（光学工程专业论文）热释电凝视阵列调制传递函数及其测试技术研究.pdf

摘要热释电凝视阵列是目前凝视热成像技术发展的主流之一。调制传递函数( 肘玎) 作为分析、评价连续成像系统性能的重要技术方法，应用于热释电凝视阵列这一空间采样器件，必须克服混淆和不等晕问题：而对探测器的其它性能分析，大多是从传统的热释电探测器分析方法出发，很少有基于阵列结构的考虑。本文的研究工作是以热释电凝视阵列m ”的分析和测试为重点，同时对热释电凝视阵列的性能作了较为详细的分析。主要内容如下：研究了热释电凝视阵列的有关性能模型，推导了方波调制下的温度响应公式，建立了探测器的串音模型，提出了克服串音的相关方法。详细分析了热释电凝视阵列的m t f ，建立了删的理论模型并进行了计算机模拟，讨论了调制盘在热释电凝视阵列成像中的应用，阐述了改善探测器m 卯的方法。研究了空间采样器件m t f 的测试理论和测试方法。对其中的确定空间目标法，在详细分析和深入理解前人工作的基础上，提出了自己独特的见解，形成了比较完善的测试理论和测试数据处理技术；对其中的随机空间目标法，进行了归纳和分析。进行了测试系统的实验论证。本文关于m 豫研究工作的最终目标是建立热释电凝视阵列脚的测试系统。因而在上述工作的基础上，确定了适合当前技术的测试系统方案倾斜刀口目标法。在完成相关硬件和软件设计与调试的基础上，以c c d 为样品进行了测试试验，取得了较满意的结果。关键词：热释电凝视阵列，肘卯，串音，线扩展函数，刀口扩展函数，激光散斑，测试 ，2 df f t ，热成像a b s t r a c tt h ep y r o e l e c t r i cs t a r i n ga r r a yi so n eo ft h em a i ns t r e a m so fs t a r i n gt h e r m a li m a g i n gt e c h n o l o g y m o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ( m r e - 3i st h ei m p o r t a n tt e c h n i c a lm e t h o do fa n a l y z i n ga n de v a l u a t i n gc o n t i n u o u ss y s t e m s i m a g i n gp e r f o l m a n c e w n e na p p l yi tt ot h ep y r o e l e c t r i cs t a r i n ga r r a y ，w h i c hi so n ek i n do fs p a c es a m p l i n gd e t e c t o r s ，t h e r ee x i s ta l i a s i n ga n dn o n - i s o p l o t a t i o nq u e s t i o n s ；o nt h eo t h e rh a n d ，f o rt h ed e t e c t o r s o t h e rp e r f o r m a n c e sa n a l y s i s ，p r e v i o u sw o r ki sm o s t l yf r o mt h et r a d i t i o n a lm e t h o d sa n dl i t t l ef r o mt h ea r r a ys t r u c t u r e t h i sp a p e r se m p h a s i si sp u t0 nt h em t fa n a l y s i sa n dm e a s u r e m e n to ft h ep y r o e l e c t r i cs t a r i n ga r r a y ，t h eo t h e rw o r ki sd o n ei nr e s e a r c ho ft h ep y r o e l e c t r i cs t a r i n ga r r a y sp e r f o r m a n c e i nd e t a i l ，t h ew o r kd o n ei nt h i sp a p e ri sd e s c r i b e da sf o l l o w s ：t h ep e r f o r m a n c e so ft h ep y r o e l e c t r i cs t a r i n ga r r a ya r ed i s c u s s e d ，t h et e m p e r a t u r er e s p o n s ee q u a t i o nu n d e rt h es q u a r ew a v em o d u l a t i o ni sd e d u c e d ，t h ec r o s s t a l km o d e li sb u i l ta n ds o m es u g g e s t i o na b o u tl o w e r i n gc r o s s t a l ki sg i v e n t h em t fo ft