基于FPGA的小型星載非制冷紅外成像系統(tǒng)

　　2 各模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 CCD探測(cè)器電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)內(nèi)編隊(duì)重力場(chǎng)衛(wèi)星設(shè)計(jì)的紅外成像環(huán)境溫度(300 K)和黑體維恩位移定律，可得到紅外光譜輻照度的峰值波長(zhǎng)為9.66 μm，處于長(zhǎng)波紅外波段，因此可以選用典型波長(zhǎng)為8 μm~14 μm的紅外焦平面陣列探測(cè)器。在波長(zhǎng)范圍確定的情況下，綜合考慮航天運(yùn)用上高可靠性、低功耗、低噪聲和小型化等方面的要求，選取了ULIS公司生產(chǎn)的UL 03 16 2非制冷型長(zhǎng)紅外微型測(cè)輻射熱儀[4]。與之相匹配的紅外鏡頭委托相關(guān)公司設(shè)計(jì)了視場(chǎng)角120°、焦距3 mm、光圈F數(shù)為1的廣角鏡頭。UL 03 16 2微型測(cè)輻射熱儀焦平面陣列包含兩部分：由384×288個(gè)單元組成，采用多晶硅工藝制作的電阻型兩維探測(cè)陣列；連接到探測(cè)器陣列的硅工藝讀出集成電路(ROIC)。

　　根據(jù)探測(cè)器芯片資料，探測(cè)器正常工作所需的電源和各項(xiàng)偏置電壓參數(shù)要求如表1所示。

　　由表1可知，VDDA和VDDL為供電電源，選用了轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好的LT1086-5.0和LT1086-3.3電源芯片，它可提供1.5 A的最大電流。4個(gè)精密基準(zhǔn)電壓源需要為探測(cè)器提供低噪聲的偏置電壓(VBUS、GFID、VSK和GSK)，比較此類芯片的特性，采用AD584配合精密可調(diào)電阻產(chǎn)生VBUS、GFID和VSK三種電壓，采用LM4041配合精密可調(diào)電阻產(chǎn)生GSK電壓。為了使電源噪聲達(dá)到上述要求，設(shè)計(jì)了放大器去噪電路，采用低噪聲精密放大器OP270，它在1 kHz下能達(dá)到5 nV的電壓穩(wěn)定精度，溫度漂移為1 ?滋V/K。圖2以VSK(5.475 V)電壓為例給出了具體電路原理圖，其他電壓的電路原理基本類似。

　　探測(cè)器借助不同的外部時(shí)鐘和偏置電壓，內(nèi)部時(shí)序器為完全同步的ROIC操作提供所有必要的內(nèi)部信號(hào)，所有內(nèi)部脈沖都是通過(guò)主時(shí)鐘的整數(shù)倍頻得到的。內(nèi)部時(shí)序器的操作僅需要以下時(shí)鐘[4]：(1)主時(shí)鐘（MC）；(2)復(fù)位信號(hào)；(3)積分信號(hào)。VIDEO信號(hào)在每行積分完成的18.5個(gè)時(shí)鐘周期后開始輸出，與之相應(yīng)的AD采樣時(shí)鐘可設(shè)置為積分完成后的19個(gè)周期開始，與主時(shí)鐘同步。上述信號(hào)的時(shí)序關(guān)系可在FPGA內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)。