CN105092054A - 一种用于热释电非制冷红外焦平面探测器的测试评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于热释电非制冷红外焦平面探测器的测试评价装置，包括光源黑体、适配板、数据采集卡、数据处理模块、计算机***模块和其他计算机通用模块，所述光源黑体与非制冷红外焦平面探测器之间设置黑体辐射调制装置，且黑体辐射调制装置与同步装置电连接，同步装置与数据采集预触发装置连接，数据采集预触发装置通过非制冷红外焦平面探测器输出的放大信号与数据采集卡电连接。本发明使得红外辐射被调制，满足热释电探测器性能测试要求，解决了现有技术不能对热释电非制冷红外焦平面探测器进行测试和评价的问题，使得热释电非制冷红外探测器的规模化生产成为可能，降低了测试成本。

Description

一种用于热释电非制冷红外焦平面探测器的测试评价装置

技术领域

本发明涉及一种用于热释电非制冷红外焦平面探测器的测试评价装置，属于红外成像***技术领域。

背景技术

红外焦平面探测器组件是获取目标景物红外热辐射信息的重要光电器件。按照探测器的工作温度高低可以将器件分成两大类：工作时探测器敏感元温度在-100℃及以下的制冷型、工作时探测器敏感元温度在室温附近的非制冷型。非制冷红外焦平面探测器的原理(如图1)是将人眼不可见场景的红外辐射1，经过透镜2到达红外焦平面探测器3转化为不同大小电信号4传输到探测器外部提供其他电子部件进行处理。

热释电非制冷红外焦平面探测器是红外焦平面探测器的一种，有功耗低、噪声带宽小、探测器所需恒温控制精度低等优点，在目标与背景辐射强度发生较大变化时，可以实现无间隔探测与瞄准；热释电非制冷红外焦平面探测器不需要偏置电流，不存在探测器自加热温差校正的问题，尤其适用野外环境。热释电非制冷红外焦平面探测器由热释电探测器芯片、CMOS读出电路芯片、陶瓷管壳、半导体制冷器等构成。

通常，非制冷红外焦平面探测器(如图2)主要由窗片8、带腔体的管壳7、置于管壳7腔体中的光电传感器5、读出电路6等几个部分组成，通过光电传感器5将红外辐射转换为电信号，再由读出电路6完成该信号的放大和传输，管壳7和窗片8组成的腔体保证探测器的工作环境，并将读出电路6的信号向外传输。

要完成焦平面探测器的性能评价就是需要准确给出在黑体确定输入能量所对应的焦平面探测器的输出信号12幅度，以及焦平面探测器的信号分布情况。如图3，为完成这个测量必须的几个部分是光源黑体9、被测试的非制冷红外焦平面探测器10、使得焦平面探测器中读出电路正常工作的驱动信号11、焦平面探测器的输出信号12，完成供电和信号调理的适配板13、适配板的驱动信号14、来自计算机采集的同步信号15，由这几部分组成的***一般称为通用红外焦平面参数测试装置。

焦平面探测器输出的放大信号16，安装在计算机中的数据采集卡17、数据处理模块18、计算机***模块19、其他计算机通用模块20。热释电非制冷红外焦平面探测器作为红外焦平面探测器的一个主要种类，而完成对这种探测器的准确评价是必须的工作。但是热释电非制冷焦平面探测器采用交流耦合工作模式，需要外界场景有间断的变化。

目前现成的测试焦平面测试评价***均有一个共同点：不能同步驱动探测器并调制光信号，也就不能正确采集热释探测器的输出信号，从而不能将正确的数字信号送到计算软件中。不能得到正确的热释电红外非制冷焦平面探测器对光信号的对应电信号，从而无法对热释电探测器的性能进行测量和评价。

发明内容

为解决难以对热释电探测器进行测量和评价等问题，本发明的目的在于提供一种用于热释电非制冷红外焦平面探测器的测试评价装置，用以测试评价交流耦合工作模式的非制冷红外焦平面探测器光电性能。

本发明通过下列技术方案实现：一种用于热释电非制冷红外焦平面探测器的测试评价装置，包括光源黑体、适配板、数据采集卡、数据处理模块、计算机***模块和其他计算机通用模块，所述光源黑体与非制冷红外焦平面探测器之间设置黑体辐射调制装置，且黑体辐射调制装置与同步装置电连接，同步装置与数据采集预触发装置连接，数据采集预触发装置通过非制冷红外焦平面探测器输出的放大信号与数据采集卡电连接。