h ep y r o e l e c t r i cs t a r i n ga r r a yi sa n a l y z e d t h em t ft h e o r e t i c a lm o d e li sg i v e na n dt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ni sd o n e t h ee f f e c to ft h em o d u l a t i o np l a n ei nt h ea p p l i c a t i o no ft h ep y r o e l e c t r i cs t a r i n ga r r a yi sd i s c u s s e da n dt h ew a yt oi m p r o v et h ed e t e c t o r sm t fi se x p r e s s e d t h em q fm e a s u r e m e n tt h e o r i e sa n dm e t h o d sa b o u tt h es p a c es a m p l i n gd e v i c e sa r ed i s c u s s e d i ng e n e r a l ，t h e r ea r et w ow a y st om e a s u r et h em t fo ft h es p a c es a m p l i n gd e v i c e s ：t h em o d i f i e dd e c i d e dt a r g e tm e t h o d sa n dt h er a n d o ms p a c et a r g e tm e t h o d s f o rt h ef i r s t ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga n du n d e r s t a n d i n gt h ep r e v i o u sp a p e r s ，t h ea u t h o r sp e c u l i a ro p i n i o ni sg i v e n ；ar e l a t i v e l yp e r f e c tm e a s u r e m e n tt h e o r ya n dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya r eb u i l t f o rt h es e c o n d ，t h ew o r ki sf o c u s e do nt h ei n d u c t i o na n da n a l y s i s2t h el a s te f f o r ti nt h i sp a p e ri sc o n c e n t r a t e do nt h er e a l i z a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u sf o rt h em t fm e a s u r e m e n t o nt h eb a s i so ft h ea b o v ew o r k ，t h em e a s u r e m e n ts y s t e ms c h e m e ，t h es k e w e dk n i f em e t h o d ，i sm a d e f u r t h e r m o r e ，t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ei nt h em e a s u r e m e n ts y s t e ma r ea l s od e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d u s i n gac c dc a m e r aa st h es a m p l e ，t h em t fm e a s u r e m e n ti sp e r f o r m e da n dt h er e s u l t sa r es a t i s f i e d k e yw o r d s ：p y r o e l e c t r i cs t a r i n ga r r a y ，m t f ，c r o s s t a l k ，l i n es p r e a df u n c t i o n ，e d g es p r e a df u n c t i o n ，l a s e rs p e c k l e ，2 df ft t h e r m a li m a g i n g博士学位论文热释电凝视阵列调制传递函数及其测试技术研究1 绪论1 1 调制传递函数与连续光学器件的成像性能分析调制传递函数( m o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ，简称m t f ) 是从光学系统的像质评价发展而来的。