CN101825516A - 一种红外焦平面阵列器件的测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外焦平面阵列器件的测试装置，包括辐射源与焦平面阵列模块、驱动控制模块和数据采集处理模块，辐射源与焦平面阵列模块包括红外辐射源、光学***、被测试红外焦平面阵列；驱动控制模块包括偏压控制模块、温度控制模块和时序控制模块；据采集处理模块包括模拟-数字信号转换器、视频输出模块、数据采集卡和数据分析处理模块。本装置具有成本低，效率高，准确可靠等特点，适合大规模红外焦平面阵列器件的测试。对于器件设计制造者和热成像***的设计者来说都有着非常重要的指导意义。

Description

一种红外焦平面阵列器件的测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，具体涉及一种新型通用的红外焦平面阵列器件测试装置及其测试方法。

背景技术

红外成像是多学科、多领域技术综合发展的产物，其关键技术包括：红外敏感材料、半导体器件工艺、集成电路设计、封装技术、测试技术和真空技术等。近年来，伴随各门技术的快速发展，红外成像技术也得到了迅速发展，在民用和军用方面得到了广泛的应用。红外焦平面阵列(IRFPA)是凝视型红外热成像***的核心器件，其性能直接关系到红外热像仪的性能评价和图像处理算法的优化。搭建一个有效的红外焦平面阵列器件性能参数测试平台是对红外焦平面阵列器件进行准确评价的前提；同时，红外焦平面阵列性能参数及数据统计特征是进行红外成像图像处理的重要依据，图像处理算法的效果，除了与算法本身有一定关系外，还与图像的数据特征直接相关。因此，红外焦平面阵列器件性能参数测试，对于器件设计制造者和热成像***的设计者来说都有着非常重要的指导意义。

与单元红外探测器不同，红外焦平面阵列不仅能将热辐射转化为微弱的电信号，而且还带有读出电路(ROIC)，能将获取的面阵信号经一定的方式输出。因此对红外焦平面阵列的参数评价与对单元红外探测器的参数评价有着很大不同，除了要对每个探测器像元的性能进行评估外，还应对红外焦平面阵列的性能有整体的评价参数。

红外焦平面阵列器件特性参数测试标准是1998-07-18发布，1999-05-01开始实施的中华人民共和国国家标准GB/T 17444-1998《红外焦平面阵列特性参数测试技术规范》，该规范***性地给出了用于评价红外焦平面阵列的参数定义和测试方法，对红外成像器件的研究和应用很有意义。主要通过以下指标描述红外焦平面阵列性能参数：

(1)像元响应率：焦平面在一定帧周期或行周期条件下在动态范围内像元每单位辐照功率产生的输出信号电压。

(2)无效像元，包括死像元和过热像元。死像元：像元响应率小于平均响应率10％的像元。过热像元：像元噪声电压大于平均噪声电压10倍的像元。

(3)像元噪声电压：焦平面在背景辐照条件下像元输出信号电压涨落的均方根值。

(4)噪声等效温差：平均噪声电压与目标温差产生的信号电压相等时该温差称为噪声等效温差。

(5)像元探测率：单位辐照投射到单位面积的像元上，在单位带宽内获得的信噪比。

(6)动态范围：饱和辐照功率与噪声等效辐照功率之比。

(7)光谱响应范围：相对光谱响应为0.5时，所对应的入射辐照最短波长与最长波长之间的波长范围。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种红外焦平面阵列器件的测试装置及其测试方法，该测试装置及测试方法可直接测试各种红外焦平面阵列器件，方便、快速、准确地提供各种性能参数。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种红外焦平面阵列器件的测试装置，其特征在于，包括辐射源与焦平面阵列模块、驱动控制模块和数据采集处理模块，其中：

①辐射源与焦平面阵列模块包括：

一红外辐射源：提供具有较高发射率、良好稳定性、均匀性和低漂移特性的黑体辐射源；

一光学***：主要由红外光学透镜构成，对焦平面的红外探测波段具有良好的透过率，过滤红外探测波段以外的波段，将红外辐射源的红外辐射聚焦到红外焦平面阵列上；

一被测试红外焦平面阵列；

②驱动控制模块包括：

一偏压控制模块：向被测红外焦平面阵列器件提供工作所需的低噪直流偏压；

一温度控制模块：向被测红外焦平面阵列器件提供温度控制，保证温度的均匀性；

一时序控制模块：控制各模块之间能同步协调工作；

③数据采集处理模块包括：

一模拟-数字信号转换器：转换数字信号或模拟信号；

一视频输出模块：将模拟信号在显示器上成像；

一数据采集卡：采集经转换后的数字信号并传输到计算机；

一数据分析处理模块：对采集到的信号进行分析处理；

④所述偏压控制模块连接被测红外焦平面阵列器件，提供工作所需的低噪直流偏压；所述温度控制模块连接被测红外焦平面阵列器件，控制其温度的均匀性；所述时序控制模块同时连接被测红外焦平面阵列器件、模拟-数字信号转换器和数据采集卡，向被测红外焦平面阵列器件提供时序控制，使其内部的读出电路能正常工作，同时还向模拟-数字信号转换器和数据采集卡提供同步信号，确保三者能同步协调工作；所述红外辐射源通过光学***准直后聚焦到被测红外焦平面阵列器件上，通过模拟-数字信号转换器将模拟信号输送给视频输出模块在显示器上成像，另还将模拟信号输送给数据采集卡，由数据采集卡传到计算机，由数据分析处理模块进行数据分析处理，得到被测红外焦平面的特性参数。

