高靈敏度Ⅱ類超晶格長波紅外探測系統研究

本文內容轉載自《紅外與毫米波學報》2019年第6期，版權歸《紅外與毫米波學報》編輯部所有。

饒鵬，張磊，趙雲峰，陸福星，許佳佳，王芳芳

中國科學院智能紅外感知重點實驗室，北京跟蹤與通信技術研究所，中國科學院上海技術物理研究所，中國科學院紅外成像材料與器件重點實驗室

摘要：以Ⅱ類超晶格320 × 256長波紅外探測器為核心部件，開發了一套高靈敏度長波紅外探測系統。介紹了Ⅱ類超晶格紅外探測器的技術指標及系統的主要結構和工作方式。為充分發揮該紅外探測器的靈敏度，設計了高靈敏度信息獲取系統，並介紹了該信息獲取系統的軟硬體設計。該信息獲取系統採用了自適應信號調理技術，以降低信息獲取雜訊，提升探測系統的靈敏度和動態範圍。最後對整套長波紅外探測系統開展了信息獲取雜訊測試、系統性能測試及外場成像實驗。實驗結果表明：長波紅外探測系統的信息獲取雜訊低至0.065mV，系統的雜訊等效溫差（VETD）達到19.6mK，黑體探測率為7.72 x 10¹⁰，外場成像質量良好，圖像細節清晰，對比度高。該長波紅外探測系統有利於推動Ⅱ類超晶格紅外探測器在高靈敏度長波紅外遙感探測中的應用。

關鍵詞：光電探測器；長波紅外；高靈敏度；Ⅱ類超晶格

0 引言

紅外遙感技術利用探測場景的溫度和發射率差異形成的紅外輻射差實現目標探測識別，具有覆蓋範圍廣、隱蔽性好、抗干擾能力強、全天候工作和可識別偽裝目標的特點，在氣象觀測、環境監測、地球資源勘探以及目標偵察等領域廣泛應用。隨著第三代紅外探測器技術的不斷發展，紅外遙感探測系統向著更高探測靈敏度的方向發展，以實現更高的探測能力，滿足弱目標的探測需求。

目前應用最廣泛的是碲鎘汞探測器，為了獲取更好的紅外探測材料，InAs/GaSbⅡ類超晶格材料於1987年被用於紅外探測。Ⅱ類超晶格紅外探測器具備量子效率高，暗電流低，器件均勻性好以及覆蓋譜段範圍廣（3-30um）的優點，有較大的應用前景和發展潛力。德國的AIM和IAF在2006年開發了384 x 288Ⅱ類超晶格中波雙色探測器，譜段為3-4um和4-5um，NETD達到12mK和22mK。2009年美國Raytheon和JPL研發了1024 ×1024Ⅱ類超晶格長波紅外探測器，探測率達到1.1×10¹¹。2012年美國的西北大學研發了1024 × 1024Ⅱ類超晶格長波紅外探測器，在製冷溫度68mK時NETD達到22.5mK，量子效率約78%。中國科學院半導體所研製了截止波長達到10um和16um的Ⅱ類超晶格探測器材料，中國科學院半導體所等還研製了640 x 512的Ⅱ類超晶格長波探測器；西安電子科技大學研究了規模為128 × 128的短波紅外探測器；上海技術物理研究所的陳建新、周易等也研製了截止波長為12.50um的長波InAs/GaSbⅡ類超晶格紅外探測器。上述研究表明了Ⅱ類超晶格探測器在中波和長波紅外譜段的高性能、低暗電流和高工作溫度的優點，是研製高靈敏度長波紅外探測系統的重要基礎，因此，以上海技術物理研究所研製的Ⅱ類超晶格長波紅外探測器為核心部件，構建了一套高靈敏度長波紅外探測系統，並通過實驗驗證了該系統的各項性能。

1 長波紅外探測系統概述

1.1 Ⅱ類超晶格長波紅外探測器介紹

該長波紅外探測系統的核心組件是上海技術物理研究所研製的Ⅱ類超晶格面陣型長波紅外探測器，其部分性能指標如表1所示，杜瓦組件如圖1所示。該探測器的響應譜段為8 -12um，採用CTIA型讀出電路，封裝在微型金屬杜瓦中，內置集成式制冷機，工作溫度約65K，有4路模擬輸出通道。

圖1 Ⅱ類超晶格長波紅外探測器杜瓦組件

1.2 系統主要結構

該長波紅外探測系統的主要結構如圖2所示。場景的紅外輻射經過光學系統後聚集在紅外探測器上，通過光敏元的光電轉換並將信號傳遞給讀出電路，最後輸出模擬圖像信號至信息獲取系統。信息獲取系統除對紅外探測器提供模擬偏壓和數字時序驅動外，最主要的功能是對探測器輸出的模擬圖像信號進行減偏置、放大和濾波等信號調理並進行AD轉換。該信息獲取電路採用了自適應信號調理技術，內置數字模擬轉換器（DAC）和可調增益放大器（VGA），可動態調節偏置電壓和放大倍數，從而自適應捕捉紅外場景變化，實現降低信息獲取系統雜訊、提高系統動態範圍的目的。信息獲取系統將數字化的紅外圖像信號傳輸至NI PXI圖像採集設備，並最終傳輸至PC機完成處理和存儲等操作。PC機通過RS232串口發送指令，以控制該探測系統的工作狀態。

