CN104061908A - 一种红外遥感器背景电平漂移消除系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种红外遥感器背景电平漂移消除系统及其方法应用于航天遥感领域。此方法的特征在于：红外探测器接收光路遮挡装置周期遮挡的汇聚光信号，将汇聚光信号转换为电信号送至时序产生与信号处理电路，时序产生与信号处理电路将电信号中被光路遮挡装置中的挡片遮挡时刻红外探测器输出的隔离直流信号箝位到零，从而消除了红外探测器输出的背景电平。此方法从系统角度，利用光路遮挡装置与电路配合，解决红外焦平面探测器本身暗电流随工作温度变化以及探测器本身退化而引起的遥感器输出图像背景电平变化的问题，对抑制图像的暗背景，保留相机动态范围、提高图像质量具有积极意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外遥感器背景电平漂移消除系统及其方法，属于航天遥感技术领域。
背景技术
随着航天光学遥感器技术的迅速发展，对光学遥感器的成像质量的要求也越来越高，但由于国内红外探测器工艺水平受限制，使得红外探测器在无光照条件下的输出随工作温度升高而发生变化，理论上，其递增趋势为单调上升，实际上，红外探测器无光照输出为非单调曲线。由于红外探测器制冷部件，例如：辐冷器或者制冷机，随时间其性能会发生衰变，其次其制冷温度也不能保持理想恒定，这样使空间遥感相机输出图像暗背景随红外探测器工作温度变化而改变，特别是由于温度与背景之间的非单调性，导致温度区间内存在极大值或极小值，若在极大值或极小值周围变化，则可能存在温度变化范围很小而背景电平变化剧烈的问题。传统的解决方式是对红外探测器输出模拟信号进行减电平处理，设置多档电平值，根据遥感相机试验室定标情况或者在轨飞行情况，模拟信号剪去一固定电平。此方法无法对探测器随温度变化时产生的背景电平进行实时抑制，导致当直流电平设置不当或探测器温度发生较大变化时，探测器仍有背景电平信号输出。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种红外遥感器背景电平漂移消除系统及其方法，通过遥感器光学遮挡装置与时序产生与信号处理电路相互配合下，使用对红外探测器输出电信号先进行直流隔离后进行直流恢复的方式，将电信号中被光路遮挡装置中的挡片遮挡时刻红外探测器输出的隔离直流信号箝位到零，消除了红外探测器输出的背景电平。从系统角度，利用光路遮挡装置与电路配合，解决了红外探测器背景电平随温度漂移的问题，提高了红外探测器输出图像的质量。
本发明的技术解决方案：一种红外遥感器背景电平漂移消除方法，步骤如下：
(1)光学系统收集目标光信号，输出汇聚光信号送到光路遮挡装置；
(2)时序产生与信号处理电路将产生的帧周期脉冲信号送至机构控制电路；
(3)机构控制电路接收步骤(2)中产生的帧周期脉冲信号，根据帧周期脉冲信号产生光路遮挡装置中旋转直流无刷电机的控制信号送至光路遮挡装置；
(4)光路遮挡装置的光电码盘，受步骤(3)中的旋转直流无刷电机的控制信号控制，随光路遮挡装置的旋转直流无刷电机同轴转动，给机构控制电路提供反馈信号，实现光路遮挡装置转动的周期与帧周期脉冲信号得周期同步；
(5)在步骤(4)实现光路遮挡装置转动的周期与帧周期脉冲信号得周期同步的条件下，光路遮挡装置的旋转直流无刷电机受步骤(3)的旋转直流无刷电机的控制信号控制进行转动，旋转直流无刷电机的转动带动摆杆上的挡片随旋转直流无刷电机旋转，当摆杆一端的挡片挡住光学系统输出的汇聚光信号时，光学系统输出的汇聚光信号无法送至红外探测器，当挡片随直流无刷电机转动不遮挡光学系统输出的汇聚光信号时，光学系统输出的汇聚光信号送至红外探测器；
(6)红外探测器在时序产生与信号处理电路提供的电源、时序信号、偏置电平下，将步骤(5)光路遮挡装置送来的汇聚光信号进行光电转换后形成电信号送至时序产生与信号处理电路。
