用于检测电磁辐射的系统的制作方法

电磁辐射检测系统通常用于装备导弹或火箭型的自导弹射体的导弹头、无人机或热成像相机、双筒镜和夜视用眼镜、望远镜以及更一般的任何基于电磁辐射检测的观测装置。

通常，电磁辐射检测系统装备有fpa(焦平面阵列)矩阵型的电磁辐射传感器。电磁辐射传感器(在下文中简称为传感器)由对电磁辐射敏感的多个检测器(例如热检测器或光电检测器)组成。每个光电检测器例如通过光电效应将从电磁辐射发射的光子转换成电子-空穴对，然后将电子收集在势阱中。下面谈势阱的填充。收集的电子的数量与接收的光子的数量成正比。这些传感器允许获得由像素组成的图像，每个像素由从所述传感器的至少一个检测器发出的至少一个值表示，每个值取决于用电子填充势阱的填充水平。为了防止势阱被传感器的光敏材料(即基板)产生的电子-空穴对填充，必须冷却这些传感器。

此外，为了防止在电磁辐射检测系统的观测视野外发射的被称为杂散光子的光子也产生不必要的电子-空穴对，所述系统包括冷却隔膜。该隔膜限制到达传感器的杂散光子的数量。

(基板和隔膜的)每次冷却都由低温恒温器(“杜瓦瓶”)实施。

由于传感器的每个检测器的各个响应的分散的影响，必须校准所述传感器的每个检测器的增益和补偿值。因为增益校准等于曲线斜率的测量，所以需要获取对应于两个不同阱填充的至少两个信号(即，两个值)。至于补偿值，这是在阱填充点处获得的。这样的一系列获取通常称为两点校准，有时称为三点校准。因此，每个测量都是相关的，填充必须在固定的积分时间内变化。因此，它们必须对应于不同的场景。此外，为了校正光度效应，理想地，在每次测量中考虑完整的光学系统。

图1a示出了传感器的检测器的第一检测器和第二检测器根据场景温度的响应曲线。

曲线1表示第一检测器的响应曲线。曲线2表示第二检测器的响应曲线。第一检测器和第二检测器的响应曲线在斜率和原点方面都完全不同。校准的一个目的是确保每个检测器的响应曲线对应于图1中由曲线3所示的理想响应曲线。

图1b示出了第一校准步骤，在该步骤期间，校正每个检测器的响应曲线的斜率。然后，为第一检测器和第二检测器确定函数，该函数允许根据场景温度值确定应用于响应曲线的增益。如图1b中所示，将该函数应用于曲线1和2，这允许校直这些曲线，以便获得具有与曲线3相同斜率的曲线。

图1c示出了第二校准步骤，在该步骤期间校正每个检测器的响应曲线的补偿值。

确定每条曲线的补偿值，以便为每个检测器获得与理想曲线一致的响应曲线。

通常，在工厂中计算增益一次，而在产品中(也就是说，在电磁辐射检测系统的使用地点)计算补偿值。然而，许多fpa矩阵(例如由mct(碲化汞镉)组成的矩阵)在增益方面表现出不稳定性。因此，对于传感器的检测器，所应用的增益校正是错误的，并且对补偿值的校正不能弥补该错误。于是，有关的检测器被错误地校正。在传感器产生的图像中，这些错误的校正可能导致出现称为非典型像素的那些像素，这些像素与图像的其它像素不一致。这些增益不稳定性更是一个问题，因为受影响的像素在电磁辐射检测系统的一次使用到另一次使用(即从一次启动到另一次启动)之间变化。另外，因为电磁辐射检测系统具有相对长的使用寿命(例如15至20年)，所以增益的这些不稳定性也可能与该使用寿命期间传感器的老化有关。