圖2 長波紅外探測系統的結構

圖3 長波紅外探測系統的實物圖

系統所採用的光學系統的譜段為8-12um，焦距為100mm，口徑為50mm，光學透過率為85%。系統採用的圖像採集卡為NI PXI-7952R和NI 6583組成的FlexRIO模塊進行圖像採集，可提供16路200MHz的LVDS信號的採集通道，能夠滿足系統高幀頻圖像實時傳輸和顯示的要求。

2 高靈敏度信息獲取系統設計

2.1 FPGA信號處理軟體設計

主控FPGA選用Xlinx公司的XC6SLX45，完成數據傳輸處理和系統控制功能，各功能模塊框圖如圖4所示，主要實現的功能包括：

1）串口接收／發送模塊通過RS232介面與PC機通信，接收和發送各類指令，例如開關機控制，積分時間改變，讀出通道選擇等；

2）總體控制模塊根據串口傳來的指令控制FP-GA各模塊的工作狀態；

3）時序驅動模塊產數字驅動信號CLK、DATA、FSYNC和LSYNC），並由外部驅動電路轉換到探測器所需的數字電平；

4）調理參數更新模塊根據探測器輸出的信號電壓範圍，動態調節調理參數，並通過VGA控制模塊和DAC控制模塊設置VGA和DAC的工作狀態；

5）調理後的模擬信號在ADC控制模塊的控制下，經ADC轉換為數字信號；

6）圖像預處理模塊結合外部的SRAM和FLASH資源，對原始的數字圖像信號進行非均勻性校正和盲元補償等預處理操作，並經圖像傳輸模塊通過LVDS介面傳輸至後端的NI PXI圖像採集設備。

圖4 FPGA軟體結構

2.2 偏置電壓電路設計

該Ⅱ類超晶格紅外探測器共需要5種直流工作電壓，包括3種精度要求較高的偏置電壓和兩種探測器供電電壓，如表2所示。

其中，數字電源VPD和模擬電源VPOS對雜訊的要求相對較低，選用LT1763電源晶元，其雜訊電壓的RMS值小於20uV。其餘三個偏置電壓VREF、IMSTR_ADJ和VDET_ADJ直接影響光敏二極體的工作狀態，對探測器的雜訊和動態範圍有重要作用，應盡量提高其電壓穩定性，降低雜訊和溫度漂移等影響，因此這三個偏壓的電路設計中，採用基準電壓源產生高精度電壓，然後用電阻分壓網路產生所需電壓，最後通過低雜訊運放構成的電壓跟隨電路進行隔離和緩衝，產生偏置電壓VREF的電路原理圖如圖5所示。該電路採用的高精度基準電壓源為ADR4550晶元，該晶元可輸出5V直流電壓，電壓漂移小於0.02%，雜訊電壓小於2.8uV。

圖5 偏壓產生電路原理圖

2.3 自適應信號調理及AD轉換電路設計

該信息獲取系統採用自適應參數可調的模擬調理電路。圖6是該信號調理電路及AD轉換電路的結構圖。該信號調理電路採集探測器輸出的模擬信號，同DAC產生的偏置電壓在減法電路中進行差分操作，並由單端轉差分電路轉換為差分信號，後經可調增益放大電路進行信號放大，並經差分二階低通有源濾波電路進行濾波處理，最後信號進入ADC進行數字化。

該電路中，DAC選用ADI公司的16bit高精度DAC-AD576IR，可輸出0-5V電壓，輸出雜訊僅15uV.可調增益放大器選用TI公司的LMH6517，該器件的增益範圍為-9.5-22dB，增益步長為0.5dB，在最大增益時的輸入端等效雜訊電壓僅

，在30MHz的雜訊帶寬內雜訊電壓為6uV。ADC選用ADI公司的14bit模數轉換器AD9240，最大轉換速率為IOMSPS，輸入端等效雜訊電壓為110uV。

圖6 信號調理及AD轉換電路的結構圖

以上核心器件中，ADC的雜訊最為顯著，是限制信息獲取電路性能提高的重要因素。因此，採用自適應信號調理技術通過實時調節偏置參數和增益參數，使電路的可調理電壓範圍跟蹤紅外信號範圍，相比固定參數的調理電路增益更高，從而降低電路後半部分（含ADC）在探測器輸出端的等效雜訊，該模擬調理及AD轉換電路在探測器輸出端的理論雜訊電壓為

其中，K為電路增益，V_n1為調理電路前半部分（放大前）的等效雜訊，V_n2為調理電路後半部分（放大後）及AD轉換電路的等效雜訊，從該式可得，由於該電路相比固定參數的調理電路的增益更高，減小了電路後半部分的等效雜訊。增益越大，該電路的雜訊越小，其理論下限為調理電路前半部分的等效雜訊。

