红外成像阵列与系统(5)

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1、第三章 单片硅微测辐射热计阵列3.5 微辐射计阵列的读 出电路 CCD（电荷耦合器件） MOSEFT（金属-氧化物-半导体场效应管） CID（电荷注入器件） CIM（电荷成像矩阵）CCD和MOSFET是应用最广泛的两 种读出电路，它们可用硅材料制成，在 使用CCD时电荷要进行多次转移。读出电路的主要设计要求为高电荷 容量，高转移效率，低噪声和低功耗。单片读出电路两维微辐射计阵列的电子读出电 路可以放在下面的衬底上，从而生产 出一个单片的红外热敏感焦平面。单 片读出电路的基本功能是给每个阵列 上的辐射计外加一个短的偏置脉冲， 同时测量来自辐射计的信号。 微辐射计的读出电路的一般形式 多路复合器

2、行多路复合器 一个6464的阵列,帧速为30Hz,则像 素时间为1/646430=8.1sec。如果一个 单独的微辐射计在任何瞬间都可以读出， 每个微辐射计可以偏置=8.1sec 的时 间。 具 体 一 例6464的阵列 列多路复合器 序列输出 积分器 行多路复合器 图3.27 列读出电路；Vb负载电阻的偏置电压，C,电容，S1，开关 实际应用中困难前面例子中8.1sec时间的一部分将不 能用于信号积分，这是因为开关电路引起 暂时性的干扰（表现为噪声），在开始积 分前必须可忽略才行。对于较大的阵列， 整个读出序列的像素时间变短，因此暂时 延搁时间变成了像素时间中很重要的一部 分。 实际应用中困

3、难当像素时间减少时，性能公式的测试表 明：偏置幅值必须增加到能维持一个给定 的性能的水平。对于大阵列连续读出电路 要求偏置量可能会接近于单片电路电压或 电流限制值。解决方法为了克服这些大阵列中的困难，必 须同时读出几个微辐射计（称为平行读 出）以达到足够长的像素时间。 早期的240336阵列使用了同时外加偏 置的14个微辐射计，从焦平面输出14个平行 的模拟信号到14个外部积分器中。多模拟输出方案提供了有效的读出信号 ，但是在实际应用中却有困难。因为摄像仪 的温度改变将引起积分器的增益的不同，导 致显示器中的图案噪声。为了消除这种图案 噪声，可以利用微调的单片积分器。240336的改进利用现代

4、的集成技术，240336阵列 的平行输出可以伸展到整个像素行（如下 图），帧速增加到60Hz，一个像素时间 达至1/240*60=70sec行多路复合器 转换门 行存储器 输出多路转换器 积分器 序列输出 讨 论在这种装置中，一个典型的微辐射计的 噪声大约为70pArms（表III），单片电路的 噪声与此噪声相比可以忽略。这对带有多路 复合器和像素开关的装置并不困难。FET开 关噪声可以忽略，因为他们工作在开关或饱 和状态下，其栅极噪声不影响其工作特征。 因此 COMS多路复合器是无噪声的。 但是很难得到具有相当低的噪声的 COMS放大器，因为它们工作在线性区，其 栅极1/f噪声影响它们的性能

5、。前面我们知道 用双极性器件是很容易设计出足够低噪声的 前置放大器，所以设计低噪声单片读出电路 ，混合双极性COMS（BIMOS）是一种很有 吸收力的技术。阵列的非均匀性 阵列阵列非均匀性非均匀性定义阵列阵列非均匀性非均匀性产生原因具体分析原因阵列非均匀性定义微辐射计阻抗的变化称为 阵列的非均匀性。 阵列非均匀性产生原因微辐射计阻抗的差异是由单个微辐 射计制造过程的非均匀性造成的。 微辐射计电阻在每个单独的偏置脉 冲下出现一个温度增加量，引起微 辐射计一个额外的变化 。具体分析原因如果在不同辐射计之间的室温电阻变化为dR 则在偏置信号Vb的开始，经过阵列的瞬时电压为 ：在不同微辐射计间的电压偏

