长线列红外探测器成像电子学系统设计

闫秀荣 齐翠翠 蔡帅

长线列红外探测器成像电子学系统设计

闫秀荣 齐翠翠 蔡帅

（北京空间机电研究所 北京 100094）

长线列红外探测器电子学系统面临探测器模块多、噪声低、体积小、质量小和长寿命高可靠等诸多问题的挑战。系统总体设计中摒弃了以往备份冗余的设计方案，提出采用将成像电子学系统分成2个半视场进行电子学系统设计的方法，体积和质量减小了50%，2套电路独立运行，保证可靠性。对多模块探测器信号分组合并引出，各组信号互相独立且物理隔离，防止单模块引起的系统全部失效，同时降低通道间的电路传导耦合。基于焦面电路和信号处理电路分置式电路架构进行了高集成度、低噪声成像电路设计。利用红外成像系统推扫成像模式积分时间充裕的特点，采用了多次积分成像方法降低系统噪声。测试结果表明，成像电路不带探测器负载时，噪声1.69个最低有效位（Least Significant Bit，LSB）（折合电压0.17 mV）；带探测器负载时，多次积分成像后电路噪声为3.22个LSB（折合电压0.33 mV）。成像系统成像品质优异，静态调制传递函数和噪声等效温差达到要求。设计的成像电子学系统已成功完成应用验证，可为复杂大规模遥感器电子学系统设计提供借鉴和参考。

长线列红外探测器 成像电路 高可靠 低噪声 红外遥感器

0 引言

红外遥感成像是一种重要的成像手段，其工作不受光照约束，能全天时获取信息。近年来，红外遥感器已广泛应用在国土资源调查、环境保护、火灾监测、伪装目标探测等领域。随着红外遥感技术的快速发展，大视场、高分辨率、高灵敏度已成为发展趋势。对于推扫型红外成像系统，大视场、高分辨率、高灵敏度成像系统需要高性能长线列红外探测器和高品质成像电子学系统实现成像需求，同时也对成像系统的质量、体积、长寿命和高可靠等也提出了严格的要求。目前，一般卫星的寿命都要求高达8年以上。对于成像电子学系统而言，需要面临探测器模块多、噪声低、体积小、质量小和长寿命高可靠等诸多问题的挑战[1-2]。文献[1]对可见光相机成像电子学需求特点进行了分析，提出了大规模可见光成像电子学系统设计的思路和技术途径。文献[3]基于面阵高帧频互补氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）探测器设计一套高速CMOS紫外成像电子学系统。文献[4-8]对短线阵红外探测器及单片面阵红外探测器驱动电路、信号处理电路或组件设计进行介绍。目前针对长线列红外探测器尤其是拼接多模块红外探测器成像电子学系统设计的文献很少。

本文结合某工程项目对长线列红外探测器成像电子学系统设计关键点进行了分析，从顶层电子学系统架构设计出发，设计了一套高性能、高可靠、高集成度的长线列红外电子学系统，主要包括长线列红外探测器、探测器外围驱动焦面电路和信号处理电路等，重点对成像电子学系统架构进行整体布局、电子学系统和探测器组件模块级可靠性优化设计，并基于成像电子学总体架构对关键成像电路进行了高集成度、低噪声成像电路设计，在保证其成像性能和可靠性的基础上，达到减小成像系统体积和质量等资源需求的目的。

1 成像电子学架构设计

1.1 成像电子学设计关键点分析

大视场是目前空间红外遥感器的一个主流发展方向。然而，单片红外探测器已远远无法满足系统视场范围要求，需要通过多片拼接成一个大视场的长线列红外探测器。本系统长线列红外探测器由8片单模块为1 024像元的红外探测器按照品字型结构机械拼接而成，探测器工作谱段范围为8～10 μm，输出信号通道数为32。

