红外线阵探测器驱动电路的低噪声设计＊

王文智 刘万成 王 刚

（1.中航工业西安航空计算技术研究所 西安 710119）（2.光电信息控制与安全重点实验室 三河 065201）（3.东北电子技术研究所 锦州 121000）

1 引言

红外探测器成像系统在医疗、工业探测、森林防火、视频监控等诸多领域发挥着重要作用。由于红外线阵探测器成像灵敏度高的优点，特别受到关注，而要想发挥其探测灵敏度高的优势，红外探测器驱动电路就要尽量低的降低噪声、以提高信噪比［1］。

现阶段对于如何降低红外探测系统的噪声，还没有一个简单、有效的方法供大家参考，有关红外探测器驱动采集电路的文章也都缺乏对噪声来源的深入分析研究，本文结合实际设计工作中的经验，提出适用于红外探测器驱动采集电路降低红外探测系统噪声的方法，最后通过实验数据的分析验证了方法的有效性。

2 红外探测系统驱动采集电路组成及其噪声来源分析

2.1 探测器驱动采集电路的系统组成

如图1所示，红外探测器驱动采集电路一般都由电源驱动电路、时序控制电路和A／D转换电路组成。电源驱动电路部分主要完成对探测器内部模拟和数字器件部分的供电以及各种探测器电压的驱动。时序控制电路部分主要实现对红外探测器的控制和对A／D转换电路的控制。A／D转换电路实现对红外焦平面探测器模拟输出的模数转换工作［2］。

图1 探测器驱动采集电路的系统组成

2.2 红外探测器成像系统噪声来源分析

红外探测器成像系统每个组成部分（如图1）都有可能引进噪声，一般的主要有红外焦平面探测器输出噪声、驱动采集电路引入噪声和光学系统噪声等几部分噪声。其中，红外系统中的光学镜头部分由于各处材料对红外辐射吸收和反射的不同，能量损失不同，产生红外图像噪声，光学系统的噪声可以通过改变光学系统设计和改善光学加工工艺来降低。本文对光学系统引入的噪声不作深入研究，只讨论探测器噪声和驱动电路引入的噪声［3］。

红外探测器输出噪声又分为红外探测器本身固有噪声和探测器供电电源引入噪声两部分。其中，红外探查器件的噪声主要有1／f噪声、热噪声和约翰逊噪声。探测器供电电源部分噪声和探测器驱动电路的噪声同属于电路的噪声，主要是热噪声和散粒噪声以及由于数字信号的跳变引起的高频噪声，其中热噪声和散粒噪声的功率谱是均匀的，与频率无关，属于随机噪声。

3 红外探测器成像系统的驱动电路降低噪声的方法

3.1 降低红外探测器固有噪声的方法

通过上文的分析，红外探测器输出的噪声来源分为两部分，其中红外探测器固有噪声的电压噪声功率为［4］

式中：Vb为探测器的偏置电压，参数k＝α／nV被称为1／f噪声参数（α为探测器焦平面的电阻温度系数），f2，f1为上下限频率，R、RL为探测器焦平面的阻抗和负载阻抗，β＝αΔT，K为普朗克常数，C为探测器焦平面的热容，T为探测器靶面的温度。

由式（11）可知，在带宽、阻抗和温度一定的情况下，1／f噪声和热噪声主要与Vb成正比，而约翰逊噪声则比较恒定。但是，随着Vb的增大红外探测器的D＊和NETD也将随之增大，因此，Vb要根据实验选择一个合适值使系统达到最优，在红外焦平面探测器中GPOL即为Vb。

3.2 通过选用低噪声器件和加入低通滤波器的方法降低噪声

在电路设计部分尽量选用低噪声、低温漂的器件是一个降低噪声简单、有效的方法，如：探测器供电电源部分由于电流要求低、纹波性能要求高的特点，可以不选用线性电源而选用电压基准芯片加运算放大器的方法，将有效的降低探测器供电部分的噪声值，如图2；再有选用差分驱动芯片也可有效抑制噪声［5］。

图2 电压源设计示意图

实际电路设计中低通滤波器可分为一阶低通滤波器和二阶低通滤波器。对于红外探测器供电部分一般采用二阶低通滤波器，如图2。其传递函数为

通过式（3），可知可以通过调整RC的值来改变滤波器的带宽。在本设计中要尽量抑制高频的噪声，所以设置截止频率为1Hz，wp＝2πfp＝6.28Hz，由上式可得RC约为0.06，设计中选用R＝6MΩ，C＝10pF。频谱特征曲线如图3，可见大于1Hz的高频信号得到有效抑制：

图3 频谱特征曲线

对于红外探测器的模拟输出信号则采用一阶滤波器实现滤波。其公式为［6］

本设计中由于探测器主时钟一般不高于2MHz，因此可以设RC低通滤波器的截止频率为3MHz，可选择R＝1kΩ，C＝50pF。

电路设计中还有其他一些通用降低噪声的方法不做讨论，如：在关键器件电源和地之间加入旁路滤波电容，数字地与模拟地单点端接等。

3.3 FPGA软件实现的降噪方法

在FPGA对图像数据采集过程中采用了几项关键技术对降低了信号的噪声，提高了信噪比［7］。

1）多次采样平均：在探测器信号每个MC时钟输出区间内进行8次采样，设探测器主时钟MC＝1.25MHz，则AD9240采样时钟设为10MHz，8次采样中去除掉前两次和最后两次采样结果，将中间4次采样数据进行平均处理，这样可以有效降低图像信号的随机噪声。

