姚立斌，陳 楠，張濟(jì)清，紀(jì)忠順，鐘昇佑，李正芬，韓慶林

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數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)

姚立斌，陳 楠，張濟(jì)清，紀(jì)忠順，鐘昇佑，李正芬，韓慶林

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)是從探測(cè)器起所有信號(hào)處理都在數(shù)字域完成的紅外熱成像技術(shù)，是目前國(guó)際上最先進(jìn)的新一代紅外焦平面技術(shù)。通過將模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）集成到讀出電路中實(shí)現(xiàn)數(shù)字讀出，配合數(shù)字傳輸和數(shù)字圖像處理形成數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)。通過中波640×512數(shù)字化紅外焦平面探測(cè)器讀出電路、成像組件以及數(shù)字化紅外焦平面熱像儀的設(shè)計(jì)和測(cè)試，表明數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)具有接口簡(jiǎn)單、高抗干擾、高通道隔離度、低讀出噪聲、高傳輸帶寬、高線性度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，是紅外熱成像系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

數(shù)字化讀出電路；數(shù)字化焦平面；探測(cè)器組件；數(shù)字成像組件

0 引言

紅外熱像儀是一種用來探測(cè)目標(biāo)物體的紅外輻射，并通過光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布轉(zhuǎn)換成視頻圖像的裝置。紅外熱像儀是由紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器組件與圖像處理組件組成，用于獲取目標(biāo)場(chǎng)景的紅外熱圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)紅外特征的精確探測(cè)。目前凝視焦平面面陣型探測(cè)器已經(jīng)取代掃描型探測(cè)器成為紅外成像應(yīng)用的主流。

目前應(yīng)用的紅外熱像儀是采用混合信號(hào)結(jié)構(gòu)，即紅外焦平面探測(cè)器的光電信號(hào)讀出是在模擬域完成，模擬信號(hào)傳輸?shù)匠上裉幚黼娐泛笤龠M(jìn)行數(shù)字化及數(shù)字圖像處理。模擬讀出技術(shù)固有的缺陷制約了紅外焦平面熱像儀性能的提高。如微弱的模擬信號(hào)多路切換及傳輸帶來串音、干擾及噪聲的問題。同時(shí)，模擬信號(hào)傳輸?shù)挠邢迬捪拗屏思t外焦平面熱像儀幀頻及空間分辨率的提高。

數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)即從探測(cè)器起所有信號(hào)處理都在數(shù)字域完成的紅外熱成像技術(shù)，其核心是數(shù)字化紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)。數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)采用數(shù)字讀出、數(shù)字傳輸及數(shù)字圖像處理技術(shù)，是下一代紅外焦平面熱像儀的通用基礎(chǔ)技術(shù)。數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)能夠提升紅外焦平面熱像儀的系統(tǒng)集成度及抗電磁干擾性能，同時(shí)能提升紅外熱成像系統(tǒng)的多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。隨著西方各國(guó)數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外已推出數(shù)字化紅外焦平面熱像儀實(shí)用化產(chǎn)品，顯著提高了熱像儀的整體性能。

紅外熱成像系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化處理，必須采用數(shù)字化讀出電路。數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)的關(guān)鍵組部件為：數(shù)字化讀出電路、數(shù)字化焦平面探測(cè)器及數(shù)字化成像處理電路3部分。本文介紹了目前數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及中波640×512數(shù)字化紅外焦平面探測(cè)器讀出電路及探測(cè)器組件的設(shè)計(jì)。

1 數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)

傳統(tǒng)的模擬紅外熱成像系統(tǒng)框圖如圖1所示，從紅外探測(cè)器到成像電路之間的信號(hào)傳輸為模擬信號(hào)傳輸，經(jīng)預(yù)處理后由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行數(shù)字圖像處理供顯示。紅外探測(cè)器輸出的微弱模擬信號(hào)傳輸存在精度、帶寬、噪聲、幅度匹配及阻抗匹配等問題，且易受到外界的干擾[1]。

數(shù)字化紅外熱成像系統(tǒng)框圖如圖2所示。首先在成像處理電路上省去了復(fù)雜的模擬信號(hào)預(yù)處理電路及ADC，減小了電路板尺寸及功耗，易于系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)。更重要的是從紅外探測(cè)器到成像電路之間的信號(hào)傳輸為數(shù)字信號(hào)傳輸，不容易受到外界的干擾，同時(shí)不存在傳輸精度及噪聲干擾的問題[2]。

