浅谈噪声源引入对红外传感器性能的影响

红外辐射在大气中传播时，由于大气中气体分子、水蒸气以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减，当有不同程度噪声源引入时，会不同程度地加剧红外辐射在传输过程中的衰减。

据麦姆斯咨询报道，近期，青岛智腾微电子有限公司的科研团队在《传感器与微系统》期刊上发表了以“噪声对红外传感器性能的影响研究”为主题的文章。该文章第一作者为刘欣工程师，通讯作者为徐江燕工程师。

本工作通过实验对所设计的红外传感器系统引入3种不同程度噪声源，并通过上位机软件对红外传感器的图像进行采集对比。

基本原理

基本理论依据

红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。其中，红外辐射源是指有红外辐射的物体，红外探测器是指能将红外辐射能转换为电能的光敏器件。红外探测器是红外传感器的核心部分，它通过成像处理芯片，可以直观地将目标的温度信息通过非接触的方式反馈在传感器上。

红外探测器的主要性能指标包括探测器响应率、响应时间、分辨率以及成像芯片处理数字信号的速率、是否存在丢帧等。

根据基尔霍夫定律，物体的辐射力越大，其吸收能力也就越强，即善于辐射的物体必善于吸收，反之亦然。所以同温度下黑体的辐射力最大。黑体是能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体，是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，吸收能力与波长和温度无关，加热后发射热辐射能力比任何物体都强，而黑体、灰体、白体等都是理想物体，并且可能因为噪声源的引入，使得实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同。因此，实际使用中需要用实验来确定，形式也可能很复杂。

红外传感器噪声测试系统

本文主要研究噪声源的引入对红外传感器性能的影响。在红外线的照射下，探测器中特殊的敏感元件会产生电荷载流子，后级电路会对所产生的电荷载流子进行收集和放大处理。

本文实验所用的红外校准仪作为校准用的靶面，提供基准温度，校准温度范围为-20～300 ℃，在校准距离1 m的条件下，其校准精确度能达到0.3 ℃，中间的圆就是实验所用黑体。

红外传感器是红外成像的核心部件，具有分辨率高，结构简单，帧频高等优点。图1为本文所设计的整个红外传感器测试系统的红外成像过程框图。在本文实验研究过程中，以320 K黑体为光源，探测器灵敏面积为1 cm²，噪声等效带宽为 1 Hz。

图1 红外成像的过程框图

该系统中，辐射源是指一切具体温度反射的物体，是红外传感器检测的源头。红外探测元件吸收红外辐射后，温度发生变化，通过测量由温度变化而导致的敏感元件物理性质的变化，来实现对红外辐射进行探测。小信号处理电路是将采集到的电信号转换成数字信号的过程。STM32控制系统是将数字信号并口数据转成图像数据，然后通过有机发光二极管（OLED）屏显电路显示。

本文旨在研究噪声对红外传感器性能的影响。噪声是叠加在正常信号上的随机干扰。红外图像中的噪声来自于成像过程中的各个组成部分，即红外传感器、读出电路以及信号处理等；同时，红外传感器噪声也是红外图像中噪声的主要来源。噪声产生的机理非常复杂，可分为热噪声、散粒噪声、光子噪声等。

分析与讨论

在实验过程中，将红外探测器良好接地，用示波器探头检测到此时噪声较小，其峰值为32.5 mV，频率为53.95 MHz，再通过上位机软件观察此时的红外传感器成像效果，如图2所示，图中人影就是红外探测器根据温度采集到的图像，不难发现该画面无明显杂质，图像效果很清晰。

上述实验表明，在噪声微弱的情况下对红外传感器的性能无明显影响。现将红外传感器的金属外壳去掉，用示波器探头测得此时系统中的噪声峰值为200.0 mV。通过上位机软件观察发现，此时红外传感器的图像中出现块状的杂质，并且成像图像也受到了干扰。由此可以看出，红外传感器在噪声显著增加时，其电性能会明显下降，并且此时的噪声信号不是地噪声，而是干扰信号。

当将红外传感器外壳去掉，暴露在嘈杂的外部环境中时，此时用示波器探头测到系统中的噪声峰值为310.0 mV，再通过上位机软件观察发现红外传感器的图像已经发生显著的变化，出现绿屏和花屏的现象，如图3所示。该实验表明，在噪声干扰达到一定程度后，红外传感器的性能会受到严重的影响，不能再正常工作。

图3 噪声峰值为310.0 mV时的成像图像

现以上述实验为基础，进一步探索研究外部噪声强度达到一定程度后对红外传感器性能影响的根本原因。根据红外探测器的数据表（datasheet）可得到红外探测器数字信号在经过STM32信号处理之前的标准数据波形，如图4所示，其中，①为行信号，②和③为CMOS通信的标准数据信号，④为时钟频率信号。

图4 红外探测器采集到的标准数据波形

当红外探测器数字信号在经过STM32信号处理后，并经专用仿真器仿真处理之后，得到此时该红外传感器理论的数据，如图5所示。

图5 仿真器仿真后的理论数据

进一步用示波器探头采集在系统噪声峰值为310.0 mV时红外探测器的实际输出波形，如图6所示，图中波形1为抓取到的数据，波形2为时钟信号。

图6 红外探测器的实际输出波形

通过对比分析图5和图6波形，发现红外探测器在噪声峰值为310 mV时数据位发生了偏移，数据位与理论值不对应，本来应该是1的位变成了0，或者本来应该是0的位变成了1，从而将错误的信号传递至STM32处理，出现了丢数、数据位错误的现象。正常图像是由红绿蓝（RGB）三色组成，不同颜色叠加会产生不同的颜色。由于STM32接收到的是错误数据，RGB数据出现错误，像素混乱，从而错误数据反馈到图像上，导致红外传感器出现花屏、绿屏的现象。

结论

本文实验研究可得出，对于微弱的外部噪声，红外传感器的性能未受到显著影响，当噪声逐渐变强增长到一定程度后，红外传感器的性能明显下降并严重影响了传感器成像效果。本文通过实验研究探索到其根本原因是由于红外探测器在受到强度较大的噪声影响后，数据会发生偏移或逻辑状态错误，导致后续的信号处理电路接收到错误的数据，反馈到图像上表现为花屏或者绿屏的现象。

后续研究应该关注以下2个方面：1）如何将噪声从有用的数字信号中分离出来，弱化噪声对于红外传感器性能的影响；2）通过大量实验，建立噪声模型，通过算法优化，提升红外传感器的性能。

审核编辑：黄飞