空間探測紅外光譜儀信號處理技術(shù)

空間探測紅外光譜儀信號處理技術(shù)
引言 對空間目標的紅外輻射特性的研究是對空間目 標進行識別、獲取空問目標信息的基礎技術(shù)之一。通 過紅外輻射譜的測量，可以獲得目標的溫度，目標有 效輻射面積，目標紅外輻射譜特性等重要參數(shù)，對于 發(fā)展我國空間技術(shù)有重要的意義【l】。當前，空間目標 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，又分為天基光電測量和地基光電測量兩類。 天基光電探測主要以衛(wèi)星為平臺，如最早的“中段空 間實驗”(MSx)衛(wèi)星。天基探測系統(tǒng)測量精度高， 覆蓋范圍廣，觀測時間靈活，且基本不受大氣輻射與 吸收的影響。但是任務比較單一，開發(fā)周期長，維護 困難。地基光電探測系統(tǒng)開發(fā)與維護方便，可以使用 大型的光學系統(tǒng)， 如美國的地基電光深空監(jiān)視系統(tǒng) (GEODSS)。作為一個實驗性項目，我們也選用地 基探測系統(tǒng)，采用相應處理技術(shù)，對探測原理進行摸 索。

1空間探測紅外光譜儀的主要任務是研究空間目 標的紅外輻射特性，研究紅外光譜探測信號處理技 術(shù)，對空間目標進行捕獲、跟蹤、測量、識別。其主 要難點在于：1)實時扣除大氣背景輻射，提高系統(tǒng) 信噪比；2)對目標進行精密跟蹤與定位，保證系統(tǒng) 能實時捕捉目標的光譜信號。實驗系統(tǒng)中，我們采用 光路差分調(diào)制的方法實時扣除背景輻射，采用二級跟 蹤方法對目標進行定位。系統(tǒng)信噪比達到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器的線陣數(shù)目與尺寸。 l 大氣輻射背景的扣除 對于衛(wèi)星等空間目標，它在地面測量系統(tǒng)中只是 一個像點，而且有的目標輻射變化比較快，因此掃描 式光譜儀并不合適，須采用凝視式輻射譜測量方法。 另外，目標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，應該將光學系統(tǒng)和輻 射譜測量系統(tǒng)置于低溫環(huán)境下【2】。為了提高系統(tǒng)信噪 比，并實時扣除背景輻射，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器，在某一時刻， 一列探測器接受目標與背景輻射經(jīng)過光柵分光后的 光譜信號，同時另一列探測器僅接受背景的光譜信 號，兩列探測器之間的信號切換通過振動反射鏡來完 成。其原理如圖1所示。 前半周期 圖1 光路差分調(diào)制原理 振動反射鏡以固定頻率．而在兩個角位置之間來回 振動，假定目標的光譜像落在某一探測單元上的強度 為T，紅外背景落在同一探測單元上的強度為G，A 列探測元自身的偏置為DA，響應度為 ，B列探測 元自身的偏置量為Da，響應度為KB，那么在前半周 期里，A列探測元上入射光強為目標加背景， 即T+ G，其輸出信號應是： SAI=／CA(T+G)+DA (1) 而在B列探測元上，入射光強值為背景G，其輸 出信號為： sB1=KBG+Da (2) 類似的，在后半周期，目標的光譜像T落在B列 探測元上，A列探測元上只是背景G，A，B兩列探 測元上的輸出信號為： SA2=／CAG+DA (3) Sm=KB(T+G)+Da (4) 用A 列探測元信號減去B列探測元信號 =SA 一 ， 可以得到不同時間段里的差分信號。在前半周 期里，差分信號為： 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： ． =(^，A一 )G+(DA—DB) (7) 這是由于紅外背景G，兩列探測元響應的差(KA - KB)， 以及兩列探測元偏置值的差(DA-DB)而造成 的。此外，還存在著一個交變量，分別是+ T與一 T。 在光譜信號調(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 信號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 響應僅與目標的輻射譜有關(guān)，可以實時扣除背景的影 響，獲得精度較高的目標光譜數(shù)據(jù)。而且信號經(jīng)過載 波調(diào)制，而背景信號沒有調(diào)制，這樣可以通過后級的 鎖定放大器進一步提高信噪比。

2 信號處理電路設計 根據(jù)前面的分析，信號處理電路主要完成兩部分 功能，一是完成振動反射鏡反射到探測器的交流信號 的濾波處理及直流恢復，另外還完成探測器信號的放 大及幅度調(diào)整，將模擬信號的輸出幅度調(diào)整到A／D轉(zhuǎn) 換器所需要的輸入信號幅度范圍。信號處理流程如圖 2 圖2 光譜探測信號處理流程 Fig．2 Signal process flow of spectrum detection 圖2中，前置放大電路將探測器對光信號的響應轉(zhuǎn)換 成電壓信號并進行放大，差分后的信號經(jīng)過帶通濾波 器再進行鎖相放大，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進行處理。下面 對各部分電路分別進行介紹。

