長線列紅外探測器成像電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

閆秀榮 齊翠翠 蔡帥

長線列紅外探測器成像電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

閆秀榮 齊翠翠 蔡帥

（北京空間機電研究所 北京 100094）

長線列紅外探測器電子學(xué)系統(tǒng)面臨探測器模塊多、噪聲低、體積小、質(zhì)量小和長壽命高可靠等諸多問題的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)總體設(shè)計中摒棄了以往備份冗余的設(shè)計方案，提出采用將成像電子學(xué)系統(tǒng)分成2個半視場進行電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的方法，體積和質(zhì)量減小了50%，2套電路獨立運行，保證可靠性。對多模塊探測器信號分組合并引出，各組信號互相獨立且物理隔離，防止單模塊引起的系統(tǒng)全部失效，同時降低通道間的電路傳導(dǎo)耦合。基于焦面電路和信號處理電路分置式電路架構(gòu)進行了高集成度、低噪聲成像電路設(shè)計。利用紅外成像系統(tǒng)推掃成像模式積分時間充裕的特點，采用了多次積分成像方法降低系統(tǒng)噪聲。測試結(jié)果表明，成像電路不帶探測器負(fù)載時，噪聲1.69個最低有效位（Least Significant Bit，LSB）（折合電壓0.17 mV）；帶探測器負(fù)載時，多次積分成像后電路噪聲為3.22個LSB（折合電壓0.33 mV）。成像系統(tǒng)成像品質(zhì)優(yōu)異，靜態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)和噪聲等效溫差達(dá)到要求。設(shè)計的成像電子學(xué)系統(tǒng)已成功完成應(yīng)用驗證，可為復(fù)雜大規(guī)模遙感器電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒和參考。

長線列紅外探測器 成像電路 高可靠 低噪聲 紅外遙感器

0 引言

紅外遙感成像是一種重要的成像手段，其工作不受光照約束，能全天時獲取信息。近年來，紅外遙感器已廣泛應(yīng)用在國土資源調(diào)查、環(huán)境保護、火災(zāi)監(jiān)測、偽裝目標(biāo)探測等領(lǐng)域。隨著紅外遙感技術(shù)的快速發(fā)展，大視場、高分辨率、高靈敏度已成為發(fā)展趨勢。對于推掃型紅外成像系統(tǒng)，大視場、高分辨率、高靈敏度成像系統(tǒng)需要高性能長線列紅外探測器和高品質(zhì)成像電子學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)成像需求，同時也對成像系統(tǒng)的質(zhì)量、體積、長壽命和高可靠等也提出了嚴(yán)格的要求。目前，一般衛(wèi)星的壽命都要求高達(dá)8年以上。對于成像電子學(xué)系統(tǒng)而言，需要面臨探測器模塊多、噪聲低、體積小、質(zhì)量小和長壽命高可靠等諸多問題的挑戰(zhàn)[1-2]。文獻[1]對可見光相機成像電子學(xué)需求特點進行了分析，提出了大規(guī)?？梢姽獬上耠娮訉W(xué)系統(tǒng)設(shè)計的思路和技術(shù)途徑。文獻[3]基于面陣高幀頻互補氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）探測器設(shè)計一套高速CMOS紫外成像電子學(xué)系統(tǒng)。文獻[4-8]對短線陣紅外探測器及單片面陣紅外探測器驅(qū)動電路、信號處理電路或組件設(shè)計進行介紹。目前針對長線列紅外探測器尤其是拼接多模塊紅外探測器成像電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的文獻很少。

本文結(jié)合某工程項目對長線列紅外探測器成像電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵點進行了分析，從頂層電子學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計出發(fā)，設(shè)計了一套高性能、高可靠、高集成度的長線列紅外電子學(xué)系統(tǒng)，主要包括長線列紅外探測器、探測器外圍驅(qū)動焦面電路和信號處理電路等，重點對成像電子學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)進行整體布局、電子學(xué)系統(tǒng)和探測器組件模塊級可靠性優(yōu)化設(shè)計，并基于成像電子學(xué)總體架構(gòu)對關(guān)鍵成像電路進行了高集成度、低噪聲成像電路設(shè)計，在保證其成像性能和可靠性的基礎(chǔ)上，達(dá)到減小成像系統(tǒng)體積和質(zhì)量等資源需求的目的。