所述黑体辐射调制装置为二元光学斩波器，该斩波器包括壳体和斩波片，该斩波片上由阿基米德螺旋线分隔成打开区和遮挡区，其中，在遮挡区面向光线入射面设置有由衍射图案形成的衍射面，所述衍射图案为若干组阵列且无相交部分的同心环带组。同步装置将斩波片转动的相位信息提取出来形成电信号，传递给后续的电路；斩波器实现黑体辐射的调制，形成辐射的强弱周期性变化。

所述同心环带组中各环带的径向宽度从中心向外依次递减，且环带间的宽度也从中心向外依次递减。通过在遮挡型斩波器的斩波片的遮挡面制备衍射图案，使斩波片在遮挡期间，也能使探测器接收到景物均匀辐射，获得实时景物的平均温度数值而不成像，而斩波片在打开期间使探测器收到一个高分辨率的景物图像，这样就能获得观察场景中的温度分布与观察场景的平均温度信号，极大减小斩波片遮挡期间和打开期间的温度差异，并且可以利用实时场景的平均温度进行图像校正，从而提高热像仪的可成像的温度动态范围，将热释电非制冷热像仪的成像温度范围由原来的50℃提高到500℃，使得热像仪的应用范围大幅度扩展。

黑体辐射调制装置的作用是将连续的黑体辐射转变为间断周期性的变化信号，使得非制冷红外焦平面探测器得到周期变化信号的输入激励，满足输入信号交流耦合到探测器敏感元的目的；同步装置的作用是将调制信号产生的时间点记录下来，并进行整形；由同步装置形成的传递过来的信号经过数据采集预触发装置实时到达数据采集外卡并数据采集卡就绪，使得数据采集卡在通用焦平面参数测试装置发出的采集控制时钟下进行实时采集，这样数据采集卡上的实时数据可以根据预触发来进行处理和计算，得到最终的热释电非制冷焦平面探测器性能指标。

测量和评价时，将非制冷红外焦平面探测器安装到适配板上，开启光源黑体、适配板、计算机***模块和其他计算机通用模块(数据采集卡安装在计算机内部)，黑体辐射调制装置开始转动，同步装置将同步信号发送到数据采集预触发装置，通知数据采集卡可以就绪。适配板将驱动信号送给非制冷红外焦平面探测器，非制冷红外焦平面探测器对经过的黑体辐射调制装置产生的输出信号，该电信号经过输出放大后的放大信号到达数据采集卡，数据采集卡依据适配板送来的脉冲信号对非制冷红外焦平面探测器的模拟信号进行采集。采集到的数字信号被计算机上的计算机***模块和其他计算机通用模块所读取并进行计算。计算的依据是在确定入射光的能量下探测器对应的输出电压的平均信噪比以及信号的分布均匀性。相同输入的光是探测器产生的信号(放大倍数相同)噪声之比越大，探测器性能越优良(NETD和响应率指标就越好)；在相同的信噪比下探测器的信号均匀性越高表明探测器的使用价值越高(盲元和均匀性指标就越好)。

本发明具备的优点和效果：为了测试热释电非制冷红外焦平面探测器的性能，本发明采用在光源黑体和非制冷红外探测器之间安装了调制装置，调制装置对光源黑体的辐射形成了间断的变化，满足了热释电非制冷红外焦平面探测器需要调制的要求，并将交流调制的同步信号送到信号采集板卡进行同步采集。在外部黑体的辐照下，输出信号经过采集，进入计算机通过软件完成了热释电非制冷红外焦平面探测器的光电性能评价。

本发明利用在光源黑体和被测试热释电非制冷红外探测器之间增加辐射调制装置和同步装置，使得红外辐射被调制，满足热释电探测器性能测试要求，解决了现有技术不能对热释电非制冷红外焦平面探测器进行测试和评价的问题，使得热释电非制冷红外探测器的规模化生产成为可能，降低了测试成本，为非制冷红外焦平面探测器的广泛应用奠定了基础。

