文章编号：1672-8785(2017)02-0011-10
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512x8元双波段TDI红外探测器的
低噪声成像电路设计
李
锋
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董
峰
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冯旗抑
(1.中国科学院大学，北京1000必；
2.中国科学皖上海技术物理研究所，上海200083;3+中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海200〇83)
摘要：设计了一种基于512x8元双波段XDI红外焦平面探测器的低噪声实时成像数
据采集系统4根据器件内部的电路结构以及输出模拟信号的特点，设计了一种由偏置 电压、驱动电路、模教转换电路和数.字信号处理模块等组.成的低噪声采集电路.经噪 声||试可知，在26°C的室温下，电路噪声为0.〇2〜O.lSmV;当积分时间为300呷时， 短波红外和中波红外探测器各个像元的噪声电压分另彳为2.5〜4.5 mV和8〜10 mV ,其 各个像元的信噪比分别为52〜57 dB和43〜48 dB .结果表明，该系统具.有良好的噪 声特性，可以满足实扉的工程应用需求《
关键词：320x256;中波紅外；低噪声；采集系统中图分类号：TN215
文献标志码：A
DOI: 10.3969/j.issn.l672-8785.2017.02.003
Design of the Acquisition System with Low Noise
Based on 512x8 Dual Band TDI IRFPA
LI Feng1.，3,3, DONG Feng2,3, FENG Qi 2.*.3
(1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 2. Shanghai Institute of Technical
Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 3. Key Laboratory of Infrared Detection and Imaging Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China)Abstract: A low noise real-time imaging data acquisition system based on a 512x8 dual band TDI
IRFPA is designed. According to the characteristics of internal circuits and output analog signals, a low noise collection circuit composed of bias voltage, drive circuit, A/D conversion circuit and digital signal processing module etc is designed. It is found in the noise test that at the room temperature of 26 °C, the noise of the circuit is 0.02 mV to 0.18 mV. For the integration time of 300 \\xs, the noise voltage of each shortwave infrared detector element and that of each mid-wave infrared detector element are 2.5 mV to 4.5 mV and 8 mV to 10 mV respectively. Their signal-to noise ratios are 52 dB to 57 dB and 43 dB to 48 dB respectively. The test results show that the system has good noise characteristics and can meet the requirements of practical engineering application.Key words: 512x8; dual band; low noise; acquisition system
收稿日期：2016-12-12作者简介：李锋（1989-)，男，江苏盐城人，博士研究生，主要从事电路与系统方面的研究。E-mail: lifengsitp@163.com
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〇引言
双波段红外焦平面探测器是现阶段红外器 件朝多波段探测方向发展的一个典型™.由于 能够同时接收两个波段的红外辐射信息，进而 增强对目标的探测能力，该探测器已经成为了 现阶段红外探测领域的研究热点之一。在红外 遥感系统中，对目标红外辐射的吸收只留有1〜 3 Rm短波红外、3〜5叫11中波红外和8〜12叫1 长波红外三个主要辐射“窗口”》。在双波段红 外焦平面成像系统中，最主要的器件是红外焦 平面阵列，即把敏感元阵列和读出电路集于一 体的探测器组件。根据探测器阵列敏感元的排 列形式，红外焦平面阵列可以分为面阵和线阵 两种，它们分别用于凝视和扫描成像系统S。
本文结合实际工程项目，根据所内自制的 512X8元短波红外/中波红外双波段吋间延迟积 分(_T_i_me Delay Integration, TDI)红外探测器■的结 构及其输出信号特点，研究了一种扫描型短波 红外/中波红外双波段TDI探测器成像系统„该 系统能眵检测出同一个被测目标在不同红外波 段的辐射信息.我们重点设计了低噪声图像信 息采集电路。通过三线制LVDS将采集到的数据
打包上传给地检系统，并在上位机中实时显示 所成的图像。最后，利用MATLA.B软件对米集 到的数据进行计算处理，得到成像系统的电路 噪声和系统各个像元的噪声及信噪比。1 512x8元双波段TDI探测器
基于MCT外延材料加工的红外探测器阵 列芯片与CMOS读出集成电路通过铟柱倒焊直 接互连后构成MCT红外焦平面。然后利用微型 杜瓦对此红外焦平面进行密封封装，即可构成
512x8元双波段TDI红外探测器杜瓦组件产品.
