Testing and evaluation method for HDR thermal imaging system dynamic range performance

基于红外焦平面阵列探测器(Infrared Focal Plane Array, IRFPA)的热成像技术在军事和民用领域已广泛应用，但常规热成像系统在观测包含太阳、干扰弹、火焰等强辐射源的目标场景时，由于场景辐射范围超过系统实际动态范围(约50~60 dB)，造成图像无法完整还原在高温或者低温区域的辐射差异，往往会造成观测目标丢失问题。为此，高动态范围(High Dynamic Range, HDR)热成像技术^[1]成为重要的发展方向，目前主要有基于片上像素A/D变换技术^[2]和超帧成像技术^[3]两类方案。前者采用全数字的像素A/D变换技术(通常为16~18 bit的A/D变换)，不仅能够获得90~100 dB以上的动态范围，而且具有更高的探测性能，NETD达到小于10 mK的水平。后者采用基于常规的IRFPA的超帧成像方式，通过设置循环的多帧变积分时间控制，采集不同积分时间图像通过适宜的图像融合方法，得到HDR场景的热图像。

动态范围特性是HDR成像系统的重要特性，目前可见光成像领域已有较为成熟的动态范围测试评价方法(如基于HDR灰度测试卡等)，相应的可见光光源和靶标都易于获取，但是这些技术难以直接应用到HDR热成像领域。从原理上讲，HDR热成像系统动态性能测试与传统热成像系统在系统组成框架上没有明显差异，只是测试靶标需要产生1 000 ℃以上的HDR动态辐射。然而目前常用的标准辐射源如黑体靶标、电阻阵列靶标和激光靶标^[4]等，或受温度变化范围限制，或温度可控性较差，温控周期较长，均难以达到HDR动态红外辐射靶标的要求，即可有效控温、快速响应的高动态范围动态红外辐射靶标成为HDR热成像系统动态性能测试评价的关键。

文中针对HDR热成像系统动态范围特性测试评价问题，研究一种具备宽温度范围的动态可控红外辐射靶标及其对应的热成像系统动态性能评价方法，以实现HDR热成像系统高动态范围性能的测试评价。

目前关于HDR热成像系统公开研究较少，对于HDR热成像系统的动态范围没有明确的定义，为此需明确HDR热成像系统动态范围的定义，以指导测试评价方法及HDR动态红外辐射源靶标阵列设计。

超帧HDR成像技术主要可分为(辐)亮度融合和灰度融合两类方法。前者预先标定预设积分时间下成像系统响应函数^[5](如图1所示)，进而通过采集相应积分时间的多曝光图像，经过辐亮度映射生成可视化辐亮度图像(近似线性)。后者直接将多帧灰度图像对应像素进行加权平均^[6]或采取其他融合方法，无需估计系统响应函数，融合方式更为简便，但难以保证图像的线性关系。

Figure 1.  Temperature response curve of HDR thermal imaging

2018年，刘明聪^[7]等在传统红外探测器响应模型基础上，推导出变积分时间下热成像系统非均匀校正系数变化模型，并实现了基于响应函数的多积分时间图像融合，如图2所示(基于FLIR公司制冷型长波红外热像仪x6570sc，探测器阵列640×512，响应波段7.7~9.3 μm，NETD<25 mK)。

Figure 2.  HDR fusion result based on the response function of each pixel (LWIR)

根据强辐射目标或干扰辐射与常规场景的辐射差异较大的特点(如图3所示)。2019年，李硕^[8]等提出了一种基于灰度-梯度估计的多积分时间红外图像融合算法，通过采集较大的跨温度区域多积分时间图像，采用非线性灰度融合方法实现了HDR热成像(如图4所示)，通过积分时间的优化，可实现不低于100 dB的HDR热成像。

Figure 3.  Target temperature distribution of HDR target scene

Figure 4.  Multi-integration times infrared images fusion result based on grayscale-gradient estimation

鉴于HDR热成像技术的日趋成熟，其动态范围性能的评价成为迫切需要解决的问题。目前对热成像系统动态范围有不同的认识，其定义直接影响HDR靶标温度范围的设计。以热成像系统的噪声等效温差NETD作为标尺，对目标场景的温差进行衡量是一种较为合理的方法，即场景HDR评价方法。假设目标场景最大可探测温度范围为ΔT_Range，则以NETD衡量的动态范围为：

