“資源一號”02E星紅外相機探測器成像驗證方法研究

安萌 梁德印 聶云松 李昊謙 韓波

（1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

（2 中國空間技術研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094）

（3 北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

“資源一號”02E衛(wèi)星是自然資源部定制的業(yè)務衛(wèi)星，衛(wèi)星采用一步正樣的研制模式。衛(wèi)星上配置了一臺長波紅外相機，分辨率為16m，為保證一次可以覆蓋全國大中型城市的需求，其幅寬達到了115km。紅外探測器是紅外相機的核心器件，對系統(tǒng)成像的性能有直接影響。為滿足成像幅寬要求，紅外相機采用國產(chǎn)新研紅外探測器組件，其陣列的規(guī)模為8 000像元，由8片1 024像元的單模塊探測器拼接而成。

“資源一號”02E星紅外相機探測器組件技術難度大，實施工藝復雜，需要突破超長線列芯片微組裝技術、高性能長波材料及器件制備技術等一系列關鍵技術。因此，在紅外相機方案階段需要對紅外探測器的性能提前開展摸底測試，驗證探測器性能是否滿足成像要求。由于紅外相機采用一步正樣的研制方式，沒有鑒定產(chǎn)品用于成像性能測試，經(jīng)分析，“委內(nèi)瑞拉遙感二號”衛(wèi)星（以下簡稱“委遙二號”衛(wèi)星）紅外相機的光學系統(tǒng)與“資源一號”02E星紅外相機的光學系統(tǒng)相似，因此在方案階段采用“委遙二號”衛(wèi)星紅外相機的光學系統(tǒng)與“資源一號”02E星紅外相機的單模塊紅外探測器組裝成系統(tǒng)進行成像性能測試。

本文對單模塊紅外探測器在系統(tǒng)上的驗證情況進行了介紹，主要包括實驗狀態(tài)、實驗流程、測試過程和結果分析及實驗結論，可作為其他紅外相機提前開展探測器驗證實驗的參考。

1 探測器驗證方案

本實驗的主要驗證目的如下：

1）在方案階段，對紅外探測器的性能提前開展摸底測試，早期發(fā)現(xiàn)探測器的性能不足，進行性能的優(yōu)化完善，保障正樣探測器研制的品質。

2）將紅外探測器與現(xiàn)有光學系統(tǒng)相結合，驗證紅外探測器裝機后，相機系統(tǒng)的主要指標是否滿足設計要求。

1.1 探測器總體指標

“資源一號”02E星紅外相機探測器為1 024像元×6級TDI技術的紅外焦平面探測器，紅外探測器芯片采用長波碲鎘汞外延材料制造光伏二極管陣列，實現(xiàn)光電轉換功能；讀出電路芯片采用硅CMOS型數(shù)模混合集成電路，探測器輸出的電學信號通過讀出電路進行電荷積分、放大和順序讀出。紅外探測器驗證實驗的主要目的是對影響紅外相機性能的探測器關鍵指標進行系統(tǒng)級摸底測試，驗證紅外探測器性能是否滿足指標要求。被測紅外探測器的狀態(tài)參數(shù)如表1所示。

表1 被測紅外探測器狀態(tài)參數(shù)Tab.1 Status performance parameters of the Infrared detector

1.2 實驗指標分析

因開展單模塊紅外探測器測試驗證時，“資源一號”02E紅外相機光學系統(tǒng)尚未完成研制，需借用現(xiàn)有其他相機光學系統(tǒng)開展成像實驗。為較準確的獲得測試結果，選用的光學系統(tǒng)參數(shù)應與紅外探測器的指標匹配。“資源一號”02E衛(wèi)星紅外相機的光學系統(tǒng)采用三反離軸形式[1]，根據(jù)光學系統(tǒng)形式和指標，目前與探測器相匹配可用于單模塊紅外探測器測試的相機光學系統(tǒng)僅有“委遙二號”衛(wèi)星紅外相機鑒定產(chǎn)品的光學系統(tǒng)，其主要光學系統(tǒng)參數(shù)與02E星紅外相機光學系統(tǒng)參數(shù)的比對如表2所示。

表2 “委遙二號”衛(wèi)星紅外相機光學系統(tǒng)與“資源一號”02E衛(wèi)星紅外相機光學系統(tǒng)主要參數(shù)比對Tab.2 Optical system parameters comparison between VRSS-2 infrared camera and 02E infrared camera