为了识别这些非典型像素，可以采用几种策略。在工厂中并且通过“预期”，所谓的“硬化”校准方法实施连续校准，以便增加检测到增益变化或未来可能变化的像素的概率。

为了管理传感器的老化，某些方法试图证明传感器的增益在电磁辐射检测系统的使用寿命内的稳定性。另一种解决方案包括在电磁辐射检测装置的使用寿命期间实施校准。

这些校准方法冗长且昂贵。此外，它们需要在测试台上进行，这意味着，在定期校准的情况下，必须定期将电磁辐射检测系统带入工厂并固定在工厂中。

然而，逐渐地开发了被称为主动方法的嵌入式校准方法。这些方法的主要优点是不需要为了实施这些方法而返回工厂。通过分析补偿值的非典型像素的后验检测方法以及使用两点校准装置(使用嵌入在电磁辐射检测系统中并且允许计算增益的黑体作为产品)的另一方法是已知的。现有的主动方法使得光学系统明显更复杂，并且通常必须使用珀耳帖(peltier)模块来获得热电冷却。由于珀耳帖模块占据的体积，使用珀耳帖模块导致电力消耗的增加并引起电磁辐射检测系统中的空间需求问题。此外，还注意到这些主动方法不能外置(除非在特殊情况下)，这可能导致错误的增益计算。

被动和主动校准方法通常基于通过观测相应检测器的增益和/或补偿值而对非典型像素进行检测。存在大量非典型像素检测方法。这些方法允许识别大部分非典型像素，但通常不允许识别所有这些像素。此外，这些方法经常“为了安全起见”声称(即，过度声称)有效像素是非典型像素。

期望克服现有技术的这些缺点。特别期望提出一种电磁辐射检测系统，该电磁辐射检测系统集成有用于实施在没有珀耳帖模块的情况下起作用的主动校准方法，该方法不会过度声称非典型像素，并且允许避免使用硬化校准。还希望该电磁辐射检测系统允许两点校准。

根据本发明的第一方面，本发明涉及一种电磁辐射检测系统，该电磁辐射检测系统包括：壳体，该壳体限定部分真空占优势的封闭罩，该壳体包括对所述电磁辐射来说透明的窗口；冷指，该冷指具有侧壁，该侧壁的一端由与所述窗口对齐的端壁封闭；传感器，该传感器安装在所述端壁上，具有面向所述窗口布置的平坦顶表面，该平坦顶表面包括对电磁辐射敏感并由所述冷指冷却的检测器，所述传感器限定垂直于所述平坦顶表面并相对于所述平坦顶表面居中的光轴；围绕所述传感器的冷屏，该冷屏基本上呈圆顶形式，安装在所述冷指上并通过绕所述光轴旋转而产生，所述冷屏包括：顶端，该顶端布置在所述窗口和所述传感器之间，并限定以所述光轴为中心的圆形隔膜；和侧壁，该侧壁将所述冷屏的基部连接至所述顶端，所述侧壁具有内表面，该内表面的凹面朝向所述光轴。所述系统包括：具有预定透射系数的至少一个带通电磁辐射过滤器，每个过滤器均能移动的并且能够采用第一位置和第二位置，在所述第一位置，所述过滤器面向所述窗口放置在所述壳体的外部，在所述第二位置，所述过滤器放置成不过滤由所述系统接收的任何电磁辐射，在所述第一位置，每个过滤器在包含所述光轴的任何正割平面中具有朝向所述ir传感器的凹形形状的横截面，该凹形形状具有带圆锥形和/或非球形基部的轮廓，并且所述过滤器反射所述壳体内的焦平面；和处理装置，该处理装置用于为所述传感器的每个检测器使用每个过滤器处于所述第二位置时由所述检测器提供的第一值和所述至少一个过滤器中的一过滤器处于所述第一位置时由所述检测器提供的至少一个第二值来评估增益和补偿值。

在电磁辐射检测系统中使用至少一个过滤器允许简单地对传感器的每个检测器进行至少两点校准。该系统则不包括帕耳贴(peltier)模块。

根据一个实施方式，所述至少一个过滤器中的至少一个第一过滤器具有表面，该表面的被包含所述光轴的平面截取的所有横截面呈由垂直于所述光轴的平面截断并通过围绕所述光轴旋转而产生的椭圆或圆的形式。

