空間探測(cè)紅外光譜儀信號(hào)處理技術(shù)
引言 對(duì)空間目標(biāo)的紅外輻射特性的研究是對(duì)空間目 標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、獲取空問目標(biāo)信息的基礎(chǔ)技術(shù)之一。通 過紅外輻射譜的測(cè)量,可以獲得目標(biāo)的溫度,目標(biāo)有 效輻射面積,目標(biāo)紅外輻射譜特性等重要參數(shù),對(duì)于 發(fā)展我國(guó)空間技術(shù)有重要的意義【l】。當(dāng)前,空間目標(biāo) 信息獲取的方法主要有電子和光電兩種技術(shù)手段,光 電方面,又分為天基光電測(cè)量和地基光電測(cè)量?jī)深悺?天基光電探測(cè)主要以衛(wèi)星為平臺(tái),如最早的“中段空 間實(shí)驗(yàn)”(MSx)衛(wèi)星。天基探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度高, 覆蓋范圍廣,觀測(cè)時(shí)間靈活,且基本不受大氣輻射與 吸收的影響。但是任務(wù)比較單一,開發(fā)周期長(zhǎng),維護(hù) 困難。地基光電探測(cè)系統(tǒng)開發(fā)與維護(hù)方便,可以使用 大型的光學(xué)系統(tǒng), 如美國(guó)的地基電光深空監(jiān)視系統(tǒng) (GEODSS)。作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)性項(xiàng)目,我們也選用地 基探測(cè)系統(tǒng),采用相應(yīng)處理技術(shù),對(duì)探測(cè)原理進(jìn)行摸 索。
1空間探測(cè)紅外光譜儀的主要任務(wù)是研究空間目 標(biāo)的紅外輻射特性,研究紅外光譜探測(cè)信號(hào)處理技 術(shù),對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行捕獲、跟蹤、測(cè)量、識(shí)別。其主 要難點(diǎn)在于:1)實(shí)時(shí)扣除大氣背景輻射,提高系統(tǒng) 信噪比;2)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精密跟蹤與定位,保證系統(tǒng) 能實(shí)時(shí)捕捉目標(biāo)的光譜信號(hào)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,我們采用 光路差分調(diào)制的方法實(shí)時(shí)扣除背景輻射,采用二級(jí)跟 蹤方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。系統(tǒng)信噪比達(dá)到60 dB,等 效前放噪聲小于3.5 nv/Hz ,光譜儀光譜分辨率僅受 限于光柵的光譜分辨率和探測(cè)器的線陣數(shù)目與尺寸。 l 大氣輻射背景的扣除 對(duì)于衛(wèi)星等空間目標(biāo),它在地面測(cè)量系統(tǒng)中只是 一個(gè)像點(diǎn),而且有的目標(biāo)輻射變化比較快,因此掃描 式光譜儀并不合適,須采用凝視式輻射譜測(cè)量方法。 另外,目標(biāo)輻射和背景輻射在很多情況下差別不大, 為了抑制背景輻射和環(huán)境輻射,應(yīng)該將光學(xué)系統(tǒng)和輻 射譜測(cè)量系統(tǒng)置于低溫環(huán)境下【2】。為了提高系統(tǒng)信噪 比,并實(shí)時(shí)扣除背景輻射,我們采用光路差分調(diào)制的 方法。在光譜儀中放置兩列線陣探測(cè)器,在某一時(shí)刻, 一列探測(cè)器接受目標(biāo)與背景輻射經(jīng)過光柵分光后的 光譜信號(hào),同時(shí)另一列探測(cè)器僅接受背景的光譜信 號(hào),兩列探測(cè)器之間的信號(hào)切換通過振動(dòng)反射鏡來完 成。其原理如圖1所示。 前半周期 圖1 光路差分調(diào)制原理 振動(dòng)反射鏡以固定頻率.