CN107864347A - 一种红外tdi探测器预处理电路噪声的统计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外TDI探测器预处理电路噪声的统计系统，其包括：红外TDI探测器组件、预处理电路、上位机；所述红外TDI探测器组件用于完成光电转换与成像信号输出；所述预处理电路与所述红外TDI探测器组件相连，用于成像信号的接收、调理、模数转换，同时，为所述红外TDI探测器组件提供电源与时序驱动信号，并采集处理数字化后的成像数据，将数据传送至所述上位机；所述上位机用于图像数据采集与处理。本发明统计结果实用性强，可操作性高，开发周期短，测试覆盖性高。

Description

一种红外TDI探测器预处理电路噪声的统计方法

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及一种红外TDI探测器预处理电路噪声的统计方法。

背景技术

噪声特性是光电系统的重要特性之一，噪声水平是限制光电系统性能的决定性因素，红外TDI探测器作为扫描成像光电系统的核心组成部分，其噪声水平一直都是探测器性能考核的重要指标，是器件厂商与用户重点关注的指标，而且，扫描成像不同于凝视成像，为匹配特定的扫描速度，探测器的积分时间往往是固定不变的，辐射能的积累受工作模式限制，信噪比在该类成像系统中愈显重要。目前，生产厂商针对探测器本身的噪声指标测试方法较为完善，但是，基于红外TDI探测器的光电成像系统中，针对探测器外围电路的噪声测量方法并不完善，预处理电路就是探测器外围电路之一，预处理电路往往用于探测器输出信号的调理、模拟信号至数字信号的转换、数字信号的采集处理等，因其参与了成像信号的处理，其噪声水平自然就成为了影响系统信噪比的因素之一，值得关注的是，预处理电路一般属模数混合电路，如若设计不当，引入数字噪声，将对图像质量产生巨大影响，所以，十分有必要提出一种预处理电路自身噪声的统计方法，评估预处理电路的噪声水平，作为预处理电路优化设计的依据，以最终保障基于红外TDI探测器光电成像系统的信噪比。

发明内容

(一)发明目的

探测器生产厂商在探测器出厂前会提供红外TDI探测器组件的噪声测试数据，预处理电路属于光电系统后端，根据用户需求定制，其噪声数据往往是未知的，所以为了完善基于红外TDI探测器的光电成像系统的噪声评估体系、保证预处理电路设计达标，本发明提出一种实际可行的预处理电路噪声统计方法，该方法操作简便、结果直观，用户可利用实测的统计结果评估预处理电路噪声水平是否达标，并可与探测器生产厂商提供的探测器组件噪声测试数据进行比对评估预处理电路噪声对光电系统噪声的影响。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供本发明利用基于红外TDI探测器的光电成像系统的成像电路组成特点与接口特性，设计了低噪声参考源，在探测器离线状态下为预处理电路提供测试输入，利用预处理电路自身的数据采集功能多次采集评估数据至上位机，通过上位机软件进行数据统计，计算出像元采样点采样数据的标准差值，将其折算至预处理电路输入端以评估预处理电路的噪声水平。

所述的基于红外TDI探测器的光电成像系统的成像电路组成包括红外TDI探测器组件、预处理电路、上位机；其中，所述红外TDI探测器组件用于完成光电转换与成像信号输出；所述预处理电路与所述红外TDI探测器组件相连，用于成像信号的接收、调理、模数转换，同时，为所述红外TDI探测器组件提供电源与时序驱动信号，并采集处理数字化后的成像数据，将数据传送至所述上位机；所述上位机用于图像数据采集与处理。

本发明提出的一种红外TDI探测器预处理电路噪声的统计方法，在所述红外TDI探测器组件与所述预处理电路之间的接口处将二者断开，引入一个低噪声参考源，作为所述预处理电路的输入，利用所述预处理电路自身工作特点对所述低噪声参考源输入进行与成像信号相同的处理并最终采集到所述上位机中，利用采集的所述低噪声参考源数据进行统计计算，便可获得所述预处理电路的噪声数据。所以，本发明的主要内容为：设计一个低噪声参考源作为所述预处理电路的输入；利用所述预处理电路进行所述低噪声参考源数据的采集；利用所述上位机完成所述预处理电路噪声数据的统计计算并输出结果，作为评价所述预处理电路噪声水平的依据。

