紅外線陣探測器驅動電路的低噪聲設計＊

王文智 劉萬成 王 剛

（1.中航工業西安航空計算技術研究所 西安 710119）（2.光電信息控制與安全重點實驗室 三河 065201）（3.東北電子技術研究所 錦州 121000）

1 引言

紅外探測器成像系統在醫療、工業探測、森林防火、視頻監控等諸多領域發揮著重要作用。由于紅外線陣探測器成像靈敏度高的優點，特別受到關注，而要想發揮其探測靈敏度高的優勢，紅外探測器驅動電路就要盡量低的降低噪聲、以提高信噪比［1］。

現階段對于如何降低紅外探測系統的噪聲，還沒有一個簡單、有效的方法供大家參考，有關紅外探測器驅動采集電路的文章也都缺乏對噪聲來源的深入分析研究，本文結合實際設計工作中的經驗，提出適用于紅外探測器驅動采集電路降低紅外探測系統噪聲的方法，最后通過實驗數據的分析驗證了方法的有效性。

2 紅外探測系統驅動采集電路組成及其噪聲來源分析

2.1 探測器驅動采集電路的系統組成

如圖1所示，紅外探測器驅動采集電路一般都由電源驅動電路、時序控制電路和A／D轉換電路組成。電源驅動電路部分主要完成對探測器內部模擬和數字器件部分的供電以及各種探測器電壓的驅動。時序控制電路部分主要實現對紅外探測器的控制和對A／D轉換電路的控制。A／D轉換電路實現對紅外焦平面探測器模擬輸出的模數轉換工作［2］。

圖1 探測器驅動采集電路的系統組成

2.2 紅外探測器成像系統噪聲來源分析

紅外探測器成像系統每個組成部分（如圖1）都有可能引進噪聲，一般的主要有紅外焦平面探測器輸出噪聲、驅動采集電路引入噪聲和光學系統噪聲等幾部分噪聲。其中，紅外系統中的光學鏡頭部分由于各處材料對紅外輻射吸收和反射的不同，能量損失不同，產生紅外圖像噪聲，光學系統的噪聲可以通過改變光學系統設計和改善光學加工工藝來降低。本文對光學系統引入的噪聲不作深入研究，只討論探測器噪聲和驅動電路引入的噪聲［3］。

紅外探測器輸出噪聲又分為紅外探測器本身固有噪聲和探測器供電電源引入噪聲兩部分。其中，紅外探查器件的噪聲主要有1／f噪聲、熱噪聲和約翰遜噪聲。探測器供電電源部分噪聲和探測器驅動電路的噪聲同屬于電路的噪聲，主要是熱噪聲和散粒噪聲以及由于數字信號的跳變引起的高頻噪聲，其中熱噪聲和散粒噪聲的功率譜是均勻的，與頻率無關，屬于隨機噪聲。

3 紅外探測器成像系統的驅動電路降低噪聲的方法

3.1 降低紅外探測器固有噪聲的方法

通過上文的分析，紅外探測器輸出的噪聲來源分為兩部分，其中紅外探測器固有噪聲的電壓噪聲功率為［4］

式中：Vb為探測器的偏置電壓，參數k＝α／nV被稱為1／f噪聲參數（α為探測器焦平面的電阻溫度系數），f2，f1為上下限頻率，R、RL為探測器焦平面的阻抗和負載阻抗，β＝αΔT，K為普朗克常數，C為探測器焦平面的熱容，T為探測器靶面的溫度。

由式（11）可知，在帶寬、阻抗和溫度一定的情況下，1／f噪聲和熱噪聲主要與Vb成正比，而約翰遜噪聲則比較恒定。但是，隨著Vb的增大紅外探測器的D＊和NETD也將隨之增大，因此，Vb要根據實驗選擇一個合適值使系統達到最優，在紅外焦平面探測器中GPOL即為Vb。

3.2 通過選用低噪聲器件和加入低通濾波器的方法降低噪聲

在電路設計部分盡量選用低噪聲、低溫漂的器件是一個降低噪聲簡單、有效的方法，如：探測器供電電源部分由于電流要求低、紋波性能要求高的特點，可以不選用線性電源而選用電壓基準芯片加運算放大器的方法，將有效的降低探測器供電部分的噪聲值，如圖2；再有選用差分驅動芯片也可有效抑制噪聲［5］。

圖2 電壓源設計示意圖

實際電路設計中低通濾波器可分為一階低通濾波器和二階低通濾波器。對于紅外探測器供電部分一般采用二階低通濾波器，如圖2。其傳遞函數為

通過式（3），可知可以通過調整RC的值來改變濾波器的帶寬。在本設計中要盡量抑制高頻的噪聲，所以設置截止頻率為1Hz，wp＝2πfp＝6.28Hz，由上式可得RC約為0.06，設計中選用R＝6MΩ，C＝10pF。頻譜特征曲線如圖3，可見大于1Hz的高頻信號得到有效抑制：

圖3 頻譜特征曲線

對于紅外探測器的模擬輸出信號則采用一階濾波器實現濾波。其公式為［6］

本設計中由于探測器主時鐘一般不高于2MHz，因此可以設RC低通濾波器的截止頻率為3MHz，可選擇R＝1kΩ，C＝50pF。

電路設計中還有其他一些通用降低噪聲的方法不做討論，如：在關鍵器件電源和地之間加入旁路濾波電容，數字地與模擬地單點端接等。

3.3 FPGA軟件實現的降噪方法

在FPGA對圖像數據采集過程中采用了幾項關鍵技術對降低了信號的噪聲，提高了信噪比［7］。

1）多次采樣平均：在探測器信號每個MC時鐘輸出區間內進行8次采樣，設探測器主時鐘MC＝1.25MHz，則AD9240采樣時鐘設為10MHz，8次采樣中去除掉前兩次和最后兩次采樣結果，將中間4次采樣數據進行平均處理，這樣可以有效降低圖像信號的隨機噪聲。

