CN211234729U - 数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置。数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置，包括：高温腔式黑体、光学斩波器、光栅单色仪、数字探测器、驱动板、锁相放大器、测控计算机、测控软件及单元热释电探测器；Cameralink采集卡，所述Cameralink采集卡设于所述测控计算机上。本实用新型提供的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置具有结构简单、抗干扰能力强、测试准确可靠的特点。

Description

数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置

技术领域

本实用新型涉及探测器技术领域，尤其涉及一种数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置。

背景技术

近年来，红外焦平面探测器在军事及民用领域得到了普遍的发展及应用，其信号输出方式主要采用模拟图像信号进行传输，为了进一步改善提升图像信号在传输环节的信噪比，同时也可降低后级电子系统的复杂度，采用在模拟红外探测器基础上集成列级模数转换模块，直接串行输出数字红外图像信号的数字化焦平面探测器完成研制。然而，目前国内仍没有成熟的数字化红外焦平面探测器相对光谱响应曲线测试设备。

因此，有必要提供一种数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置解决上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是提供一种结构简单、抗干扰能力强、测试准确可靠的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置，包括：高温腔式黑体、光学斩波器、光栅单色仪、数字探测器、驱动板、锁相放大器、测控计算机、测控软件及单元热释电探测器；Cameralink采集卡，所述Cameralink采集卡设于所述测控计算机上；所述数字探测器为MCT中波640×512的数字探测器，所述数字探测器用于输出的图像信号；所述Cameralink采集卡为PCIE-1433图像采集卡通过所述测控软件实时高速地对数字探测器输出的图像信号进行采集显示，并将光谱数据进行采集保存；所述测控软件为LabVIEW控制软件；所述驱动板为阵列探测器驱动板，所述驱动板用于为所述数字探测器提供合适的工作电压及时钟波形和把探测器输出的数字信号转换成Cameralink总线协议信号传输到所述测控计算机上。

本实用新型提供的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置，还包括调节架，所述调节架包括：底座和所述光栅单色仪、所述单元热释电探测器，两个升降机构，两个所述升降机构包括安装管、滑块、第一丝杆、固定座和锁止螺母，所述安装管固定安装在所述底座的顶部，所述滑块滑动安装在所述安装管内，所述第一丝杆固定安装在所述滑块的顶部，所述第一丝杆的顶端延伸至所述安装管的上方，所述固定座固定安装在所述第一丝杆的顶端，所述锁止螺母螺纹安装在所述第一丝杆上；调平机构，所述调平机构设于所述底座上。

优选的，所述调平机构包括两个水平起泡、四个第二丝杆和四个调节旋钮，两个所述水平起泡对称安装在所述底座的顶部，四个所述第二丝杆均螺纹安装在所述底座的底部，四个所述第二丝杆呈矩形阵列分布，四个所述调节旋钮分别固定安装在相应的第二丝杆的底端。

优选的，所述底座的顶部对称安装有两个标尺杆，两个所述标尺杆贯穿相应的固定座并与固定座滑动连接，两个所述标尺杆上均设有刻度线。

与相关技术相比较，本实用新型提供的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置具有如下有益效果：

本实用新型提供一种数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置，采用LabVIEW软件，基于单色分光仪原理，采用Cameralink总线图像数据传输方案，实现了数字化红外焦平面探测器光谱响应曲线的测试功能，该测试系统集信息采集、处理、存储、输出功能于一体，解决了传统光谱测试设备不能对数字化红外探测器进行测试的问题，经验证，测试系统具有测量准确、方便，灵敏度较高，响应时间快速，光谱分辨率高的优点，同时，操作简单，测试结果可以实时从显示窗口读出或由打印设备输出，测试系统的研制成功，弥补了数字化红外焦平面探测器光谱测试的空白，节省了购入设备带来的经费支出，也使系统的后期维护更加便捷。

本实用新型提供的调节架对光栅单色仪3和单元热释电探测器 10均具有调节功能，能够使光栅单色仪3的发射口与单元热释电探测器10的接收窗保持同一水平，使得发射的精度更高，更有利测试结果的正确性。