而在兩個(gè)角位置之間來回 振動(dòng),假定目標(biāo)的光譜像落在某一探測(cè)單元上的強(qiáng)度 為T,紅外背景落在同一探測(cè)單元上的強(qiáng)度為G,A 列探測(cè)元自身的偏置為DA,響應(yīng)度為 ,B列探測(cè) 元自身的偏置量為Da,響應(yīng)度為KB,那么在前半周 期里,A列探測(cè)元上入射光強(qiáng)為目標(biāo)加背景, 即T+ G,其輸出信號(hào)應(yīng)是: SAI=/CA(T+G)+DA (1) 而在B列探測(cè)元上,入射光強(qiáng)值為背景G,其輸 出信號(hào)為: sB1=KBG+Da (2) 類似的,在后半周期,目標(biāo)的光譜像T落在B列 探測(cè)元上,A列探測(cè)元上只是背景G,A,B兩列探 測(cè)元上的輸出信號(hào)為: SA2=/CAG+DA (3) Sm=KB(T+G)+Da (4) 用A 列探測(cè)元信號(hào)減去B列探測(cè)元信號(hào) =SA 一 , 可以得到不同時(shí)間段里的差分信號(hào)。在前半周 期里,差分信號(hào)為: SI=SAI一. 1=/CA(T+G)+DA— r(BG一 )B SI=/CAT+(KA-KB)G+(DA-DB) (5) 在后半周期里,差分信號(hào)為: = 一 2= G+DA一 (T+G)一DB =一 T+(^,A一 )G+(DA—DB) (6) 從式(5),式(6)可以看到,它們都有共同的直流項(xiàng): . =(^,A一 )G+(DA—DB) (7) 這是由于紅外背景G,兩列探測(cè)元響應(yīng)的差(KA - KB), 以及兩列探測(cè)元偏置值的差(DA-DB)而造成 的。此外,還存在著一個(gè)交變量,分別是+ T與一 T。 在光譜信號(hào)調(diào)制后的前半、后半周期,直流分量 可通過高通濾波電路濾除;+ T與一 T為目標(biāo) 信號(hào)的前半周期和后半周期。這樣,差分之后的輸出 204 后半周期 Fig.1 Principle of diferential modulation 響應(yīng)僅與目標(biāo)的輻射譜有關(guān),可以實(shí)時(shí)扣除背景的影 響,獲得精度較高的目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)。而且信號(hào)經(jīng)過載 波調(diào)制,而背景信號(hào)沒有調(diào)制,這樣可以通過后級(jí)的 鎖定放大器進(jìn)一步提高信噪比。
2 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 根據(jù)前面的分析,信號(hào)處理電路主要完成兩部分 功能,一是完成振動(dòng)反射鏡反射到探測(cè)器的交流信號(hào) 的濾波處理及直流恢復(fù),另外還完成探測(cè)器信號(hào)的放 大及幅度調(diào)整,將模擬信號(hào)的輸出幅度調(diào)整到A/D轉(zhuǎn) 換器所需要的輸入信號(hào)幅度范圍。信號(hào)處理流程如圖 2 圖2 光譜探測(cè)信號(hào)處理流程 Fig.2 Signal process flow of spectrum detection 圖2中,前置放大電路將探測(cè)器對(duì)光信號(hào)的響應(yīng)轉(zhuǎn)換 成電壓信號(hào)并進(jìn)行放大,差分后的信號(hào)經(jīng)過帶通濾波 器再進(jìn)行鎖相放大,并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行處理。下面 對(duì)各部分電路分別進(jìn)行介紹。
2.1 探測(cè)器信號(hào)提取方法與前置放大器電路設(shè)計(jì) 對(duì)于衛(wèi)星等空間目標(biāo),其表面溫度約為300K到 500K左右,根據(jù)其與太陽角度的關(guān)系而有所變化p】。 對(duì)于該溫度范圍內(nèi)的黑體輻射,目標(biāo)光譜輻射通量密 度與溫度的關(guān)系如圖3所示。因此,為了取得較大的 可探測(cè)目標(biāo)范圍,我們將探測(cè)器的響應(yīng)范圍限制在長(zhǎng) 波波段。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用上海技術(shù)物理所研制的l6×2 長(zhǎng)波紅外探測(cè)器,響應(yīng)波長(zhǎng)范圍8¨m~12~tm。 E E ≥ - 翎 衄j 妥 驃 波長(zhǎng),pm 圖3 黑體光譜輻射通量密度與溫度的關(guān)系 Fig.3 Connection between temperature and radiant flux density ofblackbody 該探測(cè)器屬于光導(dǎo)型探測(cè)器,32個(gè)探測(cè)單元均為 光導(dǎo)型電阻元件,當(dāng)有一與其波段響應(yīng)對(duì)應(yīng)的紅外輻 射投射在光敏元上時(shí),其電導(dǎo)增大,通過偏置電路將 其電導(dǎo)的改變轉(zhuǎn)換成電壓的改變。