CN106813781A - 一种红外探测器超大面阵复合拼接方法 - Google Patents
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Abstract
一种大面阵红外探测器复合拼接方法，实现大视场无缝覆盖。该方法基于现有小规模的面阵器件，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线横线方向上重叠一个像元；另一组按照棋盘格黑色格子排列，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线竖线方向上重叠一个像元。最终形成两个互补且有重叠的探测器组件。然后利用光学拼接方法，采用分光棱镜分出两条光路，将两个探测器组件放在两条光路的共轭像面上，对同一视场采集图像。最后对两幅图像进行数据处理，互相填补。该方法基本消除了传统拼接中拼缝导致的成像盲区，将无覆盖率直接减小到工艺受限的水平。本发明具有覆盖率高的优点，可满足大视场、高分辨率、“无缝拼接”的大面阵探测器应用需求。
Description
技术领域
本发明属于航天光学遥感技术领域，涉及一种应用于大视场凝视预警的红外探测器超大面阵拼接方法。
背景技术
当前我国面临的军事威胁日益复杂严峻，在天基预警系统的能力建设中，新一代高轨预警系统要实现对新型空天威胁目标、更弱辐射特性/更短辐射时间/更复杂运动特性弹道导弹目标、大密度目标的探测预警，必须在预警体制上有所创新。
美国在其高轨导弹预警载荷的技术发展路线中，已明确将大面阵凝视预警相机作为下一代预警载荷开展预研。广域监视载荷技术对导弹预警、导弹防御、技术情报和战场空间态势感知任务有着重要意义。
国内通过研究美国天基预警体制发展得出如下结论：大面阵凝视预警体制相对于扫描视跟踪的预警体制，能够对地球圆盘实现高帧频凝视监视，预警时间长，导弹发射点和落点预报精度高，近实时连续探测多目标能力强，探测弱点目标能力强，军事应用优势明显，大面阵凝视预警体制是下一代预警的必然方向。
决定下一代高轨预警载荷复杂程度的关键核心器件是大面阵短中波红外探测器。目前国际上最大面阵的单片短中波红外探测器为4k×4k产品，仍然无法满足高轨凝视预警的使用要求。而国内在该项技术上与国外差距较大，近一段时间内能够获取的最大短中波探测器单片规模为2.7k×2.7k。当前发展高轨凝视预警载荷所用探测器必然需要采用拼接方式实现。
拼接方式上，传统的阵列多块机械拼接方案的拼接结构如图1所示，深色小块是小规模探测器芯片，周围有读出电路，最底层是拼接基板。此种拼接方式不可避免的会产生纵横交错的“十字型”拼缝。局部拼缝构成见图2所示，主要由子模块之间拼接距离和有效像素区至子模块边缘距离两部分构成。子模块之间拼接距离受读出电路划片精度和基板加工精度限制，目前为0.1mm；有效像素区至子模块边缘距离由碲镉汞芯片保护区(0.3mm)、填充胶溢胶区(0.2mm)、读出电路吸片区(0.5mm)构成。拼缝总宽度为2.1mm。
目前国内规模最大的面阵探测器参数为：像元数2.7k×2.7k，像元间距为15μm，单边尺寸为40.5mm。在4×4大小的的拼接中，按照传统拼接方案无覆盖率高达7.5％。在地面天文观测和实时性要求不高空间遥感应用中，可以通过微扫描机构或平台的指向角度周期变化，进行二次或多次曝光，来弥补拼缝带来的损失；但对于高轨预警系统这种高探测帧频、零漏警要求的系统，采用这种拼接方式是不可接受的。
现阶段超大面阵探测器的发展面临着单片探测器规模有限、传统拼接方法导致拼缝大，无覆盖率高等问题，无法满足应用需求。
发明内容
本发明的目的是为了满足高轨大视场凝视预警应用下高帧频、零漏警需求，实现超大面阵探测器拼接，要解决传统拼接方法下无覆盖率高的问题。为了解决上述问题，本发明采用机械交错拼接和光学拼接相结合的复合拼接技术，实现基本达到无缝拼接的超大面阵探测器。