根据一个实施方式，所述至少一个过滤器中的至少一个过滤器反射所述冷屏内的所述焦平面。

根据一个实施方式，所述第一过滤器的呈截断椭圆形式的所述横截面的椭圆或呈截断圆形式的所述横截面的圆的每个焦点均置于所述窗口的边缘上。

根据一个实施方式，所述壳体包括反射所述电磁辐射的内表面，并且所述冷屏包括吸收所述电磁辐射的外表面。

根据一个实施方式，所述第一过滤器的呈截断椭圆形式的所述横截面的椭圆或呈截断圆形式的所述横截面的圆的每个焦点均置于所述隔膜的边缘上。

根据本发明的第二方面，本发明涉及一种用于校准根据第一方面的电磁辐射检测系统使用的传感器的检测器的方法，该检测器对电磁辐射敏感。所述方法包括：将所述至少一个过滤器中的一过滤器定位在所述第一位置；触发由所述传感器对第一值矩阵的获取，所述值矩阵中的每个值从所述ir传感器的检测器发出；将所述过滤器定位在所述第二位置；触发由所述传感器对第二值矩阵的获取；为所述传感器的每个检测器确定要应用于从所述检测器发出的所述值的增益和补偿值，检测器的增益和补偿值的每次确定使用对应于所述检测器的所述第一矩阵的值和对应于所述检测器的所述第二矩阵的值。

根据本发明的第三方面，本发明涉及一种计算机程序，所述计算机程序包括在所述程序由装置的处理器执行时由所述装置实施根据第二方面所述的方法的指令。

根据本发明的第四方面，本发明涉及一种存储装置，所述存储装置存储计算机程序，所述计算机程序包括在所述程序由装置的处理器执行时由所述装置实施根据第二方面所述的方法的指令。

通过阅读以下对示例性实施方式的描述，上述本发明的特征以及其它特征将更清楚地显现，所述描述是结合附图给出的，在附图中：

图1a示出了传感器的第一检测器和第二检测器的根据场景温度的响应曲线；

图1b示出了第一校准曲线，在该曲线期间校正每个检测器的响应曲线的斜率；

图1c示出了第二校准步骤，在该步骤期间校正每个检测器的响应曲线的补偿值；

图2示出了根据现有技术的红外辐射检测系统的剖视图；

图3示出了根据本发明的红外辐射检测系统的剖视图；

图4示出了根据本发明的红外辐射检测系统的一部分的剖视图；

图5示意性地示出了用于处理从红外辐射(ir)传感器发出的数据的模块的硬件架构的实施例；以及

图6示出了根据本发明的校准方法。

下文中在红外辐射(ir)检测系统的背景下描述本发明。然而，除了红外辐射外，本发明还适用于任何电磁辐射检测系统和其他辐射。

图2示出了根据现有技术的红外辐射检测系统的剖视图。

红外辐射检测系统2(在下文中称为ir系统)包括壳体20，壳体20限定了封闭罩，其中部分真空(大约10^-6巴)占优势，壳体20设置有对ir辐射来说透明的窗口201。

ir系统2包括冷指202，冷指202包括能够接纳热交换器213的低温恒温器(杜瓦瓶)203。冷指202具有侧壁204，侧壁204的一端由与窗口201对齐的端壁208封闭。

红外传感器207(在下文中称为ir传感器)安装在端壁208上，以便能够在被冷指202冷却的同时被穿过窗207的ir辐射击中。ir传感器207具有平坦的顶表面(矩形或圆形)206，该平坦的顶表面206与窗口201相对设置并且由对ir辐射敏感的检测器的矩阵组成。ir传感器207限定垂直于平坦顶表面206并相对于该平坦顶表面206居中的光轴x。

