CN110470404A - 一种红外热像仪netd与mrtd快速测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种红外热像仪NETD与MRTD快速测试装置及方法，上位机采用脉冲宽度调制技术通过DMD控制器控制DMD芯片中棱镜的开关时间，以改变经DMD芯片反射进入平行光管的辐射信号占空比，通过建立黑体温度与进入平行光管的辐射信号占空比的对应关系，然后通过调整进入平行光管的辐射信号占空比测量得到不同占空比对应的被测红外热像仪的探测器输出信号电压，最后根据测量得到的被测红外热像仪的探测器输出信号电压计算NETD与MRTD；本发明的方法通过控制进入平行光管的辐射信号占空比，改变最终辐射能量，节省了黑体变温过程的等待时间，提高了NETD与MRTD的计算效率。
Description
技术领域
本发明属于红外热像仪测试领域，特别涉及一种红外热像仪NETD与MRTD测试快速检测技术。
背景技术
红外热像仪是一种二维平面成像的红外系统。红外热像仪可以接收、识别和分析事物的红外辐射信号，并转换成电信号输出，从而度量红外辐射的强弱。红外热像仪利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反应到红外探测器的光敏原件上，从而获得红外热像图。红外热像仪在军事、工业、医疗卫生、科学研究及环境检测等领域得到了广泛的应用。
噪声等效温差(NETD)是红外热像仪静态性能的主要参数之一，客观反映热像仪对目标温度的探测灵敏度，可用于预测小温差点目标的探测距离。因此，准确地测量出红外热像仪的噪声等效温差对于评价热像仪的性能，以及指导改进红外热像仪的关键部件，即光电探测器的设计制造及工艺水平有着至关重要的作用。然而，在进行测量热像仪的噪声等效温差时，需要采集五个不同温度点下的探测器响应数据，导致在进行NETD测试的过程中，需要使用不停更换黑体温度。因黑体升降温并达到稳定状态需要大量时间，所以传统的NETD的测试时间长，降低了整个测试流程效率。
最小可分辨率温差(MRTD)是红外热像仪静态性能的主要参数之一，客观反映热像仪系统的热灵敏度特性，又反映了系统的空间分辨力。其常用被测靶标为四个方杆图形，在进行测量热像仪的最小可分辨率温差时，通过不断地更改黑体温度，来观测图像的清晰变化。这导致在进行MRTD测试的过程中，需要使用不停更换黑体温度，降低了整个测试流程效率。
DMD芯片(Digital Micro mirror Device)是一种快速、反射式的数字光开关，通过微镜片的转动实现成像。芯片上面的微镜片的翻转受控于CMOSRAM电路上的数字制信号。当数字信号被写入SRAM时，静电会激活地址电极、镜片和轭板以促使微镜的转动。一旦接收到相应信号，镜片倾斜10°，从而使入射光的反射方向改变。处于投影状态的微镜片被示为“开”，并随来自SRAM的数字信号而倾斜+12°；如显微镜片处于非投影状态，则被示为“关”，并倾斜-12°。与此同时，“开”状态下被反射出去的入射光通过投影透镜将影像投影到屏幕上；而“关”状态下反射在微镜片上的入射光被光吸收器吸收。利用脉冲调制技术(PWM)控制驱动电路输入的脉宽信号，进而控制占空比来达到控制黑体辐射能量大小。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种红外热像仪NETD与MRTD快速测试装置及方法，通过控制DMD控制器的输出信号占空比，改变最终辐射能量，节省了黑体变温过程的等待时间，提高了NETD与MRTD的计算效率。
本发明采用的技术方案之一为：一种红外热像仪测试装置，包括：黑体、DMD芯片、DMD控制器、平行光管、被测红外热像仪、数据采集及控制系统、上位机；黑体、DMD控制器、被测红外热像仪均与上位机相连；DMD芯片与DMD控制器相连；
黑体用于产生红外辐射，DMD芯片处于黑体辐射范围内，上位机通过DMD控制器实现对DMD芯片中棱镜的开关时间的控制；平行光管用于将DMD芯片中棱镜的反射光变成平行光出射进入被测红外热像仪的探测器；被测红外热像仪的探测器将探测到的数据传送到上位机。
进一步地，上位机采用脉冲宽度调制技术控制DMD控制器实现对DMD芯片中棱镜的开关时间的控制。
本发明采用的技术方案之二为：一种基于上述装置的红外热像仪NETD与MRTD快速测试方法，建立黑体温度与进入平行光管的辐射信号占空比的对应关系，上位机通过DMD控制器控制DMD芯片中棱镜的开关时间调整进入平行光管的辐射信号占空比，根据测量得到的不同占空比对应的被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压计算NETD与MRTD。
