CN108895925B - 红外探测器信号处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外探测器信号处理装置,其包括:前置放大电路,用于接收红外探测器产生的脉冲电流并将脉冲电流转换为脉冲电压信号;双微分电路,连接前置放大电路,用于将脉冲电压信号转换为利于分析的双微分信号;自动增益电路,连接双微分电路,用于将双微分信号进行增益放大处理得到用于传递至导弹导引头的控制器的输出信号;偏移消除电路,位于自动增益电路的输入端与输出端之间,用于消除自动增益电路信号处理过程中的零点偏移。本发明扩大了输出信号的动态范围并防止信号幅值提前饱和,且滤除了噪声和杂波,方便导弹导引头的控制器提取目标特征,利于增强红外探测器信号抵抗外界传导影响和/或电磁干扰。
Description
技术领域
本发明涉及空空导弹控制领域,特别地,涉及一种红外探测器信号处理装置。
背景技术
红外空空导弹是现代空军战机的一种主要近战武器,其中,红外探测器作为其关键元件,对红外辐射敏感,可以将目标像点红外辐射能量转变成交变电信号输出,信号中包含了红外目标的特征(大小、形状)、距离、方位等关键信息可以用于导弹制导。不同于红外凝视成像探测器依赖于图像处理算法来获取这些信息,还有一类相对简单的L型或十字型等多元红外探测器更多地依靠后期的信号处理电路来获取目标特征信息和位置信息。
在多元探测器的实际应用中,每一元探测器臂都是一个独立的、对红外辐射敏感的光电二极管。为了把所有的光电二极管都利用起来,红外目标像点通常被设计为在成像平面上旋转扫描。当像点扫过这些多元探测器的瞬间,红外辐射的改变会形成脉冲电流,经过前置放大电路后就变成了脉冲电压信号,这就是最原始的红外目标信号。但是这样的原始信号用于直接提取目标特征信息是很困难的,而且由于背景干扰或者云团等假目标引起的干扰也很难鉴别和滤除。与此同时,作为微弱信号,原始红外信号对电磁干扰非常敏感,任何微小的干扰脉冲的进入都会影响到后续的红外信号处理。因此,亟需设计一种信号处理装置,以有效滤除电磁或者背景干扰、强化目标特征。
发明内容
本发明提供了一种红外探测器信号处理装置,以解决现有的红外探测器的原始红外信号容易受到背景干扰、电磁干扰导致目标特征提取不准确的技术问题。
本发明采用的技术方案如下:
一种红外探测器信号处理装置,其包括:
前置放大电路,用于接收红外探测器产生的脉冲电流并将脉冲电流转换为脉冲电压信号;
双微分电路,连接前置放大电路,用于将脉冲电压信号转换为利于分析的双微分信号;
自动增益电路,连接双微分电路,用于将双微分信号进行增益放大处理得到用于传递至导弹导引头的控制器的输出信号;
偏移消除电路,位于自动增益电路的输入端与输出端之间,用于消除自动增益电路信号处理过程中的零点偏移。
进一步地,前置放大电路采用反相比例放大电路,包括第一运算放大器,第一运算放大器的同相输入端设置与红外探测器的伏安特性对应的负向偏压,反相输入端连接红外探测器,用于接收红外探测器产生的脉冲电流,第一运算放大器的反相输入端与输出端之间还并联设置用于滤波的第一电容和用于调节增益的第一电阻。
进一步地,双微分电路包括第二运算放大器、第三运算放大器,第二运算放大器和第三运算放大器的同相输入端均接地,前置放大电路的输出端经第二电阻、第二电容连接第二运算放大器的反相输入端,第二运算放大器的反相输入端与输出端之间并联设置第三电阻、第三电容;第二运算放大器的输出端经第四电阻、第四电容连接第三运算放大器的反相输入端,第三运算放大器的反相输入端与输出端之间并联设置第五电阻、第五电容。
进一步地,前置放大电路输出的脉冲电压信号为负脉冲电压信号,双微分信号为包括单波峰、双波谷的信号。
