長(zhǎng)波紅外高靈敏度信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 龍，董 峰

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長(zhǎng)波紅外高靈敏度信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 龍1,2，董 峰1

（1.上海技術(shù)物理研究所 中國(guó)科學(xué)院紅外探測(cè)與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

本文針對(duì)特定長(zhǎng)波紅外焦平面（288×384像元）探測(cè)器，選用低噪直流電源和低壓差線性穩(wěn)壓器組合，實(shí)現(xiàn)了該紅外焦平面模擬和數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路。分析提升長(zhǎng)波紅外探測(cè)靈敏度的關(guān)鍵要點(diǎn)，設(shè)計(jì)了高靈敏度信息采集電路。該紅外成像系統(tǒng)具有高幀頻、高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得到該長(zhǎng)波紅外探測(cè)系統(tǒng)噪聲等效溫差（NETD）在300K下優(yōu)于30mK。

紅外探測(cè)；驅(qū)動(dòng)電路；積分時(shí)間；靈敏度

0 引言

任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)出紅外線。紅外線的波長(zhǎng)在可見(jiàn)光到太赫茲波長(zhǎng)之間。紅外探測(cè)器探測(cè)該波段人眼不可見(jiàn)的光，能夠反映出物體紅外輻射特性，紅外探測(cè)在氣象預(yù)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、對(duì)地觀測(cè)、目標(biāo)偵察等都有著至關(guān)重要的作用。

紅外檢測(cè)利用目標(biāo)和背景的紅外輻射差異來(lái)進(jìn)行特征提取，屬于被動(dòng)式探測(cè)具有晝夜觀測(cè)不受限的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)紅外圖像具有細(xì)節(jié)模糊、邊緣不清晰，對(duì)比度低等特點(diǎn)，所以提高紅外探測(cè)靈敏度對(duì)獲得紅外目標(biāo)輻射特性特征提取尤為重要。

本文采用VENUS LW紅外探測(cè)器組件，針對(duì)該探測(cè)器進(jìn)行了模擬信號(hào)獲取電路設(shè)計(jì)。分析了提升長(zhǎng)波紅外探測(cè)靈敏度的關(guān)鍵因素，針對(duì)特定應(yīng)用背景，電路設(shè)計(jì)中充分考慮提高靈敏度的原理和方法。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得到300K下平均噪聲等效溫差（NETD）優(yōu)于30mK。

1 紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本紅外成像系統(tǒng)選用了SOFRADIR公司的VENUS LW探測(cè)器組件。該組件由斯特林制冷機(jī)和紅外焦平面組成，支持積分時(shí)間可調(diào)、窗口可調(diào)、單路/多路讀出。探測(cè)器采用制冷工作方式，配有0.5W斯特林制冷機(jī)。圖1為VENUS LW探測(cè)器組件的實(shí)物圖，表1列舉了VENUS LW探測(cè)器典型參數(shù)。

探測(cè)器正常工作需要提供數(shù)字時(shí)序配置其工作模式。探測(cè)器積分時(shí)間通過(guò)上位機(jī)指令（RS422）修改，積分時(shí)間可調(diào)，最小可到3ms。針對(duì)不同的幀頻要求和探測(cè)靈敏度對(duì)積分時(shí)間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整。由于紅外探測(cè)器焦平面像元的電荷容量較小，且暗電流和背景要占據(jù)一定的動(dòng)態(tài)范圍，一般的紅外探測(cè)器的飽和積分時(shí)間在幾十到幾百微秒之間。積分時(shí)間過(guò)短探測(cè)到的紅外輻射微弱，不利于目標(biāo)提??；積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起探測(cè)器飽和和讀出時(shí)間長(zhǎng)幀頻下降。本紅外成像系統(tǒng)針對(duì)不同的背景采用動(dòng)態(tài)可調(diào)積分時(shí)間來(lái)盡可能提高靈敏度。在實(shí)驗(yàn)中針對(duì)不同場(chǎng)景，設(shè)置多檔積分時(shí)間。

圖1 VENUS LW探測(cè)器組件

表1 VENUS LW探測(cè)器性能參數(shù)

