一种红外高灵敏度成像探测方法和星载红外相机技术

本发明专利技术公开了一种红外高灵敏度成像探测方法和星载红外相机，高灵敏度红外相机系统包括线性高增益红外探测器组件，低温光学组件，信息获取处理一体化模块；信息获取处理一体化模块包括：多路信号调理和采集电路、红外背景智能化抑制电路、信息处理和传输电路。本发明专利技术能够有效解决弱小目标成像探测需求下，为提高信噪比，光学口径不断增大进而导致成像系统体积和重量不断增加，使现有平台无法适应的问题，避免了不断重复设计和重新试验验证的问题，实现了相同信噪比下的系统小型化或相同光学口径下的系统信噪比极大提升，解决了红外成像探测领域中为提高仪器性能、进一步增加光学口径带来的资源需求与星载平台所能提供资源的失配问题。的失配问题。的失配问题。

【技术实现步骤摘要】
一种红外高灵敏度成像探测方法和星载红外相机


[0001]本专利技术属于红外成像与探测
，特别是涉及一种红外高灵敏度成像探测方法和星载红外相机。

技术介绍

[0002]目前，现代红外成像系统的核心器件是焦平面阵列，随着人类对遥感领域需求的不断提升，特别是对高时间分辨率、高空间分辨率、高灵敏度、高光谱分辨率的追求，进一步带动了红外焦平面器件在性能、规模、成像速度上的飞速发展。
[0003]近几年，随着遥感技术的发展，对弱小目标红外成像探测的需求也不断提升。为了提升对弱小目标的探测和识别能力，即提升辐射分辨能力，红外相机在光学口径上不断增加，应用于空间遥感领域的单个反射镜最大尺寸已经达到了4米，限于加工工艺和空间应用环境，难以再进行单镜尺寸的提升；而现阶段国际上一般采用的方式是利用小镜片拼接产生更大口径的望远镜来提高灵敏度，典型的设计如已发射入轨的JWST(詹姆斯韦伯望远镜)，但这种方法对加工、安装、装调技术要求极高，也对后处理提出更多的要求。
[0004]现有红外探测器在规模急剧膨胀，当前国内外星载红外相机中，已逐渐应用了大规模的红外线阵探测器或者面阵探测器，线阵探测器规模达到了2000元以上，单个面阵探测器规模超过了1K
×
1K个像元，最高帧频已超过了50帧。国外的JWST(詹姆斯韦伯望远镜)更是采用了18片4K
×
4K的红外探测器。由此带来对探测器信息获取速度提升需求。但帧频越快，积分时间越短，而探测器量子效率一定，则信噪比的提升愈难。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统提高星载红外相机灵敏度的方法包括增加光学口径、筛选量子效率高的探测器、增加观测积分时间等，这些方法都存在着各方面因素的制约，对系统灵敏度的进一步提高产生限制。
[0006]对于增加光学口径的方法，由于运载火箭整流罩的包络限制，相机光学口径不可能无限增加，大口径光学组件受自身重力、温度场不均匀、多点支撑应力等影响会产生表面形变，导致离焦、畸变恶化，进而影响成像质量，对系统光学和支撑结构设计带来极大的困难；此外口径增大势必带来重量体积急剧增加，对平台的资源需求也迅速增加，而运载火箭对不同轨道的运载能力是有限的；另一方面，制造成本也会随着光学口径的增大而急剧增加，降低经济效益。近年来利用主动光学技术和小镜片拼接制作大口径镜头进行性能提升，但受一致性、安装精度、平台构型布局等限制，性能提升空间有限。
[0007]对于筛选量子效率高的传统红外探测器，虽然可以提高信噪比，然而传统红外探测器量子效率基本维持在一个常数，很难进一步提升，通过筛选只能找出噪声略低、响应率略大的探测器模块，在积分时间一定下对信噪比的提升很有限，无法满足短积分时间高帧频快速成像需求。
[0008]对于增加观测积分时间的方法，虽然可以提高信号强度，但同时也会累积噪声，例如探测器的暗噪声，空间粒子打在探测器上激发电子产生噪声，以及仪器自身的红外背景等，且在目标高速运动场合下，长积分时间导致帧频降低，无法实现目标在能量维度上的有
效积累。此外在光机扫描成像场合，积分时间直接受限于光机扫描成像周期，系统时空分辨率确定后，积分时间无法延长，也制约了信噪比提升的空间。
[0009]解决以上问题及缺陷的难度为：对弱小目标红外成像探测领域，从点源信噪比的公式可知，在应用环境(高度)传统提高星载红外相机灵敏度的方法或者手段很有限，传统探测器量子效率基本趋于一常数，通过探测器筛选只能有限提升信噪比，却难以大幅度提升信噪比，而且筛选的效能是有限的；拉长积分时间能有效提升信噪比，但应用场合存在差异，在短积分时间高帧频成像场合无法有效提升信噪比；最常用的是通过增加光学口径，提升集光能力来增强信号，以达到提高信噪比的目的。而增大口径，很难兼顾资源、安装精度、真空热环境下结构形变高精度控制等需求，信噪比也很难有数量级的提升。因此，对一个应用环境确定的红外探测系统，对信噪比有效提升，从而实现高灵敏度探测，是非常艰难的，现有技术只能少量提升且代价巨大、存在短板上限。

