目标标，其其尺尺寸寸W可可调调整整，这这是是对对NETD与与MRTD标准图案特点的一种综合。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用来估算点源目标的可探测性是有价值的。值的。本讲稿第二十三页，共二十三页