數(shù)字化紅外焦平面探測器光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)研究

姬玉龍，毛京湘，李雯霞，楊鵬偉，黃俊博，舒 暢，李紅福,謝 剛

數(shù)字化紅外焦平面探測器光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)研究

姬玉龍，毛京湘，李雯霞，楊鵬偉，黃俊博，舒 暢，李紅福,謝 剛

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

隨著數(shù)字化紅外焦平面探測器的發(fā)展，為滿足紅外數(shù)字化紅外焦平面探測器光譜響應(yīng)測試的需求，利用傳統(tǒng)的單色分光儀原理，借助LabVIEW開發(fā)軟件，采用Cameralink總線圖像數(shù)據(jù)傳輸方案，研制了數(shù)字化紅外焦平面探測器光譜響應(yīng)曲線的測試系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、測試準(zhǔn)確可靠的優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)光譜測試設(shè)備不能對數(shù)字化紅外焦平面探測器進行測試的問題。

數(shù)字化紅外焦平面；光譜響應(yīng)；單色儀；LabVIEW；歸一化

0 引言

近年來，紅外焦平面探測器在軍事及民用領(lǐng)域得到了普遍的發(fā)展及應(yīng)用，其信號輸出方式主要采用模擬圖像信號進行傳輸，為了進一步改善提升圖像信號在傳輸環(huán)節(jié)的信噪比，同時也可降低后級電子系統(tǒng)的復(fù)雜度[1]，采用在模擬紅外探測器基礎(chǔ)上集成列級模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，直接串行輸出數(shù)字紅外圖像信號的數(shù)字化焦平面探測器完成研制[2]。然而，目前國內(nèi)仍沒有成熟的數(shù)字化紅外焦平面探測器相對光譜響應(yīng)曲線測試設(shè)備，為滿足這一測試評估需求，參照模擬陣列探測器相對光譜響應(yīng)的測試原理，本論文采用LabVIEW軟件、紅外單色儀、Cameralink采集卡、陣列探測器驅(qū)動板等儀器裝置，研制開發(fā)了數(shù)字化紅外焦平面探測器光譜測試系統(tǒng)。

1 測試系統(tǒng)的組成及原理

1.1 測試系統(tǒng)的硬件組成及原理

與傳統(tǒng)的模擬紅外探測器光譜測試系統(tǒng)類似，本測試系統(tǒng)主要由高溫腔式黑體、光學(xué)斬波器、光柵單色儀、單元熱釋電探測器、待測試探測器、驅(qū)動板、鎖相放大器、測控計算機及測控軟件等組成。

在本測試系統(tǒng)中，利用單元熱釋電探測器能對較寬范圍的紅外光譜進行接收與測試的特點，使之對黑體輻射源背景輻射能量的測試具有理想的可操作特性和現(xiàn)實意義，在對最終的測試結(jié)果進行歸一化處理時，能有效地排除測試結(jié)果中與有用信息無關(guān)的一切干擾，使測試結(jié)果更加準(zhǔn)確。測試開始前，先把單元熱釋探測器的光學(xué)窗口對準(zhǔn)單色儀的出射口，在測控軟件界面設(shè)置將要進行測試的光譜波長范圍、波長步進間隔等參數(shù)。

啟動自動測試程序，測控計算機通過RS232串口，對單色儀進行逐個波長設(shè)定，并在每個波長設(shè)定下，通過RS232串口從鎖相放大器讀回電壓信號，而鎖相放大器事先應(yīng)該接入斬波器，把斬波器反饋回來的光學(xué)調(diào)制頻率作為外部參考信號。

