空間探測紅外光譜儀信號處理技術(shù)
引言 對空間目標(biāo)的紅外輻射特性的研究是對空間目 標(biāo)進(jìn)行識別、獲取空問目標(biāo)信息的基礎(chǔ)技術(shù)之一。通 過紅外輻射譜的測量，可以獲得目標(biāo)的溫度，目標(biāo)有 效輻射面積，目標(biāo)紅外輻射譜特性等重要參數(shù)，對于 發(fā)展我國空間技術(shù)有重要的意義【l】。當(dāng)前，空間目標(biāo) 信息獲取的方法主要有電子和光電兩種技術(shù)手段，光 電方面，又分為天基光電測量和地基光電測量兩類。 天基光電探測主要以衛(wèi)星為平臺，如最早的“中段空 間實(shí)驗(yàn)”(MSx)衛(wèi)星。天基探測系統(tǒng)測量精度高， 覆蓋范圍廣，觀測時間靈活，且基本不受大氣輻射與 吸收的影響。但是任務(wù)比較單一，開發(fā)周期長，維護(hù) 困難。地基光電探測系統(tǒng)開發(fā)與維護(hù)方便，可以使用 大型的光學(xué)系統(tǒng)， 如美國的地基電光深空監(jiān)視系統(tǒng) (GEODSS)。作為一個實(shí)驗(yàn)性項(xiàng)目，我們也選用地 基探測系統(tǒng)，采用相應(yīng)處理技術(shù)，對探測原理進(jìn)行摸 索。

1空間探測紅外光譜儀的主要任務(wù)是研究空間目 標(biāo)的紅外輻射特性，研究紅外光譜探測信號處理技 術(shù)，對空間目標(biāo)進(jìn)行捕獲、跟蹤、測量、識別。其主 要難點(diǎn)在于：1)實(shí)時扣除大氣背景輻射，提高系統(tǒng) 信噪比；2)對目標(biāo)進(jìn)行精密跟蹤與定位，保證系統(tǒng) 能實(shí)時捕捉目標(biāo)的光譜信號。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，我們采用 光路差分調(diào)制的方法實(shí)時扣除背景輻射，采用二級跟 蹤方法對目標(biāo)進(jìn)行定位。系統(tǒng)信噪比達(dá)到60 dB，等 效前放噪聲小于3．5 nv／Hz ，光譜儀光譜分辨率僅受 限于光柵的光譜分辨率和探測器的線陣數(shù)目與尺寸。 l 大氣輻射背景的扣除 對于衛(wèi)星等空間目標(biāo)，它在地面測量系統(tǒng)中只是 一個像點(diǎn)，而且有的目標(biāo)輻射變化比較快，因此掃描 式光譜儀并不合適，須采用凝視式輻射譜測量方法。 另外，目標(biāo)輻射和背景輻射在很多情況下差別不大， 為了抑制背景輻射和環(huán)境輻射，應(yīng)該將光學(xué)系統(tǒng)和輻 射譜測量系統(tǒng)置于低溫環(huán)境下【2】。為了提高系統(tǒng)信噪 比，并實(shí)時扣除背景輻射，我們采用光路差分調(diào)制的 方法。在光譜儀中放置兩列線陣探測器，在某一時刻， 一列探測器接受目標(biāo)與背景輻射經(jīng)過光柵分光后的 光譜信號，同時另一列探測器僅接受背景的光譜信 號，兩列探測器之間的信號切換通過振動反射鏡來完 成。其原理如圖1所示。 前半周期 圖1 光路差分調(diào)制原理 振動反射鏡以固定頻率．而在兩個角位置之間來回 振動，假定目標(biāo)的光譜像落在某一探測單元上的強(qiáng)度 為T，紅外背景落在同一探測單元上的強(qiáng)度為G，A 列探測元自身的偏置為DA，響應(yīng)度為 ，B列探測 元自身的偏置量為Da，響應(yīng)度為KB，那么在前半周 期里，A列探測元上入射光強(qiáng)為目標(biāo)加背景， 即T+ G，其輸出信號應(yīng)是： SAI=／CA(T+G)+DA (1) 而在B列探測元上，入射光強(qiáng)值為背景G，其輸 出信號為： sB1=KBG+Da (2) 類似的，在后半周期，目標(biāo)的光譜像T落在B列 探測元上，A列探測元上只是背景G，A，B兩列探 測元上的輸出信號為： SA2=／CAG+DA (3) Sm=KB(T+G)+Da (4) 用A 列探測元信號減去B列探測元信號 =SA 一 ， 可以得到不同時間段里的差分信號。