CN115824416B - 基于智能控制的二类超晶格红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于智能控制的二类超晶格红外探测器，所述探测器包括：红外探测器主体，包括N×N的长波红外焦平面阵列；辅助收发阵列，包括同步驱动单元、微控单元以及均匀分布的多个雷达测距单元；智能控制器件，在判断采集环境复杂时禁用红外探测器主体并使能其他红外探测器主体；自动成像机构，在预测的噪声等效温差NETD超限时，自动调低当前镜头光圈级数直到后续NETD未超限。通过本发明，能够基于二类超晶格红外探测器主体前方环境是否复杂来优化其开关控制策略，同时仅在智能预测到的画质达到预期后才真正执行实际的红外探测操作，从而降低了二类超晶格红外探测器的各项成本，延长了二类超晶格红外探测器的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种基于智能控制的二类超晶格红外探测器。
背景技术
自然界的光线按照波长由短到长大致可以分为 X 光、紫外线、可见光、红外线、微波等。其中红外线的波长范围在0.75μm-1000μm之间，区别于其他波长的光，红外线的发射不需要特定的发射源。自然界中所有温度高于绝对零度的物体都在无时无刻地自发地向外辐射红外线。红外线的这一特点，催生了红外探测技术发展。
用于探测物体红外辐射信号的电子元件被称为红外探测器。红外探测器的核心组成部分为探测器芯片，探测器芯片由MEMS传感器和CMOS读出电路构成。MEMS传感器用来接收物体的红外辐射并产生响应信号，CMOS读出电路芯片接收MEMS传感器的响应信号，并将其处理为可被后端成像电路识别的电信号。MEMS的材料不同，接收红外辐射后产生的响应信号也不同。常见的MEMS材料有两大类，一类是以氧化钒、非晶硅为代表的常温工作材料，另一类是以碲镉汞、锑化铟、二类超晶格为代表的低温工作材料。常温工作材料主要利用红外辐射的热效应进行工作，接收红外辐射后材料的电阻率会改变而产生电信号。低温工作材料依据光电效应工作，材料接收红外辐射后产生光生载流子而产生电信号。
作为红外探测器的一种重要类型，二类超晶格红外探测器使用的二类超晶格材料的优势体现在以下几方面：第一，二类超晶格材料的电子有效质量大，在长波范围约为碲镉汞的3倍，尤其在甚长波，随着波长增长，碲镉汞的电子有效质量变小，而Ⅱ类超晶格材料的电子有效质量却不变，由此决定了二类超晶格探测器带间隧穿电流小，器件暗电流小。第二，通过应变对能带结构的调节作用，能提高载流子有效寿命，提高器件性能。第三，基于Ⅲ-Ⅴ族材料生长方式，采用先进的MBE薄膜材料生长系统进行材料生长，衬底采用晶格匹配的GaSb衬底，能够生长大面积均匀性好的二类超晶格红外探测器材料，包括长波红外探测材料。第四，二类超晶格材料构成元素之间化学键强，材料稳定性好，对工艺的要求大大降低，器件产业化优势明显，成本可望大大低于碲镉汞红外探测器。
示例地，中国发明专利公开文本CN102569484 A提出的一种InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，所述二类超晶格红外探测器包括：一衬底；一缓冲欧姆接触层，制作在衬底上；一第一二类超晶格层，制作在缓冲欧姆接触层上，使缓冲欧姆接触层上面的两侧形成台面；一本征二类超晶格光吸收层，制作在第一二类超晶格层上；一第二二类超晶格层，制作在本征二类超晶格光吸收层上；一欧姆接触层，制作在第二二类超晶格层上；一钝化层，覆盖缓冲欧姆接触层两侧的部分台面、第一二类超晶格层、本征二类超晶格光吸收层、第二二类超晶格层和欧姆接触层的侧面，及欧姆接触层上的两侧面，覆盖欧姆接触层的该钝化层的中间有一透光口，覆盖缓冲欧姆接触层的该钝化层两侧的台面上分别有一电极窗口；一上电极，制作在透光口的两侧；一下电极，制作在电极窗口内。
示例地，中国发明专利公开文本CN114817843 A提出的一种超晶格红外探测材料的能带结构计算方法，包括如下步骤：确定所需优化的元素种类以及半导体种类；利用密度泛函计算各半导体的晶格常数，调节泛函参数或/和元素的赝势和基组，实现各半导体的晶格常数的优化，使计算出的各半导体的晶格常数满足设定要求，确定对应的泛函参数以及各元素的赝势和基组；基于以上步骤优化得到的泛函参数以及各元素的赝势、基组，计算超晶格红外探测材料的能带结构。本发明可以实现各种超晶格红外探测材料的能带结构的精确计算。
在现有技术中的这些技术方案中，二类超晶格红外探测器的工作模式较为单一，或者为保存打开状态，或者为保持关闭状态，无法根据具体的使用环境是否适合二类超晶格红外探测器的使用进行二类超晶格红外探测器的开关控制，从而导致二类超晶格红外探测器一直保持开机状态，缩短了其使用的寿命，另外，现有技术中的二类超晶格红外探测器无法预测其下一帧采集的红外探测画面的画质参数，例如噪声等效温差NETD，导致在采集的红外探测画面的画质参数未达预期时，需要放弃当前采集的红外探测画面重新进行探测参数的调整，以试图获取较佳质量的红外探测画面，显然这种参数调整模式浪费了大量的采集画面和采集成本，也容易陷入繁琐、复杂的探测参数调整循环中。
