熱成像儀噪聲表征方法及Inframet測試系統(tǒng)能力分析
摘要
熱成像儀在軍事、安防、工業(yè)檢測和醫(yī)療等領(lǐng)域應用廣泛，其性能優(yōu)劣直接受噪聲水平影響。準確表征和測量噪聲參數(shù)，是熱成像技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品比對的重要基礎(chǔ)。本文概述了熱成像儀主要噪聲參數(shù)的定義及測量方法，并結(jié)合最新研究，分析了Inframet公司DT測試系統(tǒng)在噪聲表征方面的能力，以及目前行業(yè)面臨的標準化挑戰(zhàn)。
熱成像儀通過探測物體的紅外輻射生成圖像，但在成像過程中會受到多種噪聲的影響。這些噪聲不僅降低圖像質(zhì)量，還限制了系統(tǒng)對低對比度目標的探測能力。因此，噪聲表征成為熱成像儀性能測試中的核心環(huán)節(jié)。
熱成像儀的噪聲一般分為：
時間噪聲（Temporal Noise）：表現(xiàn)為同一像素隨時間波動的信號噪聲。
空間噪聲（Spatial Noise）：表現(xiàn)為不同像素之間響應不一致而產(chǎn)生的圖像不均勻。
目前用于描述熱成像儀噪聲的典型參數(shù)包括：
NETD是熱成像領(lǐng)域的噪聲指標，用于衡量熱成像儀在檢測微小溫差時的靈敏度。它定義為目標與背景之間產(chǎn)生單位信噪比所需的最小溫差。NETD越小，表示熱像儀探測微弱熱差的能力越強。
然而，根據(jù)論文《Critical review of present day methodology of characterization of noise of thermal imagers》指出，盡管NETD歷史悠久，但其定義和測量方法在不同廠商、研究機構(gòu)甚至不同文獻中存在較大差異。文獻統(tǒng)計顯示，NETD的噪聲定義存在至少五種不同的數(shù)學表達方式。這種差異導致同一臺熱像儀的NETD測試結(jié)果，可能在不同實驗室間產(chǎn)生高達50%以上的差異。
FPN描述熱成像儀在輸出圖像中，存在不隨時間變化的空間噪聲模式。它源于探測器陣列的制造缺陷或電子系統(tǒng)的非均勻性。雖然名為“噪聲"，部分學者更傾向?qū)⑵錃w類為非均勻性。類似于NETD，F(xiàn)PN的定義與測量方法同樣存在術(shù)語混亂的問題，例如在某些場合被稱為“空間NETD"或“IETD（非均勻性等效溫差）"。
為更深入刻畫熱成像儀的噪聲，美國NVESD在上世紀90年代提出了3D噪聲模型。該模型將噪聲細分為七個組成部分，包括：
隨機時空噪聲
時間行噪聲（條紋噪聲）
時間列噪聲（雨滴噪聲）
隨機空間噪聲
固定行噪聲
固定列噪聲
幀間噪聲
這一模型能更加細致地識別熱成像儀噪聲來源，是目前較為先進的噪聲表征方法。但遺憾的是，NVESD雖提出了理論框架，卻沒有形成統(tǒng)一、詳細的國際標準，導致實際應用中各測試團隊測量結(jié)果依然存在較大差異。
盡管各噪聲參數(shù)定義不同，但其測量流程通常包括以下步驟：
測量成像儀響應度（SiTF）
通過不同溫度的黑體源，獲得熱像儀輸出信號與輸入溫差的線性關(guān)系。
采集視頻序列
錄制熱像儀觀察均勻黑體時的圖像序列，幀數(shù)通常需≥100幀。
噪聲數(shù)據(jù)分析
從采集的視頻數(shù)據(jù)中，提取對應噪聲參數(shù)。不同參數(shù)會有不同的處理算法和濾波策略。
計算噪聲指標
將噪聲數(shù)據(jù)與SiTF比值，換算為NETD、FPN或3D噪聲模型的具體數(shù)值。
挑戰(zhàn)：
如論文所述，即使硬件設(shè)備具備高精度，以下因素仍導致各測試結(jié)果差異巨大：
不同團隊對噪聲定義理解不一致；
濾波方法差異，如高斯濾波、二次多項式擬合等；
測試系統(tǒng)類型不同，如準直系統(tǒng)、泛光系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)；
測試環(huán)境及時機不同（如NUC校正后等待時間）；
測試結(jié)果的后期修正方法不統(tǒng)一。
Inframet作為論文作者所在的公司，是國際的紅外測試設(shè)備制造商。其DT系列測試系統(tǒng)廣泛應用于熱成像儀性能評測，包括噪聲測量方面。
Inframet DT系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：
高精度黑體源：溫度穩(wěn)定度可達mK級，滿足NETD等精密測量需求；
多測試模式支持：支持準直、泛光、聚焦等多種測試模式，滿足不同產(chǎn)品和應用場景；
數(shù)據(jù)分析軟件完備：可自動處理視頻序列，計算SiTF、NETD、FPN及3D噪聲模型；
溯源能力強：測試結(jié)果可追溯至NIST或歐盟計量機構(gòu)標準。
盡管Inframet DT系統(tǒng)在硬件與軟件層面均可滿足噪聲測量的技術(shù)需求，但論文指出，噪聲測試的一致性問題并非硬件性能不足所致，而是源自行業(yè)缺乏統(tǒng)一標準。因此：
同一臺Inframet DT系統(tǒng)，在不同實驗室使用，若定義、濾波方法、數(shù)據(jù)處理流程不統(tǒng)一，測試結(jié)果仍可能存在顯著差異。
特別是NETD測試，定義差異可導致結(jié)果相差數(shù)十個百分點
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