具体而言，本发明提出的一种红外TDI探测器预处理电路噪声的统计方法，步骤如下：

步骤S1：低噪声参考源的设计与制作。根据基于红外TDI探测器的光电成像系统的成像电路组成特点可知，所述红外TDI探测器组件与所述预处理电路之间的接口特性为：所述预处理电路为所述红外TDI探测器组件提供电源输入与时序驱动信号，所述红外TDI探测器组件将光电转换后的信号输出至所述预处理电路。基于这种接口特性，提出一种低噪声参考源的设计方法：利用所述预处理电路为所述红外TDI探测器组件提供的电源输入作为所述低噪声参考源的电源，通过可调电阻反馈网络将该电源分压，将分压范围控制为与所述红外TDI探测器组件输出动态范围相同，再将该分压引回至所述预处理电路，作为所述预处理电路的信号输入。

所述低噪声参考源为无源模块，其噪声水平由电源与电阻网络决定。本发明采用所述预处理电路为所述红外TDI探测器组件提供的电源作为所述低噪声参考源电源，正是利用了该电源的低噪声特性，该类电源通常采用低噪声的LDO类电源调整器实现，在10Hz-100kHz范围内输出噪声RMS值可控制在20μV以下；所述电阻网络的噪声与电阻网络等效电阻值、温度、系统带宽等因素相关；为进一步降低所述低噪声参考源的噪声水平，在所述低噪声参考源电路中引入噪声旁路电容，该旁路电容可旁通所述电源噪声与所述电阻网络噪声，当所述低噪声参考源噪声水平设计值远低于所述预处理电路等效输入噪声理论分析值时，可认为低噪声参考源未引入额外噪声，最终统计结果更加接近真实的所述预处理电路自身的噪声水平；

步骤S2，完成系统互连。在未通电状态下断开所述红外TDI探测器组件与所述预处理电路之间的连接，将步骤S1中所述低噪声参考源接入所述预处理电路输入端；

步骤S3，加电及参数设置。给所述预处理电路通电，通过所述上位机软件控制所述预处理电路状态，为其设置工作参数，如AD增益值、直流分量移除值等，使所述预处理电路在测试状态与实际成像时的状态一致，发送“探测器上电”命令至所述预处理电路，实现低噪声参考源通电，为所述预处理电路提供测试输入；

步骤S4，数据采集与噪声统计。利用所述可调电阻反馈网络调整所述低噪声参考源的分压输出，用万用表监测该值，分压输出调整至所述红外TDI探测器组件输出动态范围内，利用所述预处理电路自身工作特点对所述低噪声参考源输出信号进行模数转换与数据采集，所述预处理电路应按照图像采集的工作模式进行数据采集，保证测试状态与实际工作状态的一致性，采集好的数据以灰度图像形式发送到所述上位机；所述上位机接收到灰度图像形式的所述低噪声参考源数据，以512×512的图幅为例，每行的512个像素对应探测器成像模式一个行周期输出的512个像元的采样点，每列的512个像素代表不同行周期同一采样位置的采样点，在成像中，列数据对应同一像元的不同次积分曝光过程，所述上位机软件利用公式(1)计算每一列数据的标准差，即每个像元采样点的标准差，可获得所述预处理电路在该采样点位置的噪声数据，式中，n＝512，表示同一像元采样点的512次采样数据，x_i为每次采样的采样数据，μ为该像元512次采样数据的数学期望值，σ为统计所得的该像元采样点的标准差值，用该数据表征该采样点噪声，σ为灰度值，其量纲为LSB。

将噪声数据σ折算为所述预处理电路输入端的等效输入噪声电压利用公式(2)实现，式中E_ni为实测中统计所得的所述预处理电路输入端的等效输入噪声电压，N为所述预处理装置采用的AD器件量化位数，M为AD器件电压输入范围，A_u为噪声增益；统计512个像元采样点折算后的E_ni噪声数据，以图形方式显示统计结果；