最初用来进行光学系统成像性能评价的分析方法有：像差、鉴别率、星点图等f 1 - ”，这些方法都是基于把物点看作是发光点的集合，并以一点成像时的能量集中程度来表征系统的成像质量。物体的结构分解只是众多分解方法中的一种，另外一种常用的分解方法是将物体分解成各种频率的谱，即把物体亮度分布函数展开成傅立叶级数。于是光学系统的特性就表现为它对各种空间频率的正弦光栅的传递和反映能力，从而建立了另一种像质评价方法。这种方法的优点是它既有明确的物理意义，又和使用性能有密切联系，是一种有效、客观而全面的像质评价方法。这也说明m t f 的评价像质技术的发展与傅立叶分析是紧密相联的。傅立叶分析是法国数学家f o u r i e r 在1 9 世纪2 0 年代研究热传导理论时提出的1 3 1 ，其后，p o i s s o n 、g a u s s 等人把它应用于电学分析中。1 9 4 6 年，法国杜费尔( pm d u f f i e u x ) 首次用傅立叶方法研究光学系统的成像问题”i ，得出如下重要结论：非相干光学系统可看作是一个低通滤波器。当输入是一个光强按正弦分布的物体时，输出仍是一个相同频率的正弦信号，但对比度有所下降，相位有所推移，对比度降低和相位推移的程度是空间频率的函数。从此开拓了一种新的成像理论，人们开始了在空间频率内进行光学系统的成像质量的研究。1 9 4 8 年美国的s c h a d e 首次用光学传递函数来评定电影摄像系统的成像质量。5 0 年代h o p k i n s 发表了几篇有关光学传递函数的重要论文，完整地提出了光学传递函数的概念及处理办法，并指出光学传递函数作为像质评定的许多优点。6 0 年代光学传递函数在第六届国际光学会议得到确认，在第七届国际光学会议上已经有了这方面的专题讨论。到7 0 年代，光学传递函! 堡堡! ! ! ! 至! ! 旦数的测试和计算技术已曰趋完善。随着电视摄像、红外成像等光电技术的发展，调制传递函数也由评价纯光学系统的像质发展到成像器件的像质评价。所有这些应用调制传递函数评价其系统的成像性能的场合，系统均是连续成像器件，是线性系统，且是等晕的，即系统在所考虑的区域之内，处处具有相同的强度扩展能力。1 2 调制传递函数与凝视成像器件的成像性能分析用调制传递函数来评价凝视热像器件的成像性能仅仅取得有限的成功，因为严格来讲，凝视成像器件并不满足m 卯的使用条件。凝视成像器件是空间离散采样系统，是一个不等晕的线性系统，存在一些与空间频率混淆和非等晕性有关的问题1 5 - ”i 。jl。礤默_( a ) s p e c t r a ld i s t r i b u t i o no ff i x ) ( b ) r e s u l t i n gs p e c t r a ld i s t r i b u t i o nf r o ms a m p l i n gjl厂、l0f( c ) s p e c t r a ld i s t r i b u t i o no ff ( x ) r e c o n s t r u c t e df r o m ( b )f i g u r e1 1a l i a s i n ge f f e c t si ns a m p l i n g博士学位论文热释电凝视阵列调制传递函数及其测试技术研究3l 混淆以一维阵列探测器为例，设探测器上探测元间距为t ，则器件的空间采样频率为正= l t ，对应的n y q u i s t 频率为 = l 2 。如果输入到探测器探测面上的信号截止频率正 ，由采样理论可知，高于妙q u i s t频率的部分将被叠加到低频部分，造成混淆。这样，不管探测器的后续部分采用何种重建滤波器，将不能恢复原始信号。图l l 示意了这一过程。2 不等晕凝视器件的探测元之间存在间隙，从而入射到探测器面上的狭缝目标相对探测元不同位置时，探测器对其将有不同的扩展能力。图1 2示意了这一不等晕现象。由于不等晕的存在，意味着狭缝相对于探测元不同的位置时，将得到不同的肘卯。口印口：( a )( c ) t h es p r e a df u n c t i o no f ( a )口一0z(b)(d)thes p r e a df u n c t i o no f ( b )f i g u r e1 2t h ee x p l a n a t i o no fa n t i - i s o p l a n a t i s m影响凝视成像器件的成像性能的因素很多，其中最关键的有三个：探测元的有效尺寸、探测元的实际间距及探测元间的串音。串音定义为当一个红外小光点位于某一探测元中心时，相邻探测元产生的信号值，串音大小与波长有关。凝视成像器件的m t f 必须能够反映这些因素的影响，同时又必须是唯一的即与测试设备的参数无关。基于这种思想，s k p a r k 推导了平均m t f的概念i ”1 ，这也是目前常用的凝视器件的脚f 定义方法。41 绪论1 9 9 9 年1 0 月如何测试凝视成像器件的脚，自8 0 年代以来已发展了许多不同的方法，这些方法从原理上可分为两大类，一种是基于传统线扩展函数法的确定目标法，一种是基于激光散斑技术的空间噪声法。由于热释电凝视阵列属于凝视成像器件，分析和研究适用于凝视成像器件的相关m t f 测试的理论和方法将是本文研究的一个重要内容。