謝寶蓉，魏文超，葉 盛，李 賢，方彩婷

?

基于640×480非制冷紅外傳感器的低噪聲采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝寶蓉，魏文超，葉 盛，李 賢，方彩婷

（上海電子技術(shù)研究所，上海 201109）

從低噪聲角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于640×480的高信噪比非制冷紅外采集系統(tǒng)。對(duì)精密偏置電壓、信號(hào)濾波以及高速模數(shù)轉(zhuǎn)換提供了詳細(xì)設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。測(cè)試結(jié)果表明本系統(tǒng)在積分時(shí)間為64ms的情況下，取得了像元平均NETD值為223mK的優(yōu)良信噪比特性。

非制冷；紅外傳感器；低噪聲；采集系統(tǒng)

0 引言

隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，非制冷紅外焦平面?zhèn)鞲衅鲬{借價(jià)格低、重量輕、功耗小、操作方便等優(yōu)勢(shì)，在軍事和民用紅外成像領(lǐng)域占有越來(lái)越重要的地位，成為高科技領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一[1]。然而，在紅外探測(cè)器的應(yīng)用中，圖像采集系統(tǒng)的質(zhì)量將直接影響到紅外成像系統(tǒng)的性能。其中，傳感器的采集系統(tǒng)噪聲處理十分關(guān)鍵，較多的噪聲會(huì)降低紅外圖像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量，減小工作動(dòng)態(tài)范圍，從而影響系統(tǒng)測(cè)量的精度。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)非制冷紅外焦平面的研究取得了一定進(jìn)展，但對(duì)其相關(guān)采集電路的低噪聲設(shè)計(jì)思路和方法介紹卻鮮有報(bào)道。

本文以640×480大面陣非制冷傳感器為例，詳細(xì)介紹了長(zhǎng)波紅外傳感器采集系統(tǒng)的低噪聲設(shè)計(jì)過(guò)程。特別地，對(duì)于如何減小傳感器驅(qū)動(dòng)電路噪聲、A/D量化噪聲給出了詳細(xì)描述，并設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的信噪比和實(shí)際成像效果。

1 640×480非制冷傳感器介紹

設(shè)計(jì)中采用的是分辨率為640×480的非制冷型紅外傳感器，內(nèi)置熱電制冷器（TEC），可以根據(jù)環(huán)境溫度的變化調(diào)節(jié)傳感器焦平面的溫度，從而保證傳感器能夠穩(wěn)定、低噪聲工作。像元的NETD在300 K，/1，50Hz情況下為80mK左右。其內(nèi)部功能框圖如圖1所示。

圖1 傳感器內(nèi)部功能框圖

2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 電源和偏置電壓設(shè)計(jì)

本傳感器的供電電路共需提供1路模擬電源、4路模擬偏置電壓以及1路數(shù)字電源。電源與偏置信號(hào)如表1所示。

表1 電源與偏置信號(hào)

由表1可知，傳感器的電源和偏置電壓對(duì)噪聲性能要求非常高，并且電源和偏置電壓的選擇和控制是否精確會(huì)直接影響傳感器輸出圖像的質(zhì)量。因此如何設(shè)計(jì)低噪聲、高精度的電源和偏置電壓是影響圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素[2]。本設(shè)計(jì)將采取如下方法設(shè)計(jì)電源和偏置電壓。

VDDA采用linear公司生產(chǎn)的LT1962-5進(jìn)行供電，LT1962-5是一款低噪聲、低功耗的低壓差穩(wěn)壓器，噪聲均值為20mV，靜態(tài)電流為30mA，輸出電流可達(dá)300mA，而且具有良好的溫漂特性，當(dāng)溫度變化在－50℃～＋125℃之間時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在4.975～5.025V之間，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

GFID選用ADI公司生產(chǎn)的ADR445，電壓輸出為＋5V，精度誤差為2mV，最大輸出電流可達(dá)10mA。此芯片擁有超低電壓噪聲性能和低溫漂系數(shù)，其中電壓噪聲峰-峰值為2.25mV（0.1～10Hz），溫漂系數(shù)為2PPM/℃。

VSK使用linear公司的LT1962，器件可調(diào)輸出電壓為1.22～20V，電流輸出可達(dá)100mA。它的噪聲性能優(yōu)良，噪聲均值在20mV（10Hz～100kHz）。圖2給出了設(shè)計(jì)圖。

圖3為VBUS偏置電壓設(shè)計(jì)圖。VBUS采用了超低噪聲電壓基準(zhǔn)芯片ADR433B，其精度為1mV，輸出電流最大可達(dá)30mA，噪聲電壓峰-峰值為3.75mV（0.1～10Hz），滿足指標(biāo)要求。ADR433B輸出為＋3.0V固定電壓，所需電壓可經(jīng)過(guò)精密電阻2.8kW和0.2kW電阻分壓得到。

圖2 VSK供電

圖3 VBUS偏置電壓設(shè)計(jì)

GSK信號(hào)獲取類似于VBUS，采用電壓基準(zhǔn)芯片ADR433B經(jīng)過(guò)2.2kW和0.8kW電阻分壓得到。

數(shù)字電源VDDL可采用linear公司生產(chǎn)的LT1962-3.3，輸出為固定3.3V電壓。LT1962-3.3電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 VDDL供電

2.2 濾波電路設(shè)計(jì)