經(jīng)過比對分析，“委遙二號”衛(wèi)星紅外相機（以下簡稱委遙相機）光學系統(tǒng)形式、焦距、視場角、光學系統(tǒng)MTF和譜段等指標滿足“資源一號”02E星紅外相機（以下簡稱02E相機）的成像測試需求[2]。但兩相機焦距和F數(shù)存在差異，需要對成像參數(shù)進行調整滿足測試需要。“委遙二號”衛(wèi)星紅外相機的F數(shù)是“資源一號”02E星紅外相機的1.26倍，而“資源一號”02E星紅外相機的焦距是“委遙二號”衛(wèi)星紅外相機的2.39倍，因此考慮通過調整積分時間進行近似等效。根據(jù)計算分析，將委遙相機150μs的積分時間調整到159μs后，兩相機系統(tǒng)奈奎斯特（Nyquist）頻率下MTF的差異不大于0.01，系統(tǒng)噪聲等效溫差（NETD）差異不大于0.003K，兩相機焦距和F數(shù)差異對實驗結果的影響可忽略。此外，“委遙二號”衛(wèi)星紅外相機探測器線陣方向長度與“資源一號”02E衛(wèi)星紅外相機單模塊探測器線陣長度相同，可實現(xiàn)整個探測器視場覆蓋成像，因此本實驗可選用“委遙二號”衛(wèi)星紅外相機的光學系統(tǒng)。

本實驗主要對探測器性能在系統(tǒng)級進行摸底測試，涉及的關鍵指標包括探測器NETD、探測器MTF和系統(tǒng)NETD，如表3所示。

表3 紅外探測器組件系統(tǒng)級驗證測試項目及指標Tab.3 System test items and performance requirements of the infrared detector

1.3 實驗流程分析

紅外探測器涉及多類指標，根據(jù)驗證的目的，系統(tǒng)級驗證主要是針對相機自身輻射性能的測試驗證。驗證測試的指標包括系統(tǒng)靜態(tài)調制傳遞函數(shù)、系統(tǒng)噪聲等效溫差，同時為了評估單模塊探測器的性能，驗證了探測器的噪聲等效溫差。根據(jù)實驗目的和總體指標要求，提出了測試流程，“資源一號”02E星紅外相機探測器成像測試驗證流程如圖1所示。

圖1 “資源一號”02E星紅外相機探測器成像測試驗證流程圖Fig.1 The imaging test flowchart of ZY-1 02E satellite infrared detector

本實驗主要對探測器MTF、探測器NETD和系統(tǒng)NETD進行摸底測試，按照驗證目的，將測試流程分為測試準備、探測器單模塊NETD測試、相機系統(tǒng)MTF測試和NETD測試等環(huán)節(jié)。其中測試準備主要包括定焦、單模塊探測器組件連接和制冷機組件連接。紅外光學系統(tǒng)設計有實出瞳，通過與探測器冷屏的匹配達到抑制視場外雜光的目的，為保證在系統(tǒng)測試上的準確性，需將單模塊探測器與“委遙二號”衛(wèi)星紅外相機光學系統(tǒng)精確對準，實現(xiàn)出瞳與冷屏的匹配，以達到減小雜散輻射，提高MTF和NETD測試精度的目的。

2 驗證方法

參加測試的主要包括相機主光學裝置、中繼光學裝置、單模塊探測器組件、轉接板和相機視頻處理器[3]。探測器采用“委遙二號”衛(wèi)星紅外相機的制冷機進行制冷以滿足安裝布局要求。地面測試設備主要包括平行光管、黑體、靶標等。被測紅外相機及地面測試系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 被測紅外相機及地面測試系統(tǒng)組成框圖Fig.2 The block diagram of the tested infrared camera and the ground test system

其中被測相機系統(tǒng)包括主光學裝置、中繼光學裝置、單模塊探測器制冷機組件、轉接板及紅外相機視頻處理器。地面測試設備包括地面直流電源、制冷控制電路、測溫萬用表、遙測遙控綜合電子系統(tǒng)、地面檢測臺及其直流電源和圖像采集設備。

