标题

第 34 卷 第 1 期 015 年 月 红 外 与 毫 米 波 学 报 J. Infrared Millim. Waves Vol. 34, No. 1 February,015 文 章 编 号 :1001-9014(015)01-0080 - 07 DOI:10. 374 / SP. J. 1010. 015. 00080 红 外 探 测 器 信 息 获 取 系 统 噪 声 特 性 龚 学 艺 *, 摇 苏 晓 锋, 摇 黄 思 婕, 摇 董 玉 翠, 摇 陈 凡 胜 ( 中 国 科 学 院 上 海 技 术 物 理 研 究 所 中 国 科 学 院 红 外 探 测 与 成 像 技 术 实 验 室, 上 海 摇 00083) 摘 要 : 理 论 上 完 成 了 红 外 图 像 传 感 器 信 息 获 取 电 路 的 噪 声 建 模, 并 且 分 别 从 仿 真 和 测 试 两 个 方 面 对 电 路 的 噪 声 进 行 分 析. 三 种 分 析 方 法 的 结 果 基 本 相 同, 均 为 0. 11 mv 左 右. 从 原 理 和 实 验 两 个 方 面 证 明 了 基 于 仪 放 的 模 拟 信 号 调 理 电 路 可 以 满 足 噪 声 低 至 0. mv 的 红 外 探 测 器 航 天 应 用 需 求. 在 完 成 噪 声 量 大 小 分 析 的 同 时 进 行 了 噪 声 频 谱 特 性 分 析, 证 明 了 信 息 获 取 电 路 噪 声 主 要 成 分 是 1 / f 噪 声 和 白 噪 声, 二 者 均 满 足 高 斯 分 布. 关 摇 键 摇 词 : 信 息 获 取 ; 噪 声 模 型 ; 噪 声 测 试 ; 红 外 ; 航 天 应 用 中 图 分 类 号 :TN6 摇 摇 文 献 标 识 码 :A Noise characteristics of infrared detector sinal acquisition system GONG Xue 鄄 Yi *, 摇 SU Xiao 鄄 Fen, 摇 HUANG Si 鄄 Jie, 摇 DONG Yu 鄄 Cui, 摇 CHEN Fan 鄄 Shen ( Key Laboratory of Infrared System Detection and Imain Technoloy, Shanhai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanhai 摇 00083, China) Abstract: An accuratenoise model was established for the infrared imaeinformation acquirin system. In the simulation and test, noise characteristics were analyzed. The results of the three are almost same, about 0. 11 mv. Both theory and experiment proved that sinal conditionin circuit based on instrumentation amplifier can be used for low 鄄 noise infrared detectors. The noise level was analyzed toether with the spectral characteristics of the circuit noise. The results show that the main components of the noise are 1 / f noise and white noise. Both of the two meet the Gaussian distribution. Key words: sinal acquisition, noise model, noise test, infrared, aerospace applications PACS: 81. 40. jm, 81. 15. Cd, 68. 55. A 鄄 引 言 红 外 图 像 传 感 器 已 经 成 功 应 用 于 航 天, 医 学, 安 全, 工 业 等 各 个 领 域. 随 着 材 料, 半 导 体 工 艺 等 基 础 技 术 的 进 步, 红 外 探 测 器 的 性 能 获 得 了 大 幅 度 的 提 升. 上 海 技 术 物 理 研 究 所 研 制 的 面 向 航 天 应 用 的 红 外 探 测 器 面 阵 是 国 内 同 类 产 品 中 的 代 表 作, 其 中 中 短 波 红 外 探 测 器 在 等 效 输 出 噪 声 方 面 的 进 步 尤 为 明 显,MS 值 已 经 低 至 0. mv. 