一种红外焦平面阵列器件的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集焦平面阵列原始数据(共F帧)；

将原始数据转化为模拟电压值；

对F帧电压值求平均，得到每个像元的F帧平均响应电压；

计算阵列平均电压值；

计算像元响应率；

计算阵列平均响应率；

计算死像元数，并确定其坐标；

计算像元噪声电压；

计算阵列平均噪声电压；

计算过热像元数，并确定其坐标；

计算修正阵列平均相应率和修正阵列平均噪声电压；

计算空间噪声电压；

计算像元探测率；

计算阵列平均探测率；

非均匀校正；

计算噪声等效温差；

计算噪声等效功率；

计算动态范围。

按照本发明所提供的红外焦平面阵列器件的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤101，开始；

步骤102，对原始数据进行采集；

步骤103，将原始数据从二进制转换到十进制，得到焦平面阵列每一个像元的模拟电压值U′[(i，j)，f]，f为帧序数，i为阵列行序数，j为阵列列序数；

步骤104，对在步骤103获得的F帧电压数据作平均，计算公式为：

$U(i,j)=\frac{1}{F}\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}{U}^{\′}\[(i,j),f\];$

步骤105，对在步骤104求得的一帧数据作平均，得到焦平面阵列平均电压值，计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{U}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}U(i,j)}{M\×N}$

式中，M和N分别为焦平面阵列的总行数和总列数，M×N就是阵列的像元总数；

步骤106，对焦平面阵列每个像元的响应率进行测试：

响应率等参数的测试，可归结为两种辐照条件下的响应电压测试，即背景响应电压测试和黑体响应电压测试，背景响应电压测试和黑体响应电压测试分别用两个不同温度(T1，T2)下的电压响应表示，通常测试时要求黑体源的温度范围为室温～1000K，输出不加调制；黑体辐射孔到焦平面的距离应大于辐射孔径的20倍，以保证点光源辐照；黑体辐射入射方向与焦平面光敏面的法线夹角小于5°；焦平面的输出电压经放大后不得超过后续***的动态范围，若被测试探测器为热释电探测器，则为使探测器探测到目标场景和某个参考温度之间的温度变化，必须有光学斩波器已实现交流耦合，分别在温度T₁和温度T₂下，连续采集F帧数据，在温度T₁下测得的F帧数组记为U′₁[(i，j)，f]，在温度T₂下测得的F帧数组记为U′₂[(i，j)，f]，然后用步骤104所述的方法分别求得两个温度下的单帧像元相应电压；

在温度T₁下，像元的响应电压为：

$U_1(i,j)=\frac{1}{F}\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}{U}_1^{\′}[(i,j),f]$

在温度T₂下，像元的响应电压为：

$U_2(i,j)=\frac{1}{F}\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}{U}_2^{\′}\[(i,j),f\]$

则像元在T₁、T₂两温度下的响应电压差值为：

ΔU(i，j)＝[U₂(i，j)-U₁(i，j)]

响应率为：

$R(i,j)=\frac{\mathrm{\ΔU}(i,j)}{P_2-P_1}$

P₁、P₂为焦平面接收到的来自黑体在温度T₁、T₂下对应的光照强度。

且有： $P=\frac{\mathrm{\σ}\×T^4\×d^2\×A_D}{\mathrm{\π}\×L^2}$

式中，σ为斯忒潘常数，其值为5.673×10-¹²(W·cm^-2·K^-4)；T为温度，K、d为黑体辐射孔径，单位：cm；A_D为焦平面像元面积，单位：cm²；L为黑体出射孔至焦平面像元面垂直距离，单位：cm；

步骤107，计算焦平面阵列的平均响应率：

为焦平面阵列像元响应率的平均值，单位为V/W，其表达式如下：

$\stackrel{\‾}{R}=\frac{1}{M\×N}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}R(i,j)$

式中，R(i，j)为步骤106中所求得的像元响应率；

步骤108，计算死像元数，并确定其坐标：

根据步骤107计算得出的阵列平均响应率

可对死像元作出判断，即像元响应率小于平均响应率1/10的像元，死像元数记为d。同时可以确定死像元的位置坐标；

步骤109，计算像元噪声电压：

像元噪声电压即焦平面在背景辐照条件下像元输出信号电压涨落的均方根值，符号为U_N(i，j)，单位：伏特(V)，

像元的噪声电压计算公式为：

$U_N(i,j)=\sqrt{\frac{1}{F-1}\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}\{U(i,j)-U^{\′}\[(i,j),f\]{\}}^2}$

