红外成像系统的综合特性

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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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:,1,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),2,一、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。,3,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。,4,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。,5,空间频率定义为周期量在单位空间上变化的周期数。,6,2. 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。,7,(1)光学系统的调制传递函数MTF,0,(2)探测器的MTF,d,(3)电子线路的MTF,e,(4) 显示器的MTF,m,(5)大气扰动的MTF,om,(6)人眼调制传递函数MTF,eye,8,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:,9,二、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。,10,NETD测试图案,11,2. 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。,12,对单元探测器光机扫描方式,其NETD表达式为:,13,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。,14,(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。,15,三、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:,16,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。,17,MRTD曲线:,18,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。,19,四、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。,20,
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