为 了 配 合 低 噪 声 红 外 探 测 器 的 应 用, 必 须 有 低 于 其 噪 声 水 平 的 信 息 获 取 电 路. 目 前, 在 航 天 应 用 领 域, 使 用 较 为 广 泛 的 信 息 获 取 电 路 是 仪 器 放 大 电 路. 但 是, 该 电 路 的 噪 声 大 小 是 否 满 足 探 测 器 读 出 的 需 要 一 直 未 被 明 确 证 明 ; 低 噪 声 信 息 获 取 电 路 的 研 究 已 经 迫 在 眉 睫, 如 何 给 出 该 类 型 电 路 的 系 统 性 的 噪 声 研 究 方 法 便 是 重 中 之 重. 基 于 以 上 问 题 考 虑, 在 下 述 三 个 部 分 的 内 容 中 分 别 完 成 了 信 息 获 取 电 路 噪 声 模 型 的 建 立, 噪 声 仿 真 以 及 噪 声 试 验 测 试 等 相 关 工 作. 分 析 的 内 容 主 要 包 括 噪 声 的 时 间 域 分 布 特 征, 频 谱 特 性, 噪 声 量 大 小 等. 1 摇 取 电 路 噪 声 建 模 信 息 获 取 电 路 所 采 用 的 电 路 为 微 弱 信 号 获 取 中 经 常 采 用 的 仪 器 放 大 电 路 [1], 它 具 有 高 共 模 抑 制 比, 高 输 入 阻 抗, 低 噪 声, 低 线 性 误 差, 低 失 调 电 压 和 失 调 电 压 漂 移, 低 输 入 偏 置 电 流 和 失 调 电 流 误 差, 带 宽 充 裕 等 特 征 [3]. 非 常 适 合 光 电 成 像 系 统, 能 够 较 好 地 完 成 图 像 信 息 的 获 取 工 作. 具 体 的 信 息 获 取 电 路 图 如 图 1 所 示 [7]. 收 稿 日 期 :013 鄄 06 鄄 30, 修 回 日 期 :014 鄄 10 鄄 06 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 eceived date: 013 鄄 06 鄄 30,revised date: 014 鄄 10 鄄 06 基 金 项 目 : 中 科 院 重 大 创 新 项 目 (G09K100B00) Foundation items: Supported by Chinese Academy of Sciences Foundation of China (6105056) 作 者 简 介 (Bioraphy): 龚 学 艺 (1987 鄄 ), 男, 湖 北 黄 冈 人, 博 士 生, 主 要 研 究 方 向 为 航 天 信 息 获 取 以 及 遥 感 仪 器 的 定 量 化 应 用 等 相 关 领 域. * 通 讯 作 者 (Correspondin author): E 鄄 mail: xyon@ mail. ustc. edu. cn

1 期 龚 学 艺 等 : 红 外 探 测 器 信 息 获 取 系 统 噪 声 特 性 81 图 1 摇 信 号 采 集 示 意 图 Fi. 1 摇 The schematic of sinal acquisition 在 信 息 获 取 电 路 的 噪 声 模 型 建 立 过 程 中, 运 算 放 大 器 的 正 端 输 入 噪 声 值 可 以 等 效 为 正 端 到 地 的 一 个 电 流 噪 声 源 i pn, 同 理, 负 端 噪 声 源 可 以 等 效 为 该 端 到 地 的 一 个 电 流 源 i [] nn. 同 时, 由 于 正 负 输 入 端 存 在 输 入 电 压 偏 移, 在 这 两 段 会 有 一 个 加 性 输 入 噪 声 存 在, 等 效 为 跨 接 于 两 端 的 电 压 噪 声 源 e n. 对 于 信 息 获 取 电 路 中 所 使 用 的 阻 容 器 件, 电 容 热 噪 声 主 要 有 电 容 器 件 中 的 阻 抗 部 分 决 定, 而 本 电 路 中 所 选 用 的 电 容 其 阻 抗 较 低, 因 此 电 容 所 产 生 的 热 噪 声 在 本 文 分 析 中 不 予 考 虑 ; 电 阻 由 于 工 作 于 绝 对 零 度 以 上, 其 内 部 存 在 无 规 则 的 电 子 热 运 动, 进 而 产 生 电 阻 热 噪 声, 电 阻 热 噪 声 的 电 流 谱 密 度 函 数 可 由 式 (1) 来 表 示 [6] : S in = 4kT /, 摇 (1) 上 式 中 k 代 表 波 尔 兹 曼 常 数, 具 体 数 值 为 k = 1. 38 伊 10-3 J / K,T 代 表 工 作 温 度, 以 开 尔 文 表 示, 为 电 阻 的 具 体 阻 值. 电 阻 的 噪 声 模 型 可 以 等 效 为 噪 声 电 流 源 和 理 想 电 阻 的 并 联, 也 可 以 等 效 为 噪 声 电 压 源 和 理 想 电 阻 的 串 联, 在 下 面 的 分 析 过 程 中, 选 择 为 噪 声 电 流 源 和 理 想 电 阻 的 并 联. 