數字化紅外焦平面技術

姚立斌，陳 楠，張濟清，紀忠順，鐘昇佑，李正芬，韓慶林

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數字化紅外焦平面技術

姚立斌，陳 楠，張濟清，紀忠順，鐘昇佑，李正芬，韓慶林

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

數字化紅外焦平面技術是從探測器起所有信號處理都在數字域完成的紅外熱成像技術，是目前國際上最先進的新一代紅外焦平面技術。通過將模擬-數字轉換器（ADC）集成到讀出電路中實現數字讀出，配合數字傳輸和數字圖像處理形成數字化紅外焦平面技術。通過中波640×512數字化紅外焦平面探測器讀出電路、成像組件以及數字化紅外焦平面熱像儀的設計和測試，表明數字化紅外焦平面技術具有接口簡單、高抗干擾、高通道隔離度、低讀出噪聲、高傳輸帶寬、高線性度、高穩定性等特點，是紅外熱成像系統的技術發展趨勢。

數字化讀出電路；數字化焦平面；探測器組件；數字成像組件

0 引言

紅外熱像儀是一種用來探測目標物體的紅外輻射，并通過光電轉換、電信號處理等手段，將目標物體的溫度分布轉換成視頻圖像的裝置。紅外熱像儀是由紅外光學系統、紅外探測器組件與圖像處理組件組成，用于獲取目標場景的紅外熱圖像，實現對目標紅外特征的精確探測。目前凝視焦平面面陣型探測器已經取代掃描型探測器成為紅外成像應用的主流。

目前應用的紅外熱像儀是采用混合信號結構，即紅外焦平面探測器的光電信號讀出是在模擬域完成，模擬信號傳輸到成像處理電路后再進行數字化及數字圖像處理。模擬讀出技術固有的缺陷制約了紅外焦平面熱像儀性能的提高。如微弱的模擬信號多路切換及傳輸帶來串音、干擾及噪聲的問題。同時，模擬信號傳輸的有限帶寬限制了紅外焦平面熱像儀幀頻及空間分辨率的提高。

數字化紅外焦平面技術即從探測器起所有信號處理都在數字域完成的紅外熱成像技術，其核心是數字化紅外焦平面探測器技術。數字化紅外焦平面技術采用數字讀出、數字傳輸及數字圖像處理技術，是下一代紅外焦平面熱像儀的通用基礎技術。數字化紅外焦平面技術能夠提升紅外焦平面熱像儀的系統集成度及抗電磁干擾性能，同時能提升紅外熱成像系統的多項技術指標。隨著西方各國數字化紅外焦平面技術的發展，國外已推出數字化紅外焦平面熱像儀實用化產品，顯著提高了熱像儀的整體性能。

紅外熱成像系統要實現全數字化處理，必須采用數字化讀出電路。數字化紅外焦平面技術的關鍵組部件為：數字化讀出電路、數字化焦平面探測器及數字化成像處理電路3部分。本文介紹了目前數字化紅外焦平面技術的發展現狀，數字化紅外焦平面技術的總體結構設計以及中波640×512數字化紅外焦平面探測器讀出電路及探測器組件的設計。

1 數字化紅外焦平面技術及發展現狀

1.1 數字化紅外焦平面技術

傳統的模擬紅外熱成像系統框圖如圖1所示，從紅外探測器到成像電路之間的信號傳輸為模擬信號傳輸，經預處理后由模擬-數字轉換器（ADC）轉換成為數字信號，再進行數字圖像處理供顯示。紅外探測器輸出的微弱模擬信號傳輸存在精度、帶寬、噪聲、幅度匹配及阻抗匹配等問題，且易受到外界的干擾[1]。

數字化紅外熱成像系統框圖如圖2所示。首先在成像處理電路上省去了復雜的模擬信號預處理電路及ADC，減小了電路板尺寸及功耗，易于系統的集成化設計。更重要的是從紅外探測器到成像電路之間的信號傳輸為數字信號傳輸，不容易受到外界的干擾，同時不存在傳輸精度及噪聲干擾的問題[2]。