发明内容
为了解决现有技术中的技术问题，本发明提供了一种基于智能控制的二类超晶格红外探测器，一方面，通过采用定制结构的辅助收发阵列对二类超晶格红外探测器主体前方的红外探测环境进行复杂环境的鉴定，从而优化二类超晶格红外探测器的开关控制策略以降低二类超晶格红外探测器的使用率，另一方面，通过采用针对性设计的人工智能模型对下一帧要采集的红外探测画面的画质进行智能预测，并采用采集前的探测参数自动调节配置模式进行优化探测参数的解析，仅在智能预测到的画质达到预期后才真正执行实际的红外探测操作，从而降低了红外探测的各项成本。
根据本发明的第一方面，提供了一种基于智能控制的二类超晶格红外探测器，所述探测器包括：
红外探测器主体，包括N×N的长波红外焦平面阵列，所述长波红外焦平面阵列中的像元中心间距为20-30μm，像元尺寸大小为18×18μm2，所述红外探测器主体截止波长为15-20μm，N的取值在128-1024之间；
辅助收发阵列，设置在所述长波红外焦平面阵列的附近且包括同步驱动单元、微控单元以及均匀间隔设置的多个雷达测距单元，每一个雷达测距单元包括单个发送器件和单个接收器件，所述多个雷达测距单元在所述同步驱动单元的同步驱动控制下同时执行超声信号的朝向所述长波红外焦平面阵列的前方方向的发送；
复杂分析器件，与所述辅助收发阵列连接，用于获取所述多个雷达测距单元分别对应的多个接收器件各自的超声信号的接收时间，并在多个接收器件各自的超声信号的接收时间的均方差大于等于设定均方差阈值时，发出环境复杂信号，否则发出环境简单信号；
智能控制器件，分别与所述复杂分析器件以及所述红外探测器主体连接，用于在接收到所述环境复杂信号时，使能所述红外探测器主体的成像动作，还用于在接收到所述环境简单信号时，禁用所述红外探测器主体的成像动作并使能其他红外探测器主体；
数据测量机构，与所述智能控制器件连接，用于在接收到所述环境复杂信号时，执行对所述红外探测器主体的当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度的现场测量；
预测分析机构，与所述数据测量机构连接，用于基于阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度采用前馈神经网络模型智能预测在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD，所述阵列像元总数为N×N；
自动成像机构，与所述预测分析机构连接，用于在接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量时，驱动所述红外探测器主体执行红外探测成像操作，还用于在接收到的NETD大于所述设定噪声等效温差限量时，自动调低当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量。
根据本发明的第二方面，提供了一种基于智能控制的二类超晶格红外探测方法，所述方法包括使用如上述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器以基于智能控制的二类超晶格红外探测器以采用设置在二类超晶格红外探测器主体附近的定制结构的辅助收发阵列对二类超晶格红外探测器主体前方的红外探测环境进行复杂环境的鉴定，并在鉴定前方为简单环境时，采用包括量子阱红外探测器替换二类超晶格红外探测器，以及采用智能预测模型以基于预测的在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下的二类超晶格红外探测器的噪声等效温差NETD步进式调低二类超晶格红外探测器主体的当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量，从而在延长二类超晶格红外探测器使用寿命的同时采用自动参数调节模式自动获取高质量的长波红外探测画面。
由此可见，相比较于现有技术，本发明至少需要具备以下三处关键的发明构思：
（1）采用设置在二类超晶格红外探测器主体附近的定制结构的辅助收发阵列，用于对二类超晶格红外探测器主体前方的红外探测环境进行复杂环境的鉴定，并在鉴定前方为复杂环境时，使能二类超晶格红外探测器主体的红外探测操作，以及在鉴定前方为简单环境时，采用包括量子阱红外探测器主体的价格低廉以及工艺简单的其他类型红外探测器主体，从而降低二类超晶格红外探测器的开机率和使用时长，保障了二类超晶格红外探测器的使用寿命；
（2）采用针对性设计且完成多次学习操作后的前馈神经网络以基于二类超晶格红外探测器的阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度智能预测在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下二类超晶格红外探测器的噪声等效温差NETD；
