CN104748851B - 提升凝视型红外光谱仪工作效率的变增益控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升凝视型红外光谱仪工作效率的变增益控制系统及方法，系统包括输入微弱光谱信号模块，变增益控制放大模块，同频参考信号的整形移相模块，相敏检波处理模块，信号的低通滤波与直流放大模块，每个波段的光谱信号处理时首先通过所述的4个调整电阻和4个模拟开关，针对信号的幅值通过程序控制模拟开关的通断状态实时调整各个波段信号的增益参数，调整后的信号再经过低通滤波处理送后级的相敏检波模块，本发明的优点在于：电路实现形式较为简单，对于提升凝视型红外光谱仪的探测效率有显著效果。

Description

提升凝视型红外光谱仪工作效率的变增益控制系统及方法

技术领域：

本发明涉及一种凝视型红外光谱仪，具体涉及一种提升凝视型红外光谱仪工作效率的变增益控制系统及方法，它用于凝视型红外光谱仪的系统设计，提升系统的信息获取效率，特别适合于对探测效率要求较高的场合。

背景技术：

凝视型红外光谱仪是一种重要的信息获取手段，它利用分光部件(声光可调谐滤波器、液晶光阀等)，在某一时间段内获取同一物质的连续光谱信息，从而进行物质探测和识别，该技术适用于环境监测、矿物勘探、地球科学等领域。由于目标在一定光谱范围内的光信号被分成数百个精细波段，各个波段的光信号能量相对于宽波段成像系统而已大幅衰减，对于红外谱段更是如此，为了检测这种微弱红外光谱信号达到一定的信噪比，凝视型红外光谱仪一般采用锁相放大技术来进行信息处理，这种处理方式是以牺牲探测时间来获取足够高的探测灵敏度的，由于同一物质在邻近的光谱范围内可能存在较大的辐射能量差异(如水汽吸收波段附近)，采用锁相放大技术时，锁相后低通滤波得到的直流电压信号可能存在较大差异，由于系统光、电器件的时间响应特性，这两个波段的电压信号转换时其幅度稳定需要一定的建立时间，如果这种差异较大，则需要较长的时间完成这种转化。

本方法提出在锁相放大前，针对不同波段的信号进行分波段变增益控制放大，对存在差异的相邻波段信号在锁相放大前使用不同的增益进行信号放大，尽量保证两个连续信号的幅度一致，这样滤波后两个波段的电压信号幅度接近一致，这样电压信号稳定的建立时间会大大降低，该方法在不损失灵敏度的前提下可以显著提升系统的工作效率。

发明内容：

基于上述问题的存在，本发明提出一种提升凝视型红外光谱仪工作效率的变增益控制系统及方法，这种方法应用在锁相放大处理流程前，可以使相邻波段能量差异较大的波段信号锁相和低通滤波后直流电平的幅值接近，改善系统的时间响应特性，提升系统的信息获取效率。

一种提升凝视型红外光谱仪工作效率的变增益控制系统包括输入微弱光谱信号模块1，变增益控制放大模块2，同频参考信号的整形移相模块3，相敏检波处理模块4，信号的低通滤波与直流放大模块5，其中：

所述的凝视型红外光谱仪指的是采用类似于声光可调谐滤波器、液晶光阀等分光部件设计的光谱仪系统，它通过时间维特定频率电驱动扫描，实现目标信号光线透过分光部件后的精细分光。通常而言，光谱仪的设计都会按一定顺序对探测光谱范围内光线进行分光扫描，如对于探测光谱范围1.0～3.2μm的红外光谱仪，设计光谱分辨率为10nm，那么设计的电驱动扫描方式一般会使得透过分光部件的波段λ₁、λ₂…λ₂₂₀(共220个波段)的中心波长依次为1005nm、1015nm…、3195nm。

所述的增加的变增益控制放大模块2如图3所示，所述的变增益控制放大模块2中有两个运算放大器，第一运算放大器用来实现变增益控制，第二运算放大器实现滤波处理，4个调整电阻R11～R44和4个模拟开关S1D1～S4D4组成的无源电阻网络来实现光谱信号的变增益控制；经过红外探测器光电转换的电信号Signal在每个波段的光谱信号处理时首先通过所述的4个调整电阻和4个模拟开关，针对信号的幅值通过程序控制模拟开关的通断状态实时调整各个波段信号的增益参数，调整后的信号再经过低通滤波处理送后级的相敏处理检波模块4；所述的4个调整电阻和4个模拟开关实现的变增益级数为16种，通过增加调整电阻和模拟开关的数量可实现对各个光谱通道信号增益的更进一步精细调整。需要说明的是由于模拟开关导通需要一定的时间，所以这种像元增益控制方法也有一定的速度限制，按照目前的半导体技术水平，一般的高速开关导通时间可以小于100ns，相对于现有体制凝视型红外光谱仪单通道光谱信号的获取时间(一般在100ms以上)可以忽略其影响。

本发明的优点是：

1.电路实现形式较为简单，对于提升凝视型红外光谱仪的探测效率有显著效果。

2.所提出的方法可应用在其它谱段的光谱仪以及成像类光谱仪的系统设计中。

附图说明：

图1为采用锁相放大技术实现的凝视型红外光谱仪信号处理流程模块。

图2为改进后的采用锁相放大技术实现的凝视型红外光谱仪信号处理流程模块；1表示输入微弱光谱信号模块，2表示变增益控制放大模块，3表示同频参考信号的整形移相模块，4表示相敏检波处理模块，5表示信号的低通滤波与直流放大模块。

