CN110411582B - 一种基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路，包括：第一微测辐射热计单元，对待检测物的红外光信号进行检测，得到检测辐射信号；第二微测辐射热计单元，根据自身电阻得到参考信号；转换单元，分别与第一微测辐射热计单元和第二微测辐射热计单元连接，根据检测辐射信号生成探测信号、参考信号生成参比信号；减法单元，与转换单元连接，对探测信号和参比信号进行做差得到差信号；积分单元，与减法单元连接，对差信号进行积分运算得到表征待检测红外光信号的电信号。本发明对待检测红外光信号进行偏置转换以及运算，得到与温度无关的红外光电信号，降低了电路的噪声，消除了温度对最终结果的影响。

Description

一种基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路
技术领域
本发明涉及红外焦平面技术领域，特别是涉及一种基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路。
背景技术
非制冷红外焦平面阵列探测器在军事、工业、医药、科研等领域有着广泛的应用，其中最具代表性的是微测辐射热计；微测辐射热计是一种光-热-电型的红外探测器，探测器阵列接收红外辐射引起微测辐射热计的温度变化，从而导致其等效电阻的变化；红外微测辐射热计读出电路是读取微测辐射热计等效电阻的变化值，获取相应目标红外辐射信息的专用电路。
不同温度的物体会发出不同波长的红外线，使探测器焦平面阵列上像元呈现不同的阻值。
微测辐射热计作为一种热敏型红外探测器，若不采用特别的补偿方法，其探测结果和衬底温度是相关的。在实际运用中，希望红外探测的结果仅与探测目标的温度相关，而与其他因素无关。
由于像元接受红外辐射后，温度会升高，衬底温度的变化会导致焦平面阵列产生极大的非均匀性，影响读出结果。通过不断的研究发现，解决非制冷红外焦平面阵列探测器非均匀性的关键技术：一方面在于工艺的改进，另一方面在于具有非均匀性校正功能的读出电路的设计，从电路上实现非均匀性补偿，输出质量良好的图像。
对于传统的从电路上实现非均匀性补偿结构，由于目标温度引起的温升常常是一个相对微小的变量，故将指数模型的微测辐射热计等效电阻进行一阶泰勒展开，保留一阶小量拟合近似为线性变化的电阻，再进行后续的衬底温度补偿以消除非均匀性。然而，随温度线性变化的电阻模型只能在一定温度区间内符合微测辐射热计的等效电阻随温度变化的关系；超过一定的温度区间，将带来较大误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种避免衬底温度影响、低电路噪声、适应性强的基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路，包括：
第一微测辐射热计单元，用于对待检测物的红外光信号进行检测，得到检测辐射信号；
第二微测辐射热计单元，用于根据自身电阻得到参考信号；
转换单元，分别与所述第一微测辐射热计单元和所述第二微测辐射热计单元连接，用于根据所述所述检测辐射信号生成探测信号、所述参考信号生成参比信号；
减法单元，与所述转换单元连接，用于对所述探测信号和所述参比信号进行作差得到差信号；
积分单元，与所述减法单元连接，用于对所述差信号进行积分运算得到表征所述待检测物的红外光信号的电信号。
优选地，所述转换单元包括：
第一探测电路，与所述第一微测辐射热计单元连接，用于对所述检测辐射信号进行偏置转换，得到第一探测信号；
第二探测电路，与所述第二微测辐射热计单元连接，用于对所述参考信号进行偏置转换，得到第一参比信号；
第一对数减法电路，与所述第一探测电路连接，用于将所述第一探测信号与第一内置参考电压信号进行对数减法运算得到第二探测信号；
第二对数减法电路，与所述第二探测电路连接，用于将所述第一参比信号和第二内置参考电压信号进行对数减法运算，得到第二参比信号；
第一反比电路，与所述第一对数减法电路连接，用于对所述第二探测信号进行反比运算得到第三探测信号，所述第三探测信号为所述探测信号；
第二反比电路，与所述第二对数减法电路连接，用于对所述第二参比信号进行反比运算得到第三参比信号，所述第三参比信号为所述参比信号。
优选地，所述转换单元还包括：
第一缓冲电路，设置在所述第一对数减法电路和所述第一探测电路之间；
第二缓冲电路，设置在所述第二对数减法电路和所述第二探测电路之间。