（3）在智能预测的当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下的二类超晶格红外探测器的噪声等效温差NETD大于设定噪声等效温差限量时，自动调低二类超晶格红外探测器的当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量，从而采用自动参数调节模式获取高质量的长波红外探测画面，避免介入繁琐、复杂的人工调节步骤。
附图说明
以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：
图1为根据本发明的基于智能控制的二类超晶格红外探测器的技术流程图。
图2为根据本发明的实施例1示出的基于智能控制的二类超晶格红外探测器的结构示意图。
图3为根据本发明的实施例2示出的基于智能控制的二类超晶格红外探测器的结构示意图。
图4为根据本发明的实施例3示出的基于智能控制的二类超晶格红外探测器的结构示意图。
图5为根据本发明的实施例4示出的基于智能控制的二类超晶格红外探测器的结构示意图。
图6为根据本发明的实施例5示出的基于智能控制的二类超晶格红外探测器的结构示意图。
图7为根据本发明的实施例6示出的基于智能控制的二类超晶格红外探测方法的步骤流程图。
具体实施方式
如图1所示，给出了根据本发明示出的基于智能控制的二类超晶格红外探测器的技术流程图。
在图1中，本发明的具体的技术流程可以拆分成以下几个主要步骤：
第一步，在二类超晶格红外探测器内部增加基于雷达测距的辅助收发阵列，所述辅助收发阵列包括均匀间隔设置的多个雷达测距单元，用于面对前方环境进行同步测距，并基于接收到的雷达信号的多个时间的数值偏离程度，判断前方环境是否为复杂环境；
示例地，二类超晶格红外探测器作为长波探测器时能抗沙尘和反光干扰，适用于复杂背景下的目标探测，如沙尘中的车辆、水面的船舶、反光的云层和飞机等场景，而在其他较为简单的背景，可以采用价格比较低廉、工艺相对简单的其他红外探测器，例如量子阱红外探测器，来替换二类超晶格红外探测器执行红外探测成像操作，从而尽可能减少二类超晶格红外探测器的开机成像次数，有效延长二类超晶格红外探测器的使用寿命；
第二步，在判断二类超晶格红外探测器前方环境为复杂环境时，启用二类超晶格红外探测器的红外探测成像功能，否则，启用其他成本较低的红外探测器的红外探测成像功能；
第三步，采用针对性设计的人工智能模型以基于二类超晶格红外探测器的各项固定参数和各项可控参数预测当前可控参数下进行红外探测成像获得的成像画面质量；
示例地，预测获得的用于表述成像画面质量的参数为噪声等效温差NETD，其中，NETD的具体数值越小，灵敏度越高，红外成像图像越清晰；
第四步，在预测的当前可控参数下进行红外探测成像获得的成像画面质量未达预期时，自动进行可控参数数值的调整，并继续执行后续预测操作，直到预测获得的成像画面质量达到预期；
示例地，可以通过自动调低二类超晶格红外探测器的当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量；
具体地，通过自动调低二类超晶格红外探测器的当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量包括：基于步进式调低模式自动调低二类超晶格红外探测器的当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量；
由此可见，通过复杂环境检测结果以及成像画面质量的预测结果，完成对二类超晶格红外探测器的成像功能的开关控制以及成像功能的自动化参数调节控制，从而在保证二类超晶格红外探测器成像性能的同时，延长了二类超晶格红外探测器的使用寿命。
本发明的关键点在于：能够基于二类超晶格红外探测器主体前方环境是否复杂来优化其开关控制策略，同时仅在智能预测到的画质达到预期后才真正执行实际的红外探测操作。
下面，将对本发明的基于智能控制的二类超晶格红外探测器以实施例的方式进行具体说明。
实施例1
图2为根据本发明的实施例1示出的基于智能控制的二类超晶格红外探测器的结构示意图。
如图2所示，所述基于智能控制的二类超晶格红外探测器包括以下部件：
红外探测器主体，包括N×N的长波红外焦平面阵列，所述长波红外焦平面阵列中的像元中心间距为20-30μm，像元尺寸大小为18×18μm2，所述红外探测器主体截止波长为15-20μm，N的取值在128-1024之间；
示例地，当N取值为1024时，所述红外探测器主体包括1024×1024的长波红外焦平面阵列，所述红外探测器的像元总数为1024×1024，即1048576个；
辅助收发阵列，设置在所述长波红外焦平面阵列的附近且包括同步驱动单元、微控单元以及均匀间隔设置的多个雷达测距单元，每一个雷达测距单元包括单个发送器件和单个接收器件，所述多个雷达测距单元在所述同步驱动单元的同步驱动控制下同时执行超声信号的朝向所述长波红外焦平面阵列的前方方向的发送；
复杂分析器件，与所述辅助收发阵列连接，用于获取所述多个雷达测距单元分别对应的多个接收器件各自的超声信号的接收时间，并在多个接收器件各自的超声信号的接收时间的均方差大于等于设定均方差阈值时，发出环境复杂信号，否则发出环境简单信号；
