一种用于红外成像系统NETD的处理系统及方法

摘要

本发明涉及一种用于红外成像系统NETD的处理系统及方法，该方法包括参数设置模块、数据采集模块、图像显示模块、状态显示模块、NETD计算模块、储存模块等，参数设置模块用来设置标准辐射源的温度值、采集的次数N和随机像元个数M，数据采集模块和储存模块用来完成数据的采集和存储功能，计算模块主要完成采集数据灰度平均值、均方噪声、NETD的计算，状态显示模块用于显示当前的运行状态，图像显示模块用于显示当前的灰度图像，本发明避免了使用复杂的NETD测试设备和专业的操作人员，就可以得到红外成像系统的噪声等效温差。

说明书

技术领域

本发明属于红外成像系统测试领域，涉及一种用于红外成像系统NETD(噪 声等效温差)的处理系统及方法。

背景技术

实验室评价红外成像系统的性能参数，可分成两类：即主观性能参数，它 们是由观察者通过人眼观察得到的，包括最小可分辨温差(MRTD)和最小可 探测温差(MDTD)；另一类是客观性能参数，它通过辐射测量或电参数测量 得到的，有反映信号传递特性的参数(如信号传递、光谱传递、几何传递、强 信号响应、低频响应、系统时间响应)，反映光学传递特性的参数(如调制传 递函数、相位传递函数)，反映噪声等效特性的参数(如噪声等效温差NETD、 空间不均匀性)等。NETD(噪声等效温差)是热成像系统灵敏度的重要客观 评价指标，可用于预测小温差点目标的探测距离，从而实现技术指标向战术指 标的转化。MRTD是热成像系统灵敏度和分辨率的主观评价标准。NETD与 MRTD是目前热成像系统最主要的性能评估参数，由于MRTD测试由人眼观察 监视器上的四杆靶标完成。测试过程中易受测试人主观因素的影响。必须由经 过专业训练的多名人员进行。因而作为客观测试参数的NETD更受到认可。

NETD是系统观察试验图案时，基准电子滤波器输出端产生的峰值信号与 均方根噪声比为1时标准试验图形上黑体目标与背景的温差。根据定义，NETD 的测试方程为：

$\mathrm{NETD}=\frac{\mathrm{\Delta T}}{\mathrm{Vs}/\mathrm{Vn}}---\left(1\right)$

式中，ΔT为目标与背景的温差；Vs为信号电压值；Vn为均方根噪声。

目前，NETD的获得方式有两种，一种是理论计算，另一种是使用专用的 测试设备进行系统测试。其中理论计算采用的公式如式(2)所示：

$\mathrm{NETD}=\frac{4F^2}{{\left(2A_d{\tau }_d\right)}^{1/2}{\tau }_a{\tau }_0{D}^{*}(\mathrm{\Delta M}/\mathrm{\Delta T})}---\left(2\right)$

式中：F为光学系统F数；A_d为单个像元的面积；τ_d为探测器的驻留时间； τ_a为大气透过率；τ₀为光学透过率；D^*为探测器光谱探测率；ΔM/ΔT为微分辐 射度。由于该方法涉及到系统传递特性的众多参数，所以只是一种理论上的计 算方法，与实际的测量还是有一定的误差。

使用专用测试设备的测量方法是将红外成像系统置于有效的成像距离内， 利用平行光管、黑体、靶标、图像数据处理软件进行测试，图2就是专用测试 设备的组成框图，此方法是真实的测量方法，但需要专用的测试设备和测试人 员以及足够的空间，特别是在红外成像系统体积较大的情况下，测试非常麻烦， 灵活性不强。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提出一种用于红外成像系 统噪声等效温差的处理系统及方法，在理论计算和专用测试设备之间寻找一种 新的噪声等效温差的测试方法，即能真实有效的计算出红外成像系统的噪声等 效温差，又不需要专用的测试测备，在实验室就能完成。从而实现它的灵活性、 通用性。

本发明包括如下技术方案：一种用于红外成像系统NETD(噪声等效温差) 的处理系统及方法，包括参数设置模块、数据采集模块、图像显示模块、状态 显示模块、NETD计算模块、储存模块；

参数设置模块，用来设置标准辐射源的温度值、系统分辨率、采集次数N、 随机采样点的个数M；

当参数设置模块将标准辐射源温度设置为T1、待状态显示模块显示温度稳 定至T1后，采集第一组N次辐射源的二维图像数据并储存在储存模块中，同 时在图像显示模块显示第一组N次辐射源的灰度图像；

数据采集模块采集第一组N次辐射源的图像数据，并根据该第一组N次辐 射源的图像数据中计算的该第一组N次辐射源的图像数据随机采样点M中某 一像元的平均灰度值Vs1和均方噪声Vn1，然后重复当前的操作，直至计算出 M个随机采样点平均灰度值和均方噪声，并通过状态显示模块进行显示；

当参数设置模块将标准辐射源温度设置为T2，且T2＞T1，待状态显示模 块显示温度稳定至T2后，采集第二组N次辐射源的二维图像数据并储存在储 存模块中，同时在图像显示模块显示第二组N次辐射源的灰度图像；

