320×256二類超晶格紅外探測器圖像采集系統(tǒng)設計

劉文浩 董峰

關鍵詞： 紅外探測器; 圖像預處理; 紅外成像系統(tǒng); 驅動電路; 噪聲等效溫差; FPGA

中圖分類號： TN216?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）06?0018?04

Abstract： In order to verify the performance of the 320×256 area array type?II superlattice infrared focal plane detector independently developed by Shanghai Institute of Technical Physics， an infrared imaging system is built for image acquisition and preprocessing， which lays a foundation for detector performance evaluation and system application. The type?II superlattice infrared detector can greatly reduce the cooling requirements and power consumption of the system， and improve the system reliability significantly under the precondition of meeting the system performance indexes. The imaging system is composed of the optical lens， drive circuit， digital signal processing module， and host computer acquisition and display program. The system performance was verified by using the blackbody imaging method. The experimental results show that the noise equivalent temperature difference （NETD） of the whole imaging system is about 30 mk when the detector is irradiated with 300.1 K black body and the integral time is 150 μs.

Keywords： infrared detector; image preprocessing; infrared imaging system; drive circuit; NETD; FPGA

二類超晶格材料在高性能制冷型紅外探測器領域有重要應用，其具有量子效率高、焦平面探測器響應時間快、暗電流低、焦平面工作溫度高、響應波長從3～30 ?m可調等優(yōu)點[1?3]。長波紅外成像系統(tǒng)在國防、工業(yè)和醫(yī)療等多方面有著廣泛的需求[4?7]。2013年中國科學院上海技術物理研究所研制出了我國第一個高性能超晶格長波紅外焦平面，像素元數(shù)為320×256，在77 K溫度下[8?9]，此焦平面的100%截止波長為10.5 μm，盲元率為2.6%，非均勻性為6.2%。本文主要介紹基于二類超晶格探測器進行長波紅外波段的圖像采集系統(tǒng)的設計，包括系統(tǒng)組成以及軟硬件模塊設計。

1 ?二類超晶格紅外成像系統(tǒng)

本文設計的成像系統(tǒng)采用面陣規(guī)模為320×256大小的基于二類超晶格技術的長波紅外焦平面制冷組件作為成像載體。該探測器配備一個斯特林制冷器，供電電壓為24 V，制冷機穩(wěn)定工作溫度為60 K。該制冷機具有外接測溫二極管。探測器實物圖如圖1所示。該二類超晶格探測器具體參數(shù)如表1所示，工作的波長范圍為8～12.5 μm，150 μs積分時間下，噪聲等效溫差（NETD）為30 mK。成像系統(tǒng)配置的鏡頭為100 mm長波鏡頭，F(xiàn)數(shù)為2。數(shù)字信號處理模塊采用Altera公司的Cyclone Ⅲ系列EP3C55芯片，模/數(shù)轉換芯片采用ADI公司的AD7626芯片。探測器電源電壓和偏置電壓由驅動電路上不同的LDO芯片提供，模擬電源和數(shù)字電源電壓由ADI公司的低壓差線性調節(jié)器ADP7102芯片提供，在輸出端連接反饋電阻獲得相應的電源電壓值。偏置電壓采用ADI公司的ADR44X系列基準電壓源芯片，通過在輸出端用不同的電阻分壓得到不同的偏置電壓值。

上位機配置的320×256采集系統(tǒng)，包含PCI圖像采集卡和工控機。信息處理板將探測器輸出的模擬信號通過模/數(shù)轉換器轉化為數(shù)字信號，經過板上FPGA的緩沖、組包處理，采用三線制LVDS通道將圖像數(shù)據(jù)上傳至上位機，上位機負責實時顯示與存儲。系統(tǒng)框架見圖2。

2 ?二類超晶格紅外成像系統(tǒng)模塊設計

2.1 ?紅外成像系統(tǒng)硬件模塊

該系統(tǒng)主控芯片采用Altera公司的Cyclone Ⅲ系列EP3C55芯片，其是一款低功耗、低成本、高性能FPGA，主要應用于邏輯設計和簡單的數(shù)字信號處理。FPGA支持JTAG協(xié)議，JTAG接口電路設計主要用于內部測試以及對系統(tǒng)進行調試和仿真。連接JTAG接口可以訪問FPGA的所有內部資源，還能實現(xiàn)FPGA系統(tǒng)軟硬件的實時在線分析調試。EP3C55U484芯片滿足本系統(tǒng)對主控芯片的要求。AD7626是ADI公司的16位高速串行差分逐次逼近型ADC，該芯片具有良好的噪聲性能和線性度以及較高的動態(tài)范圍，數(shù)據(jù)吞吐速率高達10 MSPS，符合系統(tǒng)對模/數(shù)轉換器的要求。本系統(tǒng)選用AD7626回波時鐘模式對模擬數(shù)據(jù)進行采樣。EP3C55芯片通過該模式對數(shù)據(jù)進行串并轉換并同步到系統(tǒng)其他模塊。探測器模擬電源和數(shù)字電源電壓由ADP7102芯片提供，該芯片是ADI公司生產的CMOS低壓差線性調節(jié)器，具有較低的輸出噪聲，輸出噪聲有效電壓值為15 μV。為優(yōu)化驅動電路性能，在芯片輸入端連接1 μF的旁路電容來降低電路對PCB布局的敏感度。探測器所需的偏置電源的產生利用XFET系列基礎電壓源，采用ADI公司的超低噪聲、高精度和低溫度漂移性質的ADR44X系列芯片，并在芯片的輸入和輸出端并聯(lián)小電容來穩(wěn)定電路性能以及優(yōu)化輸出電壓瞬態(tài)特性。在實驗中，對探測器偏置調節(jié)電壓進行調整，以便獲得最佳模擬信號輸出。為使二類超晶格探測器正常工作還需要4.8～5 V的驅動脈沖電平，系統(tǒng)采用主控芯片EP3C55U484C6芯片提供探測器所需時序驅動信號，電壓值為3.3 V，選用TI公司的SN74LVC4245A芯片將3.3 V輸入轉換成5 V輸出，為探測器提供符合要求的驅動脈沖電平。圖像采集系統(tǒng)的硬件架構見圖3。

