CN108363445B - 一种信号漂移动态校正方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种信号漂移动态校正方法与装置，采用直流恢复环电路来实现光电探测器前置电路输出、信号放大与调理电路等信号漂移的动态校正，在探测暗目标期间闭合开关S1，对反馈环路执行直流恢复以迫使输出达到设定的低值，再断开开关S1使直流恢复基准点A点电平钳位，采集B点电平即为当前本底数据；再切换至场景目标，输入的场景目标信号将叠加到A点钳位的直流电平上，采集B点电平即为场景目标数据与本底数据之和，减去本底数据即可得到场景目标数据。周期性重复上述操作，即可实现场景目标数据的连续获取。本发明能够抑制本底信号水平、提高信号动态范围，有效提高系统测量精度，特别适合于空间遥感技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及空间遥感技术领域，尤其涉及一种信号漂移动态校正方法与装置。
背景技术
随着空间遥感技术的发展，对辐射计等光电载荷探测精度的需求也在不断提高，但复杂的空间环境是制约这类遥感器性能的主要因素之一。在外空环境下，由于受到温度以及空间射线辐照影响等，由遥感器内的探测器以及电子元器件的参数漂移会引起仪器测量本底的漂移，由此导致测量精度以及动态范围等的退化。为了有效抑制本底及其漂移，传统方法采用在信号放大与调理环节设置减法电路的方式，通过通道模拟信号减去固定电平来“扣除”本底。固定电平通常设为1档或几档，一般在地面测试或实验室定标环节确定。采用这种方法的缺点：一是导致漂移的因素多，地面无法确定并准确模拟；二是档位设置较多会增加系统复杂度，档位较少无法实现精细漂移校正；三是漂移量值不易检测确定，无法准确定档。同时，定档因素难控，无法准确跟踪当前漂移量值，容易出现与实际漂移不一致情况，进而影响测量精度和动态范围的提升效果。因此，需要一种新的方法来提高本底电平及其漂移的抑制水平。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种信号漂移动态校正方法与装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种信号漂移动态校正装置，包括有耦合电容C1、同相放大电路、低通滤波电路、直流恢复电路、采样保持电路、开关S1以及时序控制电路，所述的耦合电容C1的一端连接有光电探测器前置电路输出端，另一端连接同相放大电路的同相输入端，同相放大电路的输出端连接低通滤波电路的输入端，开关S1与直流恢复电路连接，开关S1的另一端连接同相放大电路的输入端，直流恢复电路的另一端连接低通滤波电路的输出端，在开关S1闭合条件下由同相放大电路、低通滤波电路和直流恢复电路构成的负反馈回路为直流恢复环，采样保持电路分别与低通滤波电路的输出端和时序控制电路连接，采样保持电路的输出端还连接有采集电路，所述的时序控制电路还与开关S1连接。
所述的同相放大电路由运算放大器A1、电阻器R1和电阻器R2构成，耦合电容C1连接运算放大器A1的同相端，运算放大器A1的反相输入端分别连接电阻器R1和电阻器R2，电阻器R1的另一端连接到GND，电阻器R2的另一端连接A1的输出端。
所述的低通滤波电路为有源滤波器或者可复位积分低通滤波器。
所述的直流恢复电路有两种电路形式，分别为同相放大与反相放大，直流恢复电路与低通滤波电路的极性相反，以保证直流恢复环为负反馈环路。
所述的直流恢复电路由运算放大器A2、电阻器R3和电阻器R4构成，在同相放大条件下，输入信号连接运算放大器A2的同相输入端，反相输入端分别连接电阻器R3和R4，其中R3的另一端连接直流恢复参考电压Vref，R4的另一端连接运算放大器A2的输出端；在反相放大条件下，输入信号连接电阻器R3，电阻器R3另一端分别连接运算放大器A2的反相端和电阻器R4，电阻器R4的另一端连接运算放大器A2的输出端，运算放大器A2的同相端连接直流恢复参考电压Vref。