值得一提的是，由于空间采样器件的混淆和不等晕，为了反映这种特性，对凝视成像器件m t f 概念的定义到目前为止仍有不同的看法 13 - 1 8 1 ，但这些看法并没有形成广泛影响。因此实际使用的仍然是s k p a r k 的平均m t f 定义方法，本文亦不例外。i 3 本文研究的背景、国内外状况及意义第一代热成像系统是以数目有限的探测元为特征，借助光机扫描实现图象探测，同时还需低温致冷 1 9 - 2 2 】；第二代热像仪是以焦平面( f p a ) 阵列探测器为核一1 5 , ，自带信号读出电路 2 3 - 2 6 】，焦平面阵列主要有4 n 扫描阵列和nm 凝视阵列两种结构形式，其中又分为低温致冷和非致冷两大类型；第三代称为“灵巧”凝视大阵列焦平面【2 7 】【2 ”，其特征是集成探测器的后续信号处理电路，包括信号读出电路、前放、模数转换器等。目前，三代“灵巧”焦平面阵列正在研制中，二代热像仪处于快速发展与应用中。长期以来，致冷型热像仪由于其重量重、体积大、价格高、后勤维护复杂，大大限制了它除军用以外的其它市场。非致冷焦平面阵列1 2 9 - 3 2 的出现打破了这一僵局，由于其勿需致冷，因而重量轻、体积小、价格低，有着广阔的军用和民用市场。有人称之为红外热成像发展中的一次变革。目前非致冷焦平面阵列( u f p a ) 主要有两大类：热释电u f p a p 3 m l 和测辐射热计u f p a l 3 6 - 3 9 。鉴于非致冷焦平面阵列探测器巨大的军用和民用价值”“4 ”，中国兵器科学研究院将“热释电u f p a ”的研制列为“九五”重点预研项目。与一般的凝视成豫器件相比，热释电凝视阵列的工作机理有其特殊性。博士学位论文热释电凝视阵列调制传递函数及其测试技术研究5它是利用热释电材料具有对外界入射辐射温差产生自发极化电荷的特性制成的。为了这些自发极化电荷不被空气中的电荷中和，工作时需要以适当的频率调制入射的目标辐射，才能不断地获得目标探测信号。因此热释电凝视阵列工作时的一个显著特征是需要使用调制器。这就使得热释电凝视阵列的调制传递函数的分析与测试比一般的凝视器件更加复杂。热释电凝视阵列的调制传递函数除了与探测元尺寸、串音等有关外，还与调制频率、帧积分时间等参数有关。而且在实际应用中，调制盘位于探测器前，从本文的第三章分析可知，调制盘距探测面的距离也将影响探测器的成像性能。因此测试并提高热释电凝视阵列的m 玎，对改善该器件的成像质量及非致冷热像仪的整体性能；对研制新型的热释电凝视阵列都具有重要的指导意义。目前，国内还没有测试凝视红外探测器m t f 的实验设备和条件。从国外购置的红外探测器性能测试仪也不包含测试凝视器件 仃f 的功能。因此本文的研究具有更深层次的意义：本文形成的相关测试理论和方法对其它凝视红外探测器的m t f 测试系统的研制具有重要的参考价值。1 4 调制传递函数与热释电凝视阵列的其它性能分析由于m t f 与其它性能的紧密联系，本文深入研究热释电探测器工作机理的基础上，从阵列结构的角度对热释电探测器的其它性能作了研究。对通常热释电探测器，其性能的描述，除m 阿以外，对探测器而言，其它主要的参数有 4 3 - 4 , 1 ：温度响应率、电压响应率、探测率d 等，对由其组成的系统而言，主要有最小可分辨温差m r t d 、噪声等效温差n e t d 等。热释电凝视阵列性能分析要比通常的热释电探测器复杂些，性能参数主要针对探测元而言，除了上述参数外，常用的还有：探测元本身的热导g 、探测元问的串音等。热释电凝视阵列使用中必须对辐射信号进行调制，最常用的是方波调! 缝堡! ! ! ! 笙! ! 旦制。目前文献给出的探测器温度响应公式大多采用的是谐波调制，为研究方波调制下热释电凝视阵列的性能，本文推导了方波调制下的探测器响应率。串音是凝视型探测器的特有现象。为研究热释电凝视阵列的串音特性，本文建立了热释电凝视阵列串音响应的一阶模型，该模型对分析和克服串音是有用的。由于形成热释电探测器的材料均为铁电体，有关电场对探测器材料性能的影响，本文亦作了简单的分析。1 5 本文的主要研究内容本课题是中国兵器科学研究院下达的“九五”重点科研项目“非致冷型热释电摄像仪”的主要组成部分，以研制热释电凝视阵列调制传递函数( m t f ) 的测试分析系统为最终目标，总体研究按这样的思路进行：根据热释电凝视阵列的结构特征分析建立探测器的性能模型；根据探测器工作时信号流程建立探测器的简单模型并研究其m t f 的理论模型；对采用传统确定目标进行凝视器件m t f 的测试技术建立统一的测试理论，在此基础上分析现有的改进确定目标法肘即测试技术：对用激光散斑进行凝视成像系统m t f的测试技术进行总结和分析，与改进确定目标法相比较以确定本研究的测试方法；进行热释电凝视阵列m t f 测试实验装置的搭建和调试并进行相应的m t f 测试。具体说，本文取得的创造性成果有：1 通过深入研究热释电凝视阵列的工作原理，成像过程，首次从阵列结构的角度，研究建立了热释电凝视阵列在方波调制作用下的性能模型和热释电凝视阵列的串音响应模型，并对其它的相关性能进行分析。2 在建立的热释电凝视阵列信号传递模型的基础上，首次建立了热释电凝视阵列j 町下的理论模型，并进行了计算机数值模拟，分析了热释电凝视阵列m 盯的变化特征和改善m t f 的方法。所得成果可直接为热释电凝视阵列的实际应用提供理论指导，也为其脚测试提供了很有价值的参考信息。