待測試探測器選用MCT中波640×512的數(shù)字探測器，其列級模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）分辨率為14bit，像素時鐘大于40MHz，幀頻大于100Hz。通過驅(qū)動板為探測器提供合適的工作電壓及時鐘波形，并通過驅(qū)動板上的FPGA可編程芯片及Cameralink接口芯片把探測器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成Cameralink總線協(xié)議信號傳輸?shù)綔y控計算機上。Cameralink總線是專門為數(shù)字像機的數(shù)據(jù)傳輸提出的標(biāo)準(zhǔn)接口，采用低壓差分信號（LVDS）傳輸技術(shù)，具有抗干擾能力強、數(shù)據(jù)傳輸速度快的特點，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達2.38 Gbps。本系統(tǒng)中的計算機安裝了NI公司的PCIE-1433圖像采集卡，通過LabVIEW軟件開發(fā)的測控系統(tǒng)軟件，能實時高速地對數(shù)字探測器輸出的圖像信號進行采集顯示，并將光譜數(shù)據(jù)進行采集保存[3]。測試系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.2 測試系統(tǒng)的軟件開發(fā)

測試系統(tǒng)軟件開發(fā)采用美國NI公司研制的LabVIEW控制軟件，該軟件具有以下3個特點：①軟件提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面，如圖2所示，根據(jù)測試需要設(shè)置了采樣模式選擇、測試區(qū)域（行、列數(shù)）選擇、積分時間設(shè)定等控件以及實時灰度值與電壓值的顯示模塊，在圖像顯示區(qū)還可以進行實時圖像的查看和縮放，使探測器的現(xiàn)場測試、分析更加便捷、直觀。②使用圖形化編輯語言結(jié)構(gòu)編寫程序，產(chǎn)生的程序以框圖的形式表示，如圖3所示。通過各種流程圖或框圖代替復(fù)雜的編程語言，使編程人員能夠方便地建立虛擬儀器，使軟件開發(fā)面向最終的用戶端，實現(xiàn)測試系統(tǒng)時可以大大提高工作效率。③能高效直觀地進行系統(tǒng)軟件的設(shè)計，同時該軟件包含了常用的設(shè)備通信控制的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，這樣也就排除了儀器的硬件差異，編程人員能方便地實現(xiàn)不同類型設(shè)備的通信控制。

本系統(tǒng)軟件利用VISA通用串口標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)實現(xiàn)對單色儀及鎖相放大器的通信控制，通過使用NI的Camera File Generator軟件生成相機參數(shù)配制文件，在NI的MAX軟件向?qū)е邪褕D像采集卡通道加載到該相機文件后，就可以檢測到該數(shù)字探測器輸出的圖像信號[4]。測試系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示，軟件系統(tǒng)在進行單元熱釋電探測器光譜曲線測試時，按照實際測試光譜范圍的需要可以對單色儀進行單點波長的設(shè)定，當(dāng)查詢到單色儀波長設(shè)置成功后，開始等待鎖相測試數(shù)值穩(wěn)定，自動采集每個波長點下單元熱釋電探測器對應(yīng)的響應(yīng)電壓，最后繪制成光譜響應(yīng)曲線，如圖5所示。系統(tǒng)軟件采用NI-IMAQ通用圖像采集驅(qū)動函數(shù)對圖像采集卡進行控制，并采用Vision視覺開發(fā)模塊對圖像數(shù)據(jù)進行處理顯示[5]，在光譜測試過程中，可以通過調(diào)整單色光成像到探測器上的圖像大小及強度確定測試區(qū)域，并通過軟件圖像任意開窗功能進行指定像素坐標(biāo)位置的數(shù)字化紅外焦平面探測器光譜測試。

