18外成像系统的综合特性

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1、§4外成像系统的综合特性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

2、的对比传递函数（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

3、义为周期量在单位空间上变化的周期数:6设有亮暗相间的等宽度条纹图案，两相邻条形中心之间距离称为空间周期（mm），的倒数称为空间频率（单位是线对/毫米，即lp/mm）。在红外成像系统中通常用单位弧度中的周期数来表示（c/mrad），若观察点O与图案之间的距离为R（m），则(单位mrad)称为角周期，其倒数即为（角）空间频率:物体的调制度（对比度）定义：光学系统对某一频率的调制传递函数MTF为：62.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

4、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（NET

5、D）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。6NETD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：式中是光学系统的

6、焦距，、是观察视场角，是帧速，是扫描效率，、是瞬时视场角，是入瞳面积，是光学系统的光谱透过率，是探测器的归一化探测度（比探测率），是目标的光谱辐射出射度，—是系统工作波段。NETD、及是表征一个红外成像系统性能的三个主要特征参数，分别反映了系统的温度分辨率、信息传递速率及空间分辨率：这三个特征参数在性能要求上是相互矛盾的，即存在制约关系。NETD的局限性：6（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

7、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

8、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。6MRTD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。MR