基于640×480非制冷紅外傳感器的低噪聲采集系統(tǒng)設(shè)計

謝寶蓉，魏文超，葉 盛，李 賢，方彩婷

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基于640×480非制冷紅外傳感器的低噪聲采集系統(tǒng)設(shè)計

謝寶蓉，魏文超，葉 盛，李 賢，方彩婷

（上海電子技術(shù)研究所，上海 201109）

從低噪聲角度出發(fā)，設(shè)計了基于640×480的高信噪比非制冷紅外采集系統(tǒng)。對精密偏置電壓、信號濾波以及高速模數(shù)轉(zhuǎn)換提供了詳細(xì)設(shè)計思路和實(shí)現(xiàn)方法。測試結(jié)果表明本系統(tǒng)在積分時間為64ms的情況下，取得了像元平均NETD值為223mK的優(yōu)良信噪比特性。

非制冷；紅外傳感器；低噪聲；采集系統(tǒng)

0 引言

隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，非制冷紅外焦平面?zhèn)鞲衅鲬{借價格低、重量輕、功耗小、操作方便等優(yōu)勢，在軍事和民用紅外成像領(lǐng)域占有越來越重要的地位，成為高科技領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一[1]。然而，在紅外探測器的應(yīng)用中，圖像采集系統(tǒng)的質(zhì)量將直接影響到紅外成像系統(tǒng)的性能。其中，傳感器的采集系統(tǒng)噪聲處理十分關(guān)鍵，較多的噪聲會降低紅外圖像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量，減小工作動態(tài)范圍，從而影響系統(tǒng)測量的精度。近年來，國內(nèi)對非制冷紅外焦平面的研究取得了一定進(jìn)展，但對其相關(guān)采集電路的低噪聲設(shè)計思路和方法介紹卻鮮有報道。

本文以640×480大面陣非制冷傳感器為例，詳細(xì)介紹了長波紅外傳感器采集系統(tǒng)的低噪聲設(shè)計過程。特別地，對于如何減小傳感器驅(qū)動電路噪聲、A/D量化噪聲給出了詳細(xì)描述，并設(shè)計了實(shí)時成像系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的信噪比和實(shí)際成像效果。

1 640×480非制冷傳感器介紹

設(shè)計中采用的是分辨率為640×480的非制冷型紅外傳感器，內(nèi)置熱電制冷器（TEC），可以根據(jù)環(huán)境溫度的變化調(diào)節(jié)傳感器焦平面的溫度，從而保證傳感器能夠穩(wěn)定、低噪聲工作。像元的NETD在300 K，/1，50Hz情況下為80mK左右。其內(nèi)部功能框圖如圖1所示。

圖1 傳感器內(nèi)部功能框圖

2 驅(qū)動電路設(shè)計

2.1 電源和偏置電壓設(shè)計

本傳感器的供電電路共需提供1路模擬電源、4路模擬偏置電壓以及1路數(shù)字電源。電源與偏置信號如表1所示。

表1 電源與偏置信號

由表1可知，傳感器的電源和偏置電壓對噪聲性能要求非常高，并且電源和偏置電壓的選擇和控制是否精確會直接影響傳感器輸出圖像的質(zhì)量。因此如何設(shè)計低噪聲、高精度的電源和偏置電壓是影響圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素[2]。本設(shè)計將采取如下方法設(shè)計電源和偏置電壓。

VDDA采用linear公司生產(chǎn)的LT1962-5進(jìn)行供電，LT1962-5是一款低噪聲、低功耗的低壓差穩(wěn)壓器，噪聲均值為20mV，靜態(tài)電流為30mA，輸出電流可達(dá)300mA，而且具有良好的溫漂特性，當(dāng)溫度變化在－50℃～＋125℃之間時，輸出電壓穩(wěn)定在4.975～5.025V之間，可以滿足設(shè)計要求。

GFID選用ADI公司生產(chǎn)的ADR445，電壓輸出為＋5V，精度誤差為2mV，最大輸出電流可達(dá)10mA。此芯片擁有超低電壓噪聲性能和低溫漂系數(shù)，其中電壓噪聲峰-峰值為2.25mV（0.1～10Hz），溫漂系數(shù)為2PPM/℃。

VSK使用linear公司的LT1962，器件可調(diào)輸出電壓為1.22～20V，電流輸出可達(dá)100mA。它的噪聲性能優(yōu)良，噪聲均值在20mV（10Hz～100kHz）。圖2給出了設(shè)計圖。

圖3為VBUS偏置電壓設(shè)計圖。VBUS采用了超低噪聲電壓基準(zhǔn)芯片ADR433B，其精度為1mV，輸出電流最大可達(dá)30mA，噪聲電壓峰-峰值為3.75mV（0.1～10Hz），滿足指標(biāo)要求。ADR433B輸出為＋3.0V固定電壓，所需電壓可經(jīng)過精密電阻2.8kW和0.2kW電阻分壓得到。