进一步地，还包括：建立黑体温度与进入平行光管的辐射信号占空比的对应关系后，黑体设置为固定温度2K。
进一步地，黑体温度与进入平行光管的辐射信号占空比的对应关系的建立过程为：
A1、测量以下初始数据：
黑体温度升为稳定的1K温度时，测量得到被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压V1；
黑体温度升为稳定的2K温度时，测量得到被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压V2；
被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压V2时，进入平行光管的辐射信号占空比为100％；使进入平行光管的辐射信号占空比从100％开始逐渐降低，记录被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压从V2到V1时，对应的进入平行光管的辐射信号占空比M％，计算得到温度间隔1K的进入平行光管的辐射信号占空比差值为N＝(1-M％)；
A2、根据步骤A1中的初始数据，得到黑体温度与进入平行光管的辐射信号占空比的关系为：当黑体温度升为稳定的0K温度时，对应的进入平行光管的辐射信号占空比为(1-2N)％；当黑体温度升为稳定的-1K温度时，对应的进入平行光管的辐射信号占空比为(1-3N)％；当黑体温度升为稳定的-2K温度时，对应的进入平行光管的辐射信号占空比为(1-4N)％。
进一步地，计算NETD时，还包括测量以下数据：将进入平行光管的辐射信号占空比从100％逐步降低，测量当进入平行光管的辐射信号占空比为(1-2N)％时，对应的被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压V0，测量当进入平行光管的辐射信号占空比为(1-3N)％时，对应的被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压V3，测量当进入平行光管的辐射信号占空比为(1-4N)％时，对应的被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压V4；根据黑体温度点2K、1K、0K、-1K、-2K及各种对应的探测器的输出电压V2、V1、V0、V3、V4，计算信号传递函数；
在黑体温度稳定为-2K时，还包括采集F帧的被测红外热像仪探测器的输出信号电压数据，用于计算探测器的噪声；
根据信号传递函数与探测器的噪声计算NETD。
进一步地，当第一次计算MRTD时，其计算过程为：
将进入平行光管的辐射信号占空比从100％逐步降低，当4杆靶标马上不可见，即恰好不可看见4杆靶标每杆面积的75％和相邻两杆间面积的75％时，根据此时的进入平行光管的辐射信号第一占空比得到对应的黑体的第一温度，记录此时黑体第一温度与环境温度差△T+，记录此时的被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的第一输出信号电压R1与V0的电压差△V1；继续降低进入平行光管的辐射信号占空比，直至冷杆出现时，根据此时的进入平行光管的辐射信号第二占空比得到对应的黑体第二温度，记录此时黑体第二温度与环境温度差△T-，记录此时的被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的第二输出信号电压R2与V0的电压差△V2；从而计算对应的MRTD。
更进一步地，当再次计算MRTD时，其计算过程为：
将进入平行光管的辐射信号占空比从100％逐步降低，当被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的第三输出信号电压与V0的电压差与△V1相等时，根据此时的进入平行光管的辐射信号第三占空比得到对应的黑体第三温度，记录此时黑体第三温度与环境温度差；调整进入平行光管的辐射信号占空比，直至被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的第四输出信号电压与V0的电压差与△V2相等时，得到此时的进入平行光管的辐射信号第四占空比，并根据此时的进入平行光管的辐射信号第四占空比得到对应的黑体第四温度，记录此时黑体第四温度与环境温度差；从而计算对应的MRTD。
