[发明专利]一种红外焦平面阵列探测器模拟装置及模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外焦平面阵列成像系统技术和信号模拟领域，特别是一种产生红外焦平面阵列探测器响应信号的装置，应用于红外焦平面阵列探测器成像系统开发调试领域。

背景技术

随着国防、工业等各领域对光电技术的要求越来越高，红外成像系统应用越来越多。红外焦平面阵列探测器是红外成像系统是核心器件，无论是制冷式红外焦平面阵列探测器还是非制冷式红外焦平面阵列探测器，均价格不菲。

在红外成像系统的设计、研制和生产过程中，对红外焦平面阵列探测器的直接使用是必不可少的。例如，在红外成像系统的调试过程中，由于设计不合理或者操作不当等原因，探测器电击穿的情况时有发生，造成较大的经济损失。再如，探测器的制冷技术主要有斯特林致冷技术、节流式致冷技术，一些制冷型红外系统在调试过程中需要注意的事项比较多，不能够长时间加电调试，而且对探测器制冷要用到高压气源，调试操作具有一定的危险性。此外，在排查电路故障的过程中，由于电路板加电调试的时间不可预料，如果使用真实的探测器作为信号输入，会耗费探测器的寿命，在红外热成像系统的研制过程中对静电防护有严格要求，稍有不慎就可能导致探测器损坏。在红外成像系统的开发或者二次开发中，需要在现场进行调试，以验证信号处理电路和图像处理算法，有时算法验证需要在复杂的实验环境下反复进行，如需要探测空中飞行的目标，重复的再现验证需要很高的成本，因此模拟探测器在复杂的环境下的响应信号便迫在眉睫了。

由上可见，在红外成像系统调试阶段以及故障排查阶段，有必要开发一个能够模拟真实红外探测器响应信号的装置，以方便红外成像系统的调试，节约调试的时间和成本。

红外成像过程可以描述为目标和背景的红外辐射通过大气传输和光学系统后到达红外焦平面阵列探测器，红外探测器把辐射信号转换为电信号，最后经读出电路输出。目前，所有的红外焦平面阵列都集成有读出电路，在探测器驱动电路提供正确的驱动信号的作用下，红外探测器才会输出响应信号，这些驱动信号包括电源电压、像素时钟信号和逻辑驱动信号。探测器响应信号有以下几个特点：

(1)响应信号与驱动信号之间有着严格的相位关系，响应信号只会在驱动信号输入以后延迟特定的一段时间后才会输出；

(2)响应信号属于模拟信号，每一个像素对应的响应信号均是具有一定衰减振荡波形的信号。在红外焦平面阵列探测器的读出电路中，因为其中开关电路引起暂时性干扰而出现暂时性噪声，如附图6所示，在每个像素周期结束时和下一个像素开始时总伴随着一个衰减的震荡波形的信号，到达每个像素的二分之一周期时，输出的信号才稳定，这时的数据才是像素灰度值的真实数据，且在两个像素数据转换之间有一段为过渡阶段。一行像素的响应信号是一系列周期性重复的衰减振荡波形的组合，而这种重复性的波形又不是完全相同。这种重复性波形不完全相同的原因有两种可能：(a)每个像素的输入红外辐射的幅度不同；(b)探测器的响应非均匀性，故每个像素对应不同的衰减振荡波形信号。

(3)由于制作工艺、材料质量等因素的限制，每个探测器在阻抗、容抗、响应面积等方面均略有差别，因此响应信号幅度并不相同，这就是响应的非均匀性。如果输入辐射相同，上述重复性波形不相同的原因就是响应的非均匀性。响应的非均匀性可通过后续的信号处理解决。

因此，对于一个探测器模拟装置，如果要能够代替真正的探测器进行调试，必须能够真实反映响应信号与驱动信号之间的严格相位关系、每个像素单元的响应振荡波形、像素单元之间的响应非均匀性和盲元的特征。

在中国发明专利《红外探测器输出的模拟方法及装置》(CN 101425098A)中，王恩德等发明一种红外探测器输出的模拟方法及装置，其中涉及根据目标运动信息和目标位置信息模拟探测器的波形信息，作为红外探测器的输出，但其仅针对四元红外探测器，针对现在大规模的红外焦平面阵列探测器的并不适用，如320×256，384×288，640×480，1024×1024等规格的探测器，该专利公布的技术不能有效的模拟红外焦平面阵列探测器的响应信号。