通 过 上 述 分 析 可 以 得 知, 电 阻 和 运 放 噪 声 是 信 息 获 取 电 路 中 噪 声 来 源 的 主 要 成 分, 二 者 的 具 体 噪 声 模 型 图 如 图 所 示. 图 摇 电 阻 噪 声 模 型 (a), 运 放 噪 声 模 型 (b) Fi. 摇 esistor noise model (a)and Op amp noise model (b) 按 照 上 述 分 析 所 给 出 的 运 放 与 电 阻 噪 声 模 型, 将 所 给 出 的 信 息 获 取 电 路 中 的 相 关 元 器 件 替 换 掉, 可 以 得 到 该 电 路 的 噪 声 总 体 模 型, 在 该 模 型 中 为 了 分 析 问 题 的 方 便 将 整 个 信 号 流 图 分 为 三 个 部 分, 在 图 中 分 别 以 三 个 红 框 表 示, 其 中 方 框 1 代 表 信 息 获 取 电 路 输 入 部 分, 主 要 作 用 是 进 行 共 模 抑 制 和 信 号 放 大, 方 框 为 标 准 减 法 电 路, 主 要 作 用 是 完 成 相 关 双 采 样 过 程 中 的 暗 信 号 剔 除, 方 框 3 为 滤 波 电 路, 完 成 高 频 噪 声 的 滤 波 工 作. 在 噪 声 的 分 析 过 程 中, 对 于 这 三 个 部 分 分 别 进 行 分 析, 最 终 按 照 理 论 的 信 号 链 图 计 算 整 个 通 道 的 噪 声 总 量. 在 整 个 信 息 获 取 电 路 中 一 共 包 含 十 个 电 阻 以 及 四 个 运 算 放 大 器, 也 就 意 味 着 整 个 链 路 中 存 在 18 个 噪 声 电 流 源 以 及 4 个 噪 声 电 压 源, 采 用 固 定 变 量 法, 在 分 析 每 一 个 噪 声 量 对 输 出 的 影 响 时 将 其 他 的 噪 声 量 视 为 理 想 情 况. 分 别 对 18 个 噪 声 量 进 行 分 别 分 析 可 以 得 到 最 终 的 输 出 噪 声 表 达 式. 在 下 面 的 分 析 过 程 中 为 了 突 出 信 息 获 取 电 路 中 某 一 特 定 功 能 模 块 所 对 应 的 具 体 噪 声 量, 分 析 过 程 以 方 框 1,,3 所 示 的 功 能 模 块 为 基 本 单 元, 最 终 进 行 噪 声 级 联 [4]. 对 于 方 框 1 中 所 包 含 的 信 号 输 入 放 大 部 分, 一 共 含 有 5 个 电 阻 以 及 个 运 算 放 大 器, 总 共 存 在 9 个 电 流 噪 声 源 和 个 电 压 噪 声 源, 按 照 上 文 所 述 的 固 定 变 量 法 进 行 分 析 可 以 得 到 在 该 部 分 的 两 个 输 出 端 噪 声 大 小 分 别 为 : N 1_p = N 1_n = ( ) 1 + ( 3 [ ) + 3 + 4 + ( 3 ) ] + 4kT*ENB 1 + 3 [ i w 1 1 + 3 ( ( ) ( ) ( + ENB ) + e w 1 + 3 ( ( ) [ + i w 3 + ENB + (i w ) ( + ENB )] ( ( ) ( + ENB ) + ( e 3 w ( ) ( + ENB )]. () 即 对 于 第 一 级 输 出 而 言, 在 其 两 个 不 同 的 输 出 端 所 得 到 的 等 效 输 出 噪 声 量 是 一 样 的, 第 一 级 的 噪 声 量 输 出 作 为 第 二 级 减 法 电 路 的 两 个 输 入, 这 两 个 噪 声 量 成 为 第 二 级 减 法 电 路 的 两 个 额 外 噪 声 源. 同 理, 对 于 方 框 中 的 减 法 电 路 部 分, 该 部 分 的 主 要 功 能 是 用 于 剔 除 红 外 或 者 可 见 探 测 器 相 关 双 采 样 输 出 的 暗 电 流 信 号, 仪 器 放 大 电 路 中 不 考 虑 将 放 大 功 能 在 此 处 实 现, 本 部 分 一 共 含 有 四 个 电 阻 和 一 个 运 算 放 大 器, 加 上 第 一 级 输 出 引 入 的 两 个 额 外 噪