3 系統性能測試與成像結果

3.1 信息獲取系統雜訊測試

將探測器輸入信號替換為板載的2.5V低雜訊基準電壓源作為信息獲取電路的輸入，經模擬調理和AD轉換後，採集並存儲實驗數據。假設連續採集N（N>10000）個測試數據Ⅰ，求其標準差σ₁，則信息獲取電路的雜訊電壓Vn為：

其中，V_ADC：為ADC滿量程電壓，Ⅰ_ADC為ADC滿量程灰度，K為電路增益。根據不同增益下的實驗數據，可得電路增益從0dB逐漸增大至約27dB過程中，電路雜訊與增益的關係。圖7中也標出了另一常規的參數固定的信息獲取電路的雜訊。可見當電路增益增大時，電路雜訊逐漸降低，但當電路增益高於6時，電路雜訊趨於穩定。約0.065mV，僅為常規信息獲取電路的40%。該測試結果也符合理論分析中信息獲取雜訊隨增益增大而降低，且其理論下限為調理電路前半部分的等效雜訊的結論。

圖7 信息獲取雜訊和電路增益的關係

3.2 探測系統性能測試

連接Ⅱ類超晶格長波紅外探測器和信息獲取系統，無需光學系統，使面源黑體充滿探測器的視場，改變黑體溫度、積分時間和電路增益等參數，可測試系統的雜訊等性能指標如表所示。圖8和圖9是298K黑體輻射，0.15ms積分時間條件下的電壓響應率和雜訊的空間分布。根據圖8計算可得平均電壓響應率為2.81×10⁹V/W，響應率非均勻性為8.61%；根據圖9可算出該系統的平均雜訊電壓為0.62mV，雜訊等效溫差為19.6mK，黑體探測率為

。

美國西北大學研製的規格為320×256的長波超晶格焦平面探測器的雜訊等效溫差為30 mK（響應截止波長11um）；武漢高芯科技有限公司設計的320×256的長波超晶格焦平面探測器在70 K的時候NETD為50.8mK，60K時NETD為24.3 mK。以上數據表明本文設計的高靈敏度Ⅱ類超晶格長波紅外探測系統在高靈敏度探測方面具有一定的優勢，可用於高靈敏度長波紅外探測系統的工程應用。

圖8 電壓響應率的空間分布

圖9 雜訊電壓的空間分布

圖10(a)是在298K黑體輻射，0.15ms積分時間條件下的系統NETD與電路增益的曲線，圖10 (b)是同樣條件下的平均雜訊電壓與電路增益的曲線。實驗結果表明，系統的NETD隨增益升高而降低，最終穩定在約20mK；電路增益6以上的系統雜訊為0.625mV，初始的電路增益一般為1.5，此時的系統雜訊為0.656mV，由此可以看出該自適應調理電路在電路增益穩定時若達到6以上，使得最低增益下的系統雜訊降低約12%，比初始調理參數或固定調理參數下的系統雜訊低約5%。這表明該方法可降低系統雜訊，提高系統靈敏度。

3.3 外場成像測試

利用該長波紅外相機進行外場成像實驗。圖11是相機對建築、高架及車輛場景的預處理後紅外圖像，相機的積分時間設置為0.15ms。由圖可得，該長波紅外相機所得的圖像細節清晰，對比度高，成像質量良好。

圖10 探測系統的平均NETD和平均雜訊電壓隨電路增益的變化曲線（0.1ms積分時間，298K黑體輻射）

圖11 外場成像結果

外場成像也驗證了自適應信號調理技術對紅外場景的跟蹤效果。考慮到探測器輸出電壓範圍和ADC輸入電壓範圍，設置信息獲取電路的初始電路增益為1.5，偏置電壓為1.6 V。此時的紅外圖像及其概率密度分布如圖12(a)所示，從中可以看出初始狀態下紅外信號只能利用ADC輸入範圍的很小一部分。圖12(b)是經過多次迭代後的紅外圖像概率密度分布，可見調理後的紅外信號充分利用了ADC的輸入範圍，此時的電路增益K為5.2。本次迭代過程使用了9幀序列圖像，耗時45ms，實時性高。這表明該自適應信號調理技術可有效增大電路增益，從而提高系統性能，並可實時更新調理參數，滿足外場的成像需求。

圖12 紅外圖像的直方圖分布(a)初始調理參數下的紅外圖像直方圖分布，(b)調理參數多次迭代後的紅外圖像直方圖分布

4 結論與展望

利用Ⅱ類超晶格長波紅外探測器，設計並實現了一套高靈敏度長波紅外探測系統。該系統具備自適應信號調理技術，可對採集的紅外圖像進行實時的非均勻性校正、盲元補償等預處理操作。實驗表明，系統的溫度靈敏度達到19.6mK，紅外場景的成像效果較好，系統驗證了Ⅱ類超晶格紅外探測器在長波紅外譜段進行高靈敏度探測的可行性，為實現天基平台的高靈敏度長波紅外探測系統提供技術支持。但目前該系統只驗證了高溫光學測試，尚未開展低溫黑體和低溫光學測試，需要進行多次測試，充分分析長波紅外探測系統在不同條件下的性能，以便更好的為高靈敏度的長波紅外探測系統設計提供完善的理論指導。