在许多应用中，ir系统用于观测场景中的至少一个对象。所述场景可以被划分为两个区域：第一区域，其包括所述对象；以及第二区域，其包括不形成对象的一部分的一切事物，该第二区域将被称为“背景”。对象和背景通常具有相似的温度(大约300°k)，因此产生类似的ir辐射。在这些条件下，可能难以将对象与背景区分开。为了克服这个问题，ir系统通常具有有限的视野，以便限制传感器感知的来自被观侧对象的背景的辐射。如以上所看到的，例如通过在被观测对象和传感器之间插设冷却的隔膜来获得这种限制。

因此，ir系统1包括冷屏212，该冷屏212基本上呈围绕ir传感器207的圆顶的形式，安装在冷指202上并通过围绕ir传感器207的光轴x旋转而产生。冷屏212旨在限制任何易于到达ir传感器207的ir辐射。冷屏212具有基部205，冷屏212借助基部205安装在低温恒温器203上。冷屏212还包括顶端210，该顶端210布置在窗口201和ir传感器207之间，从而限定以光轴x为中心的圆形隔膜211。冷屏212还包括侧壁209，该侧壁209将基部205连接至顶端210。侧壁209具有内表面，该内表面的凹面面向光轴x。

ir系统2还包括透镜系统30，其适于将从被观测对象发出的ir辐射聚焦到ir传感器207上。透镜系统30可以包括多个光学元件。在一个实施方式中，透镜系统30包括第一前透镜300和第二中间透镜301。每个透镜对于对应于ir系统2感兴趣的红外波段的一组电磁波长是透射的。透镜系统30与垂直于光轴x的焦平面相关联。ir传感器207位于与透镜系统30相关联的焦平面中。

应注意，透镜系统30在低温恒温器外部，因此不被冷却。

此外，ir系统3包括处理模块213，在下面关于图5描述该处理模块213。处理模块213接收来自ir传感器207的值矩阵，每个值均从ir传感器207的检测器发出。处理模块213处理所接收的每个值，以便从值矩阵生成图像。处理模块213特别地将增益和预定补偿值应用于值矩阵的每个值。

图5示意性地示出了用于处理从ir传感器207发出的值的模块213的硬件架构的实施例。

根据图5中所示的硬件架构的实施例，处理模块213于是包括借助通信总线2130连接的：处理器或cpu(中央处理单元)2131；随机存取存储器(ram)2132；只读存储器(rom)2133；诸如硬盘之类的存储单元或诸如sd(安全数字)读卡器之类的存储介质读取器2134；至少一个通信接口2135，其使处理模块213能够与例如ir传感器207和未示出的图像显示模块通信。

处理器2131能够执行从rom2133、从外部存储器(未示出)、从存储介质(诸如sd卡)或从通信网络加载到ram2132中的指令。当ir系统2通电时，处理器2131能够从ram2132读取指令并执行它们。这些指令形成计算机程序，使处理器2131实施用于处理从ir传感器207的检测器发出的值的方法。如下文所述，处理系统213尤其能够实施结合图6描述的根据本发明的方法，以用于评估ir传感器207的每个检测器的增益和补偿值。

处理系统213使用的方法(特别是关于图6描述的方法)可以通过可编程机器(例如dsp(数字信号处理器)或者是微控制器)执行一组指令而以软件形式实施，或者由机器或专用部件(例如fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用应用集成电路))以硬件形式实施。

图3示出了根据本发明的红外辐射检测系统的剖视图。

图3的ir系统3重复图2中的ir系统2。图2和图3中的每个相同的元件保持相同的附图标记。新元件或变型元件具有不同的附图标记。

在一个实施方式中，壳体20在图2和图3中各方面保持相同。另一方面，透镜系统30由透镜系统40代替。在透镜系统40中，存在前透镜300和中间透镜301。透镜系统40与垂直于光轴x的焦平面相关联，ir传感器207位于该焦平面中。