焦平面器件的噪声可分为平均噪声和空间噪声两类；

步骤110，计算阵列平均噪声电压：

阵列平均噪声电压就是焦平面阵列各有效像元噪声电压的平均值，符号为

单位为V，其表达式为：

$\stackrel{\‾}{U_N}=\frac{1}{M\×N}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_N(i,j)$

式中，U_N(i，j)为像元噪声电压；

步骤111，计算过热像元数，并确定其坐标：

根据步骤110计算得出的阵列平均噪声电压可对过热像元作出判断，即像元噪声电压大于阵列平均噪声电压10倍的像元，过热像元数记为h，同时可以确定过热像元的位置坐标；

步骤112，计算修正阵列平均响应率和修正阵列平均噪声电压：

在步骤108和步骤111中，分别得到了死像元数d和过热像元数h，基于此，利用公式

$\stackrel{\‾}{R}=\frac{1}{M\×N-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}R(i,j)$

可得到修正阵列平均响应率；利用公式

$\stackrel{\‾}{U_N}=\frac{1}{M\×N-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_N(i,j)$

可得到修正阵列平均噪声电压；

步骤113，计算空间噪声电压：

空间噪声电压为响应率不均匀性U_R与平均黑体响应电压

的乘积，符号为U_SP，单位为V，其表达式为：

$U_{\mathrm{SP}}=U_R\×\stackrel{\‾}{U_s}$

上式中， $U_R=\frac{1}{R}\sqrt{\frac{1}{M\×N-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[R(i,j)-\stackrel{\‾}{R}]}^2}\×100\%$

本方法中计算空间噪声电压的公式：

$U_{\mathrm{sp}}=\sqrt{\underset{i,j=1}{\overset{M,N}{\mathrm{\Σ}}}\[U(i,j)-\stackrel{\‾}{U}{\]}^2/(M\×N)};$

步骤114，计算像元探测率：

当1W的辐照投射到面积为1cm²的像元上，在1Hz带宽内获得的信噪比，即像元响应率R(i，j)与像元噪声电压U_N之比，并折算到单位带宽与单位像元面积之积的平方根值，其符号为D^*(i，j)，单位为cm·Hz^1/2·W^-1，其表达式为：

$D^{*}(i,j)=\sqrt{\frac{A_P}{{2t}_{\mathrm{int}}}}\×\frac{R(i,j)}{U_N(i,j)}$

式中，A_D为像元面积，单位为cm²。t_int为探测器的积分时间；

步骤115，计算阵列平均探测率：

焦平面器件中各有效像元的像元探测率的平均值就是焦平面器件的平均探测率，记为

单位也是cm·Hz^1/2·W^-1，其表达式为：

$\stackrel{\‾}{D^{*}}=\frac{1}{M\×N-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}^{*}(i,j);$

步骤116，非均匀校正：

在温度T₁下，阵列平均响应电压为：

$\stackrel{\‾}{U_1}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_1(i,j)}{M\×N}$

温度T₂下，阵列平均响应电压为：

$\stackrel{\‾}{U_2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_2(i,j)}{M\×N}$

对每个像元而言，有两个校正参数，分别为α(i，j)和β(i，j)：

$\mathrm{\α}(i,j)=\frac{\stackrel{\‾}{U_2}-\stackrel{\‾}{U_1}}{U_2(i,j)-U_1(i,j)}$

$\mathrm{\β}(i,j)=\stackrel{\‾}{U_1}-\mathrm{\α}(i,j)\×U_1(i,j)$

校正后的像元响应电压U_C应为：

U_C(i，j)＝α(i，j)×U(i，j)+β(i，j)；

步骤117，计算噪声等效温差：

若平均噪声电压与目标温差产生的信号电压相等时，定义此温差为噪声等效温差，即目标温差与信噪比之比，单位为K，其表达式为：

$\mathrm{NETD}=\frac{T_2-T_1}{U_s/\stackrel{\‾}{U_N}}$

式中，T为面源黑体温度，单位为K；T₀为背景温度，单位为K；Us为焦平面在T2和T1两个温度下的响应电压之差，

为阵列平均噪声电压；

步骤118，计算噪声等效功率：

当信噪比为1时，焦平面像元所接受的辐照功率，即焦平面器件的平均噪声电压与平均响应率之比，符号为NEP，单位为W，其表达式为：

$\mathrm{NEP}=\frac{\stackrel{\‾}{U_N}}{\stackrel{\‾}{R}};$

步骤119，计算动态范围：

所谓动态范围，即为饱和辐照功率P_sat与噪声等效功率NEP之比，符号为DR，则可得：

$\mathrm{DR}=\frac{P_{\mathrm{sat}}}{\mathrm{NEP}}$

式中， $\mathrm{DR}=20\×\log \left(\frac{U_{\max }-U_{\min }}{U_N}\right)$

U_max是响应电压的最大值，U_min是响应电压的最小值。

本发明的有益效果：本平台具有成本低，效率高，准确可靠等特点，适合大规模红外焦平面阵列器件的测试。对于器件设计制造者和热成像***的设计者来说都有着非常重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明一实施方式提供的测试红外焦平面阵列器件特性参数的方法的流程图。