针对长线列红外探测器模块多，信号输出通道数多的特点，需对各通道间的耦合串扰设计进行重点关注设计。另外，由于探测器组件规模大，无法整体冗余备份，因此如何设计保证探测器模块级可靠性是设计的另一个关键点之一，以避免单模块探测器引起系统级的整体失效。

红外成像系统工作在长波红外谱段，静态调制传递函数（Modulation Transfer Fuction，MTF）和噪声等效温差（Noise Equivalent Tempertature Difference，NETD）是成像系统的2个关键设计指标。红外成像系统MTF主要取决于光学系统和探测器MTF，噪声决定了NETD的高低，因此低噪声是红外成像电子学系统的关键指标。红外成像系统噪声来源于多方面的因素，不仅与吸收光子过程相关，而且与探测器本身及外部驱动电路等多种因素相关。成像系统噪声主要包括光子噪声（目标和背景辐射）、暗电流噪声、读出电路噪声、成像电路噪声等。相比短、中波红外成像系统来讲，长波红外成像系统对背景辐射引起的噪声、暗电流噪声等更为敏感。通过制冷机对探测器焦面工作温度制冷到80 K，可有效降低探测器组件内的背景辐射噪声，探测器暗电流噪声也得到了很大程度抑制。读出电路噪声主要取决于探测器读出电路。探测器偏置电源电路和信号处理电路是影响成像电路噪声的关键电路。电路设计中需要对信号进行全链路的噪声控制，并通过多次采样技术和多次积分成像技术进一步降低系统的噪声。针对长波红外探测器输出暗信号较大的特点，电路设计需考虑暗信号的扣除。

此外，由于成像电路规模增大，热源增加，散热资源需求大，通过成像系统机电热一体化设计，保证了机、电、热设计间的相互匹配性，实现成像系统最优设计。通过优化冗余设计方案，实现了成像电路小型化、轻量化和高可靠设计。

1.2 成像电子学架构设计

红外目标辐射信息经光学系统汇聚到红外焦面探测器上。目标辐射能量被探测器接收，并经探测器转化为电信号，成像电路将电信号读出、模数（AD）变换后送入卫星数传系统。成像电子学系统原理图如图1所示。成像电路主要由二次电源、焦面电路和信号处理电路组成。焦面电路主要产生探测器工作所需的偏置电压以及时序接收和驱动，并将探测器输出的模拟信号进行阻抗变换和单端转差分预处理。信号处理电路主要是产生探测器正常工作所需的时序信号和数据采集时序控制信号，完成差分模拟信号接收与驱动以及AD变换，并将数据按照固定格式打包通过高速串行接口发送给卫星数传分系统。地面试验阶段，采用图采计算机接收图像数据，并对图像数据进行分析和性能评价。总线通信完成与主控系统的总线通信，接收控制命令与参数设置，并返回工作状态。二次电源模块对卫星一次母线电源进行滤波和电压变换，为系统提供工作所需的各类电压。

考虑到光机系统内成像电路散热需求，又面临系统整体空间布局的严格约束限制，焦面电路和信号处理电路采用了分置式设计方案。焦面电路安装在红外成像系统光机系统内，信号处理电路安装在卫星载荷舱内，大大减小光机系统散热面积。为提升抗干扰能力，抑制信号传输过程中的共模噪声，减小信号漂移，焦面电路和信号处理电路之间采用了全差分模拟信号传输方式[4]。信号传输采用同轴电缆传输差分信号，确保模拟信号远距离高品质传输。通过成像系统机电热一体化设计，成功解决了成像系统机、电、热设计间的相互匹配性。