1 成像電子學(xué)架構(gòu)設(shè)計

1.1 成像電子學(xué)設(shè)計關(guān)鍵點分析

大視場是目前空間紅外遙感器的一個主流發(fā)展方向。然而，單片紅外探測器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足系統(tǒng)視場范圍要求，需要通過多片拼接成一個大視場的長線列紅外探測器。本系統(tǒng)長線列紅外探測器由8片單模塊為1 024像元的紅外探測器按照品字型結(jié)構(gòu)機械拼接而成，探測器工作譜段范圍為8～10 μm，輸出信號通道數(shù)為32。

針對長線列紅外探測器模塊多，信號輸出通道數(shù)多的特點，需對各通道間的耦合串?dāng)_設(shè)計進行重點關(guān)注設(shè)計。另外，由于探測器組件規(guī)模大，無法整體冗余備份，因此如何設(shè)計保證探測器模塊級可靠性是設(shè)計的另一個關(guān)鍵點之一，以避免單模塊探測器引起系統(tǒng)級的整體失效。

紅外成像系統(tǒng)工作在長波紅外譜段，靜態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Fuction，MTF）和噪聲等效溫差（Noise Equivalent Tempertature Difference，NETD）是成像系統(tǒng)的2個關(guān)鍵設(shè)計指標(biāo)。紅外成像系統(tǒng)MTF主要取決于光學(xué)系統(tǒng)和探測器MTF，噪聲決定了NETD的高低，因此低噪聲是紅外成像電子學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。紅外成像系統(tǒng)噪聲來源于多方面的因素，不僅與吸收光子過程相關(guān)，而且與探測器本身及外部驅(qū)動電路等多種因素相關(guān)。成像系統(tǒng)噪聲主要包括光子噪聲（目標(biāo)和背景輻射）、暗電流噪聲、讀出電路噪聲、成像電路噪聲等。相比短、中波紅外成像系統(tǒng)來講，長波紅外成像系統(tǒng)對背景輻射引起的噪聲、暗電流噪聲等更為敏感。通過制冷機對探測器焦面工作溫度制冷到80 K，可有效降低探測器組件內(nèi)的背景輻射噪聲，探測器暗電流噪聲也得到了很大程度抑制。讀出電路噪聲主要取決于探測器讀出電路。探測器偏置電源電路和信號處理電路是影響成像電路噪聲的關(guān)鍵電路。電路設(shè)計中需要對信號進行全鏈路的噪聲控制，并通過多次采樣技術(shù)和多次積分成像技術(shù)進一步降低系統(tǒng)的噪聲。針對長波紅外探測器輸出暗信號較大的特點，電路設(shè)計需考慮暗信號的扣除。

此外，由于成像電路規(guī)模增大，熱源增加，散熱資源需求大，通過成像系統(tǒng)機電熱一體化設(shè)計，保證了機、電、熱設(shè)計間的相互匹配性，實現(xiàn)成像系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計。通過優(yōu)化冗余設(shè)計方案，實現(xiàn)了成像電路小型化、輕量化和高可靠設(shè)計。

1.2 成像電子學(xué)架構(gòu)設(shè)計

紅外目標(biāo)輻射信息經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯聚到紅外焦面探測器上。目標(biāo)輻射能量被探測器接收，并經(jīng)探測器轉(zhuǎn)化為電信號，成像電路將電信號讀出、模數(shù)（AD）變換后送入衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)。成像電子學(xué)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。成像電路主要由二次電源、焦面電路和信號處理電路組成。焦面電路主要產(chǎn)生探測器工作所需的偏置電壓以及時序接收和驅(qū)動，并將探測器輸出的模擬信號進行阻抗變換和單端轉(zhuǎn)差分預(yù)處理。信號處理電路主要是產(chǎn)生探測器正常工作所需的時序信號和數(shù)據(jù)采集時序控制信號，完成差分模擬信號接收與驅(qū)動以及AD變換，并將數(shù)據(jù)按照固定格式打包通過高速串行接口發(fā)送給衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)。地面試驗階段，采用圖采計算機接收圖像數(shù)據(jù)，并對圖像數(shù)據(jù)進行分析和性能評價?？偩€通信完成與主控系統(tǒng)的總線通信，接收控制命令與參數(shù)設(shè)置，并返回工作狀態(tài)。二次電源模塊對衛(wèi)星一次母線電源進行濾波和電壓變換，為系統(tǒng)提供工作所需的各類電壓。

