紅外成像系統(tǒng)MRTD測試的理論問題與實(shí)踐優(yōu)化 —— 基于影響因素分析與Inframet DT系統(tǒng)的應(yīng)用

一、引言

紅外成像系統(tǒng)在軍事偵察、工業(yè)檢測及安防等領(lǐng)域已形成廣泛應(yīng)用，其成像性能的定量評(píng)估成為系統(tǒng)研制與驗(yàn)收中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中，最小可分辨溫差（MRTD）是衡量熱像儀空間分辨與熱靈敏度綜合能力的重要指標(biāo)。然而，MRTD測試不僅受系統(tǒng)噪聲、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）及顯示終端性能等因素影響，更受到采樣相位變化的顯著干擾，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離理論值。

為提升測試精度與結(jié)果一致性，本文在已有理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合Inframet公司DT系列紅外測試系統(tǒng)的應(yīng)用案例，探討通過先進(jìn)設(shè)備和參數(shù)調(diào)控手段，提升MRTD測試準(zhǔn)確性與實(shí)用性的方法路徑。

二、MRTD理論問題與主要影響因素分析

（1）MRTD定義與測量挑戰(zhàn)

MRTD通常定義為熱像儀在均勻背景下，恰可分辨出4條黑白條紋的最小溫差。其值受多個(gè)變量共同影響，包括噪聲等效溫差（NETD）、系統(tǒng)MTF、顯示器特性及觀察者的主觀判讀能力。經(jīng)典近似表達(dá)式如下：

$$MRTD(f)\approx k_1\frac{\text{NETD}?f}{{\text{MTF}}_{\text{perceived}}(f){\left(\frac{\alpha \beta }{\mathrm{\Delta }{f}_k{\tau }_d{E}_f}\right)}^{1\mathrm{/}2}}$$

其中，感知MTF${}_{\text{perceived}}$綜合了光學(xué)、電子、顯示與人眼的響應(yīng)特性，且對(duì)采樣相位變化尤其敏感，成為MRTD測試波動(dòng)的主要原因之一。

（2）采樣相位對(duì)中高頻MTF的影響

在空間頻率達(dá)到奈奎斯特頻率 $f_N$ 的 60% 至 90% 區(qū)間內(nèi)，采樣相位的微小變化會(huì)引發(fā)MTF的明顯波動(dòng)。例如，在${\theta }_e=\pi \mathrm{/}2$（即相位錯(cuò)位）時(shí)，系統(tǒng)調(diào)制度大幅下降，造成MRTD顯著劣化。實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)成像情況下（如目標(biāo)移動(dòng)或掃描），可通過過采樣效應(yīng)緩解該問題，提高圖像解析力。

圖1展示了靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測試條件下MRTD結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)于分辨率的改善作用。

三、Inframet DT系統(tǒng)在MRTD測試中的應(yīng)用實(shí)踐

（1）系統(tǒng)配置靈活，覆蓋多種測試需求

Inframet DT系列采用模塊化結(jié)構(gòu)，支持準(zhǔn)直器、旋轉(zhuǎn)靶輪、差分黑體、采集卡等部件組合，滿足MRTD、NETD、MTF等二十余項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)測試。其核心特點(diǎn)包括：

• 多種規(guī)格準(zhǔn)直器支持：如DT30300（焦距300 cm，孔徑30 cm）適用于典型實(shí)驗(yàn)室場景，滿足長焦測試需求。

• 動(dòng)態(tài)測試功能完備：通過FRW靶輪與BOFOC調(diào)焦機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)模擬運(yùn)動(dòng)，滿足動(dòng)態(tài)MRTD測試要求，適用于采樣相位敏感頻段的性能驗(yàn)證。

（2）應(yīng)對(duì)采樣相位誤差的關(guān)鍵技術(shù)措施

• 靶標(biāo)相位調(diào)控機(jī)制：利用可調(diào)旋轉(zhuǎn)靶輪（如MENU或FRW）動(dòng)態(tài)控制條紋靶標(biāo)的相位，優(yōu)化在0.6~0.9 $f_N$ 區(qū)間的MRTD表現(xiàn)，減小測量偏差。

• 虛擬MRTD算法（VirtMRTD）：采用計(jì)算機(jī)模擬與半自動(dòng)判讀方式，避免人眼差異造成的主觀誤差，提高測試一致性與效率。

（3）環(huán)境適應(yīng)性與功能擴(kuò)展

• 環(huán)境溫控能力強(qiáng)：支持恒溫室測試環(huán)境，穩(wěn)定性優(yōu)于±1℃，滿足如25℃、50%濕度等精密測試條件。

• 雙黑體兩點(diǎn)NUC測試：內(nèi)置差分校準(zhǔn)機(jī)制，補(bǔ)償圖像非均勻性，降低NETD變化影響，提高M(jìn)RTD數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：理論分析與系統(tǒng)實(shí)測的一致性

以某多波段紅外成像系統(tǒng)為例，利用DT系統(tǒng)進(jìn)行MRTD測試，其結(jié)果與理論值對(duì)比如下：

• 低頻段（<0.6 $f_N$）：測試值基本與理論預(yù)測吻合，采樣相位影響較小；

• 中頻段（0.6~0.9 $f_N$）：通過相位調(diào)控與動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬，MRTD誤差從2.0 K顯著降低至0.6 K；

• 高頻段（>0.9 $f_N$）：相位外采樣干擾嚴(yán)重，需通過過采樣與圖像增強(qiáng)技術(shù)優(yōu)化成像質(zhì)量。

圖2展示了不同頻段下測試值與理論值的差異，并驗(yàn)證了Inframet系統(tǒng)在中頻段的性能補(bǔ)償能力。

五、結(jié)論與建議

（1）研究結(jié)論

Inframet DT測試系統(tǒng)通過模塊化設(shè)計(jì)、采樣相位調(diào)節(jié)與動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬等手段，有效應(yīng)對(duì)了MRTD測試中頻率敏感區(qū)間帶來的精度問題，尤其在0.6~0.9 $f_N$區(qū)間展現(xiàn)出優(yōu)異的調(diào)控能力。輔以VirtMRTD與兩點(diǎn)NUC等技術(shù)，系統(tǒng)整體測試結(jié)果穩(wěn)定、可重復(fù)性強(qiáng)，具備廣泛推廣價(jià)值。

（2）應(yīng)用建議

• 測試系統(tǒng)選型建議：根據(jù)被測設(shè)備的分辨能力，選擇相匹配的準(zhǔn)直器組合（如SR/HR/UR/XR等級(jí)），確保靶標(biāo)質(zhì)量；

• 測試流程優(yōu)化建議：靜態(tài)測試中應(yīng)調(diào)整靶標(biāo)相位，動(dòng)態(tài)測試則配合目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模擬，保障覆蓋所有頻段；

• 未來發(fā)展方向：建議進(jìn)一步探索基于機(jī)器視覺的MRTD自動(dòng)評(píng)估方法，提升測試智能化與效率水平。