本发明的技术解决方案：一种红外探测器超大面阵复合拼接方法，实现步骤如下：(1)准备两个探测器组件参与机械拼接，每个探测器组件的长度为单个探测器长度的N倍，每个探测器组件的宽度为单个探测器宽度的N倍，其中N为偶数。每个探测器组件由N*N/2个相同的单个探测器机械拼接于基板上，形成国际象棋棋盘格型的排布，即其中一个组件中的探测器放在棋盘白色格子上，另一个组件中的探测器放在棋盘黑色格子上。在白色棋盘格对应的探测器组件中，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线横线方向上重叠一个像元；在黑色棋盘格对应的探测器组件中，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线竖线方向上重叠一个像元。(2)用分光棱镜将由拍摄物发出或反射的光分成两条光路，这两条光路的像面互为共轭关系；将两个探测器组件放在两条光路各自的像面上，使两个探测器组件覆盖相同的像面内容，对同一视场采集图像。探测器组件上未安装探测器的部分成像结果为空白，两个探测器组件的两幅成像结果为互补关系。(3)对两幅成像结果进行数据处理，互相填补，即将两幅图像的上边缘和左边缘对齐，取两幅成像结果的非空白部分的像素形成一幅图像，若两幅成像结果的像元有部分重叠，则重叠位置的像素取两幅图像中对应位置的像素的平均值，最终形成等效于N*N个单个探测器拼接拍摄的完整图像。
在光学拼接中，采用分光棱镜使分出的两束光线能量要相同，并使从拍摄物发出或反射的光到达两个探测器组件所在像面的光程相等。
放置两个探测器组件到两条光路的像面时，让两个探测器组件的中心与两条光路主光轴在各自像面的交点对准，且两个探测器组件的边缘共轭平行。
在两个探测器组件中单个探测器拼接时，在其中一个探测器组件中，使有相邻角的两个探测器的有效像元区在横向重叠一个像素；在另一个探测器组件中，使有相邻角的两个探测器的有效像元区在纵向重叠一个像素；既保证两个组件拼接后对视场完整覆盖，又避免过多像素重叠，实现尽可能大的拼接面阵。
对于N*N块单片探测器拼接，假设单个探测器像素数量为m*m，像素尺寸为a*a，相邻探测器的有效像素区域的最近距离为d，对采用复合拼接方法的超大面阵探测器来说，无缝覆盖率为远低于传统机械拼接。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明用拼接方法实现超大规模面阵探测器，避免了单片大面阵探测器研制过程中，小像元尺寸对晶圆、工艺的高要求和大面阵器件的非均匀性差、成品率低、读出电路复杂等问题。
(2)本发明采用机械拼接和光学拼接相结合的复合拼接技术，既能实现超大大面阵拼接，又能减小拼缝导致的成像盲区，无像元覆盖率远远低于传统机械拼接技术，基本实现无缝拼接；
(3)本发明的光学拼接部分只需要两条光路，光学系统设计相对简单。而采用纯光学拼接实现同等超大规模面阵拼接，需要复杂的多光路光学系统设计。
(4)本发明只需要对两条光路的成像结果进行拼接处理，相比多光路的光学拼接，数据处理简单。
(5)本发明采用两个探测器组件进行拼接，探测器组件在像面上放置时存在定位误差，由于探测器组件数量少，定位误差影响较小。
(6)本发明可满足广域监视系统的高探测帧频、零漏警要求，避免采用有缝拼接超大面阵器件时，通过微扫描机构、平台指向变化以及多次曝光带来的技术风险和性能下降。
附图说明
图1为传统拼接示意图；
图2为传统拼接拼缝构成示意图；
图3为复合拼接方法示意图(a)探测器组件1示意图(b)探测器组件2示意图(c)拼接结果示意图；
图4为局部交错拼接示意图；
图5为4×4交错拼接结构(a)纵向交错示意图(b)横向交错示意图；
图6为光路分光光学拼接示意图；
