環(huán)境溫度對中波熱成像設(shè)備信號傳遞函數(shù)的影響研究

李忠升,張春仙,田豐鎮(zhèn),萬 英

(1.中國人民解放軍63870部隊(duì),陜西 華陰 714200；2.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015；3.中國人民解放軍32183部隊(duì),遼寧 錦州 121000)

1 引 言

熱成像設(shè)備主要由探測器組件、光學(xué)系統(tǒng)及信號處理系統(tǒng)組成,光學(xué)系統(tǒng)接收目標(biāo)和背景的輻射,并將輻射能量聚焦到探測器焦面,探測器組件將輻射能量轉(zhuǎn)換為響應(yīng)電壓值輸出給信號處理系統(tǒng),信號處理系統(tǒng)通過A/D轉(zhuǎn)換、降噪以及其他信號處理算法后輸出目標(biāo)和背景的灰度圖像。

信號傳遞函數(shù)SiTF是評價熱成像設(shè)備性能最基本且最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)之一,其與噪聲的比值NETD可用于預(yù)測紅外成像系統(tǒng)對目標(biāo)的探測距離,因此,SiTF與成像系統(tǒng)在外場的性能直接相關(guān),是熱成像設(shè)備測試的幾個常規(guī)指標(biāo)之一,是驗(yàn)證和鑒定試驗(yàn)的重要依據(jù)。

同時,熱成像設(shè)備作為軍用機(jī)載、車載設(shè)備,對環(huán)境適應(yīng)性的要求比較高,在設(shè)計(jì)和評價時不僅要考慮常溫性能,更需要評估高低溫環(huán)境下的性能變化。由于SiTF指標(biāo)與環(huán)境溫度有關(guān),因此評價高低溫環(huán)境下的性能需要使用高低溫環(huán)境下的SiTF值,而目前由于全軍溫紅外整機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)備比較昂貴,成像設(shè)備性能測試多在常溫環(huán)境下進(jìn)行,產(chǎn)品出廠時不能獲得高低溫環(huán)境下的SiTF,在預(yù)測和評價設(shè)備高低溫環(huán)境下的性能時缺少必要的依據(jù),而使用室溫SiTF預(yù)測和評價紅外成像系統(tǒng)在高低溫環(huán)境下的性能時又會造成較大的偏差。

本文通過分析高低溫環(huán)境下SiTF(信號傳遞函數(shù))的變化,建立中波紅外成像系統(tǒng)常溫SiTF與高低溫環(huán)境下SiTF的關(guān)系,通過常溫SiTF預(yù)測高低溫環(huán)境下的SiTF,從而解決沒有高低溫整機(jī)性能測試設(shè)備,無法獲得高低溫環(huán)境下SiTF參數(shù)的問題。

2 高低溫環(huán)境對SITF的影響機(jī)理分析

2.1 影響SiTF的主要因素

信號傳遞函數(shù)(SiTF)[1]表示熱成像設(shè)備在觀察擴(kuò)展源時目標(biāo)與背景的輸出電壓差與目標(biāo)和背景溫差之間的比值,即：

(1)

式中,ΔV為輸出電壓差；ΔT為目標(biāo)與背景溫差；T0為背景溫度。

碲鎘汞光伏探測器單個像元電路如圖1所示[2],碲鎘汞二極管在接收紅外輻射后產(chǎn)生光生載流子,當(dāng)像元處于積分狀態(tài)時,MOS開關(guān)M1打開,M2關(guān)閉。光生載流子直接注入到積分電容C1,積分結(jié)束之后關(guān)閉M1。載流子存儲在電容上形成電壓信號,讀出電壓信號V0,并打開M2將電容C1復(fù)位等待下一次積分。對中波探測器來說,暗電流占比很小,可忽略不計(jì)。

圖1 光伏探測器像元電路圖

對于中波紅外探測器來說,暗電流占比較小,可省略,在此情況下,探測器對溫度T的黑體輻射輸出響應(yīng)電壓可表示為[3]:

V(T)=GI1(T)t1/C1

(2)

式中,G為讀出電路增益；I1(T)為光生電流；t1為積分時間；C1為積分電容。

光生電流I1(T)為[1]:

(3)