该探测器的响应:波段包括短波红外和中波红外 两个波段，其光谱响应范围分别见图1和图24
通常说来，敏感元探测阵列模拟信号的积 分、存储、转换和输出等步骤都是由探测器的读 出电路完成的。读出电路负责将4行信号多路 传输到输出级.输出级为高速的跟随放大器， 其最高读出频率为4 MHZ „探测器有4路模拟 输出，分别为短波奇数信号输出端口、短波偶数 信号输出端口、中波奇数信号输出端口和中波 偶数信号输出端口.输出模拟电平大于2.0 V。 图3所示为探测器的像元排列情况。像元排列成 “品”字型，其中每组含256x8个像元，单元中
图1短被红外波段的光谱哺应范W
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图2中波红外波段的光谱响应范围
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心距离为明M«mx56 )xm，像元大小为24 vmix33
«从图3中可以看出，探测器的512个像元 是按照奇偶交错的方式来排列的。
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图3像元排列情況
件、模拟驱动电路、数字信号处理模块、改变积 分时间的指令收发模块、地俭系统、显示器以及 电源模块等几部分组成。图4为整个系统的结 构框图《
图像数据采集系统的主要功能是，当探测 器的偏置电压、驱动时序和积分时间均满足系
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2数据釆集系统的组成
512x8元双波段TDI探测器的数据采集系 统以FPGA为核心，主要由成像镜头、探测器组
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Analog Voltage, Bias Voltage
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PowerModule
Digital Voltage
RS422 Integral Time Control
512X8RFPA
FPGALVDS
GroundSystem
Drive Circuit
SignaProcessing
Image Upload
FPA Timing Sequence Control
图4数据采集系统的结构框图
统条件时，探测器的输出端将会输出4路模拟 信号（中/短波奇/偶），然后通过模拟驱动电路 分别对这四路模拟信号进行阻抗变换、低通滤 波、单端转差分处理，并用4路模数转换电路将 摸拟信号转换为数字信号•，接着将该信号送给 FPGA内部，处理后通过LVDS利用三线制传输 格式将数据传输给地检系统。
红外探测器成像系统的性能可以直接从成 像质量中体现出来。成像质量取决于系统的探 测精度M。因此，若要提高成像质量，则需提 高系统的探测精度9采集电路的噪声大小是影 响系统探测精度的一个重要因素.当噪声较大 时，会导致所获图像的分辨韦下降，进而系统的 探测精度也会降低。因此需要对成像系统的采 集电路进行低噪声设计和处理.采集电路的低 噪声设计一般包括选择低噪声元器件，对模拟 信号进行滤波、跟随、差分处理以及在PCB布 局时进行模数分离等相关低噪声处理。2.1偏置电压设计
探测器的偏®电压设计是采集电路设计中 的关键技术之一。要使焦平面器件工作在最优 状态下，输出稳定的模拟电平，首先要保证偏® 电压纹波小、电压准确[41 . 512x8元双波段TI3I 探测器的偏胥电压较多，共有11个（见表1)。
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表1偏置电压数据
名称
VB-S/MVG-SVG_MVRSTVBIASJVBIAS_PVBIAS_SF_PVBIAS_OUTAMP_PlVBIAS_OUTAMP_P2VBIAS-OUTAMPJVREF-QAMP
电压/V电流/mA
00.90.84.01.053.653.553.553.551.53.0
<10<10<10<10<10<10<10<10<10<10<10
512x8元双波段TDI探测器能否输出正确、 稳定的模拟信号，这11个偏俾电压的稳定供电 以及电压调节至关重要。供电芯片的低频噪声、 时间漂移和温度漂移均是影响电压稳定度的主 要因素151 »由于偏置电压纹波小、负载电流小， 设计电路时选用美国ADI公司生产的ADR441 和ADR435电压基准芯片，并通过高精度非精密 电阻分压获得所需的基准电压，而不是选用可 调的线性稳压芯片。ADR441和ADR435的分压 电路设计原理相同，图5给出了 ADR441
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数字驱动信号，即主频时钟信号MC、控制TDI 电路的时钟信号QP2、电路同步信号ST、短波 控制像元积分时间RST_S、相关双采样控制脉 冲1PJDDS1、电荷放大器控制脉冲1P_S1、电荷 放大器控制脉冲2P_S2、电荷放大器控制脉冲 3P】、盲元提出功能使能信号S和扫面方向控 制DIR „ 512x8元双波段TDI焦平面的最高读 出频率为4 MHz。系统设计时，主时钟频率取
芯片的偏蒽电压产生电路的原理图。
ADR441和ADR435这两款芯片都具有噪声 低、温漂低等优点.前者的噪声峰峰值为1.2—V (0.1〜IQ Hz_).，温激为10 ppm/ C;后者的噪声峰 峰值为3.5，(0.1〜10Hz)，温漂为10 ppm/*C,以 上优点不仅可以提供基准电压，而且还可降低电 路噪声，提升系统性能。表1中的第二列为偏贤 电压的典型值.它们可以在ADIM41和ADR435 的输出端利用精密电阻分压获得。焦平面的性 能与偏資.电压.的大小密切相关.偏置电压的大 小与喑电流成正比，与非均匀性成反比。喑电流 越小，探测器的动态范围越小。非均匀性越差， 成像质量就越差.
