微测辐射热计非均匀性及新型校正读出电路研究

摘要

基于非致冷红外焦平面阵列(Uncooled Infrared Focal Plane Array, UFPA)的探测系统由于其功耗低、重量轻、体积小，开机预热时间短及成本低等优点备受国内外关注，在军事和民用领域拥有广阔的应用前景，是今后红外焦平面技术(IRFPA)的主要发展方向之一。在非致冷红外焦平面技术中，非致冷型微测辐射热计(Uncooled Microbolometer, UMB)的发展最为迅速，并且获得了令人瞩目的成就。 受到材料和制作工艺等因素的影响，UMB探测阵列的非均匀性比较大。非均匀性的存在，不仅提高了对阵列接口电路的动态范围的要求，并且严重影响着红外传感器的成像质量，使获取的图像信号模糊不清、畸变，甚至使传感器失去探测的能力。非均匀性必须通过校正来改善，常规的增益和偏移两点非均匀性校正方法受衬底温度影响非常大，即使在校正后，随着衬底温度的漂移，非均匀性又会再次增大，需要热电致冷/加热器和高精度温控电路将衬底温度波动控制在很小范围内(0.005-0.025K)。针对该问题，本文受国家自然科学基金项目(No. 60377036)资助，从读出电路设计的角度出发，研究一种能够克服衬底温度漂移影响的非均匀性校正读出电路方案，从而避免使用高精度的控温装置，使系统简化并降低成本。论文以计算机仿真和电子CAD技术作为手段，对UMB非均匀性及其校正读出电路展开研究。 论文首先对UMB探测元机理、结构、参数及性能指标做了阐述和分析。建立了微测辐射热计热敏单元的热平衡方程，分别对不施加偏置和施加偏置两种情况下的热平衡过程做了定量计算和数值仿真。在此基础上，本文着重研究了微测辐射热计的非均匀性及其校正技术。详细阐述了探测器的非均匀性及瞬态噪声的定义、来源，利用计算机仿真分析微测辐射热计单元的特性参数对阵列非均匀性的影响。接着论文研究了读出电路的结构体系和UMB的信号转换电路，分析了容式跨阻放大器(Capacitive Transimpedance Amplifier, CTIA)读出方式的工作原理和非均匀性，并推导了该读出方式下探测元的响应率，然后计算了噪声等效功率、噪声等效温差和比探测率等性能参数。 论文在研究非均匀性校正技术的基础上，对CTIA读出方式的微测辐射热计阵列进行了传统的固定系数两点法的校正仿真，并分析了衬底温度对探测元输出响应及两点非均匀性校正的影响。从UMB的线性模型出发，提出了一种能够扩大允许衬底温度范围的新型非均匀性校正方法。新方法首先令阵列中不同探测单元间的光响应率比和衬底温度响应率比分别相等，达到补偿衬底温度变化的目的，随后再执行传统的两点非均匀性校正。对新方法的仿真结果表明，该方法能够将允许的衬底温度波动范围扩大到大约4°K。 最后论文提出了基于该新型非均匀性校正方法的实施方案。用补偿暗像元扣除静态电流，校正数据经数模转换器(DAC)转换送至MOS管的栅极以控制偏置电流，实现温度补偿。采用多列像素共享CTIA和DAC，降低了电路复杂性，并兼顾了读出速度。采用热电类比的方法建立了微测辐射热计的PSPICE模型，用PSPICE软件对电路进行了仿真实验，验证了方案的可行性。