光伏型红外焦平面探测器NETD的理论计算和测试分析

噪声等效温差(NETD)是表征红外焦平面探测器灵敏度的重要参数,除了器件本身的因素以外,与实际应用条件及测试条件密切相关。从红外焦平面探测器NETD的测试方法和流程出发,对光伏型红外焦平面探测器NETD的理论计算公式进行了推导,分析了影响器件NETD的主要因素,对典型红外焦平面探测器在不同积分时间、不同电荷存储量、不同F数及半阱输出条件下的背景限NETD进行了理论计算及分析。在固定背景温度下,通过理论公式可从某一温差的NETD推算出不同温差的NETD,选择典型器件进行验证,从常规NETD测试结果推算出的一组NETD与相应温差下的实测结果符合较好,其中1 K温差的NETD推算结果已非常接近实际情况,可为热像仪系统应用提供参考。

扫描热成像系统NETD数学模型的研究

讨论了最近几十年发展起来的最具代表性的10种NETD模型的优缺点,在对它们进行综合分析的基础上建立起了新的适用于扫描热成像系统的NETD数学模型,得到的模型消除了光学系统大的f/#影响,增加了两个可供选择的光谱滤波函数,并考虑了占空比在模型中的影响,建立起的模型能客观全面地用于热成像系统温度灵敏度的性能评价。

热像仪空间NETD测量技术

凝视阵列型热像仪的空间噪声制约着热像仪对远距离目标的探测、分辨、跟踪性能。为解决热像仪空间噪声实际测量问题,分析了热像仪的空间噪声测量原理,给出了热像仪基于信号传递函数的空间噪声测量数学模型,介绍了热像仪某一组、某一区域或全部像素如何剔除时间域NETD,再通过统计计算得到其空间NETD的数学模型。对制冷型MCT320×256凝视列阵热像仪的SiTF和空间NETD进行测量,当背景黑体温度为5℃时,FOV区域中心信号传递函数(SiTF)为27.29 mV/℃,NETD为0.128℃,20℃时FOV区域中心SiTF为29.03℃,NETD为0.121℃。测量结果表明:该方法可评估空间噪声对热像仪性能的影响。

分布式红外系统协同探测距离模型

利用分布式多红外传感器协同探测同一目标后,通过对多传感器目标图像进行像素级融合来提升信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR),进而提高系统的探测能力。从单红外传感器探测距离出发,阐述了分布式多红外系统协同探测的作用距离评估模型。推导了包含积分时间的噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference,NETD)公式,并用NETD表达了小哈德逊探测距离方程。采用多传感器图像融合的方式提升图像信噪比,等效于延长积分时间,抑制噪声、提高NETD;结合协同探测的虚警概率及探测概率关系公式,为多红外传感器探测距离方程中的信噪比设置提供参考依据。分布式多红外系统探测距离评估模型综合考虑NETD和SNR两个维度因素。理论计算表明,多传感器协同探测可以有效提升系统的探测距离,为分布式红外系统的综合论证提供了重要的理论支撑。

利用NETD和探测器测试数据计算红外成像系统扫描效率

红外成像系统的扫描效率η与系统的噪声等效温差(NETD)有关。利用NETD的理论公式以及探测器的测试结果,例如相对光谱响应、黑体探测率等,可以导出另外一种计算η的表达式,其中的光谱积分项容易利用MATLAB提供的样条函数命令做数值积分求解。该表达式也许可以作为扫描效率η的一种间接测试方法。

利用NETD和探测器测试数据计算红外成像系统的噪声等效带宽

因为涉及参数较多,红外成像系统的噪声等效带宽有时不易计算或确定。△f_n与噪声等效温差(NETD)有关。利用NETD的理论公式以及探测器的测试结果,例如相对光谱响应、黑体探测率等,可以导出一个新的△f_n表达式,其中的光谱积分项容易利用MATLAB提供的样条函数命令做数值积分求解。该表达式可用作噪声等效带宽△f_n的一种间接测试方法。

基于NETD的红外热像仪图像预处理方法研究

噪声等效温差(NETD)是红外热像仪的重要参数,它能够体现红外探测器的噪声特性。在剔除无效像元的基础上,利用线性滤波、非线性滤波、直方图均衡化和多尺度图像增强等算法对热像仪原始数据进行图像预处理;用实验者对画质和图像细节的直接观察作为定性判据,噪声等效温差作为定量判据,综合评价图像预处理算法的优劣。通过实验发现,线性滤波后进行多尺度图像增强的方式能够使图像细节更清晰,同时噪声等效温差减小约25.9%,是目前较为适合的实验用热像仪的图像预处理方式。

红外系统NETD测试对比与分析

指出传统NETD测试中的不足之处,并加以改进。提出实验室条件下基于数字图像的精确测量方法,并对测试结果进行修正。对测试得到的两组数据进行对比分析,指出该方法更加准确地反映出红外系统的NETD。