8 红 外 与 毫 米 波 学 报 34 卷 图 3 摇 信 息 获 取 电 路 噪 声 模 型 图 Fi. 3 摇 Sinal acquisition circuit noise model 声 源, 此 时 噪 声 模 型 一 共 含 有 6 个 电 流 噪 声 源 以 及 3 个 噪 声 电 压 源, 分 析 方 法 相 同, 可 以 得 到 此 时 的 第 二 部 分 等 效 输 出 噪 声 为 ( 此 时 的 表 达 式 为 不 含 第 一 级 的 输 出 端 噪 声 值 情 况, 含 有 的 情 况 在 最 终 的 链 路 合 成 时 统 一 进 行 ): N = 16ENBkT 7 + (i w 7 ) ( + ) ENB + 4e æç w è ö + ENB ø. (3) 至 于 第 三 部 分 滤 波 电 路 电 路 部 分, 为 了 滤 除 信 息 获 取 电 路 过 程 中 的 高 频 噪 声, 必 须 在 信 息 ADC 的 输 入 端 前 进 行 滤 波 操 作, 从 理 论 上 说, 滤 波 器 的 带 宽 越 低 可 能 导 致 的 最 终 噪 声 电 压 越 低, 但 是 受 限 于 探 测 器 的 工 作 频 率, 为 了 能 够 保 证 探 测 器 输 出 信 号 的 高 频 分 量 不 被 滤 除 掉, 需 要 保 证 滤 波 器 一 定 的 带 宽 范 围 BW, 这 个 带 宽 范 围 由 探 测 器 输 出 的 上 升 和 下 降 时 间 常 数 决 定, 在 工 程 应 用 中 根 据 经 验 一 般 选 择 为 探 测 器 工 作 频 率 的 3 ~ 5 倍, 在 满 足 上 述 带 宽 范 围 的 前 提 下 可 以 保 证 探 测 器 输 出 信 号 拥 有 99% 以 上 的 保 真 度. 本 部 分 含 有 一 个 电 阻 和 一 个 运 算 放 大 器, 加 上 前 端 流 入 的 噪 声 源 总 共 含 有 3 个 噪 声 电 流 源 和 两 个 噪 声 电 压 源, 同 减 法 电 路 的 分 析 过 程 相 似, 不 考 虑 噪 声 输 入 电 压, 仅 对 本 部 分 的 本 源 噪 声 进 行 分 析, 分 析 结 果 如 下 : N 3 = 4ENBkT 9 + (i w 9 ) æç è + e æç w è ö + ENB ø ö + ENB ø. (4) 上 述 过 程 分 别 对 于 三 个 分 立 模 块 的 噪 声 情 况 进 行 了 分 析, 为 了 得 出 信 息 获 取 电 路 全 通 道 的 等 效 输 入 噪 声, 需 要 建 立 整 个 的 噪 声 链 路 图. 如 图 4 所 示, 三 级 分 析 分 别 产 生 的 噪 声 值 可 以 看 作 是 额 外 的 电 压 噪 声 源 分 布 于 信 息 获 取 链 路 中 的 不 同 位 置, 链 路 中 的 其 他 部 分 则 视 为 理 想 值, 在 本 文 的 电 路 设 计 中, 减 法 电 路 放 大 倍 数 为 1, 滤 波 电 路 部 分 为 了 保 证 其 稳 定 性, 不 放 大. 图 4 所 示 的 链 路 图 已 经 较 为 详 细 的 给 出 了 链 路 中 各 噪 声 分 量 对 等 效 输 入 以 及 输 出 噪 声 的 贡 献. Fi. 4 摇 图 4 摇 噪 声 整 体 链 路 图 Overall block diaram of the noise 摇 摇 在 上 述 噪 声 链 路 图 中 噪 声 的 输 入 输 出 计 算 式 分 别 如 下 : N total_out = N 1_p + N 1_n + N + N 3,(5) N total_in = N total_out. (6) 以 上 的 分 析 过 程 完 成 了 信 息 获 取 电 路 噪 声 建

1 期 龚 学 艺 等 : 红 外 探 测 器 信 息 获 取 系 统 噪 声 特 性 83 模 的 工 作, 在 分 析 过 程 中 所 用 到 的 参 数 解 释 如 下 : ENB 为 信 息 通 道 的 噪 声 等 效 带 宽,T 为 电 路 所 工 作 的 温 度,i w 为 运 算 放 大 器 高 频 电 流 白 噪 声 谱 密 度 大 小,e w 为 运 算 放 大 器 高 频 电 压 白 噪 声 谱 密 度 大 小,f H 为 电 路 截 止 频 率, 为 分 析 所 选 择 的 最 低 频 率 值, 和 f ec 则 分 别 代 表 运 放 电 流 和 电 压 噪 声 的 频 谱 转 角 频 率 点, 其 余 的 则 具 体 为 各 个 电 阻 的 对 应 阻 值. 红 外 信 息 获 取 电 路 精 确 噪 声 模 型 的 确 立 是 系 统 噪 声 研 究 的 必 要 一 环, 精 确 的 噪 声 模 型 可 以 为 整 个 红 外 信 息 获 取 系 统 带 来 如 下 好 处 : 1) 可 以 方 便 的 得 到 整 个 信 号 调 理 环 节 每 一 个 部 分 的 噪 声 所 占 百 分 比 以 及 该 部 分 噪 声 的 主 要 成 分 ;) 在 噪 声 模 型 的 建 立 过 程 中 可 以 得 到 每 一 个 部 分 噪 声 产 生 的 主 要 原 因, 比 如 影 响 热 噪 声 和 运 放 电 流 噪 声 大 小 的 主 要 因 素 是 电 路 中 所 选 电 阻 阻 值 大 小, 影 响 运 放 电 压 噪 声 的 主 要 因 素 则 是 电 路 的 放 大 倍 数. 