2）背景减除：由于红外系统获取信号时，不仅接收来自目标的热辐射，也接收来自进入视场的系统内部热辐射，如镜筒、机械结构等。这部分非目标的辐射为背景噪声，背景噪声通常在低照度的情况下占据很大一部分动态范围，因此需要进行背景减除。在实际的操作中，即采集一次某温度下盖上光学镜头时的背景图像，每次得到的目标图像都减去背景图像值，这样可以有效的降低图像的背景噪声。

3）非均匀性校正：由于红外探测器固定图案噪声等影响，采集到的图像需要进行非均匀性校正。校正的方法有很多，如基于参考辐射源定标的校正、场景法等。设计中采用两点法进行标定。具体校正方法如下：

取一个高温的黑体温度T1，得到M帧图像数据，则平均响应为

同样的取一个低温的黑体温度T2，得到其平均响应为

计算校正系数，得到每个像素点的校正方程为

偏置系数Ci＝X（T1）－KiYi（T1）

通过以上三种方法，可以有效的提高红外图像的信噪比，以利于后期图像处理工作。

4 结果与分析

实际测量条件：室温：18.6℃，中波、长波红外线阵480×6探测器，红外系统分析仪DT1500的黑体靶标通过平行光管在红外探测器靶面上成像，在计算机分别得到红外图像的信号强度、噪声值，最后计算NETD，用以检测红外探测系统驱动采集电路的低噪声性能［6］。

红外系统中，噪声定义没有统一标准，一般使用均方差（RMS）代表噪声值。由于红外探测器输出噪声一般在1mV以下，而示波器引入噪声已经在5mV左右，因此无法用示波器直接测量得到红外探测器系统的噪声。本文通过计算机得到红外探测器的数字信号，对数字信号分析可以得到红外系统的噪声值。RMS公式如下［8］：

红外探测器的噪声等效温差（NETD）是表征热成像系统受客观信噪比限制的温度分辨率的一种量度，是测量红外探测器性能的一个重要指标。NETD公式［9］：

其中：ΔVs／Vn即为信噪比，ΔVs即为信号与背景的差值，Vn为噪声值RMS。

对于中波红外探测器，设置黑体温度比环境温度ΔT＝0.5K时，通过记录设备得到RMS＝4.2，ΔVs＝26.9，计算的NETD＝78.1mk。设定ΔT＝1K时，通过记录设备得到RMS＝4.2，ΔVs＝52.4，计算的 NETD＝80.1mk。设定ΔT＝2K时，得到RMS＝4.3，ΔVs＝101.5，计算的NETD＝84.7mk。

对于长波红外探测器，设置黑体温度比环境温度ΔT＝0.5K时，通过记录设备得到RMS＝3.7，ΔVs＝63.8，计算的NETD＝28.9mk。设定ΔT＝1K时，通过记录设备得到RMS＝4.0，ΔVs＝122.3，计算的 NETD＝32.7mk。设定ΔT＝2K时，得到RMS＝4.0，ΔVs＝234.5，计算的NETD＝34.1mk。

5 结语

红外探测系统为了得到好的探测性能，一般都要采用低噪声的设计，本文中设计思路是在满足电路性能要求的情况下，首先要选用低噪声的器件，然后在关键位置添加一阶、二阶滤波器，对探测器电源和探测器信号输出进行滤波，最后在FPGA中通过软件算法进一步降低噪声、提高信噪比。通过实验检测了设计的正确性，最终得到RMS＝4左右的数据，相当于14bit精度的A／D芯片实际有效精度达到了12bit，在环境温度较低，对中波红外探测器响应不好的情况下，测得NETD的数值在80mK左右的数值。对长波探测器，测得NETD的数值在30mK左右的数值。本文低噪声的设计方法在实际降低噪声的应用中取得了非常好的效果，可以为广大红外探测采集领域的低噪声电路设计提供了一个好的参考［9］。

［1］谢宝蓉，傅雨田，张滢清.320×256长波红外探测器低噪声采集系统设计［J］.红外技术，2010，32（4）：191－194.

［2］陈晓东.288×4长波红外探测器数据采集模块的设计［J］.红外技术，2011，33（3）：137－140.

［3］黄张成.黄松垒边积分边读出低噪声红外焦平面读出电路研究［J］.红外与毫米波学报，2011，30.

［4］安永泉，禹健.576×6长波红外探测器成像系统设计［J］.激光与红外，2009，39（2）：173－177.

［5］焦明印.采用480×6元长波红外探测器的搜索光学系统设计［J］.应用光学，2012，33（6）：1011－1013.

［6］吴和然，周云，张宁，等.非制冷红外探测器低噪声驱动和处理电路的设计研究［J］.红外技术，2011，33（9）：505－508.

［7］蔡海蛟.基于InGaAS短波红外线列探测器的成像技术研究［D］.上海：中国科学院上海技术物理研究所，2009，2：30－31.

［8］谢宝蓉，傅雨田，张滢清.480×6长波红外探测器的低噪声采集系统设计［J］.激光与红外，2009，39（11）：1177－1182.

［9］王华，魏志勇，张文昱，等.480×6红外探测器信号处理电路设计［J］.红外技术，2009，31（9）：504－508.