2．1 探測器信號提取方法與前置放大器電路設計 對于衛(wèi)星等空間目標，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】。 對于該溫度范圍內(nèi)的黑體輻射，目標光譜輻射通量密 度與溫度的關(guān)系如圖3所示。因此，為了取得較大的 可探測目標范圍，我們將探測器的響應范圍限制在長 波波段。實驗系統(tǒng)采用上海技術(shù)物理所研制的l6×2 長波紅外探測器，響應波長范圍8¨m～12~tm。 E E ≥ - 翎 衄j 妥 驃 波長，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 該探測器屬于光導型探測器，32個探測單元均為 光導型電阻元件，當有一與其波段響應對應的紅外輻 射投射在光敏元上時，其電導增大，通過偏置電路將 其電導的改變轉(zhuǎn)換成電壓的改變。光導型探測器工作 時需要提供一個恒定的電流源，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 為探測器控溫點的電阻。 RI=R2，R3mRdet，(Rl>R3) (8) 這種方法電路復雜，匹配電阻比較麻煩，但采用 儀用差分放大電路，噪聲在運放輸入端表現(xiàn)為共模信 號，而儀用放大器對共模信號具有很強的抑制能力， 基本上兩路對稱的噪聲相互抵消，等效輸入到差分放 大器中的噪聲其實是電源在探測器失配電阻和電阻 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)設計中選用該方案。 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 探測器前置放大器需要完成微弱信號的放大，電 壓增益很高，其信號的信噪比在整個放大電路中所占 比例最大，所以該級放大器的等效噪聲即為整個電路 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 其3dB帶寬可達到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分別為對應匹配電阻的熱噪聲，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中的直流分量，我們 采用一個三階高通濾波電路，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低通濾波器，低通濾波 器帶寬約為5倍振鏡振動頻率。 風速計| 照度計| 噪音計| 輻照計| 聲級計| 溫濕度計| 紅外線測溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計| 露點儀| 亮度計| 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交變 信號：+ 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，為此振動反射鏡驅(qū)動電路需提供 與振鏡角度同步的信號。同步信號與輸入信號同頻同 相，相乘后經(jīng)過一個積分器。相關(guān)器在各個奇次諧波 附近相當于帶通濾波器，在基頻附近的帶寬與積分器 的等效噪聲帶寬對應，即 =1／(2RoCo) J。為了抑制 噪聲，應該使 越小越好。但 小于信號頻率時， 信號產(chǎn)生失真。故系統(tǒng)設計時應當使用截止特性比較 好的高階濾波器，濾波帶寬應該同時兼顧信號頻率與 噪聲容限。同時系統(tǒng)設計時應該使調(diào)制信號頻率遠大 于目標信號變化頻率。 為實現(xiàn)方便，我們用一個開關(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 現(xiàn)，通過它可以從l00dB的噪聲中恢復出信號。設同 步信號 f，輸入信號 ，則AD630在相應配置下 輸出信號為： = ( ( ~Vrcf < > 。0； 該電路實現(xiàn)輸入信號與一個±2 V的方波信號的 模擬相乘。

3 目標跟蹤與定位 為了跟蹤目標，保證目標的光譜成像到光譜儀的 入射小孔內(nèi)，系統(tǒng)還需要一個對目標進行精密跟蹤和 定位的裝置。目前用作空間目標跟蹤識別的器件主要 有PSD (Position Sensitive Devices，位置傳感器)， QD (Quadrant Detector， 象限探測器)， 和CCD (Charge．Coupled Device，光電耦合器件)Lz】。我們 采用二級跟蹤的方法對目標進行定位，首先采用大視 場可見光CCD相機對空間點目標進行初步跟蹤與識 別，瞄準測量點，使目標光斑落在四象限探測器的跟 蹤范圍內(nèi)，再采用長波四象限探測器對目標光斑位置 進行精密測量與調(diào)整。 四象限探測器采用四個探測單元，呈矩形排列。 同樣采用振動反射鏡調(diào)制目標信號以濾除背景噪聲， 提高系統(tǒng)信噪比。使用時，入射光信號通過振動反射 鏡調(diào)制，使得目標光斑在四象限探測器中心來回振 動，產(chǎn)生出不同的信號波形，通過四象限探測器四個 象元的不同輸出可以得到點源目標的位置偏移量，從 而推算出目標的位移 】。 當光學系統(tǒng)對準目標，則目標光斑在探測器單元 中心擺動，四個探測元的輸出波形完全對稱，其占空 比為1。若目標位置發(fā)生偏移， 目標光斑的擺動中心 偏移四象限探測器中心，則每個探測元輸出波形的占 空比將改變�？梢姴ㄐ握伎毡扰c目標的位置偏移量有 直接的關(guān)系。我們選取輸出信號載頻的基頻分量和二 倍頻分量作為特征量，即提取輸出信號傅立葉變換的 基頻與倍頻系數(shù)，并根據(jù)目標光斑位置偏移量和諧波 分量的關(guān)系【4一，檢測出目標位移。 實際系統(tǒng)中，四象限探測器信號處理方法與光譜 探測信號處理方法相同，仍然采用差分放大的方法提 取探測器信號，用鎖定放大器提取基頻分量和二倍頻 分量。實驗結(jié)果良好，對于靜態(tài)目標微機采集到數(shù)據(jù) 后經(jīng)過計算得到的位置特征量與實際位置偏移量呈 良好的線性關(guān)系。

4 結(jié)論 文章介紹了用于空間目標探測的紅外光譜儀信 號處理技術(shù)。實驗系統(tǒng)取得良好的結(jié)果，采用光路差 分調(diào)制的方法實時扣除背景紅外輻射，并采用鎖定放 大器進行微弱信號的檢測，系統(tǒng)信噪比達到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器的線陣數(shù)目與尺 寸。采用二級跟蹤方法對目標像斑進行精密跟蹤與定 位，實驗系統(tǒng)中對于靜態(tài)目標計算得到的位置特征量 與實際位置偏移量呈良好的線性關(guān)系。實驗系統(tǒng)結(jié)果 良好，電路噪聲水平與動態(tài)范圍滿足要求，系統(tǒng)可行。