浅谈红外测试标准的传递

简述了目前红外测试标准传递的体系,红外标准从国家级红外辐射计、凝固点黑体、传输标准点温仪或者可变温度黑体或者标准探测器到用户黑体依次进行传递.目前对红外参数标准的传递和测试设备的校准,集中在黑体的校准、探测器响应曲线的校准、光学系统反射率、平行光管的透过率的校准上.通过对这些关键部件性能参数的校准,可以保证红外测试的精度.分析了影响NETD测试不确定度的几个因素,高精度的黑体是测试高灵敏度红外探测器和红外热像仪的必备条件之一.华中光电技术研究所建立了用户红外标准传递体系,其红外标准可以回溯到美国国家标准与技术监督局.其红外测试精度与国外公司的测试结果的偏差在10%以内.给出了我国建立红外测试标准的建议.     

甚高灵敏度红外探测器读出电路实现方法研究

随着红外焦平面技术的不断发展,红外焦平面探测器应用领域越来越广泛,这对红外焦平面探测器灵敏度提出更高的要求。本文首先分析了传统TDI型读出电路的降噪原理,通过仿真、测试及理论分析论述了传统TDI型读出电路提高红外探测器灵敏度的局限性,并计算出传统TDI型红外探测器所能实现的最优NETD值为4.19 mK。随后分析了像素级数字化TDI型读出电路的噪声来源及如何降低各类噪声,通过仿真结果结合理论计算得出像素级数字化TDI型红外探测器在应用32级TDI时NETD可达到亚毫K级,能够实现甚高灵敏度红外探测器的需求。     

高灵敏度II类超晶格长波红外探测系统研究

以Ⅱ类超晶格320×256长波红外探测器为核心部件,开发了一套高灵敏度长波红外探测系统.介绍了Ⅱ类超晶格红外探测器的技术指标及系统的主要结构和工作方式.为充分发挥该红外探测器的灵敏度,设计了高灵敏度信息获取系统,并介绍了该信息获取系统的软硬件设计.该信息获取系统采用了自适应信号调理技术,以降低信息获取噪声,提升探测系统的灵敏度和动态范围.最后对整套长波红外探测系统开展了信息获取噪声测试、系统性能测试及外场成像实验.实验结果表明:长波红外探测系统的信息获取噪声低至0. 065 m V,系统的噪声等效温差(NETD)达到19. 6 m K,黑体探测率为7. 72×10~(10),外场成像质量良好,图像细节清晰,对比度高.该长波红外探测系统有利于推动Ⅱ类超晶格红外探测器在高灵敏度长波红外遥感探测中的应用.     

利用NETD和探测器测试数据计算红外成像系统的噪声等效带宽

因为涉及参数较多,红外成像系统的噪声等效带宽有时不易计算或确定.△fn与噪声等效温差(NETD)有关.利用NETD的理论公式以及探测器的测试结果,例如相对光谱响应、黑体探测率等,可以导出一个新的△fn表达式,其中的光谱积分项容易利用MATLAB提供的样条函数命令做数值积分求解.该表达式可用作噪声等效带宽△fn的一种间接测试方法.     

红外探测器用偏置电压源的设计及其低频噪声测量

红外成像系统利用光学系统和红外探测器接收目标物体的红外辐射,并将红外辐射分布图以人眼可观测的方式显示出来。成像处理电路功能包括为探测器提供电源、偏置电压和驱动信号使探测器能够正常工作。偏置电压源的噪声将给探测器的输出引入噪声,增大系统的NETD,降低系统性能。在设计低噪声偏置电压源的基础上,采用经典噪声测量电路对偏置电压源的噪声进行了测量。为测量偏压源的低频噪声,噪声测量电路分为前置放大电路和0.1~10 Hz滤波电路。对红外探测器用偏置电压源各级电压进行噪声测量后,得出了噪声值最小的红外探测器用偏置电压源的设计方案。     

利用NETD和探测器测试数据计算红外成像系统扫描效率

红外成像系统的扫描效率η与系统的噪声等效温差(NETD)有关.利用NETD的理论公式以及探测器的测试结果,例如相对光谱响应、黑体探测率等,可以导出另外一种计算η的表达式,其中的光谱积分项容易利用MATLAB提供的样条函数命令做数值积分求解.该表达式也许可以作为扫描效率η的一种间接测试方法.     

