128×128热释电红外焦平面阵列的参数测试和联调实验
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摘要
非制冷红外热成像器件因其成本低，重量轻而在军事和民用领域具有广阔的应用前景，研制、开发和生产具有完全自主知识产权的非制冷红外热成像器件，有利于促进我国红外热成像产业的发展，增强我国的国防实力。与其它非制冷红外热成像器件相比，热释电红外焦平面阵列具有响应快、功耗低、不需恒温、较易加工等特点。
本文针对128×128热释电红外焦平面阵列开发过程中的读出电路与器件的参数测试和联调成像实验要求，利用虚拟仪器通过软件编程来实现不同仪器功能的特点，高效率、低成本地完成了开发中的参数测试和联调成像实验。
主要工作包括：
1． 为准确评价新研制的128×128热释电红外焦平面阵列读出电路的性能，改进了基于虚拟仪器的红外焦平面阵列读出电路的参数测试系统的软件和硬件，对读出电路的主要特性参数进行了测试，测试结果为读出电路的改进设计提供了重要依据，也为研制更大规模的器件奠定了基础。
2． 研究了热释电器件的联调成像实验系统，开发了实验必须的虚拟仪器系统软件。由于热释电器件必须通过一定频率的斩波调制使输入辐射发生变化才能正常工作，实验中通过驱动信号源、斩波装置和成像镜头的调整，使成像系统各部分协调工作，最终实现成像。应用这一系统，在国内首次获得了128×128热释电红外热像。热像能直观地显示器件的性能，能够看到热像是新器件研制成功的重要标志。
3． 开发了的基于虚拟仪器的红外焦平面阵列的参数测试系统的软件。软件的用户界面友好，测试操作简捷，并已成功用于一种制冷型红外焦平面成像器件的测试。
本文的研究工作为红外焦平面器件的研制和开发提供了一种低成本、高效率、方便灵活的测试方法和实验验证手段。
Low cost lightweight uncooled infrared thermal imaging sensors (UIRTIS) are widely used both in military and civilian applications．It is significant to exploit own uncooled infrared focal plane arrays (IRFPA) in our country. Compare with other UIRTIS, the pyroelectric IRFPA has the specialties such as quickly responsibility , low power consumption, no constant temperature keeping, and easily to be manufactured ,etc.
It is necessary to test the parameters of the imaging sensors and the readout integrated circuit (ROIC) , and evaluate the imaging performance of imaging sensors in the process of developing a new 128×128 pyroelectric IRFPA. Based on the virtual instrument (VI) technology , the indispensable parameters testing system and the combination imaging experiment system have been developed. The main works of this paper are:
As the hardware and software of the original IRFPA ROIC parameters testing system have been upgraded to achieve the main parameters and accurately evaluate the performance of the new 128×128 ROIC of pyroelectric IRFPA, several ROIC chips have been measured. The testing results are helpful to improve the performance of ROIC and study more pixels IRFPA in the future.
The combination experiment system of the pyroelectric imaging sensors and the essential VI software system have been developed. In the process of combination experiment , the driving signal source , the chopper fixture and the infrared compound lens have been adjusted to make the imaging experimental system continually operate at optimum performance and achieve the pyroelectric infrared thermal imaging. The imaging performance of the sensor can be shown directly by thermal imaging, and the exploiting of the new uncooled infrared thermal imaging sensor has proved to be successful by the image.
Based on VI, the IRFPA parameters testing software system with friendly interface and simply operation program has been developed by the author, and has been successfully used to measure one type cooled IRFPA.
This paper has presented a low cast, efficacious experimental facility and parameters testing method for developing the IRFPA sensor.
本文针对128×128热释电红外焦平面阵列开发过程中的读出电路与器件的参数测试和联调成像实验要求，利用虚拟仪器通过软件编程来实现不同仪器功能的特点，高效率、低成本地完成了开发中的参数测试和联调成像实验。
主要工作包括：
1． 为准确评价新研制的128×128热释电红外焦平面阵列读出电路的性能，改进了基于虚拟仪器的红外焦平面阵列读出电路的参数测试系统的软件和硬件，对读出电路的主要特性参数进行了测试，测试结果为读出电路的改进设计提供了重要依据，也为研制更大规模的器件奠定了基础。
2． 研究了热释电器件的联调成像实验系统，开发了实验必须的虚拟仪器系统软件。由于热释电器件必须通过一定频率的斩波调制使输入辐射发生变化才能正常工作，实验中通过驱动信号源、斩波装置和成像镜头的调整，使成像系统各部分协调工作，最终实现成像。应用这一系统，在国内首次获得了128×128热释电红外热像。热像能直观地显示器件的性能，能够看到热像是新器件研制成功的重要标志。
3． 开发了的基于虚拟仪器的红外焦平面阵列的参数测试系统的软件。软件的用户界面友好，测试操作简捷，并已成功用于一种制冷型红外焦平面成像器件的测试。
本文的研究工作为红外焦平面器件的研制和开发提供了一种低成本、高效率、方便灵活的测试方法和实验验证手段。
Low cost lightweight uncooled infrared thermal imaging sensors (UIRTIS) are widely used both in military and civilian applications．It is significant to exploit own uncooled infrared focal plane arrays (IRFPA) in our country. Compare with other UIRTIS, the pyroelectric IRFPA has the specialties such as quickly responsibility , low power consumption, no constant temperature keeping, and easily to be manufactured ,etc.