技术实现思路

[0010]为了克服上述问题，本专利技术提供了一种红外高灵敏度成像探测方法和星载红外相机，通过对高灵敏度红外相机的设计分析，基于线性高增益红外探测器组件、光学组件、信息获取处理一体化自主模块，有效解决弱小目标成像探测需求下，为提高信噪比，光学口径不断增大进而导致成像系统体积和重量不断增加，使现有平台无法适应的问题，避免了不断重复设计和重新试验验证的问题，实现了相同信噪比下的系统小型化或相同光学口径下的系统信噪比极大提升，解决了弱小目标红外成像探测领域中为提高仪器性能，进一步增加光学口径带来的资源需求与星载平台所能提供资源的失配问题。
[0011]本专利技术所采用的技术方案是：
[0012]一种红外高灵敏度成像探测方法，包括以下步骤：
[0013]步骤一，根据空间红外相机对目标观测的空间分辨率、时间分辨率、探测信噪比的要求，选择成像谱段，分配系统设计参数；在点源信噪比公式中引入能量集中度ρ、探测器增益因子M，假定需要达到的信噪比为SNR
SYS
，推出目标探测红外相机对雪崩效应红外探测器增益因子M的需求；
[0014][0015][0016]在噪声等效温差公式中引入增益因子M，衡量对地观测红外相机的性能，得出对红外探测器增益因子M的需求；
[0017][0018][0019]式子中：
[0020]δ：信号过程因子；τ
a
:大气透过率,τ
o
:光学效率，J：目标辐射强度；
[0021]F：系统F数，Ω：系统瞬时视场立体角,D
o
:系统光学孔径；ρ：目标能量集中度；η：目标能量集中度；D
*
:非雪崩效应倍增模式探测器波段探测率，Δf系统噪声等效带宽；SNR：信噪比，NETD：噪声等效温差；
[0022]系统F数：F＝f/D0，若定义相机空间角分辨率为θ，则有：
[0023][0024]f是相机焦距，A为探测器面积；
[0025]进一步，以信噪比SNR和噪声等效带宽NETD表示的增益因子分别为：
[0026][0027][0028]步骤二，按红外探测器增益因子的约束条件，在倍增模式下成像探测，综合考虑偏置的低压可实现性、探测器响应稳定性和均匀性，线性模式下增益因子M一般取10
‑
20为成像应用场合的最佳范围，若M超过20，则调整系统参数，；
[0029]步骤三，根据上述已确定的参数，按雪崩效应红外探测器增益因子约束条件，选用合适的雪崩效应红外探测器，并设置合适的探测器偏置条件，由于偏置与探测器增益因子呈正相关，但会影响动态范围，因此调节偏置使探测器增益因子满足系统要求，兼顾动态范围的需求，对动态范围的影响在步骤二中主要涉及系统噪声的计算，而有效信号范围由下式决定：
[0030]V
ref
+ΔV≤V
sat
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种红外高灵敏度成像探测方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，根据空间红外相机对目标观测的空间分辨率、时间分辨率、探测信噪比的要求，选择成像谱段，分配系统设计参数；在点源信噪比公式中引入能量集中度ρ、探测器增益因子M，假定需要达到的信噪比为SNR
SYS
，推出目标探测红外相机对雪崩效应红外探测器增益因子M的需求；在噪声等效温差公式中引入增益因子M，衡量对地观测红外相机的性能，得出对红外探测器增益因子M的需求；步骤二，按红外探测器增益因子的约束条件，在倍增模式下成像探测，综合考虑偏置的低压可实现性、探测器响应稳定性和均匀性，调整系统参数；步骤三，根据上述已确定的参数，按雪崩效应红外探测器增益因子约束条件，选用合适的雪崩效应红外探测器，并设置合适的探测器偏置条件，由于偏置与探测器增益因子呈正相关，但会影响动态范围，因此调节偏置使探测器增益因子满足系统要求，兼顾动态范围的需求；步骤四，根据上述参数，对低温光学模块、信号获取处理一体化模块进行模块化设计；其中低温光学模块对反射镜/透射镜的温度梯度控制应该满足动态范围的需求，使仪器背景响应V
b
满足动态范围的要求；由动态范围DR和背景电平V
b
约束光机温度T，作为红外相机的低温光学模块设计的输入；由雪崩效应碲镉汞红外探测器的偏置和供电、时序、配置、信号接口构成信息获取处理一体化模块的输入，其中探测器供电、探测器抽头数、读出频率是主要输入参数。2.根据权利要求1所述的一种红外高灵敏度成像探测方法，其特征在于：所述的步骤二中调整系统参数的方法为：根据相机承载平台资源和对目标成像的指标，依据评价指标集进行迭代优化，直到找到满足任务需求和工作条件的最优解，将参数的优化转换成多变量下的最优解求解问题。3.根据权利要求1所述的一种实施红外高灵敏度成像探测方法的星载红外相机，其特征在于：包括工作在线性倍增模式下的雪崩效应碲镉汞红外探测器模块、低温光学模块、定标模块、信号获取处理一体化模块；所述的低温光学模块包括反射镜或透射镜组成的光学组件、光阑组件、结构支撑、传热热管、辐射板组件、测控温组件，结构支撑和光阑组件通过传热热管连接到辐射板组件；所述的定标模块包括星上黑体、驱动电机，星上黑体同挡光板一体化设计；信息获取处理一体化模块包括低噪声供电电路、可调谐探测器偏置电路、时序发生和探测器配置电路、多路信号调理和采集电路、红外背景智能化抑制电路、信息处理和传输电路。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：林长青，孙胜利，周双喜，李璐芳，刘高睿，喻琪超，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：