長線列紅外探測器成像電子學系統設計

閆秀榮 齊翠翠 蔡帥

長線列紅外探測器成像電子學系統設計

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系統面臨探測器模塊多、噪聲低、體積小、質量小和長壽命高可靠等諸多問題的挑戰。系統總體設計中摒棄了以往備份冗余的設計方案，提出采用將成像電子學系統分成2個半視場進行電子學系統設計的方法，體積和質量減小了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全部失效，同時降低通道間的電路傳導耦合。基于焦面電路和信號處理電路分置式電路架構進行了高集成度、低噪聲成像電路設計。利用紅外成像系統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噪聲。測試結果表明，成像電路不帶探測器負載時，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）。成像系統成像品質優異，靜態調制傳遞函數和噪聲等效溫差達到要求。設計的成像電子學系統已成功完成應用驗證，可為復雜大規模遙感器電子學系統設計提供借鑒和參考。

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用在國土資源調查、環境保護、火災監測、偽裝目標探測等領域。隨著紅外遙感技術的快速發展，大視場、高分辨率、高靈敏度已成為發展趨勢。對于推掃型紅外成像系統，大視場、高分辨率、高靈敏度成像系統需要高性能長線列紅外探測器和高品質成像電子學系統實現成像需求，同時也對成像系統的質量、體積、長壽命和高可靠等也提出了嚴格的要求。目前，一般衛星的壽命都要求高達8年以上。對于成像電子學系統而言，需要面臨探測器模塊多、噪聲低、體積小、質量小和長壽命高可靠等諸多問題的挑戰[1-2]。文獻[1]對可見光相機成像電子學需求特點進行了分析，提出了大規模可見光成像電子學系統設計的思路和技術途徑。文獻[3]基于面陣高幀頻互補氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）探測器設計一套高速CMOS紫外成像電子學系統。文獻[4-8]對短線陣紅外探測器及單片面陣紅外探測器驅動電路、信號處理電路或組件設計進行介紹。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系統設計的文獻很少。

本文結合某工程項目對長線列紅外探測器成像電子學系統設計關鍵點進行了分析，從頂層電子學系統架構設計出發，設計了一套高性能、高可靠、高集成度的長線列紅外電子學系統，主要包括長線列紅外探測器、探測器外圍驅動焦面電路和信號處理電路等，重點對成像電子學系統架構進行整體布局、電子學系統和探測器組件模塊級可靠性優化設計，并基于成像電子學總體架構對關鍵成像電路進行了高集成度、低噪聲成像電路設計，在保證其成像性能和可靠性的基礎上，達到減小成像系統體積和質量等資源需求的目的。

1 成像電子學架構設計

1.1 成像電子學設計關鍵點分析

大視場是目前空間紅外遙感器的一個主流發展方向。然而，單片紅外探測器已遠遠無法滿足系統視場范圍要求，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構機械拼接而成，探測器工作譜段范圍為8～10 μm，輸出信號通道數為32。

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

紅外成像系統工作在長波紅外譜段，靜態調制傳遞函數（Modulation Transfer Fuction，MTF）和噪聲等效溫差（Noise Equivalent Tempertature Difference，NETD）是成像系統的2個關鍵設計指標。紅外成像系統MTF主要取決于光學系統和探測器MTF，噪聲決定了NETD的高低，因此低噪聲是紅外成像電子學系統的關鍵指標。紅外成像系統噪聲來源于多方面的因素，不僅與吸收光子過程相關，而且與探測器本身及外部驅動電路等多種因素相關。成像系統噪聲主要包括光子噪聲（目標和背景輻射）、暗電流噪聲、讀出電路噪聲、成像電路噪聲等。相比短、中波紅外成像系統來講，長波紅外成像系統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鍵電路。電路設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和多次積分成像技術進一步降低系統的噪聲。針對長波紅外探測器輸出暗信號較大的特點，電路設計需考慮暗信號的扣除。

