CN107389204A - 红外焦平面探测器弱光谱信号的测试平台及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红外焦平面探测器弱光谱信号的测试平台、利用该测试平台的红外焦平面探测器弱光谱信号的提取方法、及获得红外焦平面探测器相对光谱响应的方法，平台包括红外光源、斩波器、单色仪、采集模块、滤光片、上位机控制系统，采集模块包括了标准探测器、锁相放大器、被测探测器、测试适配板；提取方法利用斩波器将红外辐射光源信号调制到固定频率，再通过快速傅里叶变换在频域上获取被测红外焦平面探测器的光谱响应信号；本发明能在红外焦平面探测器对中红外、远红外、极远红外波段测试中信噪比极低的情况下，准确的提取光谱信号。测试适配板无需额外定向设计，系统简单，测试流程简单，准确性高。
Description
技术领域
本发明涉及红外焦平面探测器技术领域，具体涉及一种红外焦平面探测器弱光谱信号的测试平台、利用该测试平台的红外焦平面探测器弱光谱信号的提取方法、及获得红外焦平面探测器相对光谱响应的方法。
背景技术
红外焦平面探测器作为第三代红外探测器。由于其表现为大面阵、取消了光机扫描结构、探测器灵敏度高、体积小、重量轻等特点，被广泛应用于军事、工业、环境监测等各领域。红外焦平面探测器的相对光谱响应，即响应度随红外辐射波长的变化是红外探测器的一个重要指标。红外焦平面探测器在红外波段光谱响应度越高、响应波长覆盖范围越广，其适用性将更强。因此准确、高效的测量红外焦平面探测器的相对光谱响应对评估红外焦平面探测器的性能十分重要。
但随着波长的增加，红外焦平面探测器对中红外、远红外、极远红外波段的光谱响应信号信噪比较低，而传统直流方式获取光谱响应将受到极大的噪声影响，很难准确的提取出光谱响应信号。而添加采样保持电路通过锁相放大器获取红外焦平面探测器响应电压的方法存在着系统复杂、操作繁琐等缺点。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种红外焦平面探测器弱光谱信号的测试平台。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种红外焦平面探测器弱光谱信号的测试平台，包括用于提供宽谱红外辐射的红外光源，顺着红外光源的发射方向依次设置用于调制信号的斩波器、用于宽光谱红外辐射源分光的单色仪、采集模块，单色仪的出射口固定用于消除二值衍射影响的滤光片，采集模块对准单色仪的出射口，上位机控制系统分别连接红外光源、斩波器、单色仪、采集模块；所述红外光源为腔室黑体；上位机控制系统用于控制红外光源温度、斩波器频率、单色仪波长扫描以及完成数据的采集与计算；所述采集模块包括标准探测器、锁相放大器、被测探测器、测试适配板；其中标准探测器为热释电探测器，标准探测器和锁相放大器连接，标准探测器的输出信号接入锁相放大器；锁相放大器和斩波器连接，锁相放大器接收斩波器的频率同步信号并将采集到标准探测器的响应数据传输至上位机控制系统；被测探测器为红外焦平面探测器，被测探测器和测试适配板连接，被测探测器的电压输出由测试适配板转换为数字信号后传输至上位机控制系统。
作为优选方式，所述单色仪为光栅式单色仪；光栅波长覆盖范围为7-17um，光栅式单色仪的可调精度为10nm，滤光片为带通滤波片，滤光片透过波长范围为7-17um。为提取中红外、远红外等波段的光谱响应信号，光栅波长范围应该覆盖较广，在一些较好的实施例中光栅波长覆盖范围为7-17um；为保证光谱响应信号的精度，光栅式单色仪的可调波长精度为10nm。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述平台的红外焦平面探测器弱光谱信号的提取方法，该方法利用斩波器将红外辐射光源信号调制到固定频率，再通过快速傅里叶变换在频域上获取被测红外焦平面探测器的光谱响应信号。
作为优选方式，所述提取方法包括如下步骤：
步骤(a)：选择被测探测器测试像元区域：所选被测探测器测试像元区域是单色仪出射光缝覆盖区域且不包含盲元；
步骤(b)：获取各波长点被测探测器时域信号Vt(λ)；
步骤(c)：还原各波长点被测探测器光谱响应信号Vf(λ)。
作为优选方式，所述提取方法的步骤(a)中选择被测探测器测试像元区域包括以下几个步骤：单色仪快门关闭状态，采集被测探测器输出Vclose；单色仪快门打开状态，采集被测探测器输出Vopen；计算(Vopen-Vclose)列平均值，寻找(Vopen-Vclose)列平均值最大的一列，并选取该列上(Vopen-Vclose)值最大的像元，若该像元不是盲元，则作为被测探测器的测试像元；若该像元是盲元，则选取该像元在该列上相邻的像元。
