1、前言红外焦平面阵列以下简称焦平面 是红外凝视成像和成像光谱仪等新一代红外系统的核心器件国外焦平面已经处于实用阶段 国内在国家高技术计划安排下已进行了十年的研究 在硅化铂 锑化铟和碲镉汞等三类焦平面研究方面分别取得了良好进展在应用方面开展了双波段红外凝视成像辐射计和红外成像制导等研究受到用户的重视焦平面拥有成千上万个像元并带有读出电路具有信号获取与信号读出双重功能比之红外单元探测器完全是一种新颖器件因此对焦平面特性的描述带来许多新的内容至今尚未见到国外发表的焦平面特性参数测试技术规范 国内技术人员都从各自的需要和理解定义了一些参数互不统一 随着焦平面研究和应用工作的发展迫切需要统一的特性参数名称
2、和测试方法来评价器件 本规范是为满足这种需要而制定的本标准的附录 附录 和附录 是标准的附录本标准的附录 是提示的附录本标准由中国科学院提出并归口本标准起草单位中国科学院上海技术物理研究所本标准主要起草人董亮初丁瑞军梁平治唐红兰陈世军中华人民共和国国家标准红外焦平面阵列特性参数测试技术规范国家质量技术监督局 批准 实施范围本标准所指的焦平面 是敏感红外辐照以下简称辐照的光敏元阵列并带有读出电路的器件本标准对焦平面特性参数及相关量进行了定义本标准给出了焦平面主要特性参数的测试方法及测试条件本标准适用于线列和面阵焦平面特性参数及相关量的定义本标准采用下列定义积分时间像元累积辐照产生电荷的时间 符号
3、为 单位为秒帧周期面阵焦平面一帧信号读出所需要的时间 符号为 单位为秒行周期线列焦平面一行信号读出所需要的时间符号为 单位为秒最高像元速率焦平面像元信号读出的最高速率 符号为 单位为赫兹电荷容量焦平面像元能容纳的最大信号电荷数符号为 单位为电子电荷辐照功率入射到一个像元上的恒定辐照功率 符号为 单位为瓦辐照能量辐照功率 与积分时间 之积 符号为 单位为焦耳 由式 表示饱和辐照功率焦平面在一定帧周期或行周期条件下输出信号达到饱和时的最小辐照功率 符号为 单位为瓦响应率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符号为 单位为伏特每瓦 由式 表示式中
4、 第 行第 列像元对应于辐照功率 的响应电压第 行第 列像元所受的辐照功率响应率的其他表示见附录平均响应率焦平面各有效像元响应率的平均值符号为 单位为伏特每瓦 由式 表示式中 分别为焦平面像元的总行数和总列数 见分别为死像元数和过热像元数见求和中不包括无效像元见响应率不均匀性焦平面各有效像元响应率 均方根偏差与平均响应率 的百分比 符号 单位为 由式表示求和中不包括无效像元见响应率不均匀性可归纳为空间噪声见附录无效像元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 的像元死像元数记为过热像元像元噪声电压大于平均噪声电压 倍的像元 过热像元数记为像元总数与有效像元率像元总数焦平面像元
5、的总行数 与总列数 之积记为有效像元率焦平面的有效像元数占总像元数的百分比符号为 单位为 由式 表示噪声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 符号为 单位为伏特平均噪声电压焦平面各有效像元噪声电压的平均值 符号为 单位为伏特 由式 表示求和中不包括无效像元见噪声等效辐照功率信噪比为 时 焦平面像元所接受的辐照功率 即焦平面的平均噪声电压 与平均响应率 之比 符号为 单位为瓦 由式 表示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即目标温差与信噪比之比符号为 单位为绝对温度 由式 表示式中 面源黑体温度背景温度对应面源黑体与背景温差的
6、焦平面信号电压探测率像元探测率当 瓦辐照投射到面积为 平方厘米的像元上在 赫兹带宽内获得的信噪比 即像元响应率与像元噪声电压 之比并折算到单位带宽与单位像元面积之积的平方根值符号为单位为厘米 赫 瓦 由式 表示式中 像元面积积分时间平均探测率焦平面各有效像元探测率的平均值符号为 单位为厘米 赫 瓦 由式表示求和中不包括无效像元见动态范围饱和辐照功率 与噪声等效辐照功率 之比符号为 由式 表示相对光谱响应焦平面在不同波长 相同辐照能的单色光照射下的光谱响应 与其最大值 之比值符号为由式 表示光谱响应范围相对光谱响应为 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串音由于像元对相邻像元的串扰
