CN109323851B - 一种太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试系统，包括：太赫兹辐射源、太赫兹功率计、三维位移台和计算机；所述太赫兹辐射源对被测太赫兹焦平面进行直接照射，所述三维位移台用于对所述太赫兹功率计及被测太赫兹焦平面进行平移以及二维扫描，在太赫兹激光照射截面方向上对太赫兹功率计进行二维平面扫描，对每个像元都进行光照；所述计算机采用激光能量曲面拟合的方式，求得太赫兹功率计每个像元上的太赫兹光功率值，得出响应率及响应率不均匀性的值；采用优化后的高斯曲面拟合模型，实现激光能量形状的拟合。本发明使用太赫兹辐射源来实现响应率和响应率非均匀性的测试，无需面源黑体，节省了测试成本。

Description

一种太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试系统及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试系统及方法。

背景技术

太赫兹焦平面探测器是一种可以获取太赫兹信号并且进行实时成像的探测器件，其性能参数的优劣，决定了太赫兹探测技术的应用及发展。

响应率及响应率不均匀性是阵列探测器最重要的参数之一，太赫兹焦平面探测器也不例外。像元响应率定义为在一定的帧周期或行周期条件下，太赫兹探测器各像元对每单位辐射功率产生的输出信号电压。因此，响应率的测试可归纳为两种不同太赫兹辐射功率条件下的响应电压测试，在测得响应电压后，响应率及响应率不均匀性等特性参数可根据定义计算得到。

太赫兹探测器的单个像元(i，j)的响应率为

其中，V₁(i,j)和V₂(i,j)为在太赫兹源两种功率辐射条件下的像元响应电压值，P₁(i,j)和P₂(i,j)代表测器焦平面上单个像元接收到的辐射功率。

平均像元响应率定义为太赫兹探测器所有的有效像元的像元响应率的平均值，计算方法如下：

其中，M为像元的总行数，N为像元的总列数，d和h为死像元和过热像元的数量，R(i,j)为太赫兹探测器的单个像元(i，j)的响应率，

为被测太赫兹焦平面的平均响应率值。

响应的非均匀性是指太赫兹探测器的有效像元响应率的均方根值与平均响应率的百分比，该值能够反映太赫兹探测器有效像元响应率的波动程度，见公式(3)：

响应率及响应率不均匀性的测试归根结底是精确求得探测器每个像元上接收到的光辐射功率值。在以往可见光、红外等阵列器件的响应率测试中，为了规避辐射源所带来的非均匀性影响，主要采用的解决方案是加入一定的光学系统如积分球、面源黑体等装置使得光源的均匀性达到较高水平，从而在阵列器件的表面形成一个辐照度均匀的光源，这样利用标准探测器标定好辐照面的照度，即可求得任意像元接收到的光功率值。非均匀性测试系统框图如图1所示。而均匀光源的选择主要根据被测器件类型来决定，主要为积分球光源以及面源黑体。积分球光源是一个内部涂有漫反射涂层的空腔球体，进入积分球内部的光经内壁漫反射层多次反射以后，在出光口上能得到均匀的照度分布，积分球光源主要用于可见光CCD器件以及近红外探测器的响应率及响应率不均匀性测试；面源黑体提供了一个均匀的红外光辐射，是测量红外焦平面阵列响应率和响应非均匀性等参数的主要测试设备。

在太赫兹焦平面探测器测试中，主要有黑体和太赫兹激光器两种辐射光源。由于黑体的红外辐射远大于太赫兹辐射，容易引起干扰，同时黑体是一个复色光源，不适合进行响应率的测试。因此，目前所能使用的测量响应率的光源主要为太赫兹激光器，而通过激光器所得到的太赫兹辐射源是一个非均匀性的太赫兹源，如果用该太赫兹源进行太赫兹探测器的测试，由太赫兹源自身的非均匀性会影响到太赫兹探测器的响应率、响应率不均匀性以及后续个别参数的测试，因此需要解决激光器非均匀性对测试结果带来的影响。但目前还没有相关成熟方案来解决该问题。

