CN110095192B - 一种红外热像仪综合性能参数测试系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外热像仪综合性能参数测试系统及其方法，包括面源黑体、旋转靶标轮、平面反射镜、离轴抛物面镜、高精密旋转台、上位机，待测红外热像仪放置在高精密旋转台上，该高精密旋转台放置在离轴抛物面镜的正前方，高精密旋转台通过控制器精确控制旋转角度准确测量红外热像仪的MRTD、NETD和视场。本发明解决面源黑体温差的控制精度、稳定性和响应时间的问题，使红外热像仪中MRTD、NETD和视场性能参数能够在同一个系统中测试，并优化了测试过程。
Description
技术领域
本发明属于红外测试技术领域，特别是一种红外热像仪综合性能参数测试系统及其测试方法。
背景技术
红外热像仪的应用扩展了人类对光谱波段的感知范围。红外热像仪可以用于军事和民用工业。其中军事方面主要用于航空航天、武器观瞄、火控与制导等，民用工业方面主要是生产监控、设备检测、安防和监控等。对红外热像仪研发生产的同时，建立完善的红外热像仪综合性能参数测试系统非常重要，尤其是其中MRTD(最小可分辨温差)、NETD(噪声等效温差)和视场参数的测量。MRTD是综合评价红外热像仪温度分辨力和空间分辨力的重要参数，它不仅包含系统特征，也包含观察者的主观因素；NETD用温差的方式衡量了红外热像仪的噪声大小；视场反映了红外热像仪的可观测范围，可观测范围越大，同一视野内可探测的目标越多。
因红外热像仪在军事应用上一般观察远距离目标，常规的测试装置主要由平行光管、面源黑体、目标靶、测试软件等构成。在测试过程中，MRTD、NETD的测试都需要严格精确的温差辐射，温差指面源黑体的温度与环境温度的差值，该差值的稳定性对测试结果有较大的影响，需要时刻保证温差的准确性和稳定性。MRTD的主观测量通常采用多名通过专门训练过的观察员(3人以上)进行独立观察四杆靶图像，取多次测量的平均值。测试方法一般是在确定空间频率f下，超过半数的人认为四杆靶有75％的分辨概率时的温差则为此空间频率f下的最小可分辨温差。这种测试方法需要频繁调整温差值，温差值的响应速度和稳定性直接影响了测试时间和测试精度。
在国标GB/T 17444-2013中NETD的测试中计算参数使用的是电压值。电压值反映的是红外热像仪焦平面的特性，没有考虑到后端数字化集成后的响应，且电压值测试复杂，采样麻烦，测试步骤繁琐。红外热像仪的最终输出是灰度图，所有参数的好坏最终反映在输出灰度上，NETD的测试需要结合输出灰度。NETD的测试结合输出灰度可以解决传统的NETD测试不能完整反映热像仪整机性能的问题。
传统的视场测试方法使用的是成像目标测试板，在测试板上有不同直径的同心圆，根据同心圆覆盖热像仪视场的不同位置和和距离关系可以计算出视场角度。该方法测试视场角的精度局限在同心圆刻线的密度和测试板的摆放位置，本系统通过优化测试方法可以解决传统视场测试步骤复杂、测试精度低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红外热像仪综合性能参数测试系统及测试方法，解决面源黑体温差的控制精度、稳定性和响应时间的问题，使红外热像仪中MRTD、NETD和视场性能参数能够在同一个系统中测试，并优化了测试过程。