这种方法实际上与数字图像A/D位数的评价方法是一致的，但根据实际探测器的工作状况，对于线性探测器响应和“S”形探测器响应，存在两种不同的平均方法。

假设探测器为线性响应，即探测器A/D具有D(bit)的动态范围，在特定积分时间τ下，IRFPA探测器可探测的最低温度为T_min，最高温度为T_max=T_min+(2^D−1)NETD，目标场景的最低温度为T_{h min}，则对应常规热成像系统的动态范围可表示为：

例如，假设T_min=0 ℃，T_hmin=15 ℃，系统NETD=30 mK，D=14 bit，则T_max=491.49 ℃，成像动态范围DR=84.0 dB。

由于实际红外探测器的响应曲线通常为S形，探测器A/D难以保证14 bit均能有效区分，对于上面示例情况，假设实际有效A/D位数D= 12 bit，则有T_max=122.85 ℃，成像动态范围DR′≈ 71.8 dB；有效A/D位数D=13 bit，则有T_max=245.73 ℃，成像动态范围DR' ≈ 77.7 dB。

虽然基于片上像素A/D变换技术和超帧成像技术的HDR热成像系统均能达到90~100 dB的高动态范围，但是两者的NETD数值相差较大，使得系统实际响应的最大场景温差也存在差异。例如，前者在90~100 dB动态范围下有效响应的最大温差在1 000 ℃左右，后者在4帧叠加融合状态的90~100 dB动态范围下，有效响应的最大温差可达1 000~3 000 ℃。鉴于常规黑体辐射源无法满足大温差范围和动态调制能力的需求，设计采用一种HDR动态红外辐射源阵列靶标。该辐射源阵列靶标由动态红外辐射源阵列、靶标板、模拟驱动电路板、数字信号处理板等部分组成。

当HDR热成像系统的NETD=(20~30) mK时，若测试场景动态范围超过100 dB，则要求测试靶标的温度范围达3 000 ℃，超过90 dB则需要的温度范围达1 000 ℃。综合考虑到当前辐射源器件性能和实验室测试方式，选取1 000 ℃作为靶标的温度范围，可测试HDR热成像系统动态范围约为(93.98~90.46) dB。为了测试HDR热成像系统在中间温度区域的响应特性，在1 000 ℃温度区间内需设置若干动态调制辐射源，实现全温度范围辐射源分布。

为此，给出了HDR动态辐射源阵列靶标的设计方案为：在低温温度区间(−50 ℃至室温)设置2个具备温差的低温辐射源；在高温900 ℃以上设置2个具备温差的高温辐射源；在中间温度区域（室温至900 ℃），设置6个相位存在确定差异的动态调制辐射源。使得HDR动态红外辐射源阵列靶标同时具备超过1 000 ℃的温度范围、高中低温度区间、稳定控温能力及温度动态变化能力，实现了实验室环境模拟外界温度场景的能力。

考虑到系统功耗及辐射源器件可提供的温度范围，采用微型辐射源构建辐射源阵列。

（1）辐射源选取

选择的Helioworks公司微型红外辐射源具有温度范围广、功耗低、寿命长、响应速度适中、驱动简单等优势，表1给出了所采用的四种辐射源器件的主要参数。

Model	EK-8270	EK-8620	EF-8533	Low temperature source
Firm	Helioworks	Helioworks	Helioworks	Self-made
Surface
Radiation materials	Kanthal filament	Kanthal filament	NiCr filaments	TEC
Emissivity	0.7	0.7	0.88	-
Temperature range	Up to 1050 ℃ Steady state	Up to 950 ℃ Steady state	25 -700 ℃ Modulation mode	−20 -25 ℃ Steady state
Package	TO-8	TO-8	TO-8	TO-3
Peak power/W	8.4	1.5	4	2.5
Window	No window	No window	ZnSe window	ZnSe window
Wavelength range	All	All	0.6-20 μm	0.6-20 μm

Table 1.  Parameters of four infrared radiation sources

其中，电可调制脉冲红外辐射源EF-8533是一种峰值温度达700 ℃的中温可调制动态红外辐射源，可运行于调制或稳态模式，其运行时电压与电流关系如图5(a)所示；运行于脉冲模式时该辐射源调制频率范围为0~2 Hz，且调制度曲线如图5(b)所示。经过测试，在25~700 ℃的温度范围内，随着输入电压的提升，辐射源温度变化与输入电压呈良好的线性关系，符合控温稳定性要求。