由于缺乏合适的均匀辐射光源，这就给太赫兹焦平面探测器的测试带来了难题，目前所能采用的解决方法，也主要是利用面源黑体对一个被测探测器进行非均匀性校正，然后认为该探测器是一个非均匀性为零的探测器，然后利用该探测器对采集到的太赫兹激光器信号响应值校正，利用校正后的响应值来进行后续各个参数的运算，其主要步骤如下：

步骤(1)，选取任意一个太赫兹探测器，分别将面源黑体设置为温度T1和T2，获取这两个温度条件下的探测器的信号响应值；

步骤(2)，借鉴红外焦平面探测器的非均匀校正算法，计算该太赫兹探测器在温度T1和T2的非均匀性校正参数。

步骤(3)，利用太赫兹激光器对被测探测器进行太赫兹辐射，采集功率为P1和P2下的响应电压值；

步骤(4)，利用步骤(2)得到的校正参数，对步骤(3)中得到的响应电压值进行校正，从而消除了太赫兹激光器不均匀所带来的偏差，选取校正后的响应电压值，来进行后续响应率及响应率不均匀性的计算。

目前的太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试方案中，主要存在以下问题：

(1)没有有效的太赫兹焦平面阵列响应率及响应率不均匀性参数的测试方法。

(2)目前所采用的替代测试方案，需要用到面源黑体，不但容易有红外辐射光的干扰，而且成本较高；另外在测试过程中需要多次校正操作，步骤较为繁琐，效率太低，多次校正过程中也会导致测量精度的下降。

(3)测试方法不具有客观性。现有技术，首先要利用面源黑体对太赫兹焦平面进行非均匀性校正，但校正条件的设置以及校正算法的选取因人而异，不同的条件就会导致不同的测量结果，因此不具有客观性。

(4)适用性差。现有的首先利用面源黑体来进行校正的方案，主要适用于光热型的太赫兹焦平面探测器，而对于其他类型的探测器不适用。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提出了一种太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试系统及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试系统，包括：太赫兹辐射源、太赫兹功率计、三维位移台和计算机；

所述太赫兹辐射源对被测太赫兹焦平面进行直接照射，所述三维位移台用于对所述太赫兹功率计及被测太赫兹焦平面进行平移以及二维扫描，在太赫兹激光照射截面方向上对太赫兹功率计进行二维平面扫描，对每个像元都进行光照；所述计算机采用激光能量曲面拟合的方式，求得太赫兹功率计每个像元上的太赫兹光功率值，得出响应率及响应率不均匀性的值；采用优化后的高斯曲面拟合模型，实现激光能量形状的拟合。

可选地，所述三维位移台的运动行程为300mm，重复定位精度为2μm。

可选地，所述太赫兹辐射源为连续太赫兹激光器。

可选地，所述太赫兹功率计的光谱覆盖范围为0.3THz～10THz，光敏面直径大于等于15mm。

可选地，所述太赫兹辐射源和被测器件之间设置光阑，所述光阑为可调光阑，通光直径调节范围为0mm～36mm。

基于上述系统，本发明还提出了一种太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试方法，包括以下步骤：

步骤(a)，调节光阑直径，使太赫兹辐射源发出的太赫兹光通过光阑后，能够被太赫兹功率计完全接收，利用太赫兹功率计测量此时的太赫兹激光的光功率值P；

步骤(b)，使用被测太赫兹焦平面对激光束成像，采集图像同时对太赫兹功率计的像元响应起伏进行高斯曲面拟合，得到太赫兹激光光斑的能量分布，拟合方程为高斯线型，如公式(4)：