通用红外测试系统的精度分析

采用美国PI、Santa Barbara红外和Lumitron的红外测试设备,进行系统集成,构建成了通用的红外测试系统.它既能完成1 024×1 024元以下任意像元数的中波红外和长波红外焦平面阵列性能参数的测试,又能完成中波红外和长波红外热像仪系统级性能参数的测试,具有很好的适用性及技术的先进性.中波红外热像仪的测试结果NETD=15.8 mK,与CEDIP的结果15.13 mK相差0.67 mK.测试精度为±1.49 mK.长波制冷红外焦平面阵列探测器的测试结果NETD为26.47 mK,与Sofradir的结果24.43 mK相差2.04 mK,测试精度为±1.63 mK.     

甚高灵敏度长波红外相机测试技术

对于温度灵敏度优于10 mK的长波红外相机,如何精确测量表征其灵敏度的指标-噪声等效温差（Noise Equivalent Temperature Difference,NETD）,是一项重要的工作。首先,依照尽量缩短标准辐射传递链路减少误差项的原则,对比不同的测量方法,选取黑体直接测量法;其次,基于相机噪声理论模型,对不同温度点下的实测噪声分析,提出噪声修正方法对噪声进行修正,以此减小环境影响带来的测量误差;最后,基于NETD测量计算公式及不确定度分析理论对测试结果的不确定度进行分析评定。结果表明:针对甚高灵敏度长波红外相机所采用的测试设备及方法,可满足测试要求,测试结果相对不确定度在7.7%左右。     

测试装置空间分布对红外相机噪声等效温差测试的影响

红外相机的噪声等效温差（NETD）是评价成像质量的一项重要准则。红外相机NETD测试装置中的黑体辐射源、靶标、入瞳（平行光管加待测相机）三者的位置、口径需要满足一定的数学关系，否则会降低测试精度。基于几何光学理论、辐射度学，推导出红外相机测试系统中黑体辐射源、靶标、入瞳三者的空间分布关系，研究靶标孔处的测量温度与后方黑体辐射源温度之间的关系，建立数学模型，指导红外相机测试系统的试验，并结合一套测试系统，验证了测试装置空间分布满足本模型要求时，相对误差小于7.4%，否则测试精度迅速下降。分析了以靶标为目标时，靶标孔处的温度均匀性和稳定度的变化。     

红外热像仪噪声等效温差工程化测试方法

针对噪声等效温差(NETD)工程化测试要求,设计一套可对NETD自动测试的系统和方法。该系统采用离轴非球面折叠光路,设计出口径120 mm,焦距720 mm的平行光管,大幅减少系统体积。采用热电制冷器TEC作为黑体的电控加热和制冷源,实现温控精度0.05 ℃的黑体辐射。通过改进的测试算法,测试时间只需要5 s左右,大幅提高检测效率。经与CI测试系统对比测试,结果表明：NETD测量一致性好,准确度高,具有工程化应用价值。     

基于PCIE的红外焦平面探测器测试系统

介绍了一套自制高效的红外焦平面器件性能参数测试系统,建立了包括控制模块、辐射源、UFPA模块、信号采集模块和上位机程序在内的测试平台,分析了该系统平台的关键技术.系统可实现实时的数据采集,同时对RMS噪声、非均匀性、响应率、探测率、噪声等效功率和噪声等效温差等关键参数进行快速有效的计算分析,并能准确统计出盲元的数量和位置,分析、评估和存储器件每个像元的性能参数.     