所述的开关S1为由信号控制通断的电子开关。
所述的耦合电容C1为非极性或弱极性电容，与同相放大电路的电阻器R1和电阻器R2一起构成高通滤波电路，高通滤波电路的低频截止频率小于有效信号频率下限，即
其中Rin为后级电路的输入阻抗，fL为有效信号的频率下限。
所述采样保持电路可以由采样保持器与保持电容器构成的电路，或者由模拟开关、运算放大器、二极管、电阻器以及保持电容器等构成的电路，其中，保持电容器具备的特征为低漏流、低介质吸收。
时序控制电路可以由逻辑电路或控制器等构成，用于开关的通断控制及采样保持电路的采样/保持控制。
一种信号漂移动态校正方法，具体步骤如下：
光调制器启动旋转或仪器开始扫描，光调制器旋转挡住仪器入光口或仪器扫描至暗参考时，探测器输出变为暗信号，该信号经前置放大后与电容耦合至A点，即本底信号叠加到前一时刻A点的直流电平上，耦合电容与后级运放构成的高通滤波电路的低频截止频率非常低，该电路具有采样保持特性，在挡光或扫描暗参考期间信号在A点保持，经同相放大及低通滤波后得到B点本底信号；当前的本底信号为一定的非零值(或不需要的值)，影响输出信号的动态范围，为提高信号的动态范围，需将无用的本底信号变为接近0值或需要的特定值(比如要求输出不能为负等)，该电路在挡光或仪器对准暗参考期间通过执行直流恢复环可使得无用的本底信号输出接近0值或需要的特定值，具体动作如下：S1开关闭合，B点的本底信号经直流恢复电路与设定的直流恢复参考电压比较并放大差值，放大的输出信号对电容C1充电并改变A点电平，再经同相放大和滤波后即改变B点电平，此环即为直流恢复环，此时B点电平再与直流恢复参考电压比较，如果电平基本相同并使得直流恢复电路输出与当前A点电平相同，则直流恢复环完成并使得S1断开，同时A点得到钳位，此时B点电平与设定的直流恢复参考电压基本相同，如设直流恢复参考电压为地电平，则B点即为接近地电平的值，否则继续执行直流恢复环，直到B点达到直流恢复参考电压值。直流恢复环为负反馈环，环路增益大，直流恢复达到稳定时间短。直流恢复完成后，采集B点电压，即为新的本底信号。当调制设备通光或扫描至场景目标时，探测器输出较暗信号的变化值通过高通滤波电路后叠加于A点保持的直流恢复基准电平上，再完成同相放大和低通滤波后即得到新本底信号与场景目标信号的叠加值，经后级采样保持和采集并与新本底数据做差后即得到场景目标数据。这样循环执行上述操作，即可周期性实现本底信号的动态校正，这样，电路及探测器本身的漂移即可通过直流恢复环达到动态校正的目的。
本发明的优点是：(1)与直接减去固定电平的方式相比，本发明能够跟踪探测器及电子学系统的漂移变化，始终将本底钳位在设定值，能够抑制信号本底及漂移对电子学系统的影响，保证系统动态范围并提高系统测量精度；
(2)本发明不仅能够进行漂移校正，还能够一定程度上抑制电子学系统的1/f噪声；
(3)本底输出可灵活设置，通过设置直流恢复电路的参考电压，可调整本底的输出电平；
(4)通过设置直流恢复电路的参考电压，可实现接近零本底输出，能够最大化系统的动态范围。
附图说明
图1为本发明电路系统的原理框图。
图2为本发明同相放大电路原理图。
图3a和图3b为本发明直流恢复电路原理图(图3a为同相放大条件下直流恢复电路图，图3b为反相放大条件下直流恢复电路图)。
图4a和图4b为光调制设备示意图(图4a为滤光片转轮结构图，图4b为斩波器结构图)。
图5为仪器工作流程示意图。
图6为电路工作时序示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种信号漂移动态校正装置，包括有耦合电容C1、同相放大电路1、低通滤波电路2、直流恢复电路3、采样保持电路4、开关S1以及时序控制电路5，所述的耦合电容C1的一端连接有光电探测器前置电路6，另一端连接同相放大电路1的同相输入端，同相放大电路1的输出端连接低通滤波电路2的输入端，开关S1与直流恢复电路3连接，开关S1的另一端连接同相放大电路1的输入端，直流恢复电路3的另一端连接低通滤波电路2的输出端，在开关S1闭合条件下由同相放大电路1、低通滤波电路2和直流恢复电路3构成的负反馈回路为直流恢复环7，采样保持电路4分别与低通滤波电路2的输出端和时序控制电路5连接，采样保持电路4的输出端还连接有采集电路8，所述的时序控制电路5还与开关S1连接。