博十学位论文热释电凝视阵列调制传递函数及其测试技术研究73 通过深入研究采用确定测试目标进行凝视成像探测器肘丌测试的成像过程，首次建立了基于该方法的比较全面而且统一的m t f 测试理论。分析了现有的采用确定目标进行m t f 测试的方法，特别对其中关键的微倾斜目标法的数据处理技术进行了系统分析和研究，所得成果可直接应用于实际测试中。对采用激光散斑进行凝视器件m 卯的测试技术，进行了系统的总结和分析，它对热释电凝视阵列m t f 测试方案设计具有重要的参考意义。4 在比较现有的测试方法的基础上，确定了采用微倾刀口目标进行热释电凝视阵列m t f 测试的系统方案，进行了相应软硬件设计，完成各子系统部分的调试并进行了测试系统的总体调试，进一步研究了微倾刀口目标m t f 测试法中的数据处理技术，进行了凝视器件m t f 的测试实验。该部分工作为测试系统工程化研制打下坚实基础。! 垫登皇竖塑堕型墨薹丝墼坌堑! ! ! ! ! ! 旦一2 热释电凝视阵列及其性能分析热释电凝视阵列工作的基础是热释电材料。热释电材料具有感应温度的变化而产生极化电荷的能力，因此热释电探测器工作的特征之一就是要对入射信号进行调制。对热释电探测器性能的研究，先前的工作许多是基于谐波调制，而且很少考虑阵列的结构特征4 川“i 。而在实际使用中多采用方波调制。本章在讨论热释电凝视阵列结构特征的基础上，研究了方波调制下热释电凝视阵列的温度响应及其它有关性能，建立了热释电凝视阵列的串音模型，讨论消除串音的方法。同时，在总结前人工作的基础上，本章还讨论了热释电凝视阵列构成的成像系统的有关性能。由于形成热释电器件的材料均为铁电体，最后以钛酸锶钡( b s t ) 为例，讨论了电场对铁电体热释电材料性能的影响，力求对热释电凝视阵列的结构及相关性能有一个总体认识。2 1 热释电凝视阵列利用热释电效应进行实用红外探测器的制作始于1 9 6 0 年，通过选择适当的材料、器件结构和前置放大器，探测器将具有很高的灵敏度或很快的响应时间以适应不同应用。热释电摄像管的研制大约始于1 9 7 0 年，在结构上它与普通视像管类似，只是靶和输入窗的材料不同。热释电靶在工作时需要交变的入射辐射。热释电摄像管的工作过程与普通视像管类似，分两个步骤：一是热图像的写入，即靶面接受景物的热辐射，利用靶面的热释电效应将输入的辐射图像转换成靶面的电荷图像；二是视频信号的读出，即通过电子束扫描靶面，逐点导出靶面电荷从而在输出电路中得到视频信号电流。热释电摄像机工作时，由于热释电靶面热量的横向扩散和电荷的横向表面扩散将引起热释电电荷之间的传递函数损失，这种损失与靶面材料的电导率和热导率有关，再加上电子束竖主堂堡垒塞垫登皇堡塑堕型塑查! 堡堂里墼墨茎型堡垫查堕塑一! 一扫描惰性，往往得不到满意的像质，其性能还比不上光机扫描热成像系统，因此极大地限制了它的应用领域。改进之一是用网格化靶面代替普通靶面，这就能有效防止能量的从高温点向周围较低温度点的横向扩散，也可消除热释电电荷的横向扩散。b a cc o么一。掣l 1ui1 。ls c 。nr e a a 。州c1 02 热释电凝视阵列及其性能分析1 9 9 9 年1 0 月2 2 集总参数模型与方波调制下的探测元温度响应研究许多文献给出了热释电探测器谐波调制下的温度响应，而在实际使用中较多的采用方波调制。集总参数模型1 假设探测器部分的温度是均匀的，对空间不必求平均，当探测器的基底很薄，且热释电晶体厚度小于热扩散长度时，可以采用集总参数模型。对热释电凝视阵列中单个探测元受辐射而产生的温升研究，采用集总参数模型是合适的。假设探测元的热容为c ，探测元与外界的传热系数为g ，在辐射只( f )的作用下，f ( t ) 为调制信号，为求探测元的温升r ，可采用下列方程1 4 7 ”8 】：cd a 卉t + g r ：p j f ( f )( 2 1 )解此方程得：心- e x p ( 一纠f t e x p ( t ) 半孙c ，l陋z ，式中t 为调制周期，f = c ，g 。在方波调制作用下，光照半周期和遮光半周期的温度分别为：五c ，= e x p ( - ， 鲁( e x p ( t ) 一，) + c 1e x p ( 一 ， o _ t t ，在方波调制作用下，单个探测元温度的变化可简化为：r = 告丢= 匕“4 f c )( 2 - 8 )探测元的热容包含吸收层和探测元本身两部分。一个带1 5 k t m 厚吸收层的探测器，热容c * 5 x 1 0 “肛一。相应的在方波调制下探测器电压响应率r 。为：r ，= a t p b 占岛= 丽p b( 2 9 )式中b 是探测器厚度。如果探测器采用3 0 h z 方波调制，r 。= 1 1 1 0 6 聊一。3 热导降低探测元与其周围环境的热导无论对减少热噪声还是提高探测率都是有益的。对许多聚化物制成的吸收层1 4 9 | ，最低热导率约为o 0 0 1 矿硎一k 。除此之外，金属吸收层影响显著。探测元熟导的来源主要有：表1 热释电凝视阵列热导的主要来源聚化物前覆盖层1 4 1 0 6 w k 一1前吸收金属4 0 1 0 7 w k 一1聚化物支撑1 0 1 0 6 w k 一互连金属5 0 1 0 7 w k 一1总热导3 3 x1 0 - 6 v k 一1博士学位论文热释电凝视阵列调制传递函数及其测试技术研究1 3对热时间常数c g 约为1 5 m s 的探测器，当调制频率为3 0 h z 时，考虑热时间常数的影响时，预测响应率将有所下降。