湖北久之洋红外系统股份有限公司, 湖北 武汉 430223
现有国产非制冷红外探测器多采用挡板校正进行非均匀性校正, 影响了红外探测器的观测效果与目标搜跟。为了拓展红外探测器的应用方向与领域, 提出了一种国产非制冷红外探测器新型场景校正方法, 通过改进的神经网络场景校正方法去除高频非均匀性, 再通过时空联合的低频滤波去除低频非均匀性。应用该方法的某国产非制冷红外机芯, 工作1 h后图像非均匀性为0.5%。该方法具有良好的校正效果, 并且能够有效地抑制“鬼影”现象, 有利于减少红外成像系统的体积与功耗, 有利于国产非制冷红外探测器在航天、航空、**装备等多领域的应用。
非制冷红外 非均匀校正 红外成像系统 场景校正 非均匀性 uncooled infrared non-uniformity correction infrared imaging system scene correction non-uniformity
上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海201620
为了消除非制冷红外焦平面阵列上红外成像结果的非均匀性与成像过程中产生的盲元，提高了图像的对比度以及红外图像的实时处理能力。搭建了基于武汉高德红外公司生产的120×90红外焦平面探测器的电子学实验平台。利用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)的并行处理和流水化处理的能力，在FPGA上实现了非均匀性校正中的两点校正、基于中值滤波的盲元补偿、直方图均衡化以及伪彩色变换。实验结果表明，在200 MHz的输入时钟条件下，这种红外图像实时处理模块处理一帧图像耗时604 s，实时性强。该研究对于非制冷红外焦平面阵列应用优化具有一定的实际意义。
现场可编程门阵列 非制冷红外焦平面 红外图像处理 field-programmable gate array uncooled infrared focal plane infrared image processing
1 中国科学院微电子研究所新技术开发部物联网技术研发实验室, 北京 100029
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 无锡物联网创新中心有限公司, 江苏 无锡 214028
4 中国科学院微电子研究所集成电路先导研发中心, 北京 100029
为适应非制冷红外探测器高空间分辨率的发展趋势, 非制冷红外焦平面阵列作为非制冷红外探测器的核心部件不断向大阵列、小像素方向发展。本文针对二极管型非制冷红外焦平面阵列, 理论分析了敏感元件二极管对读出电路以及器件性能的影响, 在确定二极管最佳工作电流的同时, 提炼出二极管结构中串联个数以及结面积为主要性能影响因素。基于此, 设计了 p+n-pn-n+p三合一二极管, 并将其与传统二极管、回型二极管、 p+n-n+p二合一二极管、以及由 p+n-n+p二合一二极管直接拓展得到的两种三合一二极管进行了对比考察, 研究发现 6种结构中 p+n-pn-n+p三合一二极管在相同尺寸下拥有最多的二极管串联数量且结面积相对最大; 进而利用 Sentaurus TCAD仿真, 验证了在同一整体尺寸下, p+n-pn-n+p三合一二极管的电压温度系数分别约为 p+n-n+p二合一二极管, 及在其基础上直接拓展得到的两种三合一二极管的 1.5倍, 为回型二极管与传统二极管的 2.6倍、3.7倍。证明了在小像素下 p+n-pn-n+p三合一二极管性能最优, 且在其基础上拓展可得到 N合一二极管能进一步优化器件的性能。
二极管非制冷红外探测器 噪声等效温差 电压温度系数 三合一二极管 diode uncooled infrared detector noise equivalent temperature difference temperature coefficient of voltage 3-in-1 diode
烟台艾睿光电科技有限公司, 山东 烟台 264006
陶瓷封装是非制冷红外探测器最主流的封装形式, 封装的低成本、小型化和高可靠性是发展方向。在某款陶瓷封装探测器结构的基础上, 提出一种优化结构, 优化后成本降低约 5%、体积缩小约 30%。基于 ANSYS Workbench有限元分析软件, 从网格数量无关性验证出发, 分析了非制冷红外探测器陶瓷封装原始结构和优化结构各组件在 10.2G随机振动环境和 500g半正弦波冲击振动环境的最大等效应力和最大形变, 结果显示两种结构均满足可靠性要求。在此基础上, 本文对优化结构红外窗口的不同材料和不同厚度进行了 500g半正弦波冲击振动环境可靠性仿真, 结果表明: 0.3 mm～1.0 mm厚度锗窗口和硅窗口均满足可靠性要求, 最大等效应力和最大形变与窗口厚度呈负相关, 相同厚度的红外窗口, 硅窗口比锗窗口可靠性表现更好。本文的研究为非制冷红外探测器陶瓷封装形式的后续结构设计和仿真计算提供了参考。
