CN113049118B - 一种红外焦平面探测器闪元测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外焦平面探测器闪元测试装置及测试方法,该装置主要由黑体辐射源、低噪声电子学驱动电路、数据采集卡、计算机等组成。该方法包括:设置探测器工作条件进行基本性能测试得到探测器的盲元;两点非均匀性校正;选择要进行闪元测试的温度点进行单点非均匀性校正;连续采集F帧;计算或设置闪元判定阀值;剔除盲元后,统计F帧中单个像元超过规定阀值规定次数的像元为闪元。本发明的优点在于,可以模拟红外焦平面探测器的使用环境和条件,对除盲元以外的影响红外探测器整机成像质量的闪元进行评价,为红外焦平面探测器提供一种新的性能评价方法及筛选依据,可广泛应用于红外焦平面探测器的性能测试评价工作中。
Description
技术领域
本发明属于红外焦平面探测器性能测试评价技术,具体涉及一种红外焦平面探测器闪元测试装置及测试方法。
背景技术
在红外焦平面探测器性能指标参数中,盲元指红外焦平面探测器像元中不符合规定参数要求的像元,可根据实际应用情况选择响应率、输出信号电压、探测率、噪声等效温差、噪声等参数中的一项或者几项进行判定,这些参数的测试和计算都基于国标GB/T17444-2013“红外焦平面阵列参数测试方法”中输出信号电压的采集,通常规定的采集帧数F为100帧,除像元噪声通过F帧数据的均方根偏差计算外,其余主要指标都是根据单个像元F帧输出信号电压的平均值进行计算。
红外焦平面探测器在整机应用时,均匀性校正和盲元剔除后,在所有使用条件不变的情况下,对着均匀不变的场景,其中一部分像元的响应信号值会发生微小变化(相对于几V的响应信号,这种微小的变化可能只有几个mV),导致本应该均匀的图像画面出现亮点或暗点,或忽明忽暗地闪动,对目标的识别产生了较大的影响,而这些像元有着相对正常的响应信号,并不能通过上述常规盲元的定义判别出来,但在使用过程中它们表现出相对于其它正常元明显不同的特性。这种现象尤其在低背景应用的长波红外焦平面探测器中表现得非常明显,为了便于区别,将这些元称之为闪元(或不稳定元)。
因此,将闪元定义为:在一定时间范围内连续采集多帧数据,相对于帧平均值,超过某一规定阈值规定次数的像元称为闪元。
发明内容
针对于上述存在的问题,本发明要解决的技术问题在于提供一种红外焦平面探测器闪元测试装置及测试方法,通过该测试装置及测试方法,可以得到闪元的测试结果,为红外焦平面探测器在热像产品上的应用提供筛选依据。
本发明的测试装置主要由黑体辐射源、探测器、低噪声电子学驱动电路、数据采集卡及计算机组成。数据采集卡安装于计算机内部,通过数据线与低噪声电子学驱动电路连接;低噪声电子学驱动电路与被测的探测器通过测试接口连接;黑体辐射源置于探测器的窗口前面,尽量靠近窗口但不接触,保证黑体辐射源的黑体面充满探测器的视场。测试时,测试装置中低噪声电子学驱动电路提供探测器工作时所需要的驱动信号,包括偏压和时钟,并对探测器的模拟输出信号电压进行缓冲驱动处理及A/D转换,通过数据线将探A/D转换后的数字输出信号传输至计算机中的数据采集卡,系统控制及数据处理软件完成各分部件之间的控制,同时对采集到的数据进行处理计算。
为了避免测试系统本身带来的影响,对测试系统要求如下:A/D分辨率≧14bit、系统噪声≦0.2mV。
本发明的闪元测试方法的正式测试的具体步骤包括:
步骤1,根据探测器的使用条件设置黑体温度为TC1、TC2,按GB/T 17444-2013常规测试方法对探测器进行响应率、输出信号电压、探测率、噪声等效温差、噪声参数测试;
步骤2,按规定的盲元判据统计出探测器的盲元数Nd,并记录盲元位置;
步骤3,设置需要进行闪元测试的黑体温度点TC,对探测器输出信号值进行单点非均匀性校正;
步骤4,连续采集F帧数据;
步骤5,计算或规定阀值σ;
