像素级数字化轻小型高灵敏度红外相机研究

龙 亮，吴立民，刘雨晨，封宇航

(北京空间机电研究所，北京市航空智能遥感装备工程技术研究中心，北京 100094)

0 引言

空间红外成像技术在监视、环境监测和资源调查等方面具有广泛应用。地球上大部分区域可近似为一个平均温度约10～30 ℃的灰体，其辐射峰值在长波红外波段。因此，利用高灵敏度的长波红外成像系统可获得地物目标更多温度细节信息，有利于分辨微弱的温差信号。目前，星上长波红外成像系统探测灵敏度提升的主要限制因素之一是受饱和电子数限制，相机在轨电荷利用率较低；另外，由于模拟电路读出噪声的影响，使得推扫型红外相机灵敏度随TDI级数提升效果有限。目前在轨长波红外相机系统的噪声等效温差(NETD)一般在20mK以上。要继续提升空间长波红外相机的成像灵敏度，一是要突破饱和电子数的限制，大幅提升相机的电荷处理能力，二是要在轨条件约束下实现系统噪声量的可控及整机的工程可实现。本文基于像素级数字化积分成像新体制，开展低轨轻小型高灵敏度空间红外相机技术研究，力求在有效降低整机口径的同时，突破现有长波红外相机灵敏度瓶颈，使系统NETD降低到10mK以内。

1 空间红外相机灵敏度提升影响因素分析

1.1 红外相机电荷处理能力与灵敏度关系

在一定条件下红外相机信噪比(SNR)与噪声等效温差(NETD)成反比关系：相机SNR越高，相机的NETD就越小。另外，当信号电荷量很大时，信号电荷量成为决定SNR的主要因素：当信号电荷量远远大于其他噪声时，SNR同信号电子数呈正相关关系，信号电子数越多(电荷处理能力越强)，则SNR越高。因此，提升红外相机温度灵敏度，有效降低相机NETD，相机需具备更强的电荷处理能力。

根据相机NETD和信噪比SNR的定义及模型，推导NETD与SNR的关系式如下：

(1)

其中，L为光学系统入瞳处目标辐亮度，δ为过程因子, 为目标单位温度变化引起的辐射出射度变化。

信噪比为信号电子数和噪声电子数之比，如下式所示。

(2)

式中，Qs分别为入射目标辐射产生的电子数，Nphoto为光子噪声电子数，Nother包括电路噪声、量化噪声等。由式(2)可知，当信号电荷量很大，且其他噪声量相比光子噪声量较小时，电荷量是决定信噪比的主要因素，当信号电荷量增长导致光子噪声增长量远远大于其他噪声增长量时，信噪比同信号电子数呈正相关关系。根据式(1)和式(2)，仿真得到长波红外谱段电荷处理量与NETD的关系如图1所示。

图1 不同温度下电荷处理量与NETD的关系

由图可知，相机NETD要提升到10mK以内，理论上需要相机电荷处理量达到400Me-以上；NETD要达到5mK，电荷处理量要达到1000Me-以上。

1.2 低轨卫星约束下推扫式长波红外相机灵敏度提升途径

以轨高500km，分辨率15m的指标为输入，得到低轨推扫式红外相机单像元驻留时间为2ms左右。考虑充分利用驻留时间，对于等效黑体温度为300K的目标，计算得到中、长波3～5μm、8～10μm、8～12μm这几个谱段的最大可探测电荷量，并以目前常规模数转换红外探测器饱和电子数为40Me-，计算现有红外相机在轨电荷利用率如表1所示。

表1 常规红外成像系统在不同波段的电荷利用率

可见，目前中波红外电荷利用率能达100%，而长波电荷利用率很低。也就是说，对于低轨推扫式长波红外相机，受限于饱和电子数，其有效积分时间远小于像元驻留时间，造成电荷利用率低，灵敏度提升受限。因此，要提升低轨推扫式长波红外相机的灵敏度，关键在于突破饱和电子数限制，提升在轨电荷利用率。

2 基于像素级数字化积分体制的推扫型长波红外相机

随着新技术的发展，像素级数字化红外成像技术已经成为提升载荷灵敏度的有效途径，其超大电荷处理能力在甚高灵敏度红外成像探测领域潜力巨大。

2.1 像素级数字化体制技术原理

像素级数字化新体制相机探测器读出电路采用了光子信息数字累加方法，当相机开始工作时，探测器电荷在积分电容上进行积分产生一个积分电压，当积分电压达到设计的参考电压时，进行1次累加计数，同时探测器清零复位，然后开始下一次积分，当积分电压再一次达到参考电压时，再进行一次累加计数，同时探测器再一次清零复位，在很长的积分时间内一直重复上述过程。如图2所示。

