基于640×480非制冷紅外傳感器的低噪聲采集系統設計

謝寶蓉，魏文超，葉 盛，李 賢，方彩婷

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基于640×480非制冷紅外傳感器的低噪聲采集系統設計

謝寶蓉，魏文超，葉 盛，李 賢，方彩婷

（上海電子技術研究所，上海 201109）

從低噪聲角度出發，設計了基于640×480的高信噪比非制冷紅外采集系統。對精密偏置電壓、信號濾波以及高速模數轉換提供了詳細設計思路和實現方法。測試結果表明本系統在積分時間為64ms的情況下，取得了像元平均NETD值為223mK的優良信噪比特性。

非制冷；紅外傳感器；低噪聲；采集系統

0 引言

隨著紅外技術的發展，非制冷紅外焦平面傳感器憑借價格低、重量輕、功耗小、操作方便等優勢，在軍事和民用紅外成像領域占有越來越重要的地位，成為高科技領域發展的熱點之一[1]。然而，在紅外探測器的應用中，圖像采集系統的質量將直接影響到紅外成像系統的性能。其中，傳感器的采集系統噪聲處理十分關鍵，較多的噪聲會降低紅外圖像系統的圖像質量，減小工作動態范圍，從而影響系統測量的精度。近年來，國內對非制冷紅外焦平面的研究取得了一定進展，但對其相關采集電路的低噪聲設計思路和方法介紹卻鮮有報道。

本文以640×480大面陣非制冷傳感器為例，詳細介紹了長波紅外傳感器采集系統的低噪聲設計過程。特別地，對于如何減小傳感器驅動電路噪聲、A/D量化噪聲給出了詳細描述，并設計了實時成像系統，給出了系統的信噪比和實際成像效果。

1 640×480非制冷傳感器介紹

設計中采用的是分辨率為640×480的非制冷型紅外傳感器，內置熱電制冷器（TEC），可以根據環境溫度的變化調節傳感器焦平面的溫度，從而保證傳感器能夠穩定、低噪聲工作。像元的NETD在300 K，/1，50Hz情況下為80mK左右。其內部功能框圖如圖1所示。

圖1 傳感器內部功能框圖

2 驅動電路設計

2.1 電源和偏置電壓設計

本傳感器的供電電路共需提供1路模擬電源、4路模擬偏置電壓以及1路數字電源。電源與偏置信號如表1所示。

表1 電源與偏置信號

由表1可知，傳感器的電源和偏置電壓對噪聲性能要求非常高，并且電源和偏置電壓的選擇和控制是否精確會直接影響傳感器輸出圖像的質量。因此如何設計低噪聲、高精度的電源和偏置電壓是影響圖像質量的關鍵因素[2]。本設計將采取如下方法設計電源和偏置電壓。

VDDA采用linear公司生產的LT1962-5進行供電，LT1962-5是一款低噪聲、低功耗的低壓差穩壓器，噪聲均值為20mV，靜態電流為30mA，輸出電流可達300mA，而且具有良好的溫漂特性，當溫度變化在－50℃～＋125℃之間時，輸出電壓穩定在4.975～5.025V之間，可以滿足設計要求。

GFID選用ADI公司生產的ADR445，電壓輸出為＋5V，精度誤差為2mV，最大輸出電流可達10mA。此芯片擁有超低電壓噪聲性能和低溫漂系數，其中電壓噪聲峰-峰值為2.25mV（0.1～10Hz），溫漂系數為2PPM/℃。

VSK使用linear公司的LT1962，器件可調輸出電壓為1.22～20V，電流輸出可達100mA。它的噪聲性能優良，噪聲均值在20mV（10Hz～100kHz）。圖2給出了設計圖。

圖3為VBUS偏置電壓設計圖。VBUS采用了超低噪聲電壓基準芯片ADR433B，其精度為1mV，輸出電流最大可達30mA，噪聲電壓峰-峰值為3.75mV（0.1～10Hz），滿足指標要求。ADR433B輸出為＋3.0V固定電壓，所需電壓可經過精密電阻2.8kW和0.2kW電阻分壓得到。

