第二十二讲 综合特性(上课用)

四、红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——低通线性滤波器1.对比(调制)传递函数（MTF）2.位相传递函数（PTF）红外成像系统光强正弦信号同频正弦信号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。对比传递函数（MTF）和位相传递函数（PTF）由红外成像系统的成像性能所决定。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。要想分辨目标往往主要是看对比问题，对不同空间频率目标，其对比不同。方法：将物体视为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——定义为周期量在单位空间上变化的周期数：线对/毫米，lp/mm空间频率：xxTf/1空间周期：(mm)xTTx线性周期观察距离R(m)观察点xO)(radx角度周期角度周期：(mrad)RTxx/xxxTRf//1角空间频率：yf调制传递函数，MTF物体的调制度（对比度）定义：oobbM1b1b0Ixo则：光学系统对某一频率的调制传递函数MTF：oixMMfMTF)(经红外成像系统成像后的调制度为MifxMTFo12.红外成像过程中各个环节的调制传递函数根据线性滤波理论，红外成像系统模型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。（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红外成像过程光学系统的调制传递函数MTF0光学系统的MTF主要受衍射和像差的影响。包括衍射限光学系统MTF和非衍射限光学系统MTF。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。系统的传递函数MTF（总体设计）红外成像系统总的传递函数为各分系统传递函数的乘积：eyeommedoMTFMTFMTFMTFMTFMTFMTF人眼调制传递函数MTFeye例：一目标经红外成像系统成像后供人眼观察，在某一特征频率时，目标对比度为0.5，大气的MTF为0.9，探测器的MTF为0.5，电路的MTF为0.95，CRT的MTF为0.5，则在这一特征频率下，光学系统的MTF至少要多大？026.05.095.05.09.05.0oMTF24.0oMTFeyeommedoMTFMTFMTFMTFMTFMTFMTF解：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。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；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；4.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。TTTBfx=f1fx=f2fx=f3fx=f4MRTD的测试图案：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。MRTD曲线：fxMTFo1MRTD(Co)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。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，但MDTD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。第五章复习1.固体摄像器件的分类2.CCD的基本功能及分类3.CCD的基本工作原理及过程4.以表面沟道CCD为例，简述CCD电荷存储、转移、输出的基本原理。CCD的输出信号有什么特点？5.简述电荷耦合摄像器件的主要特性参数6.试简述CCD器件和CMOS器件的主要区别7.红外焦平面器件的工作条件8.红外焦平面器件的名称来源、基本结构及原理9.简述光电成像的基本原理或用图形解释10.试简述红外光学系统中常用各光阑的作用11.试给出某一种带反射式或组合式红外光学系统的基本结构，并说明其特点12.光学调制传递函数MTF与红外成像系统空间分辨率描述13.温度分辨率的三个评价参数的优缺点