此外，由于成像電路規模增大，熱源增加，散熱資源需求大，通過成像系統機電熱一體化設計，保證了機、電、熱設計間的相互匹配性，實現成像系統最優設計。通過優化冗余設計方案，實現了成像電路小型化、輕量化和高可靠設計。

1.2 成像電子學架構設計

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

考慮到光機系統內成像電路散熱需求，又面臨系統整體空間布局的嚴格約束限制，焦面電路和信號處理電路采用了分置式設計方案。焦面電路安裝在紅外成像系統光機系統內，信號處理電路安裝在衛星載荷艙內，大大減小光機系統散熱面積。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，確保模擬信號遠距離高品質傳輸。通過成像系統機電熱一體化設計，成功解決了成像系統機、電、熱設計間的相互匹配性。

為了達到規定的長壽命和高可靠性要求，通常采取備份冗余設計結構，但是備份冗余設計必然引起產品體積、質量和成本的增大[2]。根據對在軌運行的上百臺成像電路的統計分析以及多年來電子產品可靠性設計經驗的積累和環境試驗的驗證，成像電路失效概率極小。為此，系統設計中摒棄了以往備份冗余的設計方案，采用將成像電子學系統分成2個半視場進行電子學系統設計的思想。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1個焦面電路和1個信號處理電路。各電路拓撲關系如圖2所示。左右半視場2套電路設計完全一致，局部電路失效不會導致系統完全失效。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量高達50%。

圖2 各電路拓撲關系

2 成像電子學電路設計

2.1 探測器模塊設計

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構形式實現單模塊內像元備份。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全部失效，同時也大大降低通道之間的電路傳導耦合[9]。

圖3 各模塊紅外探測器信號引出與接插件對應關系

紅外探測器單模塊輸出通道數為4。單通道最大讀出速率為5 MHz，輸出信號動態范圍為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阻大，要求外部負載對地阻抗大于100 kΩ，負載電容小于10 pF。

2.2 焦面電路設計

（1）偏置電源設計

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動電路設計，使電源噪聲優于0.1 mV。偏置電源產生的基本設計思路為：采用電壓基準+分壓電阻+精密運放的方式產生，電路示意圖如圖4所示。根據噪聲傳遞理論，由于電壓基準為電路的第一級，其噪聲系數越小越好。因此選用的電壓基準源有超低噪聲、高精度、低溫度漂移等特點，以保證電壓穩定度和噪聲要求[7-8,11]。考慮到模塊數量多，需要的偏壓數量也多，為節省電路板體積，運放選用四通道精密運放。

運放輸出的電壓OUT與電壓基準的關系如式（1）

式中IN由電壓基準產生；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載的要求。由運放設計電壓跟隨器構成的阻抗變換電路如圖5所示。

圖4 偏置電壓產生電路

圖5 阻抗變換電路

探測器輸出信號I輸入端串聯電阻，同時對地并聯電容，主要是構成-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后的電容應小于10 pF，以滿足探測器對負載的要求。

（3）單端轉差分電路

單端轉差分電路選用全差分運放來實現。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單端到差分的轉換，又可實現差分到差分的處理。選用的差分運放具有低噪聲、高無雜散動態范圍和較寬帶寬的特點，可以用于驅動AD，單端轉差分電路如圖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到后級電路。

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信號2.8 V進行差分放大，設置偏壓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確定。

2.3 信號處理電路設計

（1）差分接收與驅動電路

差分接收與驅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，電路如圖7所示。

圖7 差分接收與驅動電路

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，設計T為匹配電阻，以保證模擬信號的品質。另外，設計差分信號接收與驅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）數據采集及處理電路

AD變換選用高精度模數轉換芯片。該芯片的量化位數為14 bit，最高采樣速率高達30兆，芯片內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是成像電子學系統的控制中樞[3]，用于實現探測器的驅動時序、產生模數轉換部分驅動時序、接收AD轉換輸出的高速圖像數據、高速串行數據輸出以及總線通信等功能。本設計選用Virtex5系列的FPGA芯片實現時序控制與數據處理功能。

3 噪聲控制

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

圖8 成像電子學信號傳輸鏈路

根據信號傳輸鏈路，主要從偏置電源噪聲、模擬信號傳輸鏈路、AD量化和數據處理幾個環節進行噪聲控制：

1）偏置電源：采用高精度超低噪聲偏置電源驅動電路設計，使偏置驅動電源噪聲優于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輸出；

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

3）AD量化：采用高精度模數轉換器進行AD量化，量化位數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，采集圖像數據并統計分析其標準差即為電路的噪聲。電路噪聲測試結果如表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載，并配上光學系統進行了成像試驗。通過平行光管，將不同空間頻率靶標放置于平行光管的焦面處作為目標，通過黑體輻射源照射，將靶標成像在相機焦面上[14]。采集不同頻率的靶標圖像數據，奈奎斯特（Nyquist）頻率靶標圖像如圖9所示。根據Nyquist頻率靶標和零頻靶標圖像數據分別計算靶標圖像的調制度，根據公式（5）計算對比度傳遞函數CTF，將CTF乘以π/4計算得到成像系統靜態MTF。

式中 為空間頻率為Nyquist頻率的對比度傳遞函數；為空間頻率為Nyquist頻率的靶標圖像的調制度；為空間頻率為0的靶標圖像的調制度。經測試成像系統MTF為0.153，成像品質良好。

成像系統入光口對準均勻黑體輻射源。黑體口徑應能夠完全覆蓋成像系統視場，從而不會引入背景輻射影響測試精度。調整黑體溫度，成像系統對300 K黑體成像，設置積分時間為125 μs，在多次積分成像模式下和非多次積分成像模式下，對系統的噪聲進行了測試評價。設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成像電路積分成像2次，并對2次采樣的圖像數據進行累加平均，作為最終的圖像數據輸出，該模式下噪聲測試結果如表2所示。設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成像電路僅積分成像1次，并將采樣的圖像數據作為最終的圖像數據輸出，該模式下噪聲測試結果如表2所示。從表2的測試數據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NETD測量原理，取溫差為2 K，分別調整黑體溫度為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測試結果如表3所示。經測試成像系統所有模塊平均NETD為0.054 K。

表3 各模塊通道系統NETD測試

Tab.3 Imaging system NETD results of different detector modules

4.3 電路可靠性驗證

成像電子學系統在地面經歷了電路聯試和環境試驗驗證，累計工作一千余小時，成像電子學系統運行穩定，未發生故障。成像電子學系統隨衛星發射入軌后，成像品質優異，在軌穩定可靠運行。

5 結束語

本文對成像電子學系統設計關鍵點進行了分析，通過對電子學系統頂層架構和探測器組件模塊級可靠性優化設計，從而保證多模塊探測器以及電路的可靠性；并對關鍵成像電路進行了全鏈路高集成度、低噪聲設計，在保證其成像性能和可靠性的基礎上，實現了降低體積和質量等資源需求的目的。經測試，電路不帶探測器負載時，噪聲為1.69個LSB（0.17 mV）；帶探測器負載時，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）。成像系統成像品質優異，運行穩定可靠，應用前景廣闊。

目前本設計中成像電子學系統主要采用標準器件設計，后續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，成像電子學系統的規模會很龐大。通過成像電子學系統進一步集成化設計，如芯片級、模塊級等層面進行集成化設計，系統成像品質、體積和質量等還有很大潛力可挖掘，也是后續進一步開展工作的方向和內容。

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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系統設計[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年獲中國空間技術研究院飛行器設計專業碩士學位，高級工程師。主要研究方向是空間紅外遙感器設計。E-mail：yanxr1978@163.com。

（編輯：龐冰）