图2为本发明一实施方式提供的测试红外焦平面阵列器件特性参数的装置的***框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

本发明的目的在于提供一种通用的、可直接应用于硬件的测试红外焦平面阵列器件特性参数的分析计算方法、硬件装置和软件程序，以方便、快速、准确地测试红外焦平面阵列器件的性能参数。

如图1所示，为了实现上述目的，本发明提供一种通用的、可直接应用于硬件的测试红外焦平面阵列器件特性参数的分析计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集焦平面阵列原始数据(共F帧)；

将原始数据转化为模拟电压值；

对F帧电压值求平均，得到每个像元的F帧平均响应电压；

计算阵列平均电压值；

计算像元响应率；

计算阵列平均响应率；

计算死像元数，并确定其坐标；

计算像元噪声电压；

计算阵列平均噪声电压；

计算过热像元数，并确定其坐标；

计算修正阵列平均相应率和修正阵列平均噪声电压；

计算空间噪声电压；

计算像元探测率；

计算阵列平均探测率；

非均匀校正；

计算噪声等效温差；

计算噪声等效功率；

计算动态范围。

如图2所示，本发明还提供一种测试红外焦平面阵列器件特性参数的装置，包括以下部分：

本装置由三大模块组成，分别是辐射源与焦平面阵列模块，驱动控制模块和数据采集处理模块。

第一部分为辐射源与焦平面阵列模块。包括黑体辐射源、光学***和红外焦平面阵列。

第二部分为驱动控制模块。包括偏压控制模块、时序控制模块和温度控制模块。

第三部分为数据采集处理模块。包括模拟-数字信号转换(A/D)、视频输出模块、数据采集卡和软件处理。

基于本发明提供的一种通用的，可直接应用于硬件的测试红外焦平面阵列器件特性参数的分析计算方法，本发明还提供一套用于测试红外焦平面阵列器件特性参数的软件程序，包含执行根据具体实施方式中步骤101～120所述方法的计算机程序代码。

下面将对本发明的实施方式进行详细说明。图1是按照本发明一实施方式测试红外焦平面阵列特性参数的流程图。该流程开始于步骤101。

步骤102，对原始数据(一共有F帧)进行采集。

步骤103，由于原始数据为16位二进制数，该步将原始数据从二进制转换到十进制，得到焦平面阵列每一个像元的模拟电压值U′[(i，j)，f]。(f为帧序数，i为阵列行序数，j为阵列列序数)。

步骤104，对在步骤103获得的F帧电压数据作平均，计算公式为：

$U(i,j)=\frac{1}{F}\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}{U}^{\′}\[(i,j),f\]$

得到每一个像元的F帧平均响应电压。平均后的单帧数据，在一定程度上减轻了个别像元的随机噪声、响应不均匀性等。

步骤105，对在步骤104求得的一帧数据作平均，得到焦平面阵列平均电压值。计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{U}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}U(i,j)}{M\×N}$

式中，M和N分别为焦平面阵列的总行数和总列数，M×N就是阵列的像元总数。

步骤106，对焦平面阵列每个像元的响应率进行测试。

响应率等参数的测试，可归结为两种辐照条件下的响应电压测试，即背景响应电压测试和黑体响应电压测试。这两种测试的辐照都必须是恒定均匀的。在测得背景响应电压和黑体响应电压后，响应率等各特性参数可根据定义计算得到。

在本测试方法中，背景响应电压测试和黑体响应电压测试分别用两个不同温度(T1，T2)下的电压响应表示。

通常测试时要求黑体源的温度范围为室温～1000K，输出不加调制；黑体辐射孔到焦平面的距离应大于辐射孔径的20倍，以保证点光源辐照；黑体辐射入射方向与焦平面光敏面的法线夹角小于5°；焦平面的输出电压经放大后不得超过后续***的动态范围。

若被测试探测器为热释电探测器，则为使探测器探测到目标场景和某个参考温度之间的温度变化，必须有光学斩波器已实现交流耦合。

本测试方法为，分别在温度T₁和温度T₂下，连续采集F帧数据，在温度T₁下测得的F帧数组记为U′₁[(i，j)，f]，在温度T₂下测得的F帧数组记为U′₂[(i，j)，f]。然后用步骤104所述的方法分别求得两个温度下的单帧像元相应电压。

在温度T₁下，像元的响应电压为：

$U_1(i,j)=\frac{1}{F}\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}{U}_1^{\′}\[(i,j),f\]$

在温度T₂下，像元的响应电压为：

$U_2(i,j)=\frac{1}{F}\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}{U}_2^{\′}\[(i,j),f\]$

则像元在T₁、T₂两温度下的响应电压差值为：

ΔU(i，j)＝[U₂(i，j)-U₁(i，j)]

