熱成像儀噪聲表征方法及Inframet測(cè)試系統(tǒng)能力分析

摘要
熱成像儀在軍事、安防、工業(yè)檢測(cè)和醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其性能優(yōu)劣直接受噪聲水平影響。準(zhǔn)確表征和測(cè)量噪聲參數(shù)，是熱成像技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品比對(duì)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(cè)量方法，并結(jié)合最新研究，分析了Inframet公司DT測(cè)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(biāo)準(zhǔn)化挑戰(zhàn)。

1. 熱成像儀噪聲表征的重要性

熱成像儀通過探測(cè)物體的紅外輻射生成圖像，但在成像過程中會(huì)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(duì)低對(duì)比度目標(biāo)的探測(cè)能力。因此，噪聲表征成為熱成像儀性能測(cè)試中的核心環(huán)節(jié)。

熱成像儀的噪聲一般分為：

• 時(shí)間噪聲（Temporal Noise）：表現(xiàn)為同一像素隨時(shí)間波動(dòng)的信號(hào)噪聲。

• 空間噪聲（Spatial Noise）：表現(xiàn)為不同像素之間響應(yīng)不一致而產(chǎn)生的圖像不均勻。

2. 主要噪聲表征參數(shù)

目前用于描述熱成像儀噪聲的典型參數(shù)包括：

2.1 噪聲當(dāng)量溫差（NETD）

NETD是熱成像領(lǐng)域的噪聲指標(biāo)，用于衡量熱成像儀在檢測(cè)微小溫差時(shí)的靈敏度。它定義為目標(biāo)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(cè)微弱熱差的能力越強(qiáng)。

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(cè)量方法在不同廠商、研究機(jī)構(gòu)甚至不同文獻(xiàn)中存在較大差異。文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)顯示，NETD的噪聲定義存在至少五種不同的數(shù)學(xué)表達(dá)方式。這種差異導(dǎo)致同一臺(tái)熱像儀的NETD測(cè)試結(jié)果，可能在不同實(shí)驗(yàn)室間產(chǎn)生高達(dá)50%以上的差異。

2.2 固定圖案噪聲（FPN）

FPN描述熱成像儀在輸出圖像中，存在不隨時(shí)間變化的空間噪聲模式。它源于探測(cè)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(xué)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(cè)量方法同樣存在術(shù)語混亂的問題，例如在某些場(chǎng)合被稱為“空間NETD”或“IETD（非均勻性等效溫差）”。

2.3 三維噪聲模型（3D Noise Model）

為更深入刻畫熱成像儀的噪聲，美國(guó)NVESD在上世紀(jì)90年代提出了3D噪聲模型。該模型將噪聲細(xì)分為七個(gè)組成部分，包括：

• 隨機(jī)時(shí)空噪聲

• 時(shí)間行噪聲（條紋噪聲）

• 時(shí)間列噪聲（雨滴噪聲）

• 隨機(jī)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(xì)致地識(shí)別熱成像儀噪聲來源，是目前較為先進(jìn)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(xì)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中各測(cè)試團(tuán)隊(duì)測(cè)量結(jié)果依然存在較大差異。

3. 噪聲測(cè)量方法與挑戰(zhàn)

盡管各噪聲參數(shù)定義不同，但其測(cè)量流程通常包括以下步驟：

1. 測(cè)量成像儀響應(yīng)度（SiTF）
   通過不同溫度的黑體源，獲得熱像儀輸出信號(hào)與輸入溫差的線性關(guān)系。

2. 采集視頻序列
   錄制熱像儀觀察均勻黑體時(shí)的圖像序列，幀數(shù)通常需≥100幀。

3. 噪聲數(shù)據(jù)分析
   從采集的視頻數(shù)據(jù)中，提取對(duì)應(yīng)噪聲參數(shù)。不同參數(shù)會(huì)有不同的處理算法和濾波策略。

4. 計(jì)算噪聲指標(biāo)
   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(dǎo)致各測(cè)試結(jié)果差異巨大：

• 不同團(tuán)隊(duì)對(duì)噪聲定義理解不一致；

• 濾波方法差異，如高斯濾波、二次多項(xiàng)式擬合等；

• 測(cè)試系統(tǒng)類型不同，如準(zhǔn)直系統(tǒng)、泛光系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)；

• 測(cè)試環(huán)境及時(shí)機(jī)不同（如NUC校正后等待時(shí)間）；

• 測(cè)試結(jié)果的后期修正方法不統(tǒng)一。

4. Inframet DT系統(tǒng)在噪聲測(cè)試中的能力

Inframet作為論文作者所在的公司，是國(guó)際的紅外測(cè)試設(shè)備制造商。其DT系列測(cè)試系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于熱成像儀性能評(píng)測(cè)，包括噪聲測(cè)量方面。

4.1 硬件能力

Inframet DT系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢(shì)：

• 高精度黑體源：溫度穩(wěn)定度可達(dá)mK級(jí)，滿足NETD等精密測(cè)量需求；

• 多測(cè)試模式支持：支持準(zhǔn)直、泛光、聚焦等多種測(cè)試模式，滿足不同產(chǎn)品和應(yīng)用場(chǎng)景；

• 數(shù)據(jù)分析軟件完備：可自動(dòng)處理視頻序列，計(jì)算SiTF、NETD、FPN及3D噪聲模型；

• 溯源能力強(qiáng)：測(cè)試結(jié)果可追溯至NIST或歐盟計(jì)量機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 存在的限制

盡管Inframet DT系統(tǒng)在硬件與軟件層面均可滿足噪聲測(cè)量的技術(shù)需求，但論文指出，噪聲測(cè)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(biāo)準(zhǔn)。因此：

• 同一臺(tái)Inframet DT系統(tǒng)，在不同實(shí)驗(yàn)室使用，若定義、濾波方法、數(shù)據(jù)處理流程不統(tǒng)一，測(cè)試結(jié)果仍可能存在顯著差異。

• 特別是NETD測(cè)試，定義差異可導(dǎo)致結(jié)果相差數(shù)十個(gè)百分點(diǎn)

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