进一步地,自动增益电路为两级放大电路,包括第四运算放大器、第五运算放大器,第四运算放大器的反相输入端经第六电阻连接双微分电路的输出端、同相输入端经第七电阻接地,第四运算放大器的输出端经第八电阻连接第五运算放大器的反相输入端,第五运算放大器的同相输入端经第九电阻接地,第四运算放大器的反相输入端与输出端之间设置第一增益电阻,第五运算放大器的反相输入端与输出端之间设置第二增益电阻。
进一步地,第一增益电阻和/或第二增益电阻采用数字电位计,数字电位计经总线连接至导弹导引头的控制器,以对输出信号的幅值形成闭环控制。
进一步地,偏移消除电路包括比较器和积分器,用于将自动增益电路的输出信号经过比较器、积分器后得到的直流电压再补偿到自动增益电路的输入端,从而消除自动增益电路的零点漂移。
进一步地,信号处理装置上设置用于屏蔽外部电磁干扰的屏蔽机构。
进一步地,屏蔽机构包括设置于信号处理装置的电路板底层的接地覆铜层、对应于前置放大电路和双微分电路的第一屏蔽盒、对应于自动增益电路和偏移消除电路的第二屏蔽盒。
进一步地,信号处理装置的输入端经屏蔽电缆连接红外探测器,和/或
信号处理装置的电源端经π型滤波接地,和/或
信号处理装置的输出信号经跟随电路隔离后输出至导弹导引头的控制器。
本发明具有以下有益效果:
本发明红外探测器信号处理装置,通过前置放大电路将红外探测器产生的脉冲电流转换为脉冲电压信号,且通过双微分电路转换得到双微分信号,并经带有漂移消除电路的自动增益电路对双微分信号进行放大处理,扩大了输出信号的动态范围并防止信号幅值提前饱和,且滤除了噪声和杂波,方便导弹导引头的控制器提取目标特征,利于增强红外探测器信号抵抗外界传导影响和/或电磁干扰。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图,对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是本发明优选实施例红外探测器信号处理装置的原理方框示意图;
图2是本发明优选实施例中前置放大电路的电路示意图;
图3是本发明优选实施例中双微分电路的电路示意图;
图4是本发明优选实施例中双微分电路前、后信号波形示意图;
图5是本发明优选实施例中自动增益电路的电路示意图;
图6是本发明优选实施例中偏移消除电路的电路示意图;
图7是本发明优选实施例中屏蔽机构设计的侧视示意图;
图8是图7的俯视示意图;
图9是本发明优选实施例中电源π型滤波的电路示意图;
图10是本发明优选实施例中输出信号跟随电路的电路示意图。
附图标记说明:
10、前置放大电路;
20、双微分电路;
30、自动增益电路;
40、偏移消除电路;
50、电路板;51、顶层信号层;52、中间电源层;53、中间信号层;54、底层接地层;
60、第一屏蔽盒;
70、第二屏蔽盒;
80、红外探测器。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1,本发明的优选实施例提供了一种红外探测器信号处理装置,其包括:
前置放大电路10,用于接收红外探测器80产生的脉冲电流并将脉冲电流转换为脉冲电压信号;
双微分电路20,连接前置放大电路10,用于将脉冲电压信号转换为利于分析的双微分信号;
自动增益电路30,连接双微分电路20,用于将双微分信号进行增益放大处理得到用于传递至导弹导引头的控制器的输出信号;
偏移消除电路40,位于自动增益电路30的输入端与输出端之间,用于消除自动增益电路30信号处理过程中的零点偏移。