附图说明

图1为本实用新型提供的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置原理图；

图2为本实用新型提供的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置测试系统软件流程图；

图3为本实用新型提供的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置光栅单色仪出口光源辐射光谱曲线图；

图4为本实用新型提供的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置未除能量分布曲线的数字化红外焦平面探测器光谱响应曲线图；

图5为本实用新型提供的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置数字化红外焦平面探测器光谱响应曲线图；

图6为本实用新型提供的调节架的剖视结构示意图。

图中标号：1、高温腔式黑体，2、光学斩波器，3、光栅单色仪， 4、数字探测器，5、驱动板，6、测控计算机，7、Cameralink采集卡， 8、测控软件，9、锁相放大器，10、单元热释电探测器，11、底座， 12、安装管，13、滑块，14、第一丝杆，15、固定座，16、锁止螺母， 17、刻度线，18、标尺杆，19、水平起泡，20、第二丝杆，21、调节旋钮。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步说明。

请结合参阅图1-5，在本实用新型的实施例中，数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置包括：高温腔式黑体1、光学斩波器2、光栅单色仪3、数字探测器4、驱动板5、锁相放大器9、测控计算机 6、测控软件8及单元热释电探测器10；Cameralink采集卡7，所述Cameralink采集卡7设于所述测控计算机6上。

所述数字探测器4为MCT中波640×512的数字探测器，所述数字探测器4用于输出的图像信号。

所述Cameralink采集卡7为PCIE-1433图像采集卡通过所述测控软件实时高速地对数字探测器输出的图像信号进行采集显示，并将光谱数据进行采集保存。

所述测控软件8为LabVIEW控制软件。

所述驱动板5为阵列探测器驱动板，所述驱动板5用于为所述数字探测器4提供合适的工作电压及时钟波形和把探测器输出的数字信号转换成Cameralink总线协议信号传输到所述测控计算机6上。

在本测试装置中，利用单元热释电探测器10能对较宽范围的红外光谱进行接收与测试的特点，使之对高温腔式黑体1辐射源背景辐射能量的测试具有理想的可操作特性和现实意义，在对最终的测试结果进行归一化处理时，能有效地排除测试结果中与有用信息无关的一切干扰，使测试结果更加准确。测试开始前，先把单元热释探测器 10的光学窗口对准光栅单色仪3的出射口，在测控软件8界面设置将要进行测试的光谱波长范围、波长步进间隔等参数。

启动自动测试程序，测控计算机通过RS232串口，对光栅单色仪3进行逐个波长设定，并在每个波长设定下，通过RS232串口从锁相放大器9读回电压信号，而锁相放大器9事先应该接入光学斩波器2，把光学斩波器2反馈回来的光学调制频率作为外部参考信号。

待测试探测器选用MCT中波640×512的数字探测器，其列级模数转换模块(ADC)分辨率为14bit，像素时钟大于40MHz，帧频大于100Hz。通过驱动板5为探测器提供合适的工作电压及时钟波形，并通过驱动板5上的FPGA可编程芯片及Cameralink接口芯片把探测器输出的数字信号转换成Cameralink总线协议信号传输到测控计算机上，Cameralink总线是专门为数字像机的数据传输提出的标准接口，采用低压差分信号(LVDS)传输技术，具有抗干扰能力强、数据传输速度快的特点，其数据传输速率最高可达2.38Gbps。

本装置中的计算机安装了PCIE-1433图像采集卡，通过LabVIEW 软件开发的测控系统软件，能实时高速地对数字探测器输出的图像信号进行采集显示，并将光谱数据进行采集保存。

测控软件为LabVIEW控制软件，该软件具有以下3个特点：1、软件提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件，可用来方便地创建用户界面根据测试需要设置了采样模式选择、测试区域(行、列数)选择、积分时间设定等控件以及实时灰度值与电压值的显示模块，在图像显示区还可以进行实时图像的查看和缩放，使探测器的现场测试、分析更加便捷、直观；2、使用图形化编辑语言结构编写程序，产生的程序以框图的形式表示，通过各种流程图或框图代替复杂的编程语言，使编程人员能够方便地建立虚拟仪器，使软件开发面向最终的用户端，实现测试系统时可以大大提高工作效率；3、能高效直观地进行系统软件的设计，同时该软件包含了常用的设备通信控制的标准库函数，这样也就排除了仪器的硬件差异，编程人员能方便地实现不同类型设备的通信控制。