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种红外热像仪综合性能参数测试系统及其方法，包括面源黑体、旋转靶标轮、平面反射镜、离轴抛物面镜、高精密旋转台、上位机，通过控制旋转靶标轮的旋转即可更换对应靶标，测量时的旋转靶标轮上的靶标位于离轴抛物面镜的焦平面处，靶标图像通过离轴抛物面镜的反射形成平行光图像，用以模拟无穷远处的目标；平面反射镜用于折返离轴抛物面镜的光路；离轴抛物面镜与平面反射镜组成平行光管，面源黑体放置在旋转靶标轮后面，向靶标提供热辐射，面源黑体的温度与环境温度的温差由上位机控制；待测红外热像仪放置在高精密旋转台上，该高精密旋转台放置在离轴抛物面镜的正前方，高精密旋转台通过控制器精确控制旋转角度准确测量红外热像仪的MRTD、NETD和视场。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)设计了基于离轴反射式平行光管的测试系统；面源黑体的控制增加了零位校准功能，实时校准黑体温度与环境温度的一致性，保证了温差的控制精度和稳定性。传统的温差极易受到环境温度的影响，零位校准功能实时补偿黑体温度与环境温度的差值，可以保证温差的精度在10mk，满足测试要求。零位校准保证了MRTD参数测试的稳定性和测试精度。(2)NETD参数的测试计算采用的是经热像仪输出的灰度值，直观反应了红外热像仪的输出特性，在上位机中增加了去除时间噪声的算法，去除了时间噪声对NETD的影响。在传统的NETD测试过程中，采样电压值并记录计算需要数十分钟的时间，在本发明中直接在上位机中根据热像仪输出的灰度值计算NETD，测试时间不到一分钟，测试过程方便迅速。(3)在视场的测试过程中使用十字靶替换了传统的成像目标测试靶，十字靶图像经平行光管后形成无穷远目标由红外热像仪接收，红外热像仪固定在高精密旋转台上，依靠高精度旋转台的旋转角度值来保证视场角的精度。传统的视场测试精度一般在0.01°，本发明中高精度旋转台的分辨率可到0.0002°，意味着本发明视场的精度比传统方法高了两个数量级。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为红外热像仪综合参数测试系统原理图。
具体实施方式
结合图1，本发明红外热像仪综合性能参数测试系统，可以测试MRTD、NETD和视场三个关键参数，包括面源黑体1、旋转靶标轮2、平面反射镜3、离轴抛物面镜4、高精密旋转台5、上位机7，所述旋转靶标轮2上共有八个靶位，其中两个靶位分别放置半圆靶与十字靶，其余靶位放置不同频率的四杆靶，通过控制旋转靶标轮2的旋转即可更换对应靶标，测量时的旋转靶标轮2上的靶标位于离轴抛物面镜4的焦平面处，根据成像原理，靶标图像通过离轴抛物面镜4的反射形成平行光图像，用以模拟无穷远处的目标；平面反射镜3用于折返离轴抛物面镜4的光路，使离轴抛物面镜4的焦平面位置翻转90度，与离轴抛物面镜4反射出的平行光垂直，使离轴抛物面镜4的焦平面处的旋转靶标轮2不遮挡平行光且易于放置；离轴抛物面镜4与平面反射镜3组成平行光管，面源黑体1放置在旋转靶标轮2后面，向靶标提供热辐射，面源黑体1的温度与环境温度的温差由上位机7控制；待测红外热像仪6放置在高精密旋转台5上，该高精密旋转台5放置在离轴抛物面镜4的正前方，高精密旋转台5由两个水平旋转位移台组成，一个水平放置、一个竖直放置，分别控制红外热像仪6的水平旋转和垂直旋转，高精密旋转台5通过控制器精确控制旋转角度准确测量红外热像仪6的MRTD、NETD和视场；上位机7通过模拟采集卡(可以采用Full HD 1080p全高清图像采集卡HDV62)与红外热像仪6连接，实现图像采集和处理。上位机7中的控制测试软件由Labview软件编写，集成了零位标定等功能，可以完成红外热像仪参数中MRTD、NETD和视场的测量。
