劉文浩 董峰

關(guān)鍵詞： 紅外探測(cè)器; 圖像預(yù)處理; 紅外成像系統(tǒng); 驅(qū)動(dòng)電路; 噪聲等效溫差; FPGA

中圖分類號(hào)： TN216?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）06?0018?04

Abstract： In order to verify the performance of the 320×256 area array type?II superlattice infrared focal plane detector independently developed by Shanghai Institute of Technical Physics， an infrared imaging system is built for image acquisition and preprocessing， which lays a foundation for detector performance evaluation and system application. The type?II superlattice infrared detector can greatly reduce the cooling requirements and power consumption of the system， and improve the system reliability significantly under the precondition of meeting the system performance indexes. The imaging system is composed of the optical lens， drive circuit， digital signal processing module， and host computer acquisition and display program. The system performance was verified by using the blackbody imaging method. The experimental results show that the noise equivalent temperature difference （NETD） of the whole imaging system is about 30 mk when the detector is irradiated with 300.1 K black body and the integral time is 150 μs.

Keywords： infrared detector; image preprocessing; infrared imaging system; drive circuit; NETD; FPGA

二類超晶格材料在高性能制冷型紅外探測(cè)器領(lǐng)域有重要應(yīng)用，其具有量子效率高、焦平面探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間快、暗電流低、焦平面工作溫度高、響應(yīng)波長從3～30 ?m可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)[1?3]。長波紅外成像系統(tǒng)在國防、工業(yè)和醫(yī)療等多方面有著廣泛的需求[4?7]。2013年中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制出了我國第一個(gè)高性能超晶格長波紅外焦平面，像素元數(shù)為320×256，在77 K溫度下[8?9]，此焦平面的100%截止波長為10.5 μm，盲元率為2.6%，非均勻性為6.2%。本文主要介紹基于二類超晶格探測(cè)器進(jìn)行長波紅外波段的圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)組成以及軟硬件模塊設(shè)計(jì)。

1 ?二類超晶格紅外成像系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的成像系統(tǒng)采用面陣規(guī)模為320×256大小的基于二類超晶格技術(shù)的長波紅外焦平面制冷組件作為成像載體。該探測(cè)器配備一個(gè)斯特林制冷器，供電電壓為24 V，制冷機(jī)穩(wěn)定工作溫度為60 K。該制冷機(jī)具有外接測(cè)溫二極管。探測(cè)器實(shí)物圖如圖1所示。該二類超晶格探測(cè)器具體參數(shù)如表1所示，工作的波長范圍為8～12.5 μm，150 μs積分時(shí)間下，噪聲等效溫差（NETD）為30 mK。成像系統(tǒng)配置的鏡頭為100 mm長波鏡頭，F(xiàn)數(shù)為2。數(shù)字信號(hào)處理模塊采用Altera公司的Cyclone Ⅲ系列EP3C55芯片，模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用ADI公司的AD7626芯片。探測(cè)器電源電壓和偏置電壓由驅(qū)動(dòng)電路上不同的LDO芯片提供，模擬電源和數(shù)字電源電壓由ADI公司的低壓差線性調(diào)節(jié)器ADP7102芯片提供，在輸出端連接反饋電阻獲得相應(yīng)的電源電壓值。偏置電壓采用ADI公司的ADR44X系列基準(zhǔn)電壓源芯片，通過在輸出端用不同的電阻分壓得到不同的偏置電壓值。

上位機(jī)配置的320×256采集系統(tǒng)，包含PCI圖像采集卡和工控機(jī)。信息處理板將探測(cè)器輸出的模擬信號(hào)通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過板上FPGA的緩沖、組包處理，采用三線制LVDS通道將圖像數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，上位機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。系統(tǒng)框架見圖2。

2 ?二類超晶格紅外成像系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 ?紅外成像系統(tǒng)硬件模塊

該系統(tǒng)主控芯片采用Altera公司的Cyclone Ⅲ系列EP3C55芯片，其是一款低功耗、低成本、高性能FPGA，主要應(yīng)用于邏輯設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)處理。FPGA支持JTAG協(xié)議，JTAG接口電路設(shè)計(jì)主要用于內(nèi)部測(cè)試以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和仿真。連接JTAG接口可以訪問FPGA的所有內(nèi)部資源，還能實(shí)現(xiàn)FPGA系統(tǒng)軟硬件的實(shí)時(shí)在線分析調(diào)試。EP3C55U484芯片滿足本系統(tǒng)對(duì)主控芯片的要求。AD7626是ADI公司的16位高速串行差分逐次逼近型ADC，該芯片具有良好的噪聲性能和線性度以及較高的動(dòng)態(tài)范圍，數(shù)據(jù)吞吐速率高達(dá)10 MSPS，符合系統(tǒng)對(duì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求。本系統(tǒng)選用AD7626回波時(shí)鐘模式對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。EP3C55芯片通過該模式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換并同步到系統(tǒng)其他模塊。探測(cè)器模擬電源和數(shù)字電源電壓由ADP7102芯片提供，該芯片是ADI公司生產(chǎn)的CMOS低壓差線性調(diào)節(jié)器，具有較低的輸出噪聲，輸出噪聲有效電壓值為15 μV。為優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路性能，在芯片輸入端連接1 μF的旁路電容來降低電路對(duì)PCB布局的敏感度。探測(cè)器所需的偏置電源的產(chǎn)生利用XFET系列基礎(chǔ)電壓源，采用ADI公司的超低噪聲、高精度和低溫度漂移性質(zhì)的ADR44X系列芯片，并在芯片的輸入和輸出端并聯(lián)小電容來穩(wěn)定電路性能以及優(yōu)化輸出電壓瞬態(tài)特性。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)探測(cè)器偏置調(diào)節(jié)電壓進(jìn)行調(diào)整，以便獲得最佳模擬信號(hào)輸出。為使二類超晶格探測(cè)器正常工作還需要4.8～5 V的驅(qū)動(dòng)脈沖電平，系統(tǒng)采用主控芯片EP3C55U484C6芯片提供探測(cè)器所需時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電壓值為3.3 V，選用TI公司的SN74LVC4245A芯片將3.3 V輸入轉(zhuǎn)換成5 V輸出，為探測(cè)器提供符合要求的驅(qū)動(dòng)脈沖電平。圖像采集系統(tǒng)的硬件架構(gòu)見圖3。

