CN103852173A - 一种集成化的星载超长线列红外探测器前端信息获取电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成化的星载长线列红外探测器前端信息获取电路。本发明对长线列探测器前端信号链路进行优化，采用每8个通道为1个前端单元模块进行集成的设计方法，通过多个前端单元模块即可处理超长线列红外探测器信号；并将前端模拟单元转为ASIC芯片，每个芯片可完成8路红外探测器信号从模拟前端到数字量化的处理全过程。采用该技术方案后有效解决了星载超长线列红外探测器前端信号低噪声、高带宽、高采样率、多通道、小体积、轻量化、低功耗、高电磁兼容性、高可靠性设计技术难题，解决了超长线列红外探测器信号获取电路规模与平台的资源矛盾，消除了限制星载红外遥感技术发展的一项技术瓶颈。

Description

一种集成化的星载超长线列红外探测器前端信息获取电路

技术领域

本发明涉及星载红外相机信息获取技术领域，特别是涉及一种星载红外长线列探测器集成化信号获取电路，具体地说，是一种在红外超长线列探测器前端信息获取中，各种要求（低噪声、高带宽、高采样率、多通道、小体积、轻量化、低功耗、高电磁兼容性、高可靠性）并存，且超长线列红外探测器信号获取电路规模与平台的资源存在矛盾的解决方法。

背景技术

现代红外成像系统的核心器件是焦平面阵列(focal plane array FPA)，包括探测器和信号读出电路，而当前的星载红外相机中，红外线列探测器往往不超过8个输出通道，因此信息获取技术一般都是按通道进行设计，每个通道对应完整、冗长的信号调理和采集电路，或者采用模拟开关在A/D量化前进行信号复用，这在探测器规模较小、驻留时间长、采样频率低的应用场合是可行的。但近几年随着遥感技术在高时间、高空间、高光谱分辨率的发展，线列探测器规模急剧膨胀，输出通道数（抽头数）成几何级数增长，若按现有的技术设计，由于信号路数成倍数增多，复用开关速率、电磁兼容性和噪声性能难以满足；另一方面，功耗、体积、重量等资源需求会线性增加，而卫星平台资源是有限的，这一矛盾无法解决。例如，以中国科学院上海技术物理研究所研制的MCT4000×1长线列中波探测器为核心的星载红外仪器就存在上述难题。

综上所述，随着星载超长线列探测器的发展和应用，现有技术路线已经无法满足性能指标，可扩展性极差，且与平台的资源矛盾不可调和，逐渐成为限制星载红外遥感技术发展的一项瓶颈。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种集成化的星载超长线列红外探测器前端信息获取电路，重点解决星载红外相机中超长线列探测器前端信息获取和调理中的低噪声、高带宽、高采样率、多通道、小体积、轻量化、低功耗、高扩展性、高电磁兼容性、高可靠性设计技术难题。

本发明的技术方案为：前端信息获取电路由多块前端单元模块构成，电路对长线列探测器前端信号链路进行优化，将8路红外信号调理电路集成为1个前端单元模块，每个前端单元模块独立工作；采用多个前端单元模块进行并行工作的方式，实现处理多达上万元的超长线列红外探测器信号的能力；

所述的前端单元模块对8路红外信号调理电路进行集成，将运算放大器、采样保持器、高速模拟开关、高速A/D转换器、高速D/A转换器集成在一个芯片单元里，完成8路红外探测器信号从模拟前端到数字量化的并行处理全过程；将上述电路集成在一片ASIC芯片内，一个ASIC芯片完成对2000元探测器8路红外信号的处理。

具体包含下列步骤：

1）对长线列探测器前端信号链路进行优化，采用每8个红外通道为1个前端单元模块进行合并集成的方式，每个前端单元模块主要含8通道模拟信号调理模块,含信号输入、相减、放大处理、SPI接口模块、A/D模块、D/A模块；

2）采用基于前端单元模块的设计方法完成对长线列红外探测器信息获取，每个前端单元模块能独立处理2000元长线列红外探测器的输出信号；

3）将该前端单元模块集成设计为ASIC（专用集成电路芯片）固化技术状态。

根据本发明的一种星载超长线列红外探测器信息获取电路的前端单元模块（8通道红外信号调理ASIC），由片内的24个宽带运放、1个高速A/D、8个高速D/A、采用保持器、高速模拟开关、8个PGA组成，具备以下功能：