基于NETD的红外探测系统作用距离分析

由于红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array,IRFPA)已成为红外探测器发展的主流,用IRFPA的参数来评价红外探测系统的综合性能变得至关重要。推导了以噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference,NETD)参数表示的红外探测系统的作用距离方程,考虑了背景辐射和目标成像弥散效应对探测的影响,计算了不同能见度条件下系统对点源目标的作用距离。结果表明,大气能见度越好,红外探测系统的作用距离就越远。分析了红外探测系统的探测能力随NETD值的变化.随着NETD值的增大,红外探测系统对目标的作用距离显著减小。研究结果能为红外探测系统的设计和性能指标评价提供参考。

二极管型非制冷红外焦平面中二极管结构优化研究

为适应非制冷红外探测器高空间分辨率的发展趋势,非制冷红外焦平面阵列作为非制冷红外探测器的核心部件不断向大阵列、小像素方向发展。本文针对二极管型非制冷红外焦平面阵列,理论分析了敏感元件二极管对读出电路以及器件性能的影响,在确定二极管最佳工作电流的同时,提炼出二极管结构中串联个数以及结面积为主要性能影响因素。基于此,设计了p^(+)n-pn-n^(+)p三合一二极管,并将其与传统二极管、回型二极管、p^(+)n-n^(+)p二合一二极管、以及由p^(+)n-n^(+)p二合一二极管直接拓展得到的两种三合一二极管进行了对比考察,研究发现6种结构中p^(+)n-pn-n^(+)p三合一二极管在相同尺寸下拥有最多的二极管串联数量且结面积相对最大;进而利用Sentaurus TCAD仿真,验证了在同一整体尺寸下,p^(+)n-pn-n^(+)p三合一二极管的电压温度系数分别约为p^(+)n-n^(+)p二合一二极管,及在其基础上直接拓展得到的两种三合一二极管的1.5倍,为回型二极管与传统二极管的2.6倍、3.7倍。证明了在小像素下p^(+)n-pn-n^(+)p三合一二极管性能最优,且在其基础上拓展可得到N合一二极管能进一步优化器件的性能。

考虑探测器非理想性的红外偏振成像系统作用距离分析

为实现传统红外成像系统与红外偏振成像系统探测能力的比较,基于系统的最小可分辨温差和最小可分辨偏振度差,分别建立了二者的作用距离模型,讨论了非理想探测器的参数对系统探测能力的影响,并设计了相应实验,验证了建立模型的可靠性,为实际探测中不同应用场景下的成像系统选择提供了参考。

地面点源中波红外探测建模与验证研究

红外系统在大范围内对异常热源点目标的探测需要平衡像元分辨率与温度灵敏度之间的关系。在探测器规模一定时,现有星载红外载荷存在幅宽大时灵敏度不够、空间分辨率高时幅宽小的问题。针对上述问题,本文提出利用时间延时积分(time delay intergration,TDI)算法处理图像的大视场异常点热源探测初步方案,在一定条件下,达到探测所需的温度灵敏度要求时,能做到217 km×122 km的理论幅宽。同时搭建了一套高灵敏度红外成像实验系统,开展了测试与模拟探测实验,结果表明本方案在实现202 km×114 km幅宽情况下,灵敏度性能约37 m K,满足大范围异常点热源探测的要求。考虑到目标和背景的太阳光反射率等问题,实际应用时取200 m像元分辨率,对应幅宽128 km×102 km。

测试环境对亚毫开红外探测器测试结果的影响研究

红外探测器是红外系统的核心器件。近年来,高灵敏度、低噪声成为红外探测器技术的研究热点之一。对于噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference,NETD)值小于1 mK的低噪声红外探测器,环境因素对其性能的影响不可忽视。从黑体控温精度、测试环境温度、测试环境中的气流扰动等方面,分析了测试环境对亚毫开红外探测器测试结果的影响,并对低噪声红外探测器的测试方法进行了探究。实验结果表明,黑体控温精度对高灵敏度红外探测器的NETD值有直接影响,测试环境温度与气流扰动会影响黑体控温稳定性,从而间接影响NETD测量的准确度。

红外热像仪时间噪声测量技术研究

在对红外热像仪的测量中,噪声是评价红外热像仪性能的主要参数。噪声参数包括时间域噪声和空间域噪声,时间域噪声可分为高频时间噪声和低频时间噪声(即1/f噪声);空间域噪声可分为高频空间噪声(即固定模式噪声FPN)和低频空间噪声(非均匀性噪声)。对高频时间噪声和低频时间噪声进行了严格的区分和定义;给出了在短时间内忽略低频时间噪声时高频噪声NETD的计算模型;在不忽略低频时间噪声时计算高频噪声等效温差的数学计算模型和测量方法;对高频时间域NETD测量结果进行了不确定度分析与评价。

