专利名称：线阵ccd像元级信号增益自补偿方法及补偿电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及线阵CCD输出信号处理领域，具体涉及了一种线阵CCD像元级信号增益自补偿方法和电路实现，使其适用于压力、温度、应カ和位移等低相干干渉传感领域和分光光谱分析领域。
背景技术：
低相干干涉是高精度測量绝对位移的常用方法，其中采用光楔完成光程差空间扫描的解调装置可以获得高精度且稳定的測量，它需要通过CCD器件接收低相干干渉条纹。 通常在低相干干涉系统中，光源发出的光不是均匀分布，中心强而两边弱，因此到达线阵 CCD面上的照度也不均匀，含有位移信息的低相干干涉条纹在照度不均匀的背景信号上随着被测物理量的变换发生平移，因此低相干干涉条纹落在不同照度区域形成的信号对比度不同，信噪比不同，从而影响系统的解调精度。线阵CCD传感器输出的模拟电压与入射光照度、帧转移频率有关，且随着入射光照度的增加而増大，随着帧转移频率的增大而减小。目前调节CCD输出信号电压的方法有两种，一种是通过调节外部光照照度，另ー种是调整CCD的感光时间。其中调节外部光照照度的方法是通过调节光源功率，改变CCD接受的光照照度，从而实现调节CCD输出信号的模拟电压，这种方法受到光源和光路系统光照分布均匀性的限制，无法进行像元级的精细调整。调整CCD感光时间的方法是通过调整CCD的积分时间，使得CCD光敏单元累积电荷，从而改变CCD输出信号的模拟电压，但受CCD转移时钟频率、驱动电路主频的限制，只能对CCD 输出信号增益进行整帧的调整，不能做到按像元的精细调整。
发明内容
本发明的目的在于克服上述方法的不足，提供一种空间型低相干干渉解调系统中的线阵CCD像元级信号増益自补偿方法。根据线阵CCD每个像元的照度调节其动态增益， 得到较强的信号输出，使得对不同照度区域的像元都能充分的利用CCD的动态范围，增强局部信号的对比度，观测到局部区域的细节，提高解调系统的精度。本发明提供的线阵CCD像元级信号増益自补偿方法是在解调系统中硬件部分设有増益自补偿电路。解调系统硬件部分如图2所示，包括CPLD控制电路、线阵CCD、放大滤波电路和数据采集电路，增益自补偿电路连接在线阵CCD与放大滤波电路之间。CPLD控制电路输出线阵CCD的转移时钟、驱动时钟和复位时钟；同时输出同步复位时钟信号到増益自补偿电路， 在每个像元周期同步控制第一模拟开关SI、第二模拟开关S2和数字电位器阻值调节，根据预设的增益參数表格，动态改变增益自补偿电路中运算放大电路的増益，实现每个像元信号增益的独立精细调整。本发明提供的空间型低相干干渉解调系统中线阵CCD像元级信号增益自补偿电路由运算放大器、数字电位器、第一模拟开关SI、第二模拟开关S2以及第ー电阻Rl和第二电阻R2组成。运算放大器的正相输入端接地，反相输入端通过第一电阻Rl连接到线阵CXD信号输出端；运算放大器的反相输入端与输出端之间连接由两个并联支路构成的负反馈电路， 其中一路是第一模拟开关SI与数字电位器R的串联支路；另一路是第二模拟开关S2与第 ニ电阻R2的串联支路，以此形成运算放大电路的负反馈电路。本发明提供的线阵CXD像元级信号増益自补偿方法是第I、解调系统启动前，默认状态设为第一模拟开关SI断开，第二模拟开关S2闭
