[發(fā)明專利]基于雙敏感元差分信號的紅外氣體成像焦平面及成像方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810089425.2
• 申請日: 2018-01-30
• 公開（公告）號: CN108489923B
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陸衛(wèi);聶曉飛;甄紅樓;李寧;陳效雙
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504;G01J5/00
• 代理公司: 上海滬慧律師事務(wù)所 31311
• 代理人: 李秀蘭

本發(fā)明公開了一種雙敏感元信號差分紅外氣體成像焦平面及成像方法，焦平面由像元列陣芯片以及讀出電路芯片組成，其中像元陣列芯片上的每個像元由兩個敏感元A和B組合構(gòu)成。其中敏感元B的響應(yīng)峰位設(shè)計在待探測氣體吸收較強的指紋波長處，敏感元A的響應(yīng)峰位調(diào)制得錯開該波長。A、B兩敏感元的信號輸出端與差分電路相連，差分電路作為讀出電路輸入級的一部分向讀出電路輸出差分信號。該信號與被探測氣體在探測光路上的濃度和量成比例，利用讀出電路輸出該差值信號即可對所探測氣體成像。本發(fā)明的優(yōu)點：一、可直接消除背景輻射的影響；二、與氣體成像相關(guān)的有效信號比例極高；三、積分電容不易飽和，有效信號動態(tài)范圍大；四、可消除背景輻射噪聲。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到光電探測技術(shù)的一種紅外焦平面，具體是指基本像元具有組合敏感元結(jié)構(gòu)，通過組合敏感元的差分信號進行氣體探測和成像的紅外焦平面。

背景技術(shù)

大部分氣體僅憑肉眼是看不到的，其中不乏一些危險氣體，現(xiàn)代工業(yè)中有很多場合要跟這些氣體打交道，探測這些氣體的技術(shù)在化工、礦產(chǎn)、電力和環(huán)保等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。比如電力設(shè)施領(lǐng)域亟需能遠程探測和定位六氟化硫(SF₆)泄露的技術(shù)和儀器，SF₆氣體在高壓斷路器和開關(guān)設(shè)備中作為絕緣介質(zhì)使用，一旦發(fā)生泄漏就會對電力設(shè)施、環(huán)境以及人員造成危害，因此及時發(fā)現(xiàn)和定位SF₆泄漏點對電力設(shè)施的維護和平穩(wěn)運行具有重要意義。

早期的氣體探測技術(shù)使用氣體“嗅探”傳感器進行氣體探測，這種接近式或接觸式探測限制了它的應(yīng)用場合。后來基于紅外相機所發(fā)展的氣體成像技術(shù)因其遠程傳感、實時探測和可視化等特點所帶來的安全、高效、便攜等優(yōu)點，成為一種優(yōu)越的氣體探測技術(shù)。這種紅外氣體成像技術(shù)可以對掃描區(qū)域?qū)崟r成像，泄漏的氣體在相機所拍攝圖像上呈現(xiàn)出煙霧的狀態(tài)，用戶可以很直觀的看到原本肉眼看不到的泄漏氣體。它的基本原理與我們?nèi)庋劭吹綗熿F的原理類似：當(dāng)有煙霧存在時，到達人眼的可見光輻射因為煙霧的吸收、散射和輻射而發(fā)生變化，所以就看到了煙霧，而紅外成像儀是利用被探測氣體出現(xiàn)時，成像焦平面上光敏元接收到的紅外輻射發(fā)生改變而進行成像的。

目前被動式紅外氣體成像技術(shù)是利用一個濾光片或分光光柵，來使光敏元只接收特定紅外波段的輻射，如果將該波段設(shè)計到被探測氣體的指紋波長處，由于氣體在該波段具有較強的吸收，氣體存在時，到達光敏元的輻射會因氣體的吸收而減少很多，從而增強了氣體成像對比度。該方法可用來實時探測氣體泄漏，例如在長波紅外波段可探測SF₆(指紋波長10.6μm)，在中波紅外波段可探測一系列揮發(fā)性有機物如甲烷、丙烷和丁烷。不過這種探測方法需要將分光部件與探測部件組合，必然導(dǎo)致探測器體積較大，實現(xiàn)的工藝也較為復(fù)雜。另外，該方法在積分電路中不能消除背景光電流，高背景下積分電容極易飽和，所以探測器的靈敏度較低，動態(tài)探測范圍也較小，在高背景、復(fù)雜場景中的應(yīng)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種由組合敏感元構(gòu)成基本像元的紅外焦平面，提供一種新的紅外氣體成像方法，解決現(xiàn)有氣體成像焦平面不能完全消除背景光電流，探測靈敏度較低和有效動態(tài)探測范圍較小的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：紅外焦平面由像元陣列芯片以及讀出電路芯片組成，其中像元陣列芯片上的每個像元由兩個獨立的敏感元組合構(gòu)成。兩個敏感元A和B具有不同的光譜響應(yīng)特征，其中敏感元B通過結(jié)構(gòu)調(diào)制等手段獲得較為尖銳的響應(yīng)峰，并且峰位設(shè)計在待探測氣體的指紋波長處，敏感元A的響應(yīng)峰位調(diào)制得錯開該波長0.1-1微米。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和后期標定，將兩敏感元對黑體輻射的光譜響應(yīng)積分值調(diào)為相等。A、B兩敏感元的信號輸出端與差分電路相連，差分電路作為讀出電路輸入級的一部分向讀出電路輸出差分信號。

基于雙敏感元信號差分紅外氣體成像焦平面的紅外氣體成像方法步驟如下：