(7)时序产生与信号处理电路将步骤(6)的电信号进行隔离直流、差分放大、二阶滤波、直流恢复，采样保持和多路合成后输出串行的图像电信号，即消除了背景电平的红外探测器输出信号。
所述的步骤(7)中的直流恢复过程为：在帧周期脉冲信号控制下，时序产生与信号处理电路将依照帧周期脉冲信号，生成箝位信号。将箝位脉冲上升沿时刻，即电信号中红外探测器被光路遮挡装置中的挡片遮挡时刻的红外探测器输出隔离直流信号箝位到零，消除了红外探测器输出的背景电平。
所述的所述的步骤(7)中的隔离直流过程为：去除红外探测器输出的电信号中的直流分量。
上述红外遥感器背景电平漂移消除方法所采用的系统，包括光学系统、机构控制电路、光路遮挡装置、时序产生与信号处理电路、红外探测器；
光学系统收集目标光信号，输出汇聚光信号送到光路遮挡装置；
时序产生与信号处理电路提供红外探测器工作所需的时序信号、偏置电平，并给红外探测器供电，同时时序产生与信号处理电路将产生的帧周期脉冲信号送至机构控制电路，同时时序产生与信号处理电路接收红外探测器输出的图像电信号，将电信号进行隔离直流、差分放大、二阶滤波、直流恢复，采样保持和多路合成后输出串行的图像电信号；
机构控制电路接收帧周期脉冲信号，根据帧周期脉冲信号产生光路遮挡装置中旋转直流无刷电机的控制信号送至光路遮挡装置；
光路遮挡装置包括旋转直流无刷电机、光电码盘和摆杆，摆杆上设有挡片，旋转直流无刷电机受旋转直流无刷电机的控制信号控制进行转动，旋转直流无刷电机的转动带动摆杆上的挡片随旋转直流无刷电机旋转，当挡片遮挡住光学系统输出的汇聚光信号时，光学系统输出的汇聚光信号无法送至红外探测器，当挡片随直流无刷电机转动不遮挡光学系统输出的汇聚光信号时，光学系统输出的汇聚光信号送至红外探测器，同时光电码盘随旋转直流无刷电机同轴转动，给机构控制电路提供反馈信号，实现光路遮挡装置转动的周期与帧周期脉冲信号得周期同步；
红外探测器在时序产生与信号处理电路提供的电源、时序信号、偏置电平下，将光路遮挡装置送来的汇聚光信号进行光电转换后形成电信号送至时序产生与信号处理电路。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)对比现在对模拟通道信号直接减固定电平的方式，此方法可以最大限度的保留了红外探测器的动态范围，从而使红外探测器输出低端响应也能够有效保存。
(2)实时性，由于光路遮挡装置与帧周期脉冲信号同步，在每帧成像的过程中，此方法可实时对背景电平进行调整。
(3)由于红外探测器的背景电平随外界温度变化而变化，此通过此方法，可以有效抑制探测器热噪声给最终图像带来的影响。
(4)由于红外探测器的背景电平随探测器的退化而变化，此通过此方法，可以有效抑制探测器本身退化给最终图像带来的影响。
(5)自动性，由于此种方法对比传统减固定电平的方法，可以实现对背景电平的自动校正。
附图说明
图1为本发明中的系统具体工作实现示意图；
图2为本发明的方法流程图；
图3本发明的抑制前后信号对比图；
图4为本发明的光路遮挡装置；
图5为本发明机构控制电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明，如图1所示，一种红外遥感器背景电平漂移消除系统，包括光学系统、机构控制电路、光路遮挡装置、时序产生与信号处理电路、红外探测器；
光学系统收集目标光信号，利用R-C光学系统将目标光信号通过光学系统后，输出汇聚光信号送到光路遮挡装置；
时序产生与信号处理电路利用FPGA提供红外探测器工作所需的时序信号，利用基准源分压实现偏置电平输出，利用线性稳压块输出电平为红外探测器供电，同时时序产生与信号处理电路将产生的帧周期脉冲信号送至机构控制电路，同时时序产生与信号处理电路接收红外探测器输出的图像电信号，将电信号进行隔离直流、差分放大、二阶滤波、直流恢复，采样保持和多路合成后输出串行的图像电信号；
机构控制电路接收帧周期脉冲信号，根据帧周期脉冲信号产生光路遮挡装置中旋转直流无刷电机的控制信号送至光路遮挡装置；
