GBT 17444-1998.pdf
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1、I CS 3 1 I. 5 2 2 6 0 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 G B / T 1 7 4 4 4 一 1 9 9 8 红外焦平面阵列特性参数 测试技术规范 Th e t e c h n i c a l n o r ms f o r me a s u r e me n t a n d t e s t o f c h a r a c t e r is t i c p a r a m e t e r s o f i n f r a r e d f o c a l p l a n e a r r a y s 1 9 9 8 一 0 7 门8 发布 1 9 9 9 一 0 5
2、一 0 1 实施 国 家 质 量 技 术 监 督 局发布 GB/ T 1 7 4 4 4 - 1 9 9 8 目次 前言 工 1 范围 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 特 性
3、参 数 及 相 关 量 的 定义 “ “ “ . ,. . 二 二 ” “ ” ”1 3 测试方法及测试条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 二 二 二 二 二 二 二 4 附 录A ( 标 准 的 附 录)响 应 率 的 其 他 表 示 。 二 二 ” ., 二1 2 附 录B ( 标 准 的 附 录)空 间 噪 声 二 ”二1 2 附录C
4、( 标准的附录) 备用特性参数及相关量 “ 一1 3 附录D ( 提示的附录) 死像元、 过热像元及平均响应 率灭 、 平均噪 声电压丽 、 的计算方法 1 4 G B / T 1 7 4 4 4 -1 9 9 8 前言 红外焦平面阵列( 以下简称焦平面) 是红外凝视成像和成像光谱仪等新一代红外系统的核心器件。 国外焦平面已经处于实用阶段。国内在国家高技术计划安排下已进行了十年的研究。 在硅化铂、 锑化锢 和蹄锡汞等三类焦平面研究方面, 分别取得了良好进展。 在应用方面开展了双波段红外凝视成像辐射计 和红外成像制导等研究, 受到用户的重视。 焦平面拥有成千上万个像元, 并带有读出电路, 具有
5、信号获取与信号读出 双重功能, 比之红外单元 探测器, 完全是一种新颖器件, 因此, 对焦平面特性的描述带来许多新的内容. 至今尚未见到国外发表的 焦平面特性参数测试技术规范。 国内技术人员都从各自 的需要和理解定义了 一些参数, 互不统一。 随着 焦平面研究和应用工作的发展, 迫切需要统一的 特性参数名称和测试方法来评价器件。 本规范是为满足 这种需要而制定的。 本标准的附录A、 附录B和附录C是标准的附录。 本标准的附 录D是提示的附录。 本标准由中国科学院提出并归口。 本标准起草单位: 中国科学院上海技术物理研究所。 本标准主要起草人 : 董亮初、 丁瑞军、 梁平治、 唐红兰、 陈世军。
6、 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 红外焦平面阵列特性参数 测试技术规范GB / T 1 7 4 4 4一 1 9 9 8 T h e t e c h n i c a l n o r ms f o r m e a s u r e me n t a n d t e s t o f c h a r a c t e r i s t i c p a r a me t e r s o f i n f r a r e d f o c a l p l a n e a r r a y s 范围 本标准 所指的焦平面, 是敏感红外辐照( 以下简称辐照) 的光敏元阵 列并带有读出电 路的器件。 本标准对
7、焦平面特性参数及相关鱼进行了定义。 本标准给出了焦平面主要特性参数的测试方法及测试条件。 本标准适用于线列和面阵焦平面。 2 特性参数及相关且的定义 本标准采用下列定义。 2 . 1 积分时间( i n t e g r a t i o n t i m e ) 像元累积辐照产生电荷的时间, 符号为t ;, 单位为秒( s ) , 2 . 2 帧周期( f r a m e p e r i o d ) 面阵焦平面一帧信号读出所需要的时间, 符号为t b a m a , 单位为秒( S ) . 2 . 3 行 周期( l i n e p e r i o d ) 线列焦平面一行信号 读出所需要的时间,
8、符号为1 1-, 单位为 秒( S ) . 2 . 4 最高像元速率( m a x i m u m p i x e l r a t e ) 焦平面像元信号读出的最高速率, 符号为f . . . , 单位为赫兹( Hz ) . 2 . 5电 荷 容 量( c h a r g e c a p a c i t y ) 焦 平面像元能容纳的最大 信号电荷 数, 符号为N s , 单位为电 子电 荷“ ) 。 2 . 6 辐 照 功 率( i r r a d i a t i o n p o w e r ) 入射到一个像元上的恒定辐照功率, 符号为 P, 单位为瓦( W) , 2 . 7 辐 照 能 鱼