在前半周 期里，差分信號為： SI=SAI一． 1=／CA(T+G)+DA— r(BG一 )B SI=／CAT+(KA-KB)G+(DA-DB) (5) 在后半周期里，差分信號為： = 一 2= G+DA一 (T+G)一DB =一 T+(^，A一 )G+(DA—DB) (6) 從式(5)，式(6)可以看到，它們都有共同的直流項(xiàng)： ． =(^，A一 )G+(DA—DB) (7) 這是由于紅外背景G，兩列探測元響應(yīng)的差(KA - KB)， 以及兩列探測元偏置值的差(DA-DB)而造成 的。此外，還存在著一個交變量，分別是+ T與一 T。 在光譜信號調(diào)制后的前半、后半周期，直流分量 可通過高通濾波電路濾除；+ T與一 T為目標(biāo) 信號的前半周期和后半周期。這樣，差分之后的輸出 204 后半周期 Fig．1 Principle of diferential modulation 響應(yīng)僅與目標(biāo)的輻射譜有關(guān)，可以實(shí)時扣除背景的影 響，獲得精度較高的目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)。而且信號經(jīng)過載 波調(diào)制，而背景信號沒有調(diào)制，這樣可以通過后級的 鎖定放大器進(jìn)一步提高信噪比。

2 信號處理電路設(shè)計 根據(jù)前面的分析，信號處理電路主要完成兩部分 功能，一是完成振動反射鏡反射到探測器的交流信號 的濾波處理及直流恢復(fù)，另外還完成探測器信號的放 大及幅度調(diào)整，將模擬信號的輸出幅度調(diào)整到A／D轉(zhuǎn) 換器所需要的輸入信號幅度范圍。信號處理流程如圖 2 圖2 光譜探測信號處理流程 Fig．2 Signal process flow of spectrum detection 圖2中，前置放大電路將探測器對光信號的響應(yīng)轉(zhuǎn)換 成電壓信號并進(jìn)行放大，差分后的信號經(jīng)過帶通濾波 器再進(jìn)行鎖相放大，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行處理。下面 對各部分電路分別進(jìn)行介紹。

2．1 探測器信號提取方法與前置放大器電路設(shè)計 對于衛(wèi)星等空間目標(biāo)，其表面溫度約為300K到 500K左右，根據(jù)其與太陽角度的關(guān)系而有所變化p】。 對于該溫度范圍內(nèi)的黑體輻射，目標(biāo)光譜輻射通量密 度與溫度的關(guān)系如圖3所示。因此，為了取得較大的 可探測目標(biāo)范圍，我們將探測器的響應(yīng)范圍限制在長 波波段。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用上海技術(shù)物理所研制的l6×2 長波紅外探測器，響應(yīng)波長范圍8¨m～12~tm。 E E ≥ - 翎 衄j 妥 驃 波長，pm 圖3 黑體光譜輻射通量密度與溫度的關(guān)系 Fig．3 Connection between temperature and radiant flux density ofblackbody 該探測器屬于光導(dǎo)型探測器，32個探測單元均為 光導(dǎo)型電阻元件，當(dāng)有一與其波段響應(yīng)對應(yīng)的紅外輻 射投射在光敏元上時，其電導(dǎo)增大，通過偏置電路將 其電導(dǎo)的改變轉(zhuǎn)換成電壓的改變。光導(dǎo)型探測器工作 時需要提供一個恒定的電流源，我們采用如圖4所示 的橋式電路，其中：偏置電源為高精度的穩(wěn)壓源， dct 為探測器控溫點(diǎn)的電阻。 