CN102927997A - 用于静态红外地球敏感器的电激励生成装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于静态红外地球敏感器的电激励生成装置及方法，装置包括RS232电平转换模块、FPGA核心模块、数模转换模块和加法器模块。测试计算机通过RS232电平转换模块，向电激励生成装置注入指令，经FPGA指令解析，获得系统配置参数；基于系统配置参数，FPGA核心模块实现图像行、列索引值实时生成、地平圆绘制两大功能，经数模转换模块，生成模拟图像电激励信号；电激励信号通过加法器与探测器本底信号同步叠加，生成含有探测器本底信息的电激励信号，供红外地球敏感器地面性能测试使用。本发明提供的电激励生成装置及方法使红外地球敏感器性能测试更全面、可靠，且研制周期短，测试使用方便灵活。

Description

用于静态红外地球敏感器的电激励生成装置及方法

技术领域

本发明涉及一种地球红外模拟图像电激励生成装置及方法，适用于星载静态红外地球敏感器地面测试。

背景技术

目前，用于静态红外地球敏感器地面测试的激励信号主要分为电激励、光激励两类。电激励方法的原理是根据测试输入的卫星对地姿态角，转换为地平圆在视场内的圆心位置，继而在处理器内部绘制一幅地平圆数字图像，用于静态红外地球敏感器地面测试；光激励方法的原理是利用二维转台控制地球模拟器的转动，以模拟在轨卫星对地姿态偏差；采用温控系统对地球模拟器进行加热，模拟太空背景下地球目标的红外辐射，从而实现在目标物理仿真条件下地球敏感器的地面测试。

传统的电激励信号产生方法简便、灵活、易实现，测试覆盖范围广，但该电激励信号产生方法只能获得数字化的测试信号，没有考虑到红外探测器的非均匀性、系统噪声对红外地球敏感器地面测试的影响，一般情况下仅适用于红外地球敏感器初始调试阶段与功能测试。

基于光激励方法的地面测试，可以真实模拟地平圆红外辐射信号，并且能够同时测试红外探测器的非均匀性、噪声对红外地球敏感器地面测试的影响，使地面测试数据更可靠；但是光激励方法需研制一整套地面测试设备，研制周期长、制作复杂、体积庞大，外场实验携带、搬运困难，且每套设备测试范围有限，只能覆盖一定范围内的测试条件，因此，通常光激励方法较适用于实验室环境下的红外地球敏感器性能测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于静态红外地球敏感器地面测试的电激励生成装置。所述电激励生成装置如图1所示，包括FPGA核心模块、RS232电平转换模块、数模转换模块、加法器模块四个部分。

其中，所述RS232电平转换模块采用Maxim公司的MAX3232芯片，主要功能是接收测试计算机输入指令，将输入信号的232电平转换为TTL电平。

所述FPGA核心模块采用ACTEL公司的APA300器件，完成电激励生成装置的核心功能，输出模拟图像数字信号，图像信号位宽为8位。

所述数模转换模块采用ADI公司的AD558数模转换芯片，实现图像信号的数模转换，输入数字信号总线位宽8位，输出模拟信号，幅值为0~5V。

所述加法器模块采用Philips Semiconductors公司的LM324低功耗运算放大器，输入信号其中一路为红外探测器本底信号，另一路信号为模拟图像电激励信号，经过运算放大器的叠加，输出含有探测器本底信息的模拟图像电激励信号。

本发明的电激励生成装置的信号流程为：测试计算机输入指令，经过232电平转换模块，输出TTL电平的指令信号；FPGA核心模块接收并解析指令信号，输出模拟图像数字信号，经数模转换模块，输出模拟图像电激励信号；最后，经过加法器模块，输出含有探测器本底信息的电激励信号，传输至静态红外地球敏感器。

基于所述电激励生成装置的电激励信号生成方法为：

1）、测试计算机通过RS232通信方式及电平转换模块，向电激励生成装置注入指令，经FPGA指令解析，获得地球敏感器的运行轨道、卫星对地姿态角等系统配置参数；

2）、FPGA核心模块实时检测输入的红外探测器相关驱动信号的时序关系，得到图像每一像素的行、列索引值，根据下述步骤3）所述的地平圆绘制方法，生成电激励信号;