步骤S5，在整个动态范围内等间隔选择若干测试点，调整所述低噪声参考源输出，统计并存储噪声数据；

步骤S6，将所述E_ni与所述红外TDI探测器组件噪声水平E_TDI进行比对，评估预处理电路噪声水平。

(三)有益效果

上述技术方案具有以下有益效果：

(1)统计结果实用性强，通过本发明提出的预处理电路噪声统计方法，将使用者从复杂的噪声理论分析中解放出来，将全链路噪声统计结果折算到所述预处理电路输入端，在该系统节点处与所述红外TDI探测器组件噪声数据进行对比，最能看出所述预处理电路噪声在系统中所占比重；

(2)可操作性高，传统的电路噪声测量利用高精度万用表、示波器、频谱分析仪等精密设备进行，测量成本高、测试难度大，本发明提出的预处理电路噪声统计方法利用光电系统自身特点完成噪声数据采集，使用者按照探测器正常成像时的工作流程采集数据然后计算，没有繁复的人为参与，操作简单；

(3)开发周期短，可适用于具有与本发明中所述光电成像系统组成特点相似的光电系统，本发明的实质是利用一个低噪声参考源代替探测器输出，最大程度利用光电系统自身特点与已开发资源，无需为低噪声参考源专门设计外围，无需在所述预处理电路中为噪声测量设计专用的固件及软件代码，节省开发时间；

(4)测试覆盖性高，所述低噪声参考源覆盖探测器输出范围，用户可在整个动态范围内测量所述预处理电路噪声变化情况，验证不同输入条件下的噪声变化，测试结果更加系统接近实际工作状态，并可用作所述预处理电路AD器件线性度测量等，拓展了测试维度。

附图说明

图1是一种红外TDI探测器预处理电路噪声的统计方法的系统组成示意图。

图2是低噪声参考源电路图及其噪声模型图。

图3是可视化噪声统计结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为完善基于红外TDI探测器的光电成像系统的噪声评估体系、保证预处理电路设计达标，本发明提出一种实际可行的预处理电路噪声统计方法，如图1-图3所示，其利用基于红外TDI探测器的光电成像系统的成像电路组成特点与接口特性，在红外TDI探测器组件与预处理电路之间的接口处将二者断开，引入一个低噪声参考源，采集参考源数据，统计并评估预处理电路噪声水平。

所述的基于红外TDI探测器的光电成像系统的成像电路组成包括红外TDI探测器组件、预处理电路、上位机；其中，所述红外TDI探测器组件用于完成光电转换与成像信号输出；所述预处理电路与所述红外TDI探测器组件相连，用于成像信号的接收、调理、模数转换，同时，为所述红外TDI探测器组件提供电源与时序驱动信号，并采集处理数字化后的成像数据，将数据传送至所述上位机；所述上位机用于图像数据采集与处理。

具体地，如图1所示，所述红外TDI探测器组件与所述预处理电路之间的接口特性为：所述预处理电路为所述红外TDI探测器组件提供低噪声电源V_DD与若干时序控制信号，所述红外TDI探测器组件将光电转换后的信号U_out1～U_outn输出至所述预处理电路；本发明采用的测试验证系统中，V_DD＝6.5V，由低噪声的LDO线性稳压器LT1962提供，U_out1～U_outn信号接入所述预处理电路中后经信号调理、模数转换等过程处理，所述红外TDI探测器组件与所述预处理电路以可拆卸的连接器方式扣接。

基于该接口特性，实现一种红外TDI探测器预处理电路噪声的统计方法，具体步骤如下：

步骤S1，设计并制作低噪声参考源。利用所述预处理电路为所述红外TDI探测器组件提供的低噪声电源V_DD作为输入，对该输入进行线性分压处理，将分压后的输出信号U_o控制为与所述红外TDI探测器组件输出范围相同，并将U_o与U_out1～U_outn信号线相连反馈回所述预处理电路。为使测试不引入额外噪声，所述低噪声参考源噪声水平设计值E_i应低于所述预处理电路等效输入噪声理论值E_ni-theory。