光路遮挡装置包括旋转直流无刷电机、光电码盘和摆杆，摆杆上设有挡片，旋转直流无刷电机受旋转直流无刷电机的控制信号控制进行转动，旋转直流无刷电机的转动带动摆杆上的挡片随旋转直流无刷电机旋转，当挡片遮挡住光学系统输出的汇聚光信号时，光学系统输出的汇聚光信号无法送至红外探测器，当挡片随直流无刷电机转动不遮挡光学系统输出的汇聚光信号时，光学系统输出的汇聚光信号送至红外探测器，同时光电码盘随旋转直流无刷电机同轴转动，给机构控制电路提供反馈信号，实现光路遮挡装置转动的周期与帧周期脉冲信号得周期同步；
红外探测器在时序产生与信号处理电路提供的电源、时序信号、偏置电平下，将光路遮挡装置送来的汇聚光信号进行光电转换后形成电信号送至时序产生与信号处理电路。
如图2所示，一种红外遥感器背景电平漂移消除方法，包括步骤如下：
(1)光学系统收集目标光信号，将目标光信号依次通过平面反射镜、主镜和次镜输出汇聚光信号送到光路遮挡装置；
(2)时序产生与信号处理电路将产生的帧周期脉冲信号送至机构控制电路；
(3)机构控制电路接收步骤(2)中产生的帧周期脉冲信号，根据帧周期脉冲信号产生光路遮挡装置中旋转直流无刷电机的控制信号送至光路遮挡装置；
(4)光路遮挡装置的光电码盘，受步骤(3)中的旋转直流无刷电机的控制信号控制，随光路遮挡装置的旋转直流无刷电机同轴转动，给机构控制电路提供反馈信号，实现光路遮挡装置转动的周期与帧周期脉冲信号得周期同步；
(5)在步骤(4)实现光路遮挡装置转动的周期与帧周期脉冲信号得周期同步的条件下，光路遮挡装置的旋转直流无刷电机受步骤(3)的旋转直流无刷电机的控制信号控制进行转动，旋转直流无刷电机的转动带动摆杆上的挡片随旋转直流无刷电机旋转，当摆杆一端的挡片挡住光学系统输出的汇聚光信号时，光学系统输出的汇聚光信号无法送至红外探测器，当挡片随直流无刷电机转动不遮挡光学系统输出的汇聚光信号时，光学系统输出的汇聚光信号送至红外探测器；
(6)红外探测器在时序产生与信号处理电路提供的电源、时序信号、偏置电平下，将步骤(5)光路遮挡装置送来的汇聚光信号进行光电转换后形成电信号送至时序产生与信号处理电路；
(7)时序产生与信号处理电路将步骤(6)的电信号进行隔离直流、差分放大、二阶滤波、直流恢复，采样保持和多路合成后输出串行的图像电信号，即消除了背景电平的红外探测器输出信号。
如图3所示，图中第一组信号为探测器输出的图像电信号，图中原始信号的a段，代表探测器被光路遮挡装置内的挡片遮挡时，探测器输出的背景电平(此背景电平会随红外探测器的寿命及制冷温度的变化而发生变化)，其余部分b段为光路遮挡装置不遮挡红外探测器时，红外输出的有效光信号。图中第二组信号为帧周期同步信号，此信号不仅在时序产生与信号处理电路中产生内部直流恢复所需的箝位信号(如图中第三组信号所示)，并将此信号送至机构控制电路。机构控制电路产生对光路遮挡装置的控制信号，使装置旋转与帧周期同步信号周期相同。红外探测器输入至时序产生于信号处理电路中的信号，先进行直流滤波，滤波后如图3中第四组信号所示，信号中直流分量被去除。将此直流分量进行放大、滤波等处理后，根据箝位脉冲的时序关系，将箝位脉冲所对应的探测器输出信号(即a段)进行箝位，将值箝位至0V，实现直流恢复，从而消除红外探测器输出的背景信号。在此状态下，红外探测器若发生背景漂移时，在与帧周期同步的每个周期内，均对背景电平进行箝位，实现了实时、自动的背景电平抑制。
如图4所示，光路遮挡装置中，c为挡片，用来遮挡汇聚光信号。d为摆杆，挡片c安装在摆杆d上。e为旋转直流无刷电机，f为光电码盘。旋转直流无刷电机e受旋转直流无刷电机的控制信号控制进行转动，旋转直流无刷电机e的转动带动摆杆d上的挡片c随旋转直流无刷电机旋转。同时，光路遮挡装置的光电码盘f，受旋转直流无刷电机e的控制信号控制，随光路遮挡装置的旋转直流无刷电机e同轴转动，给机构控制电路提供反馈信号，实现光路遮挡装置转动的周期与帧周期脉冲信号的周期同步。