1.2 數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

由于國(guó)外的紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)在90年代就成熟，在2000年前后國(guó)外針對(duì)紅外焦平面探測(cè)器的數(shù)字化工作就已經(jīng)啟動(dòng)[3]。在數(shù)字化焦平面探測(cè)器組件方面推出代表性產(chǎn)品的公司有以色列SCD公司、美國(guó)洛克希德×馬丁公司等。

以色列SCD公司于2011年推出數(shù)字化焦平面探測(cè)器組件的代表產(chǎn)品Pelican-D[4]，為640×512面陣15mm間距的銻化銦探測(cè)器，與數(shù)字成像電路集成，構(gòu)成數(shù)字紅外成像組件。除Pelican-D外，SCD公司還于2013年推出了1280×1024面陣的數(shù)字成像組件Heculers[5]；于2013年推出1920×1536面陣的高清數(shù)字成像組件BlackBird[6]，形成了數(shù)字紅外成像組件的系列產(chǎn)品，成為世界領(lǐng)先的數(shù)字紅外成像組件供應(yīng)商。SCD公司的數(shù)字成像組件產(chǎn)品外形如圖3所示。

美國(guó)洛克希德×馬丁公司也推出數(shù)字化焦平面探測(cè)器組件系列產(chǎn)品[7]，產(chǎn)品涵蓋320×256到1280×1024面陣，形成了系列產(chǎn)品。

法國(guó)的SOFRADIR公司也有數(shù)字化焦平面探測(cè)器組件研發(fā)計(jì)劃，但目前只有一款數(shù)字化中波1280×720的焦平面探測(cè)器組件產(chǎn)品推出[8]。

國(guó)內(nèi)于“十二五”初期開始紅外焦平面數(shù)字化研究工作，各高校及研究所均有少量研究論文發(fā)表，但均屬于部分技術(shù)的理論探討和部件試制，未見數(shù)字化焦平面探測(cè)器組件的研究成果報(bào)道[9]。

2 數(shù)字化讀出電路技術(shù)

讀出電路是紅外焦平面探測(cè)器中關(guān)鍵部件。讀出電路擔(dān)負(fù)著將紅外焦平面探測(cè)器的微弱輸出信號(hào)讀出、積分并按順序輸出到成像電路的任務(wù)。

2.1 系統(tǒng)需求

由于讀出電路處于信號(hào)處理鏈的最前端，因而其性能決定了整機(jī)性能。讀出電路的性能對(duì)提高探測(cè)器整體性能起到至關(guān)重要的作用。

圖1 模擬紅外熱成像系統(tǒng)框圖

Fig.1 Block diagram of analog thermal IR imaging system

圖2 數(shù)字化紅外熱成像系統(tǒng)框圖

Fig.2 Block diagram of digital thermal IR imaging system

與可見光成像系統(tǒng)相比較，紅外成像系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有兩個(gè)：大動(dòng)態(tài)范圍的輸入及較高的探測(cè)器非均勻性。與之相關(guān)的紅外焦平面探測(cè)器讀出電路必須能夠處理探測(cè)器信號(hào)的較高的動(dòng)態(tài)范圍及非均勻性問題，這對(duì)讀出電路的性能提出了較高的要求。高性能紅外焦平面探測(cè)器對(duì)讀出電路的要求有：高注入效率、高偏置穩(wěn)定性、高動(dòng)態(tài)范圍、高電荷存儲(chǔ)能力、低噪聲及低功耗。

2.2 片上模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)的模擬讀出電路在模擬域處理光電信號(hào)，探測(cè)器輸出的光電信號(hào)經(jīng)讀出單元電路讀出并積分，經(jīng)多路轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)掃描，并輸出模擬信號(hào)到成像電路。一直以來，在讀出電路片內(nèi)將光電信號(hào)數(shù)字化是探測(cè)器讀出電路的發(fā)展方向。隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展，在讀出電路片內(nèi)、乃至像元內(nèi)集成模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）成為可能。與模擬讀出電路相比，數(shù)字化讀出電路將ADC集成到讀出電路片內(nèi)，不可避免地帶來功耗的上升，對(duì)制冷型探測(cè)器來說提高了對(duì)制冷功率的要求，因而對(duì)ADC功耗的要求成為首要考慮。其次，要在讀出電路片內(nèi)集成ADC，由于像元尺寸等因素的限制，對(duì)ADC芯片面積也提出要求；由于紅外信號(hào)的高動(dòng)態(tài)特性，對(duì)ADC的動(dòng)態(tài)范圍提出要求；ADC的速度要求由讀出電路面陣規(guī)模及幀頻決定。