2.2数字脉冲的驱动时序设计
探测器在满足偏背电压条件后，要想正常输 出模拟电压还须满足探测器内部所需的控制信 号。整个系统的核心控制芯片是Altera Cyclone III FPGA。利用FPGA产生512x8元双波段TDI 焦平面所需的驱动信号.该焦平面一共有10个
1 MHz。这10个驱动信号在工作时必须保持同 步。只有这样才能实现有效驱动。图6所示为利 用QuaxtusII软件的SignalTap II实时在线仿真工 具得到的驱动时序波形。经分析可知，该数据与 512x8元双波段TDI器件使用手册上的参考驱 动时序一致。积分时间可以通过串口发指令来 改变.
2.3电压跟随电路设计
红外焦平面器件的输出内阻通常都比较 大.要求模拟输出的负载具有大电阻小电容的 特点，一般及>100尬，（7 <15 PF。有很多方法 可以满足这样的负载要求，其中最常用的是在 模拟信号输出后增加一个电压跟随电路来实现 阻抗变换跟随电路处在整个驱动模块的最 前端，因此用于实现阻抗变换的运算放大器对 电路的噪声性能具有很大毖响。为了降低电路 设计中的噪声和温漂，我们选择ADI公司生产 的AD826器件作为同相放大器使用。其输入噪
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_6驱动时序的仿真波形
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放大器来实现单端转差功能。该放大器的电压噪 声和电流噪声都非常低，分别为2.25 nV-Hz1/2和 2.1 pA.Hz1/2 ;信号上升很快，达到800 V/呷。 同样，在电路设计中，单端转差分电路也需要4 路。图8为基于AD8139的差分电路的原理图. 其中2脚V。#通过+5 V基准电压和精密电阻分 压得到。根据式（2) ~式(:4.):
K CH2-OUT-DIFF+
v CH2-OUT-DIFF-
声的典型值为15〇nV.Hz-V2，共模抑制比的典 型值为120 dB，输入阻抗的典型值为300 kfi， 输入电容的典型值为1.5 pF.由于探测器输出4 路模拟信号，所以需要4路电压跟随电路《图7 为其中一路电压跟随设计的电路图*通过将R31 和C49构成一阶低通RC滤波电路，可以降低电 路的高频噪声。探测器的主时钟为1 MHz，这 样在一阶低通RC滤波电路的截止频率取4 MIfe 左右时可以起到很好的滤波效果„这里取R31=l kf2，C49=3.3 pF，即
/,». =-----== 4 ,8 MHz
Hdb2nRC
I
.(L
'Kcm)
十（1 V Kr C.H2-OUT-DIFF
_)/2
(2)
K CH2-OUT-DIFF+ — r ocm
CH2-OUT-DIFF-
(3)
CH2-OUT-DIFF-
yoci
^yrCH2-OUT-DIFF-\\-
~^CH2-OUT-DIFF-
)/2 (4)
经过测试，探测器输出的模拟电压为3.5 V左 右，约为 2.7 V，物
约为2.7 V ,满足系统选用的AD7903芯片的-5 〜+S V的动态范围。2.5模数转换电路设计
探测器输出的4路模拟信号经过驱动电路 处理后，需要将模拟信号转换成数字信号，这样 才能在上位机上显示出目标的红外辐射信息„ 因此，需要在驱动电路的后面加上4路A/D转 换电路。在设计A/D转换电路时，ADC芯片的
(1)
w
2.4单端转差分电路设计
对于经过电压跟随和低通滤波后的模拟信 号，在A/D转换前，为了抑制和隔离模拟信号 的噪声和漂移，将模拟单端电路转换成差分电 路。设计时，采用ADI公司生产的AD8139运算
H-5VJA
R63
t5V ADC REFI
n:y\\DSl39
'—
R62O
rm OUT DIFF-
AGND
ACM)