RI=R2，R3mRdet，(Rl>R3) (8) 這種方法電路復(fù)雜，匹配電阻比較麻煩，但采用 儀用差分放大電路，噪聲在運(yùn)放輸入端表現(xiàn)為共模信 號，而儀用放大器對共模信號具有很強(qiáng)的抑制能力， 基本上兩路對稱的噪聲相互抵消，等效輸入到差分放 大器中的噪聲其實(shí)是電源在探測器失配電阻和電阻 誤差上的壓降，其輸入到放大器的等效噪聲比較小， 所以系統(tǒng)設(shè)計中選用該方案。 偏 Il1{瑤 ：。 圖4 偏置及前置放大電路原理圖 Fig．4 Circuits diagram ofbias volmge and preprocess amplifier 探測器前置放大器需要完成微弱信號的放大，電 壓增益很高，其信號的信噪比在整個放大電路中所占 比例最大，所以該級放大器的等效噪聲即為整個電路 的等效輸入噪聲。因此，前置放大器的噪聲決定了電 路噪聲，我們采用BB 公司的儀用差分放大器INA 103，其等效輸入電壓噪聲譜密度Pn≤l nV／Hz ，等 效輸入電流噪聲譜密度I．~<2 pA／Hz¨ ，增益為100時 其3dB帶寬可達(dá)到800kHz。 前置放大器總的噪聲電壓譜密度et由下式給出： et 【en +el +P2 + IRi) +( 2)】“ (9) 式中： l， 2分別為放大器兩輸入端匹配電阻， l≈ R2≈75 Q；el，e2分別為對應(yīng)匹配電阻的熱噪聲，ei =(4KTRf)¨ ； 為環(huán)境溫度，約為300 K。K為波爾 茲曼常數(shù)，K=1．38×10 J／K； ／nl= =厶≤2 pA／Hz¨ 將數(shù)據(jù)代入計算可得前置放大器總的噪聲約 為1．89nV．Hz 。

2．2 濾波與鎖相放大 為濾除前置放大器輸出信號中的直流分量，我們 采用一個三階高通濾波電路，得到比較理想的截止特 性。另外，為了防止高頻噪聲在鎖相放大之前超過噪 聲容限，電路還需要引入一級低通濾波器，低通濾波 器帶寬約為5倍振鏡振動頻率。 風(fēng)速計| 照度計| 噪音計| 輻照計| 聲級計| 溫濕度計| 紅外線測溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計| 露點(diǎn)儀| 亮度計| 溫度記錄儀| 溫濕度記錄儀| 根據(jù)前述分析，濾波之后的有用分量是一個交變 信號：+ T與一 T。采用基于相關(guān)器的鎖定放大 方法提取該交變量，為此振動反射鏡驅(qū)動電路需提供 與振鏡角度同步的信號。同步信號與輸入信號同頻同 相，相乘后經(jīng)過一個積分器。相關(guān)器在各個奇次諧波 附近相當(dāng)于帶通濾波器，在基頻附近的帶寬與積分器 的等效噪聲帶寬對應(yīng)，即 =1／(2RoCo) J。為了抑制 噪聲，應(yīng)該使 越小越好。但 小于信號頻率時， 信號產(chǎn)生失真。故系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)使用截止特性比較 好的高階濾波器，濾波帶寬應(yīng)該同時兼顧信號頻率與 噪聲容限。同時系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)該使調(diào)制信號頻率遠(yuǎn)大 于目標(biāo)信號變化頻率。 為實(shí)現(xiàn)方便，我們用一個開關(guān)電路來近似模擬乘 法器，采用AD公司的平衡調(diào)制解調(diào)器AD630來實(shí) 現(xiàn)，通過它可以從l00dB的噪聲中恢復(fù)出信號。設(shè)同 步信號 f，輸入信號 ，則AD630在相應(yīng)配置下 輸出信號為： = ( ( ~Vrcf < > 。0； 該電路實(shí)現(xiàn)輸入信號與一個±2 V的方波信號的 模擬相乘。

