凝視型制冷紅外探測器電子學(xué)理論及模擬探測器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、目前，隨著紅外熱成像技術(shù)在全世界范圍內(nèi)的飛速發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在軍民兩方面的各個(gè)領(lǐng)域。近年來，西方發(fā)達(dá)國家在該技術(shù)上的研究取得了很大的進(jìn)步，但同時(shí)也對我國在紅外熱成像產(chǎn)品的銷售和技術(shù)提供方面進(jìn)行了封鎖，導(dǎo)致我國在該領(lǐng)域內(nèi)的自主研究進(jìn)程緩慢。隨著我國科研人員的不斷努力，我國的紅外熱成像技術(shù)也收獲了較大的進(jìn)步，特別是目前已經(jīng)能夠完全自主的研制出純國產(chǎn)化的凝視型制冷紅外焦平面陣列探測器。但是，由于國外的技術(shù)封鎖，加上我國的制造工藝，材

2、料水平等技術(shù)條件尚不成熟，存在較大的缺陷，導(dǎo)致自研的探測器在性能上與國外成熟產(chǎn)品還有較大的差距。因此，從制冷型紅外焦平面探測器的理論出發(fā)，建立數(shù)學(xué)模型，分析其性能特征，提出更好的技術(shù)和方案并最終研制出高性能的紅外成像電子學(xué)組件來彌補(bǔ)探測器的缺陷，對提高我國紅外熱成像電子學(xué)理論與工程水平、加快紅外熱成像技術(shù)在我國國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用步伐具有十分重要的意義。
　　本文從研究凝視型制冷紅外焦平面探測器的各種內(nèi)部機(jī)理以及讀出電路的

3、性能出發(fā)，將純國產(chǎn)化的制冷探測器——640×512凝視型中波制冷紅外焦平面探測器的焦平面在制作過程中各部分組分間的差異性對光電流的影響進(jìn)行了研究，得出了組分對探測器響應(yīng)非線性的影響，并由此提出了探測器響應(yīng)非線性的雙指數(shù)曲線模型;通過對探測器內(nèi)部各種噪聲進(jìn)行分析，利用噪聲的單邊功率譜密度函數(shù)得出了讀出電路中各種噪聲隨積分時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合探測器在接收到外界輻射后通過光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)轉(zhuǎn)換成光電流并由讀出電路積分放大后輸出的過程，詳細(xì)的分

4、析了探測器積分時(shí)間與探測器信噪比的關(guān)系。通過對目前兩種不同的讀出電路類型，即數(shù)字讀出電路和模擬讀出電路在結(jié)構(gòu)和原理上的不同，分析了兩者在讀出數(shù)字或模擬信號時(shí)噪聲的出處和差異性。同時(shí)還針對國產(chǎn)探測器在性能上的缺陷，提出了在探測器性能已經(jīng)確定的情況下，能夠最大化的發(fā)揮其最佳性能的高性能驅(qū)動電路技術(shù)，重點(diǎn)對其中的影響探測器性能的幾個(gè)關(guān)鍵方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了低噪聲偏置電壓技術(shù)、高精度數(shù)字信號處理技術(shù)和低噪聲信號放大技術(shù)。這些技術(shù)能夠最大

5、程度的降低供探測器正常工作使用的偏置電壓的噪聲，降低數(shù)字信號在傳輸時(shí)的能量反射以及噪聲和功耗最優(yōu)化的模擬信號放大。并通過將該技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的課題項(xiàng)目開發(fā)中的效果與外界已經(jīng)很成熟的產(chǎn)品在性能上進(jìn)行比較，證明了本文中技術(shù)的優(yōu)越性。提出了基于場景中目標(biāo)溫度統(tǒng)計(jì)的動態(tài)范圍自適應(yīng)技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)測場景中的輻射溫度狀態(tài)，并相應(yīng)的做出現(xiàn)場調(diào)整，將探測器的輸出信號動態(tài)范圍始終置于熱像儀的最佳模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi)，有效的降低后端圖像處理算法的壓力。最

6、后，提出了完整的紅外模擬探測器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該模擬探測器是一套獨(dú)立的系統(tǒng)，可以由上位機(jī)軟件控制臺對其上的模擬參數(shù)進(jìn)行配置。該模擬探測器能夠全面的模擬實(shí)際探測器功能和性能。通過對實(shí)際探測器中存在的行列條紋非均勻性，讀出電路中的列通道增益非均勻性，盲元和輸出噪聲等幾個(gè)主要特征進(jìn)行模擬，并且實(shí)現(xiàn)了用戶友好的參數(shù)可控，使模擬探測器系統(tǒng)能夠很好的模擬實(shí)際探測器的性能;模擬探測器結(jié)構(gòu)中主要包括中央處理單元，接收外部驅(qū)動信號模塊和模擬信號輸出模塊。接收外