本实施例信号处理装置,通过前置放大电路将红外探测器产生的脉冲电流转换为脉冲电压信号,且通过双微分电路转换得到利于更好分析脉冲的幅值、脉宽、上升/下降速率的双微分信号,并经带有漂移消除电路的自动增益电路对双微分信号进行放大处理,扩大了输出信号的动态范围并防止信号幅值提前饱和,且滤除了噪声和杂波,方便导弹导引头的控制器提取目标特征,利于增强红外探测器信号抵抗外界传导影响和/或电磁干扰。
参照图2,本实施例中,前置放大电路10采用反相比例放大电路,包括第一运算放大器N1,第一运算放大器N1的同相输入端设置与红外探测器的伏安特性对应的负向偏压-Vbias,反相输入端连接红外探测器,用于接收红外探测器产生的脉冲电流,第一运算放大器N1的反相输入端与输出端之间还并联设置用于滤波的第一电容C1和用于调节增益的第一电阻R1。本实施例中,红外探测需要一个负向偏压-Vbias才能正常工作,-Vbias的具体值选择取决于红外探测器的伏安特性曲线,来保证产生的电流脉冲与红外辐射能量有线性关系同时不会产生较大暗电流噪声。电阻R1决定了第一级前置放大电路的增益,电容C1用于滤除高频率噪声。
参照图3,本实施例中,双微分电路20包括第二运算放大器N2、第三运算放大器N3,第二运算放大器N2和第三运算放大器N3的同相输入端均接地,前置放大电路10的输出端经第二电阻R2、第二电容C2连接第二运算放大器N2的反相输入端,第二运算放大器N2的反相输入端与输出端之间并联设置第三电阻R3、第三电容C3;第二运算放大器N2的输出端经第四电阻R4、第四电容C4连接第三运算放大器N3的反相输入端,第三运算放大器N3的反相输入端与输出端之间并联设置第五电阻R5、第五电容C5。
当有红外目标出现在导弹视场内时,前置放大电路10的输出的脉冲电压信号是负向偏移的负脉冲电压信号。针对不同特征的目标像点,产生脉冲的宽度、幅值、上升/下降速率是不同的。本实施例中,双微分电路20可以将负脉冲电压信号转变成单波峰、双波谷的双微分信号,从而更方便导引头的控制器对信号特征进行提取处理。同时,双微分电路也有带通滤波的功能,可以滤除直流成分以及高频干扰、噪声。电路中电阻R2~R5、电容C2~C5的值选择,也就是其带通滤波的频率范围的设计取决于目标像点在成像平面的扫描速度以及像点扫描探测器臂时脉冲信号的上升/下降速率。其具体电路见图3,双微分电路的输入、输出信号波形见图4。双微分之后,可以获取信号两个波谷的幅值、脉宽,波峰的幅值、脉宽,比起单独一个负脉冲,导引头控制软件中的信号检波算法就更容易实现了,从而利于简化导引头控制器上的信号检波程序设计。
参照图5,本实施例中,自动增益电路30为两级放大电路,包括第四运算放大器N4、第五运算放大器N5,第四运算放大器N4的反相输入端经第六电阻R6连接双微分电路20的输出端、同相输入端经第七电阻R7接地,第四运算放大器N4的输出端经第八电阻R8连接第五运算放大器N5的反相输入端,第五运算放大器N5的同相输入端经第九电阻R9接地,第四运算放大器N4的反相输入端与输出端之间设置第一增益电阻,第五运算放大器的反相输入端与输出端之间设置第二增益电阻。
本实施例中,前置放大电路10及双微分电路20中实际信号波形都是毫伏级(mV)的弱信号,要将其进一步放大到伏级(V)的最终信号波形,这个步骤的信号处理既要保证信号波形在正、负供电电源范围内足够大以方便采样,又要防止信号幅值提前饱和导致信号部分特征丢失。因此,自动增益电路30是由数字电位器和运放共同组成的两级放大电路。优选地,第一增益电阻和/或第二增益电阻采用数字电位计,数字电位计经总线连接至导弹导引头的控制器,以对输出信号的幅值形成闭环控制。参见图5,本实施例中,第一增益电阻、第二增益电阻均为数字电位计,数字电位计通过SPI总线控制其阻值,这样导引头的控制器就可以动态的调整放大电路增益值保证信号波形始终满足要求。SPI总线连接到导引头的控制器芯片,使控制器可以根据输出信号的信号幅值大小控制增益值,从而形成一个幅值闭环。
