摘要
红外焦平面包括制冷型焦平面和非制冷型焦平面两种。论文首先全面阐述了这两种焦平面技术的发展概况，分析了今后的发展趋势；然后介绍了焦平面技术在军事和国民经济各领域中的应用。红外焦平面技术涉及到很多方面，关键基础技术涉及红外材料、器件、电子学处理技术和读出电路等方面。本论文主要围绕读出电路的参数测试以及红外图像信号处理，着重研究了提高微机测试系统性能的措施，基于虚拟仪器技术的红外焦平面读出电路的特性参数测试和红外凝视成像技术。
要提高微机测试系统的性能，首先要保证系统具有较强的抗干扰能力。这就需要弄清系统的干扰来源和传播途径，然后才能采取相应的抗干扰措施。硬件措施主要包括接地、屏蔽、滤波和隔离等，另外还需注意采取措施提高微机I/O通道的抗干扰能力；对进入微机系统的干扰需用数字滤波等软件方法加以抑制。为了提高测试精度，在数据采集中，可以采用量程自动切换、合理的采样频率以及加扰技术；对采集的数据，需要进行预处理，主要包括剔除含有粗大误差的数据和消除系统误差等。
读出电路是红外焦平面阵列的重要组成部分之一，为了正确评价读出电路的性能，有必要开发一种系统来测试其特性参数。虚拟仪器是计算机软硬件技术和仪器技术相结合的产物，是测试技术发展的方向。根据读出电路的测试需要，选择了虚拟仪器开发平台。为了保证测试系统能测试各种读出电路和系统的灵活性，设计了以复杂可编程器件（CPLD）为核心的多功能信号源。根据读出电路的测试原理开发了相应的参数测试模块。为了保证系统的稳定性和测试精度，自行开发了增益自动控制模块以及数据预处理模块。与国内同类仪器相比，具有体积小、性价比高、易于修改、升级的特点，并且提供了丰富的数据显示功能，为定性评价读出电路的性能提供了有效的手段。该系统易于升级，只要增加必要的硬件和相应的参数测试模块就可以用于图像传感器以及红外焦平面器件的测试。该系统已经成功应用于多个科研项目的测试中。
非制冷成像技术是一门高新技术，热释电焦平面技术是实现非制冷红外焦平面阵列技术的主要途径之一。根据热释电焦平面成像原理，用SSPA器件在可见光条件下设计了基于虚拟仪器技术的热释电凝视焦平面成像模拟系统，包括光学系统、斩波控制、驱动信号设计、基于虚拟仪器技术的图像数据采集和相关的图像处理技术，如图像差分、非均匀性校正、图像增强和动态显示等。所有的软件模块都是根据相应原理自行开发的。通过该实验，我们预先研究了热释电成像技术，对开发实际的热释电成像系统具有重要意义；另一方面也为开发基于虚拟仪器技术的完整的红外焦平面性能测试评价系统，包括读出电路和红外焦平面器件的特性参数测试以及成像性能测试奠定了坚实的基础。
The infrared focal plane arrays (IRFPA) can be classified into the cooled focal plane arrays and uncooled focal plane arrays (UFPA). In this paper, the developing process of IRFPA is elaborated, and the developing trends are analyzed, and then, applications of IRFPA in the military affairs and the walks of life in the national economy are introduced. The IRFPA technology is involved in many fields of science. The key ones are mainly involved in infrared material, device, electronic processing and the readout integrated circuit (ROIC). Concerned with the parameter test of ROIC and the infrared image signal processing, this paper mainly research on three items. That is, the methods to improve the performance of the test system based on PC; the parameter test of ROIC and the infrared staring imaging based on the virtual instrument (VI) technology.
In order to improve the performance of the test system based on PC, it is necessary to ensure that the system has the strong ability for anti-interference. The corresponding anti-interference techniques should be taken only having fully understood the interference source and its transmission routes according to certain conditions. Techniques based on hardware mainly include grounding, shielding, filtering and isolation. Measures should be taken to improve the anti-interference ability of I/O channels in PC as well. Techniques based on software mainly include all kinds of digital filtering, which is necessary to further reduce the interference into the system. In order to improve test precision, techniques such as auto-gain control, proper sampling rate select and dithering should be applied into the data acquisition process, and data pre-processing techniques should be used to eliminate data with careless error and correct data with system error.
ROIC is one of the most important parts of IRFPA. It is necessary to develop a system to test the parameters of ROIC in order to correctly evaluate its performance. A VI is the combination of computer hardware and software technologies and instrumentation technologies. It is the developing trend of measuring and testing techniques. The developing environment of VI is selected according to the test requirements of ROIC. The multifunctional signal source, where the complex programmable logic device (CPLD) is as the core component, is developed to ensure the system can test all kinds of ROIC and its flexibility of the system. The corresponding parameter test modules are developed according to the test theory of ROIC. And software modules such as auto-gain control and data pre-processing are developed to ensure stability and test precision of the system. Compared with the similar domestic equipments, it is with small volume, high performance price ratio and is easy to modify and upgrade. It provides users with all kinds of functions to display data, which is helpful to qualitatively evaluate the performance of ROIC. This system can be applied into the test of solid image sensors and IRFPA if the necessary hardware and the corresponding test modules have been added. Now the system has been successfully used in the test of many research projects.
The uncooled thermal imaging technology is one of the high technologies. Pyroelectric FPA is one kind of UFPA. According to the theory of pyroelectric imaging, a system based on VI technology to simulate the pyroelectric staring FPA imaging is developed, where the SSPA (Self Scanned Photodiode Array) device is used, with the irradiation of visible light. The simulation system includes the optics, chopper control, driving signal design, image data acquisition based on VI technology and image processing including image difference, non-uniformity correction (NUC), image intensification and dynamic display, etc. According to the corresponding theories, the author designed all these software modules. The research on the pyroelectric imaging technology through this experiment is of great importance to practical thermal imaging system in the future. It is also of great use to develop a complete
引文
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