基于FPGA的小型星載非制冷紅外成像系統

　　2 各模塊的設計與實現

　　2.1 CCD探測器電路設計與實現

　　根據內編隊重力場衛星設計的紅外成像環境溫度(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為9.66 μm，處于長波紅外波段，因此可以選用典型波長為8 μm~14 μm的紅外焦平面陣列探測器。在波長范圍確定的情況下，綜合考慮航天運用上高可靠性、低功耗、低噪聲和小型化等方面的要求，選取了ULIS公司生產的UL 03 16 2非制冷型長紅外微型測輻射熱儀[4]。與之相匹配的紅外鏡頭委托相關公司設計了視場角120°、焦距3 mm、光圈F數為1的廣角鏡頭。UL 03 16 2微型測輻射熱儀焦平面陣列包含兩部分：由384×288個單元組成，采用多晶硅工藝制作的電阻型兩維探測陣列；連接到探測器陣列的硅工藝讀出集成電路(ROIC)。

　　根據探測器芯片資料，探測器正常工作所需的電源和各項偏置電壓參數要求如表1所示。

　　由表1可知，VDDA和VDDL為供電電源，選用了轉換效率高、穩定性好的LT1086-5.0和LT1086-3.3電源芯片，它可提供1.5 A的最大電流。4個精密基準電壓源需要為探測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配合精密可調電阻產生VBUS、GFID和VSK三種電壓，采用LM4041配合精密可調電阻產生GSK電壓。為了使電源噪聲達到上述要求，設計了放大器去噪電路，采用低噪聲精密放大器OP270，它在1 kHz下能達到5 nV的電壓穩定精度，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。

　　探測器借助不同的外部時鐘和偏置電壓，內部時序器為完全同步的ROIC操作提供所有必要的內部信號，所有內部脈沖都是通過主時鐘的整數倍頻得到的。內部時序器的操作僅需要以下時鐘[4]：(1)主時鐘（MC）；(2)復位信號；(3)積分信號。VIDEO信號在每行積分完成的18.5個時鐘周期后開始輸出，與之相應的AD采樣時鐘可設置為積分完成后的19個周期開始，與主時鐘同步。上述信號的時序關系可在FPGA內部編程實現。