非制冷红外探测器 有限元 陶瓷封装 结构优化 可靠性 uncooled infrared detector finite element ceramic packaging structural optimization reliability
1 凯迈(洛阳)测控有限公司, 河南 洛阳 471009
2 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
为解决在强辐射环境中使用红外热像仪时由辐射导致其性能退化迅速的技术问题, 基于机械正组补偿式连续变焦结构形式, 通过在后固定组中引入反射镜来形成折转式光学系统, 避免后端探测器直面前方辐射射线。设计了一种工作波段为8～12 m、F数为1.2、焦距为25～90 mm的非制冷红外连续变焦光学系统。结果表明, 该系统结构合理、成像良好, 在探测器对应的特征频率42 1p/mm处的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值大于0.2, 满足应用需求。加工装调后, 经实际成像测试, 验证了设计的准确性。
防辐射 非制冷红外 连续变焦系统 光学设计 radiation-proof uncooled infrared continuous zoom system optical design
1 中国科学院半导体研究所 超晶格实验室，北京 100083
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京 100049
非制冷红外成像技术具有非常广泛的应用前景。但是，目前非制冷红外成像芯片存在非均匀校正、图像细节增强和条纹噪声等亟待解决的问题。论文提出并设计一种面向非制冷红外成像的图像处理专用SoC芯片，芯片集成了一个CPU、两个DSP处理器和一个红外图像处理专用加速器，单芯片可实现非制冷低功耗红外图像的非均匀校正、图像滤波、直方图均衡、数字图像细节增强、条纹消除和目标检测跟踪等实时图像处理。同时，研究开发了面向芯片应用的非制冷低功耗红外图像处理算法。采用65-nm CMOS工艺实现了非制冷红外图像专用处理SoC芯片，实现了基于非制冷红外成像芯片和图像处理SoC芯片的小型低功耗非制冷红外成像系统。测试结果表明成像系统可以实现清晰的非制冷红外成像、目标检测及目标跟踪等功能，系统功耗小于2 W，体积相比传统的系统减小了50%，满足对体积、功耗、性能要求比较高的系统的应用需求，具有较高的工程应用价值和前景。
红外图像处理 SoC芯片 非制冷红外探测系统 低功耗 infrared image processing SoC chip uncooled infrared detection system low-power
1 苏州大学光电科学与工程学院教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
2 苏州大学光电科学与工程学院江苏省先进光学制造技术重点实验室，江苏 苏州 215006
尺寸小、成本低和寿命长的非制冷热红外成像光谱仪对探测高温目标有巨大潜力，但其严重的内部噪声会降低检测灵敏度。非制冷热红外成像光谱仪主要的噪声包括探测器噪声、光机元件表面散射杂光引起的噪声、光栅非工作级次产生的杂光噪声和光机元件自身的背景辐射噪声。推导了包含上述噪声的噪声等效温差（NETD）公式，以Offner型热红外成像光谱仪为例，分析NETD与系统F数和机械元件内表面光学属性等主要影响因素之间的关系，研究了光机表面抛亮处理在抑制光谱仪内部背景辐射噪声方面的能力。最后，采用像元间线性关系法扣除了剩余的噪声，使探测信号与目标本身信号基本一致。
仪器 非制冷红外成像光谱仪 内部热辐射 杂散辐射抑制 噪声等效温差 表面抛亮 光学学报
2022, 42(15): 1512006
湖北久之洋红外系统股份有限公司, 湖北 武汉 430223
现有国产氧化钒非制冷红外探测器多采用挡板校正进行非均匀性校正, 导致结构复杂与图像中断, 从而影响探测器的正常使用。提出了一种新型无挡板非均匀校正方法, 首次结合基于定标校正与场景校正的非均匀校正方法, 实现了对非制冷红外探测器的无挡板校正。实验结果表明, 该方法能在开始校正后快速实现非均匀校正, 校正效果良好, 并且不存在传统场景校正方法存在的“鬼影”问题。该方法避免了红外成像系统的图像中断问题, 同时有助于减少红外成像系统的体积与功耗。
非制冷红外 非均匀校正 无挡板校正 红外成像系统 场景校正 uncooled infrared non-uniformity correction non-baffle correction infrared imaging system scene correction
红外与激光工程
2021, 50(3): 20200330