温度传感器校准系统中红外信号检测电路设计

为了提高红外探测器检测红外微弱信号的精度,采用晶体管恒流偏置电路,使用低噪声高速运算放大器构成了前置放大电路。运用电路理论建立放大电路的噪声等效模型,采用叠加法计算1级放大输出端的噪声电压。通过中温黑体炉红外辐射实验,测试电路性能,取得了500℃~700℃时的电压波形,计算得出信噪比为7.25×103。结果表明,红外探测器前置放大电路达到高信噪比、响应速率快、抗干扰强的应用要求,可以对红外微弱信号检测放大。     

红外探测器信息获取系统噪声特性

从理论上完成了红外图像传感器信息获取电路的噪声建模,并且分别从仿真和测试两个方面对电路的噪声进行分析。三种分析方法的结果基本相同,均为0.11mv左右。从原理和实验两个方面证明了基于仪放的模拟信号调理电路可以满足噪声低至0.2mv的红外探测器航天应用需求。在完成噪声量大小分析的同时进行了噪声频谱特性分析,证明了信息获取电路噪声主要成分是1/f噪声和白噪声,二者均满足高斯分布。     

红外探测器信息获取系统噪声特性

理论上完成了红外图像传感器信息获取电路的噪声建模,并且分别从仿真和测试两个方面对电路的噪声进行分析.三种分析方法的结果基本相同,均为0.11 m V左右.从原理和实验两个方面证明了基于仪放的模拟信号调理电路可以满足噪声低至0.2 m V的红外探测器航天应用需求.在完成噪声量大小分析的同时进行了噪声频谱特性分析,证明了信息获取电路噪声主要成分是1/f噪声和白噪声,二者均满足高斯分布.     

红外探测器参数测试研究

红外技术的发展依赖红外探测技术的进展。红外焦平面性能参数的测试评价是红外探测器发展中的关键技术之一。针对这一情况,提出对某型非制冷红外探测器进行特性评价,采用Matlab图形用户界面编程实现对该探测器的响应率和噪声等效温差两个重要参数进行测试,并对测试结果进行了分析,为热像仪的研制开发奠定了基础并具有一定的指导作用。     

噪声系数测量中的温度修正方法

一般配置非智能噪声源的噪声系数分析仪,当环境温度变化时,不能及时修正环境温度对噪声系数测量的影响。文中介绍了噪声系数的测量原理及影响噪声系数测量不确定度的各种因素。从Y因子法测量噪声系数的原理出发,详细论述并推导了环境温度变化时噪声系数测量结果的修正方法。通过补偿温度变化对测量结果的影响,提高噪声系数测量,特别是低噪声器件噪声系数测量准确度。最终通过实验数据验证了理论推导的正确性,提供了温度修正曲线。     

基于图像灰度的大范围辐射温度反演

为解决高温辐射源和环境温度对红外测温的影响,提高极端工况下红外热像仪的测温精度,以红外辐射理论以及红外热像仪测温原理为基础,提出了一种将红外图像灰度与目标温度、环境温度和积分时间相结合的综合辐射温度反演方法,该方法实现了环境(镜头)温度与场景温度参量解耦,可以独立预估各参量变化所产生的探测器响应变化。首先对红外热像仪进行数据标定,标定时一般采用高精度面源黑体,之后通过计算面源黑体辐射亮度,利用黑体辐亮度和黑体灰度的线性关系,对黑体温度与黑体图像灰度值两组数据之间关系进行拟合,建立全环境温度和全积分时间的大范围温度反演匹配模型。最后在实验室环境下,分别用热像仪和基于灰度的温度反演模型对探测目标进行测温。经过实验验证,该反演模型在实验室环境下取得了较为良好的效果。     

真空低温环境下超大面源黑体现场校准技术

红外辐射面源黑体应用于特定红外特性目标的模拟,各种红外探测、制导系统的外场测试。随着空间应用的红外成像器的口径的增大,红外辐射面源的口径也相应增大,为了保证超大辐射面黑体的性能指标满足要求,必须对其在真空低温条件下进行性能校准。但目前国内还没有相应计量标准,无法保证测试结果的准确可靠。设计了一种真空低温环境下超大面源黑体现场校准装置,实现对超大面源黑体的发射率、辐射温度、温场均匀性、温度稳定性等性能参数的校准,并取得了较好的试验结果,实现了真空低温环境下超大面源黑体的参数校准。