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《线列红外焦平面中几种相关采样法分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第18卷第1期红外与毫米波学报Vol.18,No.11999年2月J.InfraredMillim.WavesFebruary,1999线列红外焦平面中几种相关采样法分析房骏李言谨陈新禹方家熊(中国科学院上海技术物理研究所,传感技术国家重点实验室,上海,200083)摘要介绍了相关双采样法(CDS)、四D采样、差分平均法等方法对像元复位噪声(KTC)的抑制作用,从理论上分析了这几种方法对输入噪声的影响.将这几种方法用于线列红外焦平面,并对不同方法对噪声改善的程度进行了实验比较.关键词相关采样,KTC噪
2、声,红外焦平面.引言红外焦平面将探测器与信号处理电路集成在一起,工作模式与单元探测器有很大的不同,信号一般以“电荷包”的形式传递.因此需要输出电路将电荷信号转换为电压或电流信号.在检测信号的过程中,输出电路会引入所谓的像元复位噪声(KTC).在室温下,折算为噪声电子数$n=400C(C的单元为pF).若CCD输出电容为04pF,$n=253个噪声电子数,CCD的总噪声一般约为1000个电子数,可见KTC噪声已不容忽略.开关MOS电路的主要噪声就是KTC噪声.这是因为视频总线电容与列阵有关,列阵越长,总
3、线电容愈大,从而KTC噪声的影响更为严重.为了降低CCD的KTC噪声,1974年White提出了用相关[1]双采样法(CDS)来降低输出噪声.这种方法的优点还在于可以对输入信号中的1öf噪声[2,3]和白噪声起到抑制的作用.在此基础上,后来又发展了四D采样、差分平均法等技术.本文先分析了这几种方法的原理和实现方法,然后将这几种方法用于线列红外焦平面,并对结果进行了比较分析.1实验原理及方法本文先详细介绍相关双采样(CDS)方法,其他方法具体分析过程与CDS方法一致.1.1CDS对KTC噪声的抑制作用图
4、1和2是CDS方法电路示意图和采样方式.CDS具体实现方法是:先对复位电平采样,经时间$S后对信号电平采样,二者相减(这可通过片内或片外信号处理电路实现)即为抵消部份KTC噪声的信号.相关采样实施的理论基础是利用噪声的相关性,白噪声(噪声不相关)通过一低通滤波器后将成为有色噪声(噪声相关).这是由于电容的存在,上一时刻的电荷信息不能马上被放电消除掉,使得信号在时间上有一定的联系.可以证明,KTC噪声的相关系数为-$SöRCPoffR(S)=e.(1)稿件收到日期1998202210,最后修改稿收到日期
5、1998207220©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net红外与毫米波学报18卷42因此,经过CDS后的KTC噪声为kT-$SöRCVn=(1-eoff).(2)C式(1)和(2)中,$S是两次取样的时间间隔,Roff是MOS管的截止电阻.由式(1)和(2)可知,$S越小,则两次采样间KTC噪声的相关性越大,CDS方法抑制噪声的效果就越明显.例如,Roff
6、C=1ms,若需抑制复位噪声的程度不小于99%,按上式估算,S应小于100Ls.图1CDS方法电路示意图图2CDS方法采样示意图Fig.1SchematicofCDScircuitFig.2SchematicofCDSsampling1.2CDS对输入信号中噪声的抑制作用现讨论相关采样法对输入信号的影响,从频域分析的角度来看,CDS的传递函数为224sinxûH(w)û=2.(3)1+(xöxc)其中x=w$Sö2,xc=wc$Sö2,$S为采样间隔,wc为放大器的带宽.分析式(3),当w=0时,2û
7、H(w)û=0,因此相关采样法的一个附带好处是可以降低1öf噪声.若输入噪声由1öf噪22声、eFöf和白噪声、e0组成,即22P=eFöf+e0,(4)经过相关采样后的输出噪声为+∞+∞22eF22Vn=∫ûH(X)ûdf+∫ûH(X)ûe0df.(5)f00[4]2将式(3)代入式(5),输出噪声与wc$S的关系如图3,其中1öf噪声的单位为2eF,白2噪声的单位为fce0.图3中wc$S越小,对1öf噪声的抑制作用越强.当wc$S约等于0.52时,白噪声输出为fce0.即意味着wc$S>0.5时
8、,相关采样反而增加了输出噪声.因此,采样间隔$S和放大器带宽wc过大会增加输出噪声,在应用中要对$S与放大器带宽wc进行合适的选取.1.3四D采样法(doubleCDS)如图4(b)所示,在复位电平间隔时间S取两次样A和B,隔$S后再在信号电平上间隔S取样两次C和D,ûA+B-C-Dûö2即为处理后的信号.它的传递函数为©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsres
