便携式紫外GaN相机与海洋应用初步验证

第３７卷第１０期　

２０１０年１０月　光电工程　

Ｏｐｔｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｖｏ１．３７．ＮＯ．１Ｏ　

０ｃｔ．２０ｌ０　

文章编号：１００３—５０１Ｘ（２０１０）１０—０１３４—０５　

便携式紫外ＧａＮ相机与海洋应用初步验证　

钱炜峰　一，尹达一　，陶邦一　，詹远增　，　

黄小仙　，黄　星１，２，李玉敏　

（１，中国科学院上海技术物理研究所，上海２０００８３；　

２．中国科学院研究生院，北京１０００３９；　

３．国家海洋局第二海洋研究所，杭州３１００１２）　

摘要：本文对国内最新研制的２５６ｘ１元ＧａＮ基紫外探测器的原理和特点进行了分析与介绍，研究了对应的信息获　

取原理与方法，完成了信息获取系统的设计与实现，阐述了基于２５６ｘｌ元ＧａＮ基紫外探测器的便携式紫外线阵相　

机的设计过程，完成了相机信噪比测试和外景成像试验。通过与海洋相关研究所合作，实地进行了相机的出海搭　

载试验，成功获取了海面的紫外图像数据。实验结果表明：海面图像清晰，纹理丰富，为相机便携出海作业和海　

洋环境监测应用做出了探索性的工作。　关键词：紫外；ＧａＮ；海洋溢油；便携式　

中图分类号：ＴＮ２３　文献标志码：Ａ　ｄｏ　：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００３．５０１Ｘ．２０１０．１０．０２３　

Ｐｏｒｔａｂｌｅ　ＵＶ　ＧａＮ　Ｃａｍｅｒａ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｒｉｎｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　

ＱＩＡＮ　Ｗｅｉ．ｆｅｎｇ　＇．，ＹＩＮ　Ｄａ．ｙｉ　，ＴＡＯ　Ｂａｎｇ．ｙｉ　，ＺＨＡＮ　Ｙｕａｎ．ｚｅｎｇ　，　ＨＵＡＮＧ　Ｘｉａｏ．ｘｉａｎ　，ＨＵＡＮＧ　Ｘｉｎｇ　，一，ＬＩ　Ｙｕ．ｍｉｎ　

（１．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００８３，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３９，Ｃｈｉｎａ；　

３．Ｔｈｅ　ＳｅｃｏｎｄＩｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙ，Ｓｔａｔｅ　ＯｃｅａｎｉｃＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００１２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａ　ＧａＮ—ｂａｓｅｄ　Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ（ｕｖ）ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｒｅｃｅｎｔｌｙ　ｂｙ　Ｃｈｉｎｅｓｅ，ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｉｓ　

ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｉｔ　ｗａｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｐｏｒｔａｂｌｅ　ＵＶ　ｃａｍｅｒａ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＧａＮ—ｂａｓｅｄ　ＵＶ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅ　

Ｓｉｇｎａｌ—ｔｏ—Ｎｏｉｓｅ　Ｒａｔｉｏ　ｆＳＮＲ）ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｍｅｒａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｗｅｒｅ　ｆｉｎｉｓｈｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　

Ｍａｒｉｎｅ—ｒｅｌａｔｅｄ　ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ｔｈｅ　ｐｏｒｔａｂｌｅ　ｃａｍｅｒａ　ｗａｓ　ｍｏｕｎｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｖｅｓｓｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＵＶ　ｉｍａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅａ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗａｓ　

ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅａ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｉｓ　ｃｌｅａｒ　ａｎｄ　ｒｉｃｈ　ｔｅｘｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｄｅ　ａ　ｍａｉｄｅｎ　

ａｔｔｅｍｐｔ　ａｎｄ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＵＶ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍａｒｉｎｅ　ｏｉｌ　ｓｐｉｌ１．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＵＶ；ＧａＮ；ｏｉｌ　ｓｐｉｌｌ；ｐｏｒｔａｂｌｅ　

０　引　言　

近来，·国家海洋局相关应用部门对海洋溢油污染监测的需求日益上升，对溢油监测传感器的性能及精　度提出了进一步的要求。研究结果表明［１】，海洋溢油形成的污染油膜在紫外弱效应波段（３００～４００　ｎｍ）２￣ｆＮ　

