CO_2监测用高光谱InGaAs面阵低噪声电子学技术研究

【摘要】：对温室气体进行全球范围高精度监测,获取高可靠有效数据,是控制温室气体排放的必要手段。为了获得高精度数据,高光谱温室气体监测仪需实现高信噪比的亚纳米分辨率光谱探测。本文以仪器信号链路的关键模块之一——InGaAs面阵探测器信息获取与处理模块为对象,开展微弱光谱信号低噪声电子学技术研究,从而保证1.61μm谱段0.07nm光谱分辨率下典型能量值1.91W/μm/m2/sr处信噪比达到符合应用要求。对焦平面器件信息获取与处理系统关键技术展开研究,分析影响系统噪声的重要因素,提出谱段信噪比模型,得出对关键模块的量化噪声要求,并据此详细论述了微弱光谱信号低噪声信息模块的设计流程及外围电路。论文首先调研了国内外温室气体遥感探测技术的现状,简要介绍了国内外在轨监测仪探测方式和性能指标。在此基础上,调研了基于红外面阵焦平面探测器的信息获取与处理技术,分析降低系统噪声采取的措施及其研制结果。通过对现有方案的优劣比对,并结合高光谱温室气体监测仪性能指标及InGaAs焦平面探测器的特点,分析仪器信号链路的关键模块之一的探测器信息获取与处理模块的功能和性能要求。根据InGaAs1300×300焦平面探测器的特点,提出了依据系统噪声计算量化电子学模块的噪声来实现高信噪比的方案。基于该方案,对影响系统噪声的因素进行量化分析,系统主要噪声来源为散粒噪声、背景噪声、信息获取与处理电路噪声等,并建立了探测器、信息获取和处理模块的噪声数学模型。针对采用的InGaAs短波红外件焦平面器件的读出信号特点,设计与实现了低噪声信息获取电路,包括焦平面器件的驱动和偏置与信号调理电路的设计,提出了以FPGA为核心的实现方法以及基于PCIe的数据采集与传输方式。设计中充分考虑了信息获取电路的低噪声要求,针对电源模块、焦平面器件偏置电路、模拟信号调理电路以及PCB做了低噪声设计,完成信息获取电路的噪声数学模型的建立与分析。搭建了InGaAs短波红外焦平面器件实验系统的实验平台,进行了信息获取电路噪声性能的测试。对信息获取与处理电路相关数据进行了测试与分析,并对最后的噪声结果进行统计计算。实验结果表明,系统噪声均方差(RMS)值为8.1LSB,小于10个LSB(4.9mV噪声),满足了高光谱温室气体监测仪对微弱光谱信号情况下高信噪比的应用要求。