图3为程控变增益控制实施电路示意图。

图4为锁相放大前后相邻波段光谱信号波形及时间响应特性示意图。

图5为改进后锁相放大前后相邻波段光谱信号波形及时间响应特性示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明提出的一种提升凝视型红外光谱仪工作效率的变增益控制方法做进一步的说明：

首先可以通过图4来解释凝视型红外光谱仪采用锁相放大处理前后两个相邻波段的信号波形特征。图4横左边表示时间轴T，纵坐标表示电压幅度V。考虑到凝视型光谱仪各波段信号之间本身能量存在一定差异，然后与探测器光谱响应特性、光学镜片的响应特性等因素综合，经调制后输入到锁相放大前端的信号幅度会有显著差异，如图4所示，假设波段λ₁和波段λ₂间的信号幅度差异如图4(上)所示，那么经过图1相敏检波处理后的信号波形就如图4(中)所示，最后经过图1低通滤波和直流放大后的信号波形如图4(下)所示，设定图4(下)所示的波段λ₁和波段λ₂在锁相处理之后经低通滤波的直流信号幅度为V_λ1和V_λ2，由于两者存在一定的幅度差异。受限于系统响应带宽，直流电压从V_λ1到V_λ2的稳定建立时间为T。为了能够获取准确的波段λ₂的信号，在凝视型红外光谱进行波段时间扫描时在波段λ₂时需要维持的调制时间必须大于T，这成为限制系统提升信息获取效率的关键因素之一。

然后通过图5解释采用变增益控制放大方法后相邻波段间的信号波形特征，同样图5中横左边表示时间轴T，纵坐标表示信号波形的电压幅度V。假设图5中由探测器光电转换送入到锁相放大器最前端的信号与图4系统的一致，设图4(上)所示的波段λ₁和波段λ₂的调制信号幅度为S_λ1和S_λ2，采用如图3所示的电路方法，对波段λ1设置增益为G_λ1，对波段λ₂设置增益为G_λ2，通过4个调整电阻R11～R44和4个模拟开关S₁D₁～S₄D₄的合理设置使得S_λ1×G_λ1与S_λ2×G_λ2的差值小于0.1倍的S_λ1×G_λ1数值，通过变增益控制放大后的波形如图5(上)所示，其波形幅度为S_λ1’和S_λ2’，此时经过图2相敏检波后的信号波形就如图5(中)所示，经过图2低通滤波和直流放大后的信号波形就如图5(下)所示，设定图5(下)所示的波段λ₁和波段λ₂在锁相处理之后经低通滤波的直流信号幅度为V_λ1’和V_λ2’，直流电压从V_λ1’到V_λ2’的稳定建立时间为T’。

最后解释采用变增益放大方法后凝视型红外光谱仪的探测效率提升结果。对同一套系统而言，采用图1和图2所示的方法分别处理的相邻波段信号波形如图4和图5所示，那么对于两者的信号稳定建立时间有如下关系：

$\frac{V_{\mathrm{\λ}1}-V_{\mathrm{\λ}2}}{{V_{\mathrm{\λ}1}}^{\′}-{V_{\mathrm{\λ}2}}^{\′}}=\frac{T}{T^{\′}}---\left(1\right)$

对于信号输出按时间序列扫描的凝视型光谱仪而言，采用锁相放大技术对一个波段进行调制的维持时间必须大于这个波段信号电压的稳定建立时间，对于系统而言，采用图1的常规方法处理时，光谱通道λ₁切换到下一个光谱通道λ₂的时间间隔必须大于图4(下)所示的时间T，而对于采用图2所示的变增益放大处理方法后，光谱通道λ₁切换到下一个光谱通道λ₂的时间只须大于图5(下)所示的时间T’，这样对于系统而言，其进行光谱探测是系统效率的提升倍数为：

$P=\frac{V_{\mathrm{\λ}1}-V_{\mathrm{\λ}2}}{{V_{\mathrm{\λ}1}}^{\′}-{V_{\mathrm{\λ}2}}^{\′}}---\left(2\right)$

需要说明的是，该方法的实施对各个波段信号的灵敏度并无实质影响，其主要在于可大大提升系统的光谱探测效率，对探测时间效率要求较高的场合非常适用。

Claims (2)

1.一种提升凝视型红外光谱仪工作效率的变增益控制系统，包括输入微弱光谱信号模块(1)，变增益控制放大模块(2)，同频参考信号的整形移相模块(3)，相敏检波处理模块(4)，信号的低通滤波与直流放大模块(5)；其特征在于：

所述的变增益控制放大模块(2)中有两个运算放大器，第一运算放大器用来实现变增益控制，第二运算放大器实现滤波处理，4个调整电阻R11～R44和4个模拟开关S1D1～S4D4组成的无源电阻网络来实现光谱信号的变增益控制；经过红外探测器光电转换的电信号在每个波段的光谱信号处理时首先通过所述的4个调整电阻和4个模拟开关，针对信号的幅值通过程序控制模拟开关的通断状态实时调整各个波段信号的增益参数，调整后的信号再经过低通滤波处理送后级的相敏处理检波模块(4)；所述的4个调整电阻和4个模拟开关实现的变增益级数为16种。

2.一种基于权利要求1所述一种提升凝视型红外光谱仪工作效率的变增益控制系统的变增益控制方法，其特征在于方法如下：所述的工作效率提升与光谱仪相邻波段间输出信号幅度的差异有关，其幅度差异是信号稳定建立时间为T，采用变增益控制处理后送入锁相放大器的幅度差异是信号稳定建立时间为T’，那么凝视型红外光谱仪的探测效率可以提升T/T’倍。