基于ASIC和FPGA的可扩展红外信息获取架构设计

doi:10.12305/j.issn.1001-506X.2025.04.04

系统工程与电子技术 ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (4): 1057-1066.doi: 10.12305/j.issn.1001-506X.2025.04.04

基于ASIC和FPGA的可扩展红外信息获取架构设计

周双喜¹^,²^,³, 李璐芳¹^,², 喻琪超¹, 孙胜利¹^,², 林长青¹^,²^,*, 李云飞⁴

1. 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2. 中国科学院智能红外感知重点实验室, 上海 200083
3. 中国科学院大学, 北京 100049
4. 上海卫星工程研究所, 上海 201109

收稿日期:2024-04-19 出版日期:2025-04-25 发布日期:2025-05-28
通讯作者: 林长青
作者简介:周双喜 (1980—), 男, 高级工程师, 博士研究生, 主要研究方向为大规模红外光电信号实时获取
李璐芳 (1988—), 女, 工程师, 博士, 主要研究方向为红外光电信号实时获取与处理、空间遥感与光电系统信息处理可重构技术
喻琪超 (1988—), 男, 工程师, 本科, 主要研究方向为信号与信息处理
孙胜利 (1970—), 男, 中国科学院院士, 研究员, 博士, 主要研究方向为红外遥感技术
林长青 (1980—), 男, 研究员, 博士, 主要研究方向为红外光电信号实时获取与处理。
李云飞 (1993—), 男, 工程师, 硕士, 主要研究方向为总体载荷技术
基金资助:
中国科学院重点部署项目(KGFZD-145-23-04)

Design of scalable infrared information acquisition architecture based on ASIC and FPGA

Shuangxi ZHOU¹^,²^,³, Lufang LI¹^,², Qichao YU¹, Shengli SUN¹^,², Changqing LIN¹^,²^,*, Yunfei LI⁴

1. Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China
2. Key Laboratory of Intelligent Infrared Perception, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China
3. University of China Academy of Sciences, Beijing 100049, China
4. Shanghai Satellite Engineering Research Institute, Shanghai 201109, China

Received:2024-04-19 Online:2025-04-25 Published:2025-05-28
Contact: Changqing LIN

摘要/Abstract

摘要：

随着遥感技术的不断发展, 超大规模红外探测器组件逐渐被应用在对地观测领域, 由此带来对信息获取技术的新要求: 同时处理上百抽头信号的获取、调理、采样、量化以及信号预处理, 并且每抽头读出频率高达10 MHz以上。针对新型大规模红外探测器应用场景, 设计基于现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)和专用集成电路(application specific integrated circuit, ASIC)的灵巧型高集成度大规模红外信息获取电子学架构, 采用可扩展模块化设计。单个信息获取模块可采集64路信号, 当每路模数转换(analog to digital, AD)的采样率为每秒百万采样数(mega samples per second, MSPS)为12(即12 MSPS)时, 单通道模块最大数据率不低于12 Gbps, 实现了超大规模红外探测器信息获取、处理和传输的一体化, 解决超大规模红外探测器高速、低噪声信息获取难题, 提高红外相机的集成度。应用在红外相机上的测试结果表明, 红外相机能同时采集超过64通道的探测器信号, 每通道AD转换率为12 MSPS, 峰值数据率为12.288 Gbps, 电路噪声小于0.2 mV(rms), 系统噪声小于0.6 mV(rms)。

关键词: 红外相机, 大规模, 高集成度, 低噪声, 信息获取

Abstract:

With the continuous development of remote sensing technology, ultra-large scale infrared detector components are gradually applied in the field of earth observation, which brings new requirements for information acquisition technology: simultaneously processing of hundreds of tap signals acquisition, conditioning, sampling, quantization and signal preprocessing with each tap readout frequency of up to 10 MHz or more. Aiming at the application scenario of a new large-scale infrared detector, a smart and highly integrated large-scale infrared information acquisition electronics architecture based on field-programmable gate array (FPGA) and application specific integrated circuit (ASIC) is designed. With an expandable modular design, a single information acquisition module can collect 64-channel signals. When the analog to digital (AD) sampling rate of each channel is 12 mega samples per second (MSPS), the maximum data rate of the single channel module is not less than 12 Gbps, which realizes the integration of information acquisition, processing and transmission of ultra-large scale infrared detector, solves the problem of high-speed and low noise information acquisition of ultra-large scale infrared detector, and improves the integration of infrared camera. The test results of the infrared camera show that the infrared camera can simultaneously acquire more than 64 channels of detector signals and the AD conversion rate of per channel is 12 MSPS with the peak data rate of 12.288 Gbps. Circuit noise is less than 0.2 mV (rms) and the system noise is less than 0.6 mV (rms).

Key words: infrared camera, large scale, high integration, low noise, information acquisition

中图分类号:

周双喜, 李璐芳, 喻琪超, 孙胜利, 林长青, 李云飞. 基于ASIC和FPGA的可扩展红外信息获取架构设计[J]. 系统工程与电子技术, 2025, 47(4): 1057-1066.

Shuangxi ZHOU, Lufang LI, Qichao YU, Shengli SUN, Changqing LIN, Yunfei LI. Design of scalable infrared information acquisition architecture based on ASIC and FPGA[J]. Systems Engineering and Electronics, 2025, 47(4): 1057-1066.

图/表 14

图1

图2

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表1

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参考文献 29

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对比项目	方案
对比项目	传统方案1^[26]	传统方案2^[27]	传统方案3^[15]	传统方案4^[28]	传统方案5^[29]	传统方案6^[10]	本文方案
信号调理电路	分立器件	分立器件	分立器件	分立器件	分立器件	分立器件	ASIC(8通道模拟信号输入)
信息获取电路	2路	2路	12路	4路	16路	4路	中、短波共16个模块, 模拟通道, 64路(主、备份共128路)
峰值数据率/Gbps	—	—	—	—	2.5	—	约13
电路噪声/mV	—	0.13	0.375	0.19	＜0.1	—	0.12

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基于ASIC和FPGA的可扩展红外信息获取架构设计

Design of scalable infrared information acquisition architecture based on ASIC and FPGA

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