对 这 些 问 题 有 了 全 面 的 认 识, 可 以 在 满 足 信 息 获 取 要 求 的 前 提 下 有 针 对 性 的 进 行 降 噪 工 作. 3) 为 红 外 信 息 获 取 系 统 低 噪 声 应 用 技 术 提 供 了 理 论 支 持. 4) 噪 声 建 模 的 方 法 对 于 这 一 类 型 的 信 号 调 理 电 路 普 遍 适 用, 给 出 了 准 确 的 噪 声 数 值 解 析 表 达 式. 摇 信 息 获 取 电 路 噪 声 计 算 及 仿 真 为 了 验 证 第 一 部 分 中 噪 声 模 型 的 准 确 性, 本 部 分 针 对 于 具 体 的 电 路, 分 别 从 模 型 数 值 计 算 和 软 件 噪 声 仿 真 两 个 方 面 来 分 析 噪 声 数 值 的 大 小. 利 用 较 为 成 熟 的 噪 声 仿 真 技 术 来 验 证 所 建 立 的 噪 声 模 型 的 准 确 性. 在 本 次 设 计 工 作 中, 信 息 获 取 电 路 带 宽 选 择 为 14. 384 MHz, 满 足 探 测 器 工 作 于 3 MHz 条 件 下 的 要 求 ; 由 于 探 测 器 帧 频 为 10 左 右, 在 此 选 择 低 频 截 止 频 率 为 10 Hz; 运 算 放 大 器 选 择 为 LINEA 公 司 的 LT1810 器 件, 运 算 放 大 器 相 关 参 数 如 下 : = 10 K,f ec = 10 K,i w = 5 pa / Hz, e w = 16 nv / Hz. 摇 (7) 电 阻 除 了 = K, 9 = 660 外, 其 余 的 电 阻 值 均 为 1 K, 在 上 述 参 数 条 件 下 可 以 通 过 第 一 部 分 分 析 所 得 的 噪 声 模 型 数 学 表 达 式 计 算 得 出 此 时 的 等 效 输 入 端 噪 声 为 : N total_in = 106. 7345 滋 V. 摇 (8) 在 电 路 分 析 过 程 中 PSpice 一 直 是 一 个 重 要 的 仿 真 工 具 [4], 利 用 该 软 件 同 样 可 以 对 上 述 的 信 息 获 取 电 路 进 行 相 关 仿 真 工 作 [8], 在 此 处 重 点 关 注 信 息 获 取 系 统 的 噪 声 问 题, 此 处 对 噪 声 的 相 关 情 况 进 行 仿 真, 仿 真 结 果 如 下 : 图 5 摇 信 息 获 取 电 路 噪 声 仿 真 图, 噪 声 随 截 止 频 率 变 化 图 (a), 噪 声 频 谱 图 (b) Fi. 5 摇 Simulation of noise in sinal acquisition circuit. The total noise chane with the cutoff frequency ( a) andthe noise spectrum ( b) 从 仿 真 图 中 可 以 看 出, 在 截 止 频 率 为 14. 384 MHz 时, 对 应 的 噪 声 输 出 量 大 小 为 7 滋 v. 当 然, 此 噪 声 量 为 等 效 输 出 噪 声 值, 考 虑 电 路 的 放 大 倍 数 为, 此 时 的 等 效 输 入 噪 声 值 为 7 / = 113. 5 滋 v, 与 噪 声 数 学 模 型 的 计 算 结 果 相 似. 噪 声 频 谱 曲 线 给 出 了 噪 声 的 转 角 频 率 为 10 khz, 与 器 件 的 电 流 电 压 噪 声 曲 线 相 同. 3 摇 信 息 获 取 电 路 噪 声 实 测 分 析 根 据 前 人 的 研 究, 我 们 知 道 在 以 运 放 为 主 搭 建 的 模 拟 信 号 调 理 电 路 中, 系 统 噪 声 主 要 包 含 白 噪 声 和 1 / f 噪 声 两 种,1 / f 噪 声 是 系 统 低 频 部 分 的 噪 声, 白 噪 声 则 是 系 统 高 频 部 分 的 噪 声. 二 者 之 间 存 在 一 个 转 角 频 率, 该 频 率 主 要 由 所 选 择 的 器 件 特 性 及 电 路 结 构 特 点 决 定. 无 论 是 白 噪 声 还 是 1 / f 噪 声, 他 们 在 时 域 的 分 布 特 征 均 满 足 高 斯 分 布 [], 如 下 图 所 示 : 以 下 针 对 于 用 于 中 波 红 外 51 伊 18 伊 4 探 测 器 的 多 通 道 信 息 获 取 系 统 进 行 噪 声 定 量 化 测 试. 该 中 波 探 测 器 存 在 4 路 并 行 输 出, 四 个 通 道 的 模 拟 信 号 调 理 电 路 基 本 相 同, 均 为 典 型 的 仪 放 加 滤 波 电 路 构 成. 对 于 四 个 通 道 选 择 其 中 的 一 个 进 行 相 关 测 试. 利 用 系 统 的 AD943 和 通 信 接 口 USB. 0 完 成 对 于 空 板 图 像 信 息 的 获 取 工 作. 保 证 信 息 获 取 电 路 的 输 入