It is necessary to test the parameters of the imaging sensors and the readout integrated circuit (ROIC) , and evaluate the imaging performance of imaging sensors in the process of developing a new 128×128 pyroelectric IRFPA. Based on the virtual instrument (VI) technology , the indispensable parameters testing system and the combination imaging experiment system have been developed. The main works of this paper are:
As the hardware and software of the original IRFPA ROIC parameters testing system have been upgraded to achieve the main parameters and accurately evaluate the performance of the new 128×128 ROIC of pyroelectric IRFPA, several ROIC chips have been measured. The testing results are helpful to improve the performance of ROIC and study more pixels IRFPA in the future.
The combination experiment system of the pyroelectric imaging sensors and the essential VI software system have been developed. In the process of combination experiment , the driving signal source , the chopper fixture and the infrared compound lens have been adjusted to make the imaging experimental system continually operate at optimum performance and achieve the pyroelectric infrared thermal imaging. The imaging performance of the sensor can be shown directly by thermal imaging, and the exploiting of the new uncooled infrared thermal imaging sensor has proved to be successful by the image.
Based on VI, the IRFPA parameters testing software system with friendly interface and simply operation program has been developed by the author, and has been successfully used to measure one type cooled IRFPA.
This paper has presented a low cast, efficacious experimental facility and parameters testing method for developing the IRFPA sensor.
引文
[1] 张敬贤，李玉丹，金伟其，微光与红外成像技术，北京：北京理工大学出版社，1995.9
[2] 孙志君，21世纪红外焦平面阵列技术[J]，传感器世界，2001，7（5）
[3] 苏君红，郑为建，红外线的二百年——从科学探索到技术创新.红外技术，2001，23（1）
[4] 朱惜辰，红外探测器的进展，红外技术，Vol.21，No.6，1999年 11月
[5] 吴诚，苏君红，潘顺臣等，非制冷红外焦平面技术评述（下），红外技术，1999，21（2） [6] 蔡毅，汤锦亚，对红外成像技术发展的几点看法，红外技术，2000，3
[7] 王义玉，红外探测器，北京：兵器工业出版社，1993
[8] 吴诚，苏君红，潘顺臣等. 非制冷红外焦平面技术评述（上）. 红外技术，1999，21（1） [9] Jim Kreider et al. Uncooled infrared arrays sense image scenes. Laser Focus World.1997, 8
[10] 金伟其，侯光明，刘广荣，非致冷焦平面热成象技术及其应用，红外技术，第20卷，第6期，1998，11
[11] 陈海生，非致冷红外焦平面热成像技术的进展，红外技术与器件，2002，3
[12] John R．Vig等，基于石英微共振器的非致冷红外成像列阵，《红外》月刊，1999，3
[13] 苏吉儒,魏建华,庄继胜,赴向21世纪的非制冷热成像技术，红外与激光工程，1999，6
[14] 孙志君，非制冷红外焦平面阵列技术，传感器世界，2000，2
[15] 赵明远，唐艳，非致冷红外焦平面阵列设计特性分析，传感器世界，2003，2
[16] 韩建忠，吴景生，陈励夫，国外红外相关技术发展[J]，激光与红外，1998，10
[17] 胡得明，顾伯奇，陈勤，GB/T 13584——92，红外探测器参数测试方法，中华人民共和国国家标准.国家技术监督局，1992