光導(dǎo)型探測(cè)器工作 時(shí)需要提供一個(gè)恒定的電流源,我們采用如圖4所示 的橋式電路,其中:偏置電源為高精度的穩(wěn)壓源, dct 為探測(cè)器控溫點(diǎn)的電阻。 RI=R2,R3mRdet,(Rl>R3) (8) 這種方法電路復(fù)雜,匹配電阻比較麻煩,但采用 儀用差分放大電路,噪聲在運(yùn)放輸入端表現(xiàn)為共模信 號(hào),而儀用放大器對(duì)共模信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制能力, 基本上兩路對(duì)稱的噪聲相互抵消,等效輸入到差分放 大器中的噪聲其實(shí)是電源在探測(cè)器失配電阻和電阻 誤差上的壓降,其輸入到放大器的等效噪聲比較小, 所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用該方案。 偏 Il1{瑤 :。 圖4 偏置及前置放大電路原理圖 Fig.4 Circuits diagram ofbias volmge and preprocess amplifier 探測(cè)器前置放大器需要完成微弱信號(hào)的放大,電 壓增益很高,其信號(hào)的信噪比在整個(gè)放大電路中所占 比例最大,所以該級(jí)放大器的等效噪聲即為整個(gè)電路 的等效輸入噪聲。因此,前置放大器的噪聲決定了電 路噪聲,我們采用BB 公司的儀用差分放大器INA 103,其等效輸入電壓噪聲譜密度Pn≤l nV/Hz ,等 效輸入電流噪聲譜密度I.~<2 pA/Hz¨ ,增益為100時(shí) 其3dB帶寬可達(dá)到800kHz。 前置放大器總的噪聲電壓譜密度et由下式給出: et 【en +el +P2 + IRi) +( 2)】“ (9) 式中: l, 2分別為放大器兩輸入端匹配電阻, l≈ R2≈75 Q;el,e2分別為對(duì)應(yīng)匹配電阻的熱噪聲,ei =(4KTRf)¨ ; 為環(huán)境溫度,約為300 K。K為波爾 茲曼常數(shù),K=1.38×10 J/K; /nl= =厶≤2 pA/Hz¨ 將數(shù)據(jù)代入計(jì)算可得前置放大器總的噪聲約 為1.89nV.Hz 。
2.2 濾波與鎖相放大 為濾除前置放大器輸出信號(hào)中的直流分量,我們 采用一個(gè)三階高通濾波電路,得到比較理想的截止特 性。另外,為了防止高頻噪聲在鎖相放大之前超過噪 聲容限,電路還需要引入一級(jí)低通濾波器,低通濾波 器帶寬約為5倍振鏡振動(dòng)頻率。 風(fēng)速計(jì)| 照度計(jì)| 噪音計(jì)| 輻照計(jì)| 聲級(jí)計(jì)| 溫濕度計(jì)| 紅外線測(cè)溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計(jì)| 露點(diǎn)儀| 亮度計(jì)| 溫度記錄儀| 溫濕度記錄儀| 根據(jù)前述分析,濾波之后的有用分量是一個(gè)交變 信號(hào):+ T與一 T。采用基于相關(guān)器的鎖定放大 方法提取該交變量,為此振動(dòng)反射鏡驅(qū)動(dòng)電路需提供 與振鏡角度同步的信號(hào)。同步信號(hào)與輸入信號(hào)同頻同 相,相乘后經(jīng)過一個(gè)積分器。相關(guān)器在各個(gè)奇次諧波 附近相當(dāng)于帶通濾波器,在基頻附近的帶寬與積分器 的等效噪聲帶寬對(duì)應(yīng),即 =1/(2RoCo) J。為了抑制 噪聲,應(yīng)該使 越小越好。但 小于信號(hào)頻率時(shí), 信號(hào)產(chǎn)生失真。故系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)使用截止特性比較 好的高階濾波器,濾波帶寬應(yīng)該同時(shí)兼顧信號(hào)頻率與 噪聲容限。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使調(diào)制信號(hào)頻率遠(yuǎn)大 于目標(biāo)信號(hào)變化頻率。 為實(shí)現(xiàn)方便,我們用一個(gè)開關(guān)電路來近似模擬乘 法器,采用AD公司的平衡調(diào)制解調(diào)器AD630來實(shí) 現(xiàn),通過它可以從l00dB的噪聲中恢復(fù)出信號(hào)。設(shè)同 步信號(hào) f,輸入信號(hào) ,則AD630在相應(yīng)配置下 輸出信號(hào)為: = ( ( ~Vrcf < > 。0; 該電路實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與一個(gè)±2 V的方波信號(hào)的 模擬相乘。