面源黑体1的有效口径为50mm，控制精度为0.01℃。靶标轮2上共有8个孔位，方便切换不同类型靶标，复位精度优于40umrad。离轴抛物面镜4的有效口径为150mm，焦距为1500mm；平面反射镜3的有效口径为120mm。高精密旋转台5由控制器控制，传动比为180:1，分辨率为0.0002°，确保了视场角度的精确测量。
本发明利用上述的系统测试红外热像仪综合性能参数的方法，红外热像仪性能参数MRTD的测试步骤如下：
步骤1，使用零位标定的方法使面源黑体1的温度与环境温度保持严格一致，具体是通过控制旋转靶标轮2使特定频率(使用者感兴趣的测试频率，在红外热像仪6的奈奎斯特频率附近)的四杆靶旋转至工作靶位处，面源黑体1照射四杆靶，四杆靶图像经由离轴抛物面镜4和平面反射镜3组成的平行光管反射形成无穷远处目标由红外热像仪6接收；调节水平和垂直放置的高精密旋转台5，使四杆靶图像在红外热像仪6视场的正中间，微调面源黑体1温度，使红外热像仪6的输出灰度图均匀，看不到四杆靶图像，则认为此刻温度为零位温度，在零位温度的基础上，高于零位温度则为正温差，低于零位温度则为负温差；零位标定在图像分辨上严格保证温差的准确性，可实时重复标定，保证温差在时间上的一致性。
步骤2，此时特定频率的四杆靶位于平行光管的焦平面处，面源黑体1的辐射照射在四杆靶上，四杆靶图像经平行光管形成无穷远图像由红外热像仪6接收，该红外热像仪6观察到的是温差图像，调节面源黑体1的温度与环境温度的温差，将温差调至大于1℃，观察四杆靶图像是否清晰，是否清晰的判断标准为是否完整的分辨出四杆靶图像中的四条竖条纹，若无法完整分辨出四杆靶图像中的四条竖条纹，则通过旋转红外热像仪6上的镜头来对焦，直至四杆靶图像清晰。
步骤3，使温差开始缓慢降低，控制面源黑体1和零位标定来保证降低的精度和速度，温差降低的步长为0.01℃，由面源黑体1内部冷热循环系统保证在5秒内即可完成一个步长的温差降低，控制精度由面源黑体中测量环境温度与面源黑体本身温度的传感器保证，传感器类型为铂电阻，精度可以达到0.002℃，此时有3～4人独立观察四杆靶图像，当超过半数的人认为四杆靶仅有75％的识别概率时，记录此时的温差为△T1，此时的温差为正值；
步骤4，将温差调至低于-1℃，使温差开始缓慢升高，同样由3～4人独立观察四杆靶图像，当超过半数的人认为四杆靶仅有75％的识别概率时，记录此时的温差为△T2，此时的温差为负值；根据公式1)，计算出MRTD值，消除了正负温差对红外热像仪的影响：
步骤5，重复步骤2和步骤3三次，得到三个MRTD值，取其平均值为该频率下的MRTD值。
本发明利用上述的系统测试红外热像仪综合性能参数的方法，红外热像仪性能参数NETD的测试步骤如下：
步骤1，使用零位标定的方法使面源黑体1的温度与环境温度保持严格一致，具体是通过控制旋转靶标轮2使半月靶旋转至工作靶位处，面源黑体1照射半月靶，半月靶图像经由离轴抛物面镜4和平面反射镜3组成的平行光管反射形成无穷远处目标由红外热像仪6接收，调节水平和垂直放置的高精密旋转台5，使半月靶图像在红外热像仪6视场的正中间；微调面源黑体1温度，使红外热像仪6的输出灰度图均匀，看不到半月靶图像，则认为此刻温度为零位温度，在零位温度的基础上，高于零位温度则为正温差，低于零位温度则为负温差；零位标定在图像分辨上严格保证了温差的准确性，可实时重复标定，保证温差在时间上的一致性。