圖1 數(shù)字化焦平面光譜測試系統(tǒng)原理

圖2 數(shù)字化紅外焦平面探測器光譜測試系統(tǒng)軟件界面

圖3 數(shù)字化紅外焦平面探測器光譜測試系統(tǒng)軟件框圖

圖4 測試系統(tǒng)軟件流程圖

2 光譜響應(yīng)曲線的計算方法

光子探測器光譜響應(yīng)曲線是指：光子探測器在等能量的不同波長光子輻照下響應(yīng)率隨波長的變化情況。本系統(tǒng)中使用的黑體光源輻亮度滿足普朗克公式，其輻射亮度隨波長而改變。同時，黑體輻射通過光柵衍射單色儀后，光柵衍射效率曲線也是波長的函數(shù)，這樣單色儀出口的單色光能量分布情況受多個因素影響決定。為獲得準(zhǔn)確的各波長單色光能量分布曲線，使用一個標(biāo)準(zhǔn)的單元熱釋電探測器來檢測單色儀出口的單色光能量相對分布，由于熱釋電探測器吸收紅外輻射后產(chǎn)生溫度變化，然后伴隨晶軸方向產(chǎn)生電壓變化，該探測器是一種對所有波長輻射都具備相同響應(yīng)率的無選擇性探測器，所以使用熱探測器在光譜區(qū)間測試得到的電壓信號變化情況就直接反映了本系統(tǒng)單色光源的能量大小相對分布，這樣把各單色光下光子探測器的測試電壓信號與熱探測器的電壓信號相除，就得到了相同能量下光子探測器相對響應(yīng)率隨波長變化情況，通常將最大響應(yīng)率波長點歸一化處理，就得到相對光譜響應(yīng)曲線。

圖5 單色儀出口光源輻射光譜曲線

det()＝()()() (1)

單元熱釋電探測器對入射光子是無選擇性吸收的，在較寬的紅外光譜范圍內(nèi)，其響應(yīng)率基本為一個常數(shù),因此，熱探測器的輸出電壓信號pyro與各相關(guān)量的關(guān)系如下式：

pyro()＝()() (2)

將光子探測器測試電壓除以單元熱探測器電壓后，并最終進行最大值歸一化后就可以得到光子探測器的相對光譜響應(yīng)曲線，見下式：

3 探測器光譜測試

3.1 單色儀出口光源輻射譜測試

安裝連接標(biāo)準(zhǔn)的熱釋電單元探測器，采用腔式黑體作為光源，溫度設(shè)置為1000℃，單色儀切換到1.1～6mm光柵，出口狹縫設(shè)置寬度為2mm，斬波器工作在20Hz的調(diào)制頻率下，將調(diào)制頻率連接到鎖相放大器作為參考信號。軟件界面設(shè)置光譜掃描范圍為1100～6000nm，單次步進為50nm，啟動系統(tǒng)后測試得到單元熱探測器不同波長下輸出的電壓值曲線（如圖5所示），該曲線代表了公式(2)所描述黑體輻射光譜與光柵衍射效率曲線共同作用的結(jié)果，表征了本系統(tǒng)一定光譜區(qū)間內(nèi)各單色光源的相對能量分布關(guān)系。

3.2 數(shù)字化紅外焦平面探測器光譜測試

對于光學(xué)窗口上安裝了帶通濾光片的陣列探測器，其二維陣列空間各像素光譜響應(yīng)主要由帶通濾光片決定，測試時各個區(qū)域具有高度一致性，可以選擇中間區(qū)域進行測試；對于只安裝高通濾光片的長波陣列探測器而言，其后截止波長主要由探測器材料帶隙決定，在空間上會表現(xiàn)出一定的分布差異，這樣就需要對整個陣列探測器上下、左右、中間等區(qū)域進行多次測試平均，平均后的結(jié)果才能代表整個陣列的光譜響應(yīng)范圍。