如图2所示，所述的同相放大电路1由运算放大器A1、电阻器R1和电阻器R2构成，耦合电容C1连接运算放大器A1的同相端，运算放大器A1的反相输入端分别连接电阻器R1和电阻器R2，电阻器R1的另一端连接到GND，电阻器R2的另一端连接A1的输出端。
所述的低通滤波电路2为有源滤波器或者可复位积分低通滤波器。
如图3a和图3b所示，所述的直流恢复电路3有两种电路形式，分别为同相放大与反相放大，直流恢复电路3与低通滤波电路2的极性相反，以保证直流恢复环7为负反馈环路。
所述的直流恢复电路3由运算放大器A2、电阻器R3和电阻器R4构成，如图3a所示，在同相放大条件下，输入信号连接运算放大器A2的同相输入端，反相输入端分别连接电阻器R3和R4，其中R3的另一端连接直流恢复参考电压Vref，R4的另一端连接运算放大器A2的输出端；如图3b所示，在反相放大条件下，输入信号连接电阻器R3，电阻器R3另一端分别连接运算放大器A2的反相端和电阻器R4，电阻器R4的另一端连接运算放大器A2的输出端，运算放大器A2的同相端连接直流恢复参考电压Vref。
所述的开关S1为由信号控制通断的电子开关。
所述的耦合电容C1为非极性或弱极性电容，与同相放大电路的电阻器R1和电阻器R2一起构成高通滤波电路，高通滤波电路的低频截止频率小于有效信号频率下限，即
其中Rin为后级电路的输入阻抗，fL为有效信号的频率下限。
所述采样保持电路可以由采样保持器与保持电容器构成的电路，或者由模拟开关、运算放大器、二极管、电阻器以及保持电容器等构成的电路，其中，保持电容器具备的特征为低漏流、低介质吸收。
所述时序控制电路可以由逻辑电路或控制器等构成，用于开关的通断控制及采样保持电路的采样/保持控制。
一种信号漂移动态校正方法，具体步骤如下：
步骤一：仪器工作流程如图5所示，光调制设备(如图4a和图4b所示)启动或仪器开始扫描，光调制设备旋转至挡住仪器入光口或仪器扫描至暗参考；
步骤二：开关S1闭合，直流恢复环7构成负反馈，图1中B点电压与直流恢复参考电压比较，差值放大后对耦合电容充放电，改变A点电平，经过同相放大与低通滤波后形成新的B点电压，B点电压再次与直流恢复参考电压比较……直到B点电压接近直流恢复参考电压，开关S1断开，直流恢复结束，此时A点直流恢复基准点钳位并保持；
步骤三：开关S1断开，直流恢复环断开，A点和B点电压保持，采集B点电压即为当前通道输出的本底信号，可多次采集平均以降低采集电路噪声影响，采集的本底数据记为DNi·dark，其中下标i标识第i个采集周期；
步骤四：调制设备通光或仪器扫描至场景目标；
步骤五：采样保持器先跟随B点电压信号，之后信号保持，在信号保持期间后级采集电路采集该信号，根据需要可进行多次采集，采集的数据记为DNi·n，其中下标i表示第i个采集周期，n表示第n次采集的目标场景数据；
步骤六：完成当前采集周期，判断是否结束采集，如果是，则停止采集，如果否，则流程跳转到步骤1，重新开始新一轮采集；
步骤七：信号处理时，将测量的目标场景数据与测量的本底数据做差，即DNi·n-DNi·dark，差值为第i周期扣除本底后的第n个目标场景数据。
总之，按照本实施方式，能够将本底信号钳位到设定值，同时，能够周期性动态校正探测器、电子元器件等产生的漂移，最终实现信号动态范围以及测量精度的提高。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
