CN110081984A - 星载红外探测器多路高速信号隔离方法、红外成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于红外信息获取和处理技术领域，公开了一种星载红外探测器多路高速信号隔离方法、红外成像系统；针对星载红外探测器前端高速模拟信号链路主备隔离难题进行优化，采用带使能端的高输入阻抗集成运放进行信号隔离，采用继电器进行电源集中隔离，通过电阻网络提供漏电流泄放路径，最终能以较小的体积实现多路红外探测器前端信号的隔离。采用本发明方法后能有效解决了红外探测器多路信号输出时的隔离问题，避免了采用模拟开关隔离或继电器隔离带来的问题，兼顾了红外探测器前端上百路信号高电磁兼容性、高隔离度、电路小型化的要求，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。

Description

星载红外探测器多路高速信号隔离方法、红外成像系统
技术领域
本发明属于红外信息获取和处理技术领域，尤其涉及一种星载红外探测器多路高速信号隔离方法、红外成像系统。
背景技术
目前，最接近的现有技术：现代红外成像系统的核心器件是焦平面阵列(focalplane array FPA)，包括探测器和信号读出电路。当前星载红外相机中，红外线列探测器一般是8个或16个高速输出抽头，每个抽头读出频率范围一般是1MHz～10MHz，输出的信号为0～5V的模拟信号，相应的信息获取电路往往按通道进行设计，每个高速通道对应完整的信号调理和采集电路。为了满足可靠性和冗余设计要求，往往对信息获取电路进行1:1的备份设计，即电子学通道数达到16或者32个，而探测器组件不进行备份只有1个，对此探测器输出抽头和电子学获取通道需要进行1对2的切换设计，而为了确保信号隔离度，通常的设计上往往采用继电器进行信号冷隔离或者采用模拟开关进行热备份，需要的资源较多。
近几年随着红外遥感技术的发展，红外线列探测器规模急剧膨胀，输出通道数(抽头数)迅速增长，抽头读出频率超过10MHz，面向上百路高速信号，传统的模拟开关或继电器方案布局布线复杂，无法满足电磁兼容性和低噪声性能，且功耗、体积、重量等资源需求会随抽头数增加而急剧增加，如隔离256路信号，则需要128个切换继电器及其驱动电路，而卫星平台资源是极其有限的，因此现有技术路线已经无法满足性能指标，且与平台的资源约束存在矛盾，已制约了红外信息获取和处理技术发展。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术无法满足性能指标，且与平台的资源约束存在矛盾，制约了红外信息获取和处理技术发展。
解决上述技术问题的难度：
受资源约束，传统的备份方案已无法满足大规模红外探测器上百路高速输出信号的隔离需求，而使用复杂的变压器隔离则带宽无法满足且需上百个变压器，无法满足有限资源设计需求，直接使用普通运放则无法达到隔离效果，若主份和备份隔离不良，则容易发生电流倒灌导致系统工作异常。因此要解决上述技术问题，要综合考虑探测器信号驱动能力、带宽、电子学空间资源等问题，传统手段难以同时实现。
解决上述技术问题的意义：
通过本发明解决了空间红外相机大规模红外探测器多路高速信号输出时的隔离问题，避免了采用模拟开关隔离或继电器隔离带来的问题，兼顾了红外探测器前端上百路信号高电磁兼容性、高隔离度、电路小型化的要求，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。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种星载红外探测器多路高速信号隔离方法、红外成像系统。
本发明是这样实现的，一种星载红外探测器多路高速信号隔离方法，所述星载红外探测器多路高速信号隔离方法包括：
首先根据红外探测器信号特性通过电阻网络进行限流和分压；
然后采用带使能端的集成运放进行输入端信号隔离和阻抗变换，并采用继电器进行主份和备份电源集中隔离；
最后通过电阻网络提供漏电流泄放路径，确保电流不倒灌到后级电路；以较小的体积实现多路红外探测器前端信号的隔离。
进一步，所述星载红外探测器多路高速信号隔离方法具体包括：
第一步，分析红外探测器输出的模拟信号特性；
第二步，对所有的信号通道，通过串并电阻网络分别进行限流和分压，输出端分压比大于9:1，下拉端接电阻R设置为3.3KΩ～6.2KΩ，并联电容C设置为2pF～5pF；
第三步，选用带输出使能的运放，搭接成跟随器，输入端接入信号；