2.3 數(shù)字化讀出電路架構(gòu)

數(shù)字化讀出電路由3個(gè)主要部分構(gòu)成：讀出單元電路、ADC及數(shù)字傳輸電路。從系統(tǒng)架構(gòu)來看，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化讀出電路主要有以下3種技術(shù)路徑：片級(jí)ADC方式、列級(jí)ADC方式及像素級(jí)ADC方式，如圖4所示。

片級(jí)ADC方式是數(shù)字化讀出電路最基本的一種方式，將原來片外的實(shí)現(xiàn)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的單個(gè)ADC集成到模擬讀出電路芯片中。讀出單元電路讀出每個(gè)像素的光電信號(hào)并積分，經(jīng)行及列多路轉(zhuǎn)換后提供給ADC，實(shí)現(xiàn)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，最終得到的數(shù)字信號(hào)輸出到片外供圖像處理電路。片級(jí)ADC數(shù)字讀出電路的技術(shù)路徑最簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)的模擬讀出電路相比只增加了ADC，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸出，其余電路都相同。采用片級(jí)ADC設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是ADC芯片面積不受限制，且只需要一個(gè)ADC，但ADC的轉(zhuǎn)換速度要求較高。每一列像元輸出的信號(hào)在模擬域進(jìn)行多路選通，仍然容易受到干擾。

圖3 以色列SCD公司640×512（左）、1280×1024（中）及1920×1536（右）數(shù)字成像組件外形照片

圖4 片級(jí)ADC方式（左）、列級(jí)ADC方式（中）及像素級(jí)ADC方式（右）數(shù)字化讀出電路架構(gòu)

列級(jí)ADC方式是在讀出電路中每一列采用一個(gè)ADC來進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，列級(jí)的信號(hào)多路轉(zhuǎn)換在數(shù)字域進(jìn)行，能提高輸出信號(hào)的信噪比。采用列級(jí)ADC設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是ADC芯片面積一維方向受到像元點(diǎn)距的限制，而另一個(gè)方向理論上不受限制；由于每個(gè)ADC僅對(duì)一列像元輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此對(duì)ADC的轉(zhuǎn)換速度要求不高。

像素級(jí)ADC方式的優(yōu)點(diǎn)有：信號(hào)的多路轉(zhuǎn)換全部在數(shù)字域進(jìn)行，能有效降低信號(hào)多路轉(zhuǎn)換中的衰減及干擾。同時(shí)可以在像素級(jí)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，如數(shù)字積分等，能大大提高焦平面探測(cè)器及紅外系統(tǒng)的性能指標(biāo)。但每一個(gè)像元需要一個(gè)ADC，且ADC芯片面積必須小于像素面積，對(duì)ADC的設(shè)計(jì)帶來巨大的挑戰(zhàn)。

對(duì)讀出電路數(shù)字化的技術(shù)方案選擇，主要根據(jù)功耗、速度、面積和設(shè)計(jì)難度進(jìn)行折中。從上述分析可見，采用列級(jí)ADC的方案，讀出電路可以獲得比片級(jí)ADC更好的性能，同時(shí)僅需要中低速度的ADC和微功耗設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)復(fù)雜度和難度低于像素級(jí)ADC，對(duì)于中波640×512像素的紅外焦平面探測(cè)器讀出電路，是較為合理的選擇，因此采用列級(jí)ADC方案實(shí)現(xiàn)。

2.4 640×512數(shù)字化讀出電路設(shè)計(jì)