步骤2，此时半月靶位于平行光管的焦平面处，面源黑体1照射到半月靶上，半月靶图像经平行光管形成无穷远目标由红外热像仪6接收，半月靶镂空部分反映的是面源黑体1温度，遮挡部分反映的是环境温度；将面源黑体1的温度与环境温度的温差调为正温差△T，△T≥1℃，利用上位机7对红外热像仪6接收的半圆靶图像进行保存，保存的图像为灰度图，保存图像的数目一般大于100张。
步骤3，对保存的100多张图像取平均值得到最终的计算图像，对保存的100多张图像取平均值可以消除空间噪声，提高测试精度。在最终的计算图像中，半月靶镂空部分图像反映的是面源黑体1的温度，称之为是目标图像；半月靶遮挡部分图像反映的是环境温度，称之为背景图像；根据公式2)计算得到背景图像的均方根值为RMS1，目标图像的均方根值为RMS2，公式中Xi，j为图像灰度值，m*n为图像大小；根据公式3)计算得到背景图像的均方根噪声RMSE，公式中Xi，j为图像灰度值，RMS为该图像的均方根值；将RMS1、RMS2和RMSE带入公式4)即可求出红外热像仪的NETD，公式4)中ΔT为步骤2中设置的正温差值。该测试过程省略了红外热像仪的电压值采样，直接对红外热像仪的输出灰度图进行计算，计算过程根据公式2)、公式3)、公式4)计算过程在上位机7中完成，得到的NETD值真实反映了红外热像仪的噪声水平：
本发明利用上述的系统测试红外热像仪综合性能参数的方法，红外热像仪性能参数视场的测试步骤如下：
步骤1，使用零位标定的方法使面源黑体1的温度与环境温度保持严格一致，通过控制旋转靶标轮2使十字靶旋转至工作靶位处，面源黑体1照射十字靶，十字靶图像经由离轴抛物面镜4和平面反射镜3组成的平行光管反射形成无穷远处目标由红外热像仪6接收，调节水平和垂直放置的高精密旋转台5，使十字靶图像在红外热像仪6视场的正中间，微调面源黑体1的温度，使红外热像仪6的输出灰度图均匀，看不到十字靶图像，则认为此刻温度为零位温度，在零位温度的基础上，高于零位温度则为正温差，低于零位温度则为负温差；零位标定在图像分辨上严格保证了温差的准确性，可实时重复标定，保证温差在时间上的一致性。
步骤2，此时十字靶位于平行光管的焦平面处，设置面源黑体1的温度与环境温度的温差大于1℃，十字靶图像经平行光管形成无穷远目标由红外热像仪6接收，将十字靶图像在红外热像仪6视场的正中间位置作为高精密旋转台5视场测试的零位位置。
步骤3，测试水平视场角：从零位位置开始，调节水平放置的高精密旋转台5向左转动(此时测试人员面对的方向与红外热像仪的观察方向是一致的，向左转动即向测试人员的左手方向转动)，使十字靶位于红外热像仪6视场的右边缘，将此时的水平放置的高精密旋转台5的位置标定为起始位置，然后反向水平转动水平放置的高精密旋转台5至十字靶图案位于红外热像仪6视场的左边缘，记录水平放置的高精密旋转台5从起始位置到此刻的转动角度
即为红外热像仪6的水平视场角。
步骤4，测试垂直视场角：从零位位置开始，调节垂直放置的高精密旋转台5向下转动，使十字靶位于红外热像仪6视场的上边缘，将此时的垂直放置的高精密旋转台5的位置标定为起始位置，然后反向俯仰转动垂直放置的高精密旋转台5至十字靶图案位于红外热像仪6视场的下边缘，记录垂直放置的高精密旋转台5从起始位置到此刻的转动角度
即为红外热像仪的垂直视场角，即通过步骤3与步骤4共同完成了红外热像仪6的视场测试。
