非制冷红外焦平面阵列信号读出电路设计与分析

发布时间：2020-07-29 21:14

【摘要】：红外热成像技术是当今夜视技术的重要组成部分。非制冷红外成像仪凭借其体积小、重量轻、容易便携等优点已经成为当今红外热成像技术的发展重点。在物联网与计算机视觉蓬勃发展的今天,非制冷红外成像技术将会承担更多的目标探测功能。非制冷红外成像仪的核心部件为非制冷红外焦平面阵列及其读出电路,其中读出电路主要是完成焦平面像元电学特性变化的转换、放大、采样、输出等功能。根据非制冷红外热成像技术的基本原理,本文首先介绍了红外热成像理论,为读出电路的设计与分析提供理论基础。本文所提出的读出电路由偏置电路模块、CTIA积分放大模块、采样保持模块和时序控制模块组成。在对比了电压偏置与电流偏置两类偏置方式后,本文选择了线性范围更大的电流偏置方式作为读出电路的偏置电路。本文还分析了5种积分放大电路的优缺点和应用范围,最后选择了电容反馈跨阻放大器(CTIA)作为读出电路的积分放大模块。为了抑制读出电路输出信号所含有的低频噪声,本文采用了基于相关双采样策略的采样保持电路。最后通过仿真验证了此读出电路的可行性。本文还对所设计的读出电路进行噪声分析。在改变偏置电流大小、积分时间长短的情况下分析了系统性能。为实际工程中电路相关参数的选择提供了理论基础,针对实际系统的帧率、输出强度、温度分辨率选择合理的电路参数。本文对非制冷红外焦平面阵列像元响应的非均匀性进行了分析,介绍了两类常用的校正方法,并提出了基于偏置电流的非制冷焦平面非均匀性校正方法,完成对像元初始阻值和吸收效率差异的校正。对校正方法进行了仿真验证。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN21
【图文】：

红外成像系统,组成部分,原理,读出电路

会困难重重（Leathers 等，2005，2006；Fischer 等 2007），因此研究和设计高性能的读出电路是从根本上提高系统整体性能的有效途径。由于红外成像技术在军事上应用广泛，欧美发达国家将高性能、高分辨率的红外成像系统相关技术严格保密，因此设计拥有自主产权的读出电路也显得十分必要。由于读出电路需要将微弱的电学信号有效放大读出，这也为其他场景所需要的高性能微弱信号读出电路（徐斌，2010）的设计提供思路。1.2 红外成像技术概况红外成像系统是指能对外界红外辐射强度做出响应，并用于成像的仪器，由能对红外辐射产生响应的二维传感器阵列以及信号读出电路构成，前者即红外焦平面阵列，其中的传感器被称为响应像元或像元，后者即读出电路。其原理和组成部分如图 1.1 所示。

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非制冷红外焦平面阵列信号读出电路设计与分析易竞争对手。2005 年该公司推出了三款不同型号的热像仪芯片：SIM500L（像元中心距 46μm，像元数 160×120）、SIM500H（像元中心距 28μm，像元数 320×240）和 SIM500X（像元中心距 28μm，像元数 640×480）。2009 年 BAE 在 17μm小像元制备上取得突破，像元扩展至 1024×768，噪声等效温差不大于 35mK。位于智利拉帕纳天文台的 VISTA 天文望远镜装配的超大规模焦平面阵列高达 8192×8192，该焦平面由 16 块 2048×2048 碲镉汞材料焦平面阵列拼接而成（Rogalski，2011），如图 1.2（a）。雷神公司也有类似的拼接产品（唐明，2012），如图 1.2（b）。随着材料科学的进步以及制作工艺的不断发展，近年来红外成像技术发展越来越多样化，像元规模也越来越大，同时像元中心距也越来越小（Fraenkel 等，2006）。研制单位更充分地考虑产品地应用需求以及自身

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绪论电路来满足。路的结构是把成像系统中处理电学信号以及光热转换中各种电路，其基本功能是对红外焦平面阵列信号的转换器或者显示器端口。ROIC 一般是 CMOS 工艺（Vin外成像系统中读出电路一般与焦平面阵列联结或者nt 等，2015）。

【参考文献】