中波640×512紅外焦平面探測(cè)器讀出電路采用列級(jí)ADC方案實(shí)現(xiàn)，整個(gè)讀出電路系統(tǒng)框圖見圖5所示。讀出電路芯片由以下幾個(gè)功能電路組成：低噪聲讀出單元電路、行驅(qū)動(dòng)電路、ADC、高速數(shù)字信號(hào)傳輸電路。其中低噪聲讀出單元電路完成探測(cè)器信號(hào)的讀出和積分，由640列×512行像素單元組成；行驅(qū)動(dòng)電路完成512行探測(cè)器的積分及讀出控制，主要包括復(fù)位控制和讀出選通控制；ADC將探測(cè)器和像元輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，每一列像元對(duì)應(yīng)一個(gè)ADC，共640個(gè)ADC組成陣列；高速數(shù)字信號(hào)傳輸電路完成數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)、多路選通和輸出，最終以14位串行數(shù)字信號(hào)送至外部的成像處理電路。電路設(shè)計(jì)將ADC置于陣列上下兩邊，ADC的版圖寬度為像元間距的兩倍，同時(shí)輸出數(shù)字信號(hào)分兩路輸出。整個(gè)讀出電路采用全局快門控制，避免了卷簾快門對(duì)高速目標(biāo)成像的變形問題，同時(shí)減小了時(shí)域行噪聲。讀出控制采用邊積分邊讀出的工作模式，保證最大限度的利用系統(tǒng)幀時(shí)間來進(jìn)行光電流積分，提高系統(tǒng)的信噪比。

讀出單元電路的作用是將焦平面探測(cè)器的光電流讀出和積分，得到電壓信號(hào)。該部分電路是整個(gè)讀出電路的最前端，其性能對(duì)整個(gè)數(shù)字化熱像儀起到?jīng)Q定性的影響。因此專門設(shè)計(jì)了低噪聲像元電路以滿足系統(tǒng)性能需求。讀出單元電路采用直接注入結(jié)構(gòu)，電荷存儲(chǔ)容量根據(jù)版圖面積進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。積分時(shí)間控制及行選電路如圖6所示，積分時(shí)間可以通過串口在線配置，方便整機(jī)應(yīng)用。

圖5 中波640×512數(shù)字化讀出電路原理框圖

Fig.5 Block diagram of MWIR 640×512 digital ROIC

圖6 積分時(shí)間控制及行選電路

Fig.6 Block diagram of Integration time controller and row selecter

ADC影響著讀出電路的成像質(zhì)量、幀頻和功耗等指標(biāo)，是數(shù)字化讀出電路的關(guān)鍵模塊。針對(duì)紅外焦平面探測(cè)器的應(yīng)用，要求ADC滿足14位以上的精度；同時(shí)由于每一列像元都有一個(gè)ADC，因此每個(gè)ADC必須采用低功耗設(shè)計(jì)；此外，其寬度也受到像元尺寸的嚴(yán)格限制，要以小面積實(shí)現(xiàn)ADC的所有電路[10]。

列級(jí)ADC的結(jié)構(gòu)主要包括單斜率、循環(huán)和逐次比較型ADC。單斜率ADC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，但轉(zhuǎn)換速度慢，位精度需要2個(gè)時(shí)鐘周期。逐次比較型ADC可以提高速度，并以低功耗實(shí)現(xiàn)，但其精度受電容、電阻陣列匹配程度的限制，因此難以實(shí)現(xiàn)高精度。循環(huán)ADC的面積比逐次比較型小，然而它需要非常精準(zhǔn)的運(yùn)算放大器，因而需要額外的功耗。Sigma-Delta ADC是實(shí)現(xiàn)高精度的較佳選擇，但存在速度慢、數(shù)字濾波器面積大等缺點(diǎn)[11]。

對(duì)于紅外焦平面探測(cè)器讀出電路應(yīng)用，ADC的輸入離散時(shí)間采樣信號(hào)，為穩(wěn)定的直流電壓，可以采用一種特殊的增量型Sigma-Delta ADC，其數(shù)字濾波器電路可以大大簡(jiǎn)化，減小了占用的面積，可用于高質(zhì)量成像的讀出電路。增量型Sigma-Delta ADC主要由Sigma-Delta調(diào)制器和數(shù)字濾波器組成，如圖7所示[12]。其中調(diào)制器將輸入電壓信號(hào)調(diào)制為隨機(jī)脈沖，通過其個(gè)數(shù)的平均值表征電壓幅度，濾波器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得到最終的數(shù)字輸出。

Sigma-Delta ADC通過過采樣和噪聲整形，將量化噪聲推到高頻帶，減小了信號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲，提高信噪比。不同于其他類型的ADC，該結(jié)構(gòu)還可以減少模擬電路中失配、失調(diào)等誤差造成的影響，無需外加校正等手段即可實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換精度。相對(duì)常規(guī)的Sigma-Delta ADC，增量型的調(diào)制器和數(shù)字濾波器在每次轉(zhuǎn)換前進(jìn)行復(fù)位，因此不是連續(xù)的操作；其數(shù)字抽取濾波器可以用簡(jiǎn)單的數(shù)字積分器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，免除了復(fù)雜的數(shù)字電路，令A(yù)DC的面積和功耗得以大大減小。Sigma-Delta ADC的版圖見圖8所示，其版圖寬度為像元間距的兩倍，長(zhǎng)度控制在600mm以內(nèi)。在采樣頻率為30kHz下，整個(gè)ADC的功耗小于100mW[13]。