示例地，通过均匀间隔设置多个雷达测距单元以及基于多个雷达测距单元接收反射雷达信号的时间差异程度，判断前方环境是否复杂；
具体地，多个雷达测距单元接收到的反射雷达信号的时间差异程度越大，说明前方环境存在的目标越多或者目标越为复杂，因此可以判断前方环境为越为复杂；
智能控制器件，分别与所述复杂分析器件以及所述红外探测器主体连接，用于在接收到所述环境复杂信号时，使能所述红外探测器主体的成像动作，还用于在接收到所述环境简单信号时，禁用所述红外探测器主体的成像动作并使能其他红外探测器主体；
数据测量机构，与所述智能控制器件连接，用于在接收到所述环境复杂信号时，执行对所述红外探测器主体的当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度的现场测量；
其中，通过对数据测量机构基于是否复杂环境的使能控制，能够尽可能减少系统能耗，避免陷入过多的无效运算；
预测分析机构，与所述数据测量机构连接，用于基于阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度采用前馈神经网络模型智能预测在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD，所述阵列像元总数为N×N；
自动成像机构，与所述预测分析机构连接，用于在接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量时，驱动所述红外探测器主体执行红外探测成像操作，还用于在接收到的NETD大于所述设定噪声等效温差限量时，自动调低当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量；
其中，基于阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度采用前馈神经网络模型智能预测在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD包括：将阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度作为所述前馈神经网络模型各项输入数据；
示例地，可以将阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度分别二值化处理后再输入到所述前馈神经网络模型；
其中，基于阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度采用前馈神经网络模型智能预测在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD还包括：将在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD作为所述前馈神经网络模型单项输出数据；
示例地，所述前馈神经网络模型输出的在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD为二进制表示模式。
实施例2
图3为根据本发明的实施例2示出的基于智能控制的二类超晶格红外探测器的结构示意图。
如图3所示，相比较于本发明的实施例1，所述基于智能控制的二类超晶格红外探测器还包括：
网络学习机构，与所述预测分析机构连接，用于采用多份学习数据对前馈神经网络分别执行多次学习操作，以获得完成多次学习操作后的前馈神经网络；
示例地，可以采用数值仿真模式完成采用多份学习数据对前馈神经网络分别执行的多次学习操作，以获得完成多次学习操作后的前馈神经网络；
其中，所述网络学习机构还用于将完成多次学习操作后的前馈神经网络作为前馈神经网络模型发送给所述预测分析机构使用。
实施例3
图4为根据本发明的实施例3示出的基于智能控制的二类超晶格红外探测器的结构示意图。
如图4所示，相比较于本发明的实施例2，所述基于智能控制的二类超晶格红外探测器还包括：
内容存储机构，与所述网络学习机构连接，用于存储完成多次学习操作后的前馈神经网络；
示例地，可以采用动态存储机构、FLASH闪存或者MMC存储机构用于存储完成多次学习操作后的前馈神经网络；
以及示例地，可以通过存储完成多次学习操作后的前馈神经网络的各项网络参数实现对完成多次学习操作后的前馈神经网络的存储。
实施例4
图5为根据本发明的实施例4示出的基于智能控制的二类超晶格红外探测器的结构示意图。
如图5所示，相比较于本发明的实施例1，所述基于智能控制的二类超晶格红外探测器还包括：
液晶显示屏幕，与所述预测分析机构连接，用于接收并实时显示在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD；
示例地，所述液晶显示屏幕还与所述复杂分析器件连接，用于接收并显示所述环境复杂信号或者所述环境简单信号对应的文字信息。
实施例5
图6为根据本发明的实施例5示出的基于智能控制的二类超晶格红外探测器的结构示意图。
如图6所示，相比较于本发明的实施例1，所述基于智能控制的二类超晶格红外探测器还包括：