收稿日期：２０１０—０５—１７；收到修改稿Ｅｔ期：２０１０～０６—２９　基金项目：国家自然科学基金资助项目（４０７７６１００）　作者简介：钱炜峰（１９８３．），男（汉族），湖北赤壁人。硕士研究生，主要研究工作是紫外光电探测技术。Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉａｎｗｅｉｆｅｎｇ＠１６３．ｃｏｍ。

　第３７卷第１０期　钱炜峰等：便携式紫外ＧａＮ相机与海洋应用初步验证　１３５　

具有强的反射作用，在太阳光照下绝大多数油种与水体相比均存在比较大的亮度反差，因此可以利用在紫　

外波段海洋溢油油膜的高反射率特点提取油膜信息。迄今为止，国内能够提供这类仪器的单位还比较少。　

因此，研制新型高性能的紫外探测仪器并使之小型化将有利于便携出海作业，对于海洋溢油污染监测具有　

十分重要的意义。　

１　国内外进展情况　

遥感技术应用在海上石油污染监测始于１９６９年。当时美国使用Ｃ一４７运输机装载两部多波段可见光扫　

描仪，对加利福利亚圣芭芭拉附近海上采油区井喷造成的海洋溢油进行污染监测，对海上油膜及扩散实现　ＴＮ：踪测量Ｌ２Ｊ。１９８０年美国Ｈ　Ｈ　Ｗｈｉｔｅ利用主动和被动遥感，在卫星平台上对海上油污的波谱特性开展了　

大量的基础研究　Ｊ。　

我国航空遥感始于上世纪７０－８０年代。国家海洋局为适应海洋监测工作需要，初步建立业务化的运行　

系统　Ｊ。２００４年，中国科学院上海技术物理所（简称上海技物所）研制出了海监机载多光谱扫描仪（ＭＡＭＳ），　

配合国家海洋局东海分局在东海海域对海面溢油进行了航空校飞。虽然紫外波段（２５０－３５０　ｎｍ）成像效果良　好，但是ＭＡＭＳ采用的电子倍增管存在器件体积大、需要高压供电等缺点【ｑＪ，导致仪器体积和重量偏大从　

而不利于便携操作。为了进一步满足海洋用户的需求，２００８年以来上海技物所采用最新研制的紫外ＧａＮ　

基线列阵器件，开始研制便携式紫外推扫相机并在２００９年末完成项目研究。　

２紫外ＧａＮ基线阵相机　

２．１相机的总体参数　

紫外ＧａＮ基线阵相机采用上海技物所自行研制的２５６ｘ　１元紫　

外ＧａＮ基探测器，成像波段选择３００－３７０　ｎｍ。瞬时视场角２　ｍｒａｄ，　

总视场角３０。，相机主要由透射式紫外光学系统、紫外探测器及　

其驱动板、信号传输与处理板、二次电源板等部分组成。透射式　

紫外光学系统的焦距２５　ｍｍ，口径９　ｍｍ，透射波段２００－１　０００　ｎｍ，　

紫外波段透过率优于８５％，总重量２．１　ｋｇ，功耗６　Ｗ，相机实物　

如图１所示。　

２．２　２５６ｘ１元紫外ＧａＮ线列阵探测器　图１相机的外观图　Ｆｉｇ．１　ＵＶ　ＧａＮ—ｂａｓｅｄ　ｐｕｓｈ—ｂｒｏｏｍ　ｃａｍｅｒａ　

紫外ＧａＮ探测器是一种高性能光电探测器，ＧａＮ基紫外探测器与其他类型的紫外探测器相比具有禁　带宽度大、量子效率高、耐高温、抗腐蚀等优点Ｌ４　Ｊ，其波长选择与传统探测器最大的不同在于探测器表面　

无须贴装波段选择滤波片，通过调节材料成长过程中的ＧａＮ组份配比实现紫外波长的选择性，并且带外响　应抑制能力很强，因此具有明显优势　Ｊ。近年来得到了快速的发展。　

国内在ＧａＮ基紫外探测器件研制方面的发展很快。在焦平面制备方面，上海技术物理研究所在对器件　

工艺研究的基础上，２００３年研制出规模为６４ｘ　１的ＧａＮ基可见盲紫外探测线列，采用正照射结构，并实现　

了与ｓｉ读出电路的互连，是我国第一只ＧａＮ基紫外线列焦平面。２００５年又研制出了３２ｘ３２可见盲紫外焦　平面探测器，器件的单色峰值响应率初步测量达到１×１０　ｖ／ｗ实测的探测率在３×１０Ⅲｃｍ．Ｈｚ１／２．Ｗ。的水平，　