整個(gè)讀出電路包括了640個(gè)ADC，每個(gè)ADC輸出14位數(shù)字信號(hào)，要在規(guī)定的幀周期內(nèi)將640×512個(gè)像元對(duì)應(yīng)的14位數(shù)字信號(hào)輸出，需要高速數(shù)字多路轉(zhuǎn)換電路，將列級(jí)ADC輸出的大量并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為串行數(shù)據(jù)。并-串轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸電路由數(shù)據(jù)緩存單元和數(shù)據(jù)選通邏輯單元組成。首先通過寫入控制信號(hào)將ADC輸出的并行數(shù)據(jù)同時(shí)寫入緩存單元；然后選通邏輯單元產(chǎn)生選通信號(hào)，從左到右逐個(gè)選通緩存單元，將其連接到輸出總線上對(duì)外輸出，實(shí)現(xiàn)并行到串行的轉(zhuǎn)換。該電路方案由于每次僅有1個(gè)寄存器同時(shí)工作，電路的功耗大大減小。并-串轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸電路見圖9所示[14]。數(shù)據(jù)輸出采用低壓差分（LVDS）電路，有效地降低了電路的功耗。該數(shù)據(jù)傳輸電路的傳輸數(shù)據(jù)率可達(dá)到400 Mbps以上。

中波640×512數(shù)字化讀出電路在0.35mm CMOS工藝上實(shí)現(xiàn)并流片。整個(gè)電路版圖尺寸為18 mm×16.8 mm，如圖10所示。圖11為流片加工后的芯片照片。

3 數(shù)字化焦平面探測(cè)器組件

將中波640×512數(shù)字讀出電路芯片與焦平面探測(cè)器芯片進(jìn)行互連，封裝后最終完成640×512數(shù)字化中波焦平面探測(cè)器組件制備，如圖12所示。對(duì)640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器的測(cè)試主要參考GB/T 17444-2013《紅外焦平面陣列參數(shù)測(cè)試方法》[15]進(jìn)行。通過測(cè)試電路板提供數(shù)字化焦平面探測(cè)器的偏壓及驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并采集數(shù)字化焦平面探測(cè)器的輸出信號(hào)，通過CameraLink接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算得到數(shù)字化焦平面探測(cè)器的各參數(shù)。

圖7 Sigma-Delta ADC框圖

Fig.7 Block diagram of Sigma-Delta ADC

圖8 Sigma-Delta ADC版圖

Fig.8 Layout of Sigma-Delta ADC

圖13為640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器對(duì)均勻黑體的原始信號(hào)成像圖，由圖中可以看出探測(cè)器的盲元、非均勻性及固定圖案噪聲。圖14為640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器輸出列平均噪聲的分布圖，從圖中可以看出640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器的平均噪聲大約是1.9 LSB，約為0.28mVrms，小于普通的模擬探測(cè)器的噪聲。圖15為640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器的噪聲等效溫差（NETD）實(shí)測(cè)值分布，在19ms積分時(shí)間下，640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器的平均NETD為8.4 mK，優(yōu)于一般的模擬探測(cè)器，且數(shù)字化焦平面探測(cè)器的NETD散布較小。在積分電容半滿井條件即9ms積分時(shí)間下，640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器的平均NETD為13 mK。

圖9 并-串轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸電路

圖10 中波640×512數(shù)字化讀出電路版圖

圖11 中波640×512數(shù)字化讀出電路芯片照片

圖12 640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器組件照片

圖13 640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器輸出原始信號(hào)成像

圖14 640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器輸出列噪聲分布圖

圖15 640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器NETD

表1列出了640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器的各項(xiàng)實(shí)測(cè)指標(biāo)。除開光譜響應(yīng)等指標(biāo)主要由探測(cè)器決定外，在與讀出電路相關(guān)的指標(biāo)上，數(shù)字化焦平面探測(cè)器的各項(xiàng)指標(biāo)均不低于模擬探測(cè)器。通過低功耗設(shè)計(jì)，數(shù)字化焦平面探測(cè)器的功耗也和模擬探測(cè)器相當(dāng)。