本装置利用VISA通用串口标准函数实现对光栅单色仪3及锁相放大器9的通信控制，通过使用CameraFileGenerator软件生成相机参数配制文件，在MAX软件向导中把图像采集卡通道加载到该相机文件后，就可以检测到该数字探测器输出的图像信号。

本装置在进行单元热释电探测器10光谱曲线测试时，按照实际测试光谱范围的需要可以对光栅单色仪3进行单点波长的设定，当查询到光栅单色仪3波长设置成功后，开始等待锁相测试数值稳定，自动采集每个波长点下单元热释电探测器10对应的响应电压，最后绘制成光谱响应曲线。

本装置采用NI-IMAQ通用图像采集驱动函数对图像采集卡进行控制，并采用Vision视觉开发模块对图像数据进行处理显示，在光谱测试过程中，可以通过调整单色光成像到探测器上的图像大小及强度确定测试区域，并通过软件图像任意开窗功能进行指定像素坐标位置的数字化红外焦平面探测器光谱测试。

光谱响应曲线的计算方法：

光子探测器光谱响应曲线是指：光子探测器在等能量的不同波长光子辐照下响应率随波长的变化情况。本装置中使用的高温腔式黑体 1光源辐亮度满足普朗克公式，其辐射亮度随波长而改变；同时，高温腔式黑体1辐射通过光栅衍射光栅单色仪3后，光栅衍射效率曲线也是波长的函数，这样光栅单色仪3出口的单色光能量分布情况受多个因素影响决定。为获得准确的各波长单色光能量分布曲线，使用一个标准的单元热释电探测器来检测光栅单色仪3出口的单色光能量相对分布，由于热释电探测器吸收红外辐射后产生温度变化，然后伴随晶轴方向产生电压变化，该探测器是一种对所有波长辐射都具备相同响应率的无选择性探测器，所以使用热探测器在光谱区间测试得到的电压信号变化情况就直接反映了本系统单色光源的能量大小相对分布，这样把各单色光下光子探测器的测试电压信号与热探测器的电压信号相除，就得到了相同能量下光子探测器相对响应率随波长变化情况，通常将最大响应率波长点归一化处理，就得到相对光谱响应曲线。

定义Vdet(λ)为待测探测器在单点波长下的输出电压，R(λ)为探测器在各波长下的响应率，P(λ)为探测器在各波长下的响应高温腔式黑体1辐射能量曲线，T(λ)为光栅的衍射效率曲线，得到：

Vdet(λ)＝R(λ)P(λ)T(λ) (1)

单元热释电探测器对入射光子是无选择性吸收的，在较宽的红外光谱范围内，其响应率基本为一个常数k,因此，热探测器的输出电压信号V_pyro与各相关量的关系如下式：

Vpyro(λ)＝kP(λ)T(λ) (2)

将光子探测器测试电压除以单元热探测器电压后，并最终进行最大值归一化后就可以得到光子探测器的相对光谱响应曲线，见下式：

R(λ)＝V_det(λ)/kV_pyro(λ) (3)

探测器光谱测试：

光栅单色仪3出口光源辐射谱测试，安装连接标准的单元热释电探测器10，采用高温腔式黑体1作为光源，温度设置为1000℃，光栅单色仪3切换到1.1～6μm光栅，出口狭缝设置宽度为2mm，光学斩波器2工作在20Hz的调制频率下，将调制频率连接到锁相放大器9作为参考信号。软件界面设置光谱扫描范围为1100～6000nm，单次步进为50nm，启动系统后测试得到单元热探测器不同波长下输出的电压值曲线(如图3所示)，该曲线代表了公式(2)所描述高温腔式黑体1辐射光谱与光栅衍射效率曲线共同作用的结果，表征了本系统一定光谱区间内各单色光源的相对能量分布关系。

