一种线列型红外焦平面读出电路及信号处理方法与流程

本发明涉及微电子学领域，特别涉及一种线列型红外焦平面读出电路及信号处理方法。

背景技术：

红外焦平面探测器具有隐蔽性强、获得地面目标信息广、不受可见光限制全天候工作、抗干扰能力较强等优点，被广泛应用于预警探测、情报侦察以及农牧业、森林资源的调查、气象预报、太空天文探测等军事和民用领域。

读出电路是红外焦平面探测器的关键组成部分，其功能在于实现对红外探测器感应到的红外辐射信号进行前端处理。红外信号经过读出电路积分、采样、放大、滤波后，进入成像系统，实现图像显示。目前，红外焦平面读出电路主要分为面阵型和线列型两种，而线列型读出电路因其扫描速度快、扫描范围广的特点，多应用于高空预警和侦查等活动。而线列型读出电路越来越多的应用场合，对读出电路提出了更多的挑战：

1、因探测器所能感应的红外信号较小，读出电路通常要求高信噪比。TDI结构的电路因其信噪比高成为常用线列型读出电路结构。采用多元平均算法的TDI结构，可以在提高信噪比的同时保证信号准确读取，不被噪声淹没。TDI结构在信号累加平均的同时，对电路等效输入噪声也进行了平均，这样，使电路的信噪比提高了倍，其中，N为参与TDI的像元个数。

2、高空应用要求红外探测器能够适应大幅度的信号变化。这样，就要求读出电路能够处理的信号从极微弱达到极大。对于极微弱信号，甚至可能与电路的噪声相当，这对读出电路的信号识别和处理能力是极大的挑战。而对于极大信号，则要求电路有强大的电荷处理能力，避免迅速达到饱和。现有TDI多元累加后平均的算法，对微小信号的处理能力有限，因此需要对其进行优化设计，增强其处理小信号的能力。

3、对于外部参数不明确的条件下，通过修改积分时间等实现大小信号处理的转换是无法实现的。这时，需要对内部电路的功能进行扩展和优化，实现信号处理的自适应。对于读出电路来说，处理大信号和小信号时电路的关注点是不一样的。小信号时需考虑将信号放大，保证信噪比和后级信号的传输；大信号则考虑的是电荷处理能力，电路的输出范围。在高空探测时，通常会出现较大幅度的信号变化，若电路采用统一处理模式则无法同时兼顾大、小两种信号的处理。这就要求电路能够采用一种全新的工作方式，可以同时处理大、小信号两种信号。

技术实现要素：

为了使线列型红外焦平面读出电路能同时处理大、小两种信号，向多功能、智能化、高集成度的方向发展，本发明提供了一种线列型红外焦平面读出电路及信号处理方法。

本发明提供的线列型红外焦平面读出电路，与N个像素单元连接，包括增益TDI模块、非增益TDI模块、信号检测模块及输出模块；

所述非增益TDI模块，用于接收单个像素单元发送的信号，将所述信号进行积分和存储，得到非增益电压信号；

所述增益TDI模块，用于接收N个所述像素单元发送的电信号，进行积分处理，并将积分处理后的结果进行累加，得到总的增益电压信号；

所述信号检测模块，用于根据饱和参考电平判断所述总的增益电压信号是否饱和，根据判断结果导通所述增益TDI模块与所述输出模块间的链路或者导通所述非增益TDI模块与所述输出模块间的链路；

所述输出模块，用于通过所述增益TDI模块与所述输出模块间的链路接收所述总的增益电压信号，并输出；或者，通过所述非增益TDI模块与所述输出模块间的链路接收所述非增益电压信号，并输出。

本发明提供的线列型红外焦平面读出电路的信号处理方法，所述线列型红外焦平面读出电路与N个像素单元连接，包括以下步骤：

接收单个像素单元发送的信号，将所述信号进行积分和存储，得到非增益电压信号；

接收N个所述像素单元发送的电信号，进行积分处理，并将积分处理后的结果进行累加，得到总的增益电压信号；

根据饱和参考电平判断所述总的增益电压信号是否饱和，根据判断结果导通所述增益TDI模块与所述输出模块间的链路或者导通所述非增益TDI模块与所述输出模块间的链路；

通过所述增益TDI模块与所述输出模块间的链路接收所述总的增益电压信号，并输出；或者，通过所述非增益TDI模块与所述输出模块间的链路接收所述非增益电压信号，并输出。

本发明有益效果如下：

本发明实施例对现有的TDI线列型读出电路做了功能上的优化，将增益TDI模块和信号检测模块有效地结合起来，无需外部调控，实现电路工作模式的自动切换，既能处理微小信号保证信噪比，同时又能处理大信号保证信号输出范围。而这种自适应信号的设计方法不需要对现有的TDI线列型读出电路结构进行颠覆性的改动，原理容易理解，相关电路模块设计简单，为读出电路的多功能化和智能化提供了一种可行的解决方案。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1是本发明装置实施例的线列型红外焦平面读出电路的结构示意图；

