用三维噪声模型对扫描型热像仪测试与分析

    引言

    噪声是光电转换技术中的重要参数。热像仪图像质量的好坏很大程度上取决于噪声的控制。噪声等效温差（NETD）是热像仪综合性能评价中的重要参数之一，它直接反映了噪声（或信噪比）的水平。从广义上来说，噪声定义为各种源引起的不希望的信号成分。噪声以不同方式表现出来，如随机噪声、固定图案噪声、线与线之间的不均匀性、移动的频带和闪烁的通道。因为噪声的瞬变属性，量化这些效应是困难的^[1,2]。目前国内对一代、二代热像仪噪声产生原因的分析多数借鉴了国外的分析结论，缺乏实践依据，很多分析甚至是错误的。由此引出的问题是，热像仪噪声评价的不客观、不准确。

    以往噪声的评价多以时间域噪声等效温差的测试为主，而忽视空间域噪声的测量。因为热像仪以多种方式出现噪声，由此引入了用三维噪声模型进行评估。本文对国内典型的一代与二代扫描型热像仪作为分析对象，结合对三维噪声模型的研究，深入分析了一代、二代扫描型热像仪噪声产生的原因，结合三维噪声模型测试对两类产品进行测试和分析，量化各种噪声。对比分析了一代、二代扫描型热像仪的噪声特点，提出了自己的观点。

    1 三维噪声

    1.1 噪声模型

    三维噪声模型是由 D’Agostino 和 Webb 创立的^[2]，它将综合性的噪声按时间和空间（行、列）细分为 8个分量（其中一个是总噪声）来分析，这种方法有助于对噪声的细节解析和控制。

    图 1 中 T 方向表示帧序列的时域坐标，其它两维提供空间信息。对应于图 1，根据红外成像系统设计，扫描系统由于存在扫描机构，对于多元线列扫描系统，H 和 V 与时间相关；对于焦平面扫描系统，H 与时间相关；对于凝视系统 H 和 V 与空间相关。对凝视阵列，m 和 n 表示探测器位置。对并扫描系统，m 表示探测器位置，n 表示数字化的模拟信号。对串扫描系统，m 表示光栅线数，n 表示数字化模拟信号。

    表 1 列出各分量元数^[2]，并用图 2 表示。

    图 2 中：N_TVH为 m×n 像元 N 帧数据组；N_VH为N 帧平均后每像元数据组；N_TV为 n 像元平均后的每行的数据组；N_TH为 m 像元平均后的每列数据组；N_V为 n 像元和 N 帧平均后每行数据组；N_H为 m 像元和N 帧平均后每列数据组；N_T为 m×n 像元平均后每帧数据组；S 为 3D 数据库所有点数据值的全部平均。