探測(cè)器正常工作需要Gpol偏置、VDDA模擬、VDDL數(shù)字、VREF參考等電壓。

表2 VENUS LW工作電壓

Gpol為探測(cè)器可調(diào)偏置電壓，選用ADI公司的ADR441芯片，該基準(zhǔn)電壓源具有超低噪聲、出色的溫度系數(shù)。本系統(tǒng)應(yīng)用在較寬的動(dòng)態(tài)范圍，根據(jù)不同的場(chǎng)景需要對(duì)偏置電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整。輸出端接可調(diào)數(shù)字電位器，實(shí)現(xiàn)Gpol數(shù)字可調(diào)。實(shí)驗(yàn)得Gpol電壓從0.5V開(kāi)始變大，響應(yīng)的模擬信號(hào)信噪比會(huì)先上升再穩(wěn)定最后下降，選取使得信噪比穩(wěn)定的Gpol電壓值。不同的探測(cè)器偏置電壓可以實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的紅外圖像動(dòng)態(tài)范圍可調(diào)。場(chǎng)景自適應(yīng)的偏置電壓能夠調(diào)高圖像對(duì)比度，降低噪聲等效溫差，從而提高探測(cè)器的響應(yīng)[1]。

VDDA為探測(cè)器所需模擬驅(qū)動(dòng)電壓。ADP7102電源芯片，輸入范圍3.3V～20V，最大輸出電流300mA。10Hz～100kHz輸出噪聲15mVrms，轉(zhuǎn)換為噪聲密度約等于50nV/Hz1/2，滿足VDDA要求。

VDDL為探測(cè)器數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓，選用ADP7102電源芯片，滿足VDDL噪聲要求。VREF由探測(cè)器內(nèi)部產(chǎn)生，在外部只需對(duì)地接一個(gè)470nF電容即可。VDDA和VDDL電壓獲取[2]如圖二所示：

圖2 VDDA VDDL電壓獲取

探測(cè)器的模擬和數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓增加使能信號(hào)（ENABLE）控制上電順序。由于該紅外成像的電子學(xué)系統(tǒng)有多個(gè)電源電壓，前級(jí)上電完成開(kāi)始工作后級(jí)才能上電，斷電過(guò)程相反。需要對(duì)相對(duì)上下電進(jìn)行控制，消除系統(tǒng)遭受損壞的可能性。

由于高幀頻要求，探測(cè)器采用四路輸出。探測(cè)器輸出模擬信號(hào)電壓在1.4～4.5V之間。在模擬輸出后增加射極跟隨，減小輸出阻抗、增加驅(qū)動(dòng)能力。

2 長(zhǎng)波紅外系統(tǒng)靈敏度

長(zhǎng)波紅外探測(cè)信號(hào)和噪聲比值為1時(shí)，目標(biāo)和背景的溫差即為該溫度下的可探測(cè)最小溫差。噪聲等效溫差[3]計(jì)算公式為：

由NETD的公式可以得到，在選定探測(cè)器、光學(xué)系統(tǒng)確定的情況下，靈敏度受限于積分時(shí)間。對(duì)于面陣凝視紅外成像場(chǎng)景，凝視能獲得最大的像元駐留時(shí)間，在探測(cè)器不過(guò)飽和的情況下盡可能延長(zhǎng)積分時(shí)間可以有效提高探測(cè)靈敏度。由于面陣成像所對(duì)應(yīng)的讀出時(shí)間長(zhǎng)，所以全畫(huà)幅讀出不適用于高幀頻的應(yīng)用場(chǎng)景。本紅外探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用背景需要高幀頻，采用開(kāi)窗模式多線列同時(shí)推掃的成像方式。穿軌方向由多個(gè)像元同時(shí)成像，沿軌方向的成像由平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)完成。采用沿軌方運(yùn)動(dòng)平臺(tái)掃描，不需要額外掃描機(jī)構(gòu)使得系統(tǒng)體積小、重量輕，像元駐留時(shí)間長(zhǎng)，有利于提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度。沿軌掃描的缺點(diǎn)是刈副寬度和空間分辨率要求較高時(shí)，需要大規(guī)模的探測(cè)器陣列和高分辨率、大視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)配套，所以本系統(tǒng)采用視場(chǎng)拼接的實(shí)現(xiàn)方式。

對(duì)于推掃式紅外成像，像元駐留時(shí)間受限于掃描速度，所以在有限的像元駐留時(shí)間內(nèi)探測(cè)器應(yīng)當(dāng)能夠多次積分，探測(cè)器在駐留時(shí)間內(nèi)多次積分可以有效提高探測(cè)靈敏度。在像元駐留時(shí)間內(nèi)一個(gè)光敏元多次采樣只需要單線陣探測(cè)器，疊加處理后不影響幾何成像質(zhì)量，疊加次數(shù)受像元駐留時(shí)間的約束。