数据采集模块采集第二组N次辐射源的图像数据，并根据该第二组N次辐 射源的图像数据中计算的该第二组N次辐射源的图像数据随机采样点M中某 一像元的平均灰度值Vs2和均方噪声Vn2，然后重复当前的操作，直至计算出 M个随机采样点平均灰度值和均方噪声，并通过状态显示模块进行显示；

NETD计算模块，根据噪声等效温差计算公式NETD＝△T/(△Vs/△Vn)， 计算出该随机采样点的噪声等效温差，式中△T为T2-T1的值，△Vs为Vs2-Vs1 的值，△Vn为Vn2-Vn1的值；

对M个随机采样点的NETD取平均值，就是系统的NETD，并显示最终的 计算结果。

一种用于红外成像系统NETD(噪声等效温差)的处理方法，包括以下步 骤：

(1)将标准辐射源温度设置为T1、采集次数设置为N、随机采样点的个 数设置为M；

(2)待温度稳定至T1后，采集N次辐射源的二维图像数据并储存；

(3)通过步骤(2)保存的N次辐射源的图像数据，计算步骤(2)N次 辐射源的图像数据M个采样点中某一像元的平均灰度值Vs1和均方噪声Vn1， 然后重复当前的操作，直至计算出M个随机采样点平均灰度值和均方噪声；

(4)将标准辐射源温度设置为T2，且T2＞T1，待温度稳定至T2后，采 集N次辐射源的图像数据并储存；

(5)通过步骤(4)保存的N次辐射源的图像数据，计算步骤(4)N次 辐射源的图像数据M个采样点中某一像元的平均灰度值Vs2和均方噪声Vn2， 然后重复当前的操作，直至计算出M个随机采样点平均灰度值和均方噪声；

(6)根据噪声等效温差计算公式NETD＝△T/(△Vs/△Vn)，计算出该采 样点的噪声等效温差，式中△T为T2-T1的值，△Vs为Vs2-Vs1的值，△Vn 为Vn2-Vn1的值；

(7)对多采样点的NETD取平均值，得到待测红外成像系统的噪声等效 温差NETD。

所述N为0至128，M为0至32，既能提高运算速度，又能有效的减小 统计误差，提高测试精度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)目前红外成像系统噪声等效温差的测试方法主要是使用大型专用测试 设备来测量，如美国SBIR、EOI公司、法国HGH公司、以色列CI公司的测试 产品，需要专用的计算软件及专用的测试场地和专业的操作人员等，且测试成 本较高，本发明不需要专用的测试场地和专业的操作人员，只需要标准的黑体 辐射源就可在实验室完成，基本不需要额外的成本。

(2)本发明是在噪声等效温差的定义上推导出来的，通过黑体参考源的有 效标定及随机点的灵活选取，特别是多点取平均，可以有效的减少误差，使计 算结果更加接近噪声等效温差的真实值。

(3)本发明和复杂的理论计算相比，具有可操作性和真实性，因为理论计 算需要涉及到大气透过率、微分辐射度等参数，都需要在特定的条件下才能给 出，大部分是某种条件下的估值，这就给理论计算带来很大的误差，所以理论 计算只能是系统设计时的参考。

(4)本发明的算法简单，使用方便，不需要专业的培训就可操作，更适合 推广和应用。

附图说明

图1为本发明用于红外成像系统噪声等效温差计算方法的工作流程图；

图2为大型专用测试平台；

图3为本发明测试平台；

图4为本发明NETD计算系统组成框图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述：

本发明提出一种用于红外成像系统NETD(噪声等效温差)的处理系统及 方法,该方法在充分对比目前已有的测试方法，通过不断总结和实践得出来的。 为了能更好的完成噪声等效温差的计算，需要搭建一套测试平台，该平台具体 包括标准黑体辐射源、焦面组件、图像采集系统，其组成框图如图3所示。

图4是本发明NETD处理系统组成框图，它包括参数设置模块、数据采集 模块、图像显示模块、状态显示模块、NETD计算模块、储存模块。

参数设置模块包括分辨率设置、采样次数N设置、随机采样点个数M设 置、温度设置等，其中分辨率设置用来设置当前红外成像系统的分辨率，格式： x×y；采集次数N设置用来设置每个温度值要采集的次数；随机采样个数M设 置用来设置当前要采集的像元个数，设置完成后系统会自动挑选M个随机的像 元，比如像元6、像元9、像元33等；温度设置用来设置当前要采集的温度值。 同时状态显示模块会显示设置的温度是否稳定，待稳定后由数据采集模块对当 前的温度进行采集，图像显示模块显示当前的灰度图像，采集完成后直接计算 M个随机采样点的平均灰度值和均方噪声，并存入储存模块并由状态显示模块 显示计算结果，重复上述操作一次，最后由NETD计算模块通过取M个采集点 的平均值得出红外成像系统的NETD，并在状态显示模块中显示计算结果。

