一种基于斯特林机制冷的高速中波红外光检测系统及方法与流程

本发明涉及红外探测，具体涉及一种基于斯特林机制冷的高速中波红外光检测系统及方法。

背景技术：

1、中波红外探测器具有灵敏度高、响应速度快、探测距离远等优点，被广泛应用于红外成像、目标识别、空间遥感及激光探测等领域。中波红外光的检测与科研教育、国防安全密切相关。目前，市面上流行的中波红外光检测系统均从美国进口。因此，我国迫切需要全自主研发的中波红外光检测系统。中波红外焦平面探测器分为常温检测器与低温检测器两种。灵敏度较高的碲镉汞探测器一般在77 k左右低温环境下工作，以降低暗电流，提高探测率。目前市场上基于汞镉碲探测器的中波红外检测系统其制冷方式绝大多数为额外添加液氮制冷，维护成本高昂，使用不便。此外，红外光谱、成像技术的发展对探测器的分辨率、读取速率、信噪比都提出了更高的要求。因此，市场迫切需要一款高速、高分辨率、高信噪比、使用方便的中波红外光检测系统。

2、现有技术中，已有若干专利文献涉及制冷型中波红外检测系统的设计方案，但均存在不同程度的技术局限，无法同时满足高速、高分辨率、使用方便且全部国产化的中波红外光谱检测需求。以下对几件具有代表性的现有技术专利文献进行分析。

3、中国专利文献cn110186865b（申请日2019年6月14日，授权公告日2023年9月19日）公开了一种智能网络型红外气体识别设备，其包括红外镜头、红外探测器、探测器接口模块、成像电路模块、arm控制及传输模块和远程中心工作站。该设备采用窄波段碲镉汞中波斯特林制冷红外探测器，成像电路模块包括ad采集子模块、flash存储子模块、fpga子模块及通信接口子模块，ad采集子模块接收探测器4路模拟输出并转换为16位数字数据传输到fpga进行处理，fpga对数据进行校正后通过arm控制及传输模块和通信接口传输至远程中心工作站。然而，上述cn110186865b专利方案存在以下技术问题：第一，其采用flash存储器存储校正数据，flash的读写速度有限，难以满足高速信号采集场景下的大数据量实时缓存需求，制约了系统的输出帧频；第二，其不具备在模数转换前的信号调理环节，探测器输出的模拟电信号传输质量受损，影响检测精度；第三，该方案面向气体泄漏识别的窄波段（3.2-3.4μm）应用，不适用于宽波段中波红外光谱检测，且未涉及光谱分辨率优化，无法满足精细结构分析需求；第四，该方案通过arm模块和网络进行远程数据传输，传输链路复杂、延迟较大，不适合高速红外光谱数据的实时采集与处理。

4、中国专利文献cn118067248a（申请日2024年3月12日，公开日2024年5月24日）公开了一种基于锑化铟红外探测器的驱动电路，包括探测器时序控制模块、模拟前放电路、探测器偏压模块、探测器制冷状态读出模块和fpga主控模块。fpga产生lvds差分信号，将4路数字图像信号排序合并为一路原始灰度数字图像；模拟前放电路对模拟视频信号进行阻抗变换、差分转换及模数转换；探测器通过斯特林制冷机制冷至77k-150k，通过测温二极管反馈温度信号经adc输入fpga实现加电控制。然而，上述cn118067248a专利方案存在以下技术问题：第一，其探测器材料为锑化铟（insb），锑镉铟探测器的截止波长较短（约5.5μm），在其他中波红外波段（如5-6μm）的应用受限，不利于进行光谱指纹分析，而碲镉汞探测器可通过组分调节实现更宽波段覆盖；第二，该方案仅涉及驱动电路本身，无法直接与外接计算机系统、上位机软件等联合使用形成完整检测系统，不具备光谱信号采集、可视化处理、背景扣除等软件功能，无法直接用于光谱检测；第二，其信号调理电路包括阻抗变换和差分转换，同时对探测器输入了额外的偏置电压，但缺少“去偏置电压”环节，探测器输出信号的基线漂移问题未能有效解决，影响后续模数转换的精度和动态范围；第四，该方案未采用高速缓存器（如ddr2）进行采集数据缓存，数据传输速率受限，难以满足高速红外光谱检测的大数据量传输需求。