附图说明

图1为非制冷焦平面探测器的工作原理示意图；

图2为非制冷红外焦平面探测器的结构示意图；

图3为传统的红外焦平面参数测试***；

图4为用于热释电非制冷红外焦平面探测器的测试评价装置；

图5为黑体辐射调制装置的结构示意图；

图6为斩波片的局部放大图。

其中：1-红外辐射、2-透镜、3-红外焦平面探测器、4-电信号、5-光电传感器、6-读出电路、7-管壳、8-窗片、9-光源黑体、10-非制冷红外焦平面探测器、11-驱动信号、12-输出信号、13-适配板、14-驱动信号、15-同步信号、16-放大信号、17-数据采集卡、18-数据处理模块、19-计算机***模块、20-其他计算机通用模块、21-黑体辐射调制装置、22-同步装置、23-数据采集预触发装置、24-壳体、25-斩波片、26-打开区、27-遮挡区。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明做进一步说明。

实施例1

光电传感器5采用钛酸锶钡(BST)陶瓷制备。

如图4、5、6，用于热释电非制冷红外焦平面探测器的测试评价装置包括光源黑体9、适配板13、数据采集卡17、数据处理模块18、计算机***模块19和其他计算机通用模块20，所述光源黑体9与非制冷红外焦平面探测器10之间设置黑体辐射调制装置21，且黑体辐射调制装置21与同步装置22电连接，同步装置22与数据采集预触发装置23连接，数据采集预触发装置23通过非制冷红外焦平面探测器10输出的放大信号16与数据采集卡17电连接。

所述黑体辐射调制装置21为二元光学斩波器，该斩波器包括壳体24和斩波片25，该斩波片25上由阿基米德螺旋线分隔成打开区26和遮挡区27，其中，在遮挡区27面向光线入射面设置有由衍射图案形成的衍射面，所述衍射图案为若干组阵列且无相交部分的同心环带组。同步装置22将斩波片转动的相位信息提取出来形成电信号，传递给后续的电路；斩波器实现黑体辐射的调制，形成辐射的强弱周期性变化。所述同心环带组中各环带的径向宽度从中心向外依次递减，且环带间的宽度也从中心向外依次递减。通过在遮挡型斩波器的斩波片的遮挡面制备衍射图案，使斩波片在遮挡期间，也能使探测器接收到景物均匀辐射，获得实时景物的平均温度数值而不成像，而斩波片在打开期间使探测器收到一个高分辨率的景物图像，这样就能获得观察场景中的温度分布与观察场景的平均温度信号，极大减小斩波片遮挡期间和打开期间的温度差异，并且可以利用实时场景的平均温度进行图像校正，从而提高热像仪的可成像的温度动态范围，将热释电非制冷热像仪的成像温度范围由原来的50℃提高到500℃，使得热像仪的应用范围大幅度扩展。

所述衍射图形的参数设计如下，寻找一组相位突变点坐标集{aL，bL}使其满足衍射谱m在－M到M级次内，即2M－1个光束的光强均匀分布，而且总衍射效率P_k足够高，也就是要求

的数值尽可能大，并且p(0)＝p(±1)＝.........＝p(±m)

为评价优化过程及其效果，定义误差函数

$E^2=\mathrm{\α}\left\{{\[P\left(0\right)-P_K\hat{P}\left(0\right)\]}^2+2\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\[P\left(m\right)-P_E\hat{P}\left(m\right)\]}^2\right\}+(1-\mathrm{\α}){(1-P_E)}^2$

公式中是各级强度分布的理论目标值；α是在优化过程中所取的假设自由补偿参数，α的值在0～1范围内变化；误差函数的第一项是衡量设计值P(m)与目标值的差异，第二项是衡量衍射效率的，α的取值不同，误差函数表达式中两项所占权重的大小就不同，设计时根据对光束均匀性以及衍射效率要求的大小选取一定的α值；