表1 640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器測(cè)試結(jié)果

表2總結(jié)了目前各公司640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器組件的性能指標(biāo)[16]，從指標(biāo)上看，本文介紹的640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器組件和各大公司的產(chǎn)品處在同一技術(shù)水平。

4 數(shù)字成像組件

將成像處理電路與數(shù)字化焦平面探測(cè)器集成，可以構(gòu)成數(shù)字成像組件。基于模擬讀出電路的傳統(tǒng)成像組件和數(shù)字成像組件框圖分別示于圖16和圖17。數(shù)字化焦平面探測(cè)器集成ADC到讀出電路中，直接輸出數(shù)字信號(hào)，省卻了成像處理電路中復(fù)雜的模擬信號(hào)調(diào)理電路及ADC，使成像處理電路的尺寸大幅度縮小，有利于系統(tǒng)的集成。如圖16所示，傳統(tǒng)成像組件在杜瓦外采用專門的電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，工作溫度由外界環(huán)境和整機(jī)決定。大范圍的溫度變化，對(duì)模擬電路和ADC的工作點(diǎn)、器件特性等都有顯著影響，會(huì)造成電路性能在不同整機(jī)環(huán)境溫度下的變化，影響系統(tǒng)性能。而數(shù)字成像組件，如圖17所示，所有模擬電路和ADC都集成在讀出電路芯片內(nèi)，其處于杜瓦內(nèi)部工作，工作溫度由制冷機(jī)決定，可以恒定在液氮溫度附近，因而其性能不受外部環(huán)境和整機(jī)影響，保證了成像組件更好的環(huán)境適應(yīng)性。此外數(shù)字成像組件具有高度集成及體積緊湊的特點(diǎn)，集成了熱像儀中成像處理的所有功能，直接輸出CameraLink數(shù)字視頻信號(hào)，可以直接應(yīng)用于各種紅外熱成像系統(tǒng)。

表2 各公司640×512數(shù)字焦平面探測(cè)器性能對(duì)比

圖16 傳統(tǒng)成像組件框圖

Fig.16 Block diagram of conventional thermal IR imager

圖17 數(shù)字成像組件框圖

Fig.17 Block diagram of digital thermal IR imager

圖12中的640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器組件與圖18中的數(shù)字成像處理電路集成，構(gòu)成數(shù)字成像組件，如圖19所示。

數(shù)字成像處理電路包括探測(cè)器接口板、主處理板及制冷機(jī)接口板。其中最大的主處理板的尺寸只有60 mm×50 mm，集成了FPGA為主的圖像處理電路。圖像處理電路包含盲元補(bǔ)償、非均勻性校正、圖像灰度均衡及濾波、CameraLink圖像信號(hào)輸出等紅外熱像儀的基本圖像處理功能，直接輸出紅外數(shù)字視頻信號(hào)。整個(gè)成像處理電路的總功耗小于2W。

圖19 640×512中波數(shù)字成像組件照片

（左：25mm像元間距；右15mm像元間距）

Fig.19 MWIR 640×512 digital imaging modules with 25-mm pixel (left) and 15-mm pixel (right)

數(shù)字紅外成像組件將紅外探測(cè)器、CMOS數(shù)字化讀出電路、微型杜瓦、制冷機(jī)與成像處理電路一體設(shè)計(jì)，具有高度集成、小體積、高性能及通用化的特點(diǎn)，配合光學(xué)系統(tǒng)即可成像。如圖20所示，數(shù)字紅外成像組件配合簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)即可組成一臺(tái)紅外熱像儀，可以用來驗(yàn)證數(shù)字紅外成像組件的各項(xiàng)性能。其中光學(xué)鏡頭焦距為45 mm，視場(chǎng)為20°×16°。

圖20 640×512中波數(shù)字成像演示裝置照片

數(shù)字紅外成像組件演示裝置的成像照片如圖21所示。由于數(shù)字紅外焦平面探測(cè)器的優(yōu)異信噪比，成像清晰、干凈，無雜波干擾。

圖21 640×512中波數(shù)字成像組件成像圖片

5 數(shù)字化焦平面熱像儀

由于數(shù)字紅外成像組件已經(jīng)集成了成像系統(tǒng)的所有信號(hào)處理功能，數(shù)字化焦平面熱像儀的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，只需考慮光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)即可。如圖22所示，數(shù)字化焦平面熱像儀樣機(jī)由光學(xué)鏡頭、殼體結(jié)構(gòu)和成像組件構(gòu)成。采用不同的光學(xué)系統(tǒng)即可適應(yīng)不同指標(biāo)的紅外熱像儀應(yīng)用，提高了組件的通用性及降低了后期的維護(hù)成本。