9、( i r r a d i a t io n e n e r g y ) 辐照功率 P与积分时间之积, 符号为E, 单位为焦耳( J ) 。由式( 1 ) 表示: E 二 P Xt - (1) 2 . 8 饱和辐照功率( s a t u r a t io n i r r a d i a t io n p o w e r ) 焦平面在一定帧周期或行周期条件下, 输出信号达到饱和时的最小辐照功率, 符号为 八, . , 单位为 瓦 ( W) , 2 . 9 响 应率( r e s p o n s i v i t y ) 2 . 9 . 1 像元响应率( p i x e l r e s p o n
10、s i v it y ) 国家质皿技术监督局 1 9 9 8 一 0 7 一 1 8批准 1 9 9 9 一 0 5 一 0 1 实施 I GB / T 1 7 4 4 4-1 9 9 8 焦平面在一定帧周期或行周期条件下, 在动态范围内, 像元每单位辐照功率产生的输出 信号电压, 符号为R( i , j ) , 单位为伏特每瓦( V/ W) 。由式( 2 ) 表示: RU, j )= VS U , j ) P (2 ) 式中: V , ( i , j ) 第 行第j 列像元对应于辐照 功率P的响应电压( V ) ; P 第i 行第 j 列像元所受的辐照功率( W) , 响应率的其他表示见附录
11、A 2 平均响应率( a v e r a g e r e s p o n s iv i t y ) 焦平面各有效像元响应率的平均值, 符号为万 , 单位为伏特每瓦( V / W) , R 一 M - N - 灭 d _ + h ) 艺万R U ,j ) 由式( 3 ) 表示: . . 。 二。 。 、 (3) : M, N 分别为 焦平面像元的总行数和总列数, 见2 . 1 1 ; d, h 一分别为死像元数和过热像元数. 见2 . 1 0 , 求和中 不包括无效像元, 见2 . 1 0 , 3 响应率不均匀性( r e s p o n s i v i t y n o n - u n i f
12、o r m i t y ) 焦平面各有效像元响应率R U, j ) 均方根偏差与平均响应率R的百分比, 符 号U a , 单位为%。由 式 9.中9. 2.式2. ( 4 ) 表示 : 1 0 0 % ” ”(4) 1R 一- R U 求和中不包括无效像元, 见2 . 1 0 0 响应率不均匀性可归纳为空间噪声, 见附录B, 2 . 1 0 无效像元( n o n - e f f e c t i v e p i x e l ) 无效像元包括死像元和过热像元。 2 . 1 0 . 1 死像元( d e a d p i x e l ) 像元响应率小于平均响应率 1 / 1 。的像元, 死像元数记为
13、d , 2 . 1 0 . 2 过热像元( o v e r h o t p i x e l ) 像元噪 声电压大于平均噪声电 压1 0 倍的像元, 过热像元数记为h , 2 . 1 1 像元总数与有效像元率( p i x e l a m o u n t a n d o p e r a b l e p i x e l f a c t o r ) 2 . 1 1 . 1 像元总数( p i x e l a m o u n t ) 焦平面像元的总行数M与总列数N之积. 记为M “ N, 2 . 1 1 . 2 有效像元率( o p e r a b l e p i x e l f a c t o r
14、) 焦平面的有效像元数占总像元数的百分比, 符号为N f , 单位为%.由式( 5 ) 表示: 、 , 一 ( 卜d + hM “ N 卜 。 。 % ( 5 ) 2 . 1 2 嗓声( n o i s e ) 2 . 1 2 . 1 像元噪 声电压( p i x e l n o i s e v o l t a g e ) 焦平面在背景辐照条 件下, 像元轴出 信号电 压涨落的 均方根值, 符号为V H ( i , j ) , 单位为 伏特( V ) , 2 . 1 2 . 2 平均噪 声电压( a v e r a g e n o i s e v o l t a g e ) 焦平面各有效像元噪
15、 声电压的平均值, 符号为V ,v , 单位为伏特( V ) .由 式( 6 ) 表示: V 、 二二 二节 卫一一 一 万 M一 n一 t o t h)艺艺Vl i ,j ) “ . . . “ , ” ” (6 ) 求和中不包括无效像 元, 见21 。 。 2 . 1 3 噪声等效辐照功率( n o i s e e q u i v a l e n t i r r a d i a t i o n p o w e r ) 2 GB/ T 1 7 4 4 4-1 9 9 8 信噪比为1 时, 焦平面像元所接受的辐照功率。即焦平面的平 均噪声电 压V , , 与平均响应率R之 比, 符号为NE P