7、使相邻像元引起的信号 与本像元信号 之百分比 为该像元对相邻像元的串音符号为 单位为 由式 表示还有一些特性参数和相关量见附录测试方法及测试条件响应率 响应率不均匀性噪声 探测率和有效像元率等 简称响应率等 参数测试原理概要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 即背景辐照条件下的响应电压测试 及背景加黑体辐照条件下的响应电压测试简称背景响应电压测试及黑体响应电压测试 这两种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测试方法测试系统测试系统如图 所示 包括黑体源 杜瓦瓶电子电路及计算机四大部分图 焦平面参数测试系统测试条件黑体
8、源温度范围 室温 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 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焦平面的输出信号电压经放大和预处理后 不得超过 转换器的动态范围响应电压测试利用图 所示的测试系统 分别在背景条件 用环境温度的挡板 挡住黑体源的出射孔 及黑体加背景条件挡板去掉 下 连续采集 帧数据一般取 若被测器件为线列焦平面 则连续采集行数据 得到如图 所示的 组 帧两维数组 在背景条件下 测得的 帧两维数组为 背景 在黑体加背景条件下测得的 帧两维数组为 背景 黑体图 响应电压测试响应率等参数计算在测得如图 所示 组 帧两维数组后响应率等参数 可按定义计
9、算得到像元黑体响应电压计算像元黑体 背景响应电压黑体 背景 黑体 背景式中 黑体 背景 在黑体 背景辐照条件下 第 行第 列像元输出信号电压 次测量的平均值黑体 背景 在黑体 背景辐照条件下第 行第 列像元输出信号电压第 次的测量值采样总帧数或行数 不小于像元背景 响应电压背景 背景式中 背景 在背景辐照条件下第 行第 列像元输出信号电压 次测量的平均值背景 在背景辐照条件下第 行第 列像元输出信号电压第 次的测量值像元黑体响应电压黑体 背景 背景式中 系统增益上述式 和 的运算 可用图 表示图 像元黑体响应电压计算像元响应率计算像元响应率按式 计算式中 由式 求得由式 求得式中 斯忒潘常数黑
10、体温度背景温度黑体辐射孔径焦平面像元面积黑体出射孔至焦平面像元面垂直距离像元噪声电压计算根据定义 将图 中背景条件下采集的 帧两维数组 背景 及由式 求得的两维数组 背景代入式 求得像元噪声电压背景 背景式 的运算由图 表示图 像元噪声电压运算像元探测率计算像元探测率按式 计算有效像元率计算根据定义 有效像元率 的计算涉及四个参数死像元 过热像元 平均响应率 和平均噪声电压 这四个参数前两个分别与后两个相互牵制 即要想求出前两个 必须先知道后两个反之 要想求出后两个又必须先知道前两个因此 只能采取近似算法 作为一级近似 引入响应率和噪声电压的中间平均值 和 按下列步骤求出死像元和过热像元 若需
11、高级近似 推荐一种算法见附录死像元按下式所有像元参加运算求得中间平均响应率根据死像元定义 符合下列不等式的像元为死像元记为过热像元按下式扣除死像元 后余下的像元参加运算 求得中间平均噪声电压根据过热像元定义 符合下列不等式的像元为过热像元 记为有效像元率由式 和式 求得的死像元 和过热像元 代入式 可求得有效像元率平均黑体响应电压计算求和中不包括无效像元见平均响应率计算平均响应率按式 计算求和中不包括无效像元参见平均噪声电压计算平均噪声电压按式 计算求和中不包括无效像元见平均探测率计算平均探测率按式 计算求和中不包括无效像元见响应率不均匀性计算响应率不均匀性 按式 计算求和中不包括无效像元见噪
12、声等效温差测试测试装置如图 所示条状孔板作为目标 经透镜聚焦其像成在焦平面的像元上 条状孔板的孔内温度为面源黑体温度 条状孔板的温度为 故目标温差为 焦平面信号由图 测试系统处理图 噪声等效温差测试装置必要条件条状孔板及面源黑体应分别进行温控聚集在焦平面上的条状孔和条状板的像的宽度 不得小于焦平面 个像元的宽度测试方法条状孔板的像聚焦在焦平面上时 得到的焦平面某一行的输出信号 如图 所示 噪声等效温差按式 计算式中按 和 求得为对应条状孔 的各像元信号的平均值即对应温度 的面源黑体的平均信号为对应条状 板 的各像元信号的平均值 即对应温度 板的平均信号图 焦平面某一行输出信号动态范围测试根据定
13、义 只要分别测得饱和辐照功率 和噪声等效辐照功率 动态范围可由式求得饱和辐照功率测试利用图 所示的测试系统 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 按 响应电压测试方法和 平均黑体响应电压计算公式测出各 值条件下的平均黑体响应电压 得到如图 所示的关系曲线按最小二乘法分别在曲线的线性区和饱和区拟合出两条直线 两直线的交点 对应的横坐标为饱和辐照功率的测量值噪声等效辐照功率计算以式 及式 中求得的 及 代入式 求得噪声等效辐照功率动态范围计算由图 曲线求得的 和式 求得的 代入式 求得动态范围图 平均黑体响应电压与辐照功率关系曲线相对光谱响应测试测试