无线通讯接口，与所述预测分析机构连接，用于在接收到在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD时，将所述NETD无线发送到远端的监控服务器处；
示例地，所述无线通讯接口还与所述复杂分析器件连接，用于接收并无线发送所述环境复杂信号或者所述环境简单信号。
接着，将继续对本发明的基于智能控制的二类超晶格红外探测器进行进一步的说明。
在根据上述任一实施例所述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器中：
过往某次红外探测成像操作对应的当前偏压的取值范围在0 到-500mV之间；
其中，过往某次红外探测成像操作对应的当前环境温度的取值范围在0到100K之间；
其中，所述数据测量机构还用于在接收到所述环境简单信号时，暂停执行对所述红外探测器主体的当前偏压以及当前环境温度的现场测量。
在根据上述任一实施例所述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器中：
在接收到的NETD大于所述设定噪声等效温差限量时，自动调低当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量包括：采用步进式级数调节模式对当前镜头光圈级数进行步进式调节直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量；
其中，在接收到的NETD大于所述设定噪声等效温差限量时，自动调低当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量还包括：每一次自动调低当前镜头光圈级数一级以获得调节后的镜头光圈级数，并将调节后的镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度发送给所述预测分析机构以继续执行智能预测处理，以获得在调节后的镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD并发送给所述自动成像机构。
以及在根据上述任一实施例所述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器中：
所述多个雷达测距单元在所述同步驱动单元的同步驱动控制下同时执行超声信号的朝向所述长波红外焦平面阵列的前方方向的发送包括：所述多个雷达测距单元分别对应的多个发送器件在所述同步驱动单元的同步驱动控制下同时执行超声信号的朝向所述长波红外焦平面阵列的前方方向的发送；
其中，所述多个雷达测距单元在所述同步驱动单元的同步驱动控制下同时执行超声信号的朝向所述长波红外焦平面阵列的前方方向的发送还包括：所述多个雷达测距单元结构相同；
示例地，所述多个雷达测距单元结构相同指的是所述多个雷达测距单元型号相同；
具体地，所述多个雷达测距单元结构相同指的是，多个雷达测距单元中的单个发送器件结构相同，以及多个雷达测距单元中的单个接收器件结构相同；
其中，所述微控单元分别与所述多个雷达测距单元以及所述同步驱动单元连接，用于实现对所述多个雷达测距单元以及所述同步驱动单元的工作参数的现场配置；
其中，在接收到所述环境简单信号时，禁用所述红外探测器主体的成像动作并使能其他红外探测器主体包括：所述其他红外探测器主体为量子阱红外探测器主体；
具体地，量子阱红外探测器的名称来源于其构成材料在能带结构上构成的电子或空穴势阱，外来光子引起的电子或空穴跃迁属于子带间跃迁，在外加电场的作用下载流子被收集形成光电流。目前已经获得稳定生产并广泛应用的量子阱红外探测器主要是GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器。构成元素Ga、As与Al、As之间是共价键结合，互作用力大，材料牢固稳定，可耐受天基高能离子辐射，适于制备天基红外探测器。通过改变材料组分、厚度可方便地调节势阱内的能级位置，器件响应波长从中波3μm到甚长波30μm连续可调，按照理论计算，量子阱探测器能够响应长至200多微米的太赫兹波段。
实施例6
在本实施例中，本发明搭建了一种基于智能控制的二类超晶格红外探测方法，所述方法包括使用如上述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器以采用设置在二类超晶格红外探测器主体附近的定制结构的辅助收发阵列对二类超晶格红外探测器主体前方的红外探测环境进行复杂环境的鉴定，并在鉴定前方为简单环境时，采用包括量子阱红外探测器的价格低廉以及工艺简单的其他类型红外探测器替换二类超晶格红外探测器，以及采用智能预测模型以基于预测的在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下的二类超晶格红外探测器的噪声等效温差NETD步进式调低二类超晶格红外探测器主体的当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量，从而在延长二类超晶格红外探测器使用寿命的同时采用自动参数调节模式自动获取高质量的长波红外探测画面；