輸出的傳感器模擬信號(hào)進(jìn)入到A/D前，為保證信號(hào)的低噪聲性能，進(jìn)行二階有源濾波[3]，設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖6為此濾波電路仿真的幅頻響應(yīng)，為保證讀出視頻信號(hào)的不失真，一般濾波器帶寬選擇為讀出信號(hào)頻率的3～5倍。本設(shè)計(jì)中讀出信號(hào)帶寬為2MHz，濾波器3dB帶寬設(shè)計(jì)為10MHz[4]。為保證低噪聲設(shè)計(jì)，運(yùn)放采用高速、低噪聲的運(yùn)算放大器AD8606，其電源輸入為2.7～5.5V供電，信號(hào)帶寬為10MHz，低噪聲電壓特性為8nV/Hz1/2。

圖5 濾波器電路圖

圖6 幅頻響應(yīng)

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由于傳感器輸出的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為1.0～4.2V，典型靈敏度為4mV/K，噪聲等效溫差最小為60mK，計(jì)算得最小需識(shí)別的電壓為0.24V，因此信號(hào)輸出的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)105dB，AD轉(zhuǎn)換芯片的量化精度由下式進(jìn)行計(jì)算：

由上式可估算，至少取14可滿足輸入動(dòng)態(tài)范圍要求，實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇14bit量化精度。

設(shè)計(jì)中采用ADI公司生產(chǎn)的14 bit低噪聲器件AD9240[5]，SNR為78.5dB（@4MHz）。采樣率為10MSPS，可滿足2MHz輸入信號(hào)的無(wú)失真采樣。圖7給出了AD9240的設(shè)計(jì)原理圖。

圖7 AD9240電路圖

3 信噪比測(cè)試及成像結(jié)果

3.1 系統(tǒng)信噪比測(cè)試

一般來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)波紅外傳感器的信噪比用NETD來(lái)衡量[6]。在測(cè)量中，使用黑體輻射目標(biāo)，系統(tǒng)對(duì)溫度為1和2（2＞1）的黑體表面分別進(jìn)行測(cè)量。NETD計(jì)算公式如下所示。

式中：D為測(cè)量黑體的溫度差；D為各光敏元對(duì)應(yīng)D的平均輸出差值；RMS為1或2溫度對(duì)應(yīng)的RMS噪聲。

經(jīng)計(jì)算，在傳感器積分64ms和300K黑體照射情況下，此長(zhǎng)波傳感器的平均像元噪聲電壓值為1.1mV，像元平均NETD值為223mK。圖8和圖9分別給出了序號(hào)為1～1000像元的噪聲電壓值和NETD值。

圖8 系統(tǒng)成像結(jié)果

圖9 系統(tǒng)成像結(jié)果

3.2 成像結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用焦距為25mm，F(xiàn)數(shù)為1.0的紅外光學(xué)鏡頭進(jìn)行成像，成像效果如圖10所示。由圖10可看出，本系統(tǒng)取得了較高信噪比的成像效果。

圖10 系統(tǒng)成像結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)640×480非制冷傳感器，從低噪聲角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了精密偏置電壓、信號(hào)濾波、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，并對(duì)電路的噪聲性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。該采集系統(tǒng)在傳感器積分時(shí)間為64ms時(shí)，測(cè)得像元平均NETD值為223mK，取得了優(yōu)良的成像效果。因此，本文提出的設(shè)計(jì)方法對(duì)于非制冷長(zhǎng)波紅外成像的低噪聲處理具有較好的借鑒意義。

[1] 宿美春. 非制冷紅外焦平面信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子科技, 2009, 22(3): 69-71.

SU Meichun. Design of uncooled IRFPA signal processing system[J]., 2009, 22(3): 69-71.

[2] 張沛, 祝紅彬, 呂堅(jiān), 等. 低噪聲非制冷紅外焦平面陣列驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J]. 紅外與激光工程, 2010, 39(5): 806-810.

ZHANG pei, ZHU Hongbin, LV Jian,et al. Design of the low noise uncooled infrared focal plane array driver circuit[J]., 2010, 39(5): 806-810.

[3] 謝寶蓉, 傅雨田, 張瀅清. 480×6長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的低噪聲采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 激光與紅外, 2009, 39(11): 1177-1182.

XIE Baorong, FU Yutian, ZHANG Yingqing. Design of the acquisition system with low noise based on 480×6 long wavelength infrared detector[J]., 2009, 39(11): 1177-1182.

[4] 高晉占. 微弱信號(hào)檢測(cè)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2004: 51-53.

GAO Jinzhan.[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 51-53.

[5] Analog Device. Complete 14-Bit, 10MSPS Monolithic A/D Converter AD9240[Z]. 1998.

[6] 張瀅清, 王建宇, 傅雨田. 細(xì)分采樣疊加技術(shù)在推掃式長(zhǎng)波紅外成像中的應(yīng)用[J]. 量子電子學(xué)報(bào), 2006, 23(2): 263-267.

ZHANG Yingqing, WANG Jianyu, FU Yutian. Oversample -superposition technique applied to long-wave infrared push-broom imaging system[J]., 2006, 23(2): 263-267.

Design of the Acquisition System Based on 640×480 Uncooled Infrared Detector

XIE Baorong，WEI Wenchao，YE Sheng，LI Xian，F(xiàn)ANG Caiting

(,201109,)

On the principle of low noise characteristic, a high SNR acquisition system was designed based on a 640×480 uncooled infrared sensor. The paper gives a detailed description and realization of precise bias voltages, signal filtering and high speed A/D conversion. The test result showed that the system had achieved an excellent SNR characteristic with average NETD value of 223 mK.

uncooled，infrared sensor，low noise，acquisition system

TN215

A

1001-8891(2016)05-0374-04

2015-11-28；

2016-02-27.

謝寶蓉（1980-），女，博士，研究方向?yàn)檫b感圖像處理技術(shù)。E-mail：littlecrab1024@126.com。