基于FPGA的非制冷红外焦平面读出电路

论文摘要

由于不需要制冷,制造成本低,体积小,非制冷红外焦平面成像技术已经被广泛应用在军事和民用领域。热释电材料是制作非制冷红外焦平面的一种优选材料,而（Ba1-xSrx）TiO3 （简称为BST）热释电陶瓷与常用热释电材料相比,具有高的热释电系数、介电常数、热释电探测优值和低的介电损耗,以及器件比较简单,兼容性好等优点,因而受到重视,成为研究的重点对象之一。本文针对由BST材料制成的红外焦平面设计了读出电路。论文介绍了红外探测器的研究意义、发展史、分类以及研究现状。而读出电路是红外焦平面阵列的关键技术之一,其性能的好坏直接决定了焦平面阵列探测的精确性。本文在分析比较多种红外焦平面读出电路的优缺点后,针对BST材料的工作特性,采用了以充/放电法为基本原理的BH5001芯片作为BST探测元的前级放大电路的核心器件。然后采用FPGA对前级放大信号作进一步的处理,包括信号读取、时序控制、显示以及探测指示等几个模块,在Quartus II软件中通过仿真、编译、综合等工作以确保器件的稳定工作。通过设计的测试电路对一组固定电容值进行测试,与数字电桥所测电容值作为对比,其相对误差值不超过0.86%。由此证明,该系统可以较为准确的测定电容值及其变化量。将BST探测元接入电路中,使探测元接收由黑体（温度设定为500K）发射的红外辐射,可以观察到电路测试的电容值发生变化,大小约为2pF。同时,指示电路通过蜂鸣器也会发出提示信号。最后将BST材料放在温度控制系统中,测出一组温度-电容曲线,其曲线与材料本身的介电常数-温度曲线基本吻合。可见,本文设计电路可以实现对BST探测器的信号读取功能本文设计的电路,基本上可以完成对红外辐射的检测工作和对红外成像完成了数据采集的准备工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 红外探测器分类
• 1.3 研究现状
• 1.4 研究内容及意义
• 2 红外焦平面读出电路
• 2.1 读出电路的意义与基本分类
• 2.2 针对BST 材料的读出电路原理
• 2.3 基于BH5001 的电容检测电路
• 2.4 本章小结
• 3 基于FPGA 的信号采集电路设计
• 3.1 FPGA 开发平台及环境
• 3.2 FPGA 系统设计
• 3.3 本章小结
• 4 测试结果及分析
• 4.1 准确度分析
• 4.2 黑体辐射测试
• 4.3 介电系数－温度曲线测试
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 致谢
• 参考文献