3 目標(biāo)跟蹤與定位 為了跟蹤目標(biāo),保證目標(biāo)的光譜成像到光譜儀的 入射小孔內(nèi),系統(tǒng)還需要一個(gè)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精密跟蹤和 定位的裝置。目前用作空間目標(biāo)跟蹤識(shí)別的器件主要 有PSD (Position Sensitive Devices,位置傳感器), QD (Quadrant Detector, 象限探測(cè)器), 和CCD (Charge.Coupled Device,光電耦合器件)Lz】。我們 采用二級(jí)跟蹤的方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位,首先采用大視 場(chǎng)可見光CCD相機(jī)對(duì)空間點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行初步跟蹤與識(shí) 別,瞄準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn),使目標(biāo)光斑落在四象限探測(cè)器的跟 蹤范圍內(nèi),再采用長(zhǎng)波四象限探測(cè)器對(duì)目標(biāo)光斑位置 進(jìn)行精密測(cè)量與調(diào)整。 四象限探測(cè)器采用四個(gè)探測(cè)單元,呈矩形排列。 同樣采用振動(dòng)反射鏡調(diào)制目標(biāo)信號(hào)以濾除背景噪聲, 提高系統(tǒng)信噪比。使用時(shí),入射光信號(hào)通過振動(dòng)反射 鏡調(diào)制,使得目標(biāo)光斑在四象限探測(cè)器中心來回振 動(dòng),產(chǎn)生出不同的信號(hào)波形,通過四象限探測(cè)器四個(gè) 象元的不同輸出可以得到點(diǎn)源目標(biāo)的位置偏移量,從 而推算出目標(biāo)的位移 】。 當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo),則目標(biāo)光斑在探測(cè)器單元 中心擺動(dòng),四個(gè)探測(cè)元的輸出波形完全對(duì)稱,其占空 比為1。若目標(biāo)位置發(fā)生偏移, 目標(biāo)光斑的擺動(dòng)中心 偏移四象限探測(cè)器中心,則每個(gè)探測(cè)元輸出波形的占 空比將改變?梢姴ㄐ握伎毡扰c目標(biāo)的位置偏移量有 直接的關(guān)系。我們選取輸出信號(hào)載頻的基頻分量和二 倍頻分量作為特征量,即提取輸出信號(hào)傅立葉變換的 基頻與倍頻系數(shù),并根據(jù)目標(biāo)光斑位置偏移量和諧波 分量的關(guān)系【4一,檢測(cè)出目標(biāo)位移。 實(shí)際系統(tǒng)中,四象限探測(cè)器信號(hào)處理方法與光譜 探測(cè)信號(hào)處理方法相同,仍然采用差分放大的方法提 取探測(cè)器信號(hào),用鎖定放大器提取基頻分量和二倍頻 分量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好,對(duì)于靜態(tài)目標(biāo)微機(jī)采集到數(shù)據(jù) 后經(jīng)過計(jì)算得到的位置特征量與實(shí)際位置偏移量呈 良好的線性關(guān)系。
4 結(jié)論 文章介紹了用于空間目標(biāo)探測(cè)的紅外光譜儀信 號(hào)處理技術(shù)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)取得良好的結(jié)果,采用光路差 分調(diào)制的方法實(shí)時(shí)扣除背景紅外輻射,并采用鎖定放 大器進(jìn)行微弱信號(hào)的檢測(cè),系統(tǒng)信噪比達(dá)到60(1B, 等效前放噪聲小于3.5 nV/Hz ,光譜儀光譜分辨率僅 受限于光柵的光譜分辨率和探測(cè)器的線陣數(shù)目與尺 寸。采用二級(jí)跟蹤方法對(duì)目標(biāo)像斑進(jìn)行精密跟蹤與定 位,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中對(duì)于靜態(tài)目標(biāo)計(jì)算得到的位置特征量 與實(shí)際位置偏移量呈良好的線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)果 良好,電路噪聲水平與動(dòng)態(tài)范圍滿足要求,系統(tǒng)可行。