3）、根据步骤1）获取的配置参数，基于步骤2）生成的图像每一像元行、列索引值，在FPGA内部生成一幅动态的地平圆模拟图像，经数模转换模块逐行输出电激励信号;

地平圆模拟图像具体绘制方法为：将获取的红外地球敏感器的运行轨道转化为相应的地平圆半径R，卫星对地姿态偏差角转化为相应的地平圆圆心坐标（x₀,y₀）。假设某像元P，其行、列坐标为x，y，根据下式计算公式，可判断此时该像元为地平圆圆内像元或圆外像元：

（x-x₀）²+(y-y₀)²≤R²    （1）

若满足上式（1）的判断条件，则认为P是地平圆圆内像元，输出高电平电激励信号，否则认为是地平圆圆外像元，输出低电平电激励信号。

4）、通过加法器模块，步骤3）输出的电激励信号与探测器本底信号实现同步叠加，供红外地球敏感器地面测试使用。本发明的优点：

（1）、本发明兼顾了红外探测器的非均匀性以及系统噪声对红外地球敏感器地面性能测试的影响，测试覆盖性广;

（2）、本发明的电激励信号生成方法可以灵活配置系统参数，以满足不同应用场合的红外地球敏感器地面测试需求。

（3）、本发明电激励生成装置轻巧、便携，特别适合用于红外地球敏感器外场实验。

附图说明

图1为电激励生成装置框架图。

图2为探测器的驱动信号时序图。

图3为电激励信号生成方法流程图。

图4为地平圆绘制原理图。

具体实施方式

1、图像行、列寻址

1.1探测器特性

本发明针对基于面阵焦平面红外探测器成像探测的姿态敏感原理，由于探测器各敏感像元响应率并不一致，导致探测器的非均匀性，造成图像质量的下降，进而引起红外地球敏感器的姿态角检测误差是不容忽视的。以往的电激励方法无法模拟探测器的非均匀性分布，使得红外地球敏感器的地面测试不全面。因此，本发明的电激励测试方法引入了红外探测器的非均匀性信息。

1.2探测器相关驱动信号的描述

与探测器驱动时序相关的信号有主时钟（MC）、积分相位时钟（INT）、复位信号（RESET）、数据有效信号（DATAVALID）。

主时钟对整个探测器内部电路起同步作用，控制静态同步移位寄存器执行像元寻址功能。在每个主时钟周期内，像元信息被读出一次。

积分相位时钟在高电平期间使能给定行的热辐射信号的同步积分。信号必须在主时钟上升沿时改变状态，周期大于(列数+17)*MC，积分时间等于积分相位时钟的高电平时长。

复位信号通过对焦平面第一行信号强制进行积分，使读出电路操作复位。复位信号必须在主时钟的上升沿期间改变状态，高电平持续时间至少一个主时钟始终周期，且必须在第一个主时钟的上升沿时期检测主时钟信号。复位信号上升沿必须在积分相位时钟信号下降沿之后的至少第15个主时钟后产生，复位信号可用来作为帧同步信号。

