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.     

480×6长波红外探测器的低噪声采集系统设计

480×6长波制冷红外探测器是一款480列,6阶TDI的高探测器率的CMOS探测器.以此探测器为例,介绍了长波红外探测器采集系统的低噪声设计过程.着重解决了硬件电路在满足驱动的条件下如何降低噪声的问题,试验结果表明采集系统工作正常,且具有较好的噪声特性,在300 K黑体直接照射情况下,整个采集系统所测得的均值噪声为1.20 mV,信噪比可达到55 dB以上.     

中/长波双色二类超晶格红外探测器技术

双波段红外探测器是第三代焦平面探测器发展的重要方向之一,二类超晶格材料由于其优异的光电性能而成为制备双色红外探测器的优选材料之一。本文报道中长波双色二类超晶格器件结构设计、材料外延、读出电路设计、芯片加工、组件化等方面研究进展,通过对刻蚀以及钝化工艺进行了优化,制备出性能良好的640×512中长双色二类超晶格红外探测器,主要指标实现像元中心间距20μm,读出方式同时读出,中波波段3.5～4.8μm,长波波段7.5～9.5μm,噪声等效温差中波28.8mK、长波38.8mK,响应率非均匀性中波4.52%、长波7.89%;盲元率中波1.2%、长波1.3%,并完成成像演示,成像质量良好,为双色红外探测器工程化应用奠定了基础。     

480×6制冷长波红外探测器的测试

480×6制冷长波红外探测器是新一代光电装备的核心器件,其测试结果能为新一代光电装备提供设计参考数据.480×6制冷长波红外探测器需要至少9路模拟偏压和3路数字信号,才能正常工作.其模拟视频信号输出为16路信号.偏压精度不高或者采集通道之间微小的噪声差异会大大影响测试的精度.88μV的系统电噪声会对D*值带来13.8%的误差.设计了低噪声的480×6长波制冷红外探测器的测试接口电路,编制探测器工作所需要的模拟偏压和数字时序信号,采用4路低噪声采集模块采集探测器4路输出的30×120的图像.编程读出SAS系统*.srs测试文件中的测试数据,对像元进行排序,得到120×120的图像.重复4次,得到480×120的图像.首次完成了480×6制冷长波红外探测器的测试,其D*测试结果为2.726×1011Jones,与3年前的测试结果只有13.8%的偏差.     

512×8中波TDI红外探测器成像系统设计

针对TDI型红外探测在各个领域的重要作用,设计并实现了一个中波TDI红外扫描成像系统。该扫描成像系统采用国产512×8元线列MCT(碲镉汞)焦平面列阵、自行研制的光学系统和一维角度扫描系统。当探测器在300K黑体的照射下,积分时间为500 s时,整个成像系统的平均噪声等效温差(NETD)约为0.3K。实验结果表明该系统能够满足设计要求。     

512×8像素级数字化长波红外探测器研究

像素级数字化红外探测器具有更高的性能水平和更强的抗干扰能力,是红外探测器技术发展的重要方向之一。通过突破像素级数字化读出电路设计、低峰谷碲镉汞材料外延、器件制备工艺以及倒装互连等关键技术,研制出了一种512×8像素级数字化长波红外探测器组件,并对其性能进行了测试。此探测器的响应波段为7.85～10.17 μm,平均峰值响应率为1.4×10¹¹ LSB/W,响应率非均匀性为9.13%,有效像元率为97.5%,噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)为4.4 mK,动态范围为90.6 dB。测试结果表明,该探测器能够满足系统要求。     

中波红外数字域640×8 TDI成像系统设计及验证

时间延迟积分(Time Delay Integration,TDI)探测器被广泛应用于弱光成像和航天遥感等领域,这种探测器能够在保持空间分辨率和平台运行速度的条件下有效提高探测器的等效积分时间,提高系统成像质量和探测率.近年来,红外数字域TDI探测器因具有动态范围大、积分级数连续可调和高帧频等优点而受到越来越多的关注和研究.通过对红外数字域TDI技术进行原理分析和数字系统设计,结合国产640×8中波红外数字域TDI探测器设计成像系统进行性能的分析及验证,重点研究了红外数字域TDI探测/成像系统的盲元补偿、非均匀校正、像元调整、时间延迟累加和过采样等关键技术,为未来红外数字域TDI探测器在空间遥感中的应用提供了技术支持.     

