320×256中波红外焦平面器件低噪声采集系统设计

李 锋，董 峰，冯 旗



320×256中波红外焦平面器件低噪声采集系统设计

李 锋1,2,3，董 峰2,3，冯 旗2,3

（1. 中国科学院大学，北京 100049；2. 中国科学院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 200083）

根据320×256中波红外焦平面器件内部电路结构特点以及输出微弱模拟信号的特点，系统从低噪声和抗干扰的角度出发，设计了由电源模块、驱动电路、A/D转换电路、数据处理电路、时序控制模块等模块组成的低噪声中波红外焦平面图像数据采集系统。通过噪声测试和成像实验得到，在26℃的室温下，测得的电路噪声为0.1mV，在1000ms积分时间时系统噪声1.5mV，各个像元的SNR在62～65dB之间。

320×256焦平面；中波红外；低噪声；采集系统

0 引言

红外探测器能够把对目标接收到的红外辐射信息转换成一种便于计量的物理量，通常是电量即电信号，然后利用外围读出电路对电信号经过采集、滤波、放大、降噪、模数转换等处理后获得被探测目标以及背景的图像信息[1]。红外成像系统在预警、制导、侦察、天气预测、灾害检测、医疗等领域得到广泛的运用[2]。红外成像系统的最主要器件为红外焦平面阵列。依据探测器阵列敏感元的排列形式，红外焦平面阵列有面阵和线阵两种形式，它们分别用于凝视和扫描成像系统[1]。

本文结合实际工程项目，根据中波320×256红外焦平面器件的特点，研究了红外凝视型中波320×256焦平面器件的成像系统。点设计了低噪声、高灵敏度信号处理电路，以及将采集到的数据通过三线制LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）打包上传，并在上位机实时显示所成的像。最后利用MATLAB对采集到的数据进行计算处理得到中波320×256红外焦平面器件红外成像系统的电路噪声和系统噪声，并给出所成的像。

1 中波320×256红外焦平面器件介绍

中波320×256红外焦平面探测器，由CMOS读出集成电路和碲镉汞外延材料加工的320×256元红外探测器列阵芯片再通过铟柱直接互连构成碲镉汞红外焦平面，然后利用微型杜瓦将此红外焦平面密封封装便构成320×256像元红外焦平面探测器杜瓦组件产品。探测器阵列的标准尺寸为11.9mm×9.43mm，像元中心距为30mm×30mm。其光谱响应范围见图1所示。

图1 中波 320×256红外焦平面光谱响应范围

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

由图1可以知道中波焦平面在4.4～4.5mm之间响应达到峰值。

中波320×256红外焦平面读出电路是基于亚微米CMOS集成电路技术制作的。读出电路完成对敏感元探测阵列信号进行积分、存储、转换、输出，采用先积分后读出的工作模式。读出电路多路传输256行信号到输出级，输出级为高速的跟随放大器。最高读出频率为6MHz。中波320×256红外焦平面有2路数字输出、1路模拟输出。由于探测器输出内阻比较大，这就要求模拟输出的负载满足＞100kW，＜15pF。输出模拟低电平典型值为0.35V，高电平典型值为1.70V。

2 数据采集系统设计

中波320×256红外焦平面探测器数据采集系统的主要功能是：利用数字控制器FPGA产生探测器正常工作所需的驱动控制时序、积分时间；对探测器输出的一路模拟信号进行跟随、滤波、差分、A/D转换等一系列处理；将处理完得到的数字信号传给FPGA，经过FPGA处理后通过LVDS利用三线制传输格式将数据传输给另一片FPGA，最后通过PCI接口将采集到的数据传输到上位机显示，从而得到焦平面实时采集到的目标数字图像信息。整个数据采集框图见图2所示。

系统由光学镜头、中波320×256红外焦平面器件、模拟驱动电路、数字信号处理电路、图像上传模块、电源模块、RS422指令收发模块组成。红外焦平面成像系统的成像质量由系统的探测精度所决定[3]。对于探测系统电路的低噪声设计以及处理可以提高系统的探测精度，当系统的噪声较大时，系统的探测灵敏度将会降低、从而探测系统的探测精度也会降低，最终导致图像的分辨率下降。因此，在满足成像系统工作要求的情况下，在设计采集电路时尽量选择低噪声元器件，同时对信号进行滤波、跟随、差分、PCB布局模数分离等相关低噪声处理。