所述预处理电路等效输入噪声理论值E_ni-theory估算：

根据系统特点，所述预处理电路的模拟信号调理过程与模数转换过程都会产生噪声，所述模拟信号调理过程的噪声一般由运放及电阻网络引入，所述模数转换过程的噪声由模数转换器固有噪声引入，可选地，通过运放等效输入噪声参数或模数转换器固有噪声参数等已知噪声数据估算所述预处理电路等效输入噪声理论值，本发明采用所述运放等效输入噪声参数进行估算，以测试验证系统中的输入级运放OPA4354为例，器件规格说明书中给出了其等效输入电压噪声谱密度参数根据公式(3)，以10MHz系统带宽估算运放等效输入噪声E_ni-OPA，则

式中E_ni-OPA为E_ni-theory的一部分，所以用E_ni-OPA估计E_ni-theory是可行的，利用噪声统计近似法，如果其中一个噪声源的幅度小于其它噪声源幅度的1/3，那么较小的那个噪声源可以被忽略掉，所以在设计所述低噪声参考源时，若其噪声幅度小于20.5μV/3≈6.9μV，则其噪声可被忽略，从而使本发明提出的一种红外TDI探测器预处理电路噪声的统计方法统计结果更接近所述预处理电路自身实际噪声，以噪声幅度不大于6.9μV作为所述低噪声参考源的设计要求。

所述低噪声参考源参数设计：

所述低噪声参考源属于电压反馈装置，将低噪声电源作为输入，对该输入进行线性分压处理并输出，依此，所述低噪声参考源设计为可调电阻反馈网络，如图2-(a)所示，由R₁、R₂、R_adj共同组成，根据所述红外TDI探测器组件输出信号动态范围可确定R₁、R₂、R_adj三者之间的比例关系，只要确定其中一个电阻的值，其它两个阻值便可确定。

所述低噪声参考源电路参数确定：

为实现所述低噪声参考源的低噪声特性，阻值确定通过噪声模型分析实现，图2-(b)为所述低噪声参考源噪声模型图，噪声源为电阻热噪声与电源噪声E_ns。其中由公式(4)计算得出

式中k为波耳兹曼常数(1.38×10^-23J/K)，T为开尔文温度(常温300K)，Δf为系统带宽，R_eq为等效电阻值，根据公式(4)，R_eq越小，越小，由图2-(b)可知，对于噪声源R_eq为R₁与R_p的并联值(R_S为电源输出电阻可忽略不计)，其值最大为R₁，所以在R₁、R₂、R_adj中先选定R₁的值，理论分析该值越小越好，但实际实现时要求所有电阻均在标称值范围内可选，所以此处可选定R₁范围为0～1kΩ范围内，再根据由所述红外TDI探测器组件输出信号动态范围确定的R₁、R₂、R_adj三者之间的比例关系，依次确定R₂、R_adj的值。根据公式(4)，Δf仍取10MHz，R_eq最大值R₁＝1kΩ代替R_eq进行计算可得，约为13μV。为进一步降低所述低噪声参考源噪声水平，在电路上增加一个旁路电容C_B。根据图2-(b)中噪声源分析，对于当选择合适的C_B，使得

则绝大部分的电阻噪声电压都会被C_B旁通，且C_B越大旁通效果越好，以R_eq＝1kΩ，ω为系统角频率(其值为2πΔf，Δf取10MHz)，则需C_B>>1.6×10^-11F，可选地，取C_B＝22μF，则R_eq与C_B组成的滤波器截止频率约7Hz，远低于系统工作频率，此时降为12nV。所述低噪声参考源另一部分噪声为电源噪声E_ns，由于所述低噪声参考源引用所述预处理电路为所述红外TDI探测器组件提供的电源V_DD，该电源由低噪声的LDO类电源调整器实现，本身噪声水平在10Hz～100kHz范围内可实现20μV以下，当引入C_B后，对于E_ns，R_eq与C_B组成截止频率为7Hz低通滤波器，以本发明中采用的LDO类电源调整器LT1962为例，根据其规格说明书，在7Hz带宽内其噪声谱密度以估算，E_ns约为800nV，则所述低噪声参考源总噪声设计值E_i远小于E_ni-theory，所述低噪声参考源满足设计要求。

