CN113390519A - 一种提高红外探测器光谱响应测量精度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高红外探测器光谱响应测量精度的装置及方法，其中装置由第一硅碳棒、第二硅碳棒发出的红外光经第一凹面镜和第二凹面镜反射，使光线会聚，入射到单色仪光路中，经第一反射镜反射折叠光路，由第三凹面镜会聚平行入射到反射光栅上，经光栅的单缝衍射和多缝干涉作用，将复色光分成单色光，单色光由第四凹面镜会聚、第二反射镜改变方向后从单色仪出射，出射光由第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜会聚入射到被测探测器，被测探测器光敏面在光照下产生光电效应，形成响应电压信号，应用离散傅里叶变换和频域滤波的方法准确采集响应电压信号后，计算被测探测器的光谱响应。本发明的装置及方法提高了红外探测器的光谱响应测量精度。

Description

一种提高红外探测器光谱响应测量精度的装置和方法

技术领域

本发明属于红外焦平面阵列探测器技术领域，具体涉及一种提高红外探测器光谱响应测量精度的装置和方法。

背景技术

在红外焦平面阵列的研制、生产和应用过程中，都离不开红外焦平面阵列特性参数的测试。精确测量红外焦平面阵列的各个特性参数，是准确评价焦平面阵列器件性能的前提。其中光谱响应特性是其最基本的参数之一，当前对于红外焦平面阵列光谱响应的测试普遍存在测量精度低的缺点。尤其是对于非制冷器件，存在响应信号弱、温漂较大、噪声较大的缺点，同时红外焦平面阵列探测器相对光谱响应测试波段要求为1μm～15μm，对于常用的红外光源如硅碳棒，其在中远红外波段辐射能量大大降低，后续经过光栅单色仪分光、光学系统的衰减，最终入射到探测器的单色红外光将会更低。在以上众多因素的影响下，在红外焦平面阵列探测器尤其是非制冷探测器的测试中，信噪比水平就会较低，从而影响最终的测量精度。

红外焦平面阵列探测器在军用和民用方面都具有很重要的作用。红外探测技术是当前军事目标的侦察、监视、预警与跟踪的重要手段，一切目标，如海洋中的舰船、地面部队行动及各种装备、空中的飞机、导弹，都散发热量，发出大量的红外辐射。红外辐射的夜视性，红外探测的被动型探测方式、高分辨率高灵敏度、抗干扰能力强以及可进行多光谱探测等特征使红外探测系统较其它光电系统而言，成为军用领域中极具发展前途的目标检测与跟踪系统，在深空探测、反导、反卫、光电搜索、跟踪、制导、对抗等武器装备研制中广泛应用。

在当今和未来的信息获取领域，红外焦平面阵列将扮演越来越重要的角色。红外焦平面阵列的研制、生产、检测和应用都离不开红外焦平面阵列特性参数的测试。精确测量红外焦平面阵列的各个特性参数，是准确评价焦平面阵列器件性能的前提，它可以为材料选取、工艺改进、数据补偿、光学系统设计、图像处理提供指导。因此，红外焦平面阵列器件性能参数测试对于器件设计制造者、成像系统设计制造者以及器件使用者来说都具有非常重要的指导意义。

在红外焦平面阵列探测器的众多性能参数中，光谱响应是一个重要的参数，我国对于红外焦平面阵列的研究起步较晚，缺少合适的测试设备。国内的典型装置如图1，该装置采用硅碳棒作为光源，光线通过凹面镜会聚和反射镜反射后进入光栅单色仪，产生单色光，直接照射到红外焦平面阵列上进行光谱响应等参数的测试。由于探测器在长波波段响应信号弱，红外光源在中远红外波段辐射能量大大降低，导致长波段的响应信号信噪比低，并且从单色仪出射的光线是发散的，对于探测器不能很接近单色仪的测试情况，进一步降低了探测面的辐射能量，影响测试精度。