式中：A为太赫兹功率计响应幅值；(x₀,y₀)为光斑中心位置；σ₁，σ₂为x，y方向上的标准差；

步骤(c)，对步骤(b)得到的太赫兹激光光斑的能量分布方程，在焦平面被照射的所有空间区域内，进行二重积分，如公式(5)：

其中，D为太赫兹激光在太赫兹焦平面上的照射空间区域，在此区域内进行积分；I(x,y)为上一步中拟合得到的太赫兹激光光斑能量分布方程；

步骤(d)，选定激光光斑照射范围内任意一个像元为待测像元，对步骤(b)得到的太赫兹激光光斑的能量分布方程，在所对应的空间区域内，进行二重积分，见公式(6)：

其中，D(i,j)为待测像元在太赫兹焦平面上所对应的空间区域，在此区域内进行积分；

步骤(e)，公式(6)和公式(5)的比值即为待测像元所接收到的光功率占整个太赫兹激光光斑能量的比例，待测像元所接收到的绝对光功率值P(i,j)即为：

步骤(f)，选定被照区域内的其他像元，重复步骤(d)和步骤(e)，得到被照区域内的所有像元接收的绝对光功率值；同时分别采集有太赫兹辐射和无太赫兹辐射情况下的整个太赫兹焦平面不同像元的信号响应值V₁(i,j)和V₀(i,j)，根据公式(1)即可计算得到被照区域内所有像元的响应率值，所述公式(1)为：

其中，V₁(i,j)和V₂(i,j)为在太赫兹辐射源两种功率辐射条件下的像元响应电压值，P₁(i,j)和P₂(i,j)代表测器焦平面上单个像元接收到的辐射功率；

步骤(g)，移动三维位移台，使太赫兹辐射源照射到太赫兹焦平面的其他区域，依次按照步骤(b)至步骤(f)的顺序，计算得到整个太赫兹焦平面的所有像元的响应率值；

步骤(h)，通过公式(2)和公式(3)计算被测太赫兹焦平面的平均响应率值的大小以及响应率不均匀性的大小，所述公式(2)为：

其中，R(i,j)为太赫兹探测器的单个像元(i，j)的响应率，R为被测太赫兹焦平面的平均响应率值；

所述公式(3)为：

其中，M为像元的总行数，N为像元的总列数，d和h为死像元和过热像元的数量；其中，R(i,j)为太赫兹探测器的单个像元(i，j)的响应率，

为被测太赫兹焦平面的平均响应率值。

可选地，所述方法还包括：调节太赫兹辐射源，使其输出稳定的太赫兹激光，调整太赫兹辐射源、光阑、以及被测太赫兹焦平面，三者光轴保持一致。

本发明的有益效果是：

(1)使用太赫兹辐射源来实现响应率和响应率非均匀性的测试，无需面源黑体，节省了测试成本。

(2)现有技术通过非均匀性校正算法来计算每个像元接收到的光功率，不能做到方法统一，本发明通过激光能量曲面拟合，对每个像元接收到的光功率进行精确计算，测试方法更加客观。

(3)不仅适用于光热型的太赫兹焦平面探测器，同时对于其他类型的太赫兹焦平面探测器也同样适用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的非均匀性测试系统的原理框图；

图2为本发明的太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试系统的一个可选实施例的框图；

图3为太赫兹光斑高斯能量拟合示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2示出了太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试系统的一个可选实施例。

该可选实施例中，所述系统包括：太赫兹辐射源、太赫兹功率计、驱动电路、三维位移台和计算机。

所述太赫兹辐射源对被测太赫兹焦平面进行直接照射，所述三维位移台用于太赫兹功率计及被测太赫兹焦平面的平移以及二维扫描，在太赫兹激光照射截面方向上对太赫兹功率计进行二维平面扫描，确保对每个像元都进行合适的光照，从而实现所有像元响应率的精确测量。所述计算机采用激光能量曲面拟合的方式，求得太赫兹功率计每个像元上的太赫兹光功率值，进而得出响应率及响应率不均匀性的值；采用优化后的高斯曲面拟合模型，实现激光能量形状的拟合。