优选地，所述基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路还包括：
第一恒流源，设置在所述第一探测电路和所述第一微测辐射热计单元之间；
第二恒流源，设置在所述第二探测电路和所述第二微测辐射热计单元之间。
优选地，所述第一微测辐射热计单元和所述第二微测辐射热计单元均为指数模型电阻。
优选地，所述第一微测辐射热计单元的衬底采用硅隔热衬底。
优选地，所述基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路还包括：
遮光部件，用于完全遮住所述第二微测辐射热计单元，使所述第二微测辐射热计单元不受红外辐射的影响。
优选地，所述差信号进行积分运算得到所述电信号具体为：
Figure BDA0002163378020000031
其中，Vref是积分单元的参考电平，Cint是积分单元的积分电容，Rint是积分单元的积分电阻，tint是积分单元的积分时间，Rf、R1是减法单元的各电阻值，RX是反比电路的电阻值，Vref2是反比电路的参考电平，Ea是激活能，KB是玻尔兹曼常数；Is是双极结型晶体管的饱和电流，△Tscene是由于红外辐射导致的温升，K是积分系数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过所述第一微测辐射热计单元、第二微测辐射热计单元、转换单元、减法单元和积分单元对待检测物待测红外光信号和参考信号进行偏置、转换、运算，消除了衬底温度的影响，降低了整个电路噪声，从而输出更精准的待检测物的红外光的电信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路的结构图；
图2为本发明基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路中第一探测电路和第二探测电路的结构图；
图3为本发明基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路中第一对数减法电路和第二对数减法电路的结构图；
图4为本发明基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路中第一反比电路和第二反比电路的结构图；
图5为本发明基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路中减法单元的结构图；
图6为本发明基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路中积分单元的结构图。
符号说明：1-转换电路，2-第一微测辐射热计单元，3-第二微测辐射热计单元，4-减法单元，5-积分单元，11-第一探测电路，12-第二探测电路，13-第一对数减法电路，14-第二对数减法电路，15-第一反比电路，16-第一反比电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种无衬底温度影响、低电路噪声、参考信号准确、适应能力强的基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路包括第一微测辐射热计单元2、第二微测辐射热计单元3、转换单元1、减法单元4及积分单元5。
其中，所述第一微测辐射热计单元2用于对待检测物的红外光信号进行检测，得到检测辐射信号。本实施例中，所述第一微测辐射热计单元2为指数模型电阻。
所述第二微测辐射热计单元3用于根据自身电阻得到参考信号。本实施例中，所述第二微测辐射热计单元3为指数模型电阻。
所述转换单元1分别与所述第一微测辐射热计单元2和所述第二微测辐射热计单元3连接，所述转换单元1用于根据所述检测辐射信号生成探测信号、所述参考信号生成参比信号。
所述减法单元4与所述转换单元1连接，所述减法单元4用于对所述探测信号和所述参比信号进行作差得到差信号。
所述积分单元5与所述减法单元4连接，所述积分单元5用于对所述差信号进行积分运算得到表征所述待检测物的红外光信号的电信号。
具体地，所述待检测物的红外光照射所述第一微测辐射热计单元2，使所述第一微测辐射热计单元2的电阻值发生改变。
所述第二微测辐射热计单元3不接收红外辐射，使所述第二微测辐射热计单元3的电阻值保持不变。
为了使所述第一微测辐射热计2的电阻值变化不受本身温度变化受到影响，所述第一微测辐射热计2的衬底采用硅隔热衬底。