5、中国专利文献cn118945445a（申请日2024年8月5日，公开日2024年11月12日）公开了一种制冷型中波红外热成像系统，其包括红外物镜模组、红外探测器、斯特林集成式制冷机、信号处理模块和电源模块。红外探测器在斯特林制冷机作用下冷却到预设温度，将红外辐射信号转换为模拟电信号；信号处理模块驱动制冷机和物镜模组电机，对模拟电信号放大和采样后转换为数字图像信号，经校正后转换为标准数字视频信号输出。然而，上述cn118945445a专利方案存在以下技术问题：第一，其面向热成像应用，包含连续变焦光学系统，系统架构和应用场景与本发明面向的光谱检测不同，热成像系统追求的是图像帧频和温度分辨率，而光谱检测系统追求的是光谱分辨率和信号保真度，二者的技术路线存在本质差异；第二，其信号处理模块仅对模拟信号进行放大和采样，未公开fpga控制架构、多路adc并行采集、信号调理电路（阻抗匹配、去直流偏置、模拟放大）等具体电子学设计，信号质量难以保证；第三，该方案输出标准数字视频信号，未涉及与外接计算机系统的数据通信和上位机光谱分析功能，无法满足科学仪器级光谱检测的数据处理需求，如背景扣除、底噪去除、光谱可视化等；第四，该方案未公开制冷温度的具体数值和温控精度，无法评估其是否能满足碲镉汞探测器77k低温工作的稳定性要求。

6、综上所述，现有技术存在以下不足：（1）采用碲镉汞探测器的中波红外检测系统普遍采用液氮制冷方式，需频繁补充液氮，维护成本高昂且使用不便，难以满足便携化和长期连续工作的需求；（2）现有专利方案或缺少完整的信号调理电路设计（阻抗匹配、去直流偏置、模拟放大），或缺少高速数据缓存（ddr2）与高速传输接口（usb3.0），难以满足高速、高分辨率光谱检测对信号质量和数据吞吐量的需求；（3）现有方案均未形成集斯特林制冷、fpga统一控制、多路adc并行采集、信号调理优化、高速数据传输及上位机光谱分析于一体的完整系统方案，各项技术难以协同发挥效用；（4）现有方案的光谱分辨率有限（如美国进口系统在50刻线光栅分光，1600波数的中心探测波长下，光谱分辨率仅为4波数），无法清晰分辨精细光谱结构，制约了在科学仪器和科研领域的应用；（5）我国亟需实现全自主国产化。

7、因此，本领域迫切需要一种基于斯特林机制冷、无需液氮、具有高速高分辨率检测能力、集信号调理与高速数据传输及上位机光谱分析于一体、且全部零部件国产化的中波红外光检测系统，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于斯特林机制冷的高速中波红外光检测系统及方法，该系统及方法能通过斯特林制冷机为探测器提供低温工作环境以替代传统液氮制冷方式，还能结合高速fpga控制模块，具有低读出噪声，动态范围高，读出速度快，使用方便的特点。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于斯特林机制冷的高速中波红外光检测系统，该系统包括：中波红外探测器、斯特林机制冷模块、fpga控制模块、信号调理电路、高速adc模数转换器。

4、其中，所述中波红外探测器，用于将探测到的入射中波红外光转换为模拟电信号；

5、所述斯特林机制冷模块，用于为所述中波红外探测器提供低温工作环境；

6、所述fpga控制模块，用于产生中波红外探测器的驱动时序，控制高速adc模数转换器进行同步采集，驱动斯特林机制冷模块工作并读取温度反馈信号，完成采集数据缓存及传输控制；

7、所述信号调理电路，用于对所述模拟电信号进行阻抗匹配、直流偏置去除及放大处理，使其符合所述高速adc模数转换器的输入范围；

8、所述高速adc模数转换器，用于将经所述信号调理电路处理后的模拟电信号转换为数字信号，并返回所述fpga控制模块；

9、其中，所述fpga控制模块作为控制中枢，分别与所述中波红外探测器、斯特林机制冷模块、高速adc模数转换器连接；所述中波红外探测器与所述斯特林机制冷模块紧密相连，并依次连接所述信号调理电路、高速adc模数转换器；，实现探测器低温工作环境控制以及检测数据高速采集、存储、传输。