进一步地，黑体温度升为稳定的2K温度后，还包括在上位机的控制下驱动被测红外热像仪调节偏压，使探测器的数字输出数据稳定。
本发明的有益效果：本发明的红外热像仪测试装置，上位机采用脉冲宽度调制技术控制DMD芯片的开关时间调整进入平行光管的辐射信号的占空比，实现改变最终的辐射能量，本发明通过建立进入平行光管的辐射信号占空比与探测器半月靶区域下的输出信号电压的关系模型，通过调整进入平行光管的辐射信号占空比，得到的探测器半月靶区域下的输出信号电压，本发明节省了黑体变温过程的等待时间，且大大提高了NETD与MRTD的计算效率。
附图说明
图1为本发明的红外热像仪NETD/MRTD快速测试装置的结构示意图；
其中，1为黑体、2为DMD芯片、3为DMD控制器、4为平行光管、5为红外热像仪、6位上位机；
图2为本发明的红外热像仪NETD快速测试方法的流程示意图；
图3为本发明的红外热像仪MRTD快速测试方法的流程示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示为本发明的一种红外热像仪测试装置，包括：黑体1、DMD芯片2、DMD控制器3、平行光管4、被测红外热像仪5、数据采集及控制系统、上位机6；黑体1、DMD控制器3与上位机6相连，被测红外热像仪5通过数据采集线连接上位机6；DMD芯片2与DMD控制器3相连；
黑体1用于产生红外辐射，DMD芯片2处于黑体辐射范围内，上位机6通过控制DMD控制器3实现对DMD芯片2中棱镜的开关时间的控制；平行光管4用于将DMD芯片2中棱镜的反射光变成平行光出射进入被测红外热像仪5的探测器；被测红外热像仪5的探测器将探测到的数据传送到上位机6。
上位机6至少包括数据采集及控制系统。
黑体1为面源黑体，NETD测试采用5个温度点-2K、-1K、0K、1K、2K，黑体1固定温度为2K。其中5个温度点是相对温度，即相对于黑体周围环境的温度，等于黑体温度减去环境温度的差值。
本发明上位机6通过脉冲宽度调制技术(PWM)控制DMD芯片的‘开’与‘关’的时间，进而控制DMD控制器的输出信号占空比，限制黑体辐射进入平行光管的能量，最终实现不同DMD控制器的输出信号占空比与某个黑体温度点所辐射进入平行光管的能量等效。
本发明的接口板的数字信号由采集卡传输至计算机。可满足大阵列、多数据位的红外焦平面探测器的信号传输。
如图2所示，本发明的NETD测试过程包括以下步骤：
步骤1：搭建测试平台：
根据图1所示，搭建测试平台，将面源黑体1、DMD芯片、控制器、平行光管、被测热像仪、上位机置于测试装置中相应位置，调整黑体面源、孔板、接口板相对位置，使他们都与测试装置底面水平；调整黑体面源、微棱镜阵列位置，使它们整体中心对齐；调整黑体、平行光管、被测热像仪的位置，使从平行光管的出射光能够水平照射到热像仪上；通过数据线连接采集卡与热像仪；连接上位机与DMD控制器；通过线缆连接上位机与黑体控制器，黑体控制器连接黑体；确认无误后，进行后续测试流程；
步骤2：系统上电：
检查被测热像仪，确保装配牢固；记录环境温度与湿度，确保测试环境稳定适宜，给测试装置上电启动。
步骤3：系统参数设定：
上位机通过DMD控制器使，DMD处于常开状态使输出信号占空比为100％；控制黑体控制器，使黑体温度升为1K温度；待温度稳定后，利用上位机驱动热像仪调节偏压，使探测器的数字输出数据稳定，记录此时探测器的响应输出V1；
控制黑体控制器，使黑体温度升为2K温度，等待温度稳定。
上位机控制DMD控制器，使输出信号占空比从100％逐渐降低，并记录此时探测器输出V0直到与V1相同，记录此时输出信号占空比M％，占空比差值为N＝(1-M％)；
通过上位机将探测器组件的帧频设为设定值；
步骤4：进行不同温度组合下的数据采集和参数计算：
上位机通过DMD控制器，控制微棱镜的开关，使画面一侧产生NETD测试所需的半月靶，画面另一侧产生MRTD所需的四杆靶。当靶标左右两侧分别为半月靶与4杆靶时，可以同时进行NETD与MRTD的测试。
上位机通过DMD控制器，调整棱镜角度，改变一帧热像仪时间内棱镜阵列的开关时间，改变辐射信号占空比，控制出射光辐射能量大小。
(1)NETD测试中：当温度点为2K时，DMD芯片将一直处于‘开’状态，即辐射信号占空比为100％；
(2)当温度点为1K时，辐射信号的占空比为M％(即(1-N)％)；
(3)当温度点为0K时，辐射信号的占空比为(1-2N)％；
(4)当温度点为-1K时，辐射信号的占空比为(1-3N)％；
