王文智 劉萬成 王 剛

（1.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 西安 710119）（2.光電信息控制與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 三河 065201）（3.東北電子技術(shù)研究所 錦州 121000）

1 引言

紅外探測(cè)器成像系統(tǒng)在醫(yī)療、工業(yè)探測(cè)、森林防火、視頻監(jiān)控等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。由于紅外線陣探測(cè)器成像靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，特別受到關(guān)注，而要想發(fā)揮其探測(cè)靈敏度高的優(yōu)勢(shì)，紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路就要盡量低的降低噪聲、以提高信噪比［1］。

現(xiàn)階段對(duì)于如何降低紅外探測(cè)系統(tǒng)的噪聲，還沒有一個(gè)簡單、有效的方法供大家參考，有關(guān)紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)采集電路的文章也都缺乏對(duì)噪聲來源的深入分析研究，本文結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)工作中的經(jīng)驗(yàn)，提出適用于紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)采集電路降低紅外探測(cè)系統(tǒng)噪聲的方法，最后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析驗(yàn)證了方法的有效性。

2 紅外探測(cè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)采集電路組成及其噪聲來源分析

2.1 探測(cè)器驅(qū)動(dòng)采集電路的系統(tǒng)組成

如圖1所示，紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)采集電路一般都由電源驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)序控制電路和A／D轉(zhuǎn)換電路組成。電源驅(qū)動(dòng)電路部分主要完成對(duì)探測(cè)器內(nèi)部模擬和數(shù)字器件部分的供電以及各種探測(cè)器電壓的驅(qū)動(dòng)。時(shí)序控制電路部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外探測(cè)器的控制和對(duì)A／D轉(zhuǎn)換電路的控制。A／D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外焦平面探測(cè)器模擬輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換工作［2］。

圖1 探測(cè)器驅(qū)動(dòng)采集電路的系統(tǒng)組成

2.2 紅外探測(cè)器成像系統(tǒng)噪聲來源分析

紅外探測(cè)器成像系統(tǒng)每個(gè)組成部分（如圖1）都有可能引進(jìn)噪聲，一般的主要有紅外焦平面探測(cè)器輸出噪聲、驅(qū)動(dòng)采集電路引入噪聲和光學(xué)系統(tǒng)噪聲等幾部分噪聲。其中，紅外系統(tǒng)中的光學(xué)鏡頭部分由于各處材料對(duì)紅外輻射吸收和反射的不同，能量損失不同，產(chǎn)生紅外圖像噪聲，光學(xué)系統(tǒng)的噪聲可以通過改變光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改善光學(xué)加工工藝來降低。本文對(duì)光學(xué)系統(tǒng)引入的噪聲不作深入研究，只討論探測(cè)器噪聲和驅(qū)動(dòng)電路引入的噪聲［3］。

紅外探測(cè)器輸出噪聲又分為紅外探測(cè)器本身固有噪聲和探測(cè)器供電電源引入噪聲兩部分。其中，紅外探查器件的噪聲主要有1／f噪聲、熱噪聲和約翰遜噪聲。探測(cè)器供電電源部分噪聲和探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路的噪聲同屬于電路的噪聲，主要是熱噪聲和散粒噪聲以及由于數(shù)字信號(hào)的跳變引起的高頻噪聲，其中熱噪聲和散粒噪聲的功率譜是均勻的，與頻率無關(guān)，屬于隨機(jī)噪聲。

3 紅外探測(cè)器成像系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路降低噪聲的方法

3.1 降低紅外探測(cè)器固有噪聲的方法

通過上文的分析，紅外探測(cè)器輸出的噪聲來源分為兩部分，其中紅外探測(cè)器固有噪聲的電壓噪聲功率為［4］

式中：Vb為探測(cè)器的偏置電壓，參數(shù)k＝α／nV被稱為1／f噪聲參數(shù)（α為探測(cè)器焦平面的電阻溫度系數(shù)），f2，f1為上下限頻率，R、RL為探測(cè)器焦平面的阻抗和負(fù)載阻抗，β＝αΔT，K為普朗克常數(shù)，C為探測(cè)器焦平面的熱容，T為探測(cè)器靶面的溫度。

由式（11）可知，在帶寬、阻抗和溫度一定的情況下，1／f噪聲和熱噪聲主要與Vb成正比，而約翰遜噪聲則比較恒定。但是，隨著Vb的增大紅外探測(cè)器的D＊和NETD也將隨之增大，因此，Vb要根據(jù)實(shí)驗(yàn)選擇一個(gè)合適值使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)，在紅外焦平面探測(cè)器中GPOL即為Vb。

