龍 亮，吳立民，劉雨晨，封宇航

(北京空間機(jī)電研究所，北京市航空智能遙感裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

0 引言

空間紅外成像技術(shù)在監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測和資源調(diào)查等方面具有廣泛應(yīng)用。地球上大部分區(qū)域可近似為一個(gè)平均溫度約10～30 ℃的灰體，其輻射峰值在長波紅外波段。因此，利用高靈敏度的長波紅外成像系統(tǒng)可獲得地物目標(biāo)更多溫度細(xì)節(jié)信息，有利于分辨微弱的溫差信號。目前，星上長波紅外成像系統(tǒng)探測靈敏度提升的主要限制因素之一是受飽和電子數(shù)限制，相機(jī)在軌電荷利用率較低；另外，由于模擬電路讀出噪聲的影響，使得推掃型紅外相機(jī)靈敏度隨TDI級數(shù)提升效果有限。目前在軌長波紅外相機(jī)系統(tǒng)的噪聲等效溫差(NETD)一般在20mK以上。要繼續(xù)提升空間長波紅外相機(jī)的成像靈敏度，一是要突破飽和電子數(shù)的限制，大幅提升相機(jī)的電荷處理能力，二是要在軌條件約束下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)噪聲量的可控及整機(jī)的工程可實(shí)現(xiàn)。本文基于像素級數(shù)字化積分成像新體制，開展低軌輕小型高靈敏度空間紅外相機(jī)技術(shù)研究，力求在有效降低整機(jī)口徑的同時(shí)，突破現(xiàn)有長波紅外相機(jī)靈敏度瓶頸，使系統(tǒng)NETD降低到10mK以內(nèi)。

1 空間紅外相機(jī)靈敏度提升影響因素分析

1.1 紅外相機(jī)電荷處理能力與靈敏度關(guān)系

在一定條件下紅外相機(jī)信噪比(SNR)與噪聲等效溫差(NETD)成反比關(guān)系：相機(jī)SNR越高，相機(jī)的NETD就越小。另外，當(dāng)信號電荷量很大時(shí)，信號電荷量成為決定SNR的主要因素：當(dāng)信號電荷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他噪聲時(shí)，SNR同信號電子數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，信號電子數(shù)越多(電荷處理能力越強(qiáng))，則SNR越高。因此，提升紅外相機(jī)溫度靈敏度，有效降低相機(jī)NETD，相機(jī)需具備更強(qiáng)的電荷處理能力。

根據(jù)相機(jī)NETD和信噪比SNR的定義及模型，推導(dǎo)NETD與SNR的關(guān)系式如下：

(1)

其中，L為光學(xué)系統(tǒng)入瞳處目標(biāo)輻亮度，δ為過程因子, 為目標(biāo)單位溫度變化引起的輻射出射度變化。

信噪比為信號電子數(shù)和噪聲電子數(shù)之比，如下式所示。

(2)

式中，Qs分別為入射目標(biāo)輻射產(chǎn)生的電子數(shù)，Nphoto為光子噪聲電子數(shù)，Nother包括電路噪聲、量化噪聲等。由式(2)可知，當(dāng)信號電荷量很大，且其他噪聲量相比光子噪聲量較小時(shí)，電荷量是決定信噪比的主要因素，當(dāng)信號電荷量增長導(dǎo)致光子噪聲增長量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他噪聲增長量時(shí)，信噪比同信號電子數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)式(1)和式(2)，仿真得到長波紅外譜段電荷處理量與NETD的關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同溫度下電荷處理量與NETD的關(guān)系

由圖可知，相機(jī)NETD要提升到10mK以內(nèi)，理論上需要相機(jī)電荷處理量達(dá)到400Me-以上；NETD要達(dá)到5mK，電荷處理量要達(dá)到1000Me-以上。

1.2 低軌衛(wèi)星約束下推掃式長波紅外相機(jī)靈敏度提升途徑

以軌高500km，分辨率15m的指標(biāo)為輸入，得到低軌推掃式紅外相機(jī)單像元駐留時(shí)間為2ms左右?？紤]充分利用駐留時(shí)間，對于等效黑體溫度為300K的目標(biāo)，計(jì)算得到中、長波3～5μm、8～10μm、8～12μm這幾個(gè)譜段的最大可探測電荷量，并以目前常規(guī)模數(shù)轉(zhuǎn)換紅外探測器飽和電子數(shù)為40Me-，計(jì)算現(xiàn)有紅外相機(jī)在軌電荷利用率如表1所示。

