紅外焦平面組件典型參數(shù)測量不確定度評定

徐迎春，劉 沖，闞勁松，王 酣

（中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京100176）

紅外焦平面組件典型參數(shù)測量不確定度評定

徐迎春，劉 沖，闞勁松，王 酣

（中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京100176）

針對國內(nèi)紅外焦平面產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，選取典型紅外焦平面組件測試系統(tǒng)測試典型紅外焦平面組件，對其典型參數(shù)進(jìn)行不確定度評定。通過建立數(shù)學(xué)模型，分析計(jì)算影響測量不確定度的各個分量，分析不確定度的各個分量的合成方式，最后給出擴(kuò)展不確定度。

紅外焦平面組件；數(shù)學(xué)模型；測量不確定度

在強(qiáng)烈的軍事應(yīng)用需求推動下，國內(nèi)紅外探測器在向大規(guī)模、高集成和高分辨率的紅外焦平面陣列發(fā)展。在航天和航空領(lǐng)域，紅外焦平面組件作為關(guān)鍵器件，有著重要的國家戰(zhàn)略需求。在對大規(guī)模、大陣列的紅外焦平面組件的測試中，紅外焦平面參數(shù)測試系統(tǒng)需對組件輸出進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集和數(shù)學(xué)公式運(yùn)算，并提供組件正常工作所需的各種偏置電壓和時(shí)鐘脈沖。這導(dǎo)致影響紅外焦平面組件參數(shù)測試結(jié)果的影響量比較復(fù)雜。給紅外焦平面組件測試參數(shù)測量不確定度的評定帶來更大的挑戰(zhàn)。

行業(yè)內(nèi)紅外焦平面組件參數(shù)測試主要依據(jù)GB/T 17444-2013《紅外焦平面陣列參數(shù)測試方法》。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了響應(yīng)率、響應(yīng)率不均勻性、噪聲電壓、探測率、有效像元率、噪聲等效功率、動態(tài)范圍、相對光譜響應(yīng)、讀出速率、幀頻、非線性度等17個紅外焦平面組件測試參數(shù)的測試方法[1]，其中最具有代表性的關(guān)鍵參數(shù)為響應(yīng)率。

本文選用法國HGH紅外焦平面參數(shù)測試系統(tǒng)（型號：BIR210，串號：02）對國內(nèi)典型紅外焦平面組件320×256中波MWBF2的典型參數(shù)電壓響應(yīng)率進(jìn)行多次測試，評定紅外焦平面組件電壓響應(yīng)率參數(shù)測量不確定度。所選用的紅外焦平面參數(shù)測試系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)詳如表1所列。

表1 測試系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 響應(yīng)率的計(jì)算公式

響應(yīng)率的計(jì)算公式[1]：

本文所選的紅外焦平面組件按公式[1]（2）計(jì)算得P=4.9×10-9W

式中：T、T0為黑體的溫度；中波紅外焦平面器件測試推薦為308K、293K，單位為開爾文（K）；VS（i，j）為像元的響應(yīng)電壓，計(jì)算公式見公式[1]（3）。

式中：

VDS[（i，j），T0，f]為黑體溫度T0條件下第f次，第i行和第j列像元輸出信號電壓，單位為伏特（V）；

1.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型為：

2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定[2]

（1）由黑體溫度分辨率所引入的不確定度分量uB11

用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。根據(jù)BIRD210說明書中DCN1000H4黑體技術(shù)指標(biāo)可知黑體溫度分辨率為0.001℃，區(qū)間半寬為0.0005℃，即a=0.000 5℃，按均勻分布，則k=故其不確定度分量uB11=0.000 29℃，相對值為0.0014%（20℃）、0.0008%（35℃）.

（2）由黑體溫度均勻性所引入的不確定度分量uB12

用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。根據(jù)BIRD210說明書中DCN1000H4黑體技術(shù)指標(biāo)可知黑體溫度均勻性在50℃為小于0.3℃，根據(jù)實(shí)際測試要求，將其黑體溫度均勻性擴(kuò)大為0.3℃，區(qū)間半寬為0.15℃，即a=0.15℃，按均勻分布，則k=故其不確定度分量uB12=＝0.087℃，相對值為0.44%（20℃）、0.25%（35℃）.