3.2 通過選用低噪聲器件和加入低通濾波器的方法降低噪聲

在電路設(shè)計(jì)部分盡量選用低噪聲、低溫漂的器件是一個(gè)降低噪聲簡單、有效的方法，如：探測(cè)器供電電源部分由于電流要求低、紋波性能要求高的特點(diǎn)，可以不選用線性電源而選用電壓基準(zhǔn)芯片加運(yùn)算放大器的方法，將有效的降低探測(cè)器供電部分的噪聲值，如圖2；再有選用差分驅(qū)動(dòng)芯片也可有效抑制噪聲［5］。

圖2 電壓源設(shè)計(jì)示意圖

實(shí)際電路設(shè)計(jì)中低通濾波器可分為一階低通濾波器和二階低通濾波器。對(duì)于紅外探測(cè)器供電部分一般采用二階低通濾波器，如圖2。其傳遞函數(shù)為

通過式（3），可知可以通過調(diào)整RC的值來改變?yōu)V波器的帶寬。在本設(shè)計(jì)中要盡量抑制高頻的噪聲，所以設(shè)置截止頻率為1Hz，wp＝2πfp＝6.28Hz，由上式可得RC約為0.06，設(shè)計(jì)中選用R＝6MΩ，C＝10pF。頻譜特征曲線如圖3，可見大于1Hz的高頻信號(hào)得到有效抑制：

圖3 頻譜特征曲線

對(duì)于紅外探測(cè)器的模擬輸出信號(hào)則采用一階濾波器實(shí)現(xiàn)濾波。其公式為［6］

本設(shè)計(jì)中由于探測(cè)器主時(shí)鐘一般不高于2MHz，因此可以設(shè)RC低通濾波器的截止頻率為3MHz，可選擇R＝1kΩ，C＝50pF。

電路設(shè)計(jì)中還有其他一些通用降低噪聲的方法不做討論，如：在關(guān)鍵器件電源和地之間加入旁路濾波電容，數(shù)字地與模擬地單點(diǎn)端接等。

3.3 FPGA軟件實(shí)現(xiàn)的降噪方法

在FPGA對(duì)圖像數(shù)據(jù)采集過程中采用了幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)降低了信號(hào)的噪聲，提高了信噪比［7］。

1）多次采樣平均：在探測(cè)器信號(hào)每個(gè)MC時(shí)鐘輸出區(qū)間內(nèi)進(jìn)行8次采樣，設(shè)探測(cè)器主時(shí)鐘MC＝1.25MHz，則AD9240采樣時(shí)鐘設(shè)為10MHz，8次采樣中去除掉前兩次和最后兩次采樣結(jié)果，將中間4次采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，這樣可以有效降低圖像信號(hào)的隨機(jī)噪聲。

2）背景減除：由于紅外系統(tǒng)獲取信號(hào)時(shí)，不僅接收來自目標(biāo)的熱輻射，也接收來自進(jìn)入視場的系統(tǒng)內(nèi)部熱輻射，如鏡筒、機(jī)械結(jié)構(gòu)等。這部分非目標(biāo)的輻射為背景噪聲，背景噪聲通常在低照度的情況下占據(jù)很大一部分動(dòng)態(tài)范圍，因此需要進(jìn)行背景減除。在實(shí)際的操作中，即采集一次某溫度下蓋上光學(xué)鏡頭時(shí)的背景圖像，每次得到的目標(biāo)圖像都減去背景圖像值，這樣可以有效的降低圖像的背景噪聲。

3）非均勻性校正：由于紅外探測(cè)器固定圖案噪聲等影響，采集到的圖像需要進(jìn)行非均勻性校正。校正的方法有很多，如基于參考輻射源定標(biāo)的校正、場景法等。設(shè)計(jì)中采用兩點(diǎn)法進(jìn)行標(biāo)定。具體校正方法如下：