图7为复合拼接结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的基本思路为：一种大面阵红外探测器复合拼接方法，通过“交错拼接+光学拼接”的复合拼接方法，实现大视场无缝覆盖。该方法基于现有小规模的面阵器件，结合机械拼接和光学拼接手段，将参与拼接的小规模探测器分为两组按照国际象棋棋盘格型排列，其中一组按照棋盘格白色格子排列，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线横线方向上重叠一个像元；另一组按照棋盘格黑色格子排列，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线竖线方向上重叠一个像元。最终形成两个互补且有重叠的探测器组件。然后利用光学拼接方法，采用分光棱镜分出两条光路，将两个探测器组件放在两条光路的共轭像面上，对同一视场采集图像。最后对两幅图像进行数据处理，互相填补。取两幅成像结果的非空白部分的像素形成一幅图像，若两幅成像结果的像元有部分重叠，则取两幅图像中对应像素的平均值。该方法基本消除了传统拼接中拼缝导致的成像盲区，将无覆盖率直接减小到工艺受限的水平。本发明具有覆盖率高的优点，可满足大视场、高分辨率、“无缝拼接”的大面阵探测器应用需求。
(1)准备两个探测器组件参与机械拼接，每个探测器组件的长度为单个探测器长度的N倍，每个探测器组件的宽度为单个探测器宽度的N倍，其中N为偶数。每个探测器组件由N*N/2个相同的单个探测器机械拼接于基板上，形成国际象棋棋盘格型的排布，即其中一个组件中的探测器放在棋盘白色格子上，另一个组件中的探测器放在棋盘黑色格子上。在白色棋盘格对应的探测器组件中，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线横线方向上重叠一个像元；在黑色棋盘格对应的探测器组件中，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线竖线方向上重叠一个像元。(2)用分光棱镜将由拍摄物发出或反射的光分成两条光路，这两条光路的像面互为共轭关系；将两个探测器组件放在两条光路各自的像面上，使两个探测器组件覆盖相同的像面内容，对同一视场采集图像。探测器组件上未安装探测器的部分成像结果为空白，两个探测器组件的两幅成像结果为互补关系。(3)对两幅成像结果进行数据处理，互相填补，即将两幅图像的上边缘和左边缘对齐，取两幅成像结果的非空白部分的像素形成一幅图像，若两幅成像结果的像元有部分重叠，则重叠位置的像素取两幅图像中对应位置的像素的平均值，最终形成等效于N*N个单个探测器拼接拍摄的完整图像。
本发明针对传统探测器拼接方法中无覆盖率高的问题，提出采用交错拼接和光学拼接相结合的复合拼接技术，下面以4×4块2.7k*2.7k小规模探测器作超大面阵拼接为例进行说明，实施步骤如下：
将小规模探测器分为两组，形成两个探测器组件参与拼接。每个探测器组件的单边尺寸为小规模探测器的4倍，每个探测器组件由8个小规模探测器芯片机械拼接于基板上，形成国际象棋棋盘格型排布。其中一个组件中的探测器放在棋盘白色格子上，另一个组件中的探测器放在棋盘黑色格子上，分组拼接如图3所示，其中(a)是探测器组件1，(b)是探测器组件2，(c)是两个探测器拼接结果。
在白色棋盘格对应的探测器组件中，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线横线方向上重叠一个像元；在黑色棋盘格对应的探测器组件中，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线竖线方向上重叠一个像元，局部交错重叠如图4所示。像元重叠数取1，保证拼接没有漏缝，同时也避免过多重叠，减小拼接后的有效面积。两个探测器组件的完整拼接结构如图5(a)、(b)所示。
用分光棱镜将由拍摄物发出或反射的光分成两条光路，两束光线能量要相同，并使从拍摄物发出或反射的光到达两个探测器组件所在像面的光程相等，保证两条光路成像的强度相同，避免拼接图像时两个探测器组件成像明暗不一致；保证两条光路成像放大率相同，避免拼接图像时图像边缘无法对齐。将两个探测器组件放在两条光路各自的像面上，让两个探测器组件的中心与两条光路主光轴在各自像面的交点对准，且两个探测器组件的边缘共轭平行。保证两个探测器组件覆盖相同的像面内容，对同一视场采集图像，探测器组件上未安装探测器的部分成像结果为空白，两个探测器组件的两幅成像结果为互补关系。光学拼接如图6所示。
