基于虚拟仪器的IRFPA测试、热成像实验系统研究

摘要

红外辐射普遍存在，处处可见，利用红外辐射来探测目标物体，对目标物体进行红外成像，可以从热像中观察物体形状、温度分布乃至内部结构。目前，红外成像技术在相关领域正得到日益广泛的应用，覆盖了从民用到国防的诸多领域，越来越备受人们关注。 红外焦平面阵列（IRFPA）是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件。IRFPA在其读出电路（ROIC）的扫描控制下，依次输出视频信号，从而显示形成热像。在成热像之前必须保证IRFPA以及其ROIC能正确地工作，这样才能确保成像质量，因此需要对IRFPA、ROIC参数进行测试、成像，并能准确地评价各自的性能。 本论文讲述了红外成像的原理，特别是热释电型IRFPA成像的原理以及各部分的工作时序情况。详细讲述了驱动电路的设计方法，提出利用虚拟仪器系统产生驱动信号的新方法。根据参数测试规范，设计了对IRFPA ROIC参数的测试系统，并通过对HgCdTe型ROIC以及热释电型ROIC器件的测试实验验证了系统的功能。在此基础上，设计了成像实验系统，能够对ROIC的输出以及互联后的输出成像显示。并利用数字图像处理的手段对红外图像进行去背景噪声、滤波、不均匀性校正、直方图均衡化、伪彩色编码等处理，最后能对互联后的热释电器件进行成像显示。 本系统的设计方法是基于虚拟仪器技术，利用NI公司的PCI-6115数据采集卡以及LabVIEW6.1软件开发平台。虚拟仪器技术实际上是在PC机上借助DAQ(数据采集)卡、GPIB(通用接口总线)卡、VXI卡等数据采集设备，将需要处理的数据采集到计算机，通过软件的分析、处理、判断、显示、存储和控制功能，来实现一合或多台传统仪器的功能。 系统采用LabVIEW6.1软件编程，构建最基本、最廉价的虚拟仪器PC-DAQ系统，利用软件的基本功能模块来实现系统功能。通过PCI采集卡采集IRFPA ROIC器件输出的信号，在计算机中利用软件平台对信号进行分析、处理、统计运算并输出测试结果，同时可以对图像信号进行采集、处理，最后在虚拟仪器显示层显示出热像。利用构建的虚拟仪器系统，在硬件设备以及连线不变的前提下，改变软件程序就可以实现参数测试、成像、波形显示等不同系统的功能。为了实验的方便及需要，把各个功能的系统合在一个主系统下，利用软件编程就可以实现多个系统的功能。 本文设计的系统，不仅可以定量评价ROIC的各项参数指标，还能对视频信号进行成像实验。用户可以操作以实现不同系统的功能并可以在不同系统下进行切换。本课题对于改进ROIC和IRFPA的设计，保证IRFPA联调的质量均具有重要意义，对于促进我国的IRFPA的发展，提升我国的国防实力也有积极的作用。