另外，在像元駐留時(shí)間之間可以利用數(shù)字時(shí)間延遲積分TDI的方式來(lái)獲得更多的積分累加[4]。像元駐留時(shí)間之間多線列推掃的相鄰行對(duì)應(yīng)同一地物，所以可以進(jìn)行累加。通過(guò)充分利用像元駐留時(shí)間可以獲得更高的探測(cè)靈敏度。

對(duì)于成像系統(tǒng)，多次積分成像累加，信號(hào)是加性的＝SS，而噪聲是統(tǒng)計(jì)累加，圖像傳感器噪聲主要有讀出電路噪聲和散粒噪聲，噪聲之間不相關(guān)。所以幀累加之后信噪比為[5]：

SNR＝s/shot(2)

式中：s為信號(hào)電子數(shù)；shot為噪聲電子數(shù)；散粒噪聲的電子數(shù)為shot＝s1/2，所以SNR＝s1/2。像元信號(hào)電子數(shù)和積分時(shí)間正相關(guān)，信噪比近似于積分時(shí)間的平方根正相關(guān)，所以延長(zhǎng)積分時(shí)間能夠提高信噪比[6]。對(duì)于多次積分成像來(lái)說(shuō)，等效于通過(guò)延長(zhǎng)積分時(shí)間提升信噪比[7]。

3 信息獲取電路設(shè)計(jì)

對(duì)于弱目標(biāo)探測(cè)，探測(cè)器自身固有電平屬于強(qiáng)背景，弱目標(biāo)信號(hào)容易淹沒(méi)在強(qiáng)背景中，為了得到目標(biāo)的輻射特性，需減去探測(cè)器固有輸出電平。探測(cè)器模擬信號(hào)電壓在1.4～4.5V之間，所以減去1.4V左右電壓信號(hào)。減偏置之后的電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)于探測(cè)到的紅外信號(hào)，將該信號(hào)再經(jīng)過(guò)放大和濾波可以得到充分放大的模擬電壓信號(hào)。該模擬信號(hào)通過(guò)ADC轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，在FPGA內(nèi)部將四路信號(hào)合并為一幅，編碼輸出到上位機(jī)采集卡。

3.1 模擬、數(shù)字去除背景信號(hào)

同一目標(biāo)在不同背景下的的輻射探測(cè)不同。在更為復(fù)雜或者強(qiáng)背景下背景占據(jù)很大的動(dòng)態(tài)范圍，目標(biāo)不易探測(cè)到。探測(cè)背景不唯一，需要針對(duì)不同的背景均能對(duì)目標(biāo)輻射探測(cè)，得到的電壓信號(hào)包含更多的目標(biāo)特性。采用固定輸出電壓參考芯片REF5025，通過(guò)數(shù)字電位器芯片AD5254BRU10分壓，數(shù)字電位器通過(guò)IIC總線配置阻值。圖3為減偏置電壓電路。

圖3 模擬減偏置電路

W0為可調(diào)偏置電壓經(jīng)過(guò)AD828反相輸出，后接跟隨器。OUTG1為探測(cè)器模擬輸出，運(yùn)放X2B正端輸入為：OUTG1＋OFFSET1，其中OFFSET1為負(fù)值。KT1與KT2之間接數(shù)字電位器，可通過(guò)主機(jī)指令調(diào)整放大倍數(shù)，放大倍數(shù)范圍為0.039～10倍。

本系統(tǒng)采用基于FPGA的硬件平臺(tái)，外圍有FLASH、SRAM等芯片。實(shí)際場(chǎng)景下，通過(guò)預(yù)先對(duì)黑體成像，得到當(dāng)前溫度下的黑體輻射圖。其中強(qiáng)背景信號(hào)、探測(cè)器噪聲、電路噪聲等其他加性噪聲可以通過(guò)減去當(dāng)前溫度黑體輻射圖像而消除。通過(guò)預(yù)先拍攝存儲(chǔ)在FLASH，然后在FPGA中實(shí)時(shí)減背景[8]。

3.2 濾波、差分

采取先放大再濾波的設(shè)計(jì)，放大器帶來(lái)的噪聲能在濾波階段消除掉。另一方面，經(jīng)過(guò)減偏置的模擬信號(hào)幅值已經(jīng)很小，所以先經(jīng)過(guò)放大，然后在了解噪聲的前提下設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行濾波。模擬信號(hào)進(jìn)入到ADC前，為保證信號(hào)的低噪聲，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，采用二階有源濾波電路。