步骤6,剔除盲元后,对每一单帧进行判定,统计像元输出信号值与单帧输出信号平均值的绝对值超过规定阀值σ的像元,标志并记录位置;
步骤7,所述采集的F帧数据判定完成后,统计每个像元超过规定阀值的次数X,对于所有F帧,超过规定次数要求C的像元即为闪元。
进一步地,在所述步骤2与步骤3之间还包括对探测器进行两点非均匀性校正步骤:保持测试条件不变,通过对黑体温度TC1、TC2采集到的数据对探测器进行两点非均匀性校正。
进一步地,所述对探测器进行两点非均匀性校正的方法如下:
采集黑体温度TC1、TC2两个温度点下探测器像元输出信号值,其中任一像元(i,j)在TC1、TC2两个温度点下的输出信号值为VC1(i,j)、VC2(i,j);
式中M为像元的总列数、N为像元总行数,Nd为探测器的盲元数;
像元(i,j)的两点非均匀性校正系数k(i,j)、b(i,j)由式(3)、(4)计算:
对于需要进行闪元测试的黑体温度TC,实际采集到的输出信号值为VC(i,j),经两点非均匀性校正后的输出信号值Vc'(i,j)由式(5)计算:
VC’(i,j)=k(i,j)×VC(i,j)+b(i,j) (5)
进一步地,在步骤3中,所述单点非均匀性校正方法为:
在剔除盲元后,计算其余任一像元(i,j)输出信号值与所有像元输出信号平均值的差为B(i,j),单点非均匀性校正后像元(i,j)的输出信号值VNUC(i,j)为无两点校的式(6)或两点校后的(7):
VNUC(i,j)=VC(i,j)-B(i,j) (6)
VNUC(i,j)=VC’(i,j)-B(i,j) (7)
其中,所述步骤5中,空域噪声的计算方法:
对黑体温度Tc连续采集F帧数据,得到F帧2维数组VNUC[(i,j),f],f为采集帧数(f=1,2,....F),第f帧单帧的空域噪声σS(f)由式(8)计算,为单帧剔除盲元后其余所有像元的平均值,由式(9)计算:
式中M为像元的总列数、N为像元总行数;Nd为探测器的盲元数。
进一步地,在步骤5中,所述的阀值σ规定为空域噪声σS(f)的倍数或所述步骤1中噪声的倍数或某一固定值。
进一步地,在步骤6、步骤7中,所述的统计具体为:
优选的,在步骤3中,所述黑体温度点TC取TC1、TC2中间值。
优选的,在步骤4中,所述连续采集F帧数据中F≧10000。
优选的,在步骤7中,所述C为规定次数,优选为5/20/50/100/200。
进一步地,所述的阀值σ由式(10)计算:
σ=n×σs(f) (10)
式中n为自定义倍数,优选为3/5/6/8/10。
与现有技术相比较,本发明的有益效果:
通过上述测试装置和测试方法可以模拟红外焦平面探测器的使用环境和条件,实现对除盲元以外的影响红外探测器整机成像质量的闪元进行评价,为红外焦平面探测器提供一种新的性能评价方法。该测试装置及测试方法已在多种型号的红外探测器中得到应用,证明方法可行有效,为红外焦平面探测器在热像产品上的应用提供了筛选依据,可广泛应用于红外焦平面探测器的性能测试评价工作中。
附图说明
图1:本发明的红外焦平面探测器闪元测试装置组成示意图,该图中:1-黑体辐射源,2-红外焦平面探测器,3-低噪声电子学驱动电路,4-数据采集卡,5-计算机。
图2:本发明的红外焦平面探测器闪元测试方法的流程图。
图3:F帧数据采集示意图。
图4:任一像元F帧输出信号值示意图。
图5:正常元与闪元10000帧输出信号灰度图,该图中:图a-正常元、图b-闪元1、图c-闪元2、图d-闪元3。
图6:实施例2实测的闪元的分布图。
具体实施方式
下面以256×256长波红外焦平面探测器的闪元测试过程为例,对本发明的具体实施方法做详细说明。
实施例1
如图1所示,本发明的一种用于实现对256×256长波红外焦平面探测器的闪元测试装置,主要由低温黑体辐射源1、低噪声电子学驱动电路3、数据采集卡4、计算机5以及图中未示出的三维可动台、测试平台及直流稳压电源等组成。