84 红外与毫米波学报 34 卷 图 6摇 1 / f 噪声( a) 和白噪声( b) 的时域统计特征 Fi. 6摇 The time鄄domain statistical characteristics of 1 / f noise ( a) and white noise ( b) 端为零,利用信息获取电路采集若干幅图像分别统 计出其时间变化曲线如图 7,统计出其分布特征并 进行相关的拟合工作,所得的结果如图 8 所示. 图 7摇 红外信息获取通路噪声变化图 Fi. 7摇 Noise in infrared sinal acquisition channel 在对空板红外图像信息获取电路进行噪声测试 的过程中有三个要点需要保证;其一是输入必须保 证是一个干净的参考源,保证接近零的噪声水平,本 测试中选择接地;其二是,统计需要大量的图像数 据,采集多帧图像,一般选择 00 幅左右;其三是,对 所得的图像数据进行噪声分析时需要注意,此时所 测得的噪声包含 ADC 的直流等效输入噪声,在进行 理论与实际对比时需要去除这一部分的噪声量,剔 除 ADC 直流等效输入噪声的办法是给 ADC 提供标 注的输入直流电压信号,使用相同的噪声统计方法, 可以得到 单 独 ADC 及 后 续 数 字 电 路 部 分 的 噪 声 N ADC,在进行模拟调理电路噪声分析时必须剔除这 图 8摇 噪声分布特征图( a),高斯拟合曲线图( b) Fi. 8 摇 Noise distribution characteristic raph ( a) and Gaussian fittin curve ( b) 一部分. 在噪声分布特征的分析过程中,由于单幅图像 灰度值以 LSB 为单位,统计过程中会出现采样率较

1期 龚学艺 等:红外探测器信息获取系统噪声特性 低,分布特征不明显的现象,因此处理过程中采用多 帧图像累加求平均的方法,可以克服灰度值欠采样 问题,此处采用 10 帧图像累加求平均,灰度值分辨 率可以达到 0. 1 LSB. 从图像的灰度直方图统计过 程( 图 8a) 可以明显的看出噪声分布接近于高斯分 布 [10],利用高斯曲线对该分布特征进行拟合,所选 用的拟合模型如下: y = ae -( x -b) c. (9) 拟合后 所 得 到 的 参 数 情 况 如 下: a = 1. 13 伊 10,b = 14. 3, c = 0. 654 1, 拟 合 确 定 系 数 高 达 5 0. 999 9,说明该模型能够非常好的描述实际噪声的 高斯分布特性,由于在高斯分布中,系数 c 与高斯分 85 方法,给 ADC 的输入接入标准参考源测试此时 ADC 的直流等效输入噪声值 MS ADC = 0. 311 7 LSB. 此时可以计算得出,信息获取系统中不含 ADC 部分,整个 模 拟 信 号 调 理 电 路 部 分 所 对 应 的 噪 声 值为: MS analo = MS - MS ADC = 0. 659 1 LSB. (1) 对应 为 AD940 此 时 的 工 作 状 态, 位 宽 为 14 bit,输 入 动 态 范 围 3. 15 V, 可 以 计 算 此 时 的 LSB: LSB = 3. 15 = 0. 190 75 mv. ( 14-1) (13) 根据此时 LSB 的具体数值可以计算模拟信号 布的标准差 滓 存在关系 c = 滓,可以求得此时的 调理部分噪声的具体数值为 14. 3 LSB,此时的分析过程中,标准差即为信息获 为了较仔细的分析模拟调理电路的噪声特性,光分 取电路此时的输出零漂电平,实验中测试的信息获 谱特性 [9],分析的对象为包含 ADC 的信息获取整个 端噪声和零漂电压值分别为: 示,测试转角频率为 30 KHz,与仿真结果 10 KHz 基 标准 差 滓 = 0. 46 5 LSB, 灰 度 平 均 值 滋 = b = 取系统的等效输出端噪声值,灰度平均值即信息获 取电路,其放大倍数为,故此时,对应的等效输入 滓 in = 滋 in 滓 = 0. 31 3 LSB 滋 = = 71. 15 LSB. 摇 (10) N analo = 0. 659 1 伊 0. 190 75 = 15. 7 滋V,(14) 析其噪声大小是远远不够的,还需要分析噪声的频 通道整体噪声,分析所得的噪声序列频谱如图 9 所 本相同,存在转角频率少量平移,这种平移主要是有 ADC 引入的,从 a 图中可以看出. 上述的标准差值与 MS 计算均是基于 10 帧图 像叠加的结果,我们知道在凝视成像系统中,多帧叠 加求平均能够起到降低图像噪声提高信噪比的功 能,信噪比的提高和图像累加的帧数 M 的开平方成 正比, 也 即 噪 声 下 降 倍. 本 例 中, 图 像 叠 加 帧 数 为 10,因此,还原至单帧图像,其噪声量大小为 滓 one_in = 10 滓 in,具体数值为 0. 731 4 LSB. 