具体地，如图7所示，所述基于智能控制的二类超晶格红外探测方法可以包括以下步骤：
步骤S71：使用红外探测器主体，包括N×N的长波红外焦平面阵列，所述长波红外焦平面阵列中的像元中心间距为20-30μm，像元尺寸大小为18×18μm2，所述红外探测器主体截止波长为15-20μm，N的取值在128-1024之间；
示例地，当N取值为1024时，所述红外探测器主体包括1024×1024的长波红外焦平面阵列，所述红外探测器的像元总数为1024×1024，即1048576个；
步骤S72：使用辅助收发阵列，设置在所述长波红外焦平面阵列的附近且包括同步驱动单元、微控单元以及均匀间隔设置的多个雷达测距单元，每一个雷达测距单元包括单个发送器件和单个接收器件，所述多个雷达测距单元在所述同步驱动单元的同步驱动控制下同时执行超声信号的朝向所述长波红外焦平面阵列的前方方向的发送；
步骤S73：使用复杂分析器件，与所述辅助收发阵列连接，用于获取所述多个雷达测距单元分别对应的多个接收器件各自的超声信号的接收时间，并在多个接收器件各自的超声信号的接收时间的均方差大于等于设定均方差阈值时，发出环境复杂信号，否则发出环境简单信号；
示例地，通过均匀间隔设置多个雷达测距单元以及基于多个雷达测距单元接收反射雷达信号的时间差异程度，判断前方环境是否复杂；
具体地，多个雷达测距单元接收到的反射雷达信号的时间差异程度越大，说明前方环境存在的目标越多或者目标越为复杂，因此可以判断前方环境为越为复杂；
步骤S74：使用智能控制器件，分别与所述复杂分析器件以及所述红外探测器主体连接，用于在接收到所述环境复杂信号时，使能所述红外探测器主体的成像动作，还用于在接收到所述环境简单信号时，禁用所述红外探测器主体的成像动作并使能其他红外探测器主体；
步骤S75：使用数据测量机构，与所述智能控制器件连接，用于在接收到所述环境复杂信号时，执行对所述红外探测器主体的当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度的现场测量；
其中，通过对数据测量机构基于是否复杂环境的使能控制，能够尽可能减少系统能耗，避免陷入过多的无效运算；
步骤S76：使用预测分析机构，与所述数据测量机构连接，用于基于阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度采用前馈神经网络模型智能预测在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD，所述阵列像元总数为N×N；
步骤S77：使用自动成像机构，与所述预测分析机构连接，用于在接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量时，驱动所述红外探测器主体执行红外探测成像操作，还用于在接收到的NETD大于所述设定噪声等效温差限量时，自动调低当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量；
其中，基于阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度采用前馈神经网络模型智能预测在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD包括：将阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度作为所述前馈神经网络模型各项输入数据；
示例地，可以将阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度分别二值化处理后再输入到所述前馈神经网络模型；
其中，基于阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度采用前馈神经网络模型智能预测在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD还包括：将在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD作为所述前馈神经网络模型单项输出数据；
示例地，所述前馈神经网络模型输出的在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD为二进制表示模式。
另外，在本发明中，更具体地，采用多份学习数据对前馈神经网络分别执行多次学习操作，以获得完成多次学习操作后的前馈神经网络包括：采用阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、过往某次红外探测成像操作对应的镜头光圈级数、过往某次红外探测成像操作对应的当前偏压以及过往某次红外探测成像操作对应的当前环境温度作为所述前馈神经网络的输入数据，将已知的过往某次红外探测成像操作对应的红外探测画面的噪声等效温差作为所述前馈神经网络的输出数据，以完成对前馈神经网络的单次学习操作；