在若干次积分、计数、复位这样的重复处理过程中，无需存储每次的信号电荷，仅需记录积分总次数。只要计数器的位数足够高，就可以在很长的积分时间内一直接收信号光电流。在经过数万次积分后，输出积分总次数，即可实现千兆量级(1000Me-)信号电荷的探测，从而大幅度提升相机灵敏度，使相机NETD优于10mK。

图2 像素级数字化体制工作流程

2.2 像素级数字化体制提升灵敏度分析

传统红外成像体制的噪声源主要有散粒噪声、读出噪声等，像素级数字化红外体制噪声源包括散粒噪声、复位噪声、比较器噪声等，分别建立两种体制下的相机灵敏度模型，仿真对比在相同约束条件下两种体制灵敏度提升情况如下图所示。

图3 常规体制与新体制电荷处理能力影响灵敏度分析

电荷处理量在几十兆以内时，常规体制红外相机发展成熟，噪声量相对于信号量抑制得更好，40Me-以内常规体制相机灵敏度更高一些，但存在灵敏度瓶颈；新体制随着电荷处理量的增大，NETD指标不断降低，经过几百兆电荷量处理后，NETD可优于10mK，并可随电荷量的增加进一步降低。

此外，对于低轨空间红外相机，当电荷处理能力提升后，需要通过TDI技术获取更多的等效积分时间，以获取足够多的信号电荷。接下来对常规体制与新体制通过TDI提升灵敏度的效能进行分析。

对国内一款典型的常规体制长波红外线阵TDI相机进行实测，结果表明：相机NETD随着TDI级数N增加时，并未呈N1/2关系下降，级数越大偏离越多。这主要由量化噪声和读出电路噪声组成的读出噪声项比重逐渐升高，TDI级数越多读出噪声占总噪声比重上升越快所引起。随着N的增加，读出电路版图的布线密度会越来越高，信号线的走线长度也随着增加，信号线长度的增加与间距的变小均会引入显著的寄生效应，随着TDI级数不断增加，读出电路噪声超过光子噪声成为探测器主要噪声来源时，灵敏度将不会随着TDI级数增加而提升。这也是目前常规红外探测器TDI级数不超过8级的主要原因。

图4 某常规红外相机NETD随TDI级数变化实测

图5 常规体制与新体制TDI级数影响灵敏度分析

对于像素级数字化新体制红外相机，由于光电流积分信号在各像素内独立完成AD转换，再进行数字信号累加，因此各像元间不会产生相互干扰，噪声来源只存在于像素单元，参与TDI的信号均为数字信号，寄生电容电阻及有源器件自身的热噪声等噪声不会增加读出电路噪声，像素级数字化TDI探测器中光子噪声在各噪声来源将始终占主导地位，相机NETD将随着TDI级数的增多而有效降低，灵敏度得到有效提升。

2.3 新体制相机实测数据

基于像素级数字积分新体制，已研制了一台推扫式红外相机，相机主要由相机主体、综合信息处理器、供配电模块、数据存储设备等组成，相机主体主要包括光学镜头、探测器、制冷装置等部分，组成框图如图6所示。

图6 新体制相机组成框图

相机主要参数如表2所示。

表2 新体制相机主要技术指标

图7 新体制相机实物

经实验室测试，相机在电荷处理量接近1Ge-时，实验室测试平均NETD已接近5mK。

图8 新体制相机NETD实测结果

3 轻小型高灵敏度空间红外相机指标分析

以轨高500km，星下点几何分辨率15m，NETD优于10mK为指标要求，基于像素级数字化体制，开展轻小型高灵敏度推扫式TDI空间红外相机指标论证。设探测器像元中心间距为30μm，这样对应相机光学系统焦距需要1m。在相机F数的选取上，小F数光学系统能在相同时间内获取更多信号能量，但这同时要求光学口径更大，显著增加载荷体积重量。考虑增大相机F数至5，通过增加TDI级数来补偿由于口径变小而造成的信号能量不足。新体制轻小型红外相机主要技术指标论证结果如表3所示。

表3 新体制相机主要技术指标

像素级数字化轻小型空间红外相机通过大F数设计，口径相对于常规红外相机降低至少2倍，预估体积、重量比常规体制相机将缩减一半以上，并且基于新体制的巨大电荷处理能力优势，通过16级数字化TDI的数字信号累加，还能有效实现相机NETD优于10mK的高灵敏度指标。

4 结论

本文系统分析了低轨长波红外相机灵敏度提升的限制因素，介绍了像素级数字化新体制的技术原理，对比分析了新体制对灵敏度提升的效果，并通过工程研制验证了新体制对于灵敏度提升的可行性，最后基于新体制论证了轻小型高灵敏度空间红外相机的技术指标体系，像素级数字化红外相机技术将是未来空间轻小型高灵敏度红外技术的重要发展方向。