1.2 數字化紅外焦平面技術發展現狀

由于國外的紅外焦平面探測器技術在90年代就成熟，在2000年前后國外針對紅外焦平面探測器的數字化工作就已經啟動[3]。在數字化焦平面探測器組件方面推出代表性產品的公司有以色列SCD公司、美國洛克希德×馬丁公司等。

以色列SCD公司于2011年推出數字化焦平面探測器組件的代表產品Pelican-D[4]，為640×512面陣15mm間距的銻化銦探測器，與數字成像電路集成，構成數字紅外成像組件。除Pelican-D外，SCD公司還于2013年推出了1280×1024面陣的數字成像組件Heculers[5]；于2013年推出1920×1536面陣的高清數字成像組件BlackBird[6]，形成了數字紅外成像組件的系列產品，成為世界領先的數字紅外成像組件供應商。SCD公司的數字成像組件產品外形如圖3所示。

美國洛克希德×馬丁公司也推出數字化焦平面探測器組件系列產品[7]，產品涵蓋320×256到1280×1024面陣，形成了系列產品。

法國的SOFRADIR公司也有數字化焦平面探測器組件研發計劃，但目前只有一款數字化中波1280×720的焦平面探測器組件產品推出[8]。

國內于“十二五”初期開始紅外焦平面數字化研究工作，各高校及研究所均有少量研究論文發表，但均屬于部分技術的理論探討和部件試制，未見數字化焦平面探測器組件的研究成果報道[9]。

2 數字化讀出電路技術

讀出電路是紅外焦平面探測器中關鍵部件。讀出電路擔負著將紅外焦平面探測器的微弱輸出信號讀出、積分并按順序輸出到成像電路的任務。

2.1 系統需求

由于讀出電路處于信號處理鏈的最前端，因而其性能決定了整機性能。讀出電路的性能對提高探測器整體性能起到至關重要的作用。

圖1 模擬紅外熱成像系統框圖

Fig.1 Block diagram of analog thermal IR imaging system

圖2 數字化紅外熱成像系統框圖

Fig.2 Block diagram of digital thermal IR imaging system

與可見光成像系統相比較，紅外成像系統的主要特點有兩個：大動態范圍的輸入及較高的探測器非均勻性。與之相關的紅外焦平面探測器讀出電路必須能夠處理探測器信號的較高的動態范圍及非均勻性問題，這對讀出電路的性能提出了較高的要求。高性能紅外焦平面探測器對讀出電路的要求有：高注入效率、高偏置穩定性、高動態范圍、高電荷存儲能力、低噪聲及低功耗。

2.2 片上模擬-數字轉換

傳統的模擬讀出電路在模擬域處理光電信號，探測器輸出的光電信號經讀出單元電路讀出并積分，經多路轉換實現掃描，并輸出模擬信號到成像電路。一直以來，在讀出電路片內將光電信號數字化是探測器讀出電路的發展方向。隨著CMOS技術的發展，在讀出電路片內、乃至像元內集成模擬-數字轉換器（ADC）成為可能。與模擬讀出電路相比，數字化讀出電路將ADC集成到讀出電路片內，不可避免地帶來功耗的上升，對制冷型探測器來說提高了對制冷功率的要求，因而對ADC功耗的要求成為首要考慮。其次，要在讀出電路片內集成ADC，由于像元尺寸等因素的限制，對ADC芯片面積也提出要求；由于紅外信號的高動態特性，對ADC的動態范圍提出要求；ADC的速度要求由讀出電路面陣規模及幀頻決定。

2.3 數字化讀出電路架構

數字化讀出電路由3個主要部分構成：讀出單元電路、ADC及數字傳輸電路。從系統架構來看，實現數字化讀出電路主要有以下3種技術路徑：片級ADC方式、列級ADC方式及像素級ADC方式，如圖4所示。

片級ADC方式是數字化讀出電路最基本的一種方式，將原來片外的實現模擬-數字轉換的單個ADC集成到模擬讀出電路芯片中。讀出單元電路讀出每個像素的光電信號并積分，經行及列多路轉換后提供給ADC，實現模擬-數字轉換，最終得到的數字信號輸出到片外供圖像處理電路。片級ADC數字讀出電路的技術路徑最簡單，與傳統的模擬讀出電路相比只增加了ADC，將信號轉換為數字信號后輸出，其余電路都相同。采用片級ADC設計的優勢是ADC芯片面積不受限制，且只需要一個ADC，但ADC的轉換速度要求較高。每一列像元輸出的信號在模擬域進行多路選通，仍然容易受到干擾。