如图5所示，本发明的机构控制电路采取PLL锁相环控制方式，电路包括鉴频鉴相器PFD，环路滤波器和驱动放大器三部分组成。鉴频鉴相器PFD对帧周期脉冲信号和光电码盘提供的反馈信号进行比较，两者之间的相位差经过环路滤波器做超前-滞后校正后生成调节量输出给驱动放大器，驱动放大器控制电机旋转。电机旋转过程中，机构控制电路不断进行锁频锁相，从而实现同步转动。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
Claims (4)
1.一种红外遥感器背景电平漂移消除方法，其特征在于步骤如下：
(1)光学系统收集目标光信号，输出汇聚光信号送到光路遮挡装置；
(2)时序产生与信号处理电路将产生的帧周期脉冲信号送至机构控制电路；
(3)机构控制电路接收步骤(2)中产生的帧周期脉冲信号，根据帧周期脉冲信号产生光路遮挡装置中旋转直流无刷电机的控制信号送至光路遮挡装置；
(4)光路遮挡装置的光电码盘，受步骤(3)中的旋转直流无刷电机的控制信号控制，随光路遮挡装置的旋转直流无刷电机同轴转动，给机构控制电路提供反馈信号，实现光路遮挡装置转动的周期与帧周期脉冲信号得周期同步；
(5)在步骤(4)实现光路遮挡装置转动的周期与帧周期脉冲信号得周期同步的条件下，光路遮挡装置的旋转直流无刷电机受步骤(3)的旋转直流无刷电机的控制信号控制进行转动，旋转直流无刷电机的转动带动摆杆上的挡片随旋转直流无刷电机旋转，当摆杆一端的挡片挡住光学系统输出的汇聚光信号时，光学系统输出的汇聚光信号无法送至红外探测器，当挡片随直流无刷电机转动不遮挡光学系统输出的汇聚光信号时，光学系统输出的汇聚光信号送至红外探测器；
(6)红外探测器在时序产生与信号处理电路提供的电源、时序信号、偏置电平下，将步骤(5)光路遮挡装置送来的汇聚光信号进行光电转换后形成电信号送至时序产生与信号处理电路；
(7)时序产生与信号处理电路将步骤(6)的电信号进行隔离直流、差分放大、二阶滤波、直流恢复，采样保持和多路合成后输出串行的图像电信号，即消除了背景电平的红外探测器输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种红外遥感器背景电平漂移消除方法，其特征在于所述的步骤(7)中的直流恢复过程为：在帧周期脉冲信号控制下，时序产生与信号处理电路将依照帧周期脉冲信号，生成箝位信号，将箝位脉冲上升沿时刻，即电信号中红外探测器被光路遮挡装置中的挡片遮挡时刻的红外探测器输出隔离直流信号箝位到零，消除了红外探测器输出的背景电平。
3.根据权利要求1所述的一种红外遥感器背景电平漂移消除方法，其特征在于所述的所述的步骤(7)中的隔离直流过程为：去除红外探测器输出的电信号中的直流分量。
4.一种红外遥感器背景电平漂移消除系统，其特征在于：包括光学系统、机构控制电路、光路遮挡装置、时序产生与信号处理电路、红外探测器；
光学系统收集目标光信号，输出汇聚光信号送到光路遮挡装置；
时序产生与信号处理电路提供红外探测器工作所需的时序信号、偏置电平，并给红外探测器供电，同时时序产生与信号处理电路将产生的帧周期脉冲信号送至机构控制电路，同时时序产生与信号处理电路接收红外探测器输出的图像电信号，将电信号进行隔离直流、差分放大、二阶滤波、直流恢复，采样保持和多路合成后输出串行的图像电信号；
机构控制电路接收帧周期脉冲信号，根据帧周期脉冲信号产生光路遮挡装置中旋转直流无刷电机的控制信号送至光路遮挡装置；
光路遮挡装置包括旋转直流无刷电机、光电码盘和摆杆，摆杆上设有挡片，旋转直流无刷电机受旋转直流无刷电机的控制信号控制进行转动，旋转直流无刷电机的转动带动摆杆上的挡片随旋转直流无刷电机旋转，当挡片遮挡住光学系统输出的汇聚光信号时，光学系统输出的汇聚光信号无法送至红外探测器，当挡片随直流无刷电机转动不遮挡光学系统输出的汇聚光信号时，光学系统输出的汇聚光信号送至红外探测器，同时光电码盘随旋转直流无刷电机同轴转动，给机构控制电路提供反馈信号，实现光路遮挡装置转动的周期与帧周期脉冲信号得周期同步；
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