式中,Z為材料的量子效率；q為電子電荷量；K為黑體上一點(diǎn)對鏡頭的立體角；S為光學(xué)系統(tǒng)的入瞳尺寸；h為普朗克常數(shù)；c為真空中光速；τ為光學(xué)系統(tǒng)衰減函數(shù)；L(T,λ)為溫度為T的黑體的輻亮度,即：

(4)

式中,c1為第一輻射常數(shù)；c2為第二輻射常數(shù)。

綜合(2)～(4)式,可得到[3]：

(5)

(6)

2.2 不同環(huán)境溫度下的SiTF關(guān)系

表1 不同溫度下3.7～4.8 μm波段內(nèi)的微分輻亮度積分

由表1可以看出,相同波段內(nèi)環(huán)境溫度50 ℃下的微分輻射度積分是‐40 ℃下微分輻射度積分的4.38倍,因此,如果其他條件相同的話,環(huán)境溫度50 ℃下的SiTF也將是‐40 ℃下SiTF的4.38倍,實(shí)際情況中由于焦平面器件本身動態(tài)范圍較小,為了獲得較大的動態(tài)范圍,以適應(yīng)環(huán)境溫度變化時微分輻射度的變化,焦平面器件一般會采用積分時間和積分電容自適應(yīng)調(diào)整,通過在高溫時減少積分時間、增大積分電容,避免飽和,低溫時增加積分時間、減小積分電容,避免響應(yīng)過低的方法,使焦平面器件始終工作在線性區(qū)域。因此,不同環(huán)境溫度下SiTF的關(guān)系是由相應(yīng)溫度下的微分輻射度積分、積分時間和積分電容綜合決定的,根據(jù)式(6)可得,不同環(huán)境溫度、積分時間、積分電容下的SiTF有如下關(guān)系：

(7)

式中：t1、C1為環(huán)境溫度T1時的積分時間和積分電容；t0、C0為環(huán)境溫度T1時的積分時間和積分電容；T1、T0為環(huán)境溫度。

由以上公式(7)即可通過室溫下的SiTF值獲得其他環(huán)境溫度下的SiTF值。

通過以上分析可知,該公式僅適用于焦平面器件的響應(yīng)處于線性區(qū)域時,當(dāng)焦平面器件響應(yīng)飽和或者過低時,圖像動態(tài)范圍小,圖像過亮或者過暗,在實(shí)際工程應(yīng)用中,應(yīng)通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)積分時間和積分電容,避免出現(xiàn)該類現(xiàn)象。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)對象

熱成像設(shè)備技術(shù)參數(shù)如下:

探測器：640×512 MWIR HgCdTe

光學(xué)系統(tǒng)：焦距360mm,F#4

3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)設(shè)備采用HGH全軍溫紅外整機(jī)測試系統(tǒng)(f=1500 mm,口徑250 mm),將熱成像設(shè)備與全軍溫紅外整機(jī)測試系統(tǒng)放置于高低溫試驗(yàn)箱中,熱成像設(shè)備光軸對準(zhǔn)全軍溫紅外整機(jī)測試系統(tǒng)的光軸,試驗(yàn)箱溫度分別設(shè)置為-40 ℃～+50 ℃溫度點(diǎn),到溫保溫2 h后,熱成像設(shè)備開機(jī),采用全軍溫紅外整機(jī)測試系統(tǒng)測試設(shè)備的SiTF,試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

采用室溫(環(huán)境溫度26 ℃)下,SiTF值(343 mV/K,積分時間183 ms,積分電容CB時)預(yù)測不同環(huán)境溫度下的SiTF值,預(yù)測結(jié)果及預(yù)測誤差如表3所示。

SiTF試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 SiTF試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果比對

分析以上數(shù)據(jù),可知SiTF預(yù)測誤差最大為15 %。

4 結(jié) 論

由于通常實(shí)現(xiàn)全軍溫紅外設(shè)備性能測試的測試系統(tǒng)比較昂貴,因此一般較難獲得全軍溫SiTF參數(shù)值,從而使得熱成像設(shè)備在預(yù)測外場性能時缺乏依據(jù)。本文通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,分析得出了不同環(huán)境溫度下的SiTF關(guān)系,建立了SiTF隨溫度變化的數(shù)學(xué)模型,從試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測結(jié)果的比對來看,兩者具有較好的一致性,表明模型具有一定的有效性,本文只對中波熱成像設(shè)備進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,對于長波熱成像設(shè)備來說,由于暗電流占比較大,不能忽略,因此并不適用該模型。