10、进一步，如上所述的一种基于斯特林机制冷的高速中波红外光检测系统，所述中波红外探测器包括碲镉汞探测器芯片、读出电路、红外窗口；

11、所述碲镉汞探测器芯片，用于将中波红外光转化为电信号；

12、所述读出电路，用于读取所述碲镉汞探测器芯片产生的电信号；

13、所述红外窗口，用于调整中波红外光透射波长范围。

14、进一步，如上所述的一种基于斯特林机制冷的高速中波红外光检测系统，所述斯特林机制冷模块包括斯特林制冷机、金属微杜瓦及测温二极管；

15、所述斯特林制冷机，用于提供所述中波红外探测器所需的低温工作环境；

16、所述金属微杜瓦，用于维持所述斯特林制冷机低温工作所需的真空隔热环境；

17、所述测温二极管，用于读取所述碲镉汞探测器芯片的温度。

18、进一步，如上所述的一种基于斯特林机制冷的高速中波红外光检测系统，所述fpga控制模块包括fpga芯片、存储器；

19、所述fpga芯片，用于为中波红外探测器提供驱动信号，控制所述高速adc模数转换器进行数据采集；读取所述测温二极管的温度反馈信号，将其作为所述高速中波红外光检测系统的安全开启条件；

20、所述存储器，用于缓存所述高速adc模数转换器采集到的数据。

21、进一步，如上所述的一种基于斯特林机制冷的高速中波红外光检测系统，所述信号调理电路包括阻抗匹配电路、去直流偏置电路及模拟放大电路；

22、所述阻抗匹配电路，用于使所述中波红外探测器的输出模拟电信号与所述高速adc模数转换器阻抗匹配；

23、所述去直流偏置电路，用于去除模拟电信号的直流偏置电压；

24、所述模拟放大电路，用于放大无直流偏置模拟电信号的电压，使其适应高速adc模数转换器的电压输入范围。

25、进一步，如上所述的一种基于斯特林机制冷的高速中波红外光检测系统，所述高速adc模数器包含与探测器输出通道数量相匹配的多路独立模数转换通道，用于对各通道信号进行同步并行采集，并将采集到的数据返回所述fpga控制模块。

26、进一步，所述红外窗口镀有红外增透膜，用于限制透射波长范围和调整透射均匀性。

27、进一步，所述阻抗匹配电路采用射随器电路实现，所述去直流偏置电路采用差分减法器实现，所述模拟放大电路采用差分放大器将单端信号转换为差分信号并放大。

28、进一步，如上所述的一种基于斯特林机制冷的高速中波红外光检测系统，还可以通过usb通信协议与外置计算机进行联用。

29、所述计算机，通过控制软件，用于对所述高速中波红外光检测系统进行参数配置，并接收所述数字信号进行数据处理、图像显示及数据采集打印；更进一步，所述计算机还通过控制软件控制所述高速中波红外光检测系统的触发方式、积分时间、读取区域以及采集参数，采集所述高速中波红外光检测系统输出的数字信号并进行可视化处理。

30、更进一步，所述控制软件为基于labview语言编写的、运行于windows操作系统上的控制软件。

31、本发明还公开了一种基于斯特林机制冷的高速中波红外光检测方法，通过如上所述的系统来实现，包括以下步骤：

32、（1）通过斯特林机制冷模块将中波红外探测器冷却至低温工作环境；

33、（2）fpga控制模块产生驱动时序，驱动所述中波红外探测器采集中波红外光信号并转换为模拟电信号；

34、（3）信号调理电路对所述模拟电信号依次进行阻抗匹配、直流偏置去除及放大处理；

35、（4）高速adc模数转换器将处理后的模拟电信号转换为数字信号；

36、（5）fpga控制模块将所述数字信号缓存并输出。

37、本发明的有益效果在于：本发明提供了一种低读出噪声，动态范围高，读出速度快，窗口输出帧频高，使用方便的基于斯特林机制冷的高速中波红外光检测系统及方法，工艺先进，稳定可靠，性能强劲，成本低廉，性价比高。可广泛用于制冷型中波红外焦平面探测器的高速读出、数据采集及温度控制系统，可广泛应用于红外成像、目标探测、光谱分析、科学仪器及国防装备等领域。