14、装置如图 所示 整个测试装置由辐射源 单色仪分束光路 参考探测器信号处理电路及微机系统组成图 相对光谱响应测试辐射源一般采用硅碳棒单色仪单色仪的波长鼓由微机通过步进电机控制 以实现波长的逐点扫描分束光路由单色仪输出的单色光 经反射镜分成两束 一束输入参考探测器 一束输入被测焦平面参考探测器一般选用热释电器件 它的相对光谱响应 是已知的信号处理电路焦平面的信号必须先经过采样保持 而且采样保持电路只对焦平面接受到单色仪出射的单色光的像元中的某一个或某几个进行采样 经过采样保持后的信号 才进行与参考探测器信号一样的处理即选放及相敏检波微机系统步进电机的步进脉冲 采样保持电路的采样脉冲 切换开关的控制
15、脉冲及 转换脉冲均由微机系统统一协调产生整个数据的采集处理和输出也由微机完成必要条件辐射源调制频率必须低于十分之一的采样保持电路的采样重复频率测试方法当单色仪的波长鼓在微机控制下 进行全波段扫描时 数据采集系统同时测得各波长点下参考探测器的信号电压 和被测焦平面的输出信号电压 被测焦平面的相对光谱响应 根据定义 按式 求出式中 焦平面峰值波长处的相对响应值 即规一化基数参考探测器的相对光谱响应已知以波长为横坐标 相对光谱响应 为纵坐标绘制出相对光谱响应曲线 从曲线上查出光谱响应范围串音测试测试装置如图 所示串音测试装置由红外小光点光路 低温杜瓦瓶 微动台及电子电气等四部分组成图 串音测试装置必
16、要条件红外小光点直径必须小于焦平面像元尺寸保证小光点只照到一个像元微动台定位误差 需小于焦平面像元尺寸的十分之一测试方法如图 所示当红外小光点入射在第 行第 列像元中心时测定该像元的信号 同时测得该像元相邻上下左右四个像元的信号 与根据定义 该像元对相邻各像元的串音 按式 和式 求出该像元对相邻像元的平均串音按式 求出图 串音测试示意图附录标准的附录响应率的其他表示像元能量响应率在动态范围内像元每单位辐照能所产生的输出信号电压 符号为 单位为伏特每焦耳由式 表示式中 第 行第 列像元对应于辐照能量 的响应电压第 行第 列像元所受的辐照能积分时间像元电流响应率焦平面在一定帧周期或行周期条件下 在
17、动态范围内 像元每单位辐照功率所产生的信号电流 符号为 单位为安培每瓦 由式 表示式中 第 行第 列像元对应于辐照功率 的响应电流像元电荷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所产生的信号电荷 符号为 单位为库仑每瓦 由式 表示式中 第 行第 列像元对应于辐照功率 的响应电荷附录标准的附录空间噪声由于焦平面像元响应的不均匀分布 在信号顺序读出时 转换为随时间的涨落 表现为噪声 这种噪声称为空间噪声 引入空间噪声后 由 定义的噪声为时间的随机噪声称时间噪声 焦平面的总噪声由时间噪声和空间噪声两部分构成空间噪声电压响应率不均匀性 与平均黑体响应电压 的乘积符号为
18、单位为伏特 由式 表示焦平面总噪声电压平均噪声电压 与空间噪声电压 的均方根和符号为 单位为伏特 由式 表示两维探测率计入空间噪声的探测率为两维探测率平均响应率 与总噪声电压 之比 并折算到单位带宽与单位像元面积之积的平方根值 符号 单位为厘米 赫 瓦 由式 表示附录标准的附录备用特性参数及相关量视场角以焦平面像元区的中心为中心 像元面法线方向为轴 受圆筒形冷屏限制 所张的立体角 符号为单位为度 对于线列器件 冷屏为椭圆形截面需分别标出长轴与短轴的视场角占空因子像元光敏面积 除以相邻像元的横向中心距 与纵向中心距 之乘积符号为 由式表示量子效率在动态范围内像元积累的信号电荷数与入射光子数的百分
19、比符号为 单位为固定图形噪声在均匀背景条件下各有效像元信号电压 背景 均方根偏差与平均背景响应信号电压背景 之百分比 符号 单位为 由式 表示背景 背景 背景式中 背景 背景背景 由式 求得求和中不包括无效像元见调制传递函数在奈奎斯特频率范围内 各正弦空间频率 的调制辐照作用下 焦平面输出信号调制度 与辐照信号调制度 之比值符号为 由式 表示非线性度像元非线性度在动态范围内 像元响应率 变化的百分数 符号为 单位为 由式 表示式中 第 行第 列像元在动态范围内响应率的最大变化量第 行第 列像元在线性响应区的响应率值平均非线性度各有效像元非线性度的平均值 符号为 单位为 由式 表示求和中不包括无效像元见附录提示的附录死像元 过热像元及平均响应率 平均噪声电压 的计算方法