圖23是640×512中波數(shù)字化焦平面熱像儀樣機(jī)遠(yuǎn)景的成像圖片。

6 結(jié)論

通過640×512中波數(shù)字化焦平面探測(cè)器讀出電路、成像組件及數(shù)字化熱像儀的設(shè)計(jì)及測(cè)試表明，數(shù)字焦平面探測(cè)器有接口簡(jiǎn)單、高抗干擾、高通道隔離度、低讀出噪聲、高傳輸帶寬、高線性度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，是紅外熱成像系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

圖22 640×512中波數(shù)字化焦平面熱像儀樣機(jī)

圖23 640×512中波數(shù)字化焦平面熱像儀樣機(jī)成像圖片

與傳統(tǒng)的模擬紅外焦平面探測(cè)器相比較，數(shù)字焦平面探測(cè)器有以下優(yōu)點(diǎn)：

①高集成度、接口簡(jiǎn)單。數(shù)字焦平面探測(cè)器直接輸出數(shù)字信號(hào)，無需模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）電路、相關(guān)模擬信號(hào)預(yù)處理電路及ADC驅(qū)動(dòng)電路，可以提高紅外熱成像系統(tǒng)集成度，降低成像組件體積、功耗及成本，提高系統(tǒng)可靠性。

②高抗干擾、高通道隔離度、低讀出噪聲。數(shù)字焦平面探測(cè)器的信號(hào)多路切換及傳輸是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，數(shù)字信號(hào)的切換及傳輸是無損失的且不易受到電磁干擾；加之?dāng)?shù)字焦平面探測(cè)器采用多個(gè)列級(jí)低速ADC代替片級(jí)高速ADC，ADC的噪聲等效帶寬大大減小，帶內(nèi)噪聲減小。以上特點(diǎn)能有效提高紅外熱成像系統(tǒng)的信噪比及通道隔離度。

③高傳輸帶寬。數(shù)字焦平面探測(cè)器通過高速串行數(shù)字接口電路輸出信號(hào)，傳輸帶寬高，能實(shí)現(xiàn)大面陣探測(cè)器每秒1000幀以上的視頻輸出。

④數(shù)字焦平面探測(cè)器采用數(shù)字總線控制探測(cè)器參數(shù)，能夠以微秒級(jí)精度精確控制探測(cè)器的積分時(shí)間，有利于光電系統(tǒng)應(yīng)用。

⑤高線性度。數(shù)字信號(hào)傳輸及處理沒有非線性問題，提高成像系統(tǒng)的線性度。

⑥穩(wěn)定性。數(shù)字電路性能不受工藝參數(shù)、工作溫度及環(huán)境參數(shù)影響，數(shù)字焦平面探測(cè)器能提高紅外熱成像系統(tǒng)性能的一致性及穩(wěn)定性。

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Digital IRFPA Technology

YAO Libin，CHEN Nan，ZHANG Jiqing，JI Zhongshun，ZHONG Shengyou，LI Zhengfen，HAN Qinglin

(,650223,)

Digital IRFPA technology is a thermal IR imaging technology which signal from detector is processed in digital domain, and it is the most advanced IRFPA technology. It integrates analog-to-digital converter (ADC) on readout integrated circuit (ROIC) to realize digital signal read out, while the digital signal transmission and digital image processing are also utilized to form the Digital IRFPA technology. The digital IRFPA ROIC, digital imaging module and digital IRFPA thermal imager of MWIR 640×512 are designed and tested, and the measurement results indicate the Digital IRFPA technology has some positive features, such as simple interface, good resistance to interference, high channel isolation, low readout noise, wide transmission bandwidth, high linearity, high stability and so on. The Digital IRFPA technology is the developing trend of thermal IR imaging system.

digital ROIC，digital IRFPA，detector module，digital imaging system

TN215

A

1001-8891(2016)05-0357-10

2016-04-25；

2016-05-12.

姚立斌（1968-），男，博士，研究員，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榛旌闲盘?hào)集成電路設(shè)計(jì)。