以及在本发明中，更具体地，采用多份学习数据对前馈神经网络分别执行多次学习操作，以获得完成多次学习操作后的前馈神经网络还包括：对前馈神经网络执行的多次学习操作的次数与所述阵列像元总数单调正向关联。
示例地，对前馈神经网络执行的多次学习操作的次数与所述阵列像元总数单调正向关联包括：
所述阵列像元总数为1024×1024时，对前馈神经网络执行的多次学习操作的次数为500次；
所述阵列像元总数为512×512时，对前馈神经网络执行的多次学习操作的次数为400次；
所述阵列像元总数为256×256时，对前馈神经网络执行的多次学习操作的次数为300次；
以及所述阵列像元总数为128×128时，对前馈神经网络执行的多次学习操作的次数为200次。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置/电子设备/计算机可读存储介质/计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于智能控制的二类超晶格红外探测器，其特征在于，所述探测器包括：
红外探测器主体，包括N×N的长波红外焦平面阵列，所述长波红外焦平面阵列中的像元中心间距为20-30μm，像元尺寸大小为18×18μm2，所述红外探测器主体截止波长为15-20μm，N的取值在128-1024之间；
辅助收发阵列，设置在所述长波红外焦平面阵列的附近且包括同步驱动单元、微控单元以及均匀间隔设置的多个雷达测距单元，每一个雷达测距单元包括单个发送器件和单个接收器件，所述多个雷达测距单元在所述同步驱动单元的同步驱动控制下同时执行超声信号的朝向所述长波红外焦平面阵列的前方方向的发送；
复杂分析器件，与所述辅助收发阵列连接，用于获取所述多个雷达测距单元分别对应的多个接收器件各自的超声信号的接收时间，并在多个接收器件各自的超声信号的接收时间的均方差大于等于设定均方差阈值时，发出环境复杂信号，否则发出环境简单信号；
智能控制器件，分别与所述复杂分析器件以及所述红外探测器主体连接，用于在接收到所述环境复杂信号时，使能所述红外探测器主体的成像动作，还用于在接收到所述环境简单信号时，禁用所述红外探测器主体的成像动作并使能其他红外探测器主体；
数据测量机构，与所述智能控制器件连接，用于在接收到所述环境复杂信号时，执行对所述红外探测器主体的当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度的现场测量；
预测分析机构，与所述数据测量机构连接，用于基于阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度采用前馈神经网络模型智能预测在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD，所述阵列像元总数为N×N；
自动成像机构，与所述预测分析机构连接，用于在接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量时，驱动所述红外探测器主体执行红外探测成像操作，还用于在接收到的NETD大于所述设定噪声等效温差限量时，自动调低当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量。
2.如权利要求1所述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器，其特征在于，所述探测器还包括：
基于阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度采用前馈神经网络模型智能预测在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD包括：将阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度作为所述前馈神经网络模型各项输入数据；
其中，基于阵列像元总数、像元中心间距、截止波长、当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度采用前馈神经网络模型智能预测在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD还包括：将在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD作为所述前馈神经网络模型单项输出数据。
3.如权利要求2所述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器，其特征在于，所述探测器还包括：
网络学习机构，与所述预测分析机构连接，用于采用多份学习数据对前馈神经网络分别执行多次学习操作，以获得完成多次学习操作后的前馈神经网络；
其中，所述网络学习机构还用于将完成多次学习操作后的前馈神经网络作为前馈神经网络模型发送给所述预测分析机构使用。