图2 数据采集系统框图

2.1 电源模块设计

系统电源模块主要分为数字电压、模拟电压、探测器偏置电压。系统很多芯片都有供电管脚，考虑到篇幅，这里只介绍FPGA、和探测器偏置电压的供电，尤其重点介绍探测器的偏置电压。系统选用的Altera cyclone III FPGA需要3.3V、2.5V、1.2V三个电压控制。考虑到这3个电压需要纹波小、电流比较大，电路设计时选用了线性稳压芯片LT1764来获得这3种数字电压。对于偏置电压，尤其是探测器的5个可调偏置电压，具体见表1所示，对探测器能不能采集到清晰稳定的图像起着至关重要的作用。中波320×256红外焦平面探测器能否输出正确稳定的模拟信号，对这5个偏置电压的稳定供电以及电压的调节都至关重要。在调节电压之前首先要保证为偏置供电的电压稳定。供电芯片的低频噪声、时间漂移、温度漂移都是影响电压稳定度的主要因素[4]。从表1可以看出偏置电压的供电电流比较小、电压要稳定准确即纹波小，因此在设计时没有选用线性稳压芯片而是选用了ADI公司的电压基准芯片ADR441和ADR435，然后通过高精度的精密电阻分压获得焦平面所需要的基准电压，图3和图4分别为ADR441和ADR435应用原理图。

表1 中波320×256 FPA偏置电压

图3 ADR441偏置电压产生电路

图4 ADR435偏置电压产生电路

这两款芯片都有低噪声、低温漂的优点，ADR441噪声峰峰值为1.2mV（0.1～10Hz），温漂10ppm/℃，ADR435B噪声峰峰值为3.5mV（0.1～10Hz），温漂10ppm/℃，这样不仅可以提供基准电压，同时还能降低电路噪声，提升系统性能。在系统实际工作时，只有选择合适的偏置电压才能使系统正常工作。当偏置电压较小时代表暗电流也小，暗电流小能提高探测器的动态范围，但是当偏置电压越小焦平面的非均匀性就会越差。综合考虑了非均匀性以及暗电流对系统成像的影响，通过多次测试，最终偏置电压分别取值见表1第4列。

2.2 探测器数字脉冲驱动时序设计

中波320×256 FPA读出电路所需要的内部驱动信号通过不同的外部时钟和偏置产生。焦平面共有8个数字驱动信号。即：输入时钟CPx，同步时钟和行输入时钟STx，帧同步时钟STy，使能开关Rowenable，采用时钟Sh，采样复位信号Pclamp，积分时间Frame。焦平面最高读出频率为6MHz，这里取1MHz的时钟频率。这8个驱动信号在工作时必须保持同步，这样才能有效驱动。系统利用Altera cyclone III FPGA同步产生这几个驱动信号。利用QuartusII的Signal TapII实时在线仿真工具得到的驱动时序波形如图5所示。经分析与中波320×256 FPA使用手册上给出的驱动时序一致。

2.3 电压跟随电路设计

上文讲过中波320×256红外焦平面器件由于输出内阻比较大，要求模拟输出的负载满足＞100kW，＜15pF。在负载条件、偏置电压、驱动时序都满足时，输出的模拟信号低电平典型值为0.35V，高电平典型值为1.70V。为了满足负载要求最常用的方法是在模拟信号输出后设计一个电压跟随电路[5]。跟随电路在整个驱动模块最前端，为了降低电路设计中的噪声和温漂，因此对运放的选择很重要。系统在电路设计时，选择了ADI公司的运算放大器AD826来设计电压跟随电路。它的输入噪声典型值为150nV·Hz－1/2，共模抑制比典型值为120dB，输入阻抗典型值为300 kW，输入电容典型值为1.5pF。具体电路设计如图6所示。

图中32、52构成了可以降低电路的高频噪声的一阶低通滤波电路。上文讲到主时钟取1MHz，这样一阶低通滤波电路的截止频率取4MHz左右能起到很好的滤波效果。这里取32＝1kW、52＝33pF，即：

2.4 单端转差分电路设计

模拟信号经过跟随、滤波后，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公司的AD8139芯片来实现单端转差分。其电压噪声和电流噪声都非常低，分别为2.25nV×Hz1/2、2.1pA×Hz1/2，信号上升很快，达到800V/ms。差分电路原理图见图7所示。

图5 320×256焦平面器件驱动时序仿真波形

Fig.5 320×256 FPA drive timing simulation waveform

图6 电压跟随设计电路图

图7 差分电路原理图

图中运放AD8139的2脚通过＋5V基准电压和精密电阻分压得到，根据下式：

2.5 模数转换（ADC）电路设计

在设计模数转换电路时，ADC芯片的选择非常重要。首先模拟输入电压范围要大于焦平面探测器输出的模拟信号的动态范围，同时，要确保模数转换芯片的最高转换率大于探测器输出信号频率，而且，要考虑到模拟输入信号的噪声大小，即芯片的LSB小于输入的模拟信号的噪声。经过综合考虑系统设计时选择了ADI公司的双通道差分16位模数转换芯片AD7903，选用差分ADC可以和前端的差分模拟信号匹配，同时可以抑制系统的噪声和共模干扰[6]。AD7903具有16位分辨率、低功耗（7.0mW）、高SNR（94dB）等优点。系统设计的参考电压为5V，此时1LSB＝152.6mV。A/D转换电路设计如图8所示。

