CN102865927A - 一种基于交流耦合的tdi红外探测器信号处理系统 - Google Patents

Abstract

一种基于交流耦合的TDI红外探测器信号处理系统，包括TDI红外探测器、高通滤波电路、信号调理电路、模数转换电路和数据处理电路，数据处理电路由可编程逻辑器件实现。根据TDI红外探测器输出信号的特点，首先通过高通滤波电路将探测器输出信号中的直流成分扣除，只对变化的交流信号进行模拟调理和模数转换；再以TDI红外探测器每行输出的复位参考信号对应的量化数据为基准，确定交流耦合后有效信号与该参考基准的相对差值，对探测器输出的有效信号进行数字直流恢复。与传统的TDI红外探测器信号处理系统相比本发明具有抑制共模干扰、降低器件漂移影响、简化电路设计、减少系统功耗等特点。

Description

一种基于交流耦合的TDI红外探测器信号处理系统

技术领域

本发明涉及一种信号处理系统，特别是一种基于交流耦合的TDI红外探测器信号处理系统。

背景技术

TDI(时间延时积分)红外探测器属于第二代扫描型焦平面器件，是一种线阵器件，由于它比其他线阵器件具有更高的灵敏度，更好的非均匀性，因此被广泛应用在工业、医疗、军事侦察、航天遥感等多个领域中。TDI红外探测器的输出信号具有如下特点：1)输出内阻大，其通常要求负载电容为pF级，负载电阻为几百k欧甚至几M欧；2)对于每个像元来说在快速建立后保持一个电平值；3)其信号电压值是浮在一个正的直流电平上的(如信号电压范围为1.6V～4.4V，浮在3V直流电平上)；4)每行首先输出几个(具体个数随探测器型号不同而变化)复位参考信号，然后为有效信号，复位参考信号的电压值即为所浮直流电平值(如信号电压范围为1.6V～4.4V时，复位参考信号的电压值为3V)。针对这些信号特点，如何设计高质量的红外探测器信号处理系统对于提高整个红外成像系统的成像质量是非常关键的。

传统的TDI红外探测器信号处理系统，通常将探测器输出的单端模拟信号直接进行缓冲放大，然后送到单端输入的模数转换器进行模数转换，即基于直流耦合的单端处理方式。这种处理方式有以下一些不足之处：1)单端处理方式容易在直流电平信号传输过程中引入共模干扰和噪声，使系统成像质量降低；2)采用直流耦合方式，电路器件漂移对直流电平信号影响较大，导致成像系统的图像数据不稳定，影响成像质量；3)采用直流耦合方式时，为了保证信号调理电路输出的信号不失真，信号调理电路所用的运放通常采用正负供电，而探测器输出的信号都是正电压信号，这样电路一直工作在一个方向，共模信号一直存在，所有器件和传输路径上的共模偏差都会传递到最后AD量化后的结果，影响系统动态范围；4)采用直流耦合方式时，为了保证信号调理电路输出的信号不失真，信号调理电路所用的运放通常需采用较高的正负电压供电，电路功耗大；5)采用直流耦合方式，需要设计高精度的中心电平扣除电路，以只对变化的信号进行处理，这是使得电路设计难度和设计成本大大增加。

因此为了提高整个红外成像系统的成像质量，必须针对TDI红外探测器的输出信号特点，提出一种新的TDI红外探测器信号处理系统。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于交流耦合的TDI红外探测器信号处理系统。

本发明的技术解决方案是：

一种基于交流耦合的TDI红外探测器信号处理系统，包括：TDI红外探测器、高通滤波电路、信号调理电路、模数转换电路和数据处理电路；

TDI红外探测器将输出的单端模拟信号送入高通滤波电路，高通滤波电路将TDI红外探测器输出信号的直流成分滤除，得到交流信号之后送入信号调理电路，信号调理电路对交流信号先进行阻抗变换，再对阻抗变换之后的信号进行单端转差分的调理，输出差分模拟信号给模数转换电路，模数转换电路将差分模拟信号转换为数字信号并送至数据处理电路，数据处理电路以TDI红外探测器每行输出的复位参考信号对应的量化数据为基准，确定交流耦合后有效信号与该基准的相对差值，对TDI红外探测器输出的有效信号进行数字直流恢复。

所述的高通滤波电路由隔直电容C1和电阻R1组成，隔直电容C1的两端分别接至TDI红外探测器的信号输出端和信号调理电路的输入端V_I，电阻R1的两端分别接至信号调理电路的输入端V_I和电路地，