表1 常規(guī)紅外成像系統(tǒng)在不同波段的電荷利用率

可見，目前中波紅外電荷利用率能達(dá)100%，而長波電荷利用率很低。也就是說，對于低軌推掃式長波紅外相機(jī)，受限于飽和電子數(shù)，其有效積分時(shí)間遠(yuǎn)小于像元駐留時(shí)間，造成電荷利用率低，靈敏度提升受限。因此，要提升低軌推掃式長波紅外相機(jī)的靈敏度，關(guān)鍵在于突破飽和電子數(shù)限制，提升在軌電荷利用率。

2 基于像素級數(shù)字化積分體制的推掃型長波紅外相機(jī)

隨著新技術(shù)的發(fā)展，像素級數(shù)字化紅外成像技術(shù)已經(jīng)成為提升載荷靈敏度的有效途徑，其超大電荷處理能力在甚高靈敏度紅外成像探測領(lǐng)域潛力巨大。

2.1 像素級數(shù)字化體制技術(shù)原理

像素級數(shù)字化新體制相機(jī)探測器讀出電路采用了光子信息數(shù)字累加方法，當(dāng)相機(jī)開始工作時(shí)，探測器電荷在積分電容上進(jìn)行積分產(chǎn)生一個(gè)積分電壓，當(dāng)積分電壓達(dá)到設(shè)計(jì)的參考電壓時(shí)，進(jìn)行1次累加計(jì)數(shù)，同時(shí)探測器清零復(fù)位，然后開始下一次積分，當(dāng)積分電壓再一次達(dá)到參考電壓時(shí)，再進(jìn)行一次累加計(jì)數(shù)，同時(shí)探測器再一次清零復(fù)位，在很長的積分時(shí)間內(nèi)一直重復(fù)上述過程。如圖2所示。

在若干次積分、計(jì)數(shù)、復(fù)位這樣的重復(fù)處理過程中，無需存儲每次的信號電荷，僅需記錄積分總次數(shù)。只要計(jì)數(shù)器的位數(shù)足夠高，就可以在很長的積分時(shí)間內(nèi)一直接收信號光電流。在經(jīng)過數(shù)萬次積分后，輸出積分總次數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)千兆量級(1000Me-)信號電荷的探測，從而大幅度提升相機(jī)靈敏度，使相機(jī)NETD優(yōu)于10mK。

圖2 像素級數(shù)字化體制工作流程

2.2 像素級數(shù)字化體制提升靈敏度分析

傳統(tǒng)紅外成像體制的噪聲源主要有散粒噪聲、讀出噪聲等，像素級數(shù)字化紅外體制噪聲源包括散粒噪聲、復(fù)位噪聲、比較器噪聲等，分別建立兩種體制下的相機(jī)靈敏度模型，仿真對比在相同約束條件下兩種體制靈敏度提升情況如下圖所示。

圖3 常規(guī)體制與新體制電荷處理能力影響靈敏度分析

電荷處理量在幾十兆以內(nèi)時(shí)，常規(guī)體制紅外相機(jī)發(fā)展成熟，噪聲量相對于信號量抑制得更好，40Me-以內(nèi)常規(guī)體制相機(jī)靈敏度更高一些，但存在靈敏度瓶頸；新體制隨著電荷處理量的增大，NETD指標(biāo)不斷降低，經(jīng)過幾百兆電荷量處理后，NETD可優(yōu)于10mK，并可隨電荷量的增加進(jìn)一步降低。

此外，對于低軌空間紅外相機(jī)，當(dāng)電荷處理能力提升后，需要通過TDI技術(shù)獲取更多的等效積分時(shí)間，以獲取足夠多的信號電荷。接下來對常規(guī)體制與新體制通過TDI提升靈敏度的效能進(jìn)行分析。