图8 模数转换电路

2.6 FPGA图像数据处理

系统以Altera cyclone Ⅲ FPGA为核心控制芯片，利用FPGA对驱动时序控制、数字信号处理。A/D转换好的图像数字信号被传送到FPGA内部。为了能实时在上位机显示焦平面探测器采集到的图像，数字信号需要在FPGA内部经过排序、加帧头和帧尾以及帧计数、FIFO缓存等步骤处理。最后通过三线制LVDS传送到地检系统，然后通过地检系统处理后通过PCI接口传送到上位机实时显示。三线制LVDS传输方便，便于处理。系统最终三线制输出码流见图9所示。

图中ad_clk为ADC芯片的时钟，infifodata、q分别为输入输出fifo的码流，line3_dataout为三线制数据线输出码流，经比对与输入一致，表明输出结果准确。

图9 图像采集系统三线制输出码流

3 噪声测试

中波320×256红外焦平面探测器成像系统的每个组成模块都会引起系统噪声，焦平面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[7]。

红外焦平面成像系统的噪声测量以及定义都比较复杂[8]，本文通过计算连续200幅图像的均方差（RMS）以及信噪比（SNR）来衡量系统的性能。RMS、SNR定义如下：

式中：S表示第个像元第个输出；为总的图像帧数。

在测试系统噪声时，首先测试了采集电路的噪声，在系统没有加探测器的情况下，短接了模拟信号输入端，在26℃的室温下，采集了一段码流。利用MATLAB仿真计算连续200帧图像得到RMS值即为电路噪声。图10为电路各个像元噪声电压值。从图中可以看出电路的噪声电压在0.1mV左右，说明噪声性能很好。

然后加上探测器后，在26℃的室温、1000ms的积分时间条件下测试系统的噪声性能，在测试时，由于测试条件限制，用一片黑色的纸片挡住探测器窗口，同样采集了一段码流。利用MATLAB仿真计算200帧图像数据得到RMS值即为系统噪声。图11为81920个像元系统噪声电压值。

图10 电路噪声电压

Fig.10 Circuit noise voltage

图11 系统噪声电压

Fig.11 System noise voltage

从图10中可以看出系统的噪声电压在1.5mV左右，可以发现在加上探测器后系统噪声相比电路噪声大了很多，造成这一结果的很重要的原因是由于工艺水平的限制使得焦平面器件具有很大的固有噪声以及像元非均匀性，可以进一步通过非均匀性校正来降低系统噪声[9]。在图11的计算条件下可以进一步计算出探测器各像素的信噪比（SNR），如图12所示。

图12 探测器各像素信噪比

从图12可以看出，各个像素的信噪比在62～65dB之间。从图11和图12可以得出设计的中波320×256红外焦平面数据采集系统具有较好的噪声特性。具有良好噪声特性的图像采集系统是焦平面成像系统在成像实验时获得高分辨率图像的有力保障。图13为中波320×256红外焦平面探测器成像系统在室温26℃、积分时间1000ms时对150℃的烙铁成像所得图像。图14为成像图像的各个像元信噪比。

从图13、图14可以看出系统能获得被探测目标稳定的红外辐射图像，与参考文献[3]中红外图像相比更加清晰。但是信噪比比较低，一方面测试条件限制对结果有一定影响，另一方面探测器本身性能由于工艺等原因导致性能不太理想，以及系统设计时虽然采用了低噪声设计，但是仍然会受到噪声和干扰的影响。

图13 320×256红外焦平面探测器对烙铁成像图像

图14 320×256红外焦平面探测器对烙铁成像图像信噪比

4 结论

红外焦平面器件在很多领域都得到广泛运用，尤其在军事中的精确制导方面能发挥重要作用[10]。本文以实际工程应用为背景，为中波320×256红外焦平面器件设计了一套低噪声图像数据采集系统。低噪声数据采集电路是中波320×256红外焦平面器件能够获得高分辨率图像的关键技术之一，本文从采集电路低噪声角度出发，设计过程中在探测器偏置电压、模拟信号跟随、滤波、差分、A/D转换等关键电路设计时都充分考虑了噪声和干扰，并给出了各个模块详细的设计思路和过程。最后经过噪声测试，不管是电路噪声还是系统噪声都达到了系统要求，为采集系统进一步在工程应用中能有效发挥作用打下良好的基础。

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

LI Feng1,2,3，DONG Feng2,3，FENG 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.

李锋（1989-），男，江苏盐城人，博士，主要从事电路与系统方面研究。E-mail：lifengsitp@163.com。

董峰（1974-），男，浙江台州人，研究员，硕士生导师，博士，主要从事空间目标光电探测系统研究。E-mail：dongfeng@mail.sitp.ac.cn。