显然，以上实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种信号漂移动态校正装置，其特征在于：包括有耦合电容C1、同相放大电路、低通滤波电路、直流恢复电路、采样保持电路、开关S1以及时序控制电路，所述的耦合电容C1的一端连接有光电探测器前置电路输出端，另一端连接同相放大电路的同相输入端，同相放大电路的输出端连接低通滤波电路的输入端，开关S1与直流恢复电路连接，开关S1的另一端连接同相放大电路的输入端，直流恢复电路的另一端连接低通滤波电路的输出端，在开关S1闭合条件下由同相放大电路、低通滤波电路和直流恢复电路构成的负反馈回路为直流恢复环，采样保持电路分别与低通滤波电路的输出端和时序控制电路连接，采样保持电路的输出端还连接有采集电路，所述的时序控制电路还与开关S1连接；
所述的同相放大电路由运算放大器A1、电阻器R1和电阻器R2构成，耦合电容C1连接运算放大器A1的同相端，运算放大器A1的反相输入端分别连接电阻器R1和电阻器R2，电阻器R1的另一端连接到GND，电阻器R2的另一端连接A1的输出端；
所述的直流恢复电路由运算放大器A2、电阻器R3和电阻器R4构成，在同相放大条件下，输入信号连接运算放大器A2的同相输入端，反相输入端分别连接电阻器R3和R4，其中R3的另一端连接直流恢复参考电压Vref，R4的另一端连接运算放大器A2的输出端；在反相放大条件下，输入信号连接电阻器R3，电阻器R3另一端分别连接运算放大器A2的反相端和电阻器R4，电阻器R4的另一端连接运算放大器A2的输出端，运算放大器A2的同相端连接直流恢复参考电压Vref；
所述的耦合电容C1为非极性或弱极性电容，与同相放大电路的电阻器R1和电阻器R2一起构成高通滤波电路，高通滤波电路的低频截止频率小于有效信号频率下限，即
其中Rin为后级电路的输入阻抗，fL为有效信号的频率下限；
当光电检测器扫描至暗参考时，获取本底信号；当光电检测器扫描场景目标时，获取目标场景数据。
2.根据权利要求1所述的一种信号漂移动态校正装置，其特征在于：所述的低通滤波电路为有源滤波器或者可复位积分低通滤波器。
3.根据权利要求2所述的一种信号漂移动态校正装置，其特征在于：所述的直流恢复电路有两种电路形式，分别为同相放大与反相放大，直流恢复电路与低通滤波电路的极性相反，以保证直流恢复环为负反馈环路。
4.根据权利要求1所述的一种信号漂移动态校正装置，其特征在于：所述的开关S1为由信号控制通断的电子开关。
5.一种信号漂移动态校正方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：光电探测器周期性扫描或切换暗目标与场景目标；
步骤二：在探测暗目标期间闭合开关S1，直流恢复环构成负反馈，光电探测器输出变为暗信号，该信号经光电探测器前置电路和耦合电容C1后至A点，经同相放大电路和低通滤波电路后得到B点本底信号；B点电压与直流恢复参考电压比较，差值放大后对耦合电容C1充放电，改变A点电平，经过同相放大与低通滤波后形成新的B点电压，B点电压再次与直流恢复参考电压比较，重复循环上述操作，直到B点电压接近直流恢复参考电压，开关S1断开，直流恢复结束，此时A点直流恢复基准点钳位并保持，其中A点为同相放大电路与开关S1的连接点，B点为直流恢复电路与低通滤波电路的连接点；
步骤三：开关S1断开，直流恢复环断开，A点和B点电压保持，采集B点电压即为当前通道输出的本底信号值；
步骤四：在探测场景目标期间，采样保持电路先跟随B点电压信号，之后信号保持，在信号保持期间采集电路采集该信号得到场景目标数据；
步骤五：完成当前采集周期，判断是否结束采集，如果是，则停止采集，如果否，则流程跳转到步骤一，重新开始新一轮采集；
步骤六：信号处理时，将步骤四中测量的目标场景数据与步骤三测量的本底数据做差；
步骤七：循环执行步骤一至步骤六，即可周期性实现信号漂移的动态校正。
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