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AGNO 图9模数转换电路 选择非常重要a首先，模拟输入电压范围要大干 焦平面探测器输出的模拟信号的动态范围，同 时，根据采样定律，要确保A/D转换芯片的最 高转换率大于探测器输出信号的频率《另外， 还要考虑模拟输入信号的噪声大小，即芯片的 LSB要小于输入的模拟信号的噪声。由于在驱动 电路模块中，4路模拟信号均被转换成了差分信 号，所以A/D转换芯片也必须具有差分模拟输 入功能.这祥不仅可以匹配差分的模拟电平，而 a还可以抑制电路的噪声和共模干扰m。经过 综合考虑，系统设计时选择了 ADI公司生产的 AD7903双通道差分16位模数转换芯片《其分辨 率为16位，并具有功耗低（7.0 mW)、信噪比高 (94 dB)等优点.系统设计的参考电压为5 V， 此时1 LSB=1.52.6 路。 2.6 FPGA图像数据处理 FPGA内部。由于探测器具有短波红外和中波红 外两个波段，同时每个波段的奇偶像元是错开 排布的，所以需要在FPGA内部对每一路的数 字信号进行重新排列.排好后，再实施加帧头和 帧尾以及帧计数、FIFO缓存等处理。最后，信 号被三线制LVDS传送至地检系统，经其处理后 通过PCI接口传送到上位机中进行实时显示„ 三线制LVDS传输方便，便于处理。 图10所示为系统最终的三线制输出码流. 其中，GLK—SQM为三线制时钟，]ine3_.dataout为 三线制数据线输出码流。经比对可知，该数据与 输入FIFO缓存的数据之间能够——表明输出结果准确. 对应起来， 。图9所示为模数转换电 3 噪声测试 红外成像系统的噪声通常包括探测器的输 出噪声、信号米集电路所产生的噪声以及由光 学镜头引入的噪声等。其中，探测器的输出噪声 是整个成像系统噪声的主要来源，包括读出电 路的噪声和探测器的噪声。以低频率（1 kHz以 Infrared (monthly)/Vol.38, No.2, Feb 2017 以Alters, cyclone HI FPGA为核心控制芯 片，利用FPGA实现驱动时序控制和数字信号 处理。4路模拟信号经过A/D转换后被输入到http://journal.sitp.ac.cn/hw 18 红外 2017年2月 1 3Z « N 9 S 112 11 to ^ ;IS1In OT ■111 % 棚 tn 1S2 挪 m_pi JiMMUimiMiLlM Illi™ 1 ci 11 i a m m 1 ii 'mI(iI m 1 WiI allil m 1 m[wI 图10图像采集系统的三线制输出码流 下）为特征的1/f噪声以及光电流和喑电流的散 粒噪声是引起探测器噪声的主要因素M。 由于红外成像系统的嗓声测量及定义都比 较复杂酬，本文利用512x8元双波段TDI红外 探测器成像系统采集多帧图像信息，然后通过计 算连续2_.〇:〇幅图像的均方差（Root Mean Square,: R.MS)和信噪比（Signal-toNoiseRatio, S.KR)来衡 量采集电路的性能。RMS和SNR的定义如下： N 流.利用MATLAB软件仿真计算200帧图像数 据，得到每个像元的RMS值即为系统噪声。图 12和图13所示分别为短波红外和中波红外探测 器各个像元系统的噪声电压值。 从图12中可以看出，512x8元TDI短波红 外探测器的像元噪声电压在2.1 ~ 43 mV之间. 从图13中可以看出，512x8元TDI中波红外探 测器的像元噪声电压在8〜10 mV之间。结果表 明，系统噪声很小，佴与电路噪声相比又大了很 多，尤其是中波红外探测器，而且探测器每个像 E(H R M ^ 〇2 N S.3 (5) 元的噪声差别也比较大。造成该结果的很重要 的原因是，工艺水平的限制使得焦平面器件具 有很大的固有噪声，而a各个像元会产生非均 匀性。因此，通过提高工艺水平和校正非均匀性 可以进一步降低系统噪声1101 4在图12和图13 SNR = S______________3 . RMS.3 ⑻ 式中，S%为第j个像元的第*个输出；IV为总的 图像帧数；j为帧数序号。 在测试系统噪声前，首先测试了 512x8元双 波段TDI红外焦平面成像系统的采集电路的噪 声.