电容C1的容值和电阻R1的阻值应满足高通滤波电路的低频截至频率远小于行频率，即

同时还应保证一行内信号的最大跌落满足系统量化位的要求，即

其中，T为TDI红外探测器的行周期，N为所述

TDI红外探测器信号处理系统的量化位数。

所述的信号调理电路包括阻抗变换电路和单端转差分电路两部分；

阻抗变换电路是由运算放大器231构成电压跟随电路，运算放大器231的同相输入端即为信号调理电路的输入端V_I，运算放大器231的反相输入端与其输出端V_RO相连；单端转差分电路包括全差分运算放大器232、电阻R3、R4、R5、R6、R7和R8，电阻R3的一端连接阻抗变换电路的输出端V_RO，另一端接至全差分运算放大器232的同相输入端，电阻R4的一端接至电路地，另一端接至全差分运算放大器232的反相输入端，电阻R5的连接在全差分运算放大器232的同相输入端和反相输出端之间，电阻R6的两端连接在全差分运算放大器232的反相输入端和同相输出端之间，全差分运算放大器232的反相输出端通过电阻R7输出给模数转换电路，全差分运算放大器232的同相输出端通过电阻R8输出到模数转换电路。

单端转差分电路中电阻电阻R3、R4、R5、R6、R7和R8的阻值满足下列条件：

1)R3＝R4、R5＝R6、R7＝R8；

2)电路增益为

3)R7和R8取值均≤50Ω。

所述的模数转换电路包括差分模数转换器，差分模数转换器的共模参考输出端与单端转差分电路中的全差分运算放大器232的共模输入端相连，以使单端转差分电路输出的差分信号的共模电压与模数转换器的共模电压相匹配，全差分运算放大器232的反相输出端和差分模数转换器的反相输入端连接，全差分运算放大器232的同相输出端和差分模数转换器的同相输入端连接在一起。

所述对TDI红外探测器输出的有效信号进行数字直流恢复是通过如下公式进行：

$D_i=(X_i-X_{\mathrm{grey}})+\frac{2^N(V_{\mathrm{grey}}-V_{\min })}{V_{\max }-V_{\min }}-1$ X_i＞X_grey时

$D_i=(X_{\mathrm{grey}}-X_i)+\frac{2^N(V_{\mathrm{grey}}-V_{\min })}{V_{\max }-V_{\min }}-1$ X_i≤X_grey时，

其中，D_i为进行数字直流恢复后的数据，V_grey为TDI红外探测器输出复位信号电压值，V_min和V_max为有效信号电压最小值与最大值，滤除直流成分之后的的复位信号经模数转换后的量化数据为X_grey，滤除直流成分之后的有效信号经模数转换后的量化数据为X_i，N为所述TDI红外探测器信号处理系统的量化位数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明处理系统采用交流耦合的处理方式，将TDI红外探测器输出的正电压信号耦合为正负变化的信号，可以使信号调理电路的运算放大器工作平衡，避免引入不必要的共模信号；

(2)将TDI红外探测器输出的正电压信号耦合为正负变化的信号，可以降低信号调理电路中运算放大器的供电电压，进而降低系统功耗；

(3)无需设计高精度的中心电平扣除电路，即可实现只对变化的交流信号进行模拟调理和模数转换，降低了电路的复杂度；

(4)采用基于交流耦合的差分处理方式，对交流耦合后的信号进行模拟差分调理，可以很好的抑制信号传输过程中引入的共模干扰和噪声，减小器件漂移对信号的影响，提高系统的成像质量。

附图说明

图1为本发明信号处理系统的原理图；

图2为本发明行周期为T的信号通过高通滤波电路时的跌落示意图；

图3为本发明信号处理系统信号调理电路中阻抗变换电路的原理图；

图4为本发明信号处理系统信号调理电路中单端转差分电路的原理图；

图5为TDI红外探测器输出信号数据处理示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明基于交流耦合的TDI红外探测器信号处理系统的原理图，包括TDI红外探测器、高通滤波电路、信号调理电路、模数转换电路和数据处理电路五部分，其中数据处理电路采用可编程逻辑器件实现。

TDI红外探测器将输出的单端模拟信号送入高通滤波电路，(TDI红外探测器将输出的单端模拟信号中包含两种：一种是复位信号，一种是有效信号)高通滤波电路将TDI红外探测器输出信号的直流成分滤除，得到交流信号之后送入信号调理电路，高通滤波电路对信号的处理也就是体现了交流耦合，信号调理电路对交流信号先进行阻抗变换，再对阻抗变换之后的信号进行单端转差分的调理，输出差分模拟信号给模数转换电路，模数转换电路将差分模拟信号转换为数字信号并送至数据处理电路，数据处理电路以TDI红外探测器每行输出的复位参考信号对应的量化数据为基准，确定交流耦合后有效信号与该基准的相对差值，对TDI红外探测器输出的有效信号进行数字直流恢复。