Figure 5.  Curves of EF-8533’s parameters

另外，选取低温辐射源需要考虑到辐射源体积及控温可靠性的影响。设计了一款最低温度达−20 ℃，TO-3封装的微型低温辐射源：采用半导体制冷片作为低温红外辐射源，通过调整输入功率调节制冷片的冷端温度；在冷端辐射面上放置微型热敏电阻，结合控温电路及算法，实现制冷片冷端温度控制；考虑到低温辐射面结霜，影响低温辐射源发射的问题，将半导体制冷片封装于填充氮气的TO-3金属外壳内，采用硒化锌薄片作为红外透射窗口，透过波段0.6~20 μm。

（2）辐射源的驱动与控制

对10只辐射源均采取直流驱动、温度反馈补偿的方式进行控温，且对每只辐射源分配独立的控制驱动电路，单路辐射源控制驱动电路结构如图6(a)所示。实际制作的控制电路板将10路控制驱动电路分布于两片PCB版上(如图6(b)所示)，其中上层PCB板为数字信号处理板，以FPGA芯片为主控，完成数字控温算法及辐射源动态调制功能，下层PCB板为模拟驱动电路板，按照辐射源功率要求可调节驱动功率。

Figure 6.  Drive and control circuit of infrared source

（3）辐射源标定

辐射源实际温度表现与材料表面发射率有关，尤其低温辐射源采用的TEC表面发射率未知。因此对各个辐射源的实际辐射温度按照发射率为1.0进行重新标定，标定方法及辐射源控温稳定性测试结果如表2所示。

（4）辐射源前面板设计

将辐射源按照低温区、中高温区、高温区进行划分，HDR靶标前面板排布方案及外观如图7所示。各个红外辐射源位于靶标板后方，通过靶标板上直径10 mm的圆孔透过辐射。靶标板为铝材质，外表面喷涂黑体漆。

Figure 7.  Appearance of HDR infrared radiation sources array target

如图8所示，令六只辐射源均按照锯齿波形调制，且调制波形保持π/6相位差。在任一时刻（如t₀），六只辐射源始终具有相同温差，且令辐射源处于线性升温状态便于观察灰度变化规律。通过观察热成像系统观测靶标记录的图像序列可测试六个中温辐射源的辐射差异。

Figure 8.  Modulation curves of medium-temperature infrared radiation source

按照NETD=(20~30) mK计算，在动态范围在超过80 dB之后，由高温、低温辐射源的温度不确定度4.2 ℃造成的动态范围不确定度在0.18~0.12 dB以内，满足动态范围测试要求。动态中温辐射源控温稳定性要求源于调制波形要求，实测时按照HDR热像仪帧频不高于50 fps计算，设定中温辐射源调制频率0.1 Hz下，每周期10 s时间内，热像仪采集500个调制曲线上的坐标断点，相邻坐标断点温差约为1.35 ℃，实测中温辐射源控温稳定性0.3 ℃，不会引起曲线上升趋势的模型变化。即辐射源温度稳定性及重复性满足动态范围测试要求。

基于HDR动态红外辐射源阵列靶标及HDR热成像系统的NETD，结合场景动态范围计算方法，可进行常规热成像系统和HDR热成像系统的动态范围特性测试评价。

（1） HDR动态红外辐射源阵列靶标开机并选择测试模式，分别设定稳态低温辐射源为−20 ℃、−10 ℃，稳态高温辐射源为950 ℃、1 050 ℃，6只中温辐射源的调制波形为频率0.1 Hz相位相差π/6的锯齿波；

（2）将待测试HDR热成像系统调焦成像在HDR动态红外辐射源阵列靶标上(如图9所示)，调节阵列靶标的高温和低温辐射源，确定能区分的高低温度之差即为基于响应函数的HDR热成像系统的动态范围，并根据系统NETD值确定实际可探测等级或动态范围dB值；

Figure 9.  Testing system of HDR thermal imaging

（3）观测并记录阵列靶标调制曲线3个周期时间(即30 s)以上，读取HDR热成像系统观测的数字图像序列，手动选取待处理辐射源区域的灰度并计算灰度均值，得到测试曲线；

（4）对HDR热成像系统的动态范围评价包括基于响应函数的HDR动态特性评价和基于多积分时间+非线性自适应动态范围压缩的HDR动态特性评价。前者要求按照测试流程得到基于响应函数的HDR热成像系统的场景温度动态范围dB值，且观测中温辐射源灰度变化与动态红外辐射源阵列靶标设置一致时确认该值有效；后者要求观察及采集中温辐射源灰度变化均清晰可辨，确定出的高低温差之差即为非线性HDR热成像系统场景温度动态范围，由此计算动态范围dB值。