2.2 ?紅外成像系統(tǒng)邏輯模塊

探測(cè)器工作需要符合要求的上電順序以及時(shí)序信號(hào)，控制探測(cè)器的時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)采用FPGA實(shí)現(xiàn)，由內(nèi)部邏輯輸出幀同步信號(hào)、行同步信號(hào)、串行控制指令、探測(cè)器主時(shí)鐘，該成像系統(tǒng)幀頻為20 f/s。待探測(cè)器正常工作后輸出模擬信號(hào)至數(shù)字信號(hào)處理模塊，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和16位串并轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字信號(hào)，再到數(shù)據(jù)打包模塊，與每幀數(shù)字信號(hào)同步，探測(cè)器一幀圖像有256行，每行有效像元數(shù)為320，每個(gè)像素量化為16 bit，長度為2 B，一幀圖像81 920個(gè)像元數(shù)據(jù)前后分別添加幀頭、幀尾數(shù)據(jù)，再到三線制模塊通過三線制LVDS將信號(hào)傳入上位機(jī)采集程序進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像顯示與存儲(chǔ)。成像系統(tǒng)整體邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖像采集系統(tǒng)通過RS 422接口與上位機(jī)通信，發(fā)出上電或下電指令以及積分時(shí)間調(diào)整指令。RS 422由RS 232發(fā)展而來，其改進(jìn)了RS 232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10 Mb/s，傳輸距離延長到1 000 m，是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范[10]。

2.3 ?系統(tǒng)邏輯驗(yàn)證

為測(cè)試成像系統(tǒng)邏輯正確性，通過片內(nèi)邏輯分析儀，實(shí)時(shí)捕獲設(shè)計(jì)程序內(nèi)部信號(hào)和端口信號(hào)波形，得到驅(qū)動(dòng)時(shí)序電平、A/D數(shù)據(jù)、三線制數(shù)據(jù)輸出等波形見圖5。

3 ?二類超晶格紅外成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

3.1 ?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為驗(yàn)證成像系統(tǒng)性能，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示，圖6a）為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)側(cè)視圖，圖6b）為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)俯視圖。成像系統(tǒng)由紅外光學(xué)鏡頭、二類超晶格探測(cè)器杜瓦組件、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路、穩(wěn)壓電源、上位機(jī)以及黑體輻射源組成。在制冷機(jī)制冷至探測(cè)器芯片所需溫度時(shí)，由上位機(jī)發(fā)送上電指令，調(diào)整探測(cè)器積分時(shí)間，并實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。

3.2 ?黑體定標(biāo)實(shí)驗(yàn)

通過對(duì)不同溫度（21.3 ℃，24.0 ℃，27.0 ℃）的黑體進(jìn)行定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，得到在不同積分時(shí)間下的定標(biāo)數(shù)據(jù)，剔除無效的噪聲等效溫差數(shù)據(jù)，得到整體系統(tǒng)的噪聲等效溫差如表2所示。在120 μs積分時(shí)間下，該成像系統(tǒng)平均噪聲等效溫差為33.379 mK;在150 μs積分時(shí)間下，該成像系統(tǒng)平均噪聲等效溫差為32.937 mK。

3.3 ?目標(biāo)成像實(shí)驗(yàn)

成像系統(tǒng)正常工作時(shí)，調(diào)整積分時(shí)間至120 μs，將得到數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行預(yù)處理，采用周圍8位像素進(jìn)行差值運(yùn)算替換盲元，經(jīng)閾值提取有效像元數(shù)據(jù)。成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)成像結(jié)果如圖7所示，拍攝的目標(biāo)為人的手和衣袖部分，手與背景界線清晰。結(jié)果表明該圖像采集系統(tǒng)能滿足二類超晶格成像要求。

4 ?結(jié) ?論

為了驗(yàn)證320×256面陣的二類超晶格紅外焦平面探測(cè)器性能，設(shè)計(jì)探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路，通過信息獲取電路采集圖像。本文搭建的紅外成像系統(tǒng)獲取到清晰的長波紅外圖像，當(dāng)探測(cè)器在300.1 K黑體的照射下，積分時(shí)間150 μs時(shí)，整個(gè)成像系統(tǒng)的平均噪聲等效溫差（NETD）約為30 mK，與探測(cè)器設(shè)計(jì)值吻合，驗(yàn)證了探測(cè)器的性能，對(duì)將來整個(gè)基于二類超晶格長波紅外成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有參考意義。

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