高灵敏度Ⅱ类超晶格长波红外探测系统研究

本文内容转载自《红外与毫米波学报》2019年第6期，版权归《红外与毫米波学报》编辑部所有。

饶鹏，张磊，赵云峰，陆福星，许佳佳，王芳芳

中国科学院智能红外感知重点实验室，北京跟踪与通信技术研究所，中国科学院上海技术物理研究所，中国科学院红外成像材料与器件重点实验室

摘要：以Ⅱ类超晶格320 × 256长波红外探测器为核心部件，开发了一套高灵敏度长波红外探测系统。介绍了Ⅱ类超晶格红外探测器的技术指标及系统的主要结构和工作方式。为充分发挥该红外探测器的灵敏度，设计了高灵敏度信息获取系统，并介绍了该信息获取系统的软硬件设计。该信息获取系统采用了自适应信号调理技术，以降低信息获取噪声，提升探测系统的灵敏度和动态范围。最后对整套长波红外探测系统开展了信息获取噪声测试、系统性能测试及外场成像实验。实验结果表明：长波红外探测系统的信息获取噪声低至0.065mV，系统的噪声等效温差（VETD）达到19.6mK，黑体探测率为7.72 x 10¹⁰，外场成像质量良好，图像细节清晰，对比度高。该长波红外探测系统有利于推动Ⅱ类超晶格红外探测器在高灵敏度长波红外遥感探测中的应用。

关键词：光电探测器；长波红外；高灵敏度；Ⅱ类超晶格

0 引言

红外遥感技术利用探测场景的温度和发射率差异形成的红外辐射差实现目标探测识别，具有覆盖范围广、隐蔽性好、抗干扰能力强、全天候工作和可识别伪装目标的特点，在气象观测、环境监测、地球资源勘探以及目标侦察等领域广泛应用。随着第三代红外探测器技术的不断发展，红外遥感探测系统向着更高探测灵敏度的方向发展，以实现更高的探测能力，满足弱目标的探测需求。

目前应用最广泛的是碲镉汞探测器，为了获取更好的红外探测材料，InAs/GaSbⅡ类超晶格材料于1987年被用于红外探测。Ⅱ类超晶格红外探测器具备量子效率高，暗电流低，器件均匀性好以及覆盖谱段范围广（3-30um）的优点，有较大的应用前景和发展潜力。德国的AIM和IAF在2006年开发了384 x 288Ⅱ类超晶格中波双色探测器，谱段为3-4um和4-5um，NETD达到12mK和22mK。2009年美国Raytheon和JPL研发了1024 ×1024Ⅱ类超晶格长波红外探测器，探测率达到1.1×10¹¹。2012年美国的西北大学研发了1024 × 1024Ⅱ类超晶格长波红外探测器，在制冷温度68mK时NETD达到22.5mK，量子效率约78%。中国科学院半导体所研制了截止波长达到10um和16um的Ⅱ类超晶格探测器材料，中国科学院半导体所等还研制了640 x 512的Ⅱ类超晶格长波探测器；西安电子科技大学研究了规模为128 × 128的短波红外探测器；上海技术物理研究所的陈建新、周易等也研制了截止波长为12.50um的长波InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器。上述研究表明了Ⅱ类超晶格探测器在中波和长波红外谱段的高性能、低暗电流和高工作温度的优点，是研制高灵敏度长波红外探测系统的重要基础，因此，以上海技术物理研究所研制的Ⅱ类超晶格长波红外探测器为核心部件，构建了一套高灵敏度长波红外探测系统，并通过实验验证了该系统的各项性能。

1 长波红外探测系统概述

1.1 Ⅱ类超晶格长波红外探测器介绍

该长波红外探测系统的核心组件是上海技术物理研究所研制的Ⅱ类超晶格面阵型长波红外探测器，其部分性能指标如表1所示，杜瓦组件如图1所示。该探测器的响应谱段为8 -12um，采用CTIA型读出电路，封装在微型金属杜瓦中，内置集成式制冷机，工作温度约65K，有4路模拟输出通道。

图1 Ⅱ类超晶格长波红外探测器杜瓦组件

1.2 系统主要结构

该长波红外探测系统的主要结构如图2所示。场景的红外辐射经过光学系统后聚集在红外探测器上，通过光敏元的光电转换并将信号传递给读出电路，最后输出模拟图像信号至信息获取系统。信息获取系统除对红外探测器提供模拟偏压和数字时序驱动外，最主要的功能是对探测器输出的模拟图像信号进行减偏置、放大和滤波等信号调理并进行AD转换。该信息获取电路采用了自适应信号调理技术，内置数字模拟转换器（DAC）和可调增益放大器（VGA），可动态调节偏置电压和放大倍数，从而自适应捕捉红外场景变化，实现降低信息获取系统噪声、提高系统动态范围的目的。信息获取系统将数字化的红外图像信号传输至NI PXI图像采集设备，并最终传输至PC机完成处理和存储等操作。PC机通过RS232串口发送指令，以控制该探测系统的工作状态。