圖2 VSK供電

圖3 VBUS偏置電壓設(shè)計

GSK信號獲取類似于VBUS，采用電壓基準(zhǔn)芯片ADR433B經(jīng)過2.2kW和0.8kW電阻分壓得到。

數(shù)字電源VDDL可采用linear公司生產(chǎn)的LT1962-3.3，輸出為固定3.3V電壓。LT1962-3.3電路設(shè)計圖如圖4所示。

圖4 VDDL供電

2.2 濾波電路設(shè)計

輸出的傳感器模擬信號進(jìn)入到A/D前，為保證信號的低噪聲性能，進(jìn)行二階有源濾波[3]，設(shè)計電路如圖5所示。

圖6為此濾波電路仿真的幅頻響應(yīng)，為保證讀出視頻信號的不失真，一般濾波器帶寬選擇為讀出信號頻率的3～5倍。本設(shè)計中讀出信號帶寬為2MHz，濾波器3dB帶寬設(shè)計為10MHz[4]。為保證低噪聲設(shè)計，運(yùn)放采用高速、低噪聲的運(yùn)算放大器AD8606，其電源輸入為2.7～5.5V供電，信號帶寬為10MHz，低噪聲電壓特性為8nV/Hz1/2。

圖5 濾波器電路圖

圖6 幅頻響應(yīng)

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

由于傳感器輸出的信號動態(tài)范圍為1.0～4.2V，典型靈敏度為4mV/K，噪聲等效溫差最小為60mK，計算得最小需識別的電壓為0.24V，因此信號輸出的動態(tài)范圍可達(dá)105dB，AD轉(zhuǎn)換芯片的量化精度由下式進(jìn)行計算：

由上式可估算，至少取14可滿足輸入動態(tài)范圍要求，實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇14bit量化精度。

設(shè)計中采用ADI公司生產(chǎn)的14 bit低噪聲器件AD9240[5]，SNR為78.5dB（@4MHz）。采樣率為10MSPS，可滿足2MHz輸入信號的無失真采樣。圖7給出了AD9240的設(shè)計原理圖。

圖7 AD9240電路圖

3 信噪比測試及成像結(jié)果

3.1 系統(tǒng)信噪比測試

一般來說，長波紅外傳感器的信噪比用NETD來衡量[6]。在測量中，使用黑體輻射目標(biāo)，系統(tǒng)對溫度為1和2（2＞1）的黑體表面分別進(jìn)行測量。NETD計算公式如下所示。

式中：D為測量黑體的溫度差；D為各光敏元對應(yīng)D的平均輸出差值；RMS為1或2溫度對應(yīng)的RMS噪聲。

經(jīng)計算，在傳感器積分64ms和300K黑體照射情況下，此長波傳感器的平均像元噪聲電壓值為1.1mV，像元平均NETD值為223mK。圖8和圖9分別給出了序號為1～1000像元的噪聲電壓值和NETD值。

圖8 系統(tǒng)成像結(jié)果

圖9 系統(tǒng)成像結(jié)果

3.2 成像結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用焦距為25mm，F(xiàn)數(shù)為1.0的紅外光學(xué)鏡頭進(jìn)行成像，成像效果如圖10所示。由圖10可看出，本系統(tǒng)取得了較高信噪比的成像效果。

圖10 系統(tǒng)成像結(jié)果

4 結(jié)論

針對640×480非制冷傳感器，從低噪聲角度出發(fā)，設(shè)計了精密偏置電壓、信號濾波、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，并對電路的噪聲性能進(jìn)行了測試和分析。該采集系統(tǒng)在傳感器積分時間為64ms時，測得像元平均NETD值為223mK，取得了優(yōu)良的成像效果。因此，本文提出的設(shè)計方法對于非制冷長波紅外成像的低噪聲處理具有較好的借鑒意義。

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Design of the Acquisition System Based on 640×480 Uncooled Infrared Detector

XIE Baorong，WEI Wenchao，YE Sheng，LI Xian，F(xiàn)ANG Caiting

(,201109,)

On the principle of low noise characteristic, a high SNR acquisition system was designed based on a 640×480 uncooled infrared sensor. The paper gives a detailed description and realization of precise bias voltages, signal filtering and high speed A/D conversion. The test result showed that the system had achieved an excellent SNR characteristic with average NETD value of 223 mK.

uncooled，infrared sensor，low noise，acquisition system

TN215

A

1001-8891(2016)05-0374-04

2015-11-28；

2016-02-27.

謝寶蓉（1980-），女，博士，研究方向?yàn)檫b感圖像處理技術(shù)。E-mail：littlecrab1024@126.com。