第四步，将主份信号通道的所有跟随器供电端合路，设置为VCC1；将备份信号通道的所有跟随器供电端合路，设置为VCC2；VCC1和VCC2之间通过1个继电器或者功率二极管进行电源隔离；
第五步，每路跟随器的输出端接串并联电阻网络，下拉端接电阻R设置为3.3KΩ～6.2KΩ，输出接后级处理电路。
进一步，所述第一步分析红外探测器输出的模拟信号特性，包括输出幅度V、读出频率f、信号带宽BW、负载能力Cload、输出抽头数。
本发明的另一目的在于提供一种基于所述星载红外探测器多路高速信号隔离方法的星载红外探测器多路高速信号隔离装置，所述星载红外探测器多路高速信号隔离装置包括：通道输入电阻网络、通道带输出使能的跟随器、主份和备份运放供电隔离电路、输出电阻网络。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述星载红外探测器多路高速信号隔离方法的红外成像系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：包括通道输入电阻网络、通道带输出使能的跟随器、主份和备份运放供电隔离电路、输出电阻网络四个部分；首先根据红外探测器信号特性通过电阻网络进行限流和分压；接着探测器信号驱动能力较弱，需要通过运放搭接跟随器进行阻抗变换增强驱动能力。本发明采用带使能端的集成运放进行输入端信号隔离，既起到原设计中必要的阻抗变换作用，又提供了信号隔离；并采用继电器进行主份和备份跟随器电源集中隔离；最后通过电阻网络提供漏电流泄放路径，确保电流不倒灌到后级电路；最终以较小的体积实现多达上百路红外探测器前端信号的隔离。
本发明实现了探测器信号主隔离方法，当主份电路工作时，备份电路不通电处于冷备状态，备份电源小于0.3V，未发现信号倒灌。与现有技术相比，本发明的有益效果是：相对于传统采用继电器进行信号隔离或者采用模拟开关进行信号隔离的方法，本发明采用的多路高速信号隔离方法能有效解决了红外探测器多路信号输出时的隔离问题，避免了传统方法中继电器电路庞大、电磁兼容性差带来的问题，也克服了模拟开关温漂大、通道隔离度差、带宽小等缺点，兼顾了红外探测器前端上百路信号高电磁兼容性、高隔离度、电路小型化的要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的星载红外探测器多路高速信号隔离方法流程图。
图2是本发明实施例提供的可扩展的长线列探测器信号主备接口电路框图。
图3是本发明实施例提供的星载4000元长线列红外探测器信息接口电路框图。
图4是本发明实施例提供的星载12000元长线列红外探测器信息接口电路框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术无法满足性能指标，且与平台的资源约束存在矛盾，制约了红外信息获取和处理技术发展的问题。本发明提供了一种星载红外探测器多路高速信号隔离方法，该方法针对星载红外探测器前端高速模拟信号链路主备隔离难题进行优化。采用该方法后能有效解决了红外探测器多路信号输出时的隔离问题，避免了采用模拟开关隔离或继电器隔离带来的问题，兼顾了红外探测器前端上百路信号高电磁兼容性、高隔离度、电路小型化的要求，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。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的星载红外探测器多路高速信号隔离方法包括以下步骤：
S101：分析红外探测器输出的模拟信号特性，包括输出幅度V、读出频率f、信号带宽BW、负载能力Cload、输出抽头数；
S102：对所有的信号通道，通过串并电阻网络分别进行限流和分压，输出端分压比大于9:1，下拉端接电阻R设置为3.3KΩ～6.2KΩ，并联电容C设置为2pF～5pF；
S103：选用带输出使能的运放，搭接成跟随器，输入端接入信号；
S104：将主份信号通道的所有跟随器供电端合路，设置为VCC1；将备份信号通道的所有跟随器供电端合路，设置为VCC2；VCC1和VCC2之间通过1个继电器或者功率二极管进行电源隔离，防止信号电流通过电源端倒灌；
S105：每路跟随器的输出端接串并联电阻网络，下拉端接电阻R设置为3.3KΩ～6.2KΩ，输出接后级处理电路。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
实施例1：根据图3星载4000元长线列红外探测器信息接口电路的设计步骤如下。
