凝视型制冷红外探测器电子学理论及模拟探测器关键技术研究

摘要

目前，随着红外热成像技术在全世界范围内的飞速发展，该技术已经广泛的应用在军民两方面的各个领域。近年来，西方发达国家在该技术上的研究取得了很大的进步，但同时也对我国在红外热成像产品的销售和技术提供方面进行了封锁，导致我国在该领域内的自主研究进程缓慢。随着我国科研人员的不断努力，我国的红外热成像技术也收获了较大的进步，特别是目前已经能够完全自主的研制出纯国产化的凝视型制冷红外焦平面阵列探测器。但是，由于国外的技术封锁，加上我国的制造工艺，材料水平等技术条件尚不成熟，存在较大的缺陷，导致自研的探测器在性能上与国外成熟产品还有较大的差距。因此，从制冷型红外焦平面探测器的理论出发，建立数学模型，分析其性能特征，提出更好的技术和方案并最终研制出高性能的红外成像电子学组件来弥补探测器的缺陷，对提高我国红外热成像电子学理论与工程水平、加快红外热成像技术在我国国防建设和国民经济领域的应用步伐具有十分重要的意义。
　　本文从研究凝视型制冷红外焦平面探测器的各种内部机理以及读出电路的性能出发，将纯国产化的制冷探测器——640×512凝视型中波制冷红外焦平面探测器的焦平面在制作过程中各部分组分间的差异性对光电流的影响进行了研究，得出了组分对探测器响应非线性的影响，并由此提出了探测器响应非线性的双指数曲线模型;通过对探测器内部各种噪声进行分析，利用噪声的单边功率谱密度函数得出了读出电路中各种噪声随积分时间变化的数学模型，并结合探测器在接收到外界辐射后通过光电转换效应转换成光电流并由读出电路积分放大后输出的过程，详细的分析了探测器积分时间与探测器信噪比的关系。通过对目前两种不同的读出电路类型，即数字读出电路和模拟读出电路在结构和原理上的不同，分析了两者在读出数字或模拟信号时噪声的出处和差异性。同时还针对国产探测器在性能上的缺陷，提出了在探测器性能已经确定的情况下，能够最大化的发挥其最佳性能的高性能驱动电路技术，重点对其中的影响探测器性能的几个关键方面进行了详细的分析，提出了低噪声偏置电压技术、高精度数字信号处理技术和低噪声信号放大技术。这些技术能够最大程度的降低供探测器正常工作使用的偏置电压的噪声，降低数字信号在传输时的能量反射以及噪声和功耗最优化的模拟信号放大。并通过将该技术应用到实际的课题项目开发中的效果与外界已经很成熟的产品在性能上进行比较，证明了本文中技术的优越性。提出了基于场景中目标温度统计的动态范围自适应技术，该技术能够实时的监测场景中的辐射温度状态，并相应的做出现场调整，将探测器的输出信号动态范围始终置于热像仪的最佳模数转换范围之内，有效的降低后端图像处理算法的压力。最后，提出了完整的红外模拟探测器系统设计。该模拟探测器是一套独立的系统，可以由上位机软件控制台对其上的模拟参数进行配置。该模拟探测器能够全面的模拟实际探测器功能和性能。通过对实际探测器中存在的行列条纹非均匀性，读出电路中的列通道增益非均匀性，盲元和输出噪声等几个主要特征进行模拟，并且实现了用户友好的参数可控，使模拟探测器系统能够很好的模拟实际探测器的性能;模拟探测器结构中主要包括中央处理单元，接收外部驱动信号模块和模拟信号输出模块。接收外部驱动信号模块包括与红外成像电子学组件的驱动电路的接口，偏置电压过压监测模块，上电顺序检测模块等得协同工作，使模拟探测器对实际探测器的功能进行很好的模拟。该模拟探测器能够使科研人员预先对红外成像电子学组件的功能和算法性能进行调试，缩短了开发周期，保护了实际探测器。所有的这些研究工作对提高我国的红外热成像领域的研究有着重要的意义，文章最后结合本论文研究的不足之处给出了今后的研究方向和研究展望。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 红外探测器的发展概述

1．2 本文的研究背景及主要工作

2 凝视型制冷红外焦平面探测器电子学理论

2．1 引言

2．2 红外辐射特性与辐射定律

2．3 红外辐射在大气中的传输

2．4 凝视型制冷红外焦平面探测原理

2．4．1 红外焦平面探测的主要机理

2．4．2 凝视型制冷红外焦平面输出响应非线性模型

2．4．3 探测器响应非线性的双指数曲线模型及验证

2．5 红外探测器焦平面电子学噪声研究

2．5．1 红外焦平面阵列读出电路类型

2．5．2 红外焦平面阵列输入电路

2．5．3 红外焦平面读出电路噪声研究

2．5．4 红外焦平面探测器积分时间与SNR关系分析

2．6 红外焦平面探测器数字及模拟读出电路中的噪声特性研究

2．7 本章小节

3 高性能红外焦平面探测器驱动技术研究

3．1 引言

3．2 偏置电压低噪声设计及实现

3．3 高精度数字信号设计及实现

3．4 低噪声模拟信号放大电路设计与实现

3．5 基于场景中目标温度统计的动态范围自适应技术

3．6 高性能红外探测器驱动技术在实际工程应用中的性能评估

3．7 本章小结

4 模拟探测器电子学理论研究及实现

4．1 引言

4．2 模拟探测器电子学硬件设计及实现

4．2．1 模拟探测器电子学功能描述

4．2．2 模拟探测器硬件结构设计及功能流程

4．3 模拟探测器各种功能模型设计及实现

4．3．1 模拟探测器条纹非均匀性模型研究

4．3．2 模拟探测器列通道增益非均匀性研究

4．3．3 模拟探测器输出噪声模型研究

4．3．4 模拟探测器盲元构建模型研究

4．4 模拟探测器电子学软件设计及实现

4．5 本章小结

5 结束语

5．1 论文总结

5．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文情况

攻读博士学位期间取得的研究成果与获奖情况

攻读博士学位期间申请的专利情况

附录