數字化紅外焦平面探測器光譜響應測試系統研究

姬玉龍，毛京湘，李雯霞，楊鵬偉，黃俊博，舒 暢，李紅福,謝 剛

數字化紅外焦平面探測器光譜響應測試系統研究

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）

隨著數字化紅外焦平面探測器的發展，為滿足紅外數字化紅外焦平面探測器光譜響應測試的需求，利用傳統的單色分光儀原理，借助LabVIEW開發軟件，采用Cameralink總線圖像數據傳輸方案，研制了數字化紅外焦平面探測器光譜響應曲線的測試系統。研究結果表明，本系統具有結構簡單、抗干擾能力強、測試準確可靠的優點，解決了傳統光譜測試設備不能對數字化紅外焦平面探測器進行測試的問題。

數字化紅外焦平面；光譜響應；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域得到了普遍的發展及應用，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節的信噪比，同時也可降低后級電子系統的復雜度[1]，采用在模擬紅外探測器基礎上集成列級模數轉換模塊，直接串行輸出數字紅外圖像信號的數字化焦平面探測器完成研制[2]。然而，目前國內仍沒有成熟的數字化紅外焦平面探測器相對光譜響應曲線測試設備，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、陣列探測器驅動板等儀器裝置，研制開發了數字化紅外焦平面探測器光譜測試系統。

1 測試系統的組成及原理

1.1 測試系統的硬件組成及原理

與傳統的模擬紅外探測器光譜測試系統類似，本測試系統主要由高溫腔式黑體、光學斬波器、光柵單色儀、單元熱釋電探測器、待測試探測器、驅動板、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實意義，在對最終的測試結果進行歸一化處理時，能有效地排除測試結果中與有用信息無關的一切干擾，使測試結果更加準確。測試開始前，先把單元熱釋探測器的光學窗口對準單色儀的出射口，在測控軟件界面設置將要進行測試的光譜波長范圍、波長步進間隔等參數。

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定，并在每個波長設定下，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該接入斬波器，把斬波器反饋回來的光學調制頻率作為外部參考信號。

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

1.2 測試系統的軟件開發

測試系統軟件開發采用美國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儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創建用戶界面，如圖2所示，根據測試需要設置了采樣模式選擇、測試區域（行、列數）選擇、積分時間設定等控件以及實時灰度值與電壓值的顯示模塊，在圖像顯示區還可以進行實時圖像的查看和縮放，使探測器的現場測試、分析更加便捷、直觀。②使用圖形化編輯語言結構編寫程序，產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，使軟件開發面向最終的用戶端，實現測試系統時可以大大提高工作效率。③能高效直觀地進行系統軟件的設計，同時該軟件包含了常用的設備通信控制的標準庫函數，這樣也就排除了儀器的硬件差異，編程人員能方便地實現不同類型設備的通信控制。

本系統軟件利用VISA通用串口標準函數實現對單色儀及鎖相放大器的通信控制，通過使用NI的Camera File Generator軟件生成相機參數配制文件，在NI的MAX軟件向導中把圖像采集卡通道加載到該相機文件后，就可以檢測到該數字探測器輸出的圖像信號[4]。測試系統軟件流程圖如圖4所示，軟件系統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定，當查詢到單色儀波長設置成功后，開始等待鎖相測試數值穩定，自動采集每個波長點下單元熱釋電探測器對應的響應電壓，最后繪制成光譜響應曲線，如圖5所示。系統軟件采用NI-IMAQ通用圖像采集驅動函數對圖像采集卡進行控制，并采用Vision視覺開發模塊對圖像數據進行處理顯示[5]，在光譜測試過程中，可以通過調整單色光成像到探測器上的圖像大小及強度確定測試區域，并通過軟件圖像任意開窗功能進行指定像素坐標位置的數字化紅外焦平面探測器光譜測試。

圖1 數字化焦平面光譜測試系統原理

圖2 數字化紅外焦平面探測器光譜測試系統軟件界面

圖3 數字化紅外焦平面探測器光譜測試系統軟件框圖

圖4 測試系統軟件流程圖

2 光譜響應曲線的計算方法

光子探測器光譜響應曲線是指：光子探測器在等能量的不同波長光子輻照下響應率隨波長的變化情況。本系統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，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。為獲得準確的各波長單色光能量分布曲線，使用一個標準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生溫度變化，然后伴隨晶軸方向產生電壓變化，該探測器是一種對所有波長輻射都具備相同響應率的無選擇性探測器，所以使用熱探測器在光譜區間測試得到的電壓信號變化情況就直接反映了本系統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率隨波長變化情況，通常將最大響應率波長點歸一化處理，就得到相對光譜響應曲線。

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，其響應率基本為一個常數,因此，熱探測器的輸出電壓信號pyro與各相關量的關系如下式：

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

安裝連接標準的熱釋電單元探測器，采用腔式黑體作為光源，溫度設置為1000℃，單色儀切換到1.1～6mm光柵，出口狹縫設置寬度為2mm，斬波器工作在20Hz的調制頻率下，將調制頻率連接到鎖相放大器作為參考信號。軟件界面設置光譜掃描范圍為1100～6000nm，單次步進為50nm，啟動系統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果，表征了本系統一定光譜區間內各單色光源的相對能量分布關系。

3.2 數字化紅外焦平面探測器光譜測試

對于光學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主要由帶通濾光片決定，測試時各個區域具有高度一致性，可以選擇中間區域進行測試；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、中間等區域進行多次測試平均，平均后的結果才能代表整個陣列的光譜響應范圍。

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

圖6 未除能量分布曲線的數字化紅外焦平面探測器光譜響應曲線

表1 測試過程中的原始數據

圖7 數字化紅外焦平面探測器光譜響應曲線

4 結論

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

[1] 姚立斌, 陳楠, 張濟清, 等. 數字化紅外焦平面技術[J]. 紅外技術, 2016, 38(5): 357-366[doi:10.11846/j.issn.1001_8891.201605001].

YAO Libin, CHEN Nan, ZHANG Jiqing, et al. Digital IRFPA Technology[J]., 2016, 38(5): 357-366 [doi:10.11846/j.issn.1001_8891.201605001].

[2] 劉傳明, 姚立斌. 紅外焦平面探測器數字讀出電路研究[J]. 紅外技術, 2012, 34(3):125-133. LIU Chuanming, YAO Libin. Study on digital readout circuit for infrared FPA detectors[J]., 2012, 34(3): 125-133.

[3] 劉君華, 賈惠芹, 丁暉, 等. 虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2001.

LIU Junhua, JIA Huiqin, DING Hui, et al.[M]. Xi￠an: Xi￠an Electronic Science &Technology University Press, 2001.

[4] NI.1433[M]. 2014.

[5] 劉陽. 虛擬儀器的現狀及發展趨勢[M]. 北京: 清華大學出版社, 1996.

LIU Yang.[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1996.

[6] HGH.:[M]. 2014.

[7] 劉文耀. 數字圖像采集與處理[M]. 北京: 電子工業出版社, 2013.

LIU Wenyao.[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2013.

[8] 王慶有. 圖像傳感器應用技術[M]. 2版: 北京: 電子工業出版社, 2013.

WANG Youqing.[M]. 2nd ed: Beijing: Electronic Industry Press, 2013.

[9] 李全臣, 蔣月娟. 光譜儀器原理[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 1999.

LI Quanchen, JIANG Yuejuan.[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1999.

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方法研究。E-mail：276002693@qq.com。