待測數(shù)字化紅外焦平面探測器為MCT中波640×512焦平面探測器，內(nèi)部裝載了3.7～4.8mm的帶通濾光片，測試對光時，設(shè)定單色儀波長為4.0mm，單色儀射出的光斑通過濾光片照射到探測器表面，并在圖像顯示區(qū)域顯示一個明亮的光斑，如圖2所示。系統(tǒng)軟件可以設(shè)定圖像上任意矩形區(qū)域內(nèi)的像素作為測試對象，在啟動測試系統(tǒng)后，通過軟件控制單色儀上的擋光板是否遮擋單色儀的入口光源，記錄探測器在遮光狀態(tài)下的圖像數(shù)據(jù)即背景灰度數(shù)值，之后用每個波長下的圖像數(shù)值減去遮光狀態(tài)下的背景數(shù)字，該差值即灰度差作為光強信號進行后續(xù)運算。從測試數(shù)據(jù)看，該灰度差最大可以接近2000，因此該系統(tǒng)具有理想的信號強度，能確保信號采集的準(zhǔn)確性。測試完畢后直接得到的探測器原始數(shù)據(jù)曲線為圖6，該曲線未除去單色光能量分布帶來的影響，是器件光譜響應(yīng)率與能量分布共同作用的結(jié)果[6]。之后，系統(tǒng)自動將測試數(shù)據(jù)存儲到文本文件中，使用Excel文檔軟件記錄下測試過程中的原始數(shù)據(jù)，如表1所示。將陣列器件原始光譜數(shù)據(jù)除去單色光能量分布曲線并將最大值歸一，最終得到數(shù)字化紅外焦平面探測器的歸一化光譜響應(yīng)曲線如圖7所示[7]。從該測試結(jié)果可以看出在前后半峰寬的位置對應(yīng)波長分別為3.66mm及4.82mm，由于探測器光學(xué)窗前安裝了帶通濾光片，器件最終的光譜響應(yīng)范圍主要由該濾光片通帶區(qū)間決定[8]，最終的測試結(jié)果與濾光片標(biāo)稱值非常一致。

圖6 未除能量分布曲線的數(shù)字化紅外焦平面探測器光譜響應(yīng)曲線

表1 測試過程中的原始數(shù)據(jù)

圖7 數(shù)字化紅外焦平面探測器光譜響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

采用LabVIEW軟件，基于單色分光儀原理，采用Cameralink總線圖像數(shù)據(jù)傳輸方案，實現(xiàn)了數(shù)字化紅外焦平面探測器光譜響應(yīng)曲線的測試功能[9]。該測試系統(tǒng)集信息采集、處理、存儲、輸出功能于一體，極好地解決了傳統(tǒng)光譜測試設(shè)備不能對數(shù)字化紅外探測器進行測試的問題。經(jīng)驗證，測試系統(tǒng)具有測量準(zhǔn)確、方便，靈敏度較高，響應(yīng)時間快速，光譜分辨率極高的優(yōu)點；同時，操作簡單，測試結(jié)果可以實時從顯示窗口讀出或由打印設(shè)備輸出，目前已經(jīng)應(yīng)用于各科研項目數(shù)字化紅外焦平面探測器的光譜測試中。測試系統(tǒng)的研制成功，彌補了數(shù)字化紅外焦平面探測器光譜測試的空白，節(jié)省了購入設(shè)備帶來的經(jīng)費支出，也使系統(tǒng)的后期維護更加便捷。

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Research on Spectral Response Test System of Digitalization Infrared Detector

JI Yulong，MAO Jingxiang，LI Wenxia，YANG Pengwei，HUANG Junbo，SHU Chang，LI Hongfu，XIE Gang

(,650223,)

With the development of digitalization infrared detectors, in order to satisfy the need of spectral response test, the traditional theory of a monochrome-instrument was adopted for the Cameralink bus image data transmission scheme. This principle was thenused to developa spectral response curves test system fordigitalization infrared detectorswith the help of LabVIEW.Results showed that the advantages of the system were a simple structure with a strong capacity of resisting disturbance and enabling a precise test. This solved the problem of traditional spectral measurement instruments being unable to test infrared detector digitalization.

digitalization IRFPA，spectral response，monochromator，LabVIEW，normalization

TN215

A

1001-8891(2017)10-0897-06

2016-11-13；

2016-12-16.

姬玉龍（1980-），男，云南昆明人，碩士研究生，主要從事紅外焦平面探測器測試系統(tǒng)方法研究。E-mail：276002693@qq.com。