6、移为 ：在不同微辐射计之间的电流偏移则近似为： 产生的影响通过计算表明：一个微辐射计的 rms的电阻非均匀性，产生一个全部电压 20mVrms的非均匀性，这与约为2.6 的噪声水平相当 。产生的影响模拟电路的动态范围需要为:2010-3/2.610-6=7700。 数字化时同样需要一个高的数字动态范围。一 个理想A/D的rms噪声受lsb量化间隔影响为 0.3lsb rms 。使其等于 rms噪声，则峰-峰失 调变换为rms变化量的五倍，我们需要一个 14bits的A/D转换器以接受阵列阻抗非均匀度为 rms的期望范围内的信号。因为可以固定阵列失调的非均匀 性，所以可以使用很多种电路技术去 补

7、偿非均匀性，就如A/D设计者所做的 那样。Jansson 等人（1995）同样建议了使 用辐射计加热的方法补偿非均匀性。 3.6 补偿方案 由前面分析可知因为阵列中的微辐射计 阻抗变化，输出信号的固定的失调值可与噪 声水平相当。对于一个观察者，若要能正确 看到图像，必须消除这些失调。 一个微辐射计摄像仪中的失调纠正可以 由两种基本方法进行：1 加斩波器法 2 加光闸法 1 加斩波器法如果微辐射计以60Hz的场速读出， 且交变场通过一个旋转限幅器浆片遮挡 住，则交变场可以消除像素偏移，以帧 速30Hz产生一个纠正图像。 2 加光闸法如果阵列温度是固定的，则光 闸关闭，存储，利用其消除以下所 有帧

8、的失调，得到最初的参考帧面 。 两法的异同点这两种技术中，几个参考帧面应该取平 均。以保证参考帧面与依赖于时间的噪声相 比是可以忽略的。 斩波器的严重缺点是场速必须为帧速的 两倍。优点则是漂移和1/f噪声减小了 。光闸的主要缺点是存在1/f噪声，需要光闸 隔板来防止1/f噪声造成固定图案噪声。 无斩波器工作模式，可以用一个TE 装置很方便地稳定阵列温度，或者将阵 列用加热器升高温度。 在给定温度上为了稳定阵列所需的最 小功率为热辐射、通过导线的热导及偏 置焦耳引起的功率损耗增益量 。探测器非均匀性探测器非探测器非均匀性产生的主要原因均匀性产生的主要原因探测器非探测器非均匀性校正方法均匀性校正方

9、法探测器非探测器非均匀性定义均匀性定义探测器非均匀性定义FPA在同一均匀辐射输入时，单元之 间输出的不一致性，又称为固有空间噪 声（Original Spatial Noise）。探测器非探测器非均匀性产生原因均匀性产生原因响应率的非非均匀均匀读出电路自身及读出电路与探测器耦 合的非非均匀均匀暗电流的非非均匀均匀探测器非均匀性校正国外系统上普遍采用的方法都是 建立在光敏元参数是线性定常的假定 下，这样理论上经过校正可以完全抑 制非均匀性引起的固有空间噪声。探测器非均匀性校正一般来说光敏元响应曲线在中间具有 较好的线性度，而两端较差，参数特性本 身也随时间和环境变化，所以实际情况是 ：非均匀校正

10、后，只能在有限的温度动态 范围内和工作状态下改善探测器的非均匀 性，使固有噪声降低。探测器非均匀性校正方法两点温度校正法（TPC）多点温度校正法（ETPC） 恒定统计平均法（CSC）时域高通滤波法（THPFC） 人工神经网络法（ANNC）两点温度校正法（TPC）假设探测器单元的响应特性在所感兴趣的温度范 围内为线性的,时间上是稳定的,此条件下焦平面阵列 在均匀辐射下的输出为:其中 为辐射通量， 和 分别是坐标为(i,j) 阵列光敏元的响应率和暗电流，对于每一个光敏 元， 和 的值都是固定的，并且不随时间变化 。采用两点法校正即可实现红外焦 平阵列图象的非均匀校正,即:其中 和 分别为两点校正法

