CN108489923A - 基于双敏感元差分信号的红外气体成像焦平面及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双敏感元信号差分红外气体成像焦平面及成像方法，焦平面由像元列阵芯片以及读出电路芯片组成，其中像元阵列芯片上的每个像元由两个敏感元A和B组合构成。其中敏感元B的响应峰位设计在待探测气体吸收较强的指纹波长处，敏感元A的响应峰位调制得错开该波长。A、B两敏感元的信号输出端与差分电路相连，差分电路作为读出电路输入级的一部分向读出电路输出差分信号。该信号与被探测气体在探测光路上的浓度和量成比例，利用读出电路输出该差值信号即可对所探测气体成像。本发明的优点：一、可直接消除背景辐射的影响；二、与气体成像相关的有效信号比例极高；三、积分电容不易饱和，有效信号动态范围大；四、可消除背景辐射噪声。
Description
技术领域
本发明涉及到光电探测技术的一种红外焦平面，具体是指基本像元具有组合敏感元结构，通过组合敏感元的差分信号进行气体探测和成像的红外焦平面。
背景技术
大部分气体仅凭肉眼是看不到的，其中不乏一些危险气体，现代工业中有很多场合要跟这些气体打交道，探测这些气体的技术在化工、矿产、电力和环保等领域具有重要应用。比如电力设施领域亟需能远程探测和定位六氟化硫(SF6)泄露的技术和仪器，SF6气体在高压断路器和开关设备中作为绝缘介质使用，一旦发生泄漏就会对电力设施、环境以及人员造成危害，因此及时发现和定位SF6泄漏点对电力设施的维护和平稳运行具有重要意义。
早期的气体探测技术使用气体“嗅探”传感器进行气体探测，这种接近式或接触式探测限制了它的应用场合。后来基于红外相机所发展的气体成像技术因其远程传感、实时探测和可视化等特点所带来的安全、高效、便携等优点，成为一种优越的气体探测技术。这种红外气体成像技术可以对扫描区域实时成像，泄漏的气体在相机所拍摄图像上呈现出烟雾的状态，用户可以很直观的看到原本肉眼看不到的泄漏气体。它的基本原理与我们肉眼看到烟雾的原理类似：当有烟雾存在时，到达人眼的可见光辐射因为烟雾的吸收、散射和辐射而发生变化，所以就看到了烟雾，而红外成像仪是利用被探测气体出现时，成像焦平面上光敏元接收到的红外辐射发生改变而进行成像的。
目前被动式红外气体成像技术是利用一个滤光片或分光光栅，来使光敏元只接收特定红外波段的辐射，如果将该波段设计到被探测气体的指纹波长处，由于气体在该波段具有较强的吸收，气体存在时，到达光敏元的辐射会因气体的吸收而减少很多，从而增强了气体成像对比度。该方法可用来实时探测气体泄漏，例如在长波红外波段可探测SF6(指纹波长10.6μm)，在中波红外波段可探测一系列挥发性有机物如甲烷、丙烷和丁烷。不过这种探测方法需要将分光部件与探测部件组合，必然导致探测器体积较大，实现的工艺也较为复杂。另外，该方法在积分电路中不能消除背景光电流，高背景下积分电容极易饱和，所以探测器的灵敏度较低，动态探测范围也较小，在高背景、复杂场景中的应用受到限制。
发明内容
本发明的目的是提出一种由组合敏感元构成基本像元的红外焦平面，提供一种新的红外气体成像方法，解决现有气体成像焦平面不能完全消除背景光电流，探测灵敏度较低和有效动态探测范围较小的问题。
本发明的技术方案是：红外焦平面由像元阵列芯片以及读出电路芯片组成，其中像元阵列芯片上的每个像元由两个独立的敏感元组合构成。两个敏感元A和B具有不同的光谱响应特征，其中敏感元B通过结构调制等手段获得较为尖锐的响应峰，并且峰位设计在待探测气体的指纹波长处，敏感元A的响应峰位调制得错开该波长0.1-1微米。通过结构设计和后期标定，将两敏感元对黑体辐射的光谱响应积分值调为相等。A、B两敏感元的信号输出端与差分电路相连，差分电路作为读出电路输入级的一部分向读出电路输出差分信号。
基于双敏感元信号差分红外气体成像焦平面的红外气体成像方法步骤如下：
像元阵列芯片上的每个像元包含两个独立的敏感元。两个敏感元A和B通过结构调制等手段获得较为尖锐的响应峰，并且敏感元B的响应峰位设计在待探测气体的指纹波长处，敏感元A的响应峰位调制得错开该波长。通过结构设计和后期标定，将两敏感元对黑体辐射的光谱响应积分值调为相等。A、B两敏感元的信号输出端与差分电路相连，差分电路作为读出电路输入级的一部分向后级电路输出差分信号。探测器工作时通过差分电路输出两敏感元的响应差值，该响应差值就是两敏感元组成的像元的信号值，该值的大小与被探测气体在探测光路上的浓度和量成比例，利用读出电路输出该差值信号即可对所探测气体成像。
本发明的优点是：