作为优选方式，所述提取方法的步骤(b)进一步为：斩波器对红外光源进行固定频率f0调制,单色仪的波长鼓在上位机控制系统的控制下完成光谱测试波长范围内的逐点扫描，在每个波长点下采集被测探测器测试像元N帧输出电压Vt，斩波器频率2f0不高于焦平面探测器工作频率ft，而N＝k*ft其中k≥2且为正整数。
作为优选方式，所述提取方法的步骤(c)进一步为：将步骤(b)获得各波长点被测探测器测试像元输出电压的时域信号Vt(λ)进行快速傅里叶变换，得到对应的频域下响应幅值Vf(λ)，该响应幅值即该波长点下光谱响应信号。
作为优选方式，所述提取方法中的腔室黑体温度设置到1000℃，稳定后温度波动幅度小于1℃；斩波器频率设置为5Hz或10Hz，斩波器稳定后频率波动幅度小于0.1Hz。
由于中红外、远红外、极远红外波段焦平面探测器响应信号弱，容易受到噪声系统噪声影响，在一些较好的实施例中，腔室黑体温度设置为1000摄氏度，以增强焦平面探测器的响应输出。为保证最终提取光谱信号的准确性，腔室黑体的温度波动小于1摄氏度；由于奈奎斯特定理，斩波器调制频率频率2f0不高于焦平面探测器工作频率ft,在一些较好的实施例中斩波器频率设置为5Hz或10Hz，为保证最终提取光谱信号的准确性，斩波器稳定后频率波动幅度小于0.1Hz。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种获得红外焦平面探测器相对光谱响应的方法，按照上述的方法提取出被测红外探测器光谱响应信号后Vf(λ)后，根据公式计算红外焦平面探测器相对光谱响应，即不同波长点下被测探测器测试像元区域响应电压VR(λ)与不同波长点下标准探测器响应电压V0(λ)求商后归一化，其中Sm即峰值波长处的相对响应值，即归一化基数。
作为优选方式，所述的获得红外焦平面探测器相对光谱响应的方法中，测量标准探测器光谱响应电压V0(λ)的具体步骤为：单色仪的波长鼓在上位机控制系统的控制下完成光谱测试波长范围内的逐点扫描，并通过锁相放大器记录各波长点下标准探测器的响应电压V0(λ)。
优选的，标准探测器的输出信号通过BNC线接入锁相放大器，斩波器频率同步信号由BNC线接入锁相放大器，锁相放大器读取数据由GPIB或串口通信传输至上位机控制系统16。
本发明的有益效果为：本发明基于快速傅里叶变化(FFT)还原被测探测器光谱响应信号，能在红外焦平面探测器对中红外、远红外、极远红外波段测试中信噪比极低的情况下，准确的提取光谱信号。测试适配板无需额外定向设计，系统简单，测试流程简单，准确性高。
附图说明
图1为实施例1中的测试平台结构示意图；
图2为实施例3中的测试方法流程图；
图3为测试像元区域选择方法示意图；
图4为被测探测器时域信号Vt(λ)图；
图5为被测探测器光谱响应信号Vf(λ)图；
其中，11为红外光源，12为斩波器，13为单色仪，14为滤光片，15为采集模块，16为上位机控制系统，151为标准探测器，152为锁相放大器，153为被测探测器，154为测试适配板。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
如图1所示，一种红外焦平面探测器弱光谱信号的测试平台，包括用于提供宽谱红外辐射的红外光源11，顺着红外光源的发射方向依次设置用于调制信号的斩波器12、用于宽光谱红外辐射源分光的单色仪13、采集模块15，单色仪13的出射口固定用于消除二值衍射影响的滤光片14，采集模块15对准单色仪13的出射口，上位机控制系统16分别连接红外光源11、斩波器12、单色仪13、采集模块15；所述红外光源11为腔室黑体；上位机控制系统16用于控制红外光源温度、斩波器频率、单色仪波长扫描以及完成数据的采集与计算；所述采集模块15包括标准探测器151、锁相放大器152、被测探测器153、测试适配板154；其中标准探测器151为热释电探测器，标准探测器151和锁相放大器152连接，标准探测器151的输出信号接入锁相放大器152；锁相放大器152和斩波器12连接，锁相放大器152接收斩波器12的频率同步信号并将采集到标准探测器的响应数据传输至上位机控制系统16；被测探测器153为红外焦平面探测器，被测探测器153和测试适配板154连接，被测探测器153的电压输出由测试适配板154转换为数字信号后通过Camera Link、USB等数据传输方式传输至上位机控制系统16。