2.2 ?紅外成像系統(tǒng)邏輯模塊

探測器工作需要符合要求的上電順序以及時序信號，控制探測器的時序邏輯設計采用FPGA實現(xiàn)，由內部邏輯輸出幀同步信號、行同步信號、串行控制指令、探測器主時鐘，該成像系統(tǒng)幀頻為20 f/s。待探測器正常工作后輸出模擬信號至數(shù)字信號處理模塊，經模/數(shù)轉換模塊和16位串并轉換輸出數(shù)字信號，再到數(shù)據(jù)打包模塊，與每幀數(shù)字信號同步，探測器一幀圖像有256行，每行有效像元數(shù)為320，每個像素量化為16 bit，長度為2 B，一幀圖像81 920個像元數(shù)據(jù)前后分別添加幀頭、幀尾數(shù)據(jù)，再到三線制模塊通過三線制LVDS將信號傳入上位機采集程序進行實時圖像顯示與存儲。成像系統(tǒng)整體邏輯結構如圖4所示。圖像采集系統(tǒng)通過RS 422接口與上位機通信，發(fā)出上電或下電指令以及積分時間調整指令。RS 422由RS 232發(fā)展而來，其改進了RS 232通信距離短、速率低的缺點，定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10 Mb/s，傳輸距離延長到1 000 m，是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范[10]。

2.3 ?系統(tǒng)邏輯驗證

為測試成像系統(tǒng)邏輯正確性，通過片內邏輯分析儀，實時捕獲設計程序內部信號和端口信號波形，得到驅動時序電平、A/D數(shù)據(jù)、三線制數(shù)據(jù)輸出等波形見圖5。

3 ?二類超晶格紅外成像系統(tǒng)實驗測試及結果

3.1 ?實驗平臺搭建

為驗證成像系統(tǒng)性能，實驗平臺如圖6所示，圖6a）為實驗平臺側視圖，圖6b）為實驗平臺俯視圖。成像系統(tǒng)由紅外光學鏡頭、二類超晶格探測器杜瓦組件、驅動電路、信號處理電路、穩(wěn)壓電源、上位機以及黑體輻射源組成。在制冷機制冷至探測器芯片所需溫度時，由上位機發(fā)送上電指令，調整探測器積分時間，并實時顯示與存儲圖像數(shù)據(jù)。

3.2 ?黑體定標實驗

通過對不同溫度（21.3 ℃，24.0 ℃，27.0 ℃）的黑體進行定標實驗，得到在不同積分時間下的定標數(shù)據(jù)，剔除無效的噪聲等效溫差數(shù)據(jù)，得到整體系統(tǒng)的噪聲等效溫差如表2所示。在120 μs積分時間下，該成像系統(tǒng)平均噪聲等效溫差為33.379 mK;在150 μs積分時間下，該成像系統(tǒng)平均噪聲等效溫差為32.937 mK。

3.3 ?目標成像實驗

成像系統(tǒng)正常工作時，調整積分時間至120 μs，將得到數(shù)據(jù)圖像進行預處理，采用周圍8位像素進行差值運算替換盲元，經閾值提取有效像元數(shù)據(jù)。成像系統(tǒng)對目標成像結果如圖7所示，拍攝的目標為人的手和衣袖部分，手與背景界線清晰。結果表明該圖像采集系統(tǒng)能滿足二類超晶格成像要求。

4 ?結 ?論

為了驗證320×256面陣的二類超晶格紅外焦平面探測器性能，設計探測器驅動電路，通過信息獲取電路采集圖像。本文搭建的紅外成像系統(tǒng)獲取到清晰的長波紅外圖像，當探測器在300.1 K黑體的照射下，積分時間150 μs時，整個成像系統(tǒng)的平均噪聲等效溫差（NETD）約為30 mK，與探測器設計值吻合，驗證了探測器的性能，對將來整個基于二類超晶格長波紅外成像系統(tǒng)的設計具有參考意義。

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