（3）由黑體發(fā)射率所引入的不確定度分量uB13

用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。根據(jù)BIRD210說明書中DCN1000H4黑體技術(shù)指標(biāo)可知黑體發(fā)射率為0.98±0.02，實(shí)際測試中黑體發(fā)射率默認(rèn)為1，將其黑體發(fā)射率擴(kuò)大為±0.04，區(qū)間半寬為0.04，即a =0.04，按均勻分布，則k=故其不確定度分量uB13==0.023，相對值為2.3%.

由于以上各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量獨(dú)立互不相關(guān)，所以黑體輻射源引入的不確定

2.2 由AD數(shù)據(jù)采集器引入的不確定[2]uB2

（1）由AD數(shù)據(jù)采集器分辨率所引入的不確定度分量uB21

用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。根據(jù)BIRD210說明書中ADC4 10技術(shù)指標(biāo)可知AD數(shù)據(jù)采集器為14位，其分辨率為5/214，區(qū)間半寬為305.2μV，即a=153μV，按均勻分布，則k=故其不確定度分量uB21==88.4μV，相對值為0.004%.

（2）由AD數(shù)據(jù)采集器噪聲所引入的不確定度分量uB22

用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。根據(jù)BIRD210說明書中可知AD數(shù)據(jù)采集器噪聲小于等于300μV，區(qū)間半寬為150μV，即a=150μV，按均勻分布，則k =故其不確定度分量uB22==86.6μV，相對值為0.004%.

2.3 由測量重復(fù)性引入的不確定度分量[2]uA

用A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。選一只較穩(wěn)定且具有代表性的典型組件：320×256中波MWBF2紅外焦平面組件（編號：200204）作為被測對象，在相同的溫濕度條件下，由同一測試人員用HGH BIRD210型紅外焦平面探測器綜合測試系統(tǒng)（編號：02）連續(xù)獨(dú)立測量10次，測量結(jié)果如表2所列。

表2 響應(yīng)率參數(shù)重復(fù)測量結(jié)果

單次測量實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差[3]：

則相對值為0.45%，即uA=0.45%

自由度[3]ν1＝n-1=10-1=9

3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成

3.1 合成不確定度

根據(jù)上文主要標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表如表3所列。

表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表

由表3可知uB2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于uB1和uA，因此uB2可忽略。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[3]為：

3.2 擴(kuò)展不確定度

因不確定度分量中的主要分量視為正態(tài)分布，因此置信水平p=0.95時(shí)，取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度[3]U=k×uc=2.5×2=5%.

4 結(jié)束語

本文通過建立數(shù)學(xué)模型、評定標(biāo)準(zhǔn)不確定度、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，詳細(xì)闡述了紅外焦平面組件典型測試參數(shù)響應(yīng)率測量不確定度評定過程。測量不確定度的評定帶有嚴(yán)重主觀色彩，與人們對被測量、影響量以及測量過程的認(rèn)識有關(guān)。本文所闡述的不確定評定過程，對紅外焦平面組件測試參數(shù)測量不確定度評定具有一定的參考借鑒價(jià)值。

[1]GB/T 17444-2013.紅外焦平面陣列參數(shù)測試方法[S].

[2]JJF 1059.1-2012.測量不確定度評定與表示[S].

[3]倪育才:實(shí)用測量不確定度評定[M].北京：中國質(zhì)檢出版社,2014.

MeasurementUncertainty Evaluation for Typical Parameters of Infrared FocalPlane Components

XU Ying-chun，LIU Chong，KAN Jin-song，WANG Han
（China Electronics Standardization Institute，Beijing 100176，China）

Based on the domestic development of infrared focal plane industry，the typical infrared focal plane components test system is selected to test the parameters of the typical infrared focal plane components.The uncertainty of its typical parameters is evaluated.First，the mathematical model is established.Next，the each component that affected the uncertainty of measurement is analyzed and calculated.Then，the synthesis of each componentof uncertainty is analyzed.Finally，the extended uncertainty is finally given.

i nfrared focal plane components；mathematicalmodel；measurement uncertainty

TP274

A

1672-545X（2017）04-0168-03

徐迎春（1986-），女，山東德州人，碩士研究生，工程師，長期從事紅外焦平面組件參數(shù)的測試及其相關(guān)儀器的計(jì)量；劉沖（1979－），男，河北衡水人，碩士研究生，高級工程師，長期從事半導(dǎo)體技術(shù)的研究。