红外热像仪性能参数的评价

红外热像仪性能参数标准的传递,是通过高精度黑体、标准靶标和标准准直器对其进行准确测试。而高精度黑体的量值可溯源到中国测试技术研究院建立的全辐照国家基准黑体辐射源,保证了测量高灵敏度热像仪的必备条件。目前,国家唯一的全辐照基准装置和红外热像仪性能参数检测校准装置达到国际同类标准的先进水平,在国内处于领先地位。

显微热成像系统的噪声等效温差和噪声等效辐射率差模型及其分析

提出一种可用于大规模集成芯片、生物医学和科学研究等显微热诊断的显微热成像设计方案.研究了显微热成像系统的噪声等效温差(NETD)和噪声等效辐射率差(NEED)模型,分析了显微热成像与望远模式热成像的差异.针对理想光子探测器和理想热探测器,探讨了显微热成像系统的NETD和NEED的关系.理论推导及仿真结果表明二者是以背景温度为函数的非线性关系.从理论上给出了提高显微热成像质量的一些建议.

电子器件无损检测光学微扫描显微热成像系统

为了给半导体器件、印刷电路板和功率器件等电子器件提供细微热分析的手段,完成电子电路的故障检测、失效分析和可靠性检测等,本文基于非制冷焦平面探测器设计了一种新型的光学微扫描显微热像仪。介绍了系统的工作原理、系统构成、工作过程,研究推导了系统噪声等效温差(NETD)和噪声等效辐射率差(NEED)模型,为系统的设计提供了理论指导,基于Matlab完成了整个系统的图像采集处理界面设计。实际图像采集和处理结果表明了本系统设计的合理性。随着产品化,本系统将会用到其他需要显微热分析的场合,具有广泛的应用前景。

红外成像系统噪声等效温差参数测试算法及应用研究

噪声等效温差(NETD)是表征红外成像系统灵敏度的关键参数,也是评估红外成像系统性能的重要参数之一,应用广泛。通过对红外成像系统3D噪声、信号传递函数(SiTF)、NETD等参数测试方法、算法和流程研究,给出一种基于视频文件的3D噪声离线对比测试方法和一种SiTF线性区自动判断计算斜率算法,在此基础上针对某型技术保障装备国产化光电检测平台开发了配套应用软件功能模块;实现了通过计算单位均方根噪声所对应的SiTF斜率值,分析得出系统NETD参数值的功能;以某型热像仪为被测对象,开展了测试结果重复性和一致性试验,并与I-SITE红外整机测试系统进行了对比测试;实验结果表明开发的NETD参数测试功能模块测试精度和重复性满足设计要求,具有较高实用价值,已进行了工程应用。

“资源一号”02E星红外相机探测器成像验证方法研究

“资源一号”02E卫星配置的红外相机采用红外探测器组件,其阵列的规模达到了8000像元。该红外探测器技术难度大,实施工艺复杂,需要突破超长线列芯片微组装技术、高性能长波材料及器件制备技术等一系列关键技术。“资源一号”02E星不具备投产验证产品进行验证的条件,因此采用一步正样的研制模式。对研制风险较大的红外相机来说,需要在方案阶段利用现有的光学系统构建实验装置,对探测器噪声等效温差、MTF等重要性能指标进行等效验证,早期发现红外探测器的不足,提升相机的定量化成像水平。文章在“委内瑞拉遥感二号”(简称“委遥二号”)卫星光学系统的基础上,对该系统与02E星红外相机的差异进行了比对分析,提出了实验参数的优化更改方案。构建了以“委遥二号”相机光学系统与02E星红外探测器组成的实验验证系统,对噪声等效温差和MTF等关键指标进行了实验验证。实验表明,文章提出的实验方法具有较好的测试等效性和精度,可以用于红外探测器在方案阶段的早期指标测试验证。

红外焦平面阵列多次采样滤波技术

针对红外图像信噪比不高和当前常用的二维时间延迟积分(2D-TDI)算法仅适用于静止和缓慢运动目标场合的问题,分析了信号的采集原理以及噪声特性,提出了红外焦平面阵列(IRFPA)多次采样滤波技术,通过对一帧图像的同一像元点进行多次采样的方法,在降低红外图像的随机时间域噪声的同时,保证其能够应用于快速运动目标场合;图像对比和数据测试结果表明:红外焦平面阵列多次采样滤波技术不仅具有与2D-TDI算法同等的提高红外图像信噪比的能力——将红外图像的NETD降低到原红外图像的1/姨n倍(n为对同一像元点的有效采样次数),而且突破了2D-TDI算法应用场合的限制,其能够适应于快速运动目标场景,对红外热像仪的性能提升有重要意义。