所述低噪声参考源的制作：

在进行噪声统计测试时，需断开所述红外TDI探测器组件与所述预处理电路连接，接入所述低噪声参考源，该工作特点要求所述低噪声参考源与所述红外TDI探测器在连接方式上具备互换性，所以所述低噪声参考源应采用与所述红外TDI探测器组件所用的连接器，以保证可连接性；

步骤S2，完成系统互连。在未通电状态下断开所述红外TDI探测器组件与所述预处理电路之间的连接，将步骤S1中所述低噪声参考源接入所述预处理电路输入端；

步骤S3，加电及参数设置。给所述预处理电路通电，通过所述上位机软件控制所述预处理电路状态，为其设置工作参数，如AD增益值、直流分量移除值等，使所述预处理电路在测试状态与实际成像时的状态一致，发送“探测器上电”命令至所述预处理电路，实现低噪声参考源通电，为所述预处理电路提供测试输入；

步骤S4，数据采集与噪声统计。利用所述可调电阻反馈网络调整所述低噪声参考源的分压输出，用万用表监测该值，分压输出调整至所述红外TDI探测器组件输出动态范围内，利用所述预处理电路自身工作特点对所述低噪声参考源输出信号进行模数转换与数据采集，所述预处理电路应按照图像采集的工作模式进行数据采集，保证测试状态与实际工作状态的一致性，采集好的数据以灰度图像形式发送到所述上位机；所述上位机接收到灰度图像形式的所述低噪声参考源数据，以512×512的图幅为例，每行的512个像素对应探测器成像模式一个行周期输出的512个像元的采样点，每列的512个像素代表不同行周期同一采样位置的采样点，在成像中，列数据对应同一像元的不同次积分曝光过程，所述上位机软件利用公式(1)计算每一列数据的标准差，即每个像元采样点的标准差，可获得所述预处理电路在该采样点位置的噪声数据，利用系统参数及公式(2)将该采样点位置的噪声数据折算为实测中统计所得的所述预处理电路输入端的等效输入噪声电压E_ni，共统计512个像元采样点折算后的噪声数据，以图形方式显示统计结果；

步骤S5，在整个动态范围内等间隔选择若干测试点，调整所述低噪声参考源输出，统计并存储噪声数据；

步骤S6，将所述E_ni与所述红外TDI探测器组件噪声水平E_TDI进行比对，评估预处理电路噪声水平。一般地，所述红外TDI探测器组件噪声水平E_TDI为mV级，利用噪声统计近似法，如果其中一个噪声源的幅度是其它噪声源幅度的1/3，那么较小的那个噪声源可以被忽略掉，所以所述预处理电路等效输入噪声电压值E_ni应小于1/3E_TDI。如图3所示，统计结果横坐标为512个像元采样点，纵坐标为相应采样点位置折算到所述预处理电路输入端的等效输入噪声电压值E_ni，图3-(a)为所述低噪声参考源输出信号U_o为2.6V时统计的E_ni，图3-(b)为所述低噪声参考源输出信号U_o为3.6V时统计的E_ni，从图中可以看出，本发明所测试的所述预处理电路等效输入噪声电压值E_ni为0.32mV以下，E_ni小于1/3E_TDI，所以，依此判断，本发明中所测试的所述预处理电路噪声水平达标，未对成像系统信噪比造成影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种红外TDI探测器预处理电路噪声的统计系统，其特征在于，包括：红外TDI探测器组件、预处理电路、上位机；其中，所述红外TDI探测器组件用于完成光电转换与成像信号输出；所述预处理电路与所述红外TDI探测器组件相连，用于成像信号的接收、调理、模数转换，同时，为所述红外TDI探测器组件提供电源与时序驱动信号，并采集处理数字化后的成像数据，将数据传送至所述上位机；所述上位机用于图像数据采集与处理。