2）背景減除：由于紅外系統獲取信號時，不僅接收來自目標的熱輻射，也接收來自進入視場的系統內部熱輻射，如鏡筒、機械結構等。這部分非目標的輻射為背景噪聲，背景噪聲通常在低照度的情況下占據很大一部分動態范圍，因此需要進行背景減除。在實際的操作中，即采集一次某溫度下蓋上光學鏡頭時的背景圖像，每次得到的目標圖像都減去背景圖像值，這樣可以有效的降低圖像的背景噪聲。

3）非均勻性校正：由于紅外探測器固定圖案噪聲等影響，采集到的圖像需要進行非均勻性校正。校正的方法有很多，如基于參考輻射源定標的校正、場景法等。設計中采用兩點法進行標定。具體校正方法如下：

取一個高溫的黑體溫度T1，得到M幀圖像數據，則平均響應為

同樣的取一個低溫的黑體溫度T2，得到其平均響應為

計算校正系數，得到每個像素點的校正方程為

偏置系數Ci＝X（T1）－KiYi（T1）

通過以上三種方法，可以有效的提高紅外圖像的信噪比，以利于后期圖像處理工作。

4 結果與分析

實際測量條件：室溫：18.6℃，中波、長波紅外線陣480×6探測器，紅外系統分析儀DT1500的黑體靶標通過平行光管在紅外探測器靶面上成像，在計算機分別得到紅外圖像的信號強度、噪聲值，最后計算NETD，用以檢測紅外探測系統驅動采集電路的低噪聲性能［6］。

紅外系統中，噪聲定義沒有統一標準，一般使用均方差（RMS）代表噪聲值。由于紅外探測器輸出噪聲一般在1mV以下，而示波器引入噪聲已經在5mV左右，因此無法用示波器直接測量得到紅外探測器系統的噪聲。本文通過計算機得到紅外探測器的數字信號，對數字信號分析可以得到紅外系統的噪聲值。RMS公式如下［8］：

紅外探測器的噪聲等效溫差（NETD）是表征熱成像系統受客觀信噪比限制的溫度分辨率的一種量度，是測量紅外探測器性能的一個重要指標。NETD公式［9］：

其中：ΔVs／Vn即為信噪比，ΔVs即為信號與背景的差值，Vn為噪聲值RMS。

對于中波紅外探測器，設置黑體溫度比環境溫度ΔT＝0.5K時，通過記錄設備得到RMS＝4.2，ΔVs＝26.9，計算的NETD＝78.1mk。設定ΔT＝1K時，通過記錄設備得到RMS＝4.2，ΔVs＝52.4，計算的 NETD＝80.1mk。設定ΔT＝2K時，得到RMS＝4.3，ΔVs＝101.5，計算的NETD＝84.7mk。

對于長波紅外探測器，設置黑體溫度比環境溫度ΔT＝0.5K時，通過記錄設備得到RMS＝3.7，ΔVs＝63.8，計算的NETD＝28.9mk。設定ΔT＝1K時，通過記錄設備得到RMS＝4.0，ΔVs＝122.3，計算的 NETD＝32.7mk。設定ΔT＝2K時，得到RMS＝4.0，ΔVs＝234.5，計算的NETD＝34.1mk。

5 結語

紅外探測系統為了得到好的探測性能，一般都要采用低噪聲的設計，本文中設計思路是在滿足電路性能要求的情況下，首先要選用低噪聲的器件，然后在關鍵位置添加一階、二階濾波器，對探測器電源和探測器信號輸出進行濾波，最后在FPGA中通過軟件算法進一步降低噪聲、提高信噪比。通過實驗檢測了設計的正確性，最終得到RMS＝4左右的數據，相當于14bit精度的A／D芯片實際有效精度達到了12bit，在環境溫度較低，對中波紅外探測器響應不好的情況下，測得NETD的數值在80mK左右的數值。對長波探測器，測得NETD的數值在30mK左右的數值。本文低噪聲的設計方法在實際降低噪聲的應用中取得了非常好的效果，可以為廣大紅外探測采集領域的低噪聲電路設計提供了一個好的參考［9］。

［1］謝寶蓉，傅雨田，張瀅清.320×256長波紅外探測器低噪聲采集系統設計［J］.紅外技術，2010，32（4）：191－194.

［2］陳曉東.288×4長波紅外探測器數據采集模塊的設計［J］.紅外技術，2011，33（3）：137－140.

［3］黃張成.黃松壘邊積分邊讀出低噪聲紅外焦平面讀出電路研究［J］.紅外與毫米波學報，2011，30.

［4］安永泉，禹健.576×6長波紅外探測器成像系統設計［J］.激光與紅外，2009，39（2）：173－177.

［5］焦明印.采用480×6元長波紅外探測器的搜索光學系統設計［J］.應用光學，2012，33（6）：1011－1013.

［6］吳和然，周云，張寧，等.非制冷紅外探測器低噪聲驅動和處理電路的設計研究［J］.紅外技術，2011，33（9）：505－508.

［7］蔡海蛟.基于InGaAS短波紅外線列探測器的成像技術研究［D］.上海：中國科學院上海技術物理研究所，2009，2：30－31.

［8］謝寶蓉，傅雨田，張瀅清.480×6長波紅外探測器的低噪聲采集系統設計［J］.激光與紅外，2009，39（11）：1177－1182.

［9］王華，魏志勇，張文昱，等.480×6紅外探測器信號處理電路設計［J］.紅外技術，2009，31（9）：504－508.