可选地，所述三维位移台的运动行程为300mm，重复定位精度为2μm。

可选地，所述太赫兹辐射源为连续太赫兹激光器，采用CO₂泵浦气体太赫兹激光器，根据泵浦气体的不同，产生不同的太赫兹波，从而实现不同太赫兹波长点的响应率测量。

可选地，所述太赫兹功率计的光谱覆盖范围为0.3THz～10THz，可对该范围内任意频率点的太赫兹激光功率进行精确测试，同时光敏面直径不小于15mm。

可选地，所述太赫兹辐射源和被测器件之间设置光阑，所述光阑为可调光阑，通光直径调节范围为0mm～36mm。

基于上述测试系统，本发明还提出了一种太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试方法，采用激光能量曲面拟合的方式，来精确求得探测器每个像元上的太赫兹光功率值，进而得出响应率及响应率不均匀性的值，包括以下步骤：

步骤(a)，调节合适的光阑直径，使激光器发出的太赫兹光通过光阑后，能够被太赫兹功率计完全接收，利用太赫兹功率计测量此时的太赫兹激光的光功率值P。

步骤(b)，使用被测太赫兹焦平面对激光束成像，采集图像同时对太赫兹功率计的像元响应起伏进行高斯曲面拟合，得到太赫兹激光光斑的能量分布，拟合方程为高斯线型，如公式(4)：

式中：A为太赫兹功率计响应幅值；(x₀,y₀)为光斑中心位置；σ₁，σ₂为x，y方向上的标准差。

步骤(c)，对步骤(b)得到的太赫兹激光光斑的能量分布方程，在焦平面被照射的所有空间区域内，进行二重积分，如公式(5)：

其中，D为太赫兹激光在太赫兹焦平面上的照射空间区域，在此区域内进行积分；I(x,y)为上一步中拟合得到的太赫兹激光光斑能量分布方程。

步骤(d)，选定激光光斑照射范围内任意一个像元为待测像元，对步骤(b)得到的太赫兹激光光斑的能量分布方程，在所对应的空间区域内，进行二重积分，见公式(6)：

其中，D(i,j)为待测像元在太赫兹焦平面上所对应的空间区域，在此区域内进行积分。

步骤(e)，公式(6)和公式(5)的比值即为待测像元所接收到的光功率占整个太赫兹激光光斑能量的比例，待测像元所接收到的绝对光功率值P(i,j)即为：

步骤(f)，选定被照区域内的其他像元，重复步骤(d)和步骤(e)，得到被照区域内的所有像元的接收的绝对光功率值。同时分别采集有太赫兹辐射和无太赫兹辐射情况下的整个太赫兹焦平面不同像元的信号响应值V₁(i,j)和V₀(i,j)，根据公式(1)即可计算得到被照区域内所有像元的响应率值。

步骤(g)，移动三维位移台，使太赫兹辐射源照射到太赫兹焦平面的其他区域，依次按照步骤(b)至步骤(f)的顺序，计算得到整个太赫兹焦平面的所有像元的响应率值。

步骤(h)，通过公式(2)和公式(3)计算被测太赫兹焦平面的平均响应率值的大小以及响应率不均匀性的大小。

可选地，所述方法还包括：调节太赫兹辐射源，使其输出稳定的太赫兹激光，调整太赫兹辐射源、光阑、以及被测太赫兹焦平面，确保三者光轴保持一致。

本发明仅使用太赫兹辐射源来实现响应率和响应率非均匀性的测试，无需面源黑体，节省了测试成本。

本发明的测试方法更客观。现有技术通过非均匀性校正算法来计算每个像元接收到的光功率，不能做到方法统一，本发明通过激光能量曲面拟合，对每个像元接收到的光功率进行精确计算，测试方法更加客观。

本发明不仅适用于光热型的太赫兹焦平面探测器，同时对于其他类型的太赫兹焦平面探测器也同样适用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试方法，其特征在于，包括一种太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试系统：系统包括太赫兹辐射源、太赫兹功率计、三维位移台和计算机；