本实施例中,信号波形经过双微分电路后其直流偏移成分应该已被滤除,经过自动增益电路后进一步放大后,输出信号应该在没有目标信号波形时保持在0V。但是,由于器件的实际值与理想状态的差异,双微分电路后的信号波形其常态并不是0V,这个零点的漂移经过自动增益电路后会被放大到更明显,严重影响到后续软件中的信号检波算法。优选地,本实施例中,设计一个偏移消除电路40,将自动增益电路的输出经过比较器、积分器后得到的直流电压再补偿到自动增益电路的输入端,从而消除其零点漂移,电路图见图6。
优选地,本实施例中,信号处理装置上设置用于屏蔽外部电磁干扰的屏蔽机构。
对红外探测器来说,红外辐射照射导致的电流脉冲是微安μA级的,即使经过前置放大电路和双微分电路,信号波形也只是毫伏mV级,这种微弱信号对外部噪声、干扰非常敏感,需要专门设计的屏蔽方式来保护其免受外部电磁干扰的影响。探测器电缆采用屏蔽电缆,当探测器通过电缆连接到信号处理装置后,信号处理装置需要被屏蔽盒包裹来抵抗电磁干扰。如图1所示,实际上屏蔽空间被划分成了两部分,第一屏蔽盒60包围了前置放大电路和双微分电路(信号为mV级),第二屏蔽盒70包围了自动增益电路和漂移消除电路(信号为V级),这样划分可以保证强、弱信号的分离,避免互相之间的影响。
优选地,屏蔽盒利用了电路印制板上敷铜层来降低加工和装配的难度。本实施例中,参见图7和图8,信号处理装置的电路板50为四层印制板,不同于常见的顶层和底层为信号层、两个中间层为电源和地的分层方式,本实施例中,设计其中一个中间层为信号层,利用底层接地,而且利用底层的接地敷铜层来和屏蔽盒共同组成密闭的屏蔽空间,从而避免了电磁辐射的干扰。
优选地,针对传导类型的电磁干扰,本实施例还对信号处理装置的供电电源、输入/输出信号采取保护措施。本实施例中,信号处理装置的输入端经屏蔽电缆连接红外探测器,和/或信号处理装置的电源端经π型滤波接地,和/或信号处理装置的输出信号经跟随电路隔离后输出至导弹导引头的控制器。
优选地,信号处理装置被单独分配一个接地回路,其地线被直接连接到导引头的地线汇流排,从而避免导引头其他电路地线上电流波动影响到信号处理装置。所有提供到信号处理装置的电源Vs都经过了如图9所示的π型滤波,滤除高频噪声、降低纹波、抑制干扰从而提供给信号处理装置相对纯净的供电电源Vs_D。所有的输出信号都增加了跟随电路(参见图10)来进行隔离,降低输出信号上可能受到的干扰对信号处理装置的影响。输入信号的线缆被设计成尽可能的短,并给输入信号增加了低通滤波或者串联了限流电阻来尽可能降低外部干扰对信号处理装置的影响。
本实施例信号处理装置针对红外非成像多元探测器的信号处理,通过设计双微分电路将原本由目标红外辐射引起的脉冲信号转变为两个波谷、一个波峰的双微分信号,这样更方便导引头控制软件对信号特征进行提取;通过应用数字电位计搭建的自动增益电路来保证最终输出的信号足够大又不会很快幅值饱和,保证信号有足够的动态范围;通过改变传统四层印制电路板的分层方式,中间层为一个信号层和一个电源层,利用底层的接地覆铜和屏蔽盒来组成屏蔽空间,并根据信号的强弱将屏蔽空间分成了各自对立的两部分,来满足信号处理装置抗干扰性能的要求。且本实施例红外探测器信号处理装置成功应用在某型空空导弹训练弹导引头上,经过试验验证,能够满足性能指标要求,其能够提供易处理、低噪声、抗干扰的信号波形给导引头数字控制核心做进一步的目标波形检波算法处理。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种红外探测器信号处理装置,其特征在于,包括:
前置放大电路(10),用于接收红外探测器产生的脉冲电流并将所述脉冲电流转换为脉冲电压信号;
双微分电路(20),连接所述前置放大电路(10),用于将所述脉冲电压信号转换为利于分析的双微分信号;
自动增益电路(30),连接所述双微分电路(20),用于将所述双微分信号进行增益放大处理得到用于传递至导弹导引头的控制器的输出信号;
偏移消除电路(40),位于所述自动增益电路(30)的输入端与输出端之间,用于消除所述自动增益电路(30)信号处理过程中的零点偏移;
所述前置放大电路(10)采用反相比例放大电路,包括第一运算放大器,所述第一运算放大器的同相输入端设置与所述红外探测器的伏安特性对应的负向偏压,反相输入端连接所述红外探测器,用于接收所述红外探测器产生的所述脉冲电流,所述第一运算放大器的反相输入端与输出端之间还并联设置用于滤波的第一电容和用于调节增益的第一电阻;
所述双微分电路(20)包括第二运算放大器、第三运算放大器,所述第二运算放大器和所述第三运算放大器的同相输入端均接地,所述前置放大电路(10)的输出端经第二电阻、第二电容连接所述第二运算放大器的反相输入端,所述第二运算放大器的反相输入端与输出端之间并联设置第三电阻、第三电容;所述第二运算放大器的输出端经第四电阻、第四电容连接所述第三运算放大器的反相输入端,所述第三运算放大器的反相输入端与输出端之间并联设置第五电阻、第五电容;
所述自动增益电路(30)为两级放大电路,包括第四运算放大器、第五运算放大器,所述第四运算放大器的反相输入端经第六电阻连接所述双微分电路(20)的输出端、同相输入端经第七电阻接地,所述第四运算放大器的输出端经第八电阻连接所述第五运算放大器的反相输入端,所述第五运算放大器的同相输入端经第九电阻接地,所述第四运算放大器的反相输入端与输出端之间设置第一增益电阻,所述第五运算放大器的反相输入端与输出端之间设置第二增益电阻;
所述偏移消除电路(40)包括比较器和积分器,用于将所述自动增益电路(30)的输出信号经过所述比较器、所述积分器后得到的直流电压再补偿到所述自动增益电路(30)的输入端,从而消除所述自动增益电路(30)的零点漂移。
2.根据权利要求1所述的红外探测器信号处理装置,其特征在于,
所述前置放大电路(10)输出的所述脉冲电压信号为负脉冲电压信号,所述双微分信号为包括单波峰、双波谷的信号。
3.根据权利要求1所述的红外探测器信号处理装置,其特征在于,
所述第一增益电阻和/或所述第二增益电阻采用数字电位计,所述数字电位计经总线连接至导弹导引头的控制器,以对所述输出信号的幅值形成闭环控制。
4.根据权利要求1所述的红外探测器信号处理装置,其特征在于,
所述信号处理装置上设置用于屏蔽外部电磁干扰的屏蔽机构。
5.根据权利要求4所述的红外探测器信号处理装置,其特征在于,
所述屏蔽机构包括设置于所述信号处理装置的电路板底层的接地覆铜层、对应于所述前置放大电路(10)和所述双微分电路(20)的第一屏蔽盒(60)、对应于所述自动增益电路(30)和所述偏移消除电路(40)的第二屏蔽盒(70)。
6.根据权利要求1至5任一所述的红外探测器信号处理装置,其特征在于,
所述信号处理装置的输入端经屏蔽电缆连接所述红外探测器,和/或
所述信号处理装置的电源端经π型滤波接地,和/或
所述信号处理装置的输出信号经跟随电路隔离后输出至导弹导引头的控制器。
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