为了使所述第二微测辐射热计单元3不受其他红外光的影响，所述基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路还设置有遮光装置，所述遮光装置用于对所述第二微测辐射热计单元3进行完全遮光处理，使得所述第二微测辐射热计单元3的电阻值不受红外辐射影响。优选地，所述第二微测辐射热计单元3的衬底采用硅隔热衬底。
优选地，本发明基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路还包括：
第一恒流源，设置在所述转换单元1和所述第一微测辐射热计单元2之间；
第二恒流源，设置在所述转换单元1和所述第二微测辐射热计单元3之间。
具体地，所述转换单元2包括：第一探测电路11、第二探测电路12、第一对数减法电路13、第二对数减法电路14、第一反比电路15和第二反比电路16。
所述第一探测电路11通过所述第一恒流源与所述第一微测辐射热计单元2连接，所述第一探测电路11通过所述第一恒流源偏置所述第一微测辐射热计单元2，并获取所述第一微测辐射热计单元2上产生的指数型电压信号，得到第一探测信号。
所述第二探测电路12通过所述第二恒流源与所述第二微测辐射热计单元3连接，所述第二探测电路12通过所述第二恒流源偏置所述第二微测辐射热计单元3，并获取所述第二微测辐射热计单元3上产生的指数型电压信号，得到第一参比信号。
具体地，所述第一探测电路11和所述第二探测电路12均为图2所示电路。
所述第一对数减法电路13与所述第一探测电路11连接，所述第一对数减法电路13用于将所述第一探测信号与第一内置参考电压信号进行对数减法运算得到第二探测信号；具体地，所述第一对数减法电路13对所述第一探测信号和所述第一内置参考电压信号做对数运算，再做减法运算得到第二探测信号。
所述第二对数减法电路14与所述第二探测电路12连接，所述第二对数减法电路14用于将所述第二探测信号与第二内置参考电压信号进行对数减法运算得到第二参比信号；具体地，所述第二对数减法电路14对所述第二探测信号和所述第二内置参考电压信号做对数运算，再做减法运算得到第二参比信号。
为了防止后续电路对所述第一探测信号和所述第一参比信号产生影响，所述转换单元还包括第一缓冲电路及第二缓冲电路。
所述第一缓冲电路设置在所述第一探测电路11与所述第一对数减法电路13之间；所述第二缓冲电路设置在所述第二探测电路12与所述第二对数减法电路14之间。
所述第一反比电路15与所述第一对数减法电路13连接，所述第一反比电路15用于对所述第二探测信号进行反比运算得到随温度线性变化的第三探测信号，所述第三探测信号为所述探测信号。
所述第二反比电路16与所述第二对数减法电路14连接，所述第二反比电路16用于对所述第二参比信号进行反比运算得到随温度线性变化的第三参比信号，所述第三参比信号为所述参比信号。
优选地，所述减法单元对所述第三探测信号和所述第三参比信号进行做差，消除了衬底温度的影响，从而得到不随衬底温度变化的差信号。
具体地，所述积分电路对所述差信号进行积分运算得到所述电信号的具体公式为：
Figure BDA0002163378020000071
其中，Vref是积分单元的参考电平，Cint是积分单元的积分电容，Rint是积分单元的积分电阻，tint是积分单元的积分时间，Rf、R1是减法单元的各电阻值，RX是反比电路的电阻值，Vref2是反比电路的参考电平，Ea是激活能；KB是玻尔兹曼常数；Is是双极结型晶体管的饱和电流；△Tscene是由于红外辐射导致的温升，K是积分系数。
对所述表征电信号Vout与所述衬底的温度Tsub进行求导得：
Figure BDA0002163378020000072
由此可得，通过本发明读出电路获取的表征电信号是不受所述第一微测辐射热计单元2的自身衬底温度的影响。
具体地，所述第一对数减法电路13和所述第二对数减法电路14均为图3所示电路，所述第一对数减法电路13的输入端in1连接所述第一探测电路11的输出端，所述第一对数减法电路13的输入端in2连接所述第一内置参考电压信号；所述第二对数减法电路14的输入端in1连接所述第二探测电路12的输出端，所述第二对数减法电路14的输入端in2连接所述第二内置参考电压信号。
所述第一反比电路15和所述第二反比电路16均为图4所示电路，所述第一反比电路15的输入端in1连接第三内置参考电压信号，所述第一反比电路15的输入端in2连接所述第一对数减法电路13的输出端；所述第二反比电路16的输入端in1连接第四内置参考电压信号，所述第二反比电路16的输入端in2连接所述第二对数减法电路14的输出端。