具体的测试方法如下：在系统没有加探测器 的情况下，短接4路模拟信号输入端；在26 °C 的室温下，采集一段码流；然后通过用MATLAB 软件仿真计算连续200帧图像得到RMS值即为 电路噪声。图11所示为电路各个像元的噪声电 压值。从中可以看出，电路的噪声电压在0.02〜 0.18 mV之间，说明所设计的采集电路具有很好 的计算条件下，可以进一步计算出探测器各像 元的信噪比（见图14和图15)。 从图14中可以看出，512x8元TDI短波红外 探测器各个像元的信噪比在52〜57 dB之间。 从图15中可以看出，512x8元TDI中波红外探 测器各个像元的信噪比在43 ~ 48 dB之间.同 样，中波红外探测器的信噪比要差些，而且不管 是中波红外还是短波红外，每个像元之间存在 一定差异、.结果表明，512x8元双波段TDI红外 探测器的数据采集系统具有良好的噪声特性4 这样的图像采集系统是红外探测器成像系统在 成像试验中获得高分辨率图像的有力保障。 的噪声性能. 系统噪声测试方法如下：加上探测器后， 在26 1C室温和300哗积分时间的条件下，用一 张黑色纸片挡住探测器窗口，同样采集一段码 Infrared (monthly)/Vol.38, No.2, Feb 2017 4结束语 本文以实际工程应用为背景，为512x8元 http://journal.sitp.ac.cn/hw 第38卷，第2期 红外 The circuit noise 19 'E:i.sicll 樹ii电路嗓声电.压 5 5 .I 5 http://journal.sitp.ac.cn/hw AIU/0U4 3 4-3.5 21. ffl 12短波红外探测器菜统的噪声电压 爸/asou 0 100 200 300 pixel order 400 500 600 图13中波红外探测器系统的噪声电压 Infrared (monthly)/Vol.38, No.2, Feb 2017 20 红外 2017年2月 图M短波红外探测器各像元的信噪比 984765432109 444444443 4. 双波段TDI红外探测器设计了一种低嗓声图像 数据采集系统。以实现低噪声采集电路为出发 点，在设计各个模块电路时都充分考虑了如何 降低噪声和干扰的方法。噪声测试结果表明， 不管是电路噪声还是系统噪声都达到了系统要 求。分析了不同波段探测器的像元噪声特性，为 采集系统在工程应用中进一步有效发挥作用打 下了良好的基础. 参考文献 [1] 周杰.320x256中/长波双色红外信号读出电路设 i.|-[D]+北京：中国科学院大学，2015. [2] 周世椿，高级红外光电工程导论[M].北京：科学出 版社，2014, Infrared (monthly)/Vol.38, No.2, Feb 2017 8IS图15中波红外探测器各像元的#噪比 [3] 刘云芳，李建伟，李鬼敏> 等.■l__x.Sl_2.In.GaAs探测 器低噪声采集系统设汁[J].科学技术与工程，2012, 12(19): 479：Ch4705.[4] 秦金明，陈宝国，李丽娟，等.4x128双色线列红外 探测器成像电路设丨卜路的设汁研究[J].红外技术， 2013, 35(2): '7S-82. [3]安永泉，禹键..576x6长波红外探测器成像系统设 计[J].激光与红外,20〇9, 39(2): 173-1*78-[6] 陈晓东• 2SSX4长波红外探测器数据采集模块设计 [J].红外技术，2011, 33(3): 137-140.[7] 主平，魏志勇，张文昱，等，480x6红外探测器信号 处理电路设汁[J],红外技术，2009, 31(9): 504-512.间王文智，刘万成，王刚.红外线阵探测器驱动电 路的低噪声设计[J].舰船电子工程，2〇13, 33(12): 15T-159. http://journal.sitp.ac.cn/hw 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容