考慮到光機系統(tǒng)內(nèi)成像電路散熱需求，又面臨系統(tǒng)整體空間布局的嚴(yán)格約束限制，焦面電路和信號處理電路采用了分置式設(shè)計方案。焦面電路安裝在紅外成像系統(tǒng)光機系統(tǒng)內(nèi)，信號處理電路安裝在衛(wèi)星載荷艙內(nèi)，大大減小光機系統(tǒng)散熱面積。為提升抗干擾能力，抑制信號傳輸過程中的共模噪聲，減小信號漂移，焦面電路和信號處理電路之間采用了全差分模擬信號傳輸方式[4]。信號傳輸采用同軸電纜傳輸差分信號，確保模擬信號遠(yuǎn)距離高品質(zhì)傳輸。通過成像系統(tǒng)機電熱一體化設(shè)計，成功解決了成像系統(tǒng)機、電、熱設(shè)計間的相互匹配性。

為了達(dá)到規(guī)定的長壽命和高可靠性要求，通常采取備份冗余設(shè)計結(jié)構(gòu)，但是備份冗余設(shè)計必然引起產(chǎn)品體積、質(zhì)量和成本的增大[2]。根據(jù)對在軌運行的上百臺成像電路的統(tǒng)計分析以及多年來電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計經(jīng)驗的積累和環(huán)境試驗的驗證，成像電路失效概率極小。為此，系統(tǒng)設(shè)計中摒棄了以往備份冗余的設(shè)計方案，采用將成像電子學(xué)系統(tǒng)分成2個半視場進行電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的思想。8個探測器模塊分成左右半視場各4個模塊，每4個模塊對應(yīng)1個焦面電路和1個信號處理電路。各電路拓?fù)潢P(guān)系如圖2所示。左右半視場2套電路設(shè)計完全一致，局部電路失效不會導(dǎo)致系統(tǒng)完全失效。此外2套電路可獨立工作，也可同時運行。該冗余方案降低電路板體積和質(zhì)量高達(dá)50%。

圖2 各電路拓?fù)潢P(guān)系

2 成像電子學(xué)電路設(shè)計

2.1 探測器模塊設(shè)計

8片紅外探測器拼接方式如圖3所示。圖中D1～D8表示探測器模塊1至探測器模塊8。為提高探測器可靠性，探測器單模塊采用了雙線列結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)單模塊內(nèi)像元備份。單模塊探測器包括2個芯片，①號芯片和②號芯片。每個芯片為1 024像元×6像元，6級時間延遲積分（Time Delay Integration，TDI），6級TDI能夠有效提高探測器信噪比。為降低探測器對外引出信號的復(fù)雜度，對探測器單模塊信號合并引出。每2個模塊信號合并成1組引出到4個接插件上。4組模塊信號互相獨立且物理隔離，可有效防止單模塊引起的系統(tǒng)全部失效，同時也大大降低通道之間的電路傳導(dǎo)耦合[9]。

圖3 各模塊紅外探測器信號引出與接插件對應(yīng)關(guān)系

紅外探測器單模塊輸出通道數(shù)為4。單通道最大讀出速率為5 MHz，輸出信號動態(tài)范圍為1.6～4.4 V。紅外探測器電接口信號主要包括：電源和偏置電壓、時序控制信號和模擬輸出信號[5]。電源和偏置電壓噪聲要求高，其中光伏二極管偏置電壓均方根噪聲要求小于0.1 mV，是直接注入型探測器輸入級控制電壓，其電源品質(zhì)直接影響探測器的輸出噪聲[5-6,10]。紅外探測器模擬輸出信號特征內(nèi)阻大，要求外部負(fù)載對地阻抗大于100 kΩ，負(fù)載電容小于10 pF。

2.2 焦面電路設(shè)計

（1）偏置電源設(shè)計

偏置電源直接影響探測器的性能，通過高精度低噪聲偏置電源驅(qū)動電路設(shè)計，使電源噪聲優(yōu)于0.1 mV。偏置電源產(chǎn)生的基本設(shè)計思路為：采用電壓基準(zhǔn)+分壓電阻+精密運放的方式產(chǎn)生，電路示意圖如圖4所示。根據(jù)噪聲傳遞理論，由于電壓基準(zhǔn)為電路的第一級，其噪聲系數(shù)越小越好。因此選用的電壓基準(zhǔn)源有超低噪聲、高精度、低溫度漂移等特點，以保證電壓穩(wěn)定度和噪聲要求[7-8,11]?？紤]到模塊數(shù)量多，需要的偏壓數(shù)量也多，為節(jié)省電路板體積，運放選用四通道精密運放。

運放輸出的電壓OUT與電壓基準(zhǔn)的關(guān)系如式（1）

式中IN由電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生；1和2為分壓精密電阻；f1和f2為運放反饋電阻。