2.如权利要求1所述的红外TDI探测器预处理电路噪声的统计系统，其特征在于，所述红外TDI探测器组件与所述预处理电路之间的接口处将二者断开，引入一个低噪声参考源，作为所述预处理电路的输入，利用所述预处理电路对所述低噪声参考源输入进行与成像信号相同的处理并最终采集到所述上位机中，利用采集的所述低噪声参考源数据进行统计计算，获得所述预处理电路的噪声数据。

3.一种红外TDI探测器预处理电路噪声的统计系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：设计低噪声参考源；

步骤S2，完成系统互连；

步骤S3，加电及参数设置；

步骤S4，数据采集与噪声统计；

步骤S5，统计并存储噪声数据；

步骤S6，评估预处理电路噪声水平。

4.如权利要求3所述的红外TDI探测器预处理电路噪声的统计系统，其特征在于，所述步骤S1中，低噪声参考源的设计方法为：利用所述预处理电路为所述红外TDI探测器组件提供的电源输入作为所述低噪声参考源的电源，通过可调电阻反馈网络将该电源分压，将分压范围控制为与所述红外TDI探测器组件输出动态范围相同，再将该分压引回至所述预处理电路，作为所述预处理电路的信号输入。

5.如权利要求4所述的红外TDI探测器预处理电路噪声的统计系统，其特征在于，所述低噪声参考源为无源模块，其噪声水平由电源与电阻网络决定。

6.如权利要求5所述的红外TDI探测器预处理电路噪声的统计系统，其特征在于，所述步骤S2中，在未通电状态下断开所述红外TDI探测器组件与所述预处理电路之间的连接，将步骤S1中所述低噪声参考源接入所述预处理电路输入端。

7.如权利要求6所述的红外TDI探测器预处理电路噪声的统计系统，其特征在于，所述步骤S3中，给所述预处理电路通电，通过所述上位机控制所述预处理电路状态，为其设置工作参数，使所述预处理电路在测试状态与实际成像时的状态一致，发送“探测器上电”命令至所述预处理电路，实现低噪声参考源通电，为所述预处理电路提供测试输入。

8.如权利要求7所述的红外TDI探测器预处理电路噪声的统计系统，其特征在于，所述步骤S4中，利用所述可调电阻反馈网络调整所述低噪声参考源的分压输出，用万用表监测该值，分压输出调整至所述红外TDI探测器组件输出动态范围内，利用所述预处理电路对所述低噪声参考源输出信号进行模数转换与数据采集，所述预处理电路按照图像采集的工作模式进行数据采集，保证测试状态与实际工作状态的一致性，采集好的数据以灰度图像形式发送到所述上位机；所述上位机接收到灰度图像形式的所述低噪声参考源数据，灰度图像为512×512的图幅，每行的512个像素对应探测器成像模式一个行周期输出的512个像元的采样点，每列的512个像素代表不同行周期同一采样位置的采样点，在成像中，列数据对应同一像元的不同次积分曝光过程，所述上位机软件利用公式(1)计算每一列数据的标准差，即每个像元采样点的标准差，获得所述预处理电路在该采样点位置的噪声数据，式中，n＝512，表示同一像元采样点的512次采样数据，x_i为每次采样的采样数据，μ为该像元512次采样数据的数学期望值，σ为统计所得的该像元采样点的标准差值，用该数据表征该采样点噪声，σ为灰度值，其量纲为LSB；

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将噪声数据σ折算为所述预处理电路输入端的等效输入噪声电压利用公式(2)实现，式中E_ni为实测中统计所得的所述预处理电路输入端的等效输入噪声电压，N为所述预处理装置采用的AD器件量化位数，M为AD器件电压输入范围，A_u为噪声增益；统计512个像元采样点折算后的E_ni噪声数据，以图形方式显示统计结果；

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9.如权利要求8所述的红外TDI探测器预处理电路噪声的统计系统，其特征在于，所述步骤S5中，在整个动态范围内等间隔选择若干测试点，调整所述低噪声参考源输出，统计并存储噪声数据。

10.如权利要求9所述的红外TDI探测器预处理电路噪声的统计系统，其特征在于，所述步骤S5中，将所述E_ni与所述红外TDI探测器组件噪声水平E_TDI进行比对，评估预处理电路噪声水平。