采用基于超帧的HDR长波红外热成像系统(探测器规模256×256)的4帧融合为1帧的HDR成像模式(原始数据位宽14 bit，NETD=30 mK，理论动态范围约96.33 dB，实测系统动态范围不低于91.05 dB)、单积分时间模式(原始数据位宽14 bit，典型NETD=30 mK，理论上具备90 dB的动态范围)、Iraytek公司非制冷长波热像仪LA6110 (原始数据位宽14 bit，NETD=40 mK，数字动态范围极限约84 dB)进行了观测对比实验。实际观测时，3款热成像系统可视8 bit图像均由原始 14 bit或16 bit图像经AGC压缩算法获得。

实际观测6个中温辐射源变化规律如图10所示。

Figure 10.  Target observation effects of several imaging mode

（1）在HDR热成像系统的HDR成像模式下，图像高温辐射源灰度差异可分辨，低温辐射源灰度差异可分辨，对6个中温辐射源的灰度响应按照辐射调制规律变化，且辐射源之间的灰度差异始终清晰可辨，表明HDR热成像具备有效的场景温度动态范围；

（2）在HDR热成像系统的单积分时间模式下，对低温辐射源响应灰度相近时，且无法分辨两只高温辐射源的温度差异，表明在单积分时间下图像高温区域响应已饱和；

（3）在LA6110观测下，该系统理论动态范围不足以观测HDR动态靶标1 070 ℃的温度范围，无法分辨两个高温辐射源的辐射差异，且6个中温辐射源的灰度变化不明显，辐射差异无法被清晰观测。

按照基于多积分时间+非线性自适应动态范围压缩的HDR动态范围特性评价方法，分析HDR热成像系统HDR模式对各个辐射源的灰度响应曲线，如图11所示。6个中温辐射源灰度变化规律与辐射源温度调制规律一致，且6条响应曲线没有重合，表明不同中温辐射源在任一时刻下，呈现出的辐射差异均能被有效捕获并展现，这与实际观测结果相符，此时测得的场景动态范围实际数值有效。此外做出HDR热成像系统单积分时间模式、常规热成像系统LA6110图像对应的图像灰度响应曲线，用作对8 bit图像观测效果的补充，如图11(b)、(c)所示。图11(b)中，由于高温区域饱和造成的两条高温响应曲线重合，对应实际观测效果的高温区域灰度差异无法分辨，图11(c)中，高温区域饱和造成高温区域响应曲线重合，且中温区域灰度变化范围小，曲线重合度高，与实际观测图像中的中温区域灰度差异难以分辨、中温区域灰度变化不明显的现象相符合。

Figure 11.  Grayscale response curves of HDR thermal imaging system in HDR mode

在对HDR热成像系统测试及对比的基础上，按照测试流程分别对HDR热成像系统HDR模式(14 bit)、HDR热成像系统单积分时间模式(228.6 μs,14 bit)及常规长波非制冷热成像系统Iraytek LA6110(14 bit)进行的动态范围测试结果如表3所示。其中HDR热成像系统HDR模式下饱和灰度值为14 400 （受辐射源温差限制，尚未饱和），单积分时间模式下饱和灰度值为12 000 （受辐射源温差限制，尚未饱和），常规长波非制冷热成像系统IraytekLA6110饱和灰度值为16 383 (接近饱和)，所得动态范围测试结果在各系统灰度响应未饱和截止情况下获得。

HDR热成像技术具有广泛的应用前景，其系统应用离不开动态范围性能的评价。针对现有的HDR热成像系统测试方法并未得到广泛认可的问题，文中研究了HDR热成像系统动态范围特性的测试评价技术，设计研制的HDR动态红外辐射源阵列靶标具备宽温度范围、多温度区域、结合恒定温度与温度变换的特性，可以测试HDR热成像系统的实际动态范围以及评价其在高动态范围下的性能表现，为HDR热成像系统动态范围性能的测试提供了行之有效的方法，对HDR热成像技术的性能评价和生产过程的质量控制等均具有重要意义。

目前，受器件性能的限制，HDR动态红外辐射源阵列靶标的温差范围还不足覆盖描述实际典型目标场景的温度范围。此外，结合中温动态红外辐射源的调制变化规律设计，更有效地描述HDR热成像系统的动态范围等均是后续需进一步研究的问题。