噪声等效温差(NETD)测试方法分析尹达人许生龙(南京理工大学,南京,210014)(昆明物理研究所,昆明,650223)【摘要】讨论了扫描热象仪及红外焦平面凝视热象仪NETD的计算公式,其中最关键的是噪声等效带宽的计算,作者建议,除了要标定噪声等效温差,还应标定噪声等效发射率差及噪声等效反射率差。【关键词】热象仪噪声等效温差噪声等效带宽收稿日期:199610211前言文献[1,2,3]介绍了美军热象仪规范手册中给出的热象仪性能参数,直至目前,国内、外均沿用上述参数进行评价,其中主要的测试参数是最小可分辨温差(MRTD)及噪声等效温差(NETD)。在文献[4]中,我们对MRTD进行了分析,本文主要分析NETD的测试方法。国内已发表了不少NETD测试数据,文献[11]给出“风云一号”卫星扫描辐射计NETD≤0.8K,文献[12]中给出该焦平面凝视热象仪NETD=0.42℃,文献[14]中给出了天津、昆明、上海、北京各红外研究所研制的热象仪的NETD值,各为0.3～0.4℃,0.1～0.2℃,0.1～0.2℃,≤0.2℃,从下述分析估计,这些数据还有噪声等效带宽计算的统一性问题。对于NETD,文献[2]的定义是“使用3dB截止为1/(2t)的标准滤波器(t为探测器滞留时间),在多路传输之前,系统所产生的信号及噪声(均方根值)之比为1时,所需的大空间目标(大于或等于瞬时视场)和背景的温差”。它标志热象仪可探测的最小温差。实际上,噪声等效功率是电子系统普遍使用的参数,它是衡量系统在噪声中辨别小信号能力的参数,主要与滤波器带宽有关,但是这一参数常常不能全面反映整个系统的性能。2NETD公式的推导光机扫描热象仪NETD的推导[5]:在一背景中有一黑体目标,两者温差为�T,目标的温度为T,其光谱辐射通量密度为W�(T),按朗伯余弦定律,则其光谱辐射亮度B�(T)=[W�(T)]/�,若热象仪与目标的距离为d,且其光学系统的有效面积为A0,目标对热象仪主镜的张角为A0/d2,主镜所接收的光谱辐射照度为[B�(T)A0]/d2,热象仪瞬时视场为��,在d处所对应的目标面积为��d2,忽略大气透过率,只考虑光学系统透过率�0(�),热象仪接收该面积的目标光谱辐射功率为:P�(T)=(1/�)W�(T)��A0�0(�)(1)热象仪从背景扫到目标时,其接收的辐射变化量为:�P�(T)�T=��A0�0(�)��W�(T)�T(2)若探测器的光谱响应率为R(�)=VnD*(�)ab�fR,其中�fR为系统噪声等效带宽,Vn为均方根噪声电压,D*(�)为归一化探测率,ab是探测器面积,由目标与背景的温差所产生的电压变化量为:�Vs(�)�T=�P�(T)R(�)�T=A0��0(�)VnD*(�)�ab�fR��TW�(T)(3)31Vol.19No.4红外技术对系统响应波长�1～�2积分,用小信号近似,得:�VsVn=�TA0���ab�fR·�2�1�W�(T)�TD*(�)�0(�)d�(4)把信号峰值电压与噪声的均方根值之比等于1时的温差定义为NETD,则:NETD=�ab�fRA0��1�2�1�W�(T)�TD*(�)�0(�)d�(5)红外焦平面凝视热象仪NETD的推导是按文献[11,12]的思想,具体公式还稍有不同。从背景扫到目标时,若其温度变化�T,则其辐射变化量按(2)式为:�P�(T)�T=��A0�0(�)��W�(T)�T若焦平面器件的光谱响应率为R1(�),在积分时间t内,由�P�(T)引起的输出信号电流为:Is(�)=R1(�)�P�(T)t=R1(�)��A0�0(�)t�T���TW�(T)(6)焦平面器件的噪声电流IN取决于噪声电子数Ne,IN=Neq(7)其中q是电子电荷。若系统的响应波长为�1～�2,则IsIN=��A0t�T�Neq·�2�1R1(�)�0(�)��TW�(T)d�(8)当Is/IN=1时的温差,即为焦平面系统的NETD,NETD=�Neq��A0tR1�0�2�1��TW�(T)d�(9)其中R1及�0是在�1～�2中R1(�)及�0(�)的平均值。文献[10]认为,D*及NETD只适合光机扫描系统,这还应深入研究。3若干问题讨论3.1噪声等效带宽的讨论对于扫描热象仪,其噪声等效带宽直接影响NETD,为红外界人士关注。文献[7]把热象仪电子带宽定义为:�f=k(f2-f1)(10)其中k为常数,f2=[(AB)/(��)]F,f1=F,其中AB为搜索视场,��为瞬时视场,F为帧速。文献[8]把电子带宽定义为:�f=k/�(11)其中�是输入脉冲宽度,k是常数,“要接近于传输矩形脉冲的最佳情况,k=0.5”[8]。目前国内红外界一般按LloydJ.M[5]的推导进行计算,系统噪声等效带宽�fR定义为:�fR=∞0g2(f)r2e(f)df(12)其中g(f)是探测器的噪声谱,r...