数字化红外焦平面探测器光谱测试：

对于光学窗口上安装了带通滤光片的阵列探测器，其二维阵列空间各像素光谱响应主要由带通滤光片决定，测试时各个区域具有高度一致性，可以选择中间区域进行测试；对于只安装高通滤光片的长波阵列探测器而言，其后截止波长主要由探测器材料带隙决定，在空间上会表现出一定的分布差异，这样就需要对整个阵列探测器上下、左右、中间等区域进行多次测试平均，平均后的结果才能代表整个阵列的光谱响应范围。

待测数字化红外焦平面探测器为MCT中波640×512焦平面探测器，内部装载了3.7～4.8μm的带通滤光片，测试对光时，设定光栅单色仪3波长为4.0μm，光栅单色仪3射出的光斑通过滤光片照射到探测器表面，并在图像显示区域显示一个明亮的光斑。系统软件可以设定图像上任意矩形区域内的像素作为测试对象，在启动测试系统后，通过软件控制光栅单色仪3上的挡光板是否遮挡光栅单色仪3 的入口光源，记录探测器在遮光状态下的图像数据即背景灰度数值，之后用每个波长下的图像数值减去遮光状态下的背景数字，该差值即灰度差作为光强信号进行后续运算。从测试数据看，该灰度差最大可以接近2000，因此该系统具有理想的信号强度，能确保信号采集的准确性。测试完毕后直接得到的探测器原始数据曲线为图4，该曲线未除去单色光能量分布带来的影响，是器件光谱响应率与能量分布共同作用的结果，之后系统自动将测试数据存储到文本文件中，使用 Excel文档软件记录下测试过程中的原始数据，如表1所示：

表1测试过程中的原始数据Tablel Initial data in test

将阵列器件原始光谱数据除去单色光能量分布曲线并将最大值归一，最终得到数字化红外焦平面探测器的归一化光谱响应曲线如图5所示。从该测试结果可以看出在前后半峰宽的位置对应波长分别为 3.66m及4.82μm由于探测器光学窗前安装了带通滤光片，器件最终的光谱响应范围主要由该滤光片通带区间决定最终的测试结果与滤光片标称值一致。

与相关技术相比较，本实用新型提供的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置具有如下有益效果：

采用LabVIEW软件，基于单色分光仪原理，采用Cameralink总线图像数据传输方案，实现了数字化红外焦平面探测器光谱响应曲线的测试功能，该测试系统集信息采集、处理、存储、输出功能于一体，解决了传统光谱测试设备不能对数字化红外探测器进行测试的问题，经验证，测试系统具有测量准确、方便，灵敏度较高，响应时间快速，光谱分辨率高的优点，同时，操作简单，测试结果可以实时从显示窗口读出或由打印设备输出，测试系统的研制成功，弥补了数字化红外焦平面探测器光谱测试的空白，节省了购入设备带来的经费支出，也使系统的后期维护更加便捷。

另外，本实用新型还提供了一种调节架。

请结合参阅图6，本实用新型提供的调节架，包括：底座11和所述光栅单色仪3、所述单元热释电探测器10，两个升降机构，两个所述升降机构包括安装管12、滑块13、第一丝杆14、固定座15和锁止螺母16，所述安装管12固定安装在所述底座11的顶部，所述滑块13滑动安装在所述安装管12内，所述第一丝杆14固定安装在所述滑块13的顶部，所述第一丝杆14的顶端延伸至所述安装管12 的上方，所述固定座15固定安装在所述第一丝杆14的顶端，所述锁止螺母16螺纹安装在所述第一丝杆14上；调平机构，所述调平机构设于所述底座11上。

所述调平机构包括两个水平起泡19、四个第二丝杆20和四个调节旋钮21，两个所述水平起泡对称安装在所述底座11的顶部，四个所述第二丝杆20均螺纹安装在所述底座11的底部，四个所述第二丝杆20呈矩形阵列分布，四个所述调节旋钮21分别固定安装在相应的第二丝杆20的底端。