圖3 以色列SCD公司640×512（左）、1280×1024（中）及1920×1536（右）數字成像組件外形照片

圖4 片級ADC方式（左）、列級ADC方式（中）及像素級ADC方式（右）數字化讀出電路架構

列級ADC方式是在讀出電路中每一列采用一個ADC來進行模擬-數字轉換，列級的信號多路轉換在數字域進行，能提高輸出信號的信噪比。采用列級ADC設計的優勢是ADC芯片面積一維方向受到像元點距的限制，而另一個方向理論上不受限制；由于每個ADC僅對一列像元輸出進行轉換，因此對ADC的轉換速度要求不高。

像素級ADC方式的優點有：信號的多路轉換全部在數字域進行，能有效降低信號多路轉換中的衰減及干擾。同時可以在像素級進行數字信號處理，如數字積分等，能大大提高焦平面探測器及紅外系統的性能指標。但每一個像元需要一個ADC，且ADC芯片面積必須小于像素面積，對ADC的設計帶來巨大的挑戰。

對讀出電路數字化的技術方案選擇，主要根據功耗、速度、面積和設計難度進行折中。從上述分析可見，采用列級ADC的方案，讀出電路可以獲得比片級ADC更好的性能，同時僅需要中低速度的ADC和微功耗設計，設計復雜度和難度低于像素級ADC，對于中波640×512像素的紅外焦平面探測器讀出電路，是較為合理的選擇，因此采用列級ADC方案實現。

2.4 640×512數字化讀出電路設計

中波640×512紅外焦平面探測器讀出電路采用列級ADC方案實現，整個讀出電路系統框圖見圖5所示。讀出電路芯片由以下幾個功能電路組成：低噪聲讀出單元電路、行驅動電路、ADC、高速數字信號傳輸電路。其中低噪聲讀出單元電路完成探測器信號的讀出和積分，由640列×512行像素單元組成；行驅動電路完成512行探測器的積分及讀出控制，主要包括復位控制和讀出選通控制；ADC將探測器和像元輸出的模擬信號轉換為數字信號，每一列像元對應一個ADC，共640個ADC組成陣列；高速數字信號傳輸電路完成數字信號的存儲、多路選通和輸出，最終以14位串行數字信號送至外部的成像處理電路。電路設計將ADC置于陣列上下兩邊，ADC的版圖寬度為像元間距的兩倍，同時輸出數字信號分兩路輸出。整個讀出電路采用全局快門控制，避免了卷簾快門對高速目標成像的變形問題，同時減小了時域行噪聲。讀出控制采用邊積分邊讀出的工作模式，保證最大限度的利用系統幀時間來進行光電流積分，提高系統的信噪比。

讀出單元電路的作用是將焦平面探測器的光電流讀出和積分，得到電壓信號。該部分電路是整個讀出電路的最前端，其性能對整個數字化熱像儀起到決定性的影響。因此專門設計了低噪聲像元電路以滿足系統性能需求。讀出單元電路采用直接注入結構，電荷存儲容量根據版圖面積進行優化設計。積分時間控制及行選電路如圖6所示，積分時間可以通過串口在線配置，方便整機應用。

圖5 中波640×512數字化讀出電路原理框圖

Fig.5 Block diagram of MWIR 640×512 digital ROIC

圖6 積分時間控制及行選電路

Fig.6 Block diagram of Integration time controller and row selecter

ADC影響著讀出電路的成像質量、幀頻和功耗等指標，是數字化讀出電路的關鍵模塊。針對紅外焦平面探測器的應用，要求ADC滿足14位以上的精度；同時由于每一列像元都有一個ADC，因此每個ADC必須采用低功耗設計；此外，其寬度也受到像元尺寸的嚴格限制，要以小面積實現ADC的所有電路[10]。