在红外焦平面阵列探测器的光谱响应参数测试中，现有技术主要有以下不足：(1)红外光源在中远红外波段辐射能量大大降低，并且通常探测器在长波波段响应信号弱，导致长波段的响应信号信噪比低。(2)从单色仪出射的光线是发散的，对于探测器不能很接近单色仪的测试情况，进一步降低了探测面的辐射能量，影响测试精度。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种提高红外探测器光谱响应测量精度的装置和方法，从光学系统和信号采集两个角度解决现有测试手段中光源辐射能量低和探测器响应信号信噪比低的缺点。从而提高光谱响应测量精度，为红外焦平面阵列探测器的研制和生产提供帮助。

本发明的技术方案如下：一种提高红外探测器光谱响应测量精度的装置，包括光源光路、单色仪光路、会聚光路；其中光源光路包括第一硅碳棒、第二硅碳棒、第一凹面镜、第二凹面镜；单色仪光路包括光栅、第一反射镜、第二反射镜、斩波器、第三凹面镜、第四凹面镜；会聚光路包括被测探测器、第一离轴抛物镜、第二离轴抛物镜。由第一硅碳棒、第二硅碳棒发出的红外光经第一凹面镜和第二凹面镜反射，使光线会聚，入射到单色仪光路中，经第一反射镜反射折叠光路，由第三凹面镜会聚平行入射到反射光栅上，经光栅的单缝衍射和多缝干涉作用，将复色光分成单色光，单色光由第四凹面镜会聚、第二反射镜改变方向后从单色仪出射，出射光由第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜会聚入射到被测探测器，被测探测器光敏面在光照下产生光电效应，形成响应电压信号，准确采集响应电压信号后，计算被测探测器的光谱响应。

上述装置中，所述第一凹面镜、第二凹面镜、第一反射镜、第二反射镜、第三凹面镜、第四凹面镜、第一离轴抛物镜、第二离轴抛物镜均采用在1μm～15μm的波长范围内高反射率的镀金镜片。

上述装置中，所述计算被测探测器的光谱响应，采用以下公式(1)：

公式(1)中，R(λ)：被测探测器在λ波长下的光谱响应；

V_S(λ)：被测探测器在λ波长下的响应电压信号；

P(λ)：经过标定已知的λ波长下的光功率。

假设在λ波长单色光下采集连续的N帧响应信号，离散的序列表示成{V_S，λ(0)，V_S，λ(1)，···V_S，λ(N-1)}，则其离散傅里叶变换F(u)由公式(2)计算：

公式(2)中，x：离散时间变量；

u：离散频率变量；

V_S，λ(x)：在λ波长单色光条件下，被测探测器采集到第x帧的响应电压信号；

i：虚数单位。

经过离散傅里叶变换后的数据，使用3阶巴特沃斯低通滤波器，将高频噪声信号去除，再将经过频域滤波的数据进行离散傅里叶逆变换，得到被测探测器对单色光的响应电压信号，按公式(1)计算被测探测器的光谱响应，3阶巴特沃斯低通滤波器如公式(3)：

公式(3)中，H(u)：3阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数；

ω_c：截止频率。

本发明还提供一种提高红外探测器光谱响应测量精度的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：由第一硅碳棒和第二硅碳棒发出的光线经第一凹面镜和第二凹面镜反射，入射到单色仪的光栅分光系统中，经第一反射镜和第三凹面镜入射到光栅上，由光栅分光后得到的单色光经第四凹面镜、第二反射镜、第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜入射到被测探测器的光敏面上，并且在第一反射镜前加入频率可调的斩波器，通过周期性的遮挡光线对光线进行调制，改变某一时刻进入单色仪光路的光线数量，使光信号由大小不变的直流信号变为大小按照一定频率、一定周期变化的交流信号；步骤2：利用被测探测器进行连续采样，得到连续多帧的探测器在单色光照下的电压响应信号；