4.如权利要求3所述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器，其特征在于，所述探测器还包括：
内容存储机构，与所述网络学习机构连接，用于存储完成多次学习操作后的前馈神经网络。
5.如权利要求2所述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器，其特征在于，所述探测器还包括：
液晶显示屏幕，与所述预测分析机构连接，用于接收并实时显示在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD。
6.如权利要求2所述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器，其特征在于，所述探测器还包括：
无线通讯接口，与所述预测分析机构连接，用于在接收到在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD时，将所述噪声等效温差NETD无线发送到远端的监控服务器处。
7.如权利要求2-6任一所述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器，其特征在于：
过往某次红外探测成像操作对应的当前偏压的取值范围在0 到-500mV之间；
其中，过往某次红外探测成像操作对应的当前环境温度的取值范围在0到100K之间；
其中，所述数据测量机构还用于在接收到所述环境简单信号时，暂停执行对所述红外探测器主体的当前偏压以及当前环境温度的现场测量。
8.如权利要求2-6任一所述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器，其特征在于：
在接收到的NETD大于所述设定噪声等效温差限量时，自动调低当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量包括：采用步进式级数调节模式对当前镜头光圈级数进行步进式调节直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量；
其中，在接收到的NETD大于所述设定噪声等效温差限量时，自动调低当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量还包括：每一次自动调低当前镜头光圈级数一级以获得调节后的镜头光圈级数，并将调节后的镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度发送给所述预测分析机构以继续执行智能预测处理，以获得在调节后的镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下所述红外探测器主体的噪声等效温差NETD并发送给所述自动成像机构。
9.如权利要求2-6任一所述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器，其特征在于：
所述多个雷达测距单元在所述同步驱动单元的同步驱动控制下同时执行超声信号的朝向所述长波红外焦平面阵列的前方方向的发送包括：所述多个雷达测距单元分别对应的多个发送器件在所述同步驱动单元的同步驱动控制下同时执行超声信号的朝向所述长波红外焦平面阵列的前方方向的发送；
其中，所述多个雷达测距单元在所述同步驱动单元的同步驱动控制下同时执行超声信号的朝向所述长波红外焦平面阵列的前方方向的发送还包括：所述多个雷达测距单元结构相同；
其中，所述微控单元分别与所述多个雷达测距单元以及所述同步驱动单元连接，用于实现对所述多个雷达测距单元以及所述同步驱动单元的工作参数的现场配置；
其中，在接收到所述环境简单信号时，禁用所述红外探测器主体的成像动作并使能其他红外探测器主体包括：所述其他红外探测器主体为量子阱红外探测器主体。
10.一种基于智能控制的二类超晶格红外探测方法，所述方法包括使用如权利要求1-9任一所述的基于智能控制的二类超晶格红外探测器以采用设置在二类超晶格红外探测器主体附近的定制结构的辅助收发阵列对二类超晶格红外探测器主体前方的红外探测环境进行复杂环境的鉴定，并在鉴定前方为简单环境时，采用包括量子阱红外探测器替换二类超晶格红外探测器，以及采用智能预测模型以基于预测的在当前镜头光圈级数、当前偏压以及当前环境温度下的二类超晶格红外探测器的噪声等效温差NETD步进式调低二类超晶格红外探测器主体的当前镜头光圈级数直到接收到的NETD小于等于设定噪声等效温差限量，从而在延长二类超晶格红外探测器使用寿命的同时采用自动参数调节模式自动获取高质量的长波红外探测画面。
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- 2023-02-14 CN CN202310107912.8A patent/CN115824416B/zh active Active
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