非制冷红外焦平面非均匀性测试技术研究

红外与激光工程

2007年6月

V01．36

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In劬red卸dL弱erEngiI雠ring

Jun．2007

非制冷红外焦平面非均匀性测试技术研究

钱芸生，张俊举，孙恋君，邢素霞，常本康

(南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京210094)

摘要；非制冷焦平面的非均匀性和噪声是限制非制冷红外热成像系统性能的主要因素。研制了非制冷红外焦平面的非均匀性测试系统，系统由黑体、红外光学系统、焦平面驱动电路、热电温控电路、信号处理系统、计算机和测试软件等构成，利用该系统可以将微测辐射热计非制冷红外焦平面各像元的输出信号数字化后传输给计算机，实现对焦平面的非均匀性测试和盲元统计，并给出了实验结果。

关键词：非制冷红外焦平面；

微测辐射热计；

非均匀性；测试

中图分类号：TN216

文献标识码：A文章编号：1007—2276(2007)增(器件)一0129—04

N—onO．n—uniUnlflIormiltVvmeaSUsurrementofoluncoolUnC00lededlinfnI．rarraredenf10CbcalaIplpIaneane

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Abstract：Non—uIlifo加[1i够andnoiseofuncooled

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O引言的主要因素。本文研制了非制冷红外焦平面的非均匀性测试系统，利用该系统可以将微测辐射热计非由于非制冷红外焦平面的制造工艺不断提高，

制冷红外焦平面各像元的输出信号数字化后直接通非制冷热成像系统已具有价格低、体积小、重量轻过通信模块传输给计算机，通过测试软件可以实现和可靠性高等特点，非制冷红外热像仪目前已得到对焦平面的非均匀性测试，同时可以方便地用各种广泛应用‘11，但是，非制冷焦平面的非均匀性和噪

图像处理算法对红外原始图像处理，并进行分析和声仍是限制非制冷红外热成像系统性能进一步提高

评估，为非制冷红外热成像的图像处理算法的选择

收誓日期t

200r7一04-12

作者■介。钱芸生(1968．)，男，上海人，副教授。主要从事光电成像器件与系统、光电测试与信息处理、图像仿真等领域的研究．

Emm：yshqi肌@rnail．nj嘲．e血．cn

130红外与激光工程：红外探测器及其在系统中的应用第36卷

提供依据。

1评估系统研制

1．1总体结构

如图1为测试系统的总体结构图，测试系统由

面元黑体、红外光学系统、UH狐驱动电路、热电温控(TEC)电路、高速刖D、信号处理系统、工控机和测试软件等构成。本系统针对微测辐射热计红外焦平面设计，在系统中有热电温控电路，可以使被测焦平面的温度稳定在所需要的温度。

图1

非制冷红外焦平面非均匀性测试系统的原理框图

Fig．1

Diagram

ofsystemmeasurementme

non—

unifomli哆ofU

n'A进行非均匀性测试时，将黑体放在光学系统的前面，焦平面驱动电路和热电温控电路开始工作后，焦平面将根据驱动电路的时序脉冲输出信号，主要有焦平面各个像元的信号和行场信号。其中，各个像元的信号为模拟信号，行场信号为数字信号，各种信号一起输入信号处理系统。信号处理系统由高

速A仍转换器、FPGA模块、DSP模块和通信模块

等组成，高速A加转换器将各个像元的输出信号数

字化，和行场信号一起输入FPGA模块，FPGA模块将输入的信号处理成完整的数字图像。DSP模块可通过通信模块和计算机进行通信，DSP模块根据计算机发出的各种指令进行数据处理，也可以将未经处理的原始红外数字图像直接上传给计算机。计算机接受到数字图像后，可以用各种图像处理算法

进行处理和分析评估，同时将处理后的图像显示在

计算机的监视器上。如果要进行非均匀测试，并获得校正数据，则需要将对应高温和低温或多温度点的红外

字图像一起上传给计算机，然后进行处理

计算。

1．2红外焦平面的驱动和TEC电路

本测试系统针对微测辐射热计红外焦平面设计，微测辐射热计红外焦平面工作时需要驱动电路和TEC电路。对于目前在国内应用广泛的法国ULIS公司的320×240微测辐射热计红外焦平面(UL

Ol

01

1)，需要提供主时钟、积分信号和复位等驱动脉

冲信号，数字电源、模拟电源、焦平面偏置、盲元

偏置等多个电压信号【2，3J。驱动脉冲可以通过CPLD

等可编程逻辑器件实现，各种电压信号可以通过电

源管理芯片实现，由于电压信号的质量对焦平面像元信号的质量影响极大，必须选用高精度、低噪声

的电源管理芯片，并进行严格的降噪处理，以保证焦平面的信号输出质量。

对于微测辐射热计红外焦平面，在正常工作时必须保证其热探测面温度非常稳定，一般在焦平面中集成有热电(TE)温度稳定器和测温的热电阻，因此需要有TEC电路为其提供电流。本系统采用ADN8830专用芯片组成TEC电路，图2为其原理