1、这种组合敏感元的差分信号可直接消除背景辐射的影响，信号处理系统不需要再进行背景辐射抑制。
2、现有气体成像仪的成像信号包含了像元对背景辐射的响应，这会导致与气体浓度相关的有效信号比例较低，气体探测的灵敏度较低，而本发明中像元的输出信号为组合敏感元的差分信号，信号强度直接与气体的浓度成比例，理论上所得信号全部是与气体浓度相关的有效信号。
3、对于工作在高背景下的普通焦平面探测器，信号光电流一般小于背景光电流，信号读出时积分电容极易饱和，因而较难获得理想的信噪比和较大的有效动态探测范围，而本发明的差分信号光电流不包含背景光电流，积分电容不易饱和，因而有效信号具有很大的动态范围，从而得到很高的气体探测灵敏度和较大的动态探测范围。
4、由于本发明消除了背景辐射的影响，所得信号也就没有了背景辐射噪声，所以本发明的信号噪声只取决于电路系统的噪声，可以获得较为理想的信噪比。
附图说明
图1为本发明红外气体成像焦平面的结构示意图。
图2为本发明中的基本像元意图。
图3为SF6气体的红外透射谱，其中SF6气体的浓度为0.1％，气团在光路上的长度为10cm。
图4为本发明实施案例中敏感元材料的光谱响应曲线。
图5为本发明实施案例中敏感元A和B经过结构调制后的光谱响应曲线。
具体实施方式
根据本发明的技术方案，基于双敏感元差分信号的红外气体成像焦平面可以实现近、中、远红外波的气体探测成像。本发明的成像焦平面的基本结构如附图1和附图2所示。下面以一个的具体实例来说明本发明的成像原理和方法，本实例针对指纹波长为10.6μm的SF6气体设计，SF6在10.6μm附近强烈吸收红外辐射，它的透射谱如附图3所示。
本实例中敏感元A、B的材料为GaAs/AlGaAs量子阱材料，采用分子束外延技术生长，量子阱材料的本征吸收峰位设计在10.6μm附近，它的光谱响应曲线如附图4所示。通过微电子加工工艺将所生长的量子阱材料加工成像元台面阵列，每个像元包含一对敏感元台面，如附图2所示。通过设计不同的台面结构可以调制敏感元的光谱响应特性，例如金属/绝缘体/金属的MIM结构以及全金属包裹台面的金属谐振腔结构，本实例采用MIM结构将敏感元A和B的响应峰位分别调制到9.6μm和10.6μm处，调制后敏感元A和B的光谱响应曲线如附图5所示。敏感元A和B的信号输出端与差分电路相连，通过差分电路向读出电路输出两敏感元的差分信号。
当敏感元的探测光路上没有SF6气体时，两敏感元的黑体响应值(相当于附图5中响应谱对波长的积分值)相等，即两敏感元的响应差值为零。当敏感元的探测光路上出现SF6气体时，由附图3可知，10.6μm波段附近的红外辐射因为SF6气体的强烈吸收而很少能到达敏感元，从附图5可以看出，这对敏感元A的影响很小，所以敏感元A的响应值不会有很大变化，然而敏感元B的响应值会因为该波长处的辐射大大减少而降低很多，并且探测光路上的SF6气体浓度越高，响应值就降的越厉害，与敏感元A的响应差值也就越大，利用读出电路输出该差值信号即可对SF6气体进行成像，这就是双敏感元信号差分气体成像的原理和方法。
本发明敏感元所用材料包含但不仅限于上述实例所采用的GaAs/AlGaAs量子阱材料，实现双敏感元不同光谱响应特性的手段并不限于实例所述的MIM结构。上述实施实例只是对本发明的技术方案和原理的进一步详细说明，并未对本发明作任何限制，凡是依据本发明的技术实质，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围内。
Claims (2)
1.一种双敏感元信号差分红外气体成像焦平面，其特征在于，
所述的红外气体成像焦平面包含像元阵列芯片和读出电路芯片，其中像元阵列芯片上的每个像元由两个独立的敏感元A和敏感元B组合构成；两个敏感元A和B具有不同的光谱响应特征，其中敏感元B通过结构调制等手段获得尖锐的响应峰，并且峰位设计在待探测气体的指纹波长处，敏感元A的响应峰位调制得错开该波长0.1-1微米；通过结构设计和后期标定，将两敏感元对黑体辐射的光谱响应积分值调为相等；A和B两敏感元的信号输出端与差分电路相连，差分电路作为读出电路输入级的一部分向读出电路输出差分信号。
2.一种基于权利要求1所述双敏感元信号差分红外气体成像焦平面的红外气体成像方法，其特征在于方法如下：
探测器工作时通过差分电路输出两敏感元的响应差值，该响应差值就是两敏感元组成的像元的信号值，该值的大小与被探测气体在探测光路上的浓度和量成比例，利用读出电路输出该差值信号即可对所探测气体成像。
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