探測器單模塊測試時，使用“資源一號”02E星紅外相機電性焦面電路和視頻處理器為探測器提供驅動信號和接收探測器信息，探測器生產(chǎn)單位提供了轉接板[4-5]，使“資源一號”02E星紅外相機焦面電路可與探測器連接。采用“委遙二號”衛(wèi)星紅外相機的制冷機對焦面進行制冷，在實驗時將探測器溫度制冷到80K左右，該組件與“委遙二號”衛(wèi)星紅外相機光學系統(tǒng)匹配。

3.1 系統(tǒng)MTF測試

將特定空間頻率的明暗相間的矩形靶標置于平行光管的焦面處作為物，通過均勻輻射源照射，相機對矩形靶標成像。將不同空間頻率下靶標圖像的調制度在零空間頻率（或接近零空間頻率）處進行歸一和擬合，得到相機的對比度傳遞函數(shù)，根據(jù)對比度傳遞函數(shù)計算相機的靜態(tài)調制傳遞函數(shù)。系統(tǒng) MTF測試示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)MTF測試示意Fig.3 System MTF test diagram

3.2 系統(tǒng)NETD和探測器NETD測試

NETD是紅外探測器能探測到的最小溫差，能夠表征探測器的性能水平。本實驗在系統(tǒng)調試前，首先通過紅外相機探測器組件窗口正對標準可調溫黑體，如圖4所示，黑體口徑能夠完全覆蓋探測器視場而不會引入背景輻射影響測試精度。紅外探測器工作于80K的工作溫區(qū)，在進行性能測試前需要將探測器制冷到工作溫度并保持穩(wěn)定，通過調整黑體溫度，獲取不同溫度下探測器輸出信號，對輸出信號進行處理獲得探測器的性能。

圖4 探測器單模塊NETD測試Fig.4 Single module NETD test of the detector

然后，對調試后的系統(tǒng)開展了系統(tǒng)級NETD測試。在指定溫度點附近選取兩個溫度點，兩個溫度點的溫差應使得兩個溫度狀態(tài)下的信號差大于兩個溫度狀態(tài)下噪聲平均值的10倍。測量相機在這兩種溫度狀態(tài)下的信號和噪聲，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算噪聲等效溫差。相機噪聲等效溫差測試示意圖如圖5所示。

圖5 相機噪聲等效溫差測試示意Fig.5 NETD test for the camera system

4 測試結果

4.1 系統(tǒng)MTF測試分析

按照測紅外相機對比度傳遞函數(shù)（CTF）的方法進行測試[6]，CTF是矩形靶標中，奈奎斯特頻率下，黑白靶標DN值之差與DN值之和的比值，測試采用高對比度矩形靶標。在平行光管焦面處放置奈奎斯特頻率高對比度矩形靶標[7]，為相機提供無窮遠目標。微調靶標使得靶標像與探測器像元重合[8]，保證相位的一致性。

圖6為奈奎斯特頻率下的黑白條紋靶標圖像。選擇奈奎斯特頻率的靶標[9]作為MTF的計算靶標[10]，按照以下的步驟進行MTF的計算分析。

圖6 系統(tǒng)MTF測試圖像Fig.6 A system MTF test image

1）按式（1）計算所測空間頻率下的靶標圖像的調制度，選取其中的最大值作為該空間頻率下的靶標圖像的調制度

式中Mout()ν為空間頻率為ν時靶標圖像的調制度；DNw()ν為空間頻率為ν時靶標圖像的亮條紋灰度平均值；DNb()ν為空間頻率為ν時靶標圖像的暗條紋灰度平均值。

2）按式（2）計算所測空間頻率下相機對比度傳遞函數(shù)[11-12]

式中 CTF(ν)為空間頻率為ν時，相機的對比度傳遞函數(shù)值；M0(ν)為空間頻率為0或接近0的靶標圖像的調制度，實際測試中，可將低于vn/8（含）的空間頻率近似為零空間頻率，vn為奈奎斯特頻率；k為影響因子，根據(jù)測試設備情況確定，一般在0.9～1之間選取[13]。

3）對空間頻率為奈奎斯特頻率時的MTF進行測試時，按式（3）計算相機靜態(tài)調制傳遞函數(shù)值

式中 MTF(νn)為相機在奈奎斯特頻率處的靜態(tài)調制傳遞函數(shù)值；C TF(νn)為相機在奈奎斯特頻率處的對比度傳遞函數(shù)值。

經(jīng)分析計算，系統(tǒng)MTF為0.087 1。單獨測試“委遙二號”紅外相機光學系統(tǒng)的MTF為0.18，計算得到探測器MTF為0.48，滿足不低于0.47的指標要求。