模擬電壓信號(hào)進(jìn)入ADC之前要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸，因此將單端信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)，提高模擬信號(hào)的抗共模干擾能力。

3.3 ADC

ADC選用AD7626，16位量化，最小可分辨電壓為62.5mV。該ADC的差分輸入范圍為－4.096～＋4.096，VCM提供的共模電壓為2.048V。

增益為0時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)范圍為1.4～5.0V，11.6Me－；增益為1時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)范圍為1.4～4.5V，33.7Me－，噪聲電子為950e－，輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為91dB。根據(jù)ADC量化精度公式：

計(jì)算得約15，AD7626的量化精度為16，符合要求。由于本紅外成像針對(duì)輻射較弱目標(biāo)，所以以當(dāng)前背景為基準(zhǔn)上下5℃浮動(dòng)即可，可以獲得最低的量化要求。

CNV為模數(shù)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，CNV高對(duì)應(yīng)一個(gè)模擬采樣信號(hào)。CLK為差分時(shí)鐘，DCO為回波時(shí)鐘，DCO時(shí)鐘上升沿獲取串行數(shù)字信號(hào)。模擬差分信號(hào)輸入，VREF為4.096V基準(zhǔn)電壓，VDD1為5V模擬電壓，VDD2為2.5V模擬電壓，VCM為共模輸出電壓，該電壓信號(hào)輸出到前端差分芯片的VCM管腳。ADC輸出為串行差分輸出。

主控芯片為FPGA，輸出探測(cè)器積分時(shí)間、窗口，控制時(shí)序。上位機(jī)通過(guò)串口指令控制修改放大倍數(shù)和減偏置電壓。圖5為整個(gè)信息獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖。

圖5 信息獲取系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)靈敏度測(cè)試

長(zhǎng)波紅外靈敏度通常用噪聲等效溫差NETD來(lái)表示。實(shí)驗(yàn)室條件下通過(guò)探測(cè)T1和T2兩檔溫度的面源黑體（D＝|T1－T2|>>NETD）。得到對(duì)應(yīng)灰度值的值差DDN＝|DNT1－DNT2|，T1和T2對(duì)應(yīng)噪聲r(shí)ms，噪聲等效溫差近似計(jì)算公式為：

分別在T1＝300K和T2＝310K下測(cè)得兩組數(shù)據(jù)，計(jì)算T1下輸出碼值的均方根誤差，未均勻性校正紅外焦平面像元的噪聲等效溫差如圖6。

該長(zhǎng)波紅外信息采集系統(tǒng)所有像元的平均噪聲等效溫差為25.4mK。圖6中NETD較大的毛刺對(duì)應(yīng)紅外焦平面中的異常像元。

圖7 實(shí)際拍攝圖像（為了顯示，進(jìn)行了圖像增強(qiáng)）

實(shí)際測(cè)試圖像如圖7所示，圖7左圖可以明顯看到面部包括鼻子、嘴巴、臉頰等的溫度分布，右圖可以明顯看到衣服褶皺的溫度分布。該成像系統(tǒng)所得圖像可以較好地反應(yīng)出目標(biāo)輻射特性。

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析VENUS LW紅外焦平面工作條件，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)電路和模擬信號(hào)獲取電路；通過(guò)分析提升靈敏度的原理和方法，以及特定推掃式成像下，設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了模擬和數(shù)字減背景，以及多次采樣疊加提升靈敏度。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得該系統(tǒng)噪聲等效溫差300K下為25.4mK，實(shí)際拍攝圖像能夠很好反應(yīng)目標(biāo)輻射特性。

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Long-wave Infrared High Sensitivity Information Acquisition System

ZHANG Long1,2，DONG Feng1

(1.,,,200083,;2.,100049,)

The analog and digital drive circuit for infrared focal plane is designed by using the low noise DC power supply and the low voltage difference linear voltage regulator. Based on the analysis of the key points of the long wave infrared detection sensitivity, a high sensitivity information acquisition circuit is designed. The infrared imaging system has high frame rate and high sensitivity. The noise equivalent temperature difference (NETD) of the long wave infrared detection system is better than 30mK at 300K by the laboratory test.

infrared detection，drive circuit，integration time，sensitivity

TN215

A

1001-8891(2017)05-0409-05

2017-02-20；

2017-04-18。

張龍（1989-），男，博士研究生，主要從事紅外成像與紅外圖像處理。E-mail：mail4lintcode@163.com