列級ADC的結構主要包括單斜率、循環和逐次比較型ADC。單斜率ADC結構簡單，易于設計和實現，但轉換速度慢，位精度需要2個時鐘周期。逐次比較型ADC可以提高速度，并以低功耗實現，但其精度受電容、電阻陣列匹配程度的限制，因此難以實現高精度。循環ADC的面積比逐次比較型小，然而它需要非常精準的運算放大器，因而需要額外的功耗。Sigma-Delta ADC是實現高精度的較佳選擇，但存在速度慢、數字濾波器面積大等缺點[11]。

對于紅外焦平面探測器讀出電路應用，ADC的輸入離散時間采樣信號，為穩定的直流電壓，可以采用一種特殊的增量型Sigma-Delta ADC，其數字濾波器電路可以大大簡化，減小了占用的面積，可用于高質量成像的讀出電路。增量型Sigma-Delta ADC主要由Sigma-Delta調制器和數字濾波器組成，如圖7所示[12]。其中調制器將輸入電壓信號調制為隨機脈沖，通過其個數的平均值表征電壓幅度，濾波器對脈沖信號進行低通濾波，得到最終的數字輸出。

Sigma-Delta ADC通過過采樣和噪聲整形，將量化噪聲推到高頻帶，減小了信號帶寬內的噪聲，提高信噪比。不同于其他類型的ADC，該結構還可以減少模擬電路中失配、失調等誤差造成的影響，無需外加校正等手段即可實現較高的轉換精度。相對常規的Sigma-Delta ADC，增量型的調制器和數字濾波器在每次轉換前進行復位，因此不是連續的操作；其數字抽取濾波器可以用簡單的數字積分器級聯實現，免除了復雜的數字電路，令ADC的面積和功耗得以大大減小。Sigma-Delta ADC的版圖見圖8所示，其版圖寬度為像元間距的兩倍，長度控制在600mm以內。在采樣頻率為30kHz下，整個ADC的功耗小于100mW[13]。

整個讀出電路包括了640個ADC，每個ADC輸出14位數字信號，要在規定的幀周期內將640×512個像元對應的14位數字信號輸出，需要高速數字多路轉換電路，將列級ADC輸出的大量并行數據轉為串行數據。并-串轉換及數據傳輸電路由數據緩存單元和數據選通邏輯單元組成。首先通過寫入控制信號將ADC輸出的并行數據同時寫入緩存單元；然后選通邏輯單元產生選通信號，從左到右逐個選通緩存單元，將其連接到輸出總線上對外輸出，實現并行到串行的轉換。該電路方案由于每次僅有1個寄存器同時工作，電路的功耗大大減小。并-串轉換及數據傳輸電路見圖9所示[14]。數據輸出采用低壓差分（LVDS）電路，有效地降低了電路的功耗。該數據傳輸電路的傳輸數據率可達到400 Mbps以上。

中波640×512數字化讀出電路在0.35mm CMOS工藝上實現并流片。整個電路版圖尺寸為18 mm×16.8 mm，如圖10所示。圖11為流片加工后的芯片照片。

3 數字化焦平面探測器組件

將中波640×512數字讀出電路芯片與焦平面探測器芯片進行互連，封裝后最終完成640×512數字化中波焦平面探測器組件制備，如圖12所示。對640×512中波數字化焦平面探測器的測試主要參考GB/T 17444-2013《紅外焦平面陣列參數測試方法》[15]進行。通過測試電路板提供數字化焦平面探測器的偏壓及驅動信號，并采集數字化焦平面探測器的輸出信號，通過CameraLink接口傳輸到計算機，經計算得到數字化焦平面探測器的各參數。