4 极限探测率d 热释电探测器极限探测率d + 是在温度噪声限下的探测率。热释电探测器的温度噪声为a 砰( ，) = 4 g k t2 r ；6 f ，式中r ，为探测器在谐波调制下的温度响应率。为噪声带宽，可表示为：厂= - ( 2 - 1 0 )对凝视系统，弛豫时间力表示同一探测元的信号连续两次被读出的时间间隔，假设帧频为，则有：白4 亩2 - i i )由温度噪声可得到相应的温度噪声等效功率为：r = 刚”r r ：4 g k t2 v 7 ”(12)neprl 4 g k r2 - 1 2r = i 巧( ，) j，=2 厂r(对应的温度噪声限制的极限探测率为：耻样= 警= 悉知口对上述探测器而言，其探测元的有效面积为3 5 1 t m 3 5 a m ，假设探测器温度t = 3 0 0 k ，则探测器热导限制的d + 为8 6 5 1 08 c m h z m w 。2 3 2 系统性能分析、n e t d对凝视热成像器件，n e t d 的表达式为 3 2 1n e t d = 糕( 2 1 4 )! ! 垫登皇堑塑堕型垦基丝丝坌堑! ! ! ! 生! ! 旦式中，f 是光学系统的厂数，川v l a t 是热对比度，通常表示为【4 0 1 ： a t = l ( o m ：o t ) r 。( 旯) f 。( 兄) s ( a ) c 现( 2 1 5 )式中，f 。( a ) ，f 。( 旯) ，s ( a ) 分别为大气的透过率，光学系统的透过率和探测器的光谱响应，它们均为波长的函数。对于a = 8 朋到1 2 a n 波段，假设条件与文献【4 0 】相同，则有：a m a t = 1 9 7 2 x 1 0 。4 缈c 川k 。对由上述探测器构成的系统，同样假设探测器温度t = 3 0 0 k ，场频为5 0 ，f = l ，则在8 a n到1 2 a m 波段，温度噪声限的n e t d 为4 1 8 7 1 0 。o c 。j z m r j i ? d在所有参数中，m r t d 与m t f 的关系最为密切。从三维噪声模型出发的凝视热成像系统的客观m r t d 可以表示为m l ：m r t d ( f ) ：塑辫廊厕(2_16)8mtf( n ”7式中，是随机时空噪声，t ( ) 是系统噪声校正函数，e ，e h ( ，) ，e ，( ，) 分别是人眼的瞬态积分因子，水平空间积分因子与垂直积分因子。它们的物理定义如文献 5 0 1 定义，s n r , h 是信噪比阈值。2 4 热释电凝视阵列串音分析串音是所有凝视型探测器具有的显著特征。它是指当某个探测元受到红外辐射时，相邻探测元产生的信号值。热释电凝视阵列产生串音的根源有两个：落在两个探测元间隙的吸收层上的辐射产生的热量被相邻的探测元共享从而产生串音；热量通过探测元间的热导传递而产生串音。前者对探测器的成像性能影响较小，而后者则起主要影响，下面主要研究后者的影响。如图2 3 示，根据串音的定义，为了分析方波调制下串音的大小，由于方波可以展开成谐波的合成，首先假设探测元a 受到基频谐波辐射信号而产生的温度变化为a e x p ( j c o t ) ，由于探测元间热导的作用，探测元b 和博士学位论文热释电凝视阵列调制传递函数及其测试技术研究1 5c 将受到探测元a 的信号影响，为分析的方便，忽略其对d 和e 的影响。探测元a 的温度将通过相邻探测元间的热导向探测元b 和c 输送，该过程可以采用一阶测温系统模型1 即可以视为b 、c 是a 的测温元件。田吁口设探测元的热容为c ，探测元间热导为g ，探测元a 的温度为x ( f ) ，探测元b 和c 的温度为y ( f ) ，并令f = c g 为探测元的响应时间常数，则有：2 cd 出y = g ( x ( f ) - a v ( r ) )( 2 1 7 )即为：2 7 詈+ 2 y 钳( 2 1 8 )其频率特性、幅频特性和相频特性分别为：打( - ，国) 2 丽1( 2 - 1 9 )彳国2 丽1( 2 - 2 0 )2 l + ( 彻) 2”。一7p ( ) = 一a r c t g ( 俐)f 2 2 1 )对应的幅频曲线和相频曲线如图2 4 和图2 - 5 所示。! ! 垫登皇塑塑堕型垦茎堂堂坌塑! ! ! ! 堡! ! 旦00 芝000l、埘ff i g 2 4t h ea m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i z a t i o no fa1 - o r d e rs y s t e m寻lb。p i g 2 5t h ep h a s e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i z a t i o no fa1 - o r d e rs y s t e m瓜。瓜。一卜渺。f i g 2 6t h ei n p u tx ( r ) a n do u t p u ty ( t ) o fa1 - o r d e rs y s t e m如果热响应时间常数很大，从上式可知，串音将滞后输入信号9 0 度，博士学位论文热释电凝视阵列调制传递函数及其测试技术研究1 7这时，如图2 6 所示，通过后续处理电路将消除串音。