ir系统3和ir系统2之间的主要区别在于在壳体20的入口处(即，在壳体20的外部，与窗口201相对)插入至少一个红外过滤器(在下文中称为ir过滤器)。正如将在下文中看到的，在ir系统3中插入至少一个ir过滤器的目的是允许进行至少一个两点校准。插入的每个ir过滤器是给定透射t的可移动带通过滤器，其在窗201的前面移动。通过改变ir过滤器，由于所述ir过滤器的不同透射t，阱的填充根据与两点校准相关的要求而变化并且允许计算ir传感器207的每个检测器的增益和补偿值(即，通过调制ir传感器207的检测器的势阱的电子填充水平而不改变积分时间，并且包括完整的光学系统)。因此，ir过滤器可以采用第一位置和第二位置，在第一位置，红外过滤器与窗口202相对地放置在壳体20的外部，在第二位置，红外过滤器放置成不过滤由ir系统3接收的任何电磁辐射。在第一位置，ir过滤器是转向ir传感器207的凹形形状，其具有带圆锥形和/或非球形基部的轮廓，并通过窗口201反射壳体20内的焦平面，或者在优选模式下，经由隔膜211反射冷屏212内的焦平面。因此，就形状而言，在包含光轴x的任何正割平面中，每个ir过滤器具有朝向ir传感器207的凹形形状的横截面，该凹形形状具有带圆锥形和/或非球形基部的轮廓。此外，每个过滤器的特征在于具有预定透射系数t，并且可以放置在透镜系统40的光学路径上或外部。

ir系统3包括用于移动每个ir过滤器的装置。这些移动装置包括例如用于ir过滤器的马达和臂，ir过滤器在该臂上放置成能够或不能定位成与窗口201相对。

在一个实施方式中，每个ir过滤器可以插入透镜系统40的最后一个透镜(即，这里的中间透镜201)和窗口201之间的位置，该位置允许至少反射壳体20内部并且优选冷屏212内的焦平面。

在一个实施方式中，ir系统3包括单个ir过滤器402。

在一个实施方式中，ir过滤器402具有表面，该表面的被包含光轴x的平面截取而得到的所有横截面都呈由垂直于光轴x的平面截断并且通过围绕光轴旋转而产生的椭圆的形式。

在一个实施方式中，ir过滤器402具有表面，该表面的被包含光轴x的平面截取而得到的横截面呈由垂直于光轴x的平面截断并且通过围绕光轴旋转而产生的圆的形式，圆是椭圆的特定情况。

在一个实施方式中，ir过滤器402可以在ir系统3中采用两个位置：在第一位置，到达ir传感器207的所有ir辐射都已经穿过ir过滤器402。第二位置相当于在ir系统3中缺失ir过滤器。在ir过滤器402的第二位置，ir系统3因此等同于ir系统2，因此不过滤ir系统3接收的电磁辐射。过滤器交替地移动到两个不同的位置中，这使得可以向ir系统3(即，ir传感器207)提供ir传感器207的每个检测器的势阱的两个填充水平，这两个填充水平在相同的积分时间是不同的，这相当于在两个不同的黑体温度下两次获取图像，并允许计算增益和补偿值以应用于从每个检测器发出的值。

在一个实施方式中，当过滤器处于第一位置时，ir过滤器402的呈截断椭圆形式的横截面的椭圆(或者相应地呈截断圆形式的横截面的圆)的每个焦点都被置于窗口201的边缘上。呈截断椭圆形式的横截面的椭圆(或者相应地呈截断圆形式的横截面的圆)的这种焦点位置使得可以确保ir过滤器402反射壳体20内的焦平面。呈截断椭圆的形式的横截面的椭圆的焦点的该定位在下文中称为一般定位。

在一个实施方式中，当过滤器处于第一位置时，ir过滤器402的呈截断椭圆形式的横截面的椭圆(或者相应地呈截断圆形式的横截面的圆)的每个焦点被置于隔膜211的边缘上。呈椭圆形式的横截面的椭圆(或者相应地呈圆形式的横截面的圆)的这种焦点位置可以确保ir过滤器402反射冷屏221内的焦平面。呈截断椭圆形式的横截面的椭圆的焦点的该定位在下文中称为“最佳定位”。