1）在一个红外探测器驱动时钟周期内，能对2000元红外探测器（8路输出）模拟信号分时进行仪器背景信号相减、放大、A/D量化，通道隔离度大于60dB，信噪比满足200:1@PGA=31；

2）能通过SPI总线接口，对8个红外通道分别进行独立的增益调节并回读当前状态；

3）能通过D/A，对8个红外通道模拟信号能进行动态背景相减；

4）A/D量化位数12位，转换频率不低于24MSPS，单片输出数据率最高为288Mbps；12位D/A，转换频率不低于24MSPS。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：相对于传统分通道独立进行信息获取的方案，采用基于前端单元模块的集成设计方案全面解决了超长线列探测器信息获取技术中低噪声、高带宽、高采样率、多通道、小体积、轻量化、低功耗、高扩展性、高电磁兼容性、高可靠性等技术难点，使我国星载超长线列探测器信息获取技术上了一个台阶，在该领域开拓了一条新道路。

具体如下：

1功耗降低了46%，重量降低了约85%，满足了平台对载荷的资源约束；降低走线量，提高了EMC能力；噪声、带宽、采样率、可靠性满足系统指标要求；

2扩展性成倍提高，采用多片并行工作的方法可以适应未来线列探测器在规模上继续增长；兼容超长线列TDI红外探测器；

3前端模块转成ASIC后，克服了航天仪器由于特有的对抗辐射、抗单粒子的要求而器件难以选型的困难，提高了空间载荷信息获取能力。

附图说明

图1为；可扩展的长线列探测器信号获取电路框图。

图2为：前端单元模块（8通道红外信号调理电路）结构图。

图3为：星载4000元长线列红外探测器信息获取系统示意图。

图4为：前端单元模块（8通道红外信号调理电路）内部工作时序图。

图5为：星载可扩展长线列红外探测器信息获取电路实物图。

具体实施方式

下面结合附图3～图5给出本发明较好实施例。

实施例1根据图4星载4000元红外超长线列探测器前端信息获取系统的工作步骤如下：

S1、星载仪器通电，外围驱动电路工作，星载4000元长线列红外探测器输出32路模拟信号，分送4个前端单元模块；在输入时钟同频同相的情况下，多个前端单元模块协同工作时，输出的各类同步信号必须同频同相，相位偏差控制在半个主时钟周期内；

S2、当探测器像元驱动信号CP（附图4）上升沿到来时，每个前端单元模块对输入的8路模拟信号进行采样保持，相关双采样减法运算，然后采样保持；

S3:、对来自D/A的红外仪器背景信号进行相减，拓展了动态范围，通过多路高速模拟开关将信号送A/D量化，量化位数为12bit,转换频率为24MSPS，在一个红外探测器驱动时钟周期CP（附图4）内必须完成8路信号的A/D转换(附图4，AD_INT为转换完成信号，AD_WR为转换后的输出信号)；同时，对A/D量化后的信号经后续处理电路处理后，可反馈回前端单元模块的D/A输入端，循环处理；也可以通过SPI接口，使D/A输入端断开并接入全0信号；在一个红外探测器驱动时钟周期内必须完成数据的D/A转换（附图4，DA_INT为D/A转换准备信号，DA_WR为数据输入信号）；

S4、根据S3中采集到的A/D数据，通过SPI接口发送指令和数据，调节前端单元模块中各红外模拟通道的增益，使满足要求。

Claims (1)

1.一种集成化的星载长线列红外探测器前端信息获取电路，其特征在于：所述的前端信息获取电路由多块前端单元模块构成，电路对长线列探测器前端信号链路进行优化，将8路红外信号调理电路集成为1个前端单元模块，每个前端单元模块独立工作；采用多个前端单元模块进行并行工作的方式，实现处理多达上万元的超长线列红外探测器信号的能力；

所述的前端单元模块对8路红外信号调理电路进行集成，将运算放大器、采样保持器、高速模拟开关、高速A/D转换器、高速D/A转换器集成在一个芯片单元里，完成8路红外探测器信号从模拟前端到数字量化的并行处理全过程；将上述电路集成在一片ASIC芯片内，一个ASIC芯片完成对2000元探测器8路红外信号的处理。

Images