紅外線陣探測器驅(qū)動電路的低噪聲設(shè)計＊

王文智 劉萬成 王 剛

（1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所 西安 710119）（2.光電信息控制與安全重點實驗室 三河 065201）（3.東北電子技術(shù)研究所 錦州 121000）

1 引言

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

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

2 紅外探測系統(tǒng)驅(qū)動采集電路組成及其噪聲來源分析

2.1 探測器驅(qū)動采集電路的系統(tǒng)組成

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

圖1 探測器驅(qū)動采集電路的系統(tǒng)組成

2.2 紅外探測器成像系統(tǒng)噪聲來源分析

紅外探測器成像系統(tǒng)每個組成部分（如圖1）都有可能引進噪聲，一般的主要有紅外焦平面探測器輸出噪聲、驅(qū)動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)計和改善光學(xué)加工工藝來降低。本文對光學(xué)系統(tǒng)引入的噪聲不作深入研究，只討論探測器噪聲和驅(qū)動電路引入的噪聲［3］。

紅外探測器輸出噪聲又分為紅外探測器本身固有噪聲和探測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。探測器供電電源部分噪聲和探測器驅(qū)動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)，屬于隨機噪聲。

3 紅外探測器成像系統(tǒng)的驅(qū)動電路降低噪聲的方法

3.1 降低紅外探測器固有噪聲的方法

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

式中：Vb為探測器的偏置電壓，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為探測器焦平面的阻抗和負載阻抗，β＝αΔT，K為普朗克常數(shù)，C為探測器焦平面的熱容，T為探測器靶面的溫度。

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的增大紅外探測器的D＊和NETD也將隨之增大，因此，Vb要根據(jù)實驗選擇一個合適值使系統(tǒng)達到最優(yōu)，在紅外焦平面探測器中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)計部分盡量選用低噪聲、低溫漂的器件是一個降低噪聲簡單、有效的方法，如：探測器供電電源部分由于電流要求低、紋波性能要求高的特點，可以不選用線性電源而選用電壓基準芯片加運算放大器的方法，將有效的降低探測器供電部分的噪聲值，如圖2；再有選用差分驅(qū)動芯片也可有效抑制噪聲［5］。

圖2 電壓源設(shè)計示意圖

實際電路設(shè)計中低通濾波器可分為一階低通濾波器和二階低通濾波器。對于紅外探測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的高頻信號得到有效抑制：

圖3 頻譜特征曲線

對于紅外探測器的模擬輸出信號則采用一階濾波器實現(xiàn)濾波。其公式為［6］

本設(shè)計中由于探測器主時鐘一般不高于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)字地與模擬地單點端接等。

3.3 FPGA軟件實現(xiàn)的降噪方法

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

1）多次采樣平均：在探測器信號每個MC時鐘輸出區(qū)間內(nèi)進行8次采樣，設(shè)探測器主時鐘MC＝1.25MHz，則AD9240采樣時鐘設(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)進行平均處理，這樣可以有效降低圖像信號的隨機噪聲。

2）背景減除：由于紅外系統(tǒng)獲取信號時，不僅接收來自目標的熱輻射，也接收來自進入視場的系統(tǒng)內(nèi)部熱輻射，如鏡筒、機械結(jié)構(gòu)等。這部分非目標的輻射為背景噪聲，背景噪聲通常在低照度的情況下占據(jù)很大一部分動態(tài)范圍，因此需要進行背景減除。在實際的操作中，即采集一次某溫度下蓋上光學(xué)鏡頭時的背景圖像，每次得到的目標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：由于紅外探測器固定圖案噪聲等影響，采集到的圖像需要進行非均勻性校正。校正的方法有很多，如基于參考輻射源定標的校正、場景法等。設(shè)計中采用兩點法進行標定。具體校正方法如下：

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

同樣的取一個低溫的黑體溫度T2，得到其平均響應(yīng)為

計算校正系數(shù)，得到每個像素點的校正方程為

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

實際測量條件：室溫：18.6℃，中波、長波紅外線陣480×6探測器，紅外系統(tǒng)分析儀DT1500的黑體靶標通過平行光管在紅外探測器靶面上成像，在計算機分別得到紅外圖像的信號強度、噪聲值，最后計算NETD，用以檢測紅外探測系統(tǒng)驅(qū)動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)一標準，一般使用均方差（RMS）代表噪聲值。由于紅外探測器輸出噪聲一般在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量得到紅外探測器系統(tǒng)的噪聲。本文通過計算機得到紅外探測器的數(shù)字信號，對數(shù)字信號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，是測量紅外探測器性能的一個重要指標。NETD公式［9］：

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

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

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

5 結(jié)語

紅外探測系統(tǒng)為了得到好的探測性能，一般都要采用低噪聲的設(shè)計，本文中設(shè)計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，對探測器電源和探測器信號輸出進行濾波，最后在FPGA中通過軟件算法進一步降低噪聲、提高信噪比。通過實驗檢測了設(shè)計的正確性，最終得到RMS＝4左右的數(shù)據(jù)，相當于14bit精度的A／D芯片實際有效精度達到了12bit，在環(huán)境溫度較低，對中波紅外探測器響應(yīng)不好的情況下，測得NETD的數(shù)值在80mK左右的數(shù)值。對長波探測器，測得NETD的數(shù)值在30mK左右的數(shù)值。本文低噪聲的設(shè)計方法在實際降低噪聲的應(yīng)用中取得了非常好的效果，可以為廣大紅外探測采集領(lǐng)域的低噪聲電路設(shè)計提供了一個好的參考［9］。

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

［2］陳曉東.288×4長波紅外探測器數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計［J］.紅外技術(shù)，2011，33（3）：137－140.

［3］黃張成.黃松壘邊積分邊讀出低噪聲紅外焦平面讀出電路研究［J］.紅外與毫米波學(xué)報，2011，30.

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

［5］焦明印.采用480×6元長波紅外探測器的搜索光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計［J］.應(yīng)用光學(xué)，2012，33（6）：1011－1013.

［6］吳和然，周云，張寧，等.非制冷紅外探測器低噪聲驅(qū)動和處理電路的設(shè)計研究［J］.紅外技術(shù)，2011，33（9）：505－508.

［7］蔡海蛟.基于InGaAS短波紅外線列探測器的成像技術(shù)研究［D］.上海：中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，2009，2：30－31.

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

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