圖7 Sigma-Delta ADC框圖

Fig.7 Block diagram of Sigma-Delta ADC

圖8 Sigma-Delta ADC版圖

Fig.8 Layout of Sigma-Delta ADC

圖13為640×512中波數字化焦平面探測器對均勻黑體的原始信號成像圖，由圖中可以看出探測器的盲元、非均勻性及固定圖案噪聲。圖14為640×512中波數字化焦平面探測器輸出列平均噪聲的分布圖，從圖中可以看出640×512中波數字化焦平面探測器的平均噪聲大約是1.9 LSB，約為0.28mVrms，小于普通的模擬探測器的噪聲。圖15為640×512中波數字化焦平面探測器的噪聲等效溫差（NETD）實測值分布，在19ms積分時間下，640×512中波數字化焦平面探測器的平均NETD為8.4 mK，優于一般的模擬探測器，且數字化焦平面探測器的NETD散布較小。在積分電容半滿井條件即9ms積分時間下，640×512中波數字化焦平面探測器的平均NETD為13 mK。

圖9 并-串轉換及數據傳輸電路

圖10 中波640×512數字化讀出電路版圖

圖11 中波640×512數字化讀出電路芯片照片

圖12 640×512中波數字化焦平面探測器組件照片

圖13 640×512中波數字化焦平面探測器輸出原始信號成像

圖14 640×512中波數字化焦平面探測器輸出列噪聲分布圖

圖15 640×512中波數字化焦平面探測器NETD

表1列出了640×512中波數字化焦平面探測器的各項實測指標。除開光譜響應等指標主要由探測器決定外，在與讀出電路相關的指標上，數字化焦平面探測器的各項指標均不低于模擬探測器。通過低功耗設計，數字化焦平面探測器的功耗也和模擬探測器相當。

表1 640×512中波數字化焦平面探測器測試結果

表2總結了目前各公司640×512中波數字化焦平面探測器組件的性能指標[16]，從指標上看，本文介紹的640×512中波數字化焦平面探測器組件和各大公司的產品處在同一技術水平。

4 數字成像組件

將成像處理電路與數字化焦平面探測器集成，可以構成數字成像組件。基于模擬讀出電路的傳統成像組件和數字成像組件框圖分別示于圖16和圖17。數字化焦平面探測器集成ADC到讀出電路中，直接輸出數字信號，省卻了成像處理電路中復雜的模擬信號調理電路及ADC，使成像處理電路的尺寸大幅度縮小，有利于系統的集成。如圖16所示，傳統成像組件在杜瓦外采用專門的電路對模擬信號進行采樣、放大和模數轉換，工作溫度由外界環境和整機決定。大范圍的溫度變化，對模擬電路和ADC的工作點、器件特性等都有顯著影響，會造成電路性能在不同整機環境溫度下的變化，影響系統性能。而數字成像組件，如圖17所示，所有模擬電路和ADC都集成在讀出電路芯片內，其處于杜瓦內部工作，工作溫度由制冷機決定，可以恒定在液氮溫度附近，因而其性能不受外部環境和整機影響，保證了成像組件更好的環境適應性。此外數字成像組件具有高度集成及體積緊湊的特點，集成了熱像儀中成像處理的所有功能，直接輸出CameraLink數字視頻信號，可以直接應用于各種紅外熱成像系統。

表2 各公司640×512數字焦平面探測器性能對比

圖16 傳統成像組件框圖

Fig.16 Block diagram of conventional thermal IR imager

圖17 數字成像組件框圖

Fig.17 Block diagram of digital thermal IR imager

圖12中的640×512中波數字化焦平面探測器組件與圖18中的數字成像處理電路集成，構成數字成像組件，如圖19所示。

數字成像處理電路包括探測器接口板、主處理板及制冷機接口板。其中最大的主處理板的尺寸只有60 mm×50 mm，集成了FPGA為主的圖像處理電路。圖像處理電路包含盲元補償、非均勻性校正、圖像灰度均衡及濾波、CameraLink圖像信號輸出等紅外熱像儀的基本圖像處理功能，直接輸出紅外數字視頻信號。整個成像處理電路的總功耗小于2W。

圖19 640×512中波數字成像組件照片

（左：25mm像元間距；右15mm像元間距）

Fig.19 MWIR 640×512 digital imaging modules with 25-mm pixel (left) and 15-mm pixel (right)

數字紅外成像組件將紅外探測器、CMOS數字化讀出電路、微型杜瓦、制冷機與成像處理電路一體設計，具有高度集成、小體積、高性能及通用化的特點，配合光學系統即可成像。如圖20所示，數字紅外成像組件配合簡單的光學系統及機械支撐結構即可組成一臺紅外熱像儀，可以用來驗證數字紅外成像組件的各項性能。其中光學鏡頭焦距為45 mm，視場為20°×16°。