取一個(gè)高溫的黑體溫度T1，得到M幀圖像數(shù)據(jù)，則平均響應(yīng)為

同樣的取一個(gè)低溫的黑體溫度T2，得到其平均響應(yīng)為

計(jì)算校正系數(shù)，得到每個(gè)像素點(diǎn)的校正方程為

偏置系數(shù)Ci＝X（T1）－KiYi（T1）

通過以上三種方法，可以有效的提高紅外圖像的信噪比，以利于后期圖像處理工作。

4 結(jié)果與分析

實(shí)際測(cè)量條件：室溫：18.6℃，中波、長波紅外線陣480×6探測(cè)器，紅外系統(tǒng)分析儀DT1500的黑體靶標(biāo)通過平行光管在紅外探測(cè)器靶面上成像，在計(jì)算機(jī)分別得到紅外圖像的信號(hào)強(qiáng)度、噪聲值，最后計(jì)算NETD，用以檢測(cè)紅外探測(cè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)采集電路的低噪聲性能［6］。

紅外系統(tǒng)中，噪聲定義沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般使用均方差（RMS）代表噪聲值。由于紅外探測(cè)器輸出噪聲一般在1mV以下，而示波器引入噪聲已經(jīng)在5mV左右，因此無法用示波器直接測(cè)量得到紅外探測(cè)器系統(tǒng)的噪聲。本文通過計(jì)算機(jī)得到紅外探測(cè)器的數(shù)字信號(hào)，對(duì)數(shù)字信號(hào)分析可以得到紅外系統(tǒng)的噪聲值。RMS公式如下［8］：

紅外探測(cè)器的噪聲等效溫差（NETD）是表征熱成像系統(tǒng)受客觀信噪比限制的溫度分辨率的一種量度，是測(cè)量紅外探測(cè)器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。NETD公式［9］：

其中：ΔVs／Vn即為信噪比，ΔVs即為信號(hào)與背景的差值，Vn為噪聲值RMS。

對(duì)于中波紅外探測(cè)器，設(shè)置黑體溫度比環(huán)境溫度ΔT＝0.5K時(shí)，通過記錄設(shè)備得到RMS＝4.2，ΔVs＝26.9，計(jì)算的NETD＝78.1mk。設(shè)定ΔT＝1K時(shí)，通過記錄設(shè)備得到RMS＝4.2，ΔVs＝52.4，計(jì)算的 NETD＝80.1mk。設(shè)定ΔT＝2K時(shí)，得到RMS＝4.3，ΔVs＝101.5，計(jì)算的NETD＝84.7mk。

對(duì)于長波紅外探測(cè)器，設(shè)置黑體溫度比環(huán)境溫度ΔT＝0.5K時(shí)，通過記錄設(shè)備得到RMS＝3.7，ΔVs＝63.8，計(jì)算的NETD＝28.9mk。設(shè)定ΔT＝1K時(shí)，通過記錄設(shè)備得到RMS＝4.0，ΔVs＝122.3，計(jì)算的 NETD＝32.7mk。設(shè)定ΔT＝2K時(shí)，得到RMS＝4.0，ΔVs＝234.5，計(jì)算的NETD＝34.1mk。

5 結(jié)語

紅外探測(cè)系統(tǒng)為了得到好的探測(cè)性能，一般都要采用低噪聲的設(shè)計(jì)，本文中設(shè)計(jì)思路是在滿足電路性能要求的情況下，首先要選用低噪聲的器件，然后在關(guān)鍵位置添加一階、二階濾波器，對(duì)探測(cè)器電源和探測(cè)器信號(hào)輸出進(jìn)行濾波，最后在FPGA中通過軟件算法進(jìn)一步降低噪聲、提高信噪比。通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了設(shè)計(jì)的正確性，最終得到RMS＝4左右的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于14bit精度的A／D芯片實(shí)際有效精度達(dá)到了12bit，在環(huán)境溫度較低，對(duì)中波紅外探測(cè)器響應(yīng)不好的情況下，測(cè)得NETD的數(shù)值在80mK左右的數(shù)值。對(duì)長波探測(cè)器，測(cè)得NETD的數(shù)值在30mK左右的數(shù)值。本文低噪聲的設(shè)計(jì)方法在實(shí)際降低噪聲的應(yīng)用中取得了非常好的效果，可以為廣大紅外探測(cè)采集領(lǐng)域的低噪聲電路設(shè)計(jì)提供了一個(gè)好的參考［9］。

［1］謝寶蓉，傅雨田，張瀅清.320×256長波紅外探測(cè)器低噪聲采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.紅外技術(shù)，2010，32（4）：191－194.

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［4］安永泉，禹健.576×6長波紅外探測(cè)器成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.激光與紅外，2009，39（2）：173－177.

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［9］王華，魏志勇，張文昱，等.480×6紅外探測(cè)器信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)［J］.紅外技術(shù)，2009，31（9）：504－508.