响应率为：

$R(i,j)=\frac{\mathrm{\ΔU}(i,j)}{P_2-P_1}$

P₁、P₂为焦平面接收到的来自黑体在温度T₁、T₂下对应的光照强度。

且有： $P=\frac{\mathrm{\σ}\×T^4\×d^2{A}_D}{\mathrm{\π}\×L^2}$

式中，σ为斯忒潘常数，其值为5.673×10-¹²(W·cm^-2·K^-4)；T为温度，K、d为黑体辐射孔径，单位：cm；A_D为焦平面像元面积，单位：cm²；L为黑体出射孔至焦平面像元面垂直距离，单位：cm。

步骤107，计算焦平面阵列的平均响应率。

为焦平面阵列像元响应率的平均值，单位为V/W。其表达式如下：

$\stackrel{\‾}{R}=\frac{1}{M\×N}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}R(i,j)$

式中，R(i，j)为步骤106中所求得的像元响应率。

步骤108，计算死像元数，并确定其坐标。

根据步骤107计算得出的阵列平均响应率

可对死像元作出判断，即像元响应率小于平均响应率1/10(该值来源于国家标准GB/T 17444-1998，也可由用户自行设定)的像元，死像元数记为d。同时可以确定死像元的位置坐标。

步骤109，计算像元噪声电压。

像元噪声电压即焦平面在背景辐照条件下像元输出信号电压涨落的均方根值。符号为U_N(i，j)，单位：伏特(V)。

像元的噪声电压计算公式为：

$U_N(i,j)=\sqrt{\frac{1}{F-1}\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}\{U(i,j)-U^{\′}\[(i,j),f\]{\}}^2}$

焦平面器件的噪声可分为平均噪声和空间噪声两类。

步骤110，计算阵列平均噪声电压。

阵列平均噪声电压就是焦平面阵列各有效像元噪声电压的平均值，符号为

单位为V。其表达式为：

$\stackrel{\‾}{U_N}=\frac{1}{M\×N}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_N(i,j)$

式中，U_N(i，j)为像元噪声电压。

步骤111，计算过热像元数，并确定其坐标。

根据步骤110计算得出的阵列平均噪声电压可对过热像元作出判断，即像元噪声电压大于阵列平均噪声电压10倍(该值来源于国家标准GB/T 17444-1998，也可由用户自行设定)的像元，过热像元数记为h。同时可以确定过热像元的位置坐标。

步骤112，计算修正阵列平均响应率和修正阵列平均噪声电压。

在步骤108和步骤111中，分别得到了死像元数d和过热像元数h，基于此，利用公式

$\stackrel{\‾}{R}=\frac{1}{M\×N-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}R(i,j)$

可得到修正阵列平均响应率；利用公式

$\stackrel{\‾}{U_N}=\frac{1}{M\×N-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_N(i,j)$

可得到修正阵列平均噪声电压。

步骤113，计算空间噪声电压。

空间噪声电压为响应率不均匀性U_R与平均黑体响应电压

的乘积，符号为U_SP，单位为V，其表达式为：

$U_{\mathrm{SP}}=U_R\·\stackrel{\‾}{U_s}$

上式中， $U_R=\frac{1}{R}\sqrt{\frac{1}{M\×N-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[R(i,j)-\stackrel{\‾}{R}]}^2}\×100\%$

本方法中计算空间噪声电压的公式：

$U_{\mathrm{sp}}=\sqrt{\underset{i,j=1}{\overset{M,N}{\mathrm{\Σ}}}\[U(i,j)-\stackrel{\‾}{U}{\]}^2/(M\×N)}$

步骤114，计算像元探测率。

当1W的辐照投射到面积为1cm²的像元上，在1Hz带宽内获得的信噪比，即像元响应率R(i，j)与像元噪声电压U_N之比，并折算到单位带宽与单位像元面积之积的平方根值，其符号为D^*(i，j)，单位为cm·Hz^1/2·W^-1，其表达式为：

$D^{*}(i,j)=\sqrt{\frac{A_P}{{2t}_{\mathrm{int}}}}\×\frac{R(i,j)}{U_N(i,j)}$

式中，A_D为像元面积，单位为cm²。t_int为探测器的积分时间。

步骤115，计算阵列平均探测率。

焦平面器件中各有效像元的像元探测率的平均值就是焦平面器件的平均探测率，记为

单位也是cm·Hz^1/2·W^-1，其表达式为：

$\stackrel{\‾}{D^{*}}=\frac{1}{M\×N-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}^{*}(i,j)$

步骤116，非均匀校正。

由于红外焦平面器件制作工艺等原因，每个像元的响应率是不一致的，因此在成像时需要对原始数据进行校正。

在温度T₁下，阵列平均响应电压为：

$\stackrel{\‾}{U_1}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_1(i,j)}{M\×N}$

温度T₂下，阵列平均响应电压为：

$\stackrel{\‾}{U_2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_2(i,j)}{M\×N}$

对每个像元而言，有两个校正参数，分别为α(i，j)和β(i，j)：

$\mathrm{\α}(i,j)=\frac{\stackrel{\‾}{U_2}-\stackrel{\‾}{U_1}}{U_2(i,j)-U_1(i,j)}$

$\mathrm{\β}(i,j)=\stackrel{\‾}{U_1}-\mathrm{\α}(i,j)\×U_1(i,j)$

校正后的像元响应电压U_C应为：

U_C(i，j)＝α(i，j)×U(i，j)+β(i，j)