为了达到规定的长寿命和高可靠性要求，通常采取备份冗余设计结构，但是备份冗余设计必然引起产品体积、质量和成本的增大[2]。根据对在轨运行的上百台成像电路的统计分析以及多年来电子产品可靠性设计经验的积累和环境试验的验证，成像电路失效概率极小。为此，系统设计中摒弃了以往备份冗余的设计方案，采用将成像电子学系统分成2个半视场进行电子学系统设计的思想。8个探测器模块分成左右半视场各4个模块，每4个模块对应1个焦面电路和1个信号处理电路。各电路拓扑关系如图2所示。左右半视场2套电路设计完全一致，局部电路失效不会导致系统完全失效。此外2套电路可独立工作，也可同时运行。该冗余方案降低电路板体积和质量高达50%。

图2 各电路拓扑关系

2 成像电子学电路设计

2.1 探测器模块设计

8片红外探测器拼接方式如图3所示。图中D1～D8表示探测器模块1至探测器模块8。为提高探测器可靠性，探测器单模块采用了双线列结构形式实现单模块内像元备份。单模块探测器包括2个芯片，①号芯片和②号芯片。每个芯片为1 024像元×6像元，6级时间延迟积分（Time Delay Integration，TDI），6级TDI能够有效提高探测器信噪比。为降低探测器对外引出信号的复杂度，对探测器单模块信号合并引出。每2个模块信号合并成1组引出到4个接插件上。4组模块信号互相独立且物理隔离，可有效防止单模块引起的系统全部失效，同时也大大降低通道之间的电路传导耦合[9]。

图3 各模块红外探测器信号引出与接插件对应关系

红外探测器单模块输出通道数为4。单通道最大读出速率为5 MHz，输出信号动态范围为1.6～4.4 V。红外探测器电接口信号主要包括：电源和偏置电压、时序控制信号和模拟输出信号[5]。电源和偏置电压噪声要求高，其中光伏二极管偏置电压均方根噪声要求小于0.1 mV，是直接注入型探测器输入级控制电压，其电源品质直接影响探测器的输出噪声[5-6,10]。红外探测器模拟输出信号特征内阻大，要求外部负载对地阻抗大于100 kΩ，负载电容小于10 pF。

2.2 焦面电路设计

（1）偏置电源设计

偏置电源直接影响探测器的性能，通过高精度低噪声偏置电源驱动电路设计，使电源噪声优于0.1 mV。偏置电源产生的基本设计思路为：采用电压基准+分压电阻+精密运放的方式产生，电路示意图如图4所示。根据噪声传递理论，由于电压基准为电路的第一级，其噪声系数越小越好。因此选用的电压基准源有超低噪声、高精度、低温度漂移等特点，以保证电压稳定度和噪声要求[7-8,11]。考虑到模块数量多，需要的偏压数量也多，为节省电路板体积，运放选用四通道精密运放。

运放输出的电压OUT与电压基准的关系如式（1）

式中IN由电压基准产生；1和2为分压精密电阻；f1和f2为运放反馈电阻。

（2）阻抗变换电路

阻抗变换电路是利用高输入阻抗低输出阻抗运放，设计增益为1的电压跟随电路，对输出信号进行缓冲，从而改变探测器输出信号的阻抗特性，便于后续电路对探测器输出信号处理。由于阻抗变换电路位于整个信号处理链路中的最前端，因此，必须合理选择高精度运放，从而减小电路噪声和温度漂移。为减小电路板体积，本设计选用双通道运放，具有高输入电阻≥100 kΩ，低输入电容≤10 pF的特点，从而满足探测器输出负载的要求。由运放设计电压跟随器构成的阻抗变换电路如图5所示。

图4 偏置电压产生电路

图5 阻抗变换电路

探测器输出信号I输入端串联电阻，同时对地并联电容，主要是构成-电路，对探测器输出信号RO进行低通滤波。这里需要注意的是与运放输入电容并联后的电容应小于10 pF，以满足探测器对负载的要求。