(5)当温度点为-2K时，辐射信号的占空比为(1-4N)％；在黑体温度稳定为-2K时，还包括先采集F帧的被测红外热像仪的信号电压数据，用于计算噪声Vn。
实际应用中上述占空比可根据具体的DMD芯片及平行光管的参数进行改变；
步骤5：测量并记录热像仪的输出数据。
利用上述各个信号占空比下采集到的探测器半月靶区域下的输出信号电压。根据公式(1)进而计算噪声(VN)：
其中，K表示影响因子，默认为1；F表示采集帧数；T0表示温度为-2K时的温度；VDS[(i,j),To,f]表示在黑体温度T0条件下，探测器输出信号电压；表示在黑体温度T0条件下，探测器输出信号电压均值。
利用各温度点下半月靶区域下的输出信号电压，通最小二乘法计算出拟合曲线，然后根据公式(2)计算信号传递函数(SiTF)：
式中：ΔT表示黑体温差，即-2K与2K的温差；ΔVs表示对应黑体温差的信号响应差，即拟合曲线-2K与2K下的电压的电压差；
根据公式(3)计算最终NETD；
如图3所示，本发明的MRTD测试过程为：
MRTD测试与NETD同时进行，更改信号占空比，改变对应温度，当4杆靶标马上不可见时，记录对应温度点与环境温度差△T+，并记录此时的被测红外热像仪的探测器半月靶区域下对应信号电压R1；再逐步降低占空比，直到冷杆出现时记录对应温度点与环境温度差△T-，并记录此时对应信号电压R2；利用公式计算MRTD。
这里的4杆靶标马上不可见时，具体为：观察者恰好不可看见4杆靶标每杆面积的75％和相邻两杆间面积的75％时。
再次测试MRTD时，利用第一次测试获取的R1与环境温度下的电压V0之差△V1，R2与环境温度下的电压V0之差△V2。更改信号占空比，改变对应温度，直到当前电压与V0电压差达到△V1，记录对应温度点与环境温度差△T+；之后继续改变信号占空比，直到被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的当前电压与V0电压差达到△V2，记录对应温度点与环境温度差△T-，根据国标《GJB2340-95》算出对应MRTD。
式中：f表示对应空间频率；cor(Tba)表示环境温度修正系数；τ表示光学通道的透过率
这里的4杆靶标马上不可见时，具体为：可看见4杆冷杆靶标每杆面积的75％和两杆间面积的75％时。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (9)
1.一种红外热像仪测试装置，其特征在于，包括：黑体、DMD芯片、DMD控制器、平行光管、被测红外热像仪、数据采集及控制系统、上位机；黑体、DMD控制器、被测红外热像仪均与上位机相连；DMD芯片与DMD控制器相连；
黑体用于产生红外辐射，DMD芯片处于黑体辐射范围内，上位机通过DMD控制器实现对DMD芯片中棱镜的开关时间的控制；平行光管用于将DMD芯片中棱镜的反射光变成平行光出射进入被测红外热像仪的探测器；被测红外热像仪的探测器将探测到的数据传送到上位机。
2.根据权利要求1所述的一种红外热像仪测试装置，其特征在于，上位机采用脉冲宽度调制技术控制DMD控制器实现对DMD芯片中棱镜的开关时间的控制。
3.一种基于权利要求2所述装置的红外热像仪NETD与MRTD快速测试方法，其特征在于，建立黑体温度与进入平行光管的辐射信号占空比的对应关系，上位机通过DMD控制器控制DMD芯片中棱镜的开关时间调整进入平行光管的辐射信号占空比，根据测量得到的不同占空比对应的被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压计算NETD与MRTD。
4.一种基于权利要求3所述装置的红外热像仪NETD与MRTD快速测试方法，其特征在于，还包括：建立黑体温度与进入平行光管的辐射信号占空比的对应关系后，将黑体设置为固定温度2K。
5.根据权利要求4所述的红外热像仪NETD与MRTD快速测试方法，其特征在于，黑体温度与进入平行光管的辐射信号占空比的对应关系的建立过程为：
A1、测量以下初始数据：
黑体温度升为稳定的1K温度时，测量得到被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压V1；
黑体温度升为稳定的2K温度时，测量得到被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压V2；