步骤3：利用离散傅里叶变换算法，将采集到的连续多帧的电压响应信号进行时域和频域的转换，通过频域滤波去除温漂、噪声因素对电压响应信号的影响，来获得仅由交流红外光入射引起的电压响应信号值；

步骤4：利用得到的电压响应信号，与已知的经过标定的光功率计算得到被测探测器的光谱响应。

上述方法中，所述计算被测探测器的光谱响应，采用以下公式(1)：

公式(1)中，R(λ)：被测探测器在λ波长下的光谱响应；

V_S(λ)：被测探测器在λ波长下的响应电压信号；

P(λ)：经过标定已知的λ波长下的光功率。

假设在λ波长单色光下采集连续的N帧响应信号，离散的序列表示成{V_S，λ(0)，V_S，λ(1)，···V_S，λ(N-1)}，则其离散傅里叶变换F(u)由公式(2)计算：

公式(2)中，x：离散时间变量；

u：离散频率变量；

V_S，λ(x)：在λ波长单色光条件下，被测探测器采集到第x帧的响应电压信号；

i：虚数单位。

经过离散傅里叶变换后的数据，使用3阶巴特沃斯低通滤波器，将高频噪声信号去除，再将经过频域滤波的数据进行离散傅里叶逆变换，得到被测探测器对单色光的响应电压信号，按公式(1)计算被测探测器的光谱响应，3阶巴特沃斯低通滤波器如公式(3)：

公式(3)中，H(u)：3阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数；

ω_c：截止频率。

采用上述方案：(1)双光源的设计一定程度上解决了现有红外光源在长波段辐射能量低的缺点，提高了探测器的响应信号和信噪比。(2)会聚光路的存在，可以提高照射在探测器单位面积上的能量，提高信噪比，同时提高装置对不同结构的被测探测器的适应性。(3)采用离散傅里叶变换原理来实现微弱信号的探测，提高采集到的响应信号的精确性，最大程度降低噪声的影响，可以探测到较小的响应信号，提高光谱响应测试精度。

附图说明

图1为现有技术中红外焦平面测试装置示意图。

图2为本发明中红外焦平面测试装置示意图。

图3为本发明方法采集到的带有噪声的原始信号示意图。

图4为本发明方法恢复出的信噪比高的目标信号示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

如图1所示，本发明的一个实施例是，参照图2，本发明的提高红外探测器光谱响应测量精度的装置，包括：光源光路、单色仪光路、会聚光路；其中光源光路包括硅碳棒1、硅碳棒2、凹面镜S1、凹面镜S2；单色仪光路包括光栅、反射镜M1、反射镜M2、斩波器、凹面镜S3、凹面镜S4；会聚光路包括被测探测器、离轴抛物镜1、离轴抛物镜2。本装置中所有光学镜片(包括反射镜、凹面镜、离轴抛物镜)均采用在1μm～15μm的波长范围内高反射率的镀金镜片，由硅碳棒1、硅碳棒2发出的红外光经凹面镜S1和凹面镜S2反射，使光线会聚，入射到单色仪光路中，经反射镜M1反射折叠光路，由凹面镜S3会聚平行入射到反射光栅上，经光栅的单缝衍射和多缝干涉作用，将复色光分成单色光，单色光由凹面镜S4会聚、反射镜M2改变方向后从单色仪出射，出射光由离轴抛物镜1和离轴抛物镜2会聚入射到被测探测器，被测探测器光敏面在光照下产生光电效应，形成响应电压信号，准确采集响应电压信号后即可按公式(1)计算被测探测器的光谱响应。本发明中，为了匹配单色仪光路，在保证进入单色仪的光F数不变的情况下，使用两个同样的硅碳棒作为光源提供红外辐射，以增加光源的辐射能量。同时，在单色仪的出光处增加离轴抛物镜1和离轴抛物镜2，将光线会聚以提高照射在被测探测器单位面积上的能量，提高信噪比，同时对于不同结构的被测探测器可以通过调整会聚光路来进行匹配，以获得最佳的测试条件。对于带有冷屏的制冷探测器，或者探测器安装在结构内部，距结构表面开口处有一定距离的情况，测试时可以通过更换会聚光路中的离轴抛物镜，改变离轴抛物镜1和离轴抛物镜2的焦距，调整光线会聚的位置，改变F数，使得光线聚焦到探测器上时，会聚光线匹配冷屏或者开口的大小，确保全部的光线可以入射到被测探测器光敏面，避免入射光能量的损失。

