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非制冷红外焦平面探测器测试及验证成像技术研究

刘子骥  
【摘要】:非制冷红外焦平面探测器的诞生及发展是红外技术领域一次革命性的突破,它具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高的特点,其衍生的非制冷红外热像技术具有广泛的应用前景,因此非制冷红外焦平面探测器及其应用技术正成为各国研究的热点。 本课题对非制冷红外焦平面探测器的测试验证技术进行了深入的研究,完成了微测辐射热计和非制冷红外焦平面探测器的测试验证技术的系统化设计,突破了测试验证技术中的各种关键技术,研制了的高速、高精度的红外焦平面探测器测试系统,同时基于项目组自主研发的320×240非制冷红外焦平面探测器,设计和开发了多功能、高性能的红外热成像仪并实现了验证成像。论文主要的研究内容和成果综述如下: (1)在微测辐射热计测试技术方面,深入研究了微测辐射热计的传感机理,建立了微测辐射热计的光学、热学和电学的数学模型。基于数学模型提炼了微测辐射热计的关键指标,提出了通过锁相放大技术(LOCK-INAMP)测试微测辐射热计响应电压和噪声电压的方法,克服了微测辐射热计微弱信号提取的技术难题。在热学性能参数的测试方面采用了I-V测试热导的方法,发现了通过减小偏置电流的手段,可忽略有效热导和总热导误差的技术问题,同时提出了变频锁相放大技术测试响应时间的方法。对比测试结果与仿真结果数据,确认了该测试方法的准确性和有效性。 (2)非制冷红外焦平面探测器测试技术方面,研制了非制冷红外焦平面探测器测试系统,细阐述了该测试系统的组成结构、板级系统工作原理,各模块参数指标以及关键技术的解决方案,并利用标准探测器进行验证测试,主要指标测试精度可≤1%。在测试系统中,低噪声偏置电压源模块采用了网络反馈控制结构和数字电位器技术,解决了电压源的低噪声、高精度调节以及宽温度适应性的技术难题。同时,测试系统的数据采集部分还采用了PCIE总线技术和DMA的工作模式,解决了多规格、大规模、高帧频的红外图像实时采集的技术难题,克服了采集过程中由于CPU响应速度原因带来的数据丢失问题。 (3)非制冷红外焦平面探测器验证成像技术方面,研制了基于国产320×240非制冷红外焦平面探测器的热成像仪系统,系统采用了最新的FPGA+ARM的硬件结构,并实现了参数标定和实时成像一体化的集成设计理念。在图像算法设计中,本文提出了一种改进的神经网络非均匀性校正算法,克服了传统神经网络算法目标退化和伪像的不足。在图像增强算法中,本文采用了改进的二叉堆算法,本算法大大提高了图像增强算法的效率,克服了由于探测器状态变化而导致拉伸畸变的问题。为了更好地修饰细节,本文还提出了基于梯度信息自适应权值调整的红外图像细节增强(DDE)算法技术,通过去除噪,计算图像梯度信息,修正此梯度信息,计算灰度统计权值,细节图像直方图均衡达到图像细节增强的效果。通过测试,该热成像系统的NETD达到98mK。


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