圖2 VSK供電

圖3 VBUS偏置電壓設計

GSK信號獲取類似于VBUS，采用電壓基準芯片ADR433B經過2.2kW和0.8kW電阻分壓得到。

數字電源VDDL可采用linear公司生產的LT1962-3.3，輸出為固定3.3V電壓。LT1962-3.3電路設計圖如圖4所示。

圖4 VDDL供電

2.2 濾波電路設計

輸出的傳感器模擬信號進入到A/D前，為保證信號的低噪聲性能，進行二階有源濾波[3]，設計電路如圖5所示。

圖6為此濾波電路仿真的幅頻響應，為保證讀出視頻信號的不失真，一般濾波器帶寬選擇為讀出信號頻率的3～5倍。本設計中讀出信號帶寬為2MHz，濾波器3dB帶寬設計為10MHz[4]。為保證低噪聲設計，運放采用高速、低噪聲的運算放大器AD8606，其電源輸入為2.7～5.5V供電，信號帶寬為10MHz，低噪聲電壓特性為8nV/Hz1/2。

圖5 濾波器電路圖

圖6 幅頻響應

2.3 模數轉換電路設計

由于傳感器輸出的信號動態范圍為1.0～4.2V，典型靈敏度為4mV/K，噪聲等效溫差最小為60mK，計算得最小需識別的電壓為0.24V，因此信號輸出的動態范圍可達105dB，AD轉換芯片的量化精度由下式進行計算：

由上式可估算，至少取14可滿足輸入動態范圍要求，實際A/D轉換芯片選擇14bit量化精度。

設計中采用ADI公司生產的14 bit低噪聲器件AD9240[5]，SNR為78.5dB（@4MHz）。采樣率為10MSPS，可滿足2MHz輸入信號的無失真采樣。圖7給出了AD9240的設計原理圖。

圖7 AD9240電路圖

3 信噪比測試及成像結果

3.1 系統信噪比測試

一般來說，長波紅外傳感器的信噪比用NETD來衡量[6]。在測量中，使用黑體輻射目標，系統對溫度為1和2（2＞1）的黑體表面分別進行測量。NETD計算公式如下所示。

式中：D為測量黑體的溫度差；D為各光敏元對應D的平均輸出差值；RMS為1或2溫度對應的RMS噪聲。

經計算，在傳感器積分64ms和300K黑體照射情況下，此長波傳感器的平均像元噪聲電壓值為1.1mV，像元平均NETD值為223mK。圖8和圖9分別給出了序號為1～1000像元的噪聲電壓值和NETD值。

圖8 系統成像結果

圖9 系統成像結果

3.2 成像結果

實驗采用焦距為25mm，F數為1.0的紅外光學鏡頭進行成像，成像效果如圖10所示。由圖10可看出，本系統取得了較高信噪比的成像效果。

圖10 系統成像結果

4 結論

針對640×480非制冷傳感器，從低噪聲角度出發，設計了精密偏置電壓、信號濾波、高速模數轉換電路，并對電路的噪聲性能進行了測試和分析。該采集系統在傳感器積分時間為64ms時，測得像元平均NETD值為223mK，取得了優良的成像效果。因此，本文提出的設計方法對于非制冷長波紅外成像的低噪聲處理具有較好的借鑒意義。

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Design of the Acquisition System Based on 640×480 Uncooled Infrared Detector

XIE Baorong，WEI Wenchao，YE Sheng，LI Xian，FANG Caiting

(,201109,)

On the principle of low noise characteristic, a high SNR acquisition system was designed based on a 640×480 uncooled infrared sensor. The paper gives a detailed description and realization of precise bias voltages, signal filtering and high speed A/D conversion. The test result showed that the system had achieved an excellent SNR characteristic with average NETD value of 223 mK.

uncooled，infrared sensor，low noise，acquisition system

TN215

A

1001-8891(2016)05-0374-04

2015-11-28；

2016-02-27.

謝寶蓉（1980-），女，博士，研究方向為遙感圖像處理技術。E-mail：littlecrab1024@126.com。