（3）单端转差分电路

单端转差分电路选用全差分运放来实现。全差分运放为差分输入差分输出的运放，通过配置外围电阻亦可实现单端到差分的转换，又可实现差分到差分的处理。选用的差分运放具有低噪声、高无杂散动态范围和较宽带宽的特点，可以用于驱动AD，单端转差分电路如图6所示。为满足在差分模式下AD输入端电压范围，共模电压OCM与AD的参考电压中心点CML连接。AD的参考电压中心点CML电压为0.44 V。单端转差分电路输出端CH–/CH+通过匹配电阻（s/2）进行源端匹配，之后通过同轴电缆传输到后级电路。

上述电路中差模输入电压INDM和差模输出电压OUTDM如式（2）和式（3）表示

式中RO为同相输入端电压；B为反相输入端电压；OP为同相输出端电压；ON为反相输出端电压。为了使电路只对探测器输出的有效动态信号2.8 V进行差分放大，设置偏压B为3 V以抵消探测器输出信号中的直流电平。差分运放差模增益如式（4）所示

式中F和G由信号所需放大倍数确定。

2.3 信号处理电路设计

（1）差分接收与驱动电路

差分接收与驱动电路对焦面电路输出的差分模拟信号进行接收和处理，使得差分模拟信号与AD器件输入电压范围相匹配。该部分功能主要由差分运放实现，电路如图7所示。

图7 差分接收与驱动电路

焦面电路与信号处理电路通过特征阻抗为50 Ω的同轴电缆进行连接。为和源端及同轴电缆的阻抗匹配，设计T为匹配电阻，以保证模拟信号的品质。另外，设计差分信号接收与驱动电路的放大增益为1，即F=G。差分输出后的差分输出电压范围为–0.84～0.84 V，与AD输入端ADCIN–/ADCIN1+电压范围完全相配。

（2）数据采集及处理电路

AD变换选用高精度模数转换芯片。该芯片的量化位数为14 bit，最高采样速率高达30兆，芯片内部集成了采样保持和参考功能。AD输入电压范围为–0.84～0.84 V。FPGA是成像电子学系统的控制中枢[3]，用于实现探测器的驱动时序、产生模数转换部分驱动时序、接收AD转换输出的高速图像数据、高速串行数据输出以及总线通信等功能。本设计选用Virtex5系列的FPGA芯片实现时序控制与数据处理功能。

3 噪声控制

电路噪声作为成像系统噪声重要因素之一[12]，是评价成像电路性能的一个关键指标，因此电路设计时需对信号噪声进行重点关注和控制。成像电子学信号传输链路如图8所示。

图8 成像电子学信号传输链路

根据信号传输链路，主要从偏置电源噪声、模拟信号传输链路、AD量化和数据处理几个环节进行噪声控制：

1）偏置电源：采用高精度超低噪声偏置电源驱动电路设计，使偏置驱动电源噪声优于0.1 mV，为红外探测器提供高精度超低噪声偏置电压，确保探测器信号高品质输出；

2）模拟信号传输链路：采用全差分模拟信号调理方式，有效抑制模拟信号共模干扰和信号漂移，降低模拟信号调理电路噪声；

3）AD量化：采用高精度模数转换器进行AD量化，量化位数14 bit，量化噪声为0.03 mV。

4 测试验证

4.1 电路噪声测试

为验证电路的噪声性能，对电路不带探测器负载的噪声进行了测试，测试方法为：成像电路的输入端接入固定电平，采集图像数据并统计分析其标准差即为电路的噪声。电路噪声测试结果如表1所示，各模块通道电路噪声最大为1.69个最低有效位（Least Significant Bit，LSB），折合电压值为0.17 mV。

表1 各模块通道电路噪声测试

Tab.1 Circuit noise results of different detector modules

4.2 试验室成像测试

成像电路带上红外探测器负载，并配上光学系统进行了成像试验。通过平行光管，将不同空间频率靶标放置于平行光管的焦面处作为目标，通过黑体辐射源照射，将靶标成像在相机焦面上[14]。采集不同频率的靶标图像数据，奈奎斯特（Nyquist）频率靶标图像如图9所示。根据Nyquist频率靶标和零频靶标图像数据分别计算靶标图像的调制度，根据公式（5）计算对比度传递函数CTF，将CTF乘以π/4计算得到成像系统静态MTF。

