高信噪比红外信号采集电路研究

张 兵， 汪江华， 朱寅非， 赵雪景， 孙小亮， 潘晓东

(1.中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000； 2.空军石家庄飞行学院, 石家庄 050081)

0 引言

红外成像技术在军事和民用领域均具有广泛的应用,在组成成像系统的各模块中，红外探测器是构成系统的核心器件。现今制冷型焦平面探测器输出多为模拟电压信号[1]，随着探测器灵敏度的加强，其表现为典型的高速大动态范围微弱模拟信号，这给高信噪比的模拟信号采集电路设计带来了难度。文献[2]介绍了基于美国ADI公司的16位高信噪比采样芯片的采样电路，其对雷达回波信号进行采集，信噪比达到70 dB(在40 MHz条件下)。文献[3]介绍了对HgCdTe光伏型红外探测器输出电流信号进行采集的电路，由于该电路需对电流信号进行转换，信噪比仅达到50 dB。对于红外成像系统而言，信号处理的数据源于信号采集电路，能否实现高信噪比的信号采集是红外成像系统实现微弱目标探测的关键因素，这对于提高红外搜索跟踪系统作用距离及增强飞行员对抗优势具有重要意义。

本文设计基于法国SOFRADIR公司生产的某大阵列制冷型焦平面探测器，对其输出的模拟信号进行采集，并对采集电路性能指标和组件成像效果进行测试。

1 采样电路设计

信号采集模块实现模拟量到数字量的转换，是成像系统中噪声引入的关键环节[4-5]。信号采集过程中的失真、采样深度、输出范围等因素直接影响模块输出数字信号的准确性，对微弱小目标的探测影响巨大。

信号采集电路由多个部分组成，图1为其结构框图。在该模块中，探测器输出的模拟信号为微弱信号，在信号调理电路中对其进行缓冲、幅度放缩、单端-差分转换、共模失调调整等一系列处理，是实现采样电路高信噪比的关键。采样单元对输入的模拟信号进行模数转换，在芯片选型、与前端后端匹配方面需重点考虑。根据探测器输出模拟信号的动态范围，本文设计的指标要求设定为实现高于75 dB信噪比和低于23 mK的噪声等效温差。

图1 信号采集模块结构框图Fig.1 Block diagram of signal acquisition module

1.1 信号分析

不同的模拟信号对应不同的采样方式。对于法国SOFRADIR公司生产的某大阵列制冷型焦平面探测器输出的模拟信号而言，当探测器输入主时钟为10 MHz，积分时间为3.6 ms时，探测器输出电压范围为0.9～3.0 V(饱和电压-零通量电压)，输出信号像素频率与探测器输入主时钟频率一致。当目标辐射差异较大时，探测器输出信号为典型的高速大动态范围微弱模拟信号。

1.2 电路实现

1.2.1 信号调理与采集

完成信号的模数转换需要经过信号调理和模数转换两个阶段。电路进行采样前，需要根据被采样信号的特点进行信号调理，以使其与模数转换芯片的最佳输入状态相匹配。

在该调理电路中，电路的增益由反馈电阻RF,RG控制，R3用于PCB走线的阻抗匹配。信号源部分用ADA4899组成的同相运放电路代替时，即组成完整的信号调理电路。

在模数转化阶段，模数转换芯片实现信号从模拟量到数字量的转换，为信号采集电路的核心芯片之一[6]。当采样频率为10 MHz(不考虑过采样)左右，16位采样芯片可实现最大信噪比。LTC2216为一款低噪声、16位采样深度、最高80 Msps采样速率的高精度模数转换芯片，具有2.7 V(峰峰值)高输入电压范围，基底噪声低至81.5 dB，可实现微弱信号的有效采集。

图2 LTC6403应用电路Fig.2 Application circuit of LTC6403

1.2.2 噪声计算

信号调理电路的噪声主要来源于电路中工作的各种无源和有源器件。热噪声在电阻噪声成分中占主要部分，在本文的噪声分析中，主要考虑电阻的热噪声影响；运算放大器的等效输入噪声主要由白噪声和1/f噪声组成[7]，具体到噪声模型时，主要为运放的等效输入电流噪声和等效输入电压噪声。

将电路中的主要噪声源列出后，电路噪声模型如图2所示。在信号调理电路中，利用噪声源相互独立的特性和电路叠加定律来简化计算，当电路对称时，RG1=RF1=RG2=RF2时，信号调理电路主要噪声电压输出为

(1)

式中：UN1,UN2分别运放ADA4899、LTC6403的噪声电压源产生的噪声电压；EtRG1为电阻产生的噪声电压；In2+为运放噪声电流源。代入芯片和无源器件参数计算可得Vn=104.9 μV。

当信号幅度为0.9～3.0 V时，信号调理电路的信噪比可达87 dB，相较于采样芯片81.6 dB的信噪比指标，信号调理电路引入噪声较小，不会对模数转换过程造成影响。