3 目標(biāo)跟蹤與定位 為了跟蹤目標(biāo)，保證目標(biāo)的光譜成像到光譜儀的 入射小孔內(nèi)，系統(tǒng)還需要一個對目標(biāo)進(jìn)行精密跟蹤和 定位的裝置。目前用作空間目標(biāo)跟蹤識別的器件主要 有PSD (Position Sensitive Devices，位置傳感器)， QD (Quadrant Detector， 象限探測器)， 和CCD (Charge．Coupled Device，光電耦合器件)Lz】。我們 采用二級跟蹤的方法對目標(biāo)進(jìn)行定位，首先采用大視 場可見光CCD相機(jī)對空間點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行初步跟蹤與識 別，瞄準(zhǔn)測量點(diǎn)，使目標(biāo)光斑落在四象限探測器的跟 蹤范圍內(nèi)，再采用長波四象限探測器對目標(biāo)光斑位置 進(jìn)行精密測量與調(diào)整。 四象限探測器采用四個探測單元，呈矩形排列。 同樣采用振動反射鏡調(diào)制目標(biāo)信號以濾除背景噪聲， 提高系統(tǒng)信噪比。使用時，入射光信號通過振動反射 鏡調(diào)制，使得目標(biāo)光斑在四象限探測器中心來回振 動，產(chǎn)生出不同的信號波形，通過四象限探測器四個 象元的不同輸出可以得到點(diǎn)源目標(biāo)的位置偏移量，從 而推算出目標(biāo)的位移 】。 當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)對準(zhǔn)目標(biāo)，則目標(biāo)光斑在探測器單元 中心擺動，四個探測元的輸出波形完全對稱，其占空 比為1。若目標(biāo)位置發(fā)生偏移， 目標(biāo)光斑的擺動中心 偏移四象限探測器中心，則每個探測元輸出波形的占 空比將改變。可見波形占空比與目標(biāo)的位置偏移量有 直接的關(guān)系。我們選取輸出信號載頻的基頻分量和二 倍頻分量作為特征量，即提取輸出信號傅立葉變換的 基頻與倍頻系數(shù)，并根據(jù)目標(biāo)光斑位置偏移量和諧波 分量的關(guān)系【4一，檢測出目標(biāo)位移。 實(shí)際系統(tǒng)中，四象限探測器信號處理方法與光譜 探測信號處理方法相同，仍然采用差分放大的方法提 取探測器信號，用鎖定放大器提取基頻分量和二倍頻 分量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好，對于靜態(tài)目標(biāo)微機(jī)采集到數(shù)據(jù) 后經(jīng)過計算得到的位置特征量與實(shí)際位置偏移量呈 良好的線性關(guān)系。

4 結(jié)論 文章介紹了用于空間目標(biāo)探測的紅外光譜儀信 號處理技術(shù)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)取得良好的結(jié)果，采用光路差 分調(diào)制的方法實(shí)時扣除背景紅外輻射，并采用鎖定放 大器進(jìn)行微弱信號的檢測，系統(tǒng)信噪比達(dá)到60(1B， 等效前放噪聲小于3．5 nV／Hz ，光譜儀光譜分辨率僅 受限于光柵的光譜分辨率和探測器的線陣數(shù)目與尺 寸。采用二級跟蹤方法對目標(biāo)像斑進(jìn)行精密跟蹤與定 位，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中對于靜態(tài)目標(biāo)計算得到的位置特征量 與實(shí)際位置偏移量呈良好的線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)果 良好，電路噪聲水平與動態(tài)范圍滿足要求，系統(tǒng)可行。