上述方案的原理是：根据TDI红外探测器输出信号的特点，首先通过高通滤波电路将探测器输出信号中的直流成分扣除，只对变化的交流信号进行模拟调理和模数转换；再以TDI红外探测器每行输出的复位参考信号对应的量化数据为基准，确定交流耦合后有效信号与该参考基准的相对差值，对探测器输出的有效信号进行数字直流恢复。

高通滤波电路由隔直电容C1和电阻R1组成，隔直电容C1的两端分别接至TDI红外探测器信号输入端和信号调理电路的输入端V_I，电阻R1的两端分别接至信号调理电路的输入端V_I和电路地。C1容值和R1阻值的选择与探测器行周期及系统所需量化精度有关，若行周期为T，系统为Nbits量化，即N为TDI红外探测器信号处理系统的量化位数则应满足高通滤波电路的低频截至频率远小于行频率，即

同时由于数字直流恢复时以每行首先输出的复位参考信号为基准，因此要保证一行信号通过高通滤波电路后的最大跌落满足系统量化位的要求，即

以保证系统精度，信号通过高通滤波电路时的跌落示意图如图2所示。另外为了满足探测器对负载的要求，R1通常取几百千欧或几兆欧的阻值，然后根据行频和系统精度确定C1的容值。

信号调理电路包括阻抗变换电路和单端转差分电路两部分。阻抗变换电路主要是对交流耦合后的模拟信号进行缓冲，满足探测器对负载的要求，其原理图如图3所示，是由运算放大器231构成的高输入阻抗低输出阻抗的电压跟随器，231的同相输入端即信号调理电路的输入端V_I，反相输入端与运算放大器231的输出端V_RO相连。由于阻抗变换电路位于整个处理系统中的最前端，因此为了降低系统电路噪声及器件漂移对有用信号的影响，同时满足TDI红外探测器对负载的要求，运算放大器231选用高输入阻抗、低输入偏置电流、低电流噪声、低温度漂移系数的运算放大器。

单端转差分电路的原理图如图4所示，单端转差分电路包括全差分运算放大器232、电阻R3、R4、R5、R6、R7和R8，电阻R3的一端接至阻抗变换电路的输出端V_RO，另一端接至全差分运算放大器232的同相输入端，电阻R4的一端接至电路地，另一端接至全差分运算放大器232的反相输入端，电阻R5的两端分别接至全差分运算放大器232的同相输入端和反相输出端，电阻R6的两端分别接至全差分运算放大器232的反相输入端和同相输出端，电阻R7接在全差分运算放大器232的反相输出端和模数转换电路的反相输入端之间，电阻R8接在全差分运算放大器232的同相输出端和模数转换电路的同相输入端之间。为了避免引入不必要的共模信息保证输出的差分模拟信号平衡，电阻R3～R8的取值应满足R3＝R4、R5＝R6、R7＝R8；另外该电路的增益为

即

应取R3～R5的阻值满足系统增益的要求；R7、R8与模数转换器内部输入电容构成低通滤波电路抑制输入端的高频噪声，取值≤50Ω。

单端转差分电路输出的模拟差分信号，通过精度≥14bits的差分模数转换器进行模数转换，模数转换器的数字输出作为数据处理电路的输入。为了保证单端转差分电路输出的模拟差分信号的共模电压与模数转换器的共模电压相匹配，模数转换器的共模参考输出端V_CML与单端转差分电路的共模电压输入端V_OCM相连。

本发明中数据处理电路进行数字直流恢复具体为：

通过如下公式计算有效信号数字直流恢复后的数据D_i：

$D_i=(X_i-X_{\mathrm{grey}})+\frac{2^N(V_{\mathrm{grey}}-V_{\min })}{V_{\max }-V_{\min }}-1$ X_i＞X_grey时

$D_i=(X_{\mathrm{grey}}-X_i)+\frac{2^N(V_{\mathrm{grey}}-V_{\min })}{V_{\max }-V_{\min }}-1$ X_i≤X_grey时

其中，D_i为进行数字直流恢复后的数据，V_grey为TDI红外探测器输出复位信号电压值，V_min和V_max为有效信号电压最小值与最大值，交流耦合后(即滤除直流部分之后)的复位信号经模数转换后的量化数据为X_grey，交流耦合后的有效信号经模数转换后的量化数据为X_i，N为所述TDI红外探测器信号处理系统的量化位数，

