一种基于红外焦平面探测器的干涉图数据采集读出系统的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种信号采集系统，具体涉及一种基于红外焦平面探测器的干涉图数据采集读出系统。

背景技术：
：

系统的基本探测原理是傅里叶光谱探测，即利用迈克尔逊干涉仪原理，对被测目标的干涉信号按照等光程差进行采样，然后把干涉光强信号进行傅里叶变换，从而得到被观测目标的光谱。干涉信号是干涉仪产生的，系统基本组成为探测器、干涉系统以及光学系统。红外波段的探测器还需要工作在低温环境，地面工作时需要使用杜瓦加液氮制冷。同时还需要激光器，激光通过干涉系统产生等光程差参考信号，此信号为采样同步信号。

本系统的干涉仪是采用迈克尔逊干涉仪结构，通过往复移动的动镜和固定不动的定镜以及分光镜和反射镜组成的光学系统产生干涉信号，这里动镜是通过动镜运动控制盒控制电机使其进行匀速运动的。

基于干涉原理的探测方法的不足之处就是探测所需要的时间较长，只有获取完整的一幅干涉图，才能进行光谱反演，继而获得被测目标的光谱信息。而基于焦平面探测技术，在一次干涉图形成过程中，可以同时获得来自成百上千个像元的干涉图，可大大提高探测效率，对规定范围的探测，配以高分辨率光学系统，能实现更高空间分辨率的探测。

干涉信号获取系统主要是完成干涉图信号的采样和相关处理，这些信号获取和处理除了受到信号本身的特性，比如动态范围、信号噪声水平等限制，同时还受到光程差时间间隔限制，数据的调理、采集、传输、存储都需要一个等光程差间隔内完成。

傅里叶光谱探测最初应用在化学分析领域，随着傅里叶变换光谱仪理论体系的成熟，在天文和大气科学领域的应用也引起广泛重视。当前傅里叶变换光谱仪在气象遥感上的应用已经成为一种趋势。星载大气垂直探测仪是气象卫星上搭载的主要红外遥感仪器之一。

美国自二十世纪六十年代就开始研制空间干涉光谱探测装置。以干涉仪为分光手段的大气探测仪早在上世纪70年代前后就在“雨云”试验卫星上搭载过。几十年来，美国、欧洲和日本等国研制了多种空间高光谱分辨率大气探测仪器。这些研究项目中，大部分的主要目的是探测化学成分(例如臭氧温室气体等)主要为环境服务，例如mipas、tes等。另一部分主要服务于气象，如gifts、cris和iasi等。服务于气象的干涉仪研究项目中最具有代表性的是：its、ghis、gifts、cris和isai。前四个项目是美国的，最后一个项目iasi是法国的。its是雨云卫星上干涉探测研究的继续，后来发展成为cris。cris和iasi都工作在极轨轨道上，cris最高光谱分辨率达到0.6波数左右，iasi最高光谱分辨率达到0.35波数左右。ghis和gifts的研究是服务于静止轨道气象卫星。在这些干涉式大气探测研究项目中，gifts作为静止轨道大气探测项目，是目前最为先进的大气垂直探测仪。

自从二十世纪七十年代以来，国内几家科研机构进行的干涉仪研究工作为：西安光机所的环境卫星，波段为可见光到近红外；上海技术物理研究所在这方面的工作主要为研究波段3～15um，即中波、长波红外波段。

2016年下半年我国发射的风云四号气象卫星搭载的大气垂直探测仪为中波32*4光伏型红外焦平面探测器，长波32*4光导型红外焦平面探测器，是我国首次将用于红外干涉信号探测的焦平面探测器用于星上使用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于红外焦平面探测器在等光程差条件下采样的干涉信号获取电路，实现同时获得32*32幅干涉图信号，解决以前干涉探测效率低的问题，提高探测时间分辨率。