所述底座11的顶部对称安装有两个标尺杆18，两个所述标尺杆 18贯穿相应的固定座15并与固定座15滑动连接，两个所述标尺杆 18上均设有刻度线17。

本实用新型提供的调节架的工作原理如下：

首先，将本装置放置在桌面上，通过调节机构调整底座11的水平，通过水平起泡19可观察底座11是否水平，待底座11确定水平后，再将光栅单色仪3和单元热释电探测器10分别安装在相应的固定座15上，使光栅单色仪3的发射口对着单元热释电探测器10的接收窗，再使用刻度尺测量光栅单色仪3的发射口和单元热释电探测器 10的接收窗口与底座11之间的高度，如果光栅单色仪3的发射口与单元热释电探测器10的接收窗口处于同一水平，则调节架不需要调节，如果光栅单色仪3的发射口与单元热释电探测器10的接收窗口不处于同一水平，此时可通过调节升降机构进行调节，调节时，保持光栅单色仪3不动，如果光栅单色仪3的发射口的高度高于单元热释电探测器10的接收窗口的高度，可通过测量确定高度差，在将相应的第一丝杆14向上提，通过观察固定座15与刻度线17可确定单元热释电探测器10上升的具体高度，带单元热释电探测器10上升到合适高度时，再转动锁止螺母16，使锁止螺母16与安装管12的顶部接触，锁止螺母16对第一丝杆14起到固定的作用，调节时，也可以不对单元热释电探测器10进行调节，对光栅单色仪3进行调节，调节方法与调节单元热释电探测器10的方法一致。

本调节架对光栅单色仪3和单元热释电探测器10均具有调节功能，能够使光栅单色仪3的发射口与单元热释电探测器10的接收窗保持同一水平，使得发射的精度更高，更有利测试结果的正确性。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置，其特征在于，包括：

高温腔式黑体、光学斩波器、光栅单色仪、数字探测器、驱动板、锁相放大器、测控计算机、测控软件及单元热释电探测器；

Cameralink采集卡，所述Cameralink采集卡设于所述测控计算机上；所述数字探测器为MCT中波640×512的数字探测器，所述数字探测器用于输出的图像信号；

所述Cameralink采集卡为PCIE-1433图像采集卡通过所述测控软件实时高速地对数字探测器输出的图像信号进行采集显示，并将光谱数据进行采集保存；

所述测控软件为LabVIEW控制软件；

所述驱动板为阵列探测器驱动板，所述驱动板用于为所述数字探测器提供合适的工作电压及时钟波形和把探测器输出的数字信号转换成Cameralink总线协议信号传输到所述测控计算机上。

2.根据权利要求1所述的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置，还包括调节架，其特征在于，所述调节架包括：

底座和如权利要求1所述的光栅单色仪、单元热释电探测器；

两个升降机构，两个所述升降机构包括安装管、滑块、第一丝杆、固定座和锁止螺母，所述安装管固定安装在所述底座的顶部，所述滑块滑动安装在所述安装管内，所述第一丝杆固定安装在所述滑块的顶部，所述第一丝杆的顶端延伸至所述安装管的上方，所述固定座固定安装在所述第一丝杆的顶端，所述锁止螺母螺纹安装在所述第一丝杆上；

调平机构，所述调平机构设于所述底座上。

3.根据权利要求2所述的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置，其特征在于，所述调平机构包括两个水平起泡、四个第二丝杆和四个调节旋钮，两个所述水平起泡对称安装在所述底座的顶部，四个所述第二丝杆均螺纹安装在所述底座的底部，四个所述第二丝杆呈矩形阵列分布，四个所述调节旋钮分别固定安装在相应的第二丝杆的底端。

4.根据权利要求2所述的数字化红外焦平面探测器光谱响应测试装置，其特征在于，所述底座的顶部对称安装有两个标尺杆，两个所述标尺杆贯穿相应的固定座并与固定座滑动连接，两个所述标尺杆上均设有刻度线。

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