数据有效信号在积分阶段之后自动设置为高电平，以指示读出相关信息。

主时钟、积分相位时钟、复位信号、数据有效信号的时序图如图2所示。

1.3电激励生成方法

图2描述了电激励信号生成方法中图像行、列寻址的流程，具体过程如下：

Step 1:检测帧复位信号，若帧复位信号上升沿到来，转Step2，否则，继续等待帧复位信号的上升沿；

Step2:开始处理一阵图像，行、列计数值清零。等待，直至检测到帧复位信号变为低电平，转Step3；

Step3:检测数据有效信号，若上升沿到来，说明开始进入新的一行数据，行计数加1，转Step4;若是检测到数据有效信号的下降沿，转Step8；

Step4:若数据有效信号为高电平，转step5;否则列计数清零，转Step3；

Step5:若检测到帧复位信号的上升沿，列计数加1，转Step6;否则继续等待；

Step6:若检测到帧复位信号的下降沿，转step7;否则继续等待；

Step7：若列计数等于图像总列数，列计数清零，转Step3;否则转Step5；

Step8：若行计数等于图像总行数，说明一帧图像扫描完成，转Step1;否则转Step3。

根据上述流程，获取图像像元的行、列索引值，然后根据下面第2步地平圆绘制方法，生成电激励信号。

2、绘制地平圆

图4为地平圆绘制示意图。将测试输入的姿态角转化为地平圆圆心在成像平面的坐标位置，假设圆心为O，坐标为（x₀,y₀）;而某个时刻，图像寻址位于像素p处，其坐标为(x，y)，如公式（2）所述计算像素P与地平圆圆心O的距离L，判断L与当前红外地球敏感器的工作参数地平圆半径R的关系。若满足下式（2）的判断条件，说明像素P位于地平圆内，对应地球背景，其输出的像素灰度为1，生成高电平电激励信号;否则该像素P在地平圆外，对应太空背景，其输出的像素灰度为0，生成低电平电激励信号。

（x-x₀）²+(y-y₀)²≤R²    （2）

3、电激励信号与探测器本底信号的同步叠加

在主时钟的同步下，通过加法器，将上述电激励信号与探测器本底信号进行像素级的同步叠加，输出含有探测器本底信息的电激励信号。

Claims (2)

1.一种用于静态红外地球敏感器地面测试用的电激励生成装置，包括RS232电平转换模块、FPGA核心模块、数模转换模块和加法器模块四个部分，其特征在于：

所述的RS232电平转换模块采用Maxim公司的MAX3232芯片；

所述的FPGA核心模块采用ACTEL公司的APA300器件；

所述的数模转换模块采用ADI公司的AD558数模转换芯片，图像信号的数模转换，输入数字信号总线位宽8位，输出模拟信号，幅值为0~5V；

所述的加法器模块采用Philips Semiconductors公司的LM324低功耗运算放大器，输入信号其中一路为红外探测器本底信号，另一路信号为模拟图像电激励信号，经过运算放大器的叠加，输出含有探测器本底信息的模拟图像电激励信号；

测试计算机向所述的电激励生成装置输入指令，经过232电平转换模块，输出TTL电平的指令信号；FPGA核心模块接收并解析指令信号，输出模拟图像数字信号，经数模转换模块，输出模拟图像电激励信号；最后，经过加法器模块，输出含有探测器本底信息的电激励信号，传送至静态红外地球敏感器。

2.一种基于权利要求1所述电激励生成装置的电激励信号生成方法，其特征在于包括以下步骤：

1）、测试计算机通过RS232通信方式及电平转换模块，向电激励生成装置注入指令，经FPGA指令解析，获得地球敏感器的运行轨道、卫星对地姿态角等系统配置参数；

2）、FPGA核心模块实时检测输入的红外探测器相关驱动信号的时序关系，得到图像每一像素的行、列索引值，根据下述步骤3）所述的地平圆绘制方法，生成电激励信号；

3）、根据步骤1）获取的工作参数，基于步骤2）生成的图像每一像元行、列索引值，在FPGA内部生成一幅动态的地平圆模拟图像数字信号，经数模转换模块逐行输出电激励信号；

地平圆模拟图像具体绘制方法为：将获取的红外地球敏感器的运行轨道转化为相应的地平圆半径R，卫星对地姿态偏差角转化为相应的地平圆圆心坐标（x₀,y₀）。假设某像元P，其行、列坐标为x，y，根据下式计算公式，可判断此时该像元为地平圆圆内像元或圆外像元：

（x-x₀）²+(y-y₀)²≤R²    （1）

若满足上式（1）的判断条件，则认为P是地平圆圆内像元，输出高电平电激励信号，否则认为是地平圆圆外像元，输出低电平电激励信号；

4）、通过加法器模块，步骤3）输出的电激励信号与探测器本底信号实现同步叠加，供红外地球敏感器地面测试使用。

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