分光棱镜将入射光束分成两束光线，会使到达每个像面的辐射能量变少，降低探测系统的灵敏度。若采用两套单独的光学系统，使其对同一视场成像，则既能实现光学拼接，又能避免成像能量损失。只是光学系统稍显复杂，需要做精确的共视场装调。
对两幅成像结果进行数据处理，互相填补，即将两幅图像的上边缘和左边缘对齐，取两幅成像结果的非空白部分的像素形成一幅图像，若两幅成像结果的像元有部分重叠，则重叠位置的像素取两幅图像中对应位置的像素的平均值，最终形成等效于4*4个单个探测器拼接拍摄的完整图像，超大面阵拼接等效结果如图7所示。
对于N*N块单片探测器拼接，优选的方案为：，假设单个探测器像素数量为m*m，像素尺寸为a*a，相邻探测器的有效像素区域的最近距离为d。采用传统机械拼接的无缝覆盖率为而对采用复合拼接方法的超大面阵探测器来说，无缝覆盖率为远低于传统机械拼接。在4×4块2.7k*2.7k小规模探测器拼接中，每个探测器中像元间距为15μm，相邻探测器拼接时有效像素区域的最近距离为2.1mm。按照传统拼接方案无覆盖率高达7.5％，而采用复合拼接方法无覆盖区域仅0.14％，远低于传统拼接。本发明将面阵拼接的成像盲区减小到探测器工艺受限的水平，以实现航天领域的成像水平要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种红外探测器超大面阵复合拼接方法，其特征在于实现步骤如下：
(1)准备两个探测器组件参与机械拼接，每个探测器组件的长度为单个探测器长度的N倍，每个探测器组件的宽度为单个探测器宽度的N倍，其中N为偶数；每个探测器组件由N*N/2个相同的单个探测器机械拼接于基板上，形成国际象棋棋盘格型的排布，即其中一个组件中的探测器放在棋盘白色格子上，另一个组件中的探测器放在棋盘黑色格子上，在白色棋盘格对应的探测器组件中，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线横线方向上重叠一个像元；在黑色棋盘格对应的探测器组件中，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线竖线方向上重叠一个像元；
(2)用分光棱镜将由拍摄物发出或反射的光分成两条光路，这两条光路的像面互为共轭关系；将两个探测器组件放在两条光路各自的像面上，使两个探测器组件覆盖相同的像面内容，对同一视场采集图像；探测器组件上未安装探测器的部分成像结果为空白，两个探测器组件的两幅成像结果为互补关系；
(3)对两幅成像结果进行数据处理，互相填补，即将两幅图像的上边缘和左边缘对齐，取两幅成像结果的非空白部分的像素形成一幅图像，若两幅成像结果的像元有部分重叠，则重叠位置的像素取两幅图像中对应位置的像素的平均值，最终形成等效于N*N个单个探测器拼接拍摄的完整图像。
2.根据权利要求1所述的一种红外探测器超大面阵复合拼接方法，其特征在于：在光学拼接中，采用分光棱镜使分出的两束光线能量要相同，并使从拍摄物发出或反射的光到达两个探测器组件所在像面的光程相等。
3.根据权利要求1所述的一种红外探测器超大面阵复合拼接方法，其特征在于：放置两个探测器组件到两条光路的像面时，让两个探测器组件的中心与两条光路主光轴在各自像面的交点对准，且两个探测器组件的边缘共轭平行。
4.根据权利要求1所述的一种红外探测器超大面阵复合拼接方法，其特征在于：在两个探测器组件中单个探测器拼接时，在其中一个探测器组件中，使有相邻角的两个探测器的有效像元区在横向重叠一个像素；在另一个探测器组件中，使有相邻角的两个探测器的有效像元区在纵向重叠一个像素；既保证两个组件拼接后对视场完整覆盖，又避免过多像素重叠，实现尽可能大的拼接面阵。
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