步骤117，计算噪声等效温差。

若平均噪声电压与目标温差产生的信号电压相等时，定义此温差为噪声等效温差(NETD)，即目标温差与信噪比之比，单位为K，其表达式为：

$\mathrm{NETD}=\frac{T_2-T_1}{U_s/\stackrel{\‾}{U_N}}$

式中，T为面源黑体温度，单位为K；T₀为背景温度，单位为K；Us为焦平面在T2和T1两个温度下的响应电压之差，

为阵列平均噪声电压。

步骤118，计算噪声等效功率。

当信噪比为1时，焦平面像元所接受的辐照功率，即焦平面器件的平均噪声电压与平均响应率之比，符号为NEP，单位为W，其表达式为：

$\mathrm{NEP}=\frac{\stackrel{\‾}{U_N}}{\stackrel{\‾}{R}}$

步骤119，计算动态范围。

所谓动态范围，即为饱和辐照功率P_sat与噪声等效功率NEP之比，符号为DR。

由前面的测试和计算，可得到器件的等效功率NEP，因此，其主要测试难度为对饱和辐照功率的测试。采用测试响应率的测试***，通过改变黑体与焦平面的距离，或改变黑体出射孔径，来改变黑体投射在焦平面像元上的辐照功率P；测出各P值条件下的平均黑体响应电压再采用最小二乘法拟合出线性区和饱和区两条直线，则两直线的交点所对应的点的横坐标P_sat，就是其饱和辐照功率的测量值。则可得：

$\mathrm{DR}=\frac{P_{\mathrm{sat}}}{\mathrm{NEP}}$

式中， $\mathrm{DR}=20\×\log \left(\frac{U_{\max }-U_{\min }}{U_N}\right)$

U_max是响应电压的最大值，U_min是响应电压的最小值。

图2是按照本发明实施方式测试红外焦平面阵列特性参数的装置的***框图。本装置由三大模块组成，分别是辐射源与焦平面阵列模块，驱动控制模块和数据采集处理模块。

第一部分为辐射源与焦平面阵列模块。包括黑体辐射源、光学***和红外焦平面阵列。黑体辐射源，具有良好的稳定性、均匀性和低漂移特性，同时具有较高的发射率，温度控制精度可达0.01℃。红外光学***主要是由红外光学透镜组成，在焦平面的红外探测波段具有良好的透过率，其他波段则不透过，并完成辐射源的红外辐射聚焦到焦平面上的功能。黑体辐射通过红外光学***准直后聚焦到红外焦平面上，通过读出电路将模拟信号输出。

第二部分为驱动控制模块。包括偏压控制模块、时序控制模块和温度控制模块。由高精度直流信号源向红外焦平面阵列提供工作所需的低噪直流偏压。由现场可编程逻辑门阵列(FPGA)向红外焦平面阵列提供时序控制，使红外焦平面阵列内部的读出电路能正常工作。同时FPGA还向模拟-数字转换器和数据采集卡提供同步信号，确保整个模块同步协调工作。非制冷红外焦平面工作时，环境温度的波动使焦平面的输出信号噪声增大，本装置使用热电控制器(TEC)对红外焦平面阵列进行温度控制，尽量保证整个焦平面阵列温度的均匀性，控温精度为0.01℃。

第三部分为数据采集处理模块。包括模拟-数字信号转换器(ADC)、视频输出模块、数据采集卡和软件处理。这里采用14位的模拟-数字信号转换器，速率可达10MHz，可满足对精度及速度的要求。经转换后的数字信号经由视频输出模块可在显示器上成像，便于肉眼直接观察。经转换后的数字信号还通过PCIE接口的高速采集卡传到计算机，最后由本发明提供的软件程序进行数据分析处理，得到焦平面阵列的特性参数。

Claims (3)