[18] 陈昆峰，汪永忠，应承平，红外探测器的噪声测量，红外技术，1997，19（6）
[19] 董亮初，丁瑞军，何震凯等，红外焦平面参数定义和测试方法的讨论，红外与激光工程，1997，26（3）
[20] 《红外焦平面测试评价技术研究》课题组，焦平面探测器测试与评价，上海中国科学院上海技术物理研究所，1995，2
[21] 贾功贤，基于VI的IRFPA ROIC参数测试及热释电FPA凝视成像技术研究，重庆大学博士学位论文，2001
[22] 刘鲁勤，李东军，国外红外系统测试与试验技术
[23] 邹继鑫，曾允明，吕朝晖，64×4 TDI CCD读出电路的测试，集成电路通讯，1997，（2） [24] 陈伯良，陆蔚，王正官等，64×64元InSb光伏红外探测器阵列性能表征，红外与毫米
波学报，2000，19（2）
[25] 张志勇，项道才，祝金龙等,红外小光点扫描测试系统，红外技术，1997，19（5）
[26] 王志，侯峙云，刘宝华，侯蓝田，热释电红外探测器综合性能参数的测试，红外技术 Vol.24 No.3，2002年5月
[27] 周继鑫，曾允明，吕朝晖，64×4 TDI CCD读出电路的测试[J]，集成电路通讯，1997．2．
术，Vol.24 No.3，2002年5月
[28] 贾功贤，袁祥辉，刘成康，基于虚拟仪器的IRFPA ROIC参数测试系统，激光与红外，Vol.31，No.5，2001年10月
[29] 贾功贤，袁祥辉，刘成康，黄友恕，吕果林，虚拟仪器技术在128×1热释电红外焦平面阵列性能测试中的应用，第十五届全国红外科学技术交流会议论文，2001，10
[30] 姜万录，吴胜强，张建成，虚拟仪器一仪器科学与技术的未来，机床与液压，2002，6
[31] 王江峰，张晓力，虚拟仪器的现状与发展，北京工商大学学报(自然科学版)，Vol.20，No.4，2002年12月
[32] 杨乐平，李海涛，肖相生等，LabVIEW程序设计与应用，电子工业出版社，2001年7月第1版
[33] National Instruments ，LabVIEW User Manual ， January 1988 Edition
[34] National Instruments ，LabVIEW Data Acquisition Basics Manual ， January 1988 Edition
[35] 袁祥辉，固体图象传感器及其应用，重庆大学出版社，1996年6月第2版
[36] 袁祥辉，吕果林，黄友恕，128×128热释电红外焦平面阵列读出电路研究，第十六届全国红外科学技术交流会议论文，2003，10
[37] William M. Bowser，et al.. Test and evaluation of infrared hybrid readout/detector arrays by emulating system configurations during test，SPIE Proceedings，1992，1686
[38] 宋万杰，罗丰，吴顺君.CPLD技术及其应用.西安：西安电子科技大学出版社，1999
[39] V.V. Sushkov， William J. Hamilton，Kevin Hurley. Preliminary test results of a new high-energy-resolution silicon and CdZnTe pixel detectors for application to x-ray astronomy. SPIE Proceedings，1999，3765
[40] Camilla Ronnqvist, Richard Brenner, et al.. Test results from a pixel readout chip for 2D dynamic x-ray imaging， SPIE Proceedings，1998，3336
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[44] 陈衡，红外物理学，国防工业出版社1985年10月第1版
[45] 刘世建，徐重阳，曾祥斌，非致冷红外焦平面阵列用探测材料，电子元件与材料，Vol.21 No.10，2002年10月
[46] R.Kennedy McEwen European Uncooled Thermal Imaging Technology GEC-Marconi Electro-Optics March 1998
[47] 杨瑞东，王光科，红外热释电材料的研究进展，蒙自师范高等专科学校学报，Vol.4，No.2，2002年4月
[48] 邵式平，室温型热释电红外探测器焦平面列阵新进展，红外与激光工程，第27卷第2期，Vol．27 No．2，1998年4月
[49] 雷胜琼，姜军，周芳，杨彬，64×64焦平面器件读出电路铟柱列阵工艺设计及实践，红外技术，第24卷，第2期，2002年3月
[50] 黄深旺,陈进榜,陈磊,金国佑，对热释电摄像机调制方法的研究，光学技术，1996，5
[51] 贾正根，铁电液晶红外斩波器.激光与红外，1999，29（6）
[52] 贾正根，微型斩波器，光电子技术，Vol.19， No.1，1999年3月
[53] 郑康 荣德康,热释电红外摄像机斩波调制电路的设计，光电子技术，Vol.16，No.3，1996年9月
[54] 何玉靑，金伟其等，热释电型热成像系统的调制斩波器技术，红外技术，Vol.24，No.5，2002年9月
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[56] National Instruments. NI 6115/6120 User Manual，2003
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