图2 长波红外探测系统的结构

图3 长波红外探测系统的实物图

系统所采用的光学系统的谱段为8-12um，焦距为100mm，口径为50mm，光学透过率为85%。系统采用的图像采集卡为NI PXI-7952R和NI 6583组成的FlexRIO模块进行图像采集，可提供16路200MHz的LVDS信号的采集通道，能够满足系统高帧频图像实时传输和显示的要求。

2 高灵敏度信息获取系统设计

2.1 FPGA信号处理软件设计

主控FPGA选用Xlinx公司的XC6SLX45，完成数据传输处理和系统控制功能，各功能模块框图如图4所示，主要实现的功能包括：

1）串口接收／发送模块通过RS232接口与PC机通信，接收和发送各类指令，例如开关机控制，积分时间改变，读出通道选择等；

2）总体控制模块根据串口传来的指令控制FP-GA各模块的工作状态；

3）时序驱动模块产数字驱动信号CLK、DATA、FSYNC和LSYNC），并由外部驱动电路转换到探测器所需的数字电平；

4）调理参数更新模块根据探测器输出的信号电压范围，动态调节调理参数，并通过VGA控制模块和DAC控制模块设置VGA和DAC的工作状态；

5）调理后的模拟信号在ADC控制模块的控制下，经ADC转换为数字信号；

6）图像预处理模块结合外部的SRAM和FLASH资源，对原始的数字图像信号进行非均匀性校正和盲元补偿等预处理操作，并经图像传输模块通过LVDS接口传输至后端的NI PXI图像采集设备。

图4 FPGA软件结构

2.2 偏置电压电路设计

该Ⅱ类超晶格红外探测器共需要5种直流工作电压，包括3种精度要求较高的偏置电压和两种探测器供电电压，如表2所示。

其中，数字电源VPD和模拟电源VPOS对噪声的要求相对较低，选用LT1763电源芯片，其噪声电压的RMS值小于20uV。其余三个偏置电压VREF、IMSTR_ADJ和VDET_ADJ直接影响光敏二极管的工作状态，对探测器的噪声和动态范围有重要作用，应尽量提高其电压稳定性，降低噪声和温度漂移等影响，因此这三个偏压的电路设计中，采用基准电压源产生高精度电压，然后用电阻分压网络产生所需电压，最后通过低噪声运放构成的电压跟随电路进行隔离和缓冲，产生偏置电压VREF的电路原理图如图5所示。该电路采用的高精度基准电压源为ADR4550芯片，该芯片可输出5V直流电压，电压漂移小于0.02%，噪声电压小于2.8uV。

图5 偏压产生电路原理图

2.3 自适应信号调理及AD转换电路设计

该信息获取系统采用自适应参数可调的模拟调理电路。图6是该信号调理电路及AD转换电路的结构图。该信号调理电路采集探测器输出的模拟信号，同DAC产生的偏置电压在减法电路中进行差分操作，并由单端转差分电路转换为差分信号，后经可调增益放大电路进行信号放大，并经差分二阶低通有源滤波电路进行滤波处理，最后信号进入ADC进行数字化。

该电路中，DAC选用ADI公司的16bit高精度DAC-AD576IR，可输出0-5V电压，输出噪声仅15uV.可调增益放大器选用TI公司的LMH6517，该器件的增益范围为-9.5-22dB，增益步长为0.5dB，在最大增益时的输入端等效噪声电压仅

，在30MHz的噪声带宽内噪声电压为6uV。ADC选用ADI公司的14bit模数转换器AD9240，最大转换速率为IOMSPS，输入端等效噪声电压为110uV。

图6 信号调理及AD转换电路的结构图

以上核心器件中，ADC的噪声最为显著，是限制信息获取电路性能提高的重要因素。因此，采用自适应信号调理技术通过实时调节偏置参数和增益参数，使电路的可调理电压范围跟踪红外信号范围，相比固定参数的调理电路增益更高，从而降低电路后半部分（含ADC）在探测器输出端的等效噪声，该模拟调理及AD转换电路在探测器输出端的理论噪声电压为

其中，K为电路增益，V_n1为调理电路前半部分（放大前）的等效噪声，V_n2为调理电路后半部分（放大后）及AD转换电路的等效噪声，从该式可得，由于该电路相比固定参数的调理电路的增益更高，减小了电路后半部分的等效噪声。增益越大，该电路的噪声越小，其理论下限为调理电路前半部分的等效噪声。

