淺談噪聲源引入對紅外傳感器性能的影響

紅外輻射在大氣中傳播時，由于大氣中氣體分子、水蒸氣以及固體微粒、塵埃等物質(zhì)的吸收和散射作用，使輻射能在傳輸過程中逐漸衰減，當(dāng)有不同程度噪聲源引入時，會不同程度地加劇紅外輻射在傳輸過程中的衰減。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，青島智騰微電子有限公司的科研團隊在《傳感器與微系統(tǒng)》期刊上發(fā)表了以“噪聲對紅外傳感器性能的影響研究”為主題的文章。該文章第一作者為劉欣工程師，通訊作者為徐江燕工程師。

本工作通過實驗對所設(shè)計的紅外傳感器系統(tǒng)引入3種不同程度噪聲源，并通過上位機軟件對紅外傳感器的圖像進行采集對比。

基本原理

基本理論依據(jù)

紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示單元等組成。其中，紅外輻射源是指有紅外輻射的物體，紅外探測器是指能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的光敏器件。紅外探測器是紅外傳感器的核心部分，它通過成像處理芯片，可以直觀地將目標的溫度信息通過非接觸的方式反饋在傳感器上。

紅外探測器的主要性能指標包括探測器響應(yīng)率、響應(yīng)時間、分辨率以及成像芯片處理數(shù)字信號的速率、是否存在丟幀等。

根據(jù)基爾霍夫定律，物體的輻射力越大，其吸收能力也就越強，即善于輻射的物體必善于吸收，反之亦然。所以同溫度下黑體的輻射力最大。黑體是能全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體，是在任何溫度下全部吸收任何波長輻射的物體，吸收能力與波長和溫度無關(guān)，加熱后發(fā)射熱輻射能力比任何物體都強，而黑體、灰體、白體等都是理想物體，并且可能因為噪聲源的引入，使得實際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同。因此，實際使用中需要用實驗來確定，形式也可能很復(fù)雜。

紅外傳感器噪聲測試系統(tǒng)

本文主要研究噪聲源的引入對紅外傳感器性能的影響。在紅外線的照射下，探測器中特殊的敏感元件會產(chǎn)生電荷載流子，后級電路會對所產(chǎn)生的電荷載流子進行收集和放大處理。

本文實驗所用的紅外校準儀作為校準用的靶面，提供基準溫度，校準溫度范圍為-20～300 ℃，在校準距離1 m的條件下，其校準精確度能達到0.3 ℃，中間的圓就是實驗所用黑體。

紅外傳感器是紅外成像的核心部件，具有分辨率高，結(jié)構(gòu)簡單，幀頻高等優(yōu)點。圖1為本文所設(shè)計的整個紅外傳感器測試系統(tǒng)的紅外成像過程框圖。在本文實驗研究過程中，以320 K黑體為光源，探測器靈敏面積為1 cm2，噪聲等效帶寬為 1 Hz。

圖1 紅外成像的過程框圖

該系統(tǒng)中，輻射源是指一切具體溫度反射的物體，是紅外傳感器檢測的源頭。紅外探測元件吸收紅外輻射后，溫度發(fā)生變化，通過測量由溫度變化而導(dǎo)致的敏感元件物理性質(zhì)的變化，來實現(xiàn)對紅外輻射進行探測。小信號處理電路是將采集到的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程。STM32控制系統(tǒng)是將數(shù)字信號并口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成圖像數(shù)據(jù)，然后通過有機發(fā)光二極管（OLED）屏顯電路顯示。

本文旨在研究噪聲對紅外傳感器性能的影響。噪聲是疊加在正常信號上的隨機干擾。紅外圖像中的噪聲來自于成像過程中的各個組成部分，即紅外傳感器、讀出電路以及信號處理等；同時，紅外傳感器噪聲也是紅外圖像中噪聲的主要來源。噪聲產(chǎn)生的機理非常復(fù)雜，可分為熱噪聲、散粒噪聲、光子噪聲等。

分析與討論

在實驗過程中，將紅外探測器良好接地，用示波器探頭檢測到此時噪聲較小，其峰值為32.5 mV，頻率為53.95 MHz，再通過上位機軟件觀察此時的紅外傳感器成像效果，如圖2所示，圖中人影就是紅外探測器根據(jù)溫度采集到的圖像，不難發(fā)現(xiàn)該畫面無明顯雜質(zhì)，圖像效果很清晰。