16、, 单位为瓦( W) 。由式( 7 ) 表示: N E P=V R (7 ) 2 . 1 4 噪声等效温差( n o i s e e q u i v a l e n t t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e ) 平均噪声电压与目标温差产生的信号电压相等时, 该温差称为噪声等效温差。 即目标温差与信噪比 之比, 符号为NE T D, 单位为绝对温度( K) 。由式( 8 ) 表示: N ET D = T 一 To ( VS / VH ) (8 ) 式中: T面源黑体温度, K; T 背景温度, K; V , 对应面源黑体与背景温差的焦平面信号电压,
17、V. 2 . 1 5 探测 率( d e t e c t i v i t y ) 2 . 1 5 . 1 像元探测率( p i x e l d e t e c t i v i t y ) 当1 瓦辐照, 投射到面积为1 平方厘米的像元上, 在1 赫兹带宽内获得的信噪比。 即像元响应率 R ( i , j ) 与像元噪声电压V( i , j ) 之比, 并折算到单位带宽与单位像元面积之积的平方根值, 符号为 D G, j ) , 单位为厘米 赫V z 瓦一 ( c m “ H z “ , W- ; ) 。由式( 9 ) 表示: 曰式 勺由 、 二 、/ 不丁R ( i . i ) L以 1 )=
18、 , 1 . _ _ _ 衅 V Z . l m , V n ( i , J ) 式中: Ap 像元面积, c m ; t in , 积分时间, s , 2 . 1 5 . 2 平均探测率( a v e r a g e d e t e c t i v i t y ) 焦平面各有效像元探测 率的平均值, 符号为 D , 单位为厘米 赫V 2 瓦一 ( c m H z / W- 1 ( 1 0 ) 表示: D 一 不 月1M “ N - (d + h ) 艺艺D (i ,l ) . . . . . . . . . ( 1 0 ) 求和中不包括无效像元, 见 2 . 1 0 , 1 6动态 范 围
19、( d y n a m i c r a n g e ) 饱和辐照功率P . . , 与噪声等效辐照功率NE P之比, 符号为D R。由式( 1 1 ) 表示: D R 一 瑟 ” “ ( 1 1 ) 2 . 1 7 相对光谱响应( r e l a t i v e s p e c t r a l r e s p o n s e ) 焦平面在不同波长 A , 相同辐照能的单色光照射下的光谱响应 S ( .1 ) 与其最大值S 。之比值, 符号为 S , ( . 1 ) 。由式( 1 2 ) 表示: S , ( A )= 1 8 光谱响应范围( s p e c t r a l r e s p o n
20、 s e r a n g e ) S ( 些 S m . ” “ . . 。 ”. “ 。 : ” 。 . ”(1 2 相对光谱响应为 。 . 5 时, 所对应的入射辐照最短波长与最长波长之间的波长范围。 2 . 1 9 串 音( c r o s s - t a l k ) 由于像元对相邻像元的串扰, 使相邻像元引起的信号V N B 与本像元信号V L c 之百分比, 为该像元对 相邻像元的串音, 符号为 C7, 单位为%。由式( 1 3 ) 表示 : _ _V v C T=福 尹 三 1 0 0 % ” ” “ ” “ “ “ “ (1 3) 一V, c- - - - - - - - 一 ”
21、一” 一” ”、二 。少 坯 有一 些特 性 参 数和 相 关 量, 见 附 录C , GB/ T 1 7 4 4 4-1 9 9 8 测试方法及测试条件 3 . 1 响应率、 响应率不均匀性、 噪声、 探测率和有效像元率等( 简称响应率等) 参数测试 3 . 1 . 1 原理概要 响应率等参数的测试, 可归结为两种辐照条件下的响应电压测试。 即背景辐照条件下的响应电压测 试, 及背景加黑体辐照条件下的响应电压测试, 简称背景响应电压测试及黑体响应电压测试。这两种辐 照都必须是恒定均匀的。 在测得背景响应电压和黑体响应电压后, 响应率等各特性参数可根据定义计算 得到 。 3 . 1 . 2 N
22、 9 试方法 3 . 1 . 2 . 1 测试系统 测试系统如图1 所示, 包括黑体源、 杜瓦瓶、 电子电路及计算机四大部分。 黑体d fi 图 1 焦平面参数测试系统 3 . 1 . 2 . 2 测试条件 a ) 黑体源温度范围: 室温1 0 0 0 K; 输出不加调制。 b )黑体辐射孔到焦平面的距离应大于辐射孔径的 2 0 倍, 以保证点光源辐照。 c )黑体辐射入射方向与焦平面光敏面的法线夹角小于 5 0 e d )焦平面的输出信号电压经放大和预处理后, 不得超过 A / D转换器的动态范围。 3 . 1 . 2 . 3 响应电压测试 利用图 1 所示的测试系统, 分别在背景条件( 用
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