對國內(nèi)一款典型的常規(guī)體制長波紅外線陣TDI相機(jī)進(jìn)行實(shí)測，結(jié)果表明：相機(jī)NETD隨著TDI級數(shù)N增加時(shí)，并未呈N1/2關(guān)系下降，級數(shù)越大偏離越多。這主要由量化噪聲和讀出電路噪聲組成的讀出噪聲項(xiàng)比重逐漸升高，TDI級數(shù)越多讀出噪聲占總噪聲比重上升越快所引起。隨著N的增加，讀出電路版圖的布線密度會越來越高，信號線的走線長度也隨著增加，信號線長度的增加與間距的變小均會引入顯著的寄生效應(yīng)，隨著TDI級數(shù)不斷增加，讀出電路噪聲超過光子噪聲成為探測器主要噪聲來源時(shí)，靈敏度將不會隨著TDI級數(shù)增加而提升。這也是目前常規(guī)紅外探測器TDI級數(shù)不超過8級的主要原因。

圖4 某常規(guī)紅外相機(jī)NETD隨TDI級數(shù)變化實(shí)測

圖5 常規(guī)體制與新體制TDI級數(shù)影響靈敏度分析

對于像素級數(shù)字化新體制紅外相機(jī)，由于光電流積分信號在各像素內(nèi)獨(dú)立完成AD轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行數(shù)字信號累加，因此各像元間不會產(chǎn)生相互干擾，噪聲來源只存在于像素單元，參與TDI的信號均為數(shù)字信號，寄生電容電阻及有源器件自身的熱噪聲等噪聲不會增加讀出電路噪聲，像素級數(shù)字化TDI探測器中光子噪聲在各噪聲來源將始終占主導(dǎo)地位，相機(jī)NETD將隨著TDI級數(shù)的增多而有效降低，靈敏度得到有效提升。

2.3 新體制相機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)

基于像素級數(shù)字積分新體制，已研制了一臺推掃式紅外相機(jī)，相機(jī)主要由相機(jī)主體、綜合信息處理器、供配電模塊、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備等組成，相機(jī)主體主要包括光學(xué)鏡頭、探測器、制冷裝置等部分，組成框圖如圖6所示。

圖6 新體制相機(jī)組成框圖

相機(jī)主要參數(shù)如表2所示。

表2 新體制相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

圖7 新體制相機(jī)實(shí)物

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試，相機(jī)在電荷處理量接近1Ge-時(shí)，實(shí)驗(yàn)室測試平均NETD已接近5mK。

圖8 新體制相機(jī)NETD實(shí)測結(jié)果

3 輕小型高靈敏度空間紅外相機(jī)指標(biāo)分析

以軌高500km，星下點(diǎn)幾何分辨率15m，NETD優(yōu)于10mK為指標(biāo)要求，基于像素級數(shù)字化體制，開展輕小型高靈敏度推掃式TDI空間紅外相機(jī)指標(biāo)論證。設(shè)探測器像元中心間距為30μm，這樣對應(yīng)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)焦距需要1m。在相機(jī)F數(shù)的選取上，小F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)能在相同時(shí)間內(nèi)獲取更多信號能量，但這同時(shí)要求光學(xué)口徑更大，顯著增加載荷體積重量?？紤]增大相機(jī)F數(shù)至5，通過增加TDI級數(shù)來補(bǔ)償由于口徑變小而造成的信號能量不足。新體制輕小型紅外相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)論證結(jié)果如表3所示。

表3 新體制相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

像素級數(shù)字化輕小型空間紅外相機(jī)通過大F數(shù)設(shè)計(jì)，口徑相對于常規(guī)紅外相機(jī)降低至少2倍，預(yù)估體積、重量比常規(guī)體制相機(jī)將縮減一半以上，并且基于新體制的巨大電荷處理能力優(yōu)勢，通過16級數(shù)字化TDI的數(shù)字信號累加，還能有效實(shí)現(xiàn)相機(jī)NETD優(yōu)于10mK的高靈敏度指標(biāo)。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)分析了低軌長波紅外相機(jī)靈敏度提升的限制因素，介紹了像素級數(shù)字化新體制的技術(shù)原理，對比分析了新體制對靈敏度提升的效果，并通過工程研制驗(yàn)證了新體制對于靈敏度提升的可行性，最后基于新體制論證了輕小型高靈敏度空間紅外相機(jī)的技術(shù)指標(biāo)體系，像素級數(shù)字化紅外相機(jī)技術(shù)將是未來空間輕小型高靈敏度紅外技術(shù)的重要發(fā)展方向。