如果热响应时间常数为1 5 m s ，调制频率为3 0 月l ，则r = 2 , r f 。r = 2 8 3 ，妒( c o ) 。一7 0度，a ( c o ) z0 1 6 。显然，必须调整调制盘的工作相位才能使串音滞后相位为9 0 度，通过后续处理电路同样将消除串音，从而提高了高频特性。提高调制频率同样可以达到这种效果，但是显然，这是以增加显示的刷新时间和牺牲响应率为代价的。对于离探测元a 更远的探测元如图2 - 3 中的d 和e ，同样采用一阶模型分析可知，其振幅将进一步减小，滞后相位趋于9 0 度，它们的影响从后续电路中完全可以消除。对于方波中其它谐波产生的串音，从上面的分析可知，爿( ) 0 1 ，f 2 ，叽f = 5 6 6 ，p ( ) “一9 0 ，可见，它们的影响随着频率的增加将越来越小。2 5 电场对铁电体热释电材料性能的影响分析热释电晶体有两类，有一类热释电晶体，其白发极化方向能用外电场改变，这类晶体叫做铁电体。另外一些热释电晶体，其自发极化方向不能用外电场来改变，这类晶体称为热释电非铁电体。由于形成热释电器件的材料均为铁电体，因此讨论外加电场对其性能的影响是必要的。在外电场的作用下，铁电体的极化强度矢量可表示为：p = 加+ p o( 2 2 2 )武中z 为极化率，从而相应的电位移矢量d 为：d = s o e + p = 甄e + p o( 2 - 2 3 )式中氏是真空介质常数，s 是介质的相对介电常数( 不导电常数) ，p o 是外加电场为零时的极化强度。外电场改变极化方向的实质是这类晶体的介电常数与电场有关。热释电晶体的介电常数同时也是温度的函数。以铁电体钛酸锶钡( b s t ) 为例，对一个典型的铁电体材料，其极化强度、相对介电常数和温度的关系如图2 7 所示。从图中可知，不导电常数和热释电系数的最大1 82 热释电凝视阵列及其性能分析1 9 9 9 年1 0 月值均出现在居里温度之上，特别当工作温度离居里温度较远时，不导电常数将对极化起主要贡献。t e m p e r a t u r e ( 。c )f i g 一27p y r o e l e c t r i ca n dd i e l e c t r i ce f f e c t s ( f r o mr e f 3 5 )考虑电位移d 和相对介电常数s 均是温度和电场的函数，表示为：占d ( e ，r ) = 岛e + p = 晶( r ) + p ( e ，r ) 占。翘0g芒三巴夏篁皇暮昌g式( 2 2 3 ) 可( 2 2 4 )式中，积分部分表示不导电常数对极化的贡献，则相应的热释电系数为：p ：而a d ：坠+ 旦i ( e ，t ) 6 0 d ea t a ta t ! 、。= p o + j a 6 ( a e r t ) 6 。d e( 2 2 5 )式中p 。是外加电场为零时的热释电系数，积分部分表示不导电常数对热释电系数的贡献。要详细计算电场对铁电体材料性能的影响是比较困难的，这里只能作一个量的分析。从文献 3 3 】引用的d e v o n s h i r e 铁电体模型可知，电场的增加可以直接改善响应率优值因子，但是这种增加并不是线性的。同时电场的增加将导致热释电晶体电容值的下降，这对净输出响应率是不利的。博士学位论文热释电凝视阵列调制传递函数及其测试技术研究1 9任一实际器件在应用中都将产生杂散电容，杂散电容的存在导致响应率衰减，实际的净输出响应率应为理论响应率乘以因子：a ：土( 2 - 2 6 )：c d + cn式中，c 。为探测器电容，c 。为杂散电容。随着电场的的增加，介电常数将减小，如图2 8 示，从而c 。减小，爿，降底。当电场大到一定程度时，爿。衰减很快，最终导致净响应率的降低。因此实际应用中外加电场加到何种程度有一个度的问题。t e m p e r a t u r e ( 。c )f i g 2 8d i e l e c t r i cc o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n df i e l dd e p e n d e n t s ( f r o mr e f 3 5 )进一步分析图2 - 8 ，电场的增加使介电常数随温度变化的峰值变宽，这一点在实际应用中是有用的，它使得工作点附近的极化变得稳定，同时降低了温度控制的极限。综合以上的分析，外加电场对铁电体材料的性能有如下影响：1 提高了材料的响应率。外加电场在自发极化的基础上又增加了一个诱导极化，同时对材料的不导电介电常数有抑制作用，特别在峰值附近。卜z，上zouuh醋lu叫一岫h口2 02 热释电凝视阵列及其性能分析1 9 9 9 年1 0 月2 拓宽了响应的峰值，降低了温度控制的极限，同时稳定了转换附近的极化。3 外加电场的大小有一个度的概念，当电场达到一定程度时，将导致净输出响应率的降低。2 6 小结本章在讨论热释电凝视阵列结构的基础上，研究了方波调制下的热释电响应，同时对热释电凝视阵列的其他性能也作了比较详细的分析，建立了热释电凝视阵列的串音模型，指出了克服串音的方法，并分析了外加电场对热释电一铁电体材料性能的影响，力求从总体上对热释电凝视阵列有一个全面认识。本章的工作也是本文的后续工作打下必要的基础。kirjl博士学位论文热释电凝视阵列调制传递函数及其测试技术研究! 