本发明的具体工作流程如图1所示：

当参数设置模块将标准辐射源温度设置为T1、待状态显示模块显示温度稳 定至T1后，采集第一组N次辐射源的二维图像数据并储存在储存模块中，同 时在图像显示模块显示第一组N次辐射源的灰度图像；

数据采集模块采集第一组N次辐射源的图像数据，并根据该第一组N次辐 射源的图像数据中计算的该第一组N次辐射源的图像数据随机采样点M中某 一像元的平均灰度值Vs1和均方噪声Vn1，然后重复当前的操作，直至计算出 M个随机采样点平均灰度值和均方噪声，并通过状态显示模块进行显示:

设不同图像数据同一点(i,j)(0<i≤x,0<j≤y)的灰度值分别为Vs1_ijT1、Vs2_ijT1、 Vs3_ijT1…VsN_ijT1，计算图像数据中某一点(i,j)的平均灰度值和均方噪声分别为：

$\overline{{\mathrm{Vs}}_{\mathrm{ijT}1}}=\frac{{\mathrm{Vs}1}_{\mathrm{ijT}1}+{\mathrm{Vs}2}_{\mathrm{ijT}1}+{\mathrm{Vs}3}_{\mathrm{ijT}1}......+{\mathrm{VsN}}_{\mathrm{ijT}1}}{N}$

${\mathrm{Vn}}_{\mathrm{ijT}1}=\frac{1}{N}\sqrt{{({\mathrm{Vs}1}_{\mathrm{ijT}1}-{\mathrm{Vs}}_{\mathrm{ijT}1})}^2+{({\mathrm{Vs}2}_{\mathrm{ijT}1}-{\mathrm{Vs}}_{\mathrm{ijT}1})}^2......+{({\mathrm{VsN}}_{\mathrm{ijT}1}-{\mathrm{Vs}}_{\mathrm{ijT}1})}^2}$

当参数设置模块将标准辐射源温度设置为T2，且T2＞T1，待状态显示模 块显示温度稳定至T2后，采集第二组N次辐射源的二维图像数据并储存在储 存模块中，同时在图像显示模块显示第二组N次辐射源的灰度图像；

数据采集模块采集第二组N次辐射源的图像数据，并根据该第二组N次辐 射源的图像数据中计算的该第二组N次辐射源的图像数据随机采样点M中某 一像元的平均灰度值Vs2和均方噪声Vn2，然后重复当前的操作，直至计算出 M个随机采样点平均灰度值和均方噪声，并通过状态显示模块进行显示:

设不同图像数据同一点(i,j)的灰度值分别为Vs1_ijT2、Vs2_ijT2、Vs3_ijT2…VsN_ijT2， 计算图像数据中某一点(i,j)的平均灰度值和均方噪声分别为：

$\overline{{\mathrm{Vs}}_{\mathrm{ijT}2}}=\frac{{\mathrm{Vs}1}_{\mathrm{ijT}2}+{\mathrm{Vs}2}_{\mathrm{ijT}2}+{\mathrm{Vs}3}_{\mathrm{ijT}2}......+{\mathrm{VsN}}_{\mathrm{ijT}2}}{N}$

${\mathrm{Vn}}_{\mathrm{ijT}2}=\frac{1}{N}\sqrt{{({\mathrm{Vs}1}_{\mathrm{ijT}2}-{\mathrm{Vs}}_{\mathrm{ijT}2})}^2+{({\mathrm{Vs}2}_{\mathrm{ijT}2}-{\mathrm{Vs}}_{\mathrm{ijT}2})}^2......+{({\mathrm{VsN}}_{\mathrm{ijT}2}-{\mathrm{Vs}}_{\mathrm{ijT}2})}^2}$

然后，计算该点的噪声等效温差，并在状态显示模块中显示：

${\mathrm{NETD}}_{\mathrm{ij}}=\frac{T2-T1}{(\overline{{\mathrm{Vs}}_{\mathrm{ijT}2}}-\overline{{\mathrm{Vs}}_{\mathrm{ijT}1}})/\frac{{\mathrm{Vn}}_{\mathrm{ijT}1}+{\mathrm{Vn}}_{\mathrm{ijT}2}}{2}}=\frac{(T2-T1)\times ({\mathrm{Vn}}_{\mathrm{ijT}1}+{\mathrm{Vn}}_{\mathrm{ijT}2})}{2(\overline{{\mathrm{Vs}}_{\mathrm{ijT}2}}-\overline{{\mathrm{Vs}}_{\mathrm{ijT}1}})}$

最后，计算M个不同点的噪声等效温差取平均得到系统的噪声等效温差为：

$\mathrm{NETD}=\frac{{\mathrm{NETD}}_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{NETD}}_{\mathrm{kh}}+......{\mathrm{NETD}}_{\mathrm{uv}}}{M}$

其中NETD_ij、NETD_kh、NETD_uv是不同点的噪声等效温差，且0<i≤x,0<j≤y； 0<k≤x,0<h≤y；0<u≤x,0<v≤y。

在上述的用于红外成像系统的噪声等效温差的处理方法中，N为0至128 的整数，M为0至32的整数。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本明揭露的技术范围内，可轻易想到 的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。