式中，R(λ)：被测探测器在λ波长下的光谱响应；

V_S(λ)：被测探测器在λ波长下的响应电压信号；

P(λ)：经过标定已知的λ波长下的光功率。

为解决被测探测器在光谱响应测试过程中，由于温漂以及噪声等因素的影响，造成的探测器响应信号信噪比低，检测困难等问题，提高被测探测器响应信号的测量精度，本发明拟采用离散傅里叶变换原理来实现被测探测器响应的微弱信号的探测。测试时只需要将入射单色仪光路中的红外光进行适当的调制，即可利用被测探测器采集连续多帧的响应信号，然后利用离散傅里叶变换算法来获得交流红外光入射引起的响应信号值。对于一般的带限信号来说，由采样定理可知，只要采样频率大于等于2倍的原始信号最高频率，采样信号即可恢复为原信号。但是实际情况中，为了更好的重建原信号，需要采样频率大于两倍的最高频率。根据当前红外探测器的发展水平，其帧频一般为50Hz甚至更高，因此只需要将入射单色光信号进行低频调制，如10Hz，即可满足采样定理的要求，实现信号的检测。

假设在λ波长单色光下采集连续的N帧响应信号，这个离散的序列可以表示成{V_S，λ(0)，V_S，λ(1)，···V_S，λ(N-1)}，则其离散傅里叶变换F(u)可以由公式(2)计算。

式中，x：离散时间变量；

u：离散频率变量；

V_S，λ(x)：在λ波长单色光条件下，被测探测器采集到第x帧的响应电压信号；

i：虚数单位。

经过离散傅里叶变换后的数据，使用3阶巴特沃斯低通滤波器，将高频噪声信号去除，再将经过频域滤波的数据进行离散傅里叶逆变换，得到被测探测器对单色光的响应电压信号，按公式(1)计算被测探测器的光谱响应。3阶巴特沃斯低通滤波器如公式(3)。

式中，H(u)：3阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数；

ω_c：截止频率。

图3为本发明方法采集到的带有噪声的原始信号示意图，按照上述方法能够有效减少温漂以及噪声等因素的影响，提高被测探测器采集信号的信噪比，从而提高被测探测器光谱响应的测量精度。仿真结果如图4所示，从图4可以看出上述方法能够很好地恢复出信噪比高的目标信号。

实施例二

在上述实施例的基础上，本发明还提供一种提高红外探测器光谱响应测量精度的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：由硅碳棒1和硅碳棒2发出的光线经凹面镜S1和凹面镜S2反射，入射到单色仪的光栅分光系统中，经反射镜M1和凹面镜S3入射到光栅上，由光栅分光后得到的单色光经凹面镜S4、反射镜M2、离轴抛物镜1和离轴抛物镜2入射到被测探测器的光敏面上。并且在反射镜M1前加入频率可调的斩波器，通过周期性的遮挡光线对光线进行调制，改变某一时刻进入单色仪光路的光线数量，使光信号由大小不变的直流信号变为大小按照一定频率、一定周期变化的交流信号；步骤2：利用被测探测器进行连续采样，得到连续多帧的探测器在单色光照下的电压响应信号；

步骤3：利用离散傅里叶变换算法，将采集到的连续多帧的电压响应信号进行时域和频域的转换，通过频域滤波去除温漂、噪声等因素对电压响应信号的影响，来获得仅由交流红外光入射引起的电压响应信号值；