具体地，所述第一内置参考电压信号和所述第二内置参考电压信号相同。所述第三内置参考电压信号和所述第四内置参考电压信号相同。
如图5所示，所述减法单元4的输入端in1连接所述第一反比电路15的输出端；所述减法单元4的输入端in2连接所述第二反比电路16的输出端。
如图6所示，所述积分单元5的输入端in1连接所述减法单元4的输出端；所述积分单元5的输入端in2连接所述积分单元5的内置参考电平。
本发明中所述第一微测辐射热计单元2和所述第二微测辐射热计单元3的衬底均采用硅隔热衬底，通过所述转换单元1得到对温度线性变化的探测信号和参比信号，在通过所述减法单元4得到不随温度变化的差信号，最终实现了所述电信号不受所述衬底和偏置电流的影响，且本发明所述第一微测辐射热计单元2和所述第二微测辐射热计单元3均采用指数模型电阻，能适应较恶劣环境，具有很大的实用性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，包括：
第一微测辐射热计单元，用于对待检测物的红外光信号进行检测，得到检测辐射信号；
第二微测辐射热计单元，用于根据自身电阻得到参考信号；
转换单元，分别与所述第一微测辐射热计单元和所述第二微测辐射热计单元连接，用于根据所述检测辐射信号生成探测信号、所述参考信号生成参比信号；
减法单元，与所述转换单元连接，用于对所述探测信号和所述参比信号进行作差得到差信号；
积分单元，与所述减法单元连接，用于对所述差信号进行积分运算得到表征所述待检测物的红外光信号的电信号；
所述转换单元包括：
第一探测电路，与所述第一微测辐射热计单元连接，用于对所述检测辐射信号进行偏置转换，得到第一探测信号；
第二探测电路，与所述第二微测辐射热计单元连接，用于对所述参考信号进行偏置转换，得到第一参比信号；
第一对数减法电路，与所述第一探测电路连接，用于将所述第一探测信号与第一内置参考电压信号进行对数减法运算得到第二探测信号；
第二对数减法电路，与所述第二探测电路连接，用于将所述第一参比信号和第二内置参考电压信号进行对数减法运算，得到第二参比信号；
第一反比电路，与所述第一对数减法电路连接，用于对所述第二探测信号进行反比运算得到第三探测信号，所述第三探测信号为所述探测信号；
第二反比电路，与所述第二对数减法电路连接，用于对所述第二参比信号进行反比运算得到第三参比信号，所述第三参比信号为所述参比信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述转换单元还包括：
第一缓冲电路，设置在所述第一对数减法电路和所述第一探测电路之间；
第二缓冲电路，设置在所述第二对数减法电路和所述第二探测电路之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路还包括：
第一恒流源，设置在所述第一探测电路和所述第一微测辐射热计单元之间；
第二恒流源，设置在所述第二探测电路和所述第二微测辐射热计单元之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述第一微测辐射热计单元和所述第二微测辐射热计单元均为指数模型电阻。
5.根据权利要求1所述的一种基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述第一微测辐射热计单元的衬底采用硅隔热衬底。
6.根据权利要求1所述的一种基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路还包括：
遮光部件，用于完全遮住所述第二微测辐射热计单元，使所述第二微测辐射热计单元不受红外辐射的影响。
7.根据权利要求1所述的一种基于指数模型的非制冷红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述差信号进行积分运算得到所述电信号具体为：
Figure FDA0002489446510000021
其中，Vref是积分单元的参考电平，Cint是积分单元的积分电容，Rint是积分单元的积分电阻，tint是积分单元的积分时间，Rf、R1是减法单元的各电阻值，RX是反比电路的电阻值，Vref2是反比电路的参考电平，Ea是激活能，KB是玻尔兹曼常数；Is是双极结型晶体管的饱和电流，△Tscene是由于红外辐射导致的温升，K是积分系数。
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