所述太赫兹辐射源对被测太赫兹焦平面进行直接照射，所述三维位移台用于对所述太赫兹功率计及被测太赫兹焦平面进行平移以及二维扫描，在太赫兹激光照射截面方向上对太赫兹功率计进行二维平面扫描，对每个像元都进行光照；所述计算机采用激光能量曲面拟合的方式，求得太赫兹功率计每个像元上的太赫兹光功率值，得出响应率及响应率不均匀性的值；采用优化后的高斯曲面拟合模型，实现激光能量形状的拟合；

所述方法，包括以下步骤：

步骤(a)，调节光阑直径，使太赫兹辐射源发出的太赫兹光通过光阑后，能够被太赫兹功率计完全接收，利用太赫兹功率计测量此时的太赫兹激光的光功率值P；

步骤(b)，使用被测太赫兹焦平面对激光束成像，采集图像同时对太赫兹功率计的像元响应起伏进行高斯曲面拟合，得到太赫兹激光光斑的能量分布，拟合方程为高斯线型，如公式(4)：

式中：A为太赫兹功率计响应幅值；(x₀,y₀)为光斑中心位置；σ₁，σ₂为x，y方向上的标准差；

步骤(c)，对步骤(b)得到的太赫兹激光光斑的能量分布方程，在焦平面被照射的所有空间区域内，进行二重积分，如公式(5)：

其中，D为太赫兹激光在太赫兹焦平面上的照射空间区域，在此区域内进行积分；I(x,y)为上一步中拟合得到的太赫兹激光光斑能量分布方程；

步骤(d)，选定激光光斑照射范围内任意一个像元为待测像元，对步骤(b)得到的太赫兹激光光斑的能量分布方程，在所对应的空间区域内，进行二重积分，见公式(6)：

其中，D(i,j)为待测像元在太赫兹焦平面上所对应的空间区域，在此区域内进行积分；

步骤(e)，公式(6)和公式(5)的比值即为待测像元所接收到的光功率占整个太赫兹激光光斑能量的比例，待测像元所接收到的绝对光功率值P(i,j)即为：

步骤(f)，选定被照区域内的其他像元，重复步骤(d)和步骤(e)，得到被照区域内的所有像元接收的绝对光功率值；同时分别采集有太赫兹辐射和无太赫兹辐射情况下的整个太赫兹焦平面不同像元的信号响应值V₁(i,j)和V₀(i,j)，根据公式(1)即可计算得到被照区域内所有像元的响应率值，所述公式(1)为：

其中，V₁(i,j)和V₂(i,j)为在太赫兹辐射源两种功率辐射条件下的像元响应电压值，P₁(i,j)和P₂(i,j)代表测器焦平面上单个像元接收到的辐射功率；

步骤(g)，移动三维位移台，使太赫兹辐射源照射到太赫兹焦平面的其他区域，依次按照步骤(b)至步骤(f)的顺序，计算得到整个太赫兹焦平面的所有像元的响应率值；

步骤(h)，通过公式(2)和公式(3)计算被测太赫兹焦平面的平均响应率值的大小以及响应率不均匀性的大小，所述公式(2)为：

其中，R(i,j)为太赫兹探测器的单个像元(i，j)的响应率，

为被测太赫兹焦平面的平均响应率值；

所述公式(3)为：

其中，M为像元的总行数，N为像元的总列数，d和h为死像元和过热像元的数量；其中，R(i,j)为太赫兹探测器的单个像元(i，j)的响应率，

为被测太赫兹焦平面的平均响应率值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维位移台的运动行程为300mm，重复定位精度为2μm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述太赫兹辐射源为连续太赫兹激光器。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述太赫兹功率计的光谱覆盖范围为0.3THz～10THz，光敏面直径大于等于15mm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述太赫兹辐射源和被测器件之间设置光阑，所述光阑为可调光阑，通光直径调节范围为0mm～36mm。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：调节太赫兹辐射源，使其输出稳定的太赫兹激光，调整太赫兹辐射源、光阑、以及被测太赫兹焦平面，三者光轴保持一致。

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