上述實驗表明，在噪聲微弱的情況下對紅外傳感器的性能無明顯影響。現(xiàn)將紅外傳感器的金屬外殼去掉，用示波器探頭測得此時系統(tǒng)中的噪聲峰值為200.0 mV。通過上位機軟件觀察發(fā)現(xiàn)，此時紅外傳感器的圖像中出現(xiàn)塊狀的雜質(zhì)，并且成像圖像也受到了干擾。由此可以看出，紅外傳感器在噪聲顯著增加時，其電性能會明顯下降，并且此時的噪聲信號不是地噪聲，而是干擾信號。

當(dāng)將紅外傳感器外殼去掉，暴露在嘈雜的外部環(huán)境中時，此時用示波器探頭測到系統(tǒng)中的噪聲峰值為310.0 mV，再通過上位機軟件觀察發(fā)現(xiàn)紅外傳感器的圖像已經(jīng)發(fā)生顯著的變化，出現(xiàn)綠屏和花屏的現(xiàn)象，如圖3所示。該實驗表明，在噪聲干擾達到一定程度后，紅外傳感器的性能會受到嚴重的影響，不能再正常工作。

圖3 噪聲峰值為310.0 mV時的成像圖像

現(xiàn)以上述實驗為基礎(chǔ)，進一步探索研究外部噪聲強度達到一定程度后對紅外傳感器性能影響的根本原因。根據(jù)紅外探測器的數(shù)據(jù)表（datasheet）可得到紅外探測器數(shù)字信號在經(jīng)過STM32信號處理之前的標準數(shù)據(jù)波形，如圖4所示，其中，①為行信號，②和③為CMOS通信的標準數(shù)據(jù)信號，④為時鐘頻率信號。

圖4 紅外探測器采集到的標準數(shù)據(jù)波形

當(dāng)紅外探測器數(shù)字信號在經(jīng)過STM32信號處理后，并經(jīng)專用仿真器仿真處理之后，得到此時該紅外傳感器理論的數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 仿真器仿真后的理論數(shù)據(jù)

進一步用示波器探頭采集在系統(tǒng)噪聲峰值為310.0 mV時紅外探測器的實際輸出波形，如圖6所示，圖中波形1為抓取到的數(shù)據(jù)，波形2為時鐘信號。

圖6 紅外探測器的實際輸出波形

通過對比分析圖5和圖6波形，發(fā)現(xiàn)紅外探測器在噪聲峰值為310 mV時數(shù)據(jù)位發(fā)生了偏移，數(shù)據(jù)位與理論值不對應(yīng)，本來應(yīng)該是1的位變成了0，或者本來應(yīng)該是0的位變成了1，從而將錯誤的信號傳遞至STM32處理，出現(xiàn)了丟數(shù)、數(shù)據(jù)位錯誤的現(xiàn)象。正常圖像是由紅綠藍（RGB）三色組成，不同顏色疊加會產(chǎn)生不同的顏色。由于STM32接收到的是錯誤數(shù)據(jù)，RGB數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，像素混亂，從而錯誤數(shù)據(jù)反饋到圖像上，導(dǎo)致紅外傳感器出現(xiàn)花屏、綠屏的現(xiàn)象。

結(jié)論

本文實驗研究可得出，對于微弱的外部噪聲，紅外傳感器的性能未受到顯著影響，當(dāng)噪聲逐漸變強增長到一定程度后，紅外傳感器的性能明顯下降并嚴重影響了傳感器成像效果。本文通過實驗研究探索到其根本原因是由于紅外探測器在受到強度較大的噪聲影響后，數(shù)據(jù)會發(fā)生偏移或邏輯狀態(tài)錯誤，導(dǎo)致后續(xù)的信號處理電路接收到錯誤的數(shù)據(jù)，反饋到圖像上表現(xiàn)為花屏或者綠屏的現(xiàn)象。

后續(xù)研究應(yīng)該關(guān)注以下2個方面：1）如何將噪聲從有用的數(shù)字信號中分離出來，弱化噪聲對于紅外傳感器性能的影響；2）通過大量實驗，建立噪聲模型，通過算法優(yōu)化，提升紅外傳感器的性能。

審核編輯：黃飛

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