优选的，所述单色仪13为光栅式单色仪；光栅波长覆盖范围为7-17um，光栅式单色仪的可调精度为10nm，滤光片14为带通滤波片，滤光片14透过波长范围为7-17um。
优选的，标准探测器151的输出信号通过BNC线接入锁相放大器152，斩波器12频率同步信号由BNC线接入锁相放大器152，锁相放大器152读取数据由GPIB或串口通信传输至上位机控制系统16。
实施例2
本实施例提供一种利用实施例1中的平台的红外焦平面探测器弱光谱信号的提取方法，该方法利用斩波器将红外辐射光源信号调制到固定频率，再通过快速傅里叶变换在频域上获取被测红外焦平面探测器的光谱响应信号。
实施例3
如图2所示，本实施例提供一种利用实施例1中的平台的红外焦平面探测器弱光谱信号的提取方法，所述提取方法包括如下步骤：
步骤(a)：选择被测探测器测试像元区域：所选被测探测器测试像元区域是单色仪出射光缝覆盖区域且不包含盲元；
步骤(b)：获取各波长点被测探测器时域信号Vt(λ)；
步骤(c)：还原各波长点被测探测器光谱响应信号Vf(λ)。
实施例4
本实施例提供一种利用实施例1中的平台的红外焦平面探测器弱光谱信号的提取方法，所述提取方法包括如下步骤：
步骤(a)：选择被测探测器测试像元区域：所选被测探测器测试像元区域是单色仪出射光缝覆盖区域且不包含盲元。选择被测探测器测试像元区域包括以下几个步骤：单色仪快门关闭状态，采集被测探测器输出Vclose；单色仪快门打开状态，采集被测探测器输出Vopen；计算(Vopen-Vclose)列平均值，寻找(Vopen-Vclose)列平均值最大的一列，并选取该列上(Vopen-Vclose)值最大的像元，若该像元不是盲元，则作为被测探测器的测试像元；若该像元是盲元，则选取该像元在该列上相邻的像元。如图3所示。
步骤(b)：获取各波长点被测探测器时域信号Vt(λ)；斩波器对红外光源进行固定频率f0调制,单色仪的波长鼓在上位机控制系统的控制下完成光谱测试波长范围内的逐点扫描，在每个波长点下采集被测探测器测试像元N帧输出电压Vt，斩波器频率2f0不高于焦平面探测器工作频率ft，而N＝k*ft其中k≥2且为正整数。
步骤(c)：还原各波长点被测探测器光谱响应信号Vf(λ)。将步骤(b)获得各波长点被测探测器测试像元输出电压的时域信号Vt(λ)进行快速傅里叶变换，得到对应的频域下响应幅值Vf(λ)，该响应幅值即该波长点下光谱响应信号。
作为优选方式，所述提取方法中的腔室黑体温度设置到1000℃，稳定后温度波动幅度小于1℃；斩波器频率设置为5Hz或10Hz，斩波器稳定后频率波动幅度小于0.1Hz。
由于中红外、远红外、极远红外波段焦平面探测器响应信号弱，容易受到噪声系统噪声影响，在一些较好的实施例中，腔室黑体温度设置为1000摄氏度，以增强焦平面探测器的响应输出。为保证最终提取光谱信号的准确性，腔室黑体的温度波动小于1摄氏度；由于奈奎斯特定理，斩波器调制频率频率2f0不高于焦平面探测器工作频率ftft,在一些较好的实施例中斩波器频率设置为5Hz或10Hz，为保证最终提取光谱信号的准确性，斩波器稳定后频率波动幅度小于0.1Hz。单色仪波长逐点扫描过程中，在每个波长点下采集被测探测器测试像元150帧输出电压Vt，如图4所示即波长为7.6um下获取的被测探测器时域信号Vt(λ)；
为提取中红外、远红外等波段的光谱响应信号，光栅波长范围应该覆盖较广，在一些较好的实施例中光栅波长覆盖范围为7-17um；为保证光谱响应信号的精度，光栅式单色仪的可调波长精度为10nm。
实施例5
本实施例提供一种获得红外焦平面探测器相对光谱响应的方法，按照实施例3或实施例4的方法提取出被测红外探测器光谱响应信号后Vf(λ)后，根据公式计算红外焦平面探测器相对光谱响应，即不同波长点下被测探测器测试像元区域响应电压VR(λ)与不同波长点下标准探测器响应电压V0(λ)求商后归一化，其中Sm即峰值波长处的相对响应值，即归一化基数。