（2）阻抗變換電路

阻抗變換電路是利用高輸入阻抗低輸出阻抗運放，設(shè)計增益為1的電壓跟隨電路，對輸出信號進行緩沖，從而改變探測器輸出信號的阻抗特性，便于后續(xù)電路對探測器輸出信號處理。由于阻抗變換電路位于整個信號處理鏈路中的最前端，因此，必須合理選擇高精度運放，從而減小電路噪聲和溫度漂移。為減小電路板體積，本設(shè)計選用雙通道運放，具有高輸入電阻≥100 kΩ，低輸入電容≤10 pF的特點，從而滿足探測器輸出負(fù)載的要求。由運放設(shè)計電壓跟隨器構(gòu)成的阻抗變換電路如圖5所示。

圖4 偏置電壓產(chǎn)生電路

圖5 阻抗變換電路

探測器輸出信號I輸入端串聯(lián)電阻，同時對地并聯(lián)電容，主要是構(gòu)成-電路，對探測器輸出信號RO進行低通濾波。這里需要注意的是與運放輸入電容并聯(lián)后的電容應(yīng)小于10 pF，以滿足探測器對負(fù)載的要求。

（3）單端轉(zhuǎn)差分電路

單端轉(zhuǎn)差分電路選用全差分運放來實現(xiàn)。全差分運放為差分輸入差分輸出的運放，通過配置外圍電阻亦可實現(xiàn)單端到差分的轉(zhuǎn)換，又可實現(xiàn)差分到差分的處理。選用的差分運放具有低噪聲、高無雜散動態(tài)范圍和較寬帶寬的特點，可以用于驅(qū)動AD，單端轉(zhuǎn)差分電路如圖6所示。為滿足在差分模式下AD輸入端電壓范圍，共模電壓OCM與AD的參考電壓中心點CML連接。AD的參考電壓中心點CML電壓為0.44 V。單端轉(zhuǎn)差分電路輸出端CH–/CH+通過匹配電阻（s/2）進行源端匹配，之后通過同軸電纜傳輸?shù)胶蠹夒娐贰?/p>

上述電路中差模輸入電壓INDM和差模輸出電壓OUTDM如式（2）和式（3）表示

式中RO為同相輸入端電壓；B為反相輸入端電壓；OP為同相輸出端電壓；ON為反相輸出端電壓。為了使電路只對探測器輸出的有效動態(tài)信號2.8 V進行差分放大，設(shè)置偏壓B為3 V以抵消探測器輸出信號中的直流電平。差分運放差模增益如式（4）所示

式中F和G由信號所需放大倍數(shù)確定。

2.3 信號處理電路設(shè)計

（1）差分接收與驅(qū)動電路

差分接收與驅(qū)動電路對焦面電路輸出的差分模擬信號進行接收和處理，使得差分模擬信號與AD器件輸入電壓范圍相匹配。該部分功能主要由差分運放實現(xiàn)，電路如圖7所示。

圖7 差分接收與驅(qū)動電路

焦面電路與信號處理電路通過特征阻抗為50 Ω的同軸電纜進行連接。為和源端及同軸電纜的阻抗匹配，設(shè)計T為匹配電阻，以保證模擬信號的品質(zhì)。另外，設(shè)計差分信號接收與驅(qū)動電路的放大增益為1，即F=G。差分輸出后的差分輸出電壓范圍為–0.84～0.84 V，與AD輸入端ADCIN–/ADCIN1+電壓范圍完全相配。

（2）數(shù)據(jù)采集及處理電路

AD變換選用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片的量化位數(shù)為14 bit，最高采樣速率高達(dá)30兆，芯片內(nèi)部集成了采樣保持和參考功能。AD輸入電壓范圍為–0.84～0.84 V。FPGA是成像電子學(xué)系統(tǒng)的控制中樞[3]，用于實現(xiàn)探測器的驅(qū)動時序、產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換部分驅(qū)動時序、接收AD轉(zhuǎn)換輸出的高速圖像數(shù)據(jù)、高速串行數(shù)據(jù)輸出以及總線通信等功能。本設(shè)計選用Virtex5系列的FPGA芯片實現(xiàn)時序控制與數(shù)據(jù)處理功能。

3 噪聲控制

電路噪聲作為成像系統(tǒng)噪聲重要因素之一[12]，是評價成像電路性能的一個關(guān)鍵指標(biāo)，因此電路設(shè)計時需對信號噪聲進行重點關(guān)注和控制。成像電子學(xué)信號傳輸鏈路如圖8所示。