评价函数与突变坐标{aL，bL}以及相位角θ之间是一个很复杂的非线性关系，一般用非线性优化算法进行优化。假设优化过程中第n次迭代的突变坐标为{aL，n，bL，n}，误差函数为E²，在n每次给定突变点{aL，n，bL，n}的一个微量变化，带到误差函数里面以后得到该函数的变化，n次迭代过程的坐标修正量。这样第n次迭代过程的误差函数可以表示成γ的函数，对γ进行一维搜索，求出使En最小的γ值γnm，就可以得到n+1次迭代的突变点坐标：

a_l,n+1-a_l,n＝γΔE_al,n/|ΔE_max,n

b_l,n+1-b_l,n＝γΔE_bl,n/|ΔE_max,n

如果对得到的{a_L，b_L}依然不满意，再重复上述过程，直到得到满意的设计参数为止。

非制冷焦平面探测器应用在红外长波波段，因此设计上采用的波长λ＝10μm，衍射图形外直径：1366μm，环带周期数为9，计算得到的焦距：f＝2591(μm)；环带半径：r₀＝161(μm)、r₂＝227(μm)，……r₁₆＝648(μm)r₁₇＝669(μm)；最小环带间距：v＝20.3(μm)；

依据探测器像元中心间距48.5μm，列阵规模320×240，探测器有效面积长边为15.5mm，宽边为11.6mm，由此得到斩波器的曲线特征参数K＝10.0，有效曝光效率η＝45.1％，斩波器导致的探测器敏感元的行内同步曝光误差为23％。

斩波器整体采用特殊工艺的Si片，通过激光直写刻蚀衍射片列阵成形，得到最终的测试结果为：直接透过部分增加减反射(AR)膜后，在7μm～14μm波段透过率优于95％。在FLA部分：分束比为1.2×103；衍射效率：η＝40％；非均匀性：多点测试后优于10％。

黑体辐射调制装置21的作用是将连续的黑体辐射转变为间断周期性的变化信号，使得非制冷红外焦平面探测器10得到周期变化信号的输入激励，满足输入信号交流耦合到探测器敏感元的目的；同步装置22的作用是将调制信号产生的时间点记录下来，并进行整形；由同步装置22形成的传递过来的信号经过数据采集预触发装置23实时到达数据采集外卡并数据采集卡17就绪，使得数据采集卡17在通用焦平面参数测试装置发出的采集控制时钟下进行实时采集，这样数据采集卡17上的实时数据可以根据预触发来进行处理和计算，得到最终的热释电非制冷焦平面探测器性能指标。

测量和评价时，将非制冷红外焦平面探测器10安装到适配板13上，开启光源黑体9、适配板13、计算机***模块19和其他计算机通用模块20(数据采集卡17安装在计算机内部)，黑体辐射调制装置21开始转动，同步装置22将同步信号发送到数据采集预触发装置23，通知数据采集卡17可以就绪。适配板13将驱动信号14送给非制冷红外焦平面探测器10，非制冷红外焦平面探测器10对经过的黑体辐射调制装置21产生的输出信号12，该电信号经过输出放大后的放大信号16到达数据采集卡17，数据采集卡17依据适配板13送来的脉冲信号对非制冷红外焦平面探测器10的模拟信号进行采集。采集到的数字信号被计算机上的计算机***模块19和其他计算机通用模块20所读取并进行计算。计算的依据是在确定入射光的能量下探测器对应的输出电压的平均信噪比以及信号的分布均匀性。相同输入的光是探测器产生的信号(放大倍数相同)噪声之比越大，探测器性能越优良(NETD和响应率指标就越好)；在相同的信噪比下探测器的信号均匀性越高表明探测器的使用价值越高(盲元和均匀性指标就越好)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于热释电非制冷红外焦平面探测器的测试评价装置，包括光源黑体、适配板、数据采集卡、数据处理模块、计算机***模块和其他计算机通用模块，其特征在于：所述光源黑体与非制冷红外焦平面探测器之间设置黑体辐射调制装置，且黑体辐射调制装置与同步装置电连接，同步装置与数据采集预触发装置连接，数据采集预触发装置通过非制冷红外焦平面探测器输出的放大信号与数据采集卡电连接。

2.根据权利要求1所述的测试评价装置，其特征在于：所述黑体辐射调制装置为二元光学斩波器，该斩波器包括壳体和斩波片，该斩波片上由阿基米德螺旋线分隔成打开区和遮挡区，其中，在遮挡区面向光线入射面设置有由衍射图案形成的衍射面，所述衍射图案为若干组阵列且无相交部分的同心环带组。

3.根据权利要求2所述的测试评价装置，其特征在于：所述同心环带组中各环带的径向宽度从中心向外依次递减，且环带间的宽度也从中心向外依次递减。