3 系统性能测试与成像结果

3.1 信息获取系统噪声测试

将探测器输入信号替换为板载的2.5V低噪声基准电压源作为信息获取电路的输入，经模拟调理和AD转换后，采集并存储实验数据。假设连续采集N（N>10000）个测试数据Ⅰ，求其标准差σ₁，则信息获取电路的噪声电压Vn为：

其中，V_ADC：为ADC满量程电压，Ⅰ_ADC为ADC满量程灰度，K为电路增益。根据不同增益下的实验数据，可得电路增益从0dB逐渐增大至约27dB过程中，电路噪声与增益的关系。图7中也标出了另一常规的参数固定的信息获取电路的噪声。可见当电路增益增大时，电路噪声逐渐降低，但当电路增益高于6时，电路噪声趋于稳定。约0.065mV，仅为常规信息获取电路的40%。该测试结果也符合理论分析中信息获取噪声随增益增大而降低，且其理论下限为调理电路前半部分的等效噪声的结论。

图7 信息获取噪声和电路增益的关系

3.2 探测系统性能测试

连接Ⅱ类超晶格长波红外探测器和信息获取系统，无需光学系统，使面源黑体充满探测器的视场，改变黑体温度、积分时间和电路增益等参数，可测试系统的噪声等性能指标如表所示。图8和图9是298K黑体辐射，0.15ms积分时间条件下的电压响应率和噪声的空间分布。根据图8计算可得平均电压响应率为2.81×10⁹V/W，响应率非均匀性为8.61%；根据图9可算出该系统的平均噪声电压为0.62mV，噪声等效温差为19.6mK，黑体探测率为

。

美国西北大学研制的规格为320×256的长波超晶格焦平面探测器的噪声等效温差为30 mK（响应截止波长11um）；武汉高芯科技有限公司设计的320×256的长波超晶格焦平面探测器在70 K的时候NETD为50.8mK，60K时NETD为24.3 mK。以上数据表明本文设计的高灵敏度Ⅱ类超晶格长波红外探测系统在高灵敏度探测方面具有一定的优势，可用于高灵敏度长波红外探测系统的工程应用。

图8 电压响应率的空间分布

图9 噪声电压的空间分布

图10(a)是在298K黑体辐射，0.15ms积分时间条件下的系统NETD与电路增益的曲线，图10 (b)是同样条件下的平均噪声电压与电路增益的曲线。实验结果表明，系统的NETD随增益升高而降低，最终稳定在约20mK；电路增益6以上的系统噪声为0.625mV，初始的电路增益一般为1.5，此时的系统噪声为0.656mV，由此可以看出该自适应调理电路在电路增益稳定时若达到6以上，使得最低增益下的系统噪声降低约12%，比初始调理参数或固定调理参数下的系统噪声低约5%。这表明该方法可降低系统噪声，提高系统灵敏度。

3.3 外场成像测试

利用该长波红外相机进行外场成像实验。图11是相机对建筑、高架及车辆场景的预处理后红外图像，相机的积分时间设置为0.15ms。由图可得，该长波红外相机所得的图像细节清晰，对比度高，成像质量良好。

图10 探测系统的平均NETD和平均噪声电压随电路增益的变化曲线（0.1ms积分时间，298K黑体辐射）

图11 外场成像结果

外场成像也验证了自适应信号调理技术对红外场景的跟踪效果。考虑到探测器输出电压范围和ADC输入电压范围，设置信息获取电路的初始电路增益为1.5，偏置电压为1.6 V。此时的红外图像及其概率密度分布如图12(a)所示，从中可以看出初始状态下红外信号只能利用ADC输入范围的很小一部分。图12(b)是经过多次迭代后的红外图像概率密度分布，可见调理后的红外信号充分利用了ADC的输入范围，此时的电路增益K为5.2。本次迭代过程使用了9帧序列图像，耗时45ms，实时性高。这表明该自适应信号调理技术可有效增大电路增益，从而提高系统性能，并可实时更新调理参数，满足外场的成像需求。

图12 红外图像的直方图分布(a)初始调理参数下的红外图像直方图分布，(b)调理参数多次迭代后的红外图像直方图分布

4 结论与展望

利用Ⅱ类超晶格长波红外探测器，设计并实现了一套高灵敏度长波红外探测系统。该系统具备自适应信号调理技术，可对采集的红外图像进行实时的非均匀性校正、盲元补偿等预处理操作。实验表明，系统的温度灵敏度达到19.6mK，红外场景的成像效果较好，系统验证了Ⅱ类超晶格红外探测器在长波红外谱段进行高灵敏度探测的可行性，为实现天基平台的高灵敏度长波红外探测系统提供技术支持。但目前该系统只验证了高温光学测试，尚未开展低温黑体和低温光学测试，需要进行多次测试，充分分析长波红外探测系统在不同条件下的性能，以便更好的为高灵敏度的长波红外探测系统设计提供完善的理论指导。