另一方面,通过对单帧灰度图像数据进行直接 的统计方法分析,可以计算此时序列所对应的 MS 值,MS 可由下列式子计算得出: MS = 1 移 ( x - x) N i =1 i N,摇 (11) 其中 x 为 灰 度 值,通 过 该 式 直 接 计 算 得 出 的 MS = 0. 79 1 LSB,可以看出此时拟合函数所对应的 标准差值和我们直接对灰度序列计算所得的 MS 值基本相同,进 一 步 证 明 了 电 路 噪 声 符 合 标 准 的 高斯分布,也 从 另 一 个 方 面 说 明 了 噪 声 测 试 方 法 的可行性. 前面的噪声分析和计算所得到的噪声 MS 数 值均为红外信息获取通道的整个通道噪声值,包含 模拟调理部分以及 ADC 直流噪声部分,利用相同的 图 9摇 噪声谱密度曲线,ADC 部分( a),整体部 分( b) Fi. 9 摇 Noise spectral density curve foradconly ( a) and thetotal ( b)

86 红 外 与 毫 米 波 学 报 34 卷 4 摇 结 果 与 讨 论 对 于 应 用 于 低 噪 声 红 外 探 测 器 图 像 信 息 获 取 的 电 路, 定 量 化 分 析 其 噪 声 情 况 至 关 重 要, 噪 声 情 况 决 定 了 该 电 路 是 否 能 够 适 用 于 探 测 器 的 需 求. 上 述 内 容 分 别 从 噪 声 数 学 模 型, 电 路 仿 真, 实 际 测 试 三 个 方 面 对 噪 声 情 况 进 行 了 分 析, 三 者 所 得 结 果 相 近, 从 而 验 证 了 分 析 方 法 与 所 得 结 果 的 正 确 性. 噪 声 分 析 的 内 容 主 要 包 括 MS 值 大 小, 统 计 分 布 特 征, 频 谱 特 性, 转 角 频 率 大 小 等. 各 种 方 法 分 析 所 得 的 噪 声 大 小 及 转 角 频 率 情 况 如 表 1. 噪 声 在 时 间 域 服 从 高 斯 分 布, 在 转 角 频 率 以 下 主 要 是 1 / f 噪 声, 在 转 角 频 率 以 上 的 噪 声 成 分 则 主 要 是 白 噪 声, 分 析 结 果 符 合 器 件 特 征. 表 1 摇 红 外 信 息 获 取 电 路 噪 声 分 析 综 合 说 明 Table 1 摇 Overview of noise analysis in the infrared sinal acquisition circuit 噪 声 分 析 方 法 截 止 频 率 噪 声 量 大 小 转 角 频 率 噪 声 数 学 模 型 仿 真 测 试 5 摇 结 论 14. 384 MHz 高 斯 拟 合 统 计 计 算 106. 74 滋 V 113. 5 滋 V 17. 滋 V 15. 7 滋 V 无 10 KHz 30 KHz 噪 声 分 析 结 果 表 明 基 于 仪 放 的 信 息 获 取 电 路 适 用 于 目 前 航 天 应 用 低 噪 声 红 外 探 测 器 的 需 求. 对 于 以 后 此 类 信 息 获 取 电 路 噪 声 分 析 均 可 采 用 上 述 方 法. 从 噪 声 的 数 学 模 型 中 我 们 可 以 知 道, 想 要 更 进 一 步 的 降 低 电 路 噪 声 值 可 以 通 过 以 下 手 段 : 1) 选 择 噪 声 水 平 更 低 的 运 算 放 大 器 ;) 在 满 足 放 大 倍 数 要 求 的 前 提 下, 选 择 较 小 的 电 阻 值 ;3) 降 低 工 作 温 度 ; 4) 在 探 测 器 建 立 时 间 进 一 步 缩 短 的 前 提 下, 可 以 减 小 模 拟 滤 波 器 带 宽 ;5) 信 息 获 取 系 统 中 使 用 高 速 AD, 对 每 一 个 输 出 像 元 信 号 进 行 过 采 样 平 均, 能 够 使 噪 声 降 低 N 倍. 6 摇 展 望 在 上 述 分 析 的 过 程 中, 已 经 完 成 红 外 信 息 获 取 系 统 噪 声 研 究 的 全 部 内 容, 通 过 分 析, 对 于 噪 声 的 数 值 大 小, 频 谱 特 性, 时 域 分 布 特 征, 主 要 来 源 均 有 较 为 清 晰 的 认 识, 这 为 下 一 步 的 除 噪, 降 噪 过 程 提 供 了 理 论 依 据, 如 结 论 中 所 列 出 的 5 种 降 噪 手 段. 在 下 一 步 的 研 究 工 作 中, 重 点 是 降 噪. 