S1、分析4000元长线列红外探测器输出的模拟信号特性，输出幅度V为1.0～3.5V，读出频率f为8MHz，信号带宽BW考虑为60MHz，负载能力Cload为10pF，探测器输出抽头数为16个；
S2、对所有16路信号通道，通过串并电阻网络分别进行限流和分压，输出端分压比大于9:1，串联电阻设置为100Ω，下拉端接电阻R设置为5.1KΩ，并联电容C设置为5pF；
S3、选用带输出使能的运放AD8041，+5V供电时输入0～4V，输出满足轨到轨要求，搭接成跟随器，输入端接入信号，主份和备份通道一共需要32片AD8041，搭建32路信号跟随器；
S4、将主份信号通道的所有16路跟随器+5V供电端合路，设置为VCC1；将备份信号通道的所有16路跟随器+5V供电端合路，设置为VCC2；VCC1和VCC2之间通过功率二极管1N7041进行电源隔离，防止信号电流通过电源端倒灌；
S5、32路跟随器的输出端，每路接串并联电阻网络，下拉端接电阻R设置为5.1KΩ，输出串联100Ω电阻接后级处理电路。
实施例2：根据图4星载12000元长线列红外探测器信息接口电路的设计步骤如下。
S1、分析12000元长线列红外探测器输出的模拟信号特性，输出幅度V为2.0～4.0V，读出频率f为16MHz，信号带宽BW考虑为120MHz，负载能力Cload为5pF，探测器输出抽头数为128个；
S2、对所有128路信号通道，通过串并电阻网络分别进行限流和分压，输出端分压比大于9:1，串联电阻设置为22Ω，下拉端接电阻R设置为5.1KΩ，并联电容C设置为5pF；
S3、选用带输出使能的运放AD8041，+5V供电时输入0～4V，输出满足轨到轨要求，搭接成跟随器，输入端接入信号，主份和备份通道一共需要256片AD8041，搭建256路信号跟随器；
S4、将主份信号通道的所有128路跟随器+5V供电端合路，设置为VCC1；将备份信号通道的所有128路跟随器+5V供电端合路，设置为VCC2；VCC1和VCC2之间通过1个继电器2JB5-1进行电源隔离，防止信号电流通过电源端倒灌；
S5、32路跟随器的输出端，每路接串并联电阻网络，下拉端接电阻R设置为5.1KΩ，输出串联22Ω电阻接后级处理电路。
下面结合具体的实验对本发明的应用原理作进一步的描述。
经测试，采用上述方案的电子线路，输入一个1～3.5V的6M正弦波信号测试结果如下表示，满足信号隔离需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种星载红外探测器多路高速信号隔离方法，其特征在于，所述星载红外探测器多路高速信号隔离方法包括：
首先根据红外探测器信号特性通过电阻网络进行限流和分压；
然后采用带使能端的集成运放进行输入端信号隔离和阻抗变换，并采用继电器进行主份和备份电源集中隔离；
最后通过电阻网络提供漏电流泄放路径，确保电流不倒灌到后级电路；以较小的体积实现多路红外探测器前端信号的隔离。
2.如权利要求1所述的星载红外探测器多路高速信号隔离方法，其特征在于，所述星载红外探测器多路高速信号隔离方法具体包括：
第一步，分析红外探测器输出的模拟信号特性；
第二步，对所有的信号通道，通过串并电阻网络分别进行限流和分压，输出端分压比大于9:1，下拉端接电阻R设置为3.3KΩ～6.2KΩ，并联电容C设置为2pF～5pF；
第三步，选用带输出使能的运放，搭接成跟随器，输入端接入信号；
第四步，将主份信号通道的所有跟随器供电端合路，设置为VCC1；将备份信号通道的所有跟随器供电端合路，设置为VCC2；VCC1和VCC2之间通过1个继电器或者功率二极管进行电源隔离；
第五步，每路跟随器的输出端接串并联电阻网络，下拉端接电阻R设置为3.3KΩ～6.2KΩ，输出接后级处理电路。
3.如权利要求2所述的星载红外探测器多路高速信号隔离方法，其特征在于，所述第一步分析红外探测器输出的模拟信号特性，包括输出幅度V、读出频率f、信号带宽BW、负载能力Cload、输出抽头数。
4.一种基于权利要求1所述星载红外探测器多路高速信号隔离方法的星载红外探测器多路高速信号隔离装置，其特征在于，所述星载红外探测器多路高速信号隔离装置包括：通道输入电阻网络、通道带输出使能的跟随器、主份和备份运放供电隔离电路、输出电阻网络。
5.一种应用权利要求1～3任意一项所述星载红外探测器多路高速信号隔离方法的红外成像系统。
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