11、的 校正增益和校正偏移量， 为校正后的 输出。校 正 实 现在光路中插入一均匀辐射的黑体, 通过各阵列元对高温TH 和低温TL下的 均匀黑体辐射的响应计算出 和 , 从而实现非均匀校正.图中直线a和b分别代表了一个阵列元的响应 特性，直线c为校正后所有阵列元的响应特性。0两点法校正将所有阵列元在高温 和低温 下的响应分别为归一化为 和 。校正增益和校正偏移量为:其中 和 分别为像元(i,j)在 高温下和低温均匀辐射背景下的响应。实 现将各阵列元的校正增益和校正偏移 量 和 预先存储起来，在探测过 程中以此对探测的响应值按下面的式 子不断进行校正。3.7 增益纠正 在摄像机正常工作时，通过一个

12、均匀黑体在两个温度上的成像得到 了一个增益纠正数，使每个像素都 乘以此数，则减少了响应率的非均 匀性 。进行增益纠正后，图案噪声比 目标温度变化大约为10时的时间 噪声要小。因为辐射计温度变化值一般为 目标温度变化的1/200，所以辐射 计在无斩波器的工作条件下其稳定 性大约为1/20。对于辐射测量的应用，则需要更 严格一些：如果目标温度为1，则 温度调整率约为1/200。热敏电阻温 度传感器可以测量阵列温度小至mk ，可以用反馈电路来调整TEC以保持 温度分辨率。微辐射计必须保持的温度精确 度是由图案噪声设定的，这是因为 微辐射计性质是随温度而变化的。在240340阵列中，为了纠正 增益，做

13、了具体温度上的图案噪声 测量，表明了其所需温度稳定度大 约为0.05 。TEC 的介绍一个TEC是一个半导体P-N结器件，利 用塞贝克（Peltier）效应来制冷或加热。在 TEC两端加上一个直流电压就会产生一个 直流电流 ，这会使TEC的一端发热，另外 一端制冷。发热的一端我们称之为“热端”， 制冷的一端我们称之为“冷端”。把TEC两 端的电压反向也会导致相反的热流向热端 变为冷端，冷端变成热端。 TEC 的性质TEC可以移去的热量与流过TEC的 电流值有关。当电流越大，移去的热量 越多，但这并非是一种线性关系。因此 ，目标物体的温度可以通过控制流过 TEC两端的电流方向和幅度来控制。TEC

14、原理框图3.8 调制传递函数（MTF） MTF是一个从空间频率域描写一个环 节的输入量与输出量之间的关系的参量。 对于成像系统，它是一个用于衡量系统如 实重现景物图像性能优劣的参量。MTF的定义对于一个线性系统，其输出函数与 输入函数之间存在着确定的关系，这种 关系就是系统的传递函数。定义系统的传递函数OTF(f)为输出 函数的傅立叶变换与输入函数的傅立叶 变换之比。MTF（f）为传递函数的模，称 为调制传递函数。PTF（f）为传递 函数的幅角，称为相位传递函数。MTF的测试方法主要的测试方法有直接测量和间接测量 。直接测量是直接测量光学系统不同空间频 率物和像的调制度，基于探测器对于正弦函数

15、 或条形目标的响应。间接测量是测量光学系统 对于脉冲光信号的响应，基于傅立叶变换的计 算。间接测量方法使用固定的狭缝目标，点光 源或刀口，并且移动目标。3.9 微辐射计物理设计，制备以及封装 制造微辐射计阵列的基本技术称为微型机 械技术，是一种从以硅为基础的材料中选择蚀 刻一定材料来构造微观隔热结构的技术。 将一些特殊的微机械技巧以及用于制造 微辐射计的材料（表V ）罗列一下 。材料 热导（W/Cm.K） 热容(J/Cc.K)Al(2000A) 1.32 6.65Cr(500A) 0.29 3.31NiFe(80:20,500A) 0.25 3.91 Si3N4溅射8000A 0.020 2.16lpcvd30,000A 0.032