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.     

TDI型红外探测器空间校正方法的设计与实现

时间延迟积分(TDI)型红外探测器作为第二代红外探测器,具有更高的温度灵敏度和更大的扫描成像视场.和面阵成像探测器相比,TDI型红外探测器必须在装置中加入扫描机构进行扫描成像,由于TDI型红外探测器光敏元在空间的位置交错排列,为了保证奇偶像元对同一目标成像,这就涉及到扫描方向与探测器奇偶像元空间匹配的问题.以480×6红外探测器为例,详细介绍了TDI型红外探测器光敏元的排列结构、工作方式以及空间校正的原理,给出了空间校正的算法和FPGA实现方法,并通过仿真和实验验证了方法的正确性.     

环孔工艺的碲镉汞长波红外576×6焦平面探测器组件

碲镉汞长波红外576×6焦平面探测器组件是高性能热像仪的核心组件.本文中作者完成了碲镉汞长波红外576×6焦平面探测器组件的设计,利用环孔技术制备出576×6焦平面探测器芯片,经过杜瓦封装、配斯特林制冷机后成为实用的探测器组件.性能参数测试表明:典型的探测率达到1.79×1011cm Hz1/2/W,非均匀性达到14.6%,盲元率达到6.0%,并完成探测器组件的实验室演示成像.     

长波红外高灵敏度信息采集系统设计

本文针对特定长波红外焦平面(288×384像元)探测器,选用低噪直流电源和低压差线性稳压器组合,实现了该红外焦平面模拟和数字驱动电路。分析提升长波红外探测灵敏度的关键要点,设计了高灵敏度信息采集电路。该红外成像系统具有高帧频、高灵敏度的优点。实验室测试得到该长波红外探测系统噪声等效温差(NETD)在300 K下优于30 m K。     

大动态范围、高灵敏度红外焦平面数字像元读出电路技术（特邀）

长波红外探测器一直以来受到读出电路电荷存储容量的限制,导致信噪比、动态范围和灵敏度都难以提升,制约了长波红外成像系统的发展和应用。文中对比分析了模拟像元和数字像元读出电路技术,介绍了数字像元焦平面的发展现状和主要架构。采用脉冲频率调制方案设计了384×288（25 μm）和256×256 （30 μm）两款数字像元读出电路,其中比较器设计提高了功耗效率和强壮性,并耦合碲镉汞探测器形成长波数字焦平面探测器组件进行测试,结果与国内外相关工作进行比较分析,峰值噪声等效温差分别达到3.4 mK和1.9 mK,动态范围达到96 dB。测试结果表明,数字像元技术显著提升了长波红外焦平面的灵敏度和动态范围,是提高红外探测器性能的有效途径。     

非制冷色散式成像光谱仪辐射传递模型

根据接收信号信噪比,研究了基于非制冷微测辐射热计阵列构造色散式成像光谱仪的可行性.综合考虑目标红外辐射特性、大气传输透过率、仪器接收孔径、色散式光谱仪辐射传递特性、红外阵列探测器参数、数据链传输等环节,建立了完善的色散式长波红外成像光谱仪辐射能量传递模型.选用典型地物红外发射率数据,非制冷微测辐射热计红外焦平面阵列参数,利用低分辨率大气辐射传输计算软件LOWTRAN生成大气红外透过率曲线,依据传递模型,计算了以非制冷微测辐射热计阵列为探测器的色散式长波红外成像光谱仪可达到的光谱分辨率,验证了依据非制冷红外探测器构建小型红外成像光谱遥感器的潜力.     

