320×256中波紅外焦平面器件低噪聲采集系統(tǒng)設計

李 鋒，董 峰，馮 旗

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320×256中波紅外焦平面器件低噪聲采集系統(tǒng)設計

李 鋒1,2,3，董 峰2,3，馮 旗2,3

（1. 中國科學院大學，北京 100049；2. 中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083；3. 中國科學院紅外探測與成像技術重點實驗室，上海 200083）

根據(jù)320×256中波紅外焦平面器件內(nèi)部電路結構特點以及輸出微弱模擬信號的特點，系統(tǒng)從低噪聲和抗干擾的角度出發(fā)，設計了由電源模塊、驅(qū)動電路、A/D轉換電路、數(shù)據(jù)處理電路、時序控制模塊等模塊組成的低噪聲中波紅外焦平面圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過噪聲測試和成像實驗得到，在26℃的室溫下，測得的電路噪聲為0.1mV，在1000ms積分時間時系統(tǒng)噪聲1.5mV，各個像元的SNR在62～65dB之間。

320×256焦平面；中波紅外；低噪聲；采集系統(tǒng)

0 引言

紅外探測器能夠把對目標接收到的紅外輻射信息轉換成一種便于計量的物理量，通常是電量即電信號，然后利用外圍讀出電路對電信號經(jīng)過采集、濾波、放大、降噪、模數(shù)轉換等處理后獲得被探測目標以及背景的圖像信息[1]。紅外成像系統(tǒng)在預警、制導、偵察、天氣預測、災害檢測、醫(yī)療等領域得到廣泛的運用[2]。紅外成像系統(tǒng)的最主要器件為紅外焦平面陣列。依據(jù)探測器陣列敏感元的排列形式，紅外焦平面陣列有面陣和線陣兩種形式，它們分別用于凝視和掃描成像系統(tǒng)[1]。

本文結合實際工程項目，根據(jù)中波320×256紅外焦平面器件的特點，研究了紅外凝視型中波320×256焦平面器件的成像系統(tǒng)。點設計了低噪聲、高靈敏度信號處理電路，以及將采集到的數(shù)據(jù)通過三線制LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）打包上傳，并在上位機實時顯示所成的像。最后利用MATLAB對采集到的數(shù)據(jù)進行計算處理得到中波320×256紅外焦平面器件紅外成像系統(tǒng)的電路噪聲和系統(tǒng)噪聲，并給出所成的像。

1 中波320×256紅外焦平面器件介紹

中波320×256紅外焦平面探測器，由CMOS讀出集成電路和碲鎘汞外延材料加工的320×256元紅外探測器列陣芯片再通過銦柱直接互連構成碲鎘汞紅外焦平面，然后利用微型杜瓦將此紅外焦平面密封封裝便構成320×256像元紅外焦平面探測器杜瓦組件產(chǎn)品。探測器陣列的標準尺寸為11.9mm×9.43mm，像元中心距為30mm×30mm。其光譜響應范圍見圖1所示。

圖1 中波 320×256紅外焦平面光譜響應范圍

Fig.1 320×256 FPA medium wave spectral response range

由圖1可以知道中波焦平面在4.4～4.5mm之間響應達到峰值。

中波320×256紅外焦平面讀出電路是基于亞微米CMOS集成電路技術制作的。讀出電路完成對敏感元探測陣列信號進行積分、存儲、轉換、輸出，采用先積分后讀出的工作模式。讀出電路多路傳輸256行信號到輸出級，輸出級為高速的跟隨放大器。最高讀出頻率為6MHz。中波320×256紅外焦平面有2路數(shù)字輸出、1路模擬輸出。由于探測器輸出內(nèi)阻比較大，這就要求模擬輸出的負載滿足＞100kW，＜15pF。輸出模擬低電平典型值為0.35V，高電平典型值為1.70V。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

中波320×256紅外焦平面探測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是：利用數(shù)字控制器FPGA產(chǎn)生探測器正常工作所需的驅(qū)動控制時序、積分時間；對探測器輸出的一路模擬信號進行跟隨、濾波、差分、A/D轉換等一系列處理；將處理完得到的數(shù)字信號傳給FPGA，經(jīng)過FPGA處理后通過LVDS利用三線制傳輸格式將數(shù)據(jù)傳輸給另一片F(xiàn)PGA，最后通過PCI接口將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C顯示，從而得到焦平面實時采集到的目標數(shù)字圖像信息。整個數(shù)據(jù)采集框圖見圖2所示。

