像素級(jí)數(shù)字化輕小型高靈敏度紅外相機(jī)研究

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(cè)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(zhǎng)波紅外波段。因此，利用高靈敏度的長(zhǎng)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(hào)。目前，星上長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)探測(cè)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(jí)數(shù)提升效果有限。目前在軌長(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)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(zhǎng)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(hào)電荷量很大時(shí)，信號(hào)電荷量成為決定SNR的主要因素：當(dāng)信號(hào)電荷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他噪聲時(shí)，SNR同信號(hào)電子數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，信號(hào)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(guò)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(hào)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(hào)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(hào)電荷量增長(zhǎng)導(dǎo)致光子噪聲增長(zhǎng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他噪聲增長(zhǎng)量時(shí)，信噪比同信號(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)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。考慮充分利用駐留時(shí)間，對(duì)于等效黑體溫度為300K的目標(biāo)，計(jì)算得到中、長(zhǎng)波3～5μm、8～10μm、8～12μm這幾個(gè)譜段的最大可探測(cè)電荷量，并以目前常規(guī)模數(shù)轉(zhuǎn)換紅外探測(cè)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(zhǎng)波電荷利用率很低。也就是說(shuō)，對(duì)于低軌推掃式長(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)數(shù)字化積分體制的推掃型長(zhǎng)波紅外相機(jī)

隨著新技術(shù)的發(fā)展，像素級(jí)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(cè)領(lǐng)域潛力巨大。

2.1 像素級(jí)數(shù)字化體制技術(shù)原理

像素級(jí)數(shù)字化新體制相機(jī)探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器再一次清零復(fù)位，在很長(zhǎng)的積分時(shí)間內(nèi)一直重復(fù)上述過(guò)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(guò)程中，無(wú)需存儲(chǔ)每次的信號(hào)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(zhǎng)的積分時(shí)間內(nèi)一直接收信號(hào)光電流。在經(jīng)過(guò)數(shù)萬(wàn)次積分后，輸出積分總次數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)千兆量級(jí)(1000Me-)信號(hào)電荷的探測(cè)，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(jí)數(shù)字化體制工作流程

2.2 像素級(jí)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(jí)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(duì)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(duì)于信號(hào)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(guò)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(duì)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(guò)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(hào)電荷。接下來(lái)對(duì)常規(guī)體制與新體制通過(guò)TDI提升靈敏度的效能進(jìn)行分析。

對(duì)國(guó)內(nèi)一款典型的常規(guī)體制長(zhǎng)波紅外線陣TDI相機(jī)進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果表明：相機(jī)NETD隨著TDI級(jí)數(shù)N增加時(shí)，并未呈N1/2關(guān)系下降，級(jí)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(jí)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(huì)越來(lái)越高，信號(hào)線的走線長(zhǎng)度也隨著增加，信號(hào)線長(zhǎng)度的增加與間距的變小均會(huì)引入顯著的寄生效應(yīng)，隨著TDI級(jí)數(shù)不斷增加，讀出電路噪聲超過(guò)光子噪聲成為探測(cè)器主要噪聲來(lái)源時(shí)，靈敏度將不會(huì)隨著TDI級(jí)數(shù)增加而提升。這也是目前常規(guī)紅外探測(cè)器TDI級(jí)數(shù)不超過(guò)8級(jí)的主要原因。

圖4 某常規(guī)紅外相機(jī)NETD隨TDI級(jí)數(shù)變化實(shí)測(cè)

圖5 常規(guī)體制與新體制TDI級(jí)數(shù)影響靈敏度分析

對(duì)于像素級(jí)數(shù)字化新體制紅外相機(jī)，由于光電流積分信號(hào)在各像素內(nèi)獨(dú)立完成AD轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行數(shù)字信號(hào)累加，因此各像元間不會(huì)產(chǎn)生相互干擾，噪聲來(lái)源只存在于像素單元，參與TDI的信號(hào)均為數(shù)字信號(hào)，寄生電容電阻及有源器件自身的熱噪聲等噪聲不會(huì)增加讀出電路噪聲，像素級(jí)數(shù)字化TDI探測(cè)器中光子噪聲在各噪聲來(lái)源將始終占主導(dǎo)地位，相機(jī)NETD將隨著TDI級(jí)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(cè)數(shù)據(jù)

基于像素級(jí)數(shù)字積分新體制，已研制了一臺(tái)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(chǔ)設(shè)備等組成，相機(jī)主體主要包括光學(xué)鏡頭、探測(cè)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(cè)試，相機(jī)在電荷處理量接近1Ge-時(shí)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平均NETD已接近5mK。

圖8 新體制相機(jī)NETD實(shí)測(cè)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(jí)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(cè)器像元中心間距為30μm，這樣對(duì)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(hào)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(guò)增加TDI級(jí)數(shù)來(lái)補(bǔ)償由于口徑變小而造成的信號(hào)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(jí)數(shù)字化輕小型空間紅外相機(jī)通過(guò)大F數(shù)設(shè)計(jì)，口徑相對(duì)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(shì)，通過(guò)16級(jí)數(shù)字化TDI的數(shù)字信號(hào)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(zhǎng)波紅外相機(jī)靈敏度提升的限制因素，介紹了像素級(jí)數(shù)字化新體制的技術(shù)原理，對(duì)比分析了新體制對(duì)靈敏度提升的效果，并通過(guò)工程研制驗(yàn)證了新體制對(duì)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(jí)數(shù)字化紅外相機(jī)技術(shù)將是未來(lái)空間輕小型高靈敏度紅外技術(shù)的重要發(fā)展方向。