圖8 成像電子學(xué)信號傳輸鏈路

根據(jù)信號傳輸鏈路，主要從偏置電源噪聲、模擬信號傳輸鏈路、AD量化和數(shù)據(jù)處理幾個環(huán)節(jié)進行噪聲控制：

1）偏置電源：采用高精度超低噪聲偏置電源驅(qū)動電路設(shè)計，使偏置驅(qū)動電源噪聲優(yōu)于0.1 mV，為紅外探測器提供高精度超低噪聲偏置電壓，確保探測器信號高品質(zhì)輸出；

2）模擬信號傳輸鏈路：采用全差分模擬信號調(diào)理方式，有效抑制模擬信號共模干擾和信號漂移，降低模擬信號調(diào)理電路噪聲；

3）AD量化：采用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行AD量化，量化位數(shù)14 bit，量化噪聲為0.03 mV。

4 測試驗證

4.1 電路噪聲測試

為驗證電路的噪聲性能，對電路不帶探測器負(fù)載的噪聲進行了測試，測試方法為：成像電路的輸入端接入固定電平，采集圖像數(shù)據(jù)并統(tǒng)計分析其標(biāo)準(zhǔn)差即為電路的噪聲。電路噪聲測試結(jié)果如表1所示，各模塊通道電路噪聲最大為1.69個最低有效位（Least Significant Bit，LSB），折合電壓值為0.17 mV。

表1 各模塊通道電路噪聲測試

Tab.1 Circuit noise results of different detector modules

4.2 試驗室成像測試

成像電路帶上紅外探測器負(fù)載，并配上光學(xué)系統(tǒng)進行了成像試驗。通過平行光管，將不同空間頻率靶標(biāo)放置于平行光管的焦面處作為目標(biāo)，通過黑體輻射源照射，將靶標(biāo)成像在相機焦面上[14]。采集不同頻率的靶標(biāo)圖像數(shù)據(jù)，奈奎斯特（Nyquist）頻率靶標(biāo)圖像如圖9所示。根據(jù)Nyquist頻率靶標(biāo)和零頻靶標(biāo)圖像數(shù)據(jù)分別計算靶標(biāo)圖像的調(diào)制度，根據(jù)公式（5）計算對比度傳遞函數(shù)CTF，將CTF乘以π/4計算得到成像系統(tǒng)靜態(tài)MTF。

式中 為空間頻率為Nyquist頻率的對比度傳遞函數(shù)；為空間頻率為Nyquist頻率的靶標(biāo)圖像的調(diào)制度；為空間頻率為0的靶標(biāo)圖像的調(diào)制度。經(jīng)測試成像系統(tǒng)MTF為0.153，成像品質(zhì)良好。

成像系統(tǒng)入光口對準(zhǔn)均勻黑體輻射源。黑體口徑應(yīng)能夠完全覆蓋成像系統(tǒng)視場，從而不會引入背景輻射影響測試精度。調(diào)整黑體溫度，成像系統(tǒng)對300 K黑體成像，設(shè)置積分時間為125 μs，在多次積分成像模式下和非多次積分成像模式下，對系統(tǒng)的噪聲進行了測試評價。設(shè)置成像電路工作模式為多次積分成像模式，在每個推掃行周期內(nèi)成像電路積分成像2次，并對2次采樣的圖像數(shù)據(jù)進行累加平均，作為最終的圖像數(shù)據(jù)輸出，該模式下噪聲測試結(jié)果如表2所示。設(shè)置成像電路工作模式為非多次積分成像模式，在每個推掃行周期內(nèi)成像電路僅積分成像1次，并將采樣的圖像數(shù)據(jù)作為最終的圖像數(shù)據(jù)輸出，該模式下噪聲測試結(jié)果如表2所示。從表2的測試數(shù)據(jù)可以看出多次積分成像模式相比非多次積分成像模式噪聲明顯下降，多次積分成像模式下噪聲為3.22個LSB，折合電壓值為0.33 mV。

表2 各模塊通道系統(tǒng)噪聲測試

Tab.2 Imaging system noise results of different detector modules

在300 K黑體溫度條件下，根據(jù)NETD測量原理，取溫差為2 K，分別調(diào)整黑體溫度為299 K和301 K，計算兩個黑體溫度點的信號和噪聲。利用公式（6）對300 K黑體溫度下的噪聲等效溫差進行測試評價。