4.2 系統(tǒng)NETD和探測器NETD測試分析

使用“委遙二號”紅外相機光學系統(tǒng)和“資源一號”02E星紅外探測器聯(lián)合進行系統(tǒng)NETD測試，主要測試了T1=299K和T2=301K黑體溫度下（300K±1K）的信號和噪聲，如表4所示。

表4 系統(tǒng)NETD測試結果Tab.4 System NETD test results

按式（4）計算噪聲等效溫差。分別計算黑體溫度從T1到T2和從T2到T1條件下的噪聲等效溫差，將二者的平均值作為測試結果。

式中 NETD相機的噪聲等效溫差；NETDi為第i個探測通道的噪聲等效溫差；n為剔除盲元后的有效像元數(shù)；ΔT為溫度差；Vni為第i個探測通道在兩個溫度點的噪聲平均值；Vni1為第i個探測通道在T1溫度狀態(tài)下的噪聲；Vni2為第i個探測通道在T2溫度狀態(tài)下的噪聲；ΔVi為第i個探測通道在兩個溫度點的信號平均值之差；V2i為第i個探測通道在T2溫度狀態(tài)下的信號平均值；V1i為第i個探測通道在T1溫度狀態(tài)下的信號平均值。

按式（3）計算得到，黑體在300K溫度條件下，系統(tǒng)NETD為0.07K，滿足不大于0.1K的指標要求。

探測器NETD使用“資源一號”02星紅外視頻處理器電性產(chǎn)品與單模塊探測器進行測試，測試結果如表5所示。

表5 探測器噪聲等效溫差測試結果Tab.5 Detector NETD test results

按照式（3）分析計算，探測器NETD結果為38.1mK，滿足不大于50mK的指標要求。

實驗數(shù)據(jù)表明，紅外相機探測器實驗片性能可以滿足相機系統(tǒng)對探測器的指標要求，該紅外探測器通過了摸底實驗。結合等效光學系統(tǒng)，探測器裝機后，相機主要系統(tǒng)指標可滿足系統(tǒng)技術指標要求，其實驗結果可作為正樣相機研制技術要求的指標依據(jù)。

5 結束語

本文介紹了“資源一號”02E星紅外相機單模塊探測器性能摸底成像測試實驗，提前獲得了探測器的性能。通過采用“委遙二號”衛(wèi)星紅外相機光學系統(tǒng)與“資源一號”02E星紅外相機單模塊紅外探測器進行組裝開展系統(tǒng)級成像性能測試，對涉及的關鍵指標如單模塊探測器NETD和MTF以及系統(tǒng)NETD進行了摸底測試。經(jīng)測試，系統(tǒng)NETD為70mK，單模塊探測器NETD為38.1mK，分別滿足100mK和50mK的指標要求；探測器MTF為0.48，滿足不低于0.47的指標要求。

本文通過搭建實驗平臺，實驗總體方案能夠滿足探測器性能和系統(tǒng)性能的測試要求。通過實驗驗證了“資源一號”02E星紅外相機單模塊探測器性能水平和系統(tǒng)級的 NETD，達到了實驗目的，實驗測試結果有效，測試結果滿足相關指標的要求。但由于采用的單模塊紅外探測器和視頻處理電子學模塊為電性產(chǎn)品，單模塊紅外探測器性能水平和視頻電子學噪聲水平較正樣產(chǎn)品存在差異，通過預估分析正樣產(chǎn)品紅外探測器模塊及系統(tǒng)性能將優(yōu)于當前測試結果，能夠實現(xiàn)更高的成像品質，滿足定量化成像的指標要求。在后續(xù)正樣研制階段，還需要開展的工作如下：

1）根據(jù)摸底實驗結果，提出正樣探測器的技術指標；

2）對探測器的研制流程，特別是讀出電路與探測器倒裝互聯(lián)等工藝流程進行控制和品質驗證；

3）結合正樣相機光學系統(tǒng)和制冷裝置在正樣階段開展的紅外探測器及相機系統(tǒng)性能測試，保障相機技術指標滿足設計要求。