所述的获得红外焦平面探测器相对光谱响应的方法中，测量标准探测器光谱响应电压V0(λ)的具体步骤为：单色仪的波长鼓在上位机控制系统的控制下完成光谱测试波长范围内的逐点扫描，并通过锁相放大器记录各波长点下标准探测器的响应电压V0(λ)。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种红外焦平面探测器弱光谱信号的测试平台，包括用于提供宽谱红外辐射的红外光源(11)，其特征在于：顺着红外光源的发射方向依次设置用于调制信号的斩波器(12)、用于宽光谱红外辐射源分光的单色仪(13)、采集模块(15)，单色仪(13)的出射口固定用于消除二值衍射影响的滤光片(14)，采集模块(15)对准单色仪(13)的出射口，上位机控制系统(16)分别连接红外光源(11)、斩波器(12)、单色仪(13)、采集模块(15)；所述红外光源(11)为腔室黑体；上位机控制系统(16)用于控制红外光源温度、斩波器频率、单色仪波长扫描以及完成数据的采集与计算；所述采集模块(15)包括标准探测器(151)、锁相放大器(152)、被测探测器(153)、测试适配板(154)；其中标准探测器(151)为热释电探测器，标准探测器(151)和锁相放大器(152)连接，标准探测器(151)的输出信号接入锁相放大器(152)；锁相放大器(152)和斩波器(12)连接，锁相放大器(152)接收斩波器(12)的频率同步信号并将采集到标准探测器的响应数据传输至上位机控制系统(16)；被测探测器(153)为红外焦平面探测器，被测探测器(153)和测试适配板(154)连接，被测探测器(153)的电压输出由测试适配板(154)转换为数字信号后传输至上位机控制系统(16)。
2.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于：所述单色仪(13)为光栅式单色仪；光栅波长覆盖范围为7-17um，光栅式单色仪的可调精度为10nm，滤光片(14)为带通滤波片，滤光片(14)透过波长范围为7-17um。
3.一种利用权利要求1或2所述平台的红外焦平面探测器弱光谱信号的提取方法，其特征在于：利用斩波器将红外辐射光源信号调制到固定频率，再通过快速傅里叶变换在频域上获取被测红外焦平面探测器的光谱响应信号。
4.根据权利要求3所述的红外焦平面探测器弱光谱信号的提取方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(a)：选择被测探测器测试像元区域：所选被测探测器测试像元区域是单色仪出射光缝覆盖区域且不包含盲元；
步骤(b)：获取各波长点被测探测器时域信号Vt(λ)；
步骤(c)：还原各波长点被测探测器光谱响应信号Vf(λ)。
5.根据权利要求4所述的红外焦平面探测器弱光谱信号的提取方法，其特征在于：所述步骤(a)中选择被测探测器测试像元区域包括以下几个步骤：单色仪快门关闭状态，采集被测探测器输出Vclose；单色仪快门打开状态，采集被测探测器输出Vopen；计算(Vopen-Vclose)列平均值，寻找(Vopen-Vclose)列平均值最大的一列，并选取该列上(Vopen-Vclose)值最大的像元，若该像元不是盲元，则作为被测探测器的测试像元；若该像元是盲元，则选取该像元在该列上相邻的像元。
6.根据权利要求4所述的红外焦平面探测器弱光谱信号的提取方法，其特征在于：所述步骤(b)进一步为：斩波器对红外光源进行固定频率f0调制,单色仪的波长鼓在上位机控制系统的控制下完成光谱测试波长范围内的逐点扫描，在每个波长点下采集被测探测器测试像元N帧输出电压Vt，斩波器频率2f0不高于焦平面探测器工作频率ft，而N＝k*ft其中k≥2且为正整数。
7.根据权利要求4所述的红外焦平面探测器弱光谱信号的提取方法，其特征在于：所述步骤(c)进一步为：将步骤(b)获得各波长点被测探测器测试像元输出电压的时域信号Vt(λ)进行快速傅里叶变换，得到对应的频域下响应幅值Vf(λ)，该响应幅值即该波长点下光谱响应信号。
8.根据权利要求3所述的红外焦平面探测器弱光谱信号的提取方法，其特征在于：腔室黑体温度设置到1000℃，稳定后温度波动幅度小于1℃；斩波器频率设置为5Hz或10Hz，斩波器稳定后频率波动幅度小于0.1Hz。
9.一种获得红外焦平面探测器相对光谱响应的方法，其特征在于：按照权利要求4至8任意一项所述的方法提取出被测红外探测器光谱响应信号后Vf(λ)后，根据公式计算红外焦平面探测器相对光谱响应，即不同波长点下被测探测器测试像元区域响应电压VR(λ)与不同波长点下标准探测器响应电压V0(λ)求商后归一化，其中Sm即峰值波长处的相对响应值，即归一化基数。
10.根据权利要求9所述的获得红外焦平面探测器相对光谱响应的方法，其特征在于：测量标准探测器光谱响应电压V0(λ)的具体步骤为：单色仪的波长鼓在上位机控制系统的控制下完成光谱测试波长范围内的逐点扫描，并通过锁相放大器记录各波长点下标准探测器的响应电压V0(λ)。
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