步骤4：利用得到的电压响应信号，与已知的经过标定的光功率计算得到被测探测器的光谱响应。

上述步骤4中，计算被测探测器的光谱响应，采用以下公式(1)：

公式(1)中，R(λ)：被测探测器在λ波长下的光谱响应；

V_S(λ)：被测探测器在λ波长下的响应电压信号；

P(λ)：经过标定已知的λ波长下的光功率。

假设在λ波长单色光下采集连续的N帧响应信号，离散的序列表示成{V_S，λ(0)，V_S，λ(1)，···V_S，λ(N-1)}，则其离散傅里叶变换F(u)由公式(2)计算：

公式(2)中，x：离散时间变量；

u：离散频率变量；

V_S，λ(x)：在λ波长单色光条件下，被测探测器采集到第x帧的响应电压信号；

i：虚数单位。

经过离散傅里叶变换后的数据，使用3阶巴特沃斯低通滤波器，将高频噪声信号去除，再将经过频域滤波的数据进行离散傅里叶逆变换，得到被测探测器对单色光的响应电压信号，按公式(1)计算被测探测器的光谱响应，3阶巴特沃斯低通滤波器如公式(3)：

公式(3)中，H(u)：3阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数；

ω_c：截止频率。

上述方法，对于红外探测器背景信号的缓慢变化以及噪声带来的影响，有很好的抑制作用，入射单色光频率和背景的缓慢变化的频率以及噪声的频率不一致，很容易就可以从离散傅里叶变换后的频谱图上将调制单色光引起的响应信号与其他因素引起的响应信号分离开来，实际恢复出的信号只是由入射单色光引起的电压响应信号，可以最大可能的排除温漂、噪声对测试的影响。

本发明：1、在保证进入单色仪的光F数不变的情况下，使用两个同样的光源提供红外辐射，以增加光源的辐射能量。2、在单色仪的出光处增加两个离轴抛物镜，将光线会聚以提高照射在探测器单位面积上的能量，提高信噪比，同时提高对不同结构的被测探测器的适应性。3、采用离散傅里叶变换原理来实现微弱信号的探测，最大可能的排除温漂、噪声对测试的影响。

相对于现有技术方案，本发明的有益效果在于：(1)双光源的设计一定程度上解决了现有红外光源在长波段辐射能量低的缺点，提高了探测器的响应信号和信噪比。(2)会聚光路的存在，可以提高照射在探测器单位面积上的能量，提高信噪比，同时提高装置对不同结构的被测探测器的适应性。(3)采用离散傅里叶变换原理来实现微弱信号的探测，提高采集到的响应信号的精确性，最大程度降低噪声的影响，可以探测到较小的响应信号，提高光谱响应测试精度。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种提高红外探测器光谱响应测量精度的装置，其特征在于，包括光源光路、单色仪光路、会聚光路；其中光源光路包括第一硅碳棒、第二硅碳棒、第一凹面镜、第二凹面镜；单色仪光路包括光栅、第一反射镜、第二反射镜、斩波器、第三凹面镜、第四凹面镜；会聚光路包括被测探测器、第一离轴抛物镜、第二离轴抛物镜；由第一硅碳棒、第二硅碳棒发出的红外光经第一凹面镜和第二凹面镜反射，使光线会聚，入射到单色仪光路中，经第一反射镜反射折叠光路，由第三凹面镜会聚平行入射到反射光栅上，经光栅的单缝衍射和多缝干涉作用，将复色光分成单色光，单色光由第四凹面镜会聚、第二反射镜改变方向后从单色仪出射，出射光由第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜会聚入射到被测探测器，被测探测器光敏面在光照下产生光电效应，形成响应电压信号，准确采集响应电压信号后，计算被测探测器的光谱响应。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一凹面镜、第二凹面镜、第一反射镜、第二反射镜、第三凹面镜、第四凹面镜、第一离轴抛物镜、第二离轴抛物镜均采用在1μm～15μm的波长范围内高反射率的镀金镜片；在保证进入单色仪的光F数不变的情况下，使用两个同样的硅碳棒作为光源提供红外辐射，以增加光源的辐射能量；同时，在单色仪的出光处增加会聚光路，将光线会聚以提高照射在被测探测器单位面积上的能量，提高信噪比，同时对于不同结构的被测探测器可以通过调整会聚光路来进行匹配，以获得最佳的测试条件。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述计算被测探测器的光谱响应，采用以下公式(1)：