式中 为空间频率为Nyquist频率的对比度传递函数；为空间频率为Nyquist频率的靶标图像的调制度；为空间频率为0的靶标图像的调制度。经测试成像系统MTF为0.153，成像品质良好。

成像系统入光口对准均匀黑体辐射源。黑体口径应能够完全覆盖成像系统视场，从而不会引入背景辐射影响测试精度。调整黑体温度，成像系统对300 K黑体成像，设置积分时间为125 μs，在多次积分成像模式下和非多次积分成像模式下，对系统的噪声进行了测试评价。设置成像电路工作模式为多次积分成像模式，在每个推扫行周期内成像电路积分成像2次，并对2次采样的图像数据进行累加平均，作为最终的图像数据输出，该模式下噪声测试结果如表2所示。设置成像电路工作模式为非多次积分成像模式，在每个推扫行周期内成像电路仅积分成像1次，并将采样的图像数据作为最终的图像数据输出，该模式下噪声测试结果如表2所示。从表2的测试数据可以看出多次积分成像模式相比非多次积分成像模式噪声明显下降，多次积分成像模式下噪声为3.22个LSB，折合电压值为0.33 mV。

表2 各模块通道系统噪声测试

Tab.2 Imaging system noise results of different detector modules

在300 K黑体温度条件下，根据NETD测量原理，取温差为2 K，分别调整黑体温度为299 K和301 K，计算两个黑体温度点的信号和噪声。利用公式（6）对300 K黑体温度下的噪声等效温差进行测试评价。

式中 Δ为温差；Δ为两个黑体温度点信号的平均值之差；Δn为两个黑体温度点信号的噪声平均值。NETD测试结果如表3所示。经测试成像系统所有模块平均NETD为0.054 K。

表3 各模块通道系统NETD测试

Tab.3 Imaging system NETD results of different detector modules

4.3 电路可靠性验证

成像电子学系统在地面经历了电路联试和环境试验验证，累计工作一千余小时，成像电子学系统运行稳定，未发生故障。成像电子学系统随卫星发射入轨后，成像品质优异，在轨稳定可靠运行。

5 结束语

本文对成像电子学系统设计关键点进行了分析，通过对电子学系统顶层架构和探测器组件模块级可靠性优化设计，从而保证多模块探测器以及电路的可靠性；并对关键成像电路进行了全链路高集成度、低噪声设计，在保证其成像性能和可靠性的基础上，实现了降低体积和质量等资源需求的目的。经测试，电路不带探测器负载时，噪声为1.69个LSB（0.17 mV）；带探测器负载时，多次积分成像前电路噪声为4.02个LSB（0.41 mV），通过多次积分成像方法噪声进一步降低到3.22个LSB（0.33 mV）。成像系统成像品质优异，运行稳定可靠，应用前景广阔。

目前本设计中成像电子学系统主要采用标准器件设计，后续随着红外遥感器性能的进一步提升，包括空间分辨率和视场的不断提高，成像电子学系统的规模会很庞大。通过成像电子学系统进一步集成化设计，如芯片级、模块级等层面进行集成化设计，系统成像品质、体积和质量等还有很大潜力可挖掘，也是后续进一步开展工作的方向和内容。

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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

国家重大科技专项工程（52106071）

闫秀荣, 齐翠翠, 蔡帅. 长线列红外探测器成像电子学系统设计[J]. 航天返回与遥感, 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)

闫秀荣，女，1978年生，2003年获中国空间技术研究院飞行器设计专业硕士学位，高级工程师。主要研究方向是空间红外遥感器设计。E-mail：yanxr1978@163.com。

（编辑：庞冰）