1.一种红外焦平面阵列器件的测试装置，其特征在于，包括辐射源与焦平面阵列模块、驱动控制模块和数据采集处理模块，其中：

①辐射源与焦平面阵列模块包括：

一红外辐射源：提供具有较高发射率、良好稳定性、均匀性和低漂移特性的黑体辐射源；

一光学***：主要由红外光学透镜构成，对焦平面的红外探测波段具有良好的透过率，过滤红外探测波段以外的波段，将红外辐射源的红外辐射聚焦到红外焦平面阵列上；

一被测试红外焦平面阵列；

②驱动控制模块包括：

一偏压控制模块：向被测红外焦平面阵列器件提供工作所需的低噪直流偏压；

一温度控制模块：向被测红外焦平面阵列器件提供温度控制，保证温度的均匀性；

一时序控制模块：控制各模块之间能同步协调工作；

③数据采集处理模块包括：

一模拟-数字信号转换器：转换数字信号或模拟信号；

一视频输出模块：将模拟信号在显示器上成像；

一数据采集卡：采集经转换后的数字信号并传输到计算机；

一数据分析处理模块：对采集到的信号进行分析处理；

④所述偏压控制模块连接被测红外焦平面阵列器件，提供工作所需的低噪直流偏压；所述温度控制模块连接被测红外焦平面阵列器件，控制其温度的均匀性；所述时序控制模块同时连接被测红外焦平面阵列器件、模拟-数字信号转换器和数据采集卡，向被测红外焦平面阵列器件提供时序控制，使其内部的读出电路能正常工作，同时还向模拟-数字信号转换器和数据采集卡提供同步信号，确保三者能同步协调工作；所述红外辐射源通过光学***准直后聚焦到被测红外焦平面阵列器件上，通过模拟-数字信号转换器将模拟信号输送给视频输出模块在显示器上成像，另还将模拟信号输送给数据采集卡，由数据采集卡传到计算机，由数据分析处理模块进行数据分析处理，得到被测红外焦平面的特性参数。

2.一种红外焦平面阵列器件的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集焦平面阵列原始数据；

将原始数据转化为模拟电压值；

对F帧电压值求平均，得到每个像元的F帧平均响应电压；

计算阵列平均电压值；

计算像元响应率；

计算阵列平均响应率；

计算死像元数，并确定其坐标；

计算像元噪声电压；

计算阵列平均噪声电压；

计算过热像元数，并确定其坐标；

计算修正阵列平均相应率和修正阵列平均噪声电压；

计算空间噪声电压；

计算像元探测率；

计算阵列平均探测率；

非均匀校正；

计算噪声等效温差；

计算噪声等效功率；

计算动态范围。

3.根据权利要求2所述的红外焦平面阵列器件的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤101，开始；

步骤102，对原始数据进行采集；

步骤103，将原始数据从二进制转换到十进制，得到焦平面阵列每一个像元的模拟电压值U′[(i，j)，f]，f为帧序数，i为阵列行序数，j为阵列列序数；

步骤104，对在步骤103获得的F帧电压数据作平均，计算公式为：

$U(i,j)=\frac{1}{F}\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}{U}^{\′}[(i,j),f];$

步骤105，对在步骤104求得的一帧数据作平均，得到焦平面阵列平均电压值，计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{U}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}U(i,j)}{M\×N}$

式中，M和N分别为焦平面阵列的总行数和总列数，M×N就是阵列的像元总数；

步骤106，对焦平面阵列每个像元的响应率进行测试：

响应率等参数的测试，可归结为两种辐照条件下的响应电压测试，即背景响应电压测试和黑体响应电压测试，背景响应电压测试和黑体响应电压测试分别用两个不同温度(T1，T2)下的电压响应表示，通常测试时要求黑体源的温度范围为室温～1000K，输出不加调制；黑体辐射孔到焦平面的距离应大于辐射孔径的20倍，以保证点光源辐照；黑体辐射入射方向与焦平面光敏面的法线夹角小于5°；焦平面的输出电压经放大后不得超过后续***的动态范围，若被测试探测器为热释电探测器，则为使探测器探测到目标场景和某个参考温度之间的温度变化，必须有光学斩波器已实现交流耦合，分别在温度T₁和温度T₂下，连续采集F帧数据，在温度T₁下测得的F帧数组记为U′₁[(i，j)，f]，在温度T₂下测得的F帧数组记为U′₂[(i，j)，f]，然后用步骤104所述的方法分别求得两个温度下的单帧像元相应电压；

在温度T₁下，像元的响应电压为：

$U_1(i,j)=\frac{1}{F}\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}{U}_1^{\′}[(i,j),f]$

在温度T₂下，像元的响应电压为：

$U_2(i,j)=\frac{1}{F}\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}{U}_2^{\′}[(i,j),f]$

则像元在T₁、T₂两温度下的响应电压差值为：

ΔU(i，j)＝[U₂(i，j)-U_I(i，j)]

响应率为：

$R(i,j)=\frac{\mathrm{\ΔU}(i,j)}{P_2-P_1}$

P₁、P₂为焦平面接收到的来自黑体在温度T₁、T₂下对应的光照强度。

且有： $P=\frac{\mathrm{\σ}\×T^4\×d^2\×A_D}{\mathrm{\π}\×L^2}$

式中，σ为斯忒潘常数，其值为5.673×10^-12(W·cm^-2·K^-4)；T为温度，K、d为黑体辐射孔径，单位：cm；A_D为焦平面像元面积，单位：cm²；L为黑体出射孔至焦平面像元面垂直距离，单位：cm；

步骤107，计算焦平面阵列的平均响应率：

为焦平面阵列像元响应率的平均值，单位为V/W，其表达式如下：

$\stackrel{\‾}{R}=\frac{1}{M\×N}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}R(i,j)$

式中，R(i，j)为步骤106中所求得的像元响应率；

步骤108，计算死像元数，并确定其坐标：

根据步骤107计算得出的阵列平均响应率

可对死像元作出判断，即像元响应率小于平均响应率1/10的像元，死像元数记为d。同时可以确定死像元的位置坐标；

步骤109，计算像元噪声电压：

像元噪声电压即焦平面在背景辐照条件下像元输出信号电压涨落的均方根值，符号为U_N(i，j)，单位：伏特(V)，

像元的噪声电压计算公式为：

$U_N(i,j)=\sqrt{\frac{1}{F-1}\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}{\{U(i,j)-U^{\′}[(i,j),f\left]\right\}}^2}$