在 后 续 的 工 作 中 针 对 于 总 结 中 提 出 的 第 5 点 内 容 会 进 行 详 细 的 理 论 分 析 以 及 实 验 验 证, 以 期 通 过 该 方 法 能 够 是 的 电 路 噪 声 水 平 进 一 步 大 幅 度 降 低. eferences [1 ] Matthieu Lier. Uncooled Carbon MicrobolometerImaer [M]. California: California Institute of Technoloy Pasade 鄄 na,006: 31 41. [] Art Kay. Analysis and Measurement of intrinsic noise of the op amp circuit, TI Application Notes. [ c] ( Art Kay. 运 算 放 大 器 电 路 固 有 噪 声 的 分 析 与 测 量,TI 应 用 笔 记. ). 1 14. [3]HUANG Da 鄄 Jun,WANG Yon 鄄 Gan,ZHANG Li 鄄 Jun,et al. Hih 鄄 efficiency hih 鄄 accuracy data acquisition method and realization for IFPA test system [ J]. J. InfraredMillim. Waves,( 黄 大 骏, 王 永 纲, 张 丽 君, 等. 用 于 焦 平 面 测 试 系 统 的 高 效 高 精 度 数 据 采 集 方 法 与 实 现. 红 外 与 毫 米 波 学 报 ),011,30(4): 305 309. [4] HUANG Jin. Noise Analysis of Pre 鄄 amplifiers for Infrared Photo 鄄 detectors[ J]. Modern Electronics Technique,( 黄 静. 基 于 红 外 探 测 器 的 前 置 放 大 器 噪 声 特 性 分 析. 现 代 电 子 技 术 ),006(9): 8 83. [5]WEI Cui 鄄 Yu, HU Bin 鄄 Lian, SHAO Xiu 鄄 Juan, et al. e 鄄 searchon low noise desin of HCdTe infrared detectorampli 鄄 fyin circuit based on OCAD [J]. Chinese Journal of Elec 鄄 tron Devices,009,3(): 34 38. [6] HUANG Son 鄄 Lei,ZHANG Wei,HUANG Zhan 鄄 Chen,et al. The noise of the extended wavelenth InGaAs FPA with lare perimeter area ratio[j]. J. InfraredMillim. Waves,( 黄 松 垒, 张 伟, 黄 张 成, 等. 大 周 长 面 积 比 延 伸 波 长 InGaAs 红 外 焦 平 面 噪 声. 红 外 与 毫 米 波 学 报 ),01,31 (3): 35 38. [7]Gon Han, Chen Hao 鄄 Yu. The Desin and ealization of an Optic = Electric Detectin Circuit for weak sinal[ J]. Sci 鄄 ence & Technoloy Information. ( 龚 涵, 陈 浩 宇. 微 弱 光 信 号 检 测 电 路 的 设 计 与 实 现. 科 技 信 息 ),007(7): 85 87. [8] Hou Yon 鄄 Yan, Guo Wen 鄄 Qian. esearchon Simulative a 鄄 nalysis of thedifference amplifier base on PSPICE[ J]. Mi 鄄 crocomputer Information. ( 侯 勇 严, 郭 文 强. PSpice 在 差 分 放 大 电 路 分 析 中 的 应 用. 微 计 算 机 信 息 ),006,3,09Z: 303 305. [9]Li Yuan 鄄 Min, Chen Wen 鄄 Tao. The preamplifier circuit de 鄄 sin of weak optical sinal[j]. Electronic Component & De 鄄 vice Applications. ( 李 远 明, 陈 文 涛. 微 弱 光 信 号 前 置 放 大 电 路 设 计. 电 子 元 器 件 应 用 ),007,8,9(8): 148 153. [10]SUI Xiu 鄄 Bao,BAILian 鄄 Fa,CHEN Qian,et al. Alorithm for eliminatin stripe noise in infrared imae[ J]. J. Infrared 鄄 Millim. Waves,( 隋 修 宝, 柏 连 发, 陈 钱, 等. 红 外 图 像 条 纹 噪 声 消 除 办 法. 红 外 与 毫 米 波 学 报 ),01,31 (): 106 11.