利用本发明红外热像仪综合性能参数测试系统对国营559厂的自产红外热像仪的综合性能参数按照上述方法进行测试。MRTD参数的测试使用空间频率为1.0cyc/mard的四杆靶，观察人员为4人，测试时间为6分钟，MRTD测试结果为350mk，与实际结果360mk相吻合；NETD的参数测试共花费2分钟，测试结果为90mk，与实际结果86mk相吻合；视场参数测试共花费2分钟，测试结果为水平视场10.25°、垂直视场为8.55°，精确到了0.01°。
Claims (3)
1.一种测试红外热像仪综合性能参数的方法，其特征在于红外热像仪性能参数MRTD的测试步骤如下：
步骤1，使用零位标定的方法使面源黑体(1)的温度与环境温度一致，控制旋转靶标轮(2)使特定频率的四杆靶旋转至工作靶位处，面源黑体(1)照射四杆靶，四杆靶图像经由离轴抛物面镜(4)和平面反射镜(3)组成的平行光管反射形成无穷远处目标由红外热像仪(6)接收；调节水平和垂直放置的高精密旋转台(5)，使四杆靶图像在红外热像仪(6)视场的正中间，微调面源黑体(1)温度，使红外热像仪(6)的输出灰度图均匀，看不到四杆靶图像，则认为此刻温度为零位温度，在零位温度的基础上，高于零位温度则为正温差，低于零位温度则为负温差；零位标定在图像分辨上保证温差的准确性，实时重复标定，保证温差在时间上的一致性，所述旋转靶标轮(2)上共有八个靶位，其中两个靶位分别放置半圆靶与十字靶，其余靶位放置不同频率的四杆靶，通过控制旋转靶标轮(2)的旋转即可更换对应靶标；
步骤2，此时特定频率的四杆靶位于平行光管的焦平面处，面源黑体(1)的辐射照射在四杆靶上，四杆靶图像经平行光管形成无穷远图像由红外热像仪(6)接收，该红外热像仪(6)观察到的是温差图像，调节面源黑体(1)的温度与环境温度的温差，将温差调至大于1℃，观察四杆靶图像是否清晰，清晰的判断标准为是否完整的分辨出四杆靶图像中的四条竖条纹，若无法完整分辨出四杆靶图像中的四条竖条纹，则通过旋转红外热像仪(6)上的镜头来对焦，直至四杆靶图像清晰；
步骤3，使温差开始缓慢降低，控制面源黑体(1)和零位标定来保证降低的精度和速度，温差降低的步长为0.01℃，由面源黑体(1)内部冷热循环系统完成一个步长的温差降低，控制精度由面源黑体(1)中测量环境温度与面源黑体(1)本身温度的传感器保证，传感器类型为铂电阻，精度达到0.002℃，此时有3～4人独立观察四杆靶图像，当超过半数的人认为四杆靶仅有75％的识别概率时，记录此时的温差为△T1，此时的温差为正值；
步骤4，将温差调至低于-1℃，使温差开始缓慢升高，同样由3～4人独立观察四杆靶图像，当超过半数的人认为四杆靶仅有75％的识别概率时，记录此时的温差为△T2，此时的温差为负值；根据公式1)，计算出MRTD值，消除了正负温差对红外热像仪的影响：
步骤5，重复步骤2和步骤3三次，得到三个MRTD值，取其平均值为该频率下的MRTD值。
2.一种测试红外热像仪综合性能参数的方法，其特征在于红外热像仪性能参数NETD的测试步骤如下：
步骤1，使用零位标定的方法使面源黑体(1)的温度与环境温度一致，控制旋转靶标轮(2)使半圆靶旋转至工作靶位处，面源黑体(1)照射半圆靶，半圆靶图像经由离轴抛物面镜(4)和平面反射镜(3)组成的平行光管反射形成无穷远处目标由红外热像仪(6)接收，调节水平和垂直放置的高精密旋转台(5)，使半圆靶图像在红外热像仪(6)视场的正中间；微调面源黑体(1)温度，使红外热像仪(6)的输出灰度图均匀，看不到半圆靶图像，则认为此刻温度为零位温度，在零位温度的基础上，高于零位温度则为正温差，低于零位温度则为负温差；零位标定在图像分辨上保证了温差的准确性，实时重复标定，保证温差在时间上的一致性；