例如：探测器输出的模拟信号为V_min＝1.6V，V_max＝4.4V，V_grey＝3V为其中间值，探测器每行输出两个V_grey信号和30个有效信号(如图5所示)，若系统采用14bits差分模数转换器，满量程输入范围为-1.4V～1.4V，则直流耦合时V_min被调理到-1.4V，对应量化值应为0，V_max被调理到1.4V，对应量化值应为16383。以图中第三个有效像元为例，该信号的模拟电压为4.4V，其量化值应为16383，采用本发明的处理方式，该信号电压经交流耦合后为1.3V，量化值X3＝15798；V_grey交流耦合后为-0.1V，量化值为7606，根据数字直流恢复的公式，该像元直流恢复后的量化值D3＝(15798-7606)+8191＝16383，满足对应关系。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于交流耦合的TDI红外探测器信号处理系统，其特征在于包括：TDI红外探测器、高通滤波电路、信号调理电路、模数转换电路和数据处理电路；

TDI红外探测器将输出的单端模拟信号送入高通滤波电路，高通滤波电路将TDI红外探测器输出信号的直流成分滤除，得到交流信号之后送入信号调理电路，信号调理电路对交流信号先进行阻抗变换，再对阻抗变换之后的信号进行单端转分的调理，输出差分模拟信号给模数转换电路，模数转换电路将差分模拟信号转换为数字信号并送至数据处理电路，数据处理电路以TDI红外探测器每行输出的复位参考信号对应的量化数据为基准，确定交流耦合后有效信号与该基准的相对差值，对TDI红外探测器输出的有效信号进行数字直流恢复。

2.根据权利要求1所述的一种基于交流耦合的TDI红外探测器信号处理系统，其特征在于：所述的高通滤波电路由隔直电容C1和电阻R1组成，隔直电容C1的两端分别接至TDI红外探测器的信号输出端和信号调理电路的输入端V_I，电阻R1的两端分别接至信号调理电路的输入端V_I和电路地，

电容C1的容值和电阻R1的阻值应满足高通滤波电路的低频截至频率远小于行频率，即同时还应保证一行内信号的最大跌落满足系统量化位的要求，即

其中，T为TDI红外探测器的行周期，N为所述TDI红外探测器信号处理系统的量化位数。

3.根据权利要求1所述的一种基于交流耦合的TDI红外探测器信号处理系统，其特征在于：所述的信号调理电路包括阻抗变换电路和单端转差分电路两部分；

阻抗变换电路是由运算放大器231构成电压跟随电路，运算放大器231的同相输入端即为信号调理电路的输入端V_I，运算放大器231的反相输入端与其输出端V_RO相连；单端转差分电路包括全差分运算放大器232、电阻R3、R4、R5、R6、R7和R8，电阻R3的一端连接阻抗变换电路的输出端V_RO，另一端接至全差分运算放大器232的同相输入端，电阻R4的一端接至电路地，另一端接至全差分运算放大器232的反相输入端，电阻R5的连接在全差分运算放大器232的同相输入端和反相输出端之间，电阻R6的两端连接在全差分运算放大器232的反相输入端和同相输出端之间，全差分运算放大器232的反相输出端通过电阻R7输出给模数转换电路，全差分运算放大器232的同相输出端通过电阻R8输出到模数转换电路。

4.根据权利要求3所述的一种基于交流耦合的TDI红外探测器信号处理系统，其特征在于：单端转差分电路中电阻电阻R3、R4、R5、R6、R7和R8的阻值满足下列条件：

1)R3＝R4、R5＝R6、R7＝R8；

2)电路增益为

3)R7和R8取值均≤50Ω。

5.根据权利要求1所述的一种基于交流耦合的TDI红外探测器信号处理系统，其特征在于：所述的模数转换电路包括差分模数转换器，差分模数转换器的共模参考输出端与单端转差分电路中的全差分运算放大器232的共模输入端相连，以使单端转差分电路输出的差分信号的共模电压与模数转换器的共模电压相匹配，全差分运算放大器232的反相输出端和差分模数转换器的反相输入端连接，全差分运算放大器232的同相输出端和差分模数转换器的同相输入端连接在一起。

6.根据权利要求1所述的一种基于交流耦合的TDI红外探测器信号处理系统，其特征在于：所述对TDI红外探测器输出的有效信号进行数字直流恢复是通过如下公式进行：

$D_i=(X_i-X_{\mathrm{grey}})+\frac{2^N(V_{\mathrm{grey}}-V_{\min })}{V_{\max }-V_{\min }}-1$ X_i＞X_grey时

$D_i=(X_{\mathrm{grey}}-X_i)+\frac{2^N(V_{\mathrm{grey}}-V_{\min })}{V_{\max }-V_{\min }}-1$ X_i≤X_grey时，

其中，D_i为进行数字直流恢复后的数据，V_grey为TDI红外探测器输出复位信号电压值，V_min和V_max为有效信号电压最小值与最大值，滤除直流成分之后的的复位信号经模数转换后的量化数据为X_grey，滤除直流成分之后的有效信号经模数转换后的量化数据为X_i，N为所述TDI红外探测器信号处理系统的量化位数。

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