系統(tǒng)由光學鏡頭、中波320×256紅外焦平面器件、模擬驅(qū)動電路、數(shù)字信號處理電路、圖像上傳模塊、電源模塊、RS422指令收發(fā)模塊組成。紅外焦平面成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量由系統(tǒng)的探測精度所決定[3]。對于探測系統(tǒng)電路的低噪聲設計以及處理可以提高系統(tǒng)的探測精度，當系統(tǒng)的噪聲較大時，系統(tǒng)的探測靈敏度將會降低、從而探測系統(tǒng)的探測精度也會降低，最終導致圖像的分辨率下降。因此，在滿足成像系統(tǒng)工作要求的情況下，在設計采集電路時盡量選擇低噪聲元器件，同時對信號進行濾波、跟隨、差分、PCB布局模數(shù)分離等相關低噪聲處理。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

2.1 電源模塊設計

系統(tǒng)電源模塊主要分為數(shù)字電壓、模擬電壓、探測器偏置電壓。系統(tǒng)很多芯片都有供電管腳，考慮到篇幅，這里只介紹FPGA、和探測器偏置電壓的供電，尤其重點介紹探測器的偏置電壓。系統(tǒng)選用的Altera cyclone III FPGA需要3.3V、2.5V、1.2V三個電壓控制。考慮到這3個電壓需要紋波小、電流比較大，電路設計時選用了線性穩(wěn)壓芯片LT1764來獲得這3種數(shù)字電壓。對于偏置電壓，尤其是探測器的5個可調(diào)偏置電壓，具體見表1所示，對探測器能不能采集到清晰穩(wěn)定的圖像起著至關重要的作用。中波320×256紅外焦平面探測器能否輸出正確穩(wěn)定的模擬信號，對這5個偏置電壓的穩(wěn)定供電以及電壓的調(diào)節(jié)都至關重要。在調(diào)節(jié)電壓之前首先要保證為偏置供電的電壓穩(wěn)定。供電芯片的低頻噪聲、時間漂移、溫度漂移都是影響電壓穩(wěn)定度的主要因素[4]。從表1可以看出偏置電壓的供電電流比較小、電壓要穩(wěn)定準確即紋波小，因此在設計時沒有選用線性穩(wěn)壓芯片而是選用了ADI公司的電壓基準芯片ADR441和ADR435，然后通過高精度的精密電阻分壓獲得焦平面所需要的基準電壓，圖3和圖4分別為ADR441和ADR435應用原理圖。

表1 中波320×256 FPA偏置電壓

圖3 ADR441偏置電壓產(chǎn)生電路

圖4 ADR435偏置電壓產(chǎn)生電路

這兩款芯片都有低噪聲、低溫漂的優(yōu)點，ADR441噪聲峰峰值為1.2mV（0.1～10Hz），溫漂10ppm/℃，ADR435B噪聲峰峰值為3.5mV（0.1～10Hz），溫漂10ppm/℃，這樣不僅可以提供基準電壓，同時還能降低電路噪聲，提升系統(tǒng)性能。在系統(tǒng)實際工作時，只有選擇合適的偏置電壓才能使系統(tǒng)正常工作。當偏置電壓較小時代表暗電流也小，暗電流小能提高探測器的動態(tài)范圍，但是當偏置電壓越小焦平面的非均勻性就會越差。綜合考慮了非均勻性以及暗電流對系統(tǒng)成像的影響，通過多次測試，最終偏置電壓分別取值見表1第4列。

2.2 探測器數(shù)字脈沖驅(qū)動時序設計

中波320×256 FPA讀出電路所需要的內(nèi)部驅(qū)動信號通過不同的外部時鐘和偏置產(chǎn)生。焦平面共有8個數(shù)字驅(qū)動信號。即：輸入時鐘CPx，同步時鐘和行輸入時鐘STx，幀同步時鐘STy，使能開關Rowenable，采用時鐘Sh，采樣復位信號Pclamp，積分時間Frame。焦平面最高讀出頻率為6MHz，這里取1MHz的時鐘頻率。這8個驅(qū)動信號在工作時必須保持同步，這樣才能有效驅(qū)動。系統(tǒng)利用Altera cyclone III FPGA同步產(chǎn)生這幾個驅(qū)動信號。利用QuartusII的Signal TapII實時在線仿真工具得到的驅(qū)動時序波形如圖5所示。經(jīng)分析與中波320×256 FPA使用手冊上給出的驅(qū)動時序一致。

2.3 電壓跟隨電路設計

上文講過中波320×256紅外焦平面器件由于輸出內(nèi)阻比較大，要求模擬輸出的負載滿足＞100kW，＜15pF。在負載條件、偏置電壓、驅(qū)動時序都滿足時，輸出的模擬信號低電平典型值為0.35V，高電平典型值為1.70V。為了滿足負載要求最常用的方法是在模擬信號輸出后設計一個電壓跟隨電路[5]。跟隨電路在整個驅(qū)動模塊最前端，為了降低電路設計中的噪聲和溫漂，因此對運放的選擇很重要。系統(tǒng)在電路設計時，選擇了ADI公司的運算放大器AD826來設計電壓跟隨電路。它的輸入噪聲典型值為150nV·Hz－1/2，共模抑制比典型值為120dB，輸入阻抗典型值為300 kW，輸入電容典型值為1.5pF。具體電路設計如圖6所示。