被测红外焦平面探测器2固定于三维可动台(图中未示出)上,与固定于测试平台(图中未示出)上的低噪声电子学驱动电路3通过测试接口连接;数据采集卡4安装于计算机5内部,通过数据线与低噪声电子学驱动电路3连接;低温黑体辐射源1置于探测器2的窗口前面,调整三维可动台使探测器2的窗口尽量靠近低温黑体辐射源1的黑体面但不接触,保证黑体面充满探测器2的视场;直流稳压电源(图中未示出)提供低噪声电子学驱动电路3及探测器制冷机(图中未示出)工作所需要的电源。测试时,测试装置中低噪声电子学驱动电路3提供探测器2工作时所需要的驱动信号,包括偏压和时钟,并对探测器2的模拟输出信号电压进行缓冲驱动处理及A/D转换,通过数据线将探A/D转换后的数字输出信号传输至计算机5中的数据采集卡4,系统控制及数据处理软件完成各分部件之间的控制,同时对采集到的数据进行处理计算。
实施例2
256×256长波红外焦平面探测器的闪元的具体测试方法如下:
步骤1,打开探测器制冷机工作电源对被测探测器进行降温,达到探测器的工作温度后,打开低噪声电子学驱动电路板的电源开关;
步骤2,设置探测器的工作条件,包括时钟、积分时间、偏置电压,使探测器正常工作;
步骤3,根据探测器的使用条件设置黑体温度为TC1、TC2,按GB/T 17444-2013规定的测试方法对探测器进行响应率、输出信号电压、噪声等效温差参数测试;
步骤4,按下面规定的盲元判据统计出探测器的盲元数Nd,并记录盲元位置;
a)响应率超过平均测量值±30%的像元;
b)TC1黑体温度下输出信号电压超过平均测量值±30%的像元;
c)噪声等效温差大于2倍平均测量值的像元。
步骤5,保持测试条件不变,通过对黑体温度TC1、TC2采集到的数据对探测器进行两点非均匀性校正,校正方法如下:
采集黑体温度TC1、TC2两个温度点下探测器像元输出信号值,其中任一像元(i,j)在TC1、TC2两个温度点下的输出信号值为VC1(i,j)、VC2(i,j),为采集100次的平均值;
式中M为像元的总列数、N为像元总行数;Nd为探测器的盲元数。
像元(i,j)的两点非均匀性校正系数k(i,j)、b(i,j)由式(3)、(4)计算。
对于需要进行闪元测试的黑体温度TC,实际采集到的输出信号值为VC(i,j),经两点非均匀性校正后的输出信号值Vc'(i,j)由式(5)计算:
VC’(i,j)=k(i,j)×VC(i,j)+b(i,j) (5)
如作为较快捷方法,此步骤可以跳过。
步骤6,设置需要进行闪元测试的黑体温度点TC,取TC1、TC2中间值,对探测器输出信号值进行单点非均匀性校正,校正方法如下:
在剔除盲元后,计算其余任一像元(i,j)输出信号值与所有像元输出信号平均值的差值为B(i,j),单点非均匀性校正后像元(i,j)的输出信号值VNUC(i,j)为无两点校的式(6)或两点校后的(7):
VNUC(i,j)=VC(i,j)-B(i,j) (6)
VNUC(i,j)=VC’(i,j)-B(i,j) (7)
步骤7,连续采集F帧数据,推荐F≥10000;
步骤8,计算阀值σ,规定为单帧空域噪声的n倍,空域噪声的计算方法:
对Tc黑体温度点连续采集F帧数据,得到图3所示的F帧2维数组VNUC[(i,j),f],f为采集帧数(f=1,2,....F),第f帧单帧的空域噪声σS(f)由式(8)计算,为单帧剔除盲元后其余所有像元的平均值,由式(9)计算
式中M为像元的总列数、N为像元总行数;Nd为探测器的盲元数。
最终阀值σ由式(10)计算:
σ=n×σs(f) (10)
式中n为自定义倍数,可规定为3、5、6、8、10。
步骤10,所有F帧判定完成后,参考图4,统计每个像元超过规定阀值σ的次数X,当X超过规定次数C次(C可规定为5、20、50、100、200)的像元即为闪元。图5为测试结果中典型正常元和闪元10000帧输出信号灰度图,图6为闪元分布图。
步骤11,关机。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种红外焦平面探测器闪元测试方法,其特征在于包括:
(1)准备测试装置
所述测试装置主要由黑体辐射源、探测器、低噪声电子学驱动电路、数据采集卡及计算机组成;所述数据采集卡安装于计算机内部,通过数据线与低噪声电子学驱动电路连接;所述低噪声电子学驱动电路与被测的探测器通过测试接口连接;所述黑体辐射源置于探测器的窗口前面,靠近窗口但不接触,保证黑体辐射源的黑体面充满探测器的视场;所述低噪声电子学驱动电路提供探测器工作时所需要的偏压及时钟信号,并对探测器的模拟输出信号电压进行缓冲驱动处理及A/D转换,通过数据线将探A/D转换后的数字输出信号传输至计算机中的数据采集卡;
通过液氮或制冷机对被测的探 测器进行降温,达到探测器的工作温度后,打开低噪声电子学驱动电路板的电源开关;
设置探测器的主要工作条件,包括时钟、积分时间、偏置电压,使探测器正常工作;
(2)正式测试步骤包括:
步骤1,根据探测器的使用条件设置黑体温度为TC1、TC2,按GB/T 17444-2013常规测试方法对探测器进行响应率、输出信号电压、探测率、噪声等效温差、噪声参数测试;
步骤2,按规定的盲元判据统计出探测器的盲元数Nd,并记录盲元位置;
步骤3,设置需要进行闪元测试的黑体温度点TC,对探测器输出信号值进行单点非均匀性校正;
步骤4,连续采集F帧数据;
步骤5,计算或规定阀值σ;
步骤6,剔除盲元后,对每一单帧进行判定,统计像元输出信号值与单帧输出信号平均值的绝对值超过规定阀值σ的像元,标志并记录位置;
步骤7,所述采集的F帧数据判定完成后,统计每个像元超过规定阀值的次数X,所述次数X超过规定次数要求C的像元即为闪元。
2.根据权利要求 1所述的闪元测试方法,其特征在于,在所述步骤2与步骤3之间还包括对探测器进行两点非均匀性校正步骤,具体为:保持测试条件不变,通过对黑体温度TC1、TC2采集到的数据对探测器进行两点非均匀性校正。
3.根据权利要求 2所述的闪元测试方法,其特征在于,所述对探测器进行两点非均匀性校正的方法如下:
采集黑体温度TC1、TC2两个温度点下探测器像元输出信号值,其中任一像元(i,j)在TC1、TC2两个温度点下的输出信号值为VC1(i,j)、VC2(i,j);
式中M为像元的总列数、N为像元总行数,Nd为探测器的盲元数;
像元(i,j)的两点非均匀性校正系数k(i,j)、b(i,j)由式(3)、式(4)计算:
对于需要进行闪元测试的黑体温度TC,实际采集到的输出信号值为VC(i,j),经两点非均匀性校正后的输出信号值Vc'(i,j)由式(5)计算:
VC’(i,j)=k(i,j)×VC(i,j)+b(i,j) (5)。
4.根据权利要求 1至3任一项所述的闪元测试方法,其特征在于,在步骤3中,所述单点非均匀性校正方法为:
在剔除盲元后,计算其余任一像元(i,j)输出信号值与所有像元输出信号平均值的差为B(i,j),单点非均匀性校正后像元(i,j)的输出信号值VNUC(i,j)为无两点校的式(6)或两点校后的式(7):
VNUC(i,j)=VC(i,j)-B(i,j) (6)
VNUC(i,j)=VC’(i,j)-B(i,j) (7)。
6.根据权利要求 1至3任一项所述的闪元测试方法,其特征在于,在步骤5中,所述的阀值σ规定为步骤1中所述噪声参数的倍数或某一固定值。
8.根据权利要求 1至3任一项所述的闪元测试方法,其特征在于,在步骤3中,所述黑体温度点TC取TC1、TC2中间值。
9.根据权利要求 1至3任一项所述的闪元测试方法,其特征在于,在步骤4中,所述连续采集F帧数据中F≧10000;在步骤7中,所述C取5/20/50/100/200。
10.根据权利要求 5所述的闪元测试方法,其特征在于,所述的阀值σ由式(10)计算:
σ=n×σs(f) (10)
式中n为自定义倍数,取值为3/5/6/8/10。
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