步骤2，此时半圆靶位于平行光管的焦平面处，面源黑体(1)照射到半圆靶上，半圆靶图像经平行光管形成无穷远目标由红外热像仪(6)接收，半圆靶镂空部分反映的是面源黑体(1)温度，遮挡部分反映的是环境温度；将面源黑体(1)的温度与环境温度的温差调为正温差△T，△T≥1℃，利用上位机(7)对红外热像仪(6)接收的半圆靶图像进行保存，保存的图像为灰度图，保存图像的数目大于100张；
步骤3，对保存的图像取平均值得到最终的计算图像，在最终的计算图像中，半圆靶镂空部分图像反映的是面源黑体(1)的温度，称之为是目标图像；半圆靶遮挡部分图像反映的是环境温度，称之为背景图像；根据公式2)计算得到背景图像的均方根值为RMS1，目标图像的均方根值为RMS2，公式中Xi，j为图像灰度值，m*n为图像大小；根据公式3)计算得到背景图像的均方根噪声RMSE，公式中Xi，j为图像灰度值，RMS为该图像的均方根值；将RMS1、RMS2和RMSE 带入公式4)即可求出红外热像仪的NETD，公式4)中ΔT为步骤2中设置的正温差值，计算过程在上位机（ 7） 中完成，得到的NETD值真实反映了红外热像仪的噪声水平：
3.一种测试红外热像仪综合性能参数的方法，其特征在于红外热像仪性能参数视场的测试步骤如下：
步骤1，使用零位标定的方法使面源黑体(1)的温度与环境温度一致，控制旋转靶标轮(2)使十字靶旋转至工作靶位处，面源黑体(1)照射十字靶，十字靶图像经由离轴抛物面镜(4)和平面反射镜(3)组成的平行光管反射形成无穷远处目标由红外热像仪(6)接收，调节水平和垂直放置的高精密旋转台(5)，使十字靶图像在红外热像仪(6)视场的正中间，微调面源黑体(1)的温度，使红外热像仪(6)的输出灰度图均匀，看不到十字靶图像，则认为此刻温度为零位温度，在零位温度的基础上，高于零位温度则为正温差，低于零位温度则为负温差；零位标定在图像分辨上保证了温差的准确性，实时重复标定，保证温差在时间上的一致性；
步骤2，此时十字靶位于平行光管的焦平面处，设置面源黑体(1)的温度与环境温度的温差大于1℃，十字靶图像经平行光管形成无穷远目标由红外热像仪(6)接收，将十字靶图像在红外热像仪(6)视场的正中间位置作为高精密旋转台(5)视场测试的零位位置；
步骤3，测试水平视场角：从零位位置开始，调节水平放置的高精密旋转台(5)向左转动，使十字靶位于红外热像仪(6)视场的右边缘，将此时的水平放置的高精密旋转台(5)的位置标定为起始位置，然后反向水平转动水平放置的高精密旋转台(5)至十字靶图案位于红外热像仪(6)视场的左边缘，记录水平放置的高精密旋转台(5)从起始位置到此刻的转动角度
即为红外热像仪(6)的水平视场角；
步骤4，测试垂直视场角：从零位位置开始，调节垂直放置的高精密旋转台(5)向下转动，使十字靶位于红外热像仪(6)视场的上边缘，将此时的垂直放置的高精密旋转台(5)的位置标定为起始位置，然后反向俯仰转动垂直放置的高精密旋转台(5)至十字靶图案位于红外热像仪(6)视场的下边缘，记录垂直放置的高精密旋转台(5)从起始位置到此刻的转动角度
即为红外热像仪的垂直视场角。
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