被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压V2时，进入平行光管的辐射信号占空比为100％；使进入平行光管的辐射信号占空比从100％开始逐渐降低，记录被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压从V2到V1时，对应的进入平行光管的辐射信号占空比M％，计算得到温度间隔1K的进入平行光管的辐射信号占空比差值为N＝(1-M％)；
A2、根据步骤A1中的初始数据，得到黑体温度与进入平行光管的辐射信号占空比的关系为：当黑体温度升为稳定的0K温度时，对应的进入平行光管的辐射信号占空比为(1-2N)％；当黑体温度升为稳定的-1K温度时，对应的进入平行光管的辐射信号占空比为(1-3N)％；当黑体温度升为稳定的-2K温度时，对应的进入平行光管的辐射信号占空比为(1-4N)％。
6.根据权利要求5所述的红外热像仪NETD与MRTD快速测试方法，其特征在于，计算NETD时，还包括测量以下数据：将进入平行光管的辐射信号占空比从100％逐步降低，测量当进入平行光管的辐射信号占空比为(1-2N)％时，对应的被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压V0，测量当进入平行光管的辐射信号占空比为(1-3N)％时，对应的被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压V3，测量当进入平行光管的辐射信号占空比为(1-4N)％时，对应的被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的输出信号电压V4；根据黑体温度点2K、1K、0K、-1K、-2K及各种对应的探测器的输出电压V2、V1、V0、V3、V4，计算信号传递函数；
在黑体温度稳定为-2K时，还包括采集F帧的被测红外热像仪探测器的输出信号电压数据，用于计算探测器的噪声；
根据信号传递函数与探测器的噪声计算NETD。
7.根据权利要求5所述的红外热像仪NETD与MRTD快速测试方法，其特征在于，当第一次计算MRTD时，其计算过程为：
将进入平行光管的辐射信号占空比从100％逐步降低，当4杆靶标马上不可见，即恰好不可看见4杆靶标每杆面积的75％和相邻两杆间面积的75％时，根据此时的进入平行光管的辐射信号第一占空比得到对应的黑体的第一温度，记录此时黑体第一温度与环境温度差△T+，记录此时的被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的第一输出信号电压与V0的电压差△V1；继续降低进入平行光管的辐射信号占空比，直至冷杆出现时，根据此时的进入平行光管的辐射信号第二占空比得到对应的黑体第二温度，记录此时黑体第二温度与环境温度差△T-，记录此时的被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的第二输出信号电压与V0的电压差△V2；从而计算对应的MRTD。
8.根据权利要求7所述的红外热像仪NETD与MRTD快速测试方法，其特征在于，当再次计算MRTD时，其计算过程为：
将进入平行光管的辐射信号占空比从100％逐步降低，当被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的第三输出信号电压R1与V0的电压差与△V1相等时，根据此时的进入平行光管的辐射信号第三占空比得到对应的黑体第三温度，记录此时黑体第三温度与环境温度差；调整进入平行光管的辐射信号占空比，直至被测红外热像仪的探测器半月靶区域下的第四输出信号电压R2与V0的电压差与△V2相等时，得到此时的进入平行光管的辐射信号第四占空比，并根据此时的进入平行光管的辐射信号第四占空比得到对应的黑体第四温度，记录此时黑体第四温度与环境温度差；从而计算对应的MRTD。
9.根据权利要求5所述的红外热像仪NETD与MRTD快速测试方法，其特征在于，黑体温度升为稳定的2K温度后，还包括在上位机的控制下驱动被测红外热像仪调节偏压，使探测器的数字输出数据稳定。
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|---|---|---|---|---|
| CN111076819A (zh) * | 2019-12-04 | 2020-04-28 | 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 | 一种超大视场红外热像仪噪声等效温差装置及测试方法 |
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