2 指标测试

SNR和NETD是评价信号采集电路和成像组件性能指标的重要参数。在本测试中:SNR表示整个信号采集电路的信噪比；NETD表示成像系统噪声等于两温度点响应值之差时的温差，是红外成像系统的客观评价指标。

2.1 平台搭建

根据测试需求，平台的结构框图如图3所示。

图3 测试平台结构框图Fig.3 Block diagram of test platform

由图3可知，平台由目标、成像组件和测试设备3部分组成；目标由黑体组成，便于温度精确控制和两点校正；成像组件的主要部分是探测器、信号采集单元和信号处理单元；NETD由红外热成像系统性能参数测量仪完成。

2.2 测试数据及分析

根据图3所示的结构框图搭建测试平台，测试分为两个部分，即组件的噪声电压水平测试和NETD测试。

在组件的噪声电压水平测试中，由于结构要求，采样电路分为两个部分，其中，信号调理部分位于带有较长柔性线缆的电路中；将探测器和信号处理平台结合，并接通电源、黑体、调试机、显示器等，搭建成测试平台。

在测试过程中，以不同的探测器积分时间为变量，设置黑体温度为26 ℃，同时测量25 ℃，26 ℃两点目标电压响应值，此时根据文献[8]给出的NETD表达式计算组件的NETD。应当注意，红外图像固有的非均匀性对噪声电压的影响巨大[9]，应在测试前对图像做非均匀校正。实际测试数据如表1所示，其中,噪声电压值为10次测量均值。

表1 电路噪声电压测试

积分时间对噪声电压Vn，SNR，NETD的影响曲线如图4所示。为了便于观察比较，图4中Vn(噪声电压)扩大50倍，以积分时间T为变量，考察噪声电压值在不同积分时间下的大小。分析可知，随着积分时间的增加，探测器响应电压值增大，噪声电压随之增量，SNR下降。同时由于噪声电压增量不及积分时间增加带来的响应电压差的增量，组件的NETD指标有所下降，这与探测器的响应特性相关。考虑到探测器输出的信号源本身带有噪声，在考察信号采集电路信噪比时，可以以成像组件信噪比测试中的最大值作为信号采集电路的信噪比，即信号采集电路的信噪比大于76 dB。积分时间为3.6 ms时，组件NETD计算值小于17 mK，相较于试验中使用探测器的NETD典型值为20 mK，本信号采集电路没有引入过多噪声，信号采集电路和该型探测器匹配良好，同时亦能说明探测器驱动电路工作良好。

图4 不同积分时间下Vn,NETD,SNR的响应Fig.4 Response of Vn，NETD and SNR at different integration time

组件的NETD测试较为简单，将图3测试平台中的黑体更换为NETD测试设备即可，环境温度为27 ℃时，测试所得到的数据如表2所示。

表2 成像组件NETD测试

分别以取景帧数、取景温差为变量，进行多次测量,组件的NETD可以稳定在20.5 mK左右，略大于表1中给出的3.5 ms积分时间下的NETD值(17.5 mK)，原因在于在进行NETD测试时，加装光学镜头引入了额外的噪声，引起NETD的少量增加。

2.3 目标成像分析

如图5所示,加装简易的光学镜头后观察远近景目标的成像画面，可以看到在图中手掌成像画面掌心的纹路清晰，掌部温度亮暗分明，调整镜头焦距后，可以观察到指纹纹路。调整焦距观察远处景物时，建筑物层次丰富，细节清晰可见，说明组件的微弱目标探测能力较强。

本文设计着重于实现信号采集电路的高信噪比。理论上，测试信号采集电路的信噪比需以理想的正弦波为信号源，确保源端不会给信号采集电路引入额外的噪声。在电路的设计过程中，针对红外信号特点进行电路设计和噪声分析，使得实际电路的信噪比大于76 dB。在测试过程中将组件的SNR和NETD相结合，分析了噪声电压水平、组件信噪比、组件噪声等效温差之间的相互影响，结果表明，此信号采集电路适用于高性能制冷焦平面探测器的信号采集。

图5 红外组件成像结果Fig.5 Infrared component imaging pictures

3 结束语

在成像系统中，高信噪比信号采集电路是模拟输出型探测器数据转换过程中必不可少的一部分，是系统实现微弱小目标探测的关键。本文设计从探测器输出模拟信号分析、信号调理、信号采集等方面入手，设计了一款高信噪比红外信号采集电路。为实现高信噪比指标，采用了16位模数转换芯片，并从探测器输出信号的阻抗匹配、电平匹配、时钟、电源和PCB布局布线等方面降低电路中的噪声。相较于当前红外成像电路普遍的70 dB左右的信噪比，此电路实现了高于76dB的信噪比指标，能够采集目标微弱的红外辐射，增强了红外成像系统中微弱小目标的探测能力。本文设计对高性能制冷型焦平面探测器构成的成像组件信号采集电路设计具有重要借鉴意义。

[1] 蔡毅,王岭雪.红外成像技术中的9个问题[J].红外技术,2013,35(11):671-682.

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