焦平面器件的噪声可分为平均噪声和空间噪声两类；

步骤110，计算阵列平均噪声电压：

阵列平均噪声电压就是焦平面阵列各有效像元噪声电压的平均值，符号为

单位为V，其表达式为：

$\stackrel{\‾}{U_N}=\frac{1}{M\×N}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_N(i,j)$

式中，U_N(i，j)为像元噪声电压；

步骤111，计算过热像元数，并确定其坐标：

根据步骤110计算得出的阵列平均噪声电压可对过热像元作出判断，即像元噪声电压大于阵列平均噪声电压10倍的像元，过热像元数记为h，同时可以确定过热像元的位置坐标；

步骤112，计算修正阵列平均响应率和修正阵列平均噪声电压：

在步骤108和步骤111中，分别得到了死像元数d和过热像元数h，基于此，利用公式

$\stackrel{\‾}{R}=\frac{1}{M\×N-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}R(i,j)$

可得到修正阵列平均响应率；利用公式

$\stackrel{\‾}{U_N}=\frac{1}{M\×N-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_N(i,j)$

可得到修正阵列平均噪声电压；

步骤113，计算空间噪声电压：

空间噪声电压为响应率不均匀性U_R与平均黑体响应电压

的乘积，符号为U_SP，单位为V，其表达式为：

$U_{\mathrm{SP}}=U_R\×\stackrel{\‾}{U_s}$

上式中， $U_R=\frac{1}{R}\sqrt{\frac{1}{M\×N-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[R(i,j)-\stackrel{\‾}{R}]}^2}\×100\%$

本方法中计算空间噪声电压的公式：

$U_{\mathrm{sp}}=\sqrt{\underset{i,j=1}{\overset{M,N}{\mathrm{\Σ}}}{[U(i,j)-\stackrel{\‾}{U}]}^2/(M\×N)};$

步骤114，计算像元探测率：

当1W的辐照投射到面积为1cm²的像元上，在1Hz带宽内获得的信噪比，即像元响应率R(i，j)与像元噪声电压U_N之比，并折算到单位带宽与单位像元面积之积的平方根值，其符号为D^*(i，j)，单位为cm·Hz^1/2·W^-1，其表达式为：

$D^{*}(i,j)=\sqrt{\frac{A_D}{2t_{\mathrm{int}}}}\×\frac{R(i,j)}{U_N(i,j)}$

式中，A_D为像元面积，单位为cm²。t_int为探测器的积分时间；

步骤115，计算阵列平均探测率：

焦平面器件中各有效像元的像元探测率的平均值就是焦平面器件的平均探测率，记为单位也是cm·Hz^1/2·W^-1，其表达式为：

$\stackrel{\‾}{D^{*}}=\frac{1}{M\×N-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}^{*}(i,j);$

步骤116，非均匀校正：

在温度T₁下，阵列平均响应电压为：

$\stackrel{\‾}{U_1}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_1(i,j)}{M\×N}$

温度T₂下，阵列平均响应电压为：

$\stackrel{\‾}{U_2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_2(i,j)}{M\×N}$

对每个像元而言，有两个校正参数，分别为α(i，j)和β(i，j)：

$\mathrm{\α}(i,j)=\frac{\stackrel{\‾}{U_2}-\stackrel{\‾}{U_1}}{U_2(i,j)-U_1(i,j)}$

$\mathrm{\β}(i,j)=\stackrel{\‾}{U_1}-\mathrm{\α}(i,j)\×U_1(i,j)$

校正后的像元响应电压U_C应为：

U_C(i，j)＝α(i，j)×U(i，j)+β(i，j)；

步骤117，计算噪声等效温差：

若平均噪声电压与目标温差产生的信号电压相等时，定义此温差为噪声等效温差，即目标温差与信噪比之比，单位为K，其表达式为：

$\mathrm{NETD}=\frac{T_2-T_1}{U_s/\stackrel{\‾}{U_N}}$

式中，T为面源黑体温度，单位为K；T₀为背景温度，单位为K；Us为焦平面在T2和T1两个温度下的响应电压之差，

为阵列平均噪声电压；

步骤118，计算噪声等效功率：

当信噪比为1时，焦平面像元所接受的辐照功率，即焦平面器件的平均噪声电压与平均响应率之比，符号为NEP，单位为W，其表达式为：

$\mathrm{NEP}=\frac{\stackrel{\‾}{U_N}}{\stackrel{\‾}{R}};$

步骤119，计算动态范围：

所谓动态范围，即为饱和辐照功率P_sat与噪声等效功率NEP之比，符号为DR，则可得：

$\mathrm{DR}=\frac{P_{\mathrm{sat}}}{\mathrm{NEP}}$

式中， $\mathrm{DR}=20\×\log \left(\frac{U_{\max }-U_{\min }}{U_N}\right)$

U_max是响应电压的最大值，U_min是响应电压的最小值。

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