图2是本发明装置实施例实例1的线列型红外焦平面读出电路的结构示意图；

图3是本发明方法实施例线列型红外焦平面读出电路的信号处理方法流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了解决现有技术线列型红外焦平面读出电路不能同时处理大、小两种信号的问题，本发明提供了一种线列型红外焦平面读出电路及其制备方法，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

根据本发明的装置实施例，提供了一种线列型红外焦平面读出电路，图1是本发明装置实施例的线列型红外焦平面读出电路的结构示意图，如图1所示，根据本发明实施例的线列型红外焦平面读出电路，与N个像素单元连接，包括：包括增益TDI模块、非增益TDI模块、信号检测模块及输出模块，以下对本发明实施例的各个模块进行详细的说明。

所述非增益TDI模块，用于接收单个像素单元发送的信号，将所述信号进行积分和存储，得到非增益电压信号。

所述增益TDI模块，用于接收N个所述像素单元发送的电信号，进行积分处理，并将积分处理后的结果进行累加，得到总的增益电压信号。

具体的，所述增益TDI模块包括N个依次连接的增益TDI单元；

第i个所述增益TDI单元，用于接收第i个像素单元发送的电信号和第i-1个增益TDI单元发送的第i-1个增益电压信号，对所述第i个像素单元发送的信号进行积分处理，并将积分的结果与所述第i-1个增益电压信号相加，得到第i个增益电压信号，其中1≤i≤N。

即所述第1个增益TDI模块，用于接收第1个像素单元发送的信号，进行积分处理，得到电压信号，并将所述电压信号发送至第2个增益TDI模块；所述第i个增益TDI模块，用于接收第i个像素单元发送的信号和第i-1个增益TDI模块发送的电压信号，对所述第i个像素单元发送的信号进行积分处理，并将积分的结果与第i-1个增益TDI模块发送的电压信号相加，得到第i个增益TDI模块的电压信号，其中1＜i≤N。

所述信号检测模块，用于根据饱和参考电平判断所述总的增益电压信号是否饱和，根据判断结果导通所述增益TDI模块与所述输出模块间的链路或者导通所述非增益TDI模块与所述输出模块间的链路。

具体的，信号检测模块是实现信号自适应处理的关键。通过信号检测模块，判定输出增益电压还是非增益电压，进行大、小信号处理的自动切换。具体的，所述信号检测模块包括比较器和控制开关；

所述比较器，用于接收第N个增益TDI模块发送的总的增益电压信号和饱和参考电平，并对所述总的增益电压信号与饱和参考电平进行比较，如果所述总的增益电压信号小于所述饱和参考电平，则生成第一控制信号；如果所述总的增益电压信号大于所述饱和参考电平，则在生成第二控制信号；

所述控制开关，包括第一开关和第二开关，用于当接收到所述第一控制信号时，所述第一开关处于开通状态，以导通所述增益TDI模块与所述输出模块间的链路；当接收到所述第二控制信号时，所述第二开关处于开通状态，以导通所述非增益TDI模块与所述输出模块间的链路。

更加具体的，所述第一开关和所述第二开关均为MOS开关。

信号检测模块的核心模块是比较器。普通比较器在比较电平附近受到干扰时会反复跳变，而本发明实施例采用的迟滞比较器具有抗干扰能力，可以有效避免在比较电压(饱和参考电平Vref)附近错误动作，有效地防止信号误判。

优选的，所述信号检测模块还包括锁存器；所述锁存器，与比较器连接，用于接收第一控制信号或第二控制信号，并进行显示。锁存器的加入可以将信号检测状态记录下来，作为电路工作模式的标志位输出。

所述输出模块，用于通过所述增益TDI模块与所述输出模块间的链路接收所述总的增益电压信号，并输出；或者，通过所述非增益TDI模块与所述输出模块间的链路接收所述非增益电压信号，并输出。

为了更加详细的说明本发明的装置实施例，给出了实例1。图2是本发明装置实施例实例1的线列型红外焦平面读出电路的结构示意图，在图2中，pixel表示像素单元，所述像素单元将红外探测器接收到的红外辐射信号变为电信号，并输出至非增益TDI模块和增益TDI模块。具体的，在本发明实施例实例1中，所述非增益TDI模块用于接收第N/2个像素单元发送的信号。

本发明装置实施例提供的线列型红外焦平面读出电路实现了红外焦平面读出电路信号处理能力的提升，既可以在微小信号时准确检测输入端感应到得信号，保证小信号时的信噪比，又能处理大信号，扩大信号的探测范围。迎合了红外焦平面探测器产品向高集成度、智能化、多功能化发展的趋势，从本质上降低了设计成本。

根据本发明的方法实施例，提供了一种线列型红外焦平面读出电路的信号处理方法，所述线列型红外焦平面读出电路与N个像素单元连接，图3是本发明方法实施例线列型红外焦平面读出电路的信号处理方法流程图，如图3所示，根据本发明方法实施例的线列型红外焦平面读出电路的信号处理方法包括如下处理：