器件的截止波长在３５０　ｎｍ以下。之后，上海技术物理研究所又研制出了１２８ｘ　１可见盲、日盲型线列紫外　

探测器，这是国内首次制备出Ａ１ＧａＮ日盲型线列焦平面探测器，该器件采用背照射结构，经过铟柱倒焊到　宝石电极板上，再与硅读出电路连接。可见盲波段器件的单元最大电流响应在０．１６　Ａ／Ｗ件的峰值波长在　

３６０　ｎｍ附近，光谱响应均匀。１２８元日盲型线列器件的单元最大电流响应在０．０９　Ａ／Ｗ（带电路测试），实测　的探测率在１．０８ｘ１０　ｃｍ·Ｈｚ１／２．Ｗ　的水平，器件的截止波长在２８０　ｎｍ以下　Ｊ。　

本文采用上海技物所最新研制的２５６ｘ１元紫外ＧａＮ线列阵探测器：比探测率（Ｄ　）为１×１０¨　ｃｍ·Ｈｚ１／２，Ｗ～峰值响应率为０．１　Ａ·Ｗ～。探测器实物如图２所示　Ｊ。

　１３６　光电工程　２０１０年１０月　

２．３相机信息获取技术　

２．３．１信息获取流程　２５６ｘ１元紫外ＧａＮ基探测器是由２条１２８元的探测线列拼接而成的，每条探测线列有两路差分输出　

（Ｄ－Ｖｏｕｔｌ，Ｄ—Ｖｏｕｔ２，Ｃ－Ｖｏｕｔｌ，Ｃ—Ｖｏｕｔ２）以提高信号传输质量。采用多路复用器（Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）按照先导通１条　１２８元后导通第二条１２８元的顺序依次读取探测器中每个像元的读出信号，通过差分放大器、输出缓冲器、　Ａ／Ｄ转换、数据处理等环节，最后通过ＵＳＢ芯片上传到电脑做数据处理。信息获取流程如图３所示¨川。　

图２探测器的外观图　Ｆｉｇ．２　Ｉｍａｇｅ　ｏｆＵＶ　ＧａＮ—ｂａｓｅｄ　ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ　墨　器　耋　磬　。　｝　垂　夏　童　

ｊ－　三　Ｕ　３　童　芎　——ｊ　盆　——　——　量　

２昌　詈＆名茎　。　０　言　

图３信息获取原理图　

Ｆｉｇ．３　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｃｈａｒｔ　

２．３．２相机ＦＰＧＡ软件模块组装　

相机ＦＰＧＡ软件模块组装图如图４所示。参数配置模块的功能是完成积分时间（８档可选择：２　ｍｓ、４　ｍｓ、　

６　ｍｓ、８　ｍｓ、１０　ｍｓ、１６　ｍｓ、２０　ｍｓ、２６　ｍｓ）、累加（１～８次可选）、平均次数（１－８次可选）等参数的设置；时　序驱动模块根据配置参数中积分时间、累加次数的要求，为探测器提供所需要的驱动时序；信号处理模块　

将按照配置参数中累加、平均次数的参数值，对输入的信号进行对应的数据处理；数据缓冲模块的功能是　

将输入数据按异步ＦＩＦＯ模式传输到ＵＳＢ芯片中去。各模块内采用状态机结构，便于模块内程序理解和修　改。　

图４程序模块图　Ｆｉｇ．４　Ｐｒｏｇｒａｍ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｂｌｏｃｋｓ　ＵＳＢ　ｉｎｔｅｒｆａｃａ　ｃｈｉｐ　

３相机信噪比测试　

３．１信噪比测试方法　信噪比测试需要通过对相机进行绝对辐射定标过程加以实现。通过定标试验获取相机每一元的噪声码　

值与辐射响应系数，再根据这两组数据计算噪声系数反照率，外推至一个标准太阳常数下的信噪比。　

实验装置由相机、三角架、电源、笔记本电脑、漫反射板等组成，如图５所示。首先，太阳的入射光