在一个实施方式中，使用射线追踪技术确定ir过滤器402的呈截断椭圆形式的横截面的椭圆的焦点的定位，以确保ir过滤器402反射冷屏212内或壳体20内的焦平面。

图4示出了根据本发明的红外辐射检测系统的一部分的简化剖视图。

图3和图4之间共同的附图标记对应于相同的元件。在图4中考虑ir过滤器402处于第一位置。图4中示出了ir辐射4000至4002。然后将区分两种情况。

在第一种情况下，呈椭圆形式的横截面的焦点处于最佳定位。在这种情况下，从透镜系统30发出并穿过ir过滤器402的所有ir辐射(例如ir辐射4001)和从壳体20内部发出并由ir过滤器402反射的所有ir辐射(例如，由冷屏212发射的ir辐射4000)会聚在冷屏212内。应当注意，在透射系数t的情况下，从透镜系统40发出的ir辐射的t％穿过ir过滤器402，并且从外壳20内部发出的ir辐射的(100-t)％被ir过滤器402反射。同样地，从透镜系统40发出的ir辐射的(100-t)％被ir过滤器402反射(例如辐射4002)，并且从壳体20内部发出的ir辐射的t％穿过ir过滤器402。

在第二种情况下，呈椭圆形式的横截面的焦点处于一般定位中。在这种情况下，不能够确保从壳体20内部发出并由ir过滤器402反射的所有ir辐射会聚在冷屏212内。这是因为从壳体20内部发出的一些ir辐射可能被壳体20的内表面反射，这将导致可能到达ir传感器207的杂散辐射。为了防止这种情况，有必要指定壳体20的内表面是反射性的并且冷屏212的外表面是吸收性的，例如非反射涂料、吸收剂沉积或处理、或合适的漫射器。

在一个实施方式中，透射系数t等于50％。

在一个实施方式中，ir系统3包括第一ir过滤器和第二ir过滤器，每个ir过滤器均与不同的透射系数相关联。第一ir过滤器与例如等于30％的透射系数t1相关联，并且第二ir过滤器与例如等于70％的透射系数t2相关联。与ir过滤器302类似，第一ir过滤器和第二ir过滤器可以移动到第一位置或第二位置。于是存在ir系统3的三种构造：第一构造，其中第一过滤器和第二过滤器处于第二位置；第二构造，其中第一过滤器处于第一位置而第二过滤器处于第二位置；第三构造，其中第一过滤器处于第二位置而第二过滤器处于第一位置。于是，这三种构造允许三点校准。对于单个过滤器来说，两点校准具有与三点校准类似的性能，不过从像素校正观点来说不同之处在于用于计算增益的一个测量也用于计算补偿值。

图6示出了根据本发明的校准方法的实施例。

图6中的方法由ir系统3的处理模块213实施。图6中的方法可以由操作员随时例如通过按下ir系统3的按钮(未示出)启动。当实施该方法时，ir系统3在整个方法的持续时间内显示相同的场景。在图6的实施例中，ir系统3包括单个ir过滤器402。

在步骤601中，处理模块213发送移动ir过滤器402的命令，以将ir过滤器402定位在第一位置。

在步骤602中，处理模块213触发由ir传感器207对第一值矩阵的获取，值矩阵中的每个值均来自ir传感器207的检测器。一旦获取，就将第一值矩阵存储在处理模块213的存储单元2134中。

在步骤603中，处理模块213发送移动ir过滤器402的命令，以将ir过滤器402定位在第二位置。

在步骤604中，处理模块213触发ir传感器207对第二值矩阵的获取。一旦获取，则将第二值矩阵存储在处理模块213的存储单元2134中。

在步骤605中，处理模块实施ir传感器207的每个检测器的两点校准，以便为每个检测器确定要应用于从所述检测器发出的值的增益和补偿值。检测器的每个两点校准均使用对应于所述检测器的第一矩阵的值和对应于所述检测器的第二矩阵的值。

当ir系统3包括不止一个ir过滤器时，通过将每个ir过滤器交替地定位在第一位置或第二位置，可以应用关于图6描述的方法。当过滤器处于第一位置时，其它每个过滤器均处于第二位置。