光伏焦平面器件串音效应的检测图形测试法

根据长波红外焦平面器件研制的需要，在对器件串光效应和测试原理进行分析的基础上，本文首次提出用检测图形测试的方法测量红外焦平面阵列中探测器之间的串音效应。对用于检测光伏焦平面阵列光串音效应的检测图形的结构和原理，具体的测试设备和测试方法，以及由结构设计差异和检测管响应率差异可能引入的误差进行了讨论，并根据红外长波焦平面器件研制过程中的实际测试经验，给出了实用的误差消除方法。在长波ＨｇＣｄＴｅ焦平面阵列的实际研制过程中，该方法对工艺机理的分析和器件参数测试都起了重要的作用。此测试法所用测试设备与常规光电器件测试设备相同，避免了在串音测试上依赖于目前尚不成熟的红外长波小光点技术。     

微桥结构PZT厚膜红外探测器研究

利用KOH溶液腐蚀结合SF6气体干法刻蚀工艺制备了锆钛酸铅(PbZr0.3Ti0.7O3,PZT)厚膜热释电红外探测器,得到了器件Si基背面完全悬空的微桥绝热结构.使用由斩波器调制的黑体辐射,测试了探测器在低频段的电压响应率、噪声等效功率和探测率等参数.结果表明,探测器在调制频率为5.3 Hz时的电压响应率约为4.5×...     

640×512数字化InGaAs探测器组件

数字化InGaAs探测器是短波红外探测器技术发展的一个重要方向,它不仅可以提升系统的集成度,还可以提升成像系统的各项技术指标。通过将模拟-数字转换器（ADC）集成到读出电路中实现数字化读出电路是数字化InGaAs探测器的技术核心。文中介绍了640×512数字化读出电路的设计与实现,并与InGaAs探测器通过铟柱进行倒装互联形成了数字化InGaAs探测器组件。通过对探测器组件的测试得到读出噪声为230 μV,峰值量子效率为65%,在300 K温度下探测率为1.2×1012 cmHz1/2/W,在60 Hz帧频下功耗为94 mW。测试结果表明,数字化InGaAs探测器组件具有低读出噪声,高线性度,高传输带宽,高抗干扰性等特点。     

数字化红外焦平面噪声分析研究

基于自行设计的TDI线列红外焦平面数字化读出电路,设计一款带有驱动IRFPA器件和数字化数据采集功能的红外焦平面测试系统,分别进行数字化线列读出电路电注入方式、中波红外焦平面和长波红外焦平面的噪声分析以及红外探测器比较关心的NETD的分析,并对积分时间、焦平面阵列注入区和偏置电压对红外探测性能的影响做了区分论证。     

红外成像系统噪声等效温差数字图像测试方法

噪声等效温差是评价红外成像系统性能的关键参数之一。数字图像在红外成像系统的显示与记录中得到越来越广泛的应用,但原有的噪声等效温差均是基于模拟图像进行测试。提出基于数字图像的红外成像系统噪声等效温差测试方法,用最小二乘法拟合信号传递函数,用三维噪声模型分析并计算系统噪声,给出了噪声等效温差的计算方法。搭建测试环境,分别对线列扫描红外成像系统和焦平面阵列红外成像系统进行测试,并对测试数据与标称值进行对比、分析。     

背景辐射对长波HgCdTe光电导探测器性能的影响

分析了背景辐射影响长波HgCdTe光电导探测器性能的基本原理，分析中考虑了器件上下两表面的表面复合速度和不同器件的具体参数。在MTD标准测试杜瓦上改装了一视场角可连续变化的冷屏（110～10°），用光电导衰退测量了不同视场角下载流子有效寿命，用红外探测器的标准测试方法测量了不同规场角下器件的黑体响应率，单位带宽的均方根噪声电压，黑体探测率，实验结果表明所研制的长波器件已经达到低温背景限的性能。降低背景辐射量可使器件性能有很大提高，用测试过的器件的参数经理论计算得到的结果同实验数据基本一致。     

高帧频低噪声红外焦平面信息获取系统

设计了一种针对法国引进制冷型高性能320×256元HgCdTe长波红外焦平面探测器MARS LWK508的信息获取系统。该系统包括红外光学镜头、探测器驱动电路、信号处理电路、数据采集与控制电路、图像传输与处理软件等。经过测试,系统在全帧读出时可实现最高200Hz的帧频,面对300K黑体目标测试得到均值噪声为0.7～0.8mV,综合灵敏度优于0.1 K。系统获取的图像经过校正后质量良好。该系统可用于地表热红外成像光谱探测、高速红外监视成像等高端热红外焦平面应用领域。