数据采集系统包括几个部分。第一部分是探测器接口处理模块(一级调理)，由参考源、电阻分压网络、滤波电容、跟随器以及滤波器组成；第二部分是探测器信号校正模块(二级调理)，由高速低噪声的运算放大器电路和电阻电容组件的滤波电路以及比较器组成；第三个部分是fpga时序控制及采集模块，通过高速fpga高速、锁存器、高速运算放大器和16位高速ad转换芯片以及电阻电容搭建而成。第四部分是电源模块，通过电源转换芯片搭建而成。第五个部分是数据处理模块，使用c语言在visualstudios2010平台上编译实现。

下面描述电路的工作流程

上电顺序：依次将将激光器电源和激光器前方电源打开，然后模拟电源，数字电源，动镜电机，pcie采集卡电源上电。

断电顺序：依次断开pcie采集卡电源、动镜电源、数字电源、模拟电源、激光器前方电源和激光器电源。

打开动镜电机电源后，观察到动镜匀速做往复运动且检测到发出的匀速信号，说明启动正常。

将黑体放置在探测器的光路入口(不放置黑体也可以测量室温下的情况)，打开pcie采集程序，输入采集图像数，观察动镜运动位置，或者观察动静匀速区信号，在动镜移动到一边准备返回时开始采样，采样完成后点任意键退出。

系统电源按照顺序开启后，电源开始给各个模块供电，其中±6.5v的模拟电源直接给探测器信号校正模块和探测器接口处理模块的电路供电；在探测器信号校正模块中±6.5v通过电压转换芯片产生+3.3v电压电源再通过信号线传输到fpga时序控制及采集模块给电路供电。

5v的数字电源给fpga时序控制及采集模块，通过电压转换芯片产生3.3v的电压给电路供电；同时也通过fpga时序控制及采集模块间接传输到探测器接口处理模块直接通过板级走线给探测器供电。

这里在fpga时序控制及采集模块中由±6.5v的模拟电源转换的模拟3.3v是给运算放大器供电，由5v数字电源转换的数字3.3v是给a\d芯片、锁存器以及转换成数字1.2v后给fpga供电的。

系统开始工作后，fpga时序控制及采集模块首先接收到动镜运动控制盒发出的匀速信号、方向信号以及采样信号，再通过vhdl编译而成的程序产生满足探测器工作需求的时序信号。

这些时序信号通过电缆线和探测器接口处理模块连接然后直接传输到探测器中时序引脚上。

探测器接受到正确的时序信号后，会输出模拟信号并通过探测器接口处理模块的滑动变阻器、电容等器件对其进行偏置调正，使其达到最佳状态，然后将干涉信号通过端口传出。

干涉信号通过差分传输线传输到下一级探测器信号校正模块通过运算放大器和电阻电容组件的滤波电路以及比较器，对信号进行滤波和动态范围的调正，使输入信号满足ad转换模块的输入需求。完成信号校正后信号通过同轴电缆输入fpga时序控制及采集模块，先通过高速全差分低噪声运算放大器将单端信号转换成差分信号，再通过高速16位ad转换芯片将模拟信号转换成数字信号，并通过锁存器和fpga的时序控制将数据送入pcie-7350高速数字采集卡中，通过位机的数据处理模块，将数据实时采集下来。

有益效果

该基于红外焦平面探测器的干涉图数据采集读出系统能够有效地完成大面阵的中长波焦平面探测器的读出以及采集功能，采集数据的信噪比以及抗干扰能力高。对未来大面阵长波焦平面探测器的广泛运用提供了基础。

附图说明

图1是干涉仪系统的示意图。

图2是采集系统的系统框图。

图3是fpga数字调理模块的系统框图。

图4是探测器接口接口处理模块的系统框图。

图5是探测器信号校正模块的系统框图。

图6是数据采集软件操作界面。

图7是采集到的干涉图(一元)。

图8是干涉图反演得到的光谱图(一元)。

图9是干涉图反演得到的光谱图(32*32元)。

具体实施方式：

电源模块部分：

数字电路的电源为5v，模拟电路的电源有±6.5v和+3.3v两种，其中+3.3v是经过线性变换器将+6.5v电压变换所得。

数字电路部分为fpga时序控制及采集部分的提供电源。

模拟电路部分为探测器接口处理模块和探测器信号校正模块供电。

在电源模块中选用了linear公司的lm1085cm作为电源调整器，最大输出电流为3a。该调整器具有热关断功能，一旦温度超过165度，调整器将被关断，同时还具有短路保护和安全区域保护。