式中 Δ為溫差；Δ為兩個黑體溫度點信號的平均值之差；Δn為兩個黑體溫度點信號的噪聲平均值。NETD測試結(jié)果如表3所示。經(jīng)測試成像系統(tǒng)所有模塊平均NETD為0.054 K。

表3 各模塊通道系統(tǒng)NETD測試

Tab.3 Imaging system NETD results of different detector modules

4.3 電路可靠性驗證

成像電子學(xué)系統(tǒng)在地面經(jīng)歷了電路聯(lián)試和環(huán)境試驗驗證，累計工作一千余小時，成像電子學(xué)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，未發(fā)生故障。成像電子學(xué)系統(tǒng)隨衛(wèi)星發(fā)射入軌后，成像品質(zhì)優(yōu)異，在軌穩(wěn)定可靠運行。

5 結(jié)束語

本文對成像電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵點進行了分析，通過對電子學(xué)系統(tǒng)頂層架構(gòu)和探測器組件模塊級可靠性優(yōu)化設(shè)計，從而保證多模塊探測器以及電路的可靠性；并對關(guān)鍵成像電路進行了全鏈路高集成度、低噪聲設(shè)計，在保證其成像性能和可靠性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了降低體積和質(zhì)量等資源需求的目的。經(jīng)測試，電路不帶探測器負(fù)載時，噪聲為1.69個LSB（0.17 mV）；帶探測器負(fù)載時，多次積分成像前電路噪聲為4.02個LSB（0.41 mV），通過多次積分成像方法噪聲進一步降低到3.22個LSB（0.33 mV）。成像系統(tǒng)成像品質(zhì)優(yōu)異，運行穩(wěn)定可靠，應(yīng)用前景廣闊。

目前本設(shè)計中成像電子學(xué)系統(tǒng)主要采用標(biāo)準(zhǔn)器件設(shè)計，后續(xù)隨著紅外遙感器性能的進一步提升，包括空間分辨率和視場的不斷提高，成像電子學(xué)系統(tǒng)的規(guī)模會很龐大。通過成像電子學(xué)系統(tǒng)進一步集成化設(shè)計，如芯片級、模塊級等層面進行集成化設(shè)計，系統(tǒng)成像品質(zhì)、體積和質(zhì)量等還有很大潛力可挖掘，也是后續(xù)進一步開展工作的方向和內(nèi)容。

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Design of the Imaging Electronics System for Long Linear Infrared Detectors

YAN Xiurong QI Cuicui CAI Shuai

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

For long linear infrared detectors, the imaging electronics system faces challenges of multiple module detectors, low noise, small volume, light weight, high reliability and long lifetime, et al. In the paper, the dual redundancy model is abandoned, and a new design method is proposed by dividing the imaging electronics system into two parts corresponding to the field of view in half respectively, with a decrease of 50 percent in both volume and weight. Two sets of circuits operate completely independently, which will be helpful to ensure the reliability. Multiple module detector signals are grouped and extracted. Each group of signals is independent and physically isolated from each other, which will prevent the overall failures caused by a single module and greatly reduce the circuit conductive coupling between channels. Based on the architecture scheme with the focal plane circuit and the signal processing circuit separated, an imaging circuit with high integration and low noise is designed. Owning to the advantage of the sufficient integration time for linear pushbroom imaging, a method of multiple integration imaging is adopted in the design. Test results show that the noise of the imaging circuit is 1.69 LSB (0.17 mV) with no infrared detector and 3.22 LSB (0.33 mV) with infrared detector in multiple integral imaging mode. The imaging system can operate with superior image quality. Both MTF and NETD satisfy the required criteria. The designed imaging electronics system has been successfully, providing a reference for the design of complex large-scale remote sensor.

long linear infrared detector; imaging circuit; high reliability; low noise; infrared remote sensor

TN215

A

1009-8518(2023)04-0019-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.04.003

2022-12-22

國家重大科技專項工程（52106071）

閆秀榮, 齊翠翠, 蔡帥. 長線列紅外探測器成像電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(4): 19-28.

YAN Xiurong, QI Cuicui, CAI Shuai. Design of the Imaging Electronics System for Long Linear Infrared Detectors[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(4): 19-28. (in Chinese)

閆秀榮，女，1978年生，2003年獲中國空間技術(shù)研究院飛行器設(shè)計專業(yè)碩士學(xué)位，高級工程師。主要研究方向是空間紅外遙感器設(shè)計。E-mail：yanxr1978@163.com。

（編輯：龐冰）