圖中32、52構成了可以降低電路的高頻噪聲的一階低通濾波電路。上文講到主時鐘取1MHz，這樣一階低通濾波電路的截止頻率取4MHz左右能起到很好的濾波效果。這里取32＝1kW、52＝33pF，即：

2.4 單端轉差分電路設計

模擬信號經(jīng)過跟隨、濾波后，A/D轉換前，為了抑制和隔離模擬信號的噪聲和漂移，將模擬單端電路轉換成差分電路。設計時采用ADI公司的AD8139芯片來實現(xiàn)單端轉差分。其電壓噪聲和電流噪聲都非常低，分別為2.25nV×Hz1/2、2.1pA×Hz1/2，信號上升很快，達到800V/ms。差分電路原理圖見圖7所示。

圖5 320×256焦平面器件驅(qū)動時序仿真波形

Fig.5 320×256 FPA drive timing simulation waveform

圖6 電壓跟隨設計電路圖

圖7 差分電路原理圖

圖中運放AD8139的2腳通過＋5V基準電壓和精密電阻分壓得到，根據(jù)下式：

2.5 模數(shù)轉換（ADC）電路設計

在設計模數(shù)轉換電路時，ADC芯片的選擇非常重要。首先模擬輸入電壓范圍要大于焦平面探測器輸出的模擬信號的動態(tài)范圍，同時，要確保模數(shù)轉換芯片的最高轉換率大于探測器輸出信號頻率，而且，要考慮到模擬輸入信號的噪聲大小，即芯片的LSB小于輸入的模擬信號的噪聲。經(jīng)過綜合考慮系統(tǒng)設計時選擇了ADI公司的雙通道差分16位模數(shù)轉換芯片AD7903，選用差分ADC可以和前端的差分模擬信號匹配，同時可以抑制系統(tǒng)的噪聲和共模干擾[6]。AD7903具有16位分辨率、低功耗（7.0mW）、高SNR（94dB）等優(yōu)點。系統(tǒng)設計的參考電壓為5V，此時1LSB＝152.6mV。A/D轉換電路設計如圖8所示。

圖8 模數(shù)轉換電路

2.6 FPGA圖像數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)以Altera cyclone Ⅲ FPGA為核心控制芯片，利用FPGA對驅(qū)動時序控制、數(shù)字信號處理。A/D轉換好的圖像數(shù)字信號被傳送到FPGA內(nèi)部。為了能實時在上位機顯示焦平面探測器采集到的圖像，數(shù)字信號需要在FPGA內(nèi)部經(jīng)過排序、加幀頭和幀尾以及幀計數(shù)、FIFO緩存等步驟處理。最后通過三線制LVDS傳送到地檢系統(tǒng)，然后通過地檢系統(tǒng)處理后通過PCI接口傳送到上位機實時顯示。三線制LVDS傳輸方便，便于處理。系統(tǒng)最終三線制輸出碼流見圖9所示。

圖中ad_clk為ADC芯片的時鐘，infifodata、q分別為輸入輸出fifo的碼流，line3_dataout為三線制數(shù)據(jù)線輸出碼流，經(jīng)比對與輸入一致，表明輸出結果準確。

圖9 圖像采集系統(tǒng)三線制輸出碼流

3 噪聲測試

中波320×256紅外焦平面探測器成像系統(tǒng)的每個組成模塊都會引起系統(tǒng)噪聲，焦平面輸出噪聲是整個成像系統(tǒng)噪聲的主要來源，包括讀出電路的噪聲和探測器的噪聲[7]。

紅外焦平面成像系統(tǒng)的噪聲測量以及定義都比較復雜[8]，本文通過計算連續(xù)200幅圖像的均方差（RMS）以及信噪比（SNR）來衡量系統(tǒng)的性能。RMS、SNR定義如下：

式中：S表示第個像元第個輸出；為總的圖像幀數(shù)。

在測試系統(tǒng)噪聲時，首先測試了采集電路的噪聲，在系統(tǒng)沒有加探測器的情況下，短接了模擬信號輸入端，在26℃的室溫下，采集了一段碼流。利用MATLAB仿真計算連續(xù)200幀圖像得到RMS值即為電路噪聲。圖10為電路各個像元噪聲電壓值。從圖中可以看出電路的噪聲電壓在0.1mV左右，說明噪聲性能很好。

