320×256二类超晶格红外探测器图像采集系统设计

刘文浩 董峰

关键词： 红外探测器; 图像预处理; 红外成像系统; 驱动电路; 噪声等效温差; FPGA

中图分类号： TN216?34                         文献标识码： A                       文章编号： 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

二类超晶格材料在高性能制冷型红外探测器领域有重要应用，其具有量子效率高、焦平面探测器响应时间快、暗电流低、焦平面工作温度高、响应波长从3～30 ?m可调等优点[1?3]。长波红外成像系统在国防、工业和医疗等多方面有着广泛的需求[4?7]。2013年中国科学院上海技术物理研究所研制出了我国第一个高性能超晶格长波红外焦平面，像素元数为320×256，在77 K温度下[8?9]，此焦平面的100%截止波长为10.5 μm，盲元率为2.6%，非均匀性为6.2%。本文主要介绍基于二类超晶格探测器进行长波红外波段的图像采集系统的设计，包括系统组成以及软硬件模块设计。

1  二类超晶格红外成像系统

本文设计的成像系统采用面阵规模为320×256大小的基于二类超晶格技术的长波红外焦平面制冷组件作为成像载体。该探测器配备一个斯特林制冷器，供电电压为24 V，制冷机稳定工作温度为60 K。该制冷机具有外接测温二极管。探测器实物图如图1所示。该二类超晶格探测器具体参数如表1所示，工作的波长范围为8～12.5 μm，150 μs积分时间下，噪声等效温差（NETD）为30 mK。成像系统配置的镜头为100 mm长波镜头，F数为2。数字信号处理模块采用Altera公司的Cyclone Ⅲ系列EP3C55芯片，模/数转换芯片采用ADI公司的AD7626芯片。探测器电源电压和偏置电压由驱动电路上不同的LDO芯片提供，模拟电源和数字电源电压由ADI公司的低压差线性调节器ADP7102芯片提供，在输出端连接反馈电阻获得相应的电源电压值。偏置电压采用ADI公司的ADR44X系列基准电压源芯片，通过在输出端用不同的电阻分压得到不同的偏置电压值。

上位機配置的320×256采集系统，包含PCI图像采集卡和工控机。信息处理板将探测器输出的模拟信号通过模/数转换器转化为数字信号，经过板上FPGA的缓冲、组包处理，采用三线制LVDS通道将图像数据上传至上位机，上位机负责实时显示与存储。系统框架见图2。

2  二类超晶格红外成像系统模块设计

2.1  红外成像系统硬件模块

该系统主控芯片采用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，主要应用于逻辑设计和简单的数字信号处理。FPGA支持JTAG协议，JTAG接口电路设计主要用于内部测试以及对系统进行调试和仿真。连接JTAG接口可以访问FPGA的所有内部资源，还能实现FPGA系统软硬件的实时在线分析调试。EP3C55U484芯片满足本系统对主控芯片的要求。AD7626是ADI公司的16位高速串行差分逐次逼近型ADC，该芯片具有良好的噪声性能和线性度以及较高的动态范围，数据吞吐速率高达10 MSPS，符合系统对模/数转换器的要求。本系统选用AD7626回波时钟模式对模拟数据进行采样。EP3C55芯片通过该模式对数据进行串并转换并同步到系统其他模块。探测器模拟电源和数字电源电压由ADP7102芯片提供，该芯片是ADI公司生产的CMOS低压差线性调节器，具有较低的输出噪声，输出噪声有效电压值为15 μV。为优化驱动电路性能，在芯片输入端连接1 μF的旁路电容来降低电路对PCB布局的敏感度。探测器所需的偏置电源的产生利用XFET系列基础电压源，采用ADI公司的超低噪声、高精度和低温度漂移性质的ADR44X系列芯片，并在芯片的输入和输出端并联小电容来稳定电路性能以及优化输出电压瞬态特性。在实验中，对探测器偏置调节电压进行调整，以便获得最佳模拟信号输出。为使二类超晶格探测器正常工作还需要4.8～5 V的驱动脉冲电平，系统采用主控芯片EP3C55U484C6芯片提供探测器所需时序驱动信号，电压值为3.3 V，选用TI公司的SN74LVC4245A芯片将3.3 V输入转换成5 V输出，为探测器提供符合要求的驅动脉冲电平。图像采集系统的硬件架构见图3。

2.2  红外成像系统逻辑模块

探测器工作需要符合要求的上电顺序以及时序信号，控制探测器的时序逻辑设计采用FPGA实现，由内部逻辑输出帧同步信号、行同步信号、串行控制指令、探测器主时钟，该成像系统帧频为20 f/s。待探测器正常工作后输出模拟信号至数字信号处理模块，经模/数转换模块和16位串并转换输出数字信号，再到数据打包模块，与每帧数字信号同步，探测器一帧图像有256行，每行有效像元数为320，每个像素量化为16 bit，长度为2 B，一帧图像81 920个像元数据前后分别添加帧头、帧尾数据，再到三线制模块通过三线制LVDS将信号传入上位机采集程序进行实时图像显示与存储。成像系统整体逻辑结构如图4所示。图像采集系统通过RS 422接口与上位机通信，发出上电或下电指令以及积分时间调整指令。RS 422由RS 232发展而来，其改进了RS 232通信距离短、速率低的缺点，定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10 Mb/s，传输距离延长到1 000 m，是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范[10]。

2.3  系统逻辑验证

为测试成像系统逻辑正确性，通过片内逻辑分析仪，实时捕获设计程序内部信号和端口信号波形，得到驱动时序电平、A/D数据、三线制数据输出等波形见图5。

3  二类超晶格红外成像系统实验测试及结果

3.1  实验平台搭建

为验证成像系统性能，实验平台如图6所示，图6a）为实验平台侧视图，图6b）为实验平台俯视图。成像系统由红外光学镜头、二类超晶格探测器杜瓦组件、驱动电路、信号处理电路、稳压电源、上位机以及黑体辐射源组成。在制冷机制冷至探测器芯片所需温度时，由上位机发送上电指令，调整探测器积分时间，并实时显示与存储图像数据。

3.2  黑体定标实验

通过对不同温度（21.3 ℃，24.0 ℃，27.0 ℃）的黑体进行定标实验，得到在不同积分时间下的定标数据，剔除无效的噪声等效温差数据，得到整体系统的噪声等效温差如表2所示。在120 μs积分时间下，该成像系统平均噪声等效温差为33.379 mK;在150 μs积分时间下，该成像系统平均噪声等效温差为32.937 mK。

3.3  目标成像实验

成像系统正常工作时，调整积分时间至120 μs，将得到数据图像进行预处理，采用周围8位像素进行差值运算替换盲元，经阈值提取有效像元数据。成像系统对目标成像结果如图7所示，拍摄的目标为人的手和衣袖部分，手与背景界线清晰。结果表明该图像采集系统能满足二类超晶格成像要求。

4  结  论

为了验证320×256面阵的二类超晶格红外焦平面探测器性能，设计探测器驱动电路，通过信息获取电路采集图像。本文搭建的红外成像系统获取到清晰的长波红外图像，当探测器在300.1 K黑体的照射下，积分时间150 μs时，整个成像系统的平均噪声等效温差（NETD）约为30 mK，与探测器设计值吻合，验证了探测器的性能，对将来整个基于二类超晶格长波红外成像系统的设计具有参考意义。

参考文献

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