圖20 640×512中波數字成像演示裝置照片

數字紅外成像組件演示裝置的成像照片如圖21所示。由于數字紅外焦平面探測器的優異信噪比，成像清晰、干凈，無雜波干擾。

圖21 640×512中波數字成像組件成像圖片

5 數字化焦平面熱像儀

由于數字紅外成像組件已經集成了成像系統的所有信號處理功能，數字化焦平面熱像儀的設計大大簡化，只需考慮光學系統的設計及伺服系統的設計即可。如圖22所示，數字化焦平面熱像儀樣機由光學鏡頭、殼體結構和成像組件構成。采用不同的光學系統即可適應不同指標的紅外熱像儀應用，提高了組件的通用性及降低了后期的維護成本。

圖23是640×512中波數字化焦平面熱像儀樣機遠景的成像圖片。

6 結論

通過640×512中波數字化焦平面探測器讀出電路、成像組件及數字化熱像儀的設計及測試表明，數字焦平面探測器有接口簡單、高抗干擾、高通道隔離度、低讀出噪聲、高傳輸帶寬、高線性度、高穩定性等特點，是紅外熱成像系統的技術發展趨勢。

圖22 640×512中波數字化焦平面熱像儀樣機

圖23 640×512中波數字化焦平面熱像儀樣機成像圖片

與傳統的模擬紅外焦平面探測器相比較，數字焦平面探測器有以下優點：

①高集成度、接口簡單。數字焦平面探測器直接輸出數字信號，無需模擬-數字轉換器（ADC）電路、相關模擬信號預處理電路及ADC驅動電路，可以提高紅外熱成像系統集成度，降低成像組件體積、功耗及成本，提高系統可靠性。

②高抗干擾、高通道隔離度、低讀出噪聲。數字焦平面探測器的信號多路切換及傳輸是在數字域實現，數字信號的切換及傳輸是無損失的且不易受到電磁干擾；加之數字焦平面探測器采用多個列級低速ADC代替片級高速ADC，ADC的噪聲等效帶寬大大減小，帶內噪聲減小。以上特點能有效提高紅外熱成像系統的信噪比及通道隔離度。

③高傳輸帶寬。數字焦平面探測器通過高速串行數字接口電路輸出信號，傳輸帶寬高，能實現大面陣探測器每秒1000幀以上的視頻輸出。

④數字焦平面探測器采用數字總線控制探測器參數，能夠以微秒級精度精確控制探測器的積分時間，有利于光電系統應用。

⑤高線性度。數字信號傳輸及處理沒有非線性問題，提高成像系統的線性度。

⑥穩定性。數字電路性能不受工藝參數、工作溫度及環境參數影響，數字焦平面探測器能提高紅外熱成像系統性能的一致性及穩定性。

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Digital IRFPA Technology

YAO Libin，CHEN Nan，ZHANG Jiqing，JI Zhongshun，ZHONG Shengyou，LI Zhengfen，HAN Qinglin

(,650223,)

Digital IRFPA technology is a thermal IR imaging technology which signal from detector is processed in digital domain, and it is the most advanced IRFPA technology. It integrates analog-to-digital converter (ADC) on readout integrated circuit (ROIC) to realize digital signal read out, while the digital signal transmission and digital image processing are also utilized to form the Digital IRFPA technology. The digital IRFPA ROIC, digital imaging module and digital IRFPA thermal imager of MWIR 640×512 are designed and tested, and the measurement results indicate the Digital IRFPA technology has some positive features, such as simple interface, good resistance to interference, high channel isolation, low readout noise, wide transmission bandwidth, high linearity, high stability and so on. The Digital IRFPA technology is the developing trend of thermal IR imaging system.

digital ROIC，digital IRFPA，detector module，digital imaging system

TN215

A

1001-8891(2016)05-0357-10

2016-04-25；

2016-05-12.

姚立斌（1968-），男，博士，研究員，博士研究生導師，主要研究方向為混合信號集成電路設計。