然后加上探測器后，在26℃的室溫、1000ms的積分時間條件下測試系統(tǒng)的噪聲性能，在測試時，由于測試條件限制，用一片黑色的紙片擋住探測器窗口，同樣采集了一段碼流。利用MATLAB仿真計算200幀圖像數(shù)據(jù)得到RMS值即為系統(tǒng)噪聲。圖11為81920個像元系統(tǒng)噪聲電壓值。

圖10 電路噪聲電壓

Fig.10 Circuit noise voltage

圖11 系統(tǒng)噪聲電壓

Fig.11 System noise voltage

從圖10中可以看出系統(tǒng)的噪聲電壓在1.5mV左右，可以發(fā)現(xiàn)在加上探測器后系統(tǒng)噪聲相比電路噪聲大了很多，造成這一結果的很重要的原因是由于工藝水平的限制使得焦平面器件具有很大的固有噪聲以及像元非均勻性，可以進一步通過非均勻性校正來降低系統(tǒng)噪聲[9]。在圖11的計算條件下可以進一步計算出探測器各像素的信噪比（SNR），如圖12所示。

圖12 探測器各像素信噪比

從圖12可以看出，各個像素的信噪比在62～65dB之間。從圖11和圖12可以得出設計的中波320×256紅外焦平面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較好的噪聲特性。具有良好噪聲特性的圖像采集系統(tǒng)是焦平面成像系統(tǒng)在成像實驗時獲得高分辨率圖像的有力保障。圖13為中波320×256紅外焦平面探測器成像系統(tǒng)在室溫26℃、積分時間1000ms時對150℃的烙鐵成像所得圖像。圖14為成像圖像的各個像元信噪比。

從圖13、圖14可以看出系統(tǒng)能獲得被探測目標穩(wěn)定的紅外輻射圖像，與參考文獻[3]中紅外圖像相比更加清晰。但是信噪比比較低，一方面測試條件限制對結果有一定影響，另一方面探測器本身性能由于工藝等原因?qū)е滦阅懿惶硐耄约跋到y(tǒng)設計時雖然采用了低噪聲設計，但是仍然會受到噪聲和干擾的影響。

圖13 320×256紅外焦平面探測器對烙鐵成像圖像

圖14 320×256紅外焦平面探測器對烙鐵成像圖像信噪比

4 結論

紅外焦平面器件在很多領域都得到廣泛運用，尤其在軍事中的精確制導方面能發(fā)揮重要作用[10]。本文以實際工程應用為背景，為中波320×256紅外焦平面器件設計了一套低噪聲圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。低噪聲數(shù)據(jù)采集電路是中波320×256紅外焦平面器件能夠獲得高分辨率圖像的關鍵技術之一，本文從采集電路低噪聲角度出發(fā)，設計過程中在探測器偏置電壓、模擬信號跟隨、濾波、差分、A/D轉換等關鍵電路設計時都充分考慮了噪聲和干擾，并給出了各個模塊詳細的設計思路和過程。最后經(jīng)過噪聲測試，不管是電路噪聲還是系統(tǒng)噪聲都達到了系統(tǒng)要求，為采集系統(tǒng)進一步在工程應用中能有效發(fā)揮作用打下良好的基礎。

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Acquisition System with Low Noise Based on 320×256 Medium Wavelength Infrared FPA

LI Feng1,2,3，DONG Feng2,3，F(xiàn)ENG Qi2,3

(1.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049 China; 2. Shanghai Institute of Technical and Physics, Chinese Academy of Science, Shanghai 200083, China; 3.CAS Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology, Shanghai Institute of Technical Physics, Shanghai 200083, China)

This paper provides a description of the signal processing design procedure for an acquisition system with low noise, using the internal circuit structure characteristics and output analog signal characteristics of a 320 ×256 medium wavelength infrared FPA. A medium wavelength infrared FPA image data acquisition system consists of a power supply module, drive circuit, A/D conversion circuit, data processing circuit, and sequential control module. Through noise tests and imaging experiments, the circuit’s noise is found to be approximately 0.1mV and the system’s noise is approximately 1.5mV at 26℃(room temperature). A pixel’s signal-to-noise ratio (SNR) is between 62dB and 65dB. The results show that the system has good noise characteristics and that it can meet the requirements of practical engineering applications.

320×256 FPA，medium wavelength infrared，low noise，acquisition system

TN215

A

1001-8891(2017)08-0704-06

2016-05-06；

2017-07-04.

李鋒（1989-），男，江蘇鹽城人，博士，主要從事電路與系統(tǒng)方面研究。E-mail：lifengsitp@163.com。

董峰（1974-），男，浙江臺州人，研究員，碩士生導師，博士，主要從事空間目標光電探測系統(tǒng)研究。E-mail：dongfeng@mail.sitp.ac.cn。