公式(1)中，R(λ)：被测探测器在λ波长下的光谱响应；

V_S(λ)：被测探测器在λ波长下的响应电压信号；

P(λ)：经过标定已知的λ波长下的光功率；

假设在λ波长单色光下采集连续的N帧响应信号，离散的序列表示成{V_S，λ(0)，V_S，λ(1)，···V_S，λ(N-1)}，则其离散傅里叶变换F(u)由公式(2)计算：

公式(2)中，x：离散时间变量；

u：离散频率变量；

V_S，λ(x)：在λ波长单色光条件下，被测探测器采集到第x帧的响应电压信号；

i：虚数单位；

经过离散傅里叶变换后的数据，使用3阶巴特沃斯低通滤波器，将高频噪声信号去除，再将经过频域滤波的数据进行离散傅里叶逆变换，得到被测探测器对单色光的响应电压信号，按公式(1)计算被测探测器的光谱响应，3阶巴特沃斯低通滤波器如公式(3)：

公式(3)中，H(u)：3阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数；

ω_c：截止频率。

4.一种提高红外探测器光谱响应测量精度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：由第一硅碳棒和第二硅碳棒发出的光线经第一凹面镜和第二凹面镜反射，入射到单色仪的光栅分光系统中，经第一反射镜和第三凹面镜入射到光栅上，由光栅分光后得到的单色光经第四凹面镜、第二反射镜、第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜入射到被测探测器的光敏面上，并且在第一反射镜前加入频率可调的斩波器，通过周期性的遮挡光线对光线进行调制，改变某一时刻进入单色仪光路的光线数量，使光信号由大小不变的直流信号变为大小按照一定频率、一定周期变化的交流信号；步骤2：利用被测探测器进行连续采样，得到连续多帧的探测器在单色光照下的电压响应信号；

步骤3：利用离散傅里叶变换算法，将采集到的连续多帧的电压响应信号进行时域和频域的转换，通过频域滤波去除温漂、噪声因素对电压响应信号的影响，来获得仅由交流红外光入射引起的电压响应信号值；

步骤4：利用得到的电压响应信号，与已知的经过标定的光功率计算得到被测探测器的光谱响应。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算被测探测器的光谱响应，采用以下公式(1)：

公式(1)中，R(λ)：被测探测器在λ波长下的光谱响应；

V_S(λ)：被测探测器在λ波长下的响应电压信号；

P(λ)：经过标定已知的λ波长下的光功率；

假设在λ波长单色光下采集连续的N帧响应信号，离散的序列表示成{V_S，λ(0)，V_S，λ(1)，···V_S，λ(N-1)}，则其离散傅里叶变换F(u)由公式(2)计算：

公式(2)中，x：离散时间变量；

u：离散频率变量；

V_S，λ(x)：在λ波长单色光条件下，被测探测器采集到第x帧的响应电压信号；

i：虚数单位；

经过离散傅里叶变换后的数据，使用3阶巴特沃斯低通滤波器，将高频噪声信号去除，再将经过频域滤波的数据进行离散傅里叶逆变换，得到被测探测器对单色光的响应电压信号，按公式(1)计算被测探测器的光谱响应，3阶巴特沃斯低通滤波器如公式(3)：

公式(3)中，H(u)：3阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数；

ω_c：截止频率。

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