13 热释电凝视阵列调制传递函数分析对热释电成像器件m 玎的分析，先前的大部分工作主要集中于热释电摄像管 4 3 - 4 8 i ，而没有涉及热释电凝视阵列。本章根据热释电凝视阵列的信号传递过程首先建立一个简单的热释电凝视阵列信号传递模型，首次分析研究模型各部分的理论m t f 。然后在此基础上进行了计算机模拟，它们之积即为热释电凝视阵列的m t f 理论值。根据研究结果可以系统研究热释电凝视阵列肘 与材料特性、器件结构、和工作状态之间的关系，其目的是为热释电凝视阵列m t f 测试、评价和实际应用提供理论指导。3 1 热释电凝视阵列靶面m t f3 1 1 热释电凝视阵列的一个简单信号传递模型从前一章对热释电凝视阵列的结构分析可知，热释电凝视阵列成像过程为：吸收层吸收辐射功率传递给探测元；各探测元将各自吸收的辐射功率转变为晶体温度的变化；晶体温度的变化引起热释电晶体表面电极的电荷变化：电荷的变化产生电压降，其数值与热释电晶体芯片的电容值以及探测器的前置放大器有关；信号通过c m o s 读出电路读出。这5 个过程中，与空间频率无关，实际上是一个空间采样的一部分。参照热释电摄像机的成像过程，热释电摄像机由热释电靶和电子扫捕系统组成，为提高其成像性能，可以采用网格化靶。因此，与采用网格化靶的热释电摄像机相比，热释电凝视阵列主要不同在信号读出部分。故热释电凝视阵列的工作模型实际可以等价为一个具有较小热扩散系数的热释电靶和一个空间积分采样器件。这个模型从文献 5 3 给出的凝视系统的成像模型中也是很容易得出的。这样，就可以将热释电凝视阵列中的串音、调制盘对成像性能的影响放在一起分析。这个简单模型不仅可以简化热释电凝视阵列躺下的分析，而且用它来2 23 热释电凝视阵列调制传递函数分析1 9 9 9 年1 0 月研究探测器各部分对m t f 的影响也是实用的。3 1 2 任意调制作用下热释电响应的一般方程热释电凝视阵列工作时首先通过吸收层将经过调制的辐射信号转换为热量给探测器。实际使用中，调制盘不可能位于实际探测面上( 即成像系统的像面) ，由下面分析可知，实际的调制信号将与理论设计不符，这种误差将引起探测器实际m t f 的改变。另外，吸收层存在横向热扩散。考虑横向热扩散的影响，在辐射调制信号e 。c o s2 n f i r f ( t ) 的作用下，则探测器面上的温度分布服从热平衡方程1 ”4 i ：e 。c 。s 2 n f , x f ( t ) + k b v2 丁( 埘) t 6 翌掣( 3 - 1 )式中t ( x ，t ) = l ( x ，r ) 一兀是绝对温度与平均温度间的温差，k 是热导率( w m k 。1 ) ，f ( t ) 是辐射信号e 。c o s2 , v x 受到的调制，c ，是材料的体积比热容( ，埘- k 一1 ) ，b 是材料的厚度。为得到任意调制作用下热释电响应的一般方程，首先考虑采用谐波调制的情况，设f ( f ) = e ”“，此时方程( 3 - 1 ) 的解为：咐) = 鲁州z 剩伊b ) 2 + 警 - l( 3 _ z )式中d = 后c 。是材料的热扩散系数。令：口；4 1 r2 d f )( 3 3 )口= ( 3 )则式( 3 - 2 ) 化为：t ( x ，f ) = 粤去c o s ( 2 矾x ) e ”“b + 巧1 - 1( 3 4 )c d 一对任意调制波形f ( t ) ，设其调制角频率为c o 。为求出f ( t ) 调制下的温度变化，可以利用傅立叶级数首先将调制波f ( t ) 展开成以c o 为基频的谐波的合成。注意到f ( t ) 的周期为2 州m ，f ( t o ) 为f ( r ) 单个周期内的函数表达竖主堂垡堡奎垫登皇竖塑堕! ! 型型堡望堕堡些墨型堕堡查竺墨翌式，有：砷) = 量 fc 。e j n t ”t = 塞丢f 2 i t 即。弦”硪“：2 m 。) 妻等e 删乃舯o ) 班。5 将杰等e x p j n o j ( f 一“) 】作用于探测器，采用( 3 4 ) 式的结果，可得到一组5 函数周期序列作用下的温度响应：r 5 = 象弓c 。s 2 矾x 兰券k + 咖】1 唧咖邮_ f 0 ) c ，删令r = c o t ，fo = c o t o ，代入( 3 - 6 ) 式中的求和部分，进一步计算有：r 5 = 岳去c 。s 2 矾x 童昙b + ，聆】- ie 冲咖( f 妇c ，显见，( 3 - 7 ) 式中的求和部分表示的是某一周期为2 r e 的周期函数f ( r 一)的傅立叶级数展开。考虑函数f ( x ) = e x 在( 一万，万) 的傅立叶级数ml ：e 吣，= 妻墨并e x p ( _ 廊，所以，在周期0 f f o 2 x 内，( 3 - 7 ) 式即为：r5 ( f ) 2 瓦e o ，产2 矾x 上s ha xe x p g x 一( f f 。) b0 f 一7 0 2 万：式中：曲( 口茚) = ：1 ( p ”一e 一誓) 是双曲正弦函数，对应的热释电电荷为：咖) 2 丽p e oc o s2 矾x 上s h a ，re x p 扛k 一( f - 。) 】)( 3 9 )0 f f o 2 石在f ( ，) 的调制下，热释电电荷随相移f = c o t 的变化规律实际即为周期函数只r ) 与q “( r ) 的卷积，根据卷积定义，实际即为：2 43