1.技术背景
热像仪的有效监控范围受目标温差、目标大小、大气透射、热像仪环境温度(Tamb)和目标背景温度(Tback)等多个参数影响。其中，Tamb 和 Tback 在不同地理区域、时间和应用场景下变化范围可达-40℃至 +70℃，但实验室测试通常仅在约20℃的环境下进行，无法全面反映热成像仪实际工作时的性能。
图1 不同高度下的热像仪环境与目标背景温度差异
极端温度会影响热成像仪的光学材料和电子器件等性能，如光学材料的透射率/折射率，热膨胀现象导致光学元件之间的距离的变化，而实验室测试无法有效模拟这些情况。实地测试虽能在真实场景下评估热成像仪性能，但成本高昂且耗时，测量结果易受大气渗透性、背景温度及均匀性等因素影响，结果不稳定且可比性差。
图2 非热化处理较差的60mm长波红外(LWIR)物镜不同温度下的MTF
目前市场上基于热像仪温控和整体温控两种设计理念构建的测试系统，均无法满足对 Tamb 和 Tback 的独立调节需求，只能模拟部分工作场景，无法全面准确地评估热成像仪在各种实际工作条件下的性能。
2.EXIR-3高低温箱热像仪测试系统
为克服现有测试方法的局限性，本文作者Krzysztof Chrzanowski (波兰Inframet创始人)提出一种基于两个温控室(热像仪室和投影室)的双腔测试系统 - EXIR-3高低温箱热像仪测试系统，其核心创新在于能够独立调节 Tamb 和 Tback，精确模拟热成像仪在实际工作中的各种场景，填补了当前市场上测试系统的技术空白。
3.系统设计与模块功能
3.1.测试系统作为关键模块，采用特殊设计的平行光管、黑体、靶标轮和靶标组，可在极端温度下工作。通过使用低热膨胀系数材料进行被动校正，并结合主动校正措施(如可调节高度的靶标轮、平行光管支腿电机组等)，确保投影图像质量不受环境温度影响，满足高分辨率和低角位移要求。
3.2.热像仪室为解决传统红外窗口在高温差下表面平整度变形导致图像质量下降的问题，提出使用双层玻璃、倾斜窗口及无应力光学底座安装光学元件的创新方案，有效降低机械应力和变形，确保图像传输质量。
3.3.投影室基于大型温控室改造，需具备更高的温度稳定性。通过采用连续调节加热和冷却功率的控制系统，保持稳定的干燥空气流通，确保室内温度均匀性，满足热成像仪性能测试对温度稳定性的严格要求，避免因温度波动导致测试误差。
图3 基于两个温控室的双腔测试系统的原理图
图4 EXIR 3 高低温箱热像仪测试系统
在初步测试中，使用 EXIR 3 高低温箱测试系统对七款热像仪进行模拟实际工作条件下的测试，测量了成像分辨率和热分辨率。测试结果显示，热像仪性能在不同模拟工作条件下差异显著。两台热像仪在极端条件下性能下降甚至无法工作，而部分成像仪性能相对稳定，甚至在某些条件下有所提升。
图5 可变Tamb下的可见光相机与热红外相机的归一化(20℃Tback)分辨率
图6 可变Tback下的可见光相机与热红外相机的归一化(20℃Tamb)分辨率
通过实验验证，该系统能够准确测量热成像仪在不同工作场景下的性能参数，如调制传递函数(MTF)、最小可分辨温差(MRTD)和噪声等效温差(NETD)，在实验室和极端温度条件下均能提供可靠的测试结果。
热成像仪性能对目标温度的敏感性通常高于相对背景温度，尤其在图像分辨率方面。这些测试数据对热成像仪用户和设计人员具有重要价值，能够帮助用户评估成像仪在极端条件下的性能下降程度，以及是否满足应用需求;同时也为设计人员提供了优化成像仪光学性能、图像处理算法和电子通道增益等方面的参考依据。
图7(a)EXIR-1
图7(b)EXIR-2
图7(c)EXIR-3
图7(a)EXIR-1、(b)EXIR-2、(c)EXIR-3 高低温箱热像仪测试系统结构图
当Tamb等于Tback时(水平角度配置)，EXIR-1系统能够较高精度模拟监视场景(由于Tamb与Tback存在一定的差异，使得模拟精度低于以往)，EXIR-2系统能够精确模拟常规监视场景。
当热像仪Tamb不等于Tback时(向上/向下俯仰)，EXIR-3系统能够精确模拟所有常规监视场景。
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测试系统 |
目标温差 |
热像仪环境温度（Tamb） |
背景温度（Tback） |
应用 |
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EXIR-1 |
0至10℃ |
-40℃至60℃，最高至90℃ |
-40℃至60℃，模拟与Tamb相似的温度 |
模拟水平工作条件 |
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EXIR-2 |
0至10℃ |
-40℃至60℃ |
-40℃至60℃，模拟与Tamb完全相同的温度 |
模拟水平工作条件 |
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EXIR-3 |
0至10℃ |
-40℃至60℃ |
-40℃至60℃，模拟与Tamb不同的温度 |
模拟所有角度工作配置（水平、向上/向下俯仰） |
6.公司介绍
波兰Inframet公司专注于光电系统的全面测试的解决方案，涵盖热成像仪、夜视设备、VIS-NIR相机、SWIR成像仪、激光测距仪、激光指示器、多传感器系统、融合系统、紫外相机、光学瞄准器等产品，与图像增强管、红外FPA/CCD/CMOS成像传感器、光学物镜等模块，为客户产品的质量控制、设计优化、制造和维护等流程进行全面服务。
原文链接：https://journals.pan.pl/dlibra/publication/145327/edition/126675/content
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