+3.3v的地线以及偏置电源板的地线在信号调理板进行星型连接，这种布局的目的在于减小地线回路，避免无线干扰耦合到模拟回路，同时，模拟地线与数字地线采用就近连接，避免长线导致的寄生电感、寄生电容引入噪声。

探测器接口接口处理模块：

探测器接口接口处理模块是一个电压偏置电路，由参考源、电阻分压网络、滤波电容、跟随器以及滤波器组成。

探测器接口接口处理模块需要处理3种不同类型的信号，一种是稳定的偏置电压，一种是控制探测器工作的时序还有一种是探测器的输出信号。

对于偏置电压的调节我们通过运算放大器搭建一个加法电路，再用参考源adr4540、滑动变阻器(0～10k)和一个10k电阻构建的分压网络做为加法器的输入，来实现通过滑动变阻器进而调节加法器输入进而调节偏置电压的功能。

参考源使用的是adr4540，这是ad公司(analogdevices)的一款是高精度、低功耗、低噪声基准电压源芯片。

加法电路中的运算放大器使用的是ad公司(analogdevices)的op07芯片。

op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

对于时序信号直接走线连接。

对信号的要求是无失真，高速低噪声，这里选用了低噪声高速运算放大器(德州仪器ti的lm6142)，构建了一个放大倍率为1的跟随器，将前后信号隔离，使得信号高速传输。

由于探测器是单端输出信号，我们使用全差分的高速运算放大器(德州仪器ti的ths4131)将其转换成差分信号提高到下一级探测器信号校正模块的信号输出质量。

探测器信号校正模块：

探测器信号校正模块是由16路运算放大器和电阻电容组件组成的滤波电路再通过16片比较器芯片，对信号进行滤波和动态范围的调正，使输入信号满足ad转换模块的输入需求。

在焦平面探测器中，信号的范围在接近于4～2v的电压范围，这与常规adc的输入范围是不一致的，所以在模拟信号调理电路中，首先要进行信号电平的平移，然后调整探测器输出信号的动态范围和adc输入范围相一致。

先通过运算放大器将从上一级传输过来的差分信号变成单端信号，在用运算放大器构建一个加法电路，用参考源adr4540、滑动变阻器和一个10k电阻构建的分压网络做为加法器的输入，实现信号可调。

模拟信号从探测器接口借口处理模块到探测器信号校正模块采用差分传输接口，这是考虑到了机械位置的因素，信息处理电路与探测器驱动电路板之间需要通过一定长度的电缆连接。

fpga时序控制及采集模块：

fpga时序控制及采集模块是由16路电压偏置电路、单端信号转差分信号芯片、ad转换电路和锁存器与fpga以及pcie7350数字采集模块通过时序调节组合而成的，另外该模块还有一个向探测器接口借口处理模块发送探测器时序的接口。

其中fpga选用的是cyclone3系列的ep3c25q240c8。

在ad转换电路中，选用了linera公司的adc产品lt2203作为模数转换器件，该芯片具有差分输入端，允许信号单端输入，信号输出范围通过外部增益设置引脚pga状态可选，当将pga接地时，ltc2203的输入范围是2.5v，当pga接电源时，输入范围1.677v，通过pga引脚的状态设置adc前端增益，与实际输入的信号范围相匹配。

由于该芯片是差分输入接口，所以对于单端信号需要通过差分驱动芯片进行驱动，这里选用了linera公司的全差分低噪声运算放大器lt1994。

为了使得pcie7350数字采集卡的工作不影响到信号采集的质量，我们使用运算放大器对两者的地回路进行了隔离。

pcie-7350数字采集卡(凌华公司)采用数据与时钟同步的方法完成对干涉图数据的接收。