环境温度对中波热成像设备信号传递函数的影响研究

李忠升,张春仙,田丰镇,万 英

(1.中国人民解放军63870部队,陕西 华阴 714200；2.华北光电技术研究所,北京 100015；3.中国人民解放军32183部队,辽宁 锦州 121000)

1 引 言

热成像设备主要由探测器组件、光学系统及信号处理系统组成,光学系统接收目标和背景的辐射,并将辐射能量聚焦到探测器焦面,探测器组件将辐射能量转换为响应电压值输出给信号处理系统,信号处理系统通过A/D转换、降噪以及其他信号处理算法后输出目标和背景的灰度图像。

信号传递函数SiTF是评价热成像设备性能最基本且最关键的技术指标之一,其与噪声的比值NETD可用于预测红外成像系统对目标的探测距离,因此,SiTF与成像系统在外场的性能直接相关,是热成像设备测试的几个常规指标之一,是验证和鉴定试验的重要依据。

同时,热成像设备作为军用机载、车载设备,对环境适应性的要求比较高,在设计和评价时不仅要考虑常温性能,更需要评估高低温环境下的性能变化。由于SiTF指标与环境温度有关,因此评价高低温环境下的性能需要使用高低温环境下的SiTF值,而目前由于全军温红外整机测试系统设备比较昂贵,成像设备性能测试多在常温环境下进行,产品出厂时不能获得高低温环境下的SiTF,在预测和评价设备高低温环境下的性能时缺少必要的依据,而使用室温SiTF预测和评价红外成像系统在高低温环境下的性能时又会造成较大的偏差。

本文通过分析高低温环境下SiTF(信号传递函数)的变化,建立中波红外成像系统常温SiTF与高低温环境下SiTF的关系,通过常温SiTF预测高低温环境下的SiTF,从而解决没有高低温整机性能测试设备,无法获得高低温环境下SiTF参数的问题。

2 高低温环境对SITF的影响机理分析

2.1 影响SiTF的主要因素

信号传递函数(SiTF)[1]表示热成像设备在观察扩展源时目标与背景的输出电压差与目标和背景温差之间的比值,即：

(1)

式中,ΔV为输出电压差；ΔT为目标与背景温差；T0为背景温度。

碲镉汞光伏探测器单个像元电路如图1所示[2],碲镉汞二极管在接收红外辐射后产生光生载流子,当像元处于积分状态时,MOS开关M1打开,M2关闭。光生载流子直接注入到积分电容C1,积分结束之后关闭M1。载流子存储在电容上形成电压信号,读出电压信号V0,并打开M2将电容C1复位等待下一次积分。对中波探测器来说,暗电流占比很小,可忽略不计。

图1 光伏探测器像元电路图

对于中波红外探测器来说,暗电流占比较小,可省略,在此情况下,探测器对温度T的黑体辐射输出响应电压可表示为[3]:

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

(2)

式中,G为读出电路增益；I1(T)为光生电流；t1为积分时间；C1为积分电容。

光生电流I1(T)为[1]:

(3)

式中,Z为材料的量子效率；q为电子电荷量；K为黑体上一点对镜头的立体角；S为光学系统的入瞳尺寸；h为普朗克常数；c为真空中光速；τ为光学系统衰减函数；L(T,λ)为温度为T的黑体的辐亮度,即：

(4)

式中,c1为第一辐射常数；c2为第二辐射常数。

综合(2)～(4)式,可得到[3]：

(5)

(6)

2.2 不同环境温度下的SiTF关系

表1 不同温度下3.7～4.8 μm波段内的微分辐亮度积分

由表1可以看出,相同波段内环境温度50 ℃下的微分辐射度积分是‐40 ℃下微分辐射度积分的4.38倍,因此,如果其他条件相同的话,环境温度50 ℃下的SiTF也将是‐40 ℃下SiTF的4.38倍,实际情况中由于焦平面器件本身动态范围较小,为了获得较大的动态范围,以适应环境温度变化时微分辐射度的变化,焦平面器件一般会采用积分时间和积分电容自适应调整,通过在高温时减少积分时间、增大积分电容,避免饱和,低温时增加积分时间、减小积分电容,避免响应过低的方法,使焦平面器件始终工作在线性区域。因此,不同环境温度下SiTF的关系是由相应温度下的微分辐射度积分、积分时间和积分电容综合决定的,根据式(6)可得,不同环境温度、积分时间、积分电容下的SiTF有如下关系：

(7)

式中：t1、C1为环境温度T1时的积分时间和积分电容；t0、C0为环境温度T1时的积分时间和积分电容；T1、T0为环境温度。

由以上公式(7)即可通过室温下的SiTF值获得其他环境温度下的SiTF值。

通过以上分析可知,该公式仅适用于焦平面器件的响应处于线性区域时,当焦平面器件响应饱和或者过低时,图像动态范围小,图像过亮或者过暗,在实际工程应用中,应通过自适应调节积分时间和积分电容,避免出现该类现象。

3 试验验证

3.1 试验对象

热成像设备技术参数如下:

探测器：640×512 MWIR HgCdTe

光学系统：焦距360mm,F#4

3.2 试验过程

试验设备采用HGH全军温红外整机测试系统(f=1500 mm,口径250 mm),将热成像设备与全军温红外整机测试系统放置于高低温试验箱中,热成像设备光轴对准全军温红外整机测试系统的光轴,试验箱温度分别设置为-40 ℃～+50 ℃温度点,到温保温2 h后,热成像设备开机,采用全军温红外整机测试系统测试设备的SiTF,试验现场如图2所示。

图2 试验现场图

3.3 试验结果

试验结果如表2所示。

采用室温(环境温度26 ℃)下,SiTF值(343 mV/K,积分时间183 ms,积分电容CB时)预测不同环境温度下的SiTF值,预测结果及预测误差如表3所示。

SiTF试验结果与预测结果如图3所示。

图3 SiTF试验结果与预测结果比对

分析以上数据,可知SiTF预测误差最大为15 %。

4 结 论

由于通常实现全军温红外设备性能测试的测试系统比较昂贵,因此一般较难获得全军温SiTF参数值,从而使得热成像设备在预测外场性能时缺乏依据。本文通过理论分析和试验验证,分析得出了不同环境温度下的SiTF关系,建立了SiTF随温度变化的数学模型,从试验结果和预测结果的比对来看,两者具有较好的一致性,表明模型具有一定的有效性,本文只对中波热成像设备进行了理论分析和试验验证,对于长波热成像设备来说,由于暗电流占比较大,不能忽略,因此并不适用该模型。