框图。cTN测试电路产生设置温度和焦平面实际温

度的温差信号，由温度测量放大器放大，放大后的

信号输出到脉冲宽度调制(PWM)控制器，通过场

效应管驱动电路为TE温度稳定器提供驱动电流，

通过该电路和TE温度稳定器可以保证焦平面的温度稳定度达到0．01K的精度，从而确保焦平面信号输出质量。

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图2热电温度稳定电路

Fig，2

RowchartofTECchuit

1．3信号处理系统

信号处理系统由高速A／D转换器、FPGA模块、

DsP模块和通信模块等组成。A巾转换器采用模拟

器件公司的AD9240芯片，采样分辨率为14位，对

于通常NEl围为100mk，响应率为4mV瓜左右的

焦平面，该分辨率已满足要求；AD9240的最大采样率达到10MSPS，而对于320×240红外焦平面，一般采用5M左右的像元采样率；焦平面输出的串

行模拟像元信号经过A，D转换器后变成数字信号。

FPGA模块采用Altera公司的EPlC6Q240芯片，该

芯片有较高的性价比；FPGA模块接收ⅣD转换器输出的像元信号和焦平面输出的行场信号(uL

01

增刊钱芸生等：非制冷红外焦平面非均匀性测试技术研究

13l

011为LINEl和D觚A：、，ALID)，将接收的信号处理

成一幅完整的原始红外数字图像，存入SRAM中。

以计算焦平面的非均匀性，非均匀性通常定义如下：

DSP模块采用TI公司的TMS320VC33，DSP模块

通过通信模块接受计算机的指令，并控制整个信号处理系统的工作，和FPGA模块共享SRAM内存，可以将原始红外数字图像直接传输给计算机，也可以将对红外图像进行处理，并将处理后的数据传给

，l醒‰=一

1

(1)

式中：肘和Ⅳ为焦平面的行数和列数；d为盲元的

个数；％为第f行J列像素的输出响应；‰。，为除

盲元以外的所有像素平均响应；多指除盲元以外的

所有像素。

计算机。通信模块由TI公司的TLC550和MAX砌M公司的MAx3226组成一个标准的RS232模块，并

占用TMS320vC33的一个外部空间地址。1．4测试软件

测试软件采用VC++6．O编写。程序采用Mscomm控件和信号处理系统进行通信，实现接受

数据和发送指令。软件接受图像数据后，可以计算

出每个像元的校正系数和各种统计数据，并根据测

试标准计算出非均匀性及盲元的数量和位置以便于实时处理时的盲元替代。

图3分别在高温黑体源和低温黑体源照射下的焦平面

像元输出信号

Fig．3

WaVefb加s

hot

source

ofnlepixelandcold

signalscon_espondiIlgt0n\"

source

2实验结果和讨论

利用采集的均匀黑体图像数据和非均匀性的计

利用研制的测试系统对一个UL

01

01型号的

算方程，便可以计算出在不同工作温度不同黑体辐射条件下的焦平面的非均匀性。对该焦平面的测试结果如表1所示。

320×240微测辐射热计红外焦平面进行了测试和评估。测试时，根据uLIS公司提供的器件测试报告设置了电源电压和偏置电压，采用了焦距为75

mm，

裹1非制冷红外焦平面的非均匀性测试结果

Tab．1

Tbmperatu。eof

F数为1．4的锗透镜，主时钟(MC)设为5M。测试时，高低温两种状态下的黑体温度分别为283

K

FPANon-uniformityofU

383K

303K

和303K。如图3所示为分别对应高温和低温目标的焦平面输出的像元模拟信号。FPGA模块对上述信号迸行处理后，根据Linel并上传给计算机。

aIld

!丝!!盟!

Non—unifomIity

15．70％

15．76％

DataValid信号对测试软件对高温图像和低温图像处理后，对该器件的盲元进行了测试统计，如果以超过平均响应率±20％为标准，有46个像元因为该项指标不满足成为坏点。具体分布如表2所示：

非制冷焦平面中的各个探测元的信号进行了排序，

测试软件根据获得的各探测单元的原始数据可

表2非制冷红外焦平面的盲元分布

Tab．2

BlankpixeldistributingofUFPA

132

红外与激光工程：红外探测器及其在系统中的应用第36卷

续表2

3结论

文中研制了非制冷红外焦平面的非均匀性测试

系统，利用该系统可以将微测辐射热计非制冷红外焦平面各像元的输出信号数字化后传输给计算机，实现对焦平面的非均匀性测试，并对盲元的数量和位置进行统计。该系统的测试结果可用来评估非制

冷焦平面器件的性能，也可以为非制冷热成像系统的图像处理算法的设计提供依据。

参考文献：

【1】

邢素霞，张俊举，常本康，等．非制冷红外热成像技术的发展与现状【J】．红外与激光工程，2004，33(5)：441．“2．

【2】UUS．UL01

011320×240

LW取llⅡc砌edmicf0蝴劬咖detcctor

technicalspecification【M】．ULIS，2003．

【3】

邢素霞，常本康，钱芸生，等．基于高速DSP红外图像处理电路研究唧．红外与激光工程，2004，33(3)：292．295．