步骤301，接收单个像素单元发送的信号，将所述信号进行积分和存储，得到非增益电压信号；

步骤302，接收N个所述像素单元发送的电信号，进行积分处理，并将积分处理后的结果进行累加，得到总的增益电压信号；

步骤303，根据饱和参考电平判断所述总的增益电压信号是否饱和，根据判断结果导通所述增益TDI模块与所述输出模块间的链路或者导通所述非增益TDI模块与所述输出模块间的链路；

步骤304，通过所述增益TDI模块与所述输出模块间的链路接收所述总的增益电压信号，并输出；或者，通过所述非增益TDI模块与所述输出模块间的链路接收所述非增益电压信号，并输出。

具体的，步骤302中所述接收N个所述像素单元发送的电信号，进行积分处理，并将积分处理后的结果进行累加，得到总的增益电压信号包括以下步骤：

接收第i个像素单元发送的电信号和第i-1个增益TDI单元发送的第i-1个增益电压信号，对所述第i个像素单元发送的信号进行积分处理，并将积分的结果与所述第i-1个增益电压信号相加，得到第i个增益电压信号，其中1≤i≤N。

具体的，步骤303中所述根据饱和参考电平判断所述总的增益电压信号是否饱和，根据判断结果导通所述增益TDI模块与所述输出模块间的链路或者导通所述非增益TDI模块与所述输出模块间的链路包括以下步骤：

对所述总的增益电压信号与饱和参考电平进行比较，如果所述总的增益电压信号小于所述饱和参考电平，则生成第一控制信号，并输出；如果所述总的增益电压信号大于所述饱和参考电平，则在生成第二控制信号，并输出；

当接收到所述第一控制信号时，所述第一开关处于开通状态，以导通所述增益TDI模块与所述输出模块间的链路；当接收到所述第二控制信号时，所述第二开关处于开通状态，以导通所述非增益TDI模块与所述输出模块间的链路。

优选的，在生成第一控制信号和生成第二控制信号之后，还包括以下步骤：

将所述第一控制信号和第二控制信号保存并进行显示。

本发明方法实施例提供的线列型红外焦平面读出电路的信号处理方法，可以在探测小信号的同时兼顾到大信号工作模式，实现信号探测的自适应。在小信号时采用TDI增益模式，将信号放大后输出，而在信号足够大时，自动跳转到单元输出的非增益模式。这样在保证电路信噪比不变的前提下，实现信号探测范围的扩展。

本发明所述的线列型红外焦平面读出电路的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：根据应用要求，确定小信号下TDI增益，根据TDI传输函数，确定TDI传输电容的大小，设计带有增益的TDI结构(根据应用要求，确定增益TDI模块的TDI增益，根据所述TDI增益和TDI传输函数，得到N个增益TDI单元的增益，根据所述N个增益TDI单元的增益设计N个所述增益TDI单元)；

步骤B：设计信号检测单元，包括迟滞比较器、锁存器、开关电路等模块，用于检测信号；

步骤C：将带有增益的TDI结构和信号检测单元级联起来实现完整的信号通路；

步骤D：完成版图设计，并进行流片。

其中，在所述步骤A中，首先根据应用要求确定需要的TDI增益，这一步非常重要，在设计时需要仔细考虑。确定增益后，根据TDI传输函数，分配每级TDI应有的增益，最终完成带有增益的TDI结构的设计。

具体的，首先，需要根据实际应用确定TDI增益，TDI增益和信号输入范围相互制约，增益越大，对小信号的放大能力越强，但是输入端接受信号的范围越小，即信号越容易饱和。两者满足以下关系：

其中，V_in为输入信号范围，ΔV_out为输出信号范围，G_TDI为TDI增益倍数。因此，在放大能力和信号输入范围上应该进行综合考虑，确定合适的TDI增益数值，避免将输入范围过度压缩。

其中，在所述步骤B中，设计信号检测单元，这一步是实现信号自适应处理的关键。本设计中，信号检测单元主要由迟滞比较器、锁存器、开关电路等模块组成。

其中，在所述步骤B中，采用迟滞比较器主要为了防止信号在电路工作状态转换时受到干扰而错误动作。锁存器的加入，将信号检测状态记录下来，作为电路工作模式的标志位输出。

其中，在所述步骤C中，将带有增益的TDI结构和信号检测单元有机的联合起来，形成整个自适应信号变化的线列型红外焦平面读出电路。

另外，在所述步骤C中，将信号检测单元置于增益型TDI结构之后，判断从TDI出来的信号大小，生成控制信号，切换电路工作状态。

综上所述，依照本发明一种自适应信号变化的线列型红外焦平面读出电路设计，用同一个TDI线列型红外读出电路，可以同时实现微小信号到大信号的处理。通过对小信号的放大，提高其信噪比；而在小信号处理达到饱和后，自动跳变到单元输出，继续进行大信号的探测处理。对于大范围扫描和大幅度信号变化的探测给出了可行的解决方案。同时，该设计方法理解简单且容易操作和实现，符合红外焦平面探测器产品向高集成度、智能化、多功能化发展的趋势，能够从本质上降低设计成本。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。