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ロ o第2、系统启动，线阵CCD的输出信号接到上述增益自补偿电路的输入端，随着解调电路的启动，解调系统的CPLD控制电路输出线阵CCD的转移时钟、驱动时钟和复位时钟， 同时CPLD控制电路输出同步复位时钟给第一模拟开关SI和第二模拟开关S2。第3、线阵CCD在各路时钟的作用下开始输出像元信号，像元信号按时间分为复位信号与有效信号两个部分，线阵CCD不同像元输出的复位信号电压相同，有效信号不同，当复位时钟为高电平吋，线阵CCD复位并输出复位信号，第一模拟开关SI断开，第二模拟开关 S2闭合，第二电阻R2接入到运算放大电路。第4、CPLD根据预先设定的增益參数表格调节数字电位器R的阻值，调节时间小于线阵CXD复位时间，保证线阵CXD输出有效像元信号之前，数字电位器达到稳定状态。当复位时钟为低电平时，线阵CCD输出有效信号，第一模拟开关SI闭合,第二模拟开关S2断开, 数字电位器接入到运算放大电路，有效像元信号增益调整，复位时钟低电平结束，开始下一个像元信号的调整。线阵CCD像元输出信号与复位时钟同歩，CPLD输出同步复位时钟信号到增益自补偿电路，在每个像元周期同步控制第一模拟开关(SI)、第二模拟开关(S2)和数字电位器 (R)的阻值调节，根据预设的增益參数表格，动态改变运算放大电路的増益，实现每个像元信号増益的独立精细调整。线阵CCD像元级信号増益自补偿电路对线阵CCD输出的复位信号和有效信号进行分开调整。线阵CXD复位信号采用统一増益的放大，保证每个像元有效信号基地电压相同， 线阵CCD有效信号进行按像元增益调整，当复位时钟为高电平吋，线阵CCD输出复位信号电
压Vil，通过增益自补偿电路输出信号电压。式中=R1为第一电阻(Rl)的阻
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值，R2为第二电阻(R2)的阻值；当复位时钟为低电平时，线阵C⑶输出有效像元信号电压Vi2，通过增益自补偿电
路输出信号电压= -■-Vi2。式中=R1为第一电阻(Rl)的阻值，R为根据增益參数表格
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调整后的数字电位器的阻值。从而完成线阵CCD像元级增益补偿，使不同照度区域的像元都能充分的利用CCD的动态范围，增强局部信号的对比度，观测到局部区域的细节，提高解调系统的精度。本发明的优点和有益效果空间型低相干干渉解调仪的线阵CCD像元级信号増益自补偿电路实现每个像元信号増益的独立精细调整，能够有效改善光照不均匀对低相干干涉解调精度的影响。
图1为光纤法珀传感的空间型低相干干涉系统的解调装置框图。图2为空间型低相干干涉系统解调电路结构图。图3为线阵CXD像元级增益自补偿电路的原理图。图4为空间型低相干干涉系统背景信号图。图5为空间型低相干干涉系统未经过增益补偿采集到的信号图。图6为空间型低相干干涉系统经过增益补偿电路后采集到的线阵CCD的信号图。图中，I宽带光源，2光耦合器，3光纤F-P传感器，4自聚焦准直透镜，5光楔，6线阵CXD器件。
具体实施例方式实施例附图I是本发明方法涉及的一个基于线阵CCD检测的低相干干涉解调系统装置图，结合外界大气压力的测量，对本方法进行说明。宽带光源I发出的光经光耦合器2入射到光纤F-P传感器3，从传感器3的两个端面发射的光发生近似双光束干涉，光程差为F-P腔长的两倍，腔长随着外界大气压强呈线性变化。被调制过的光信号从光耦合器2的出口导出，通过自聚焦准直透镜4形成能量集中的细光束出射。该细光束透过光楔5完成光程差的扫描，最终投影到线阵CCD 6，线阵CXD 6的有效像元数为3000。光楔5形成光程差扫描，当光楔5引起的光程差和传感器3引起的光程差相匹配时，在线阵CCD 6相应的局部像元处产生低相干干涉条纹。低相干干涉解调系统的解调电路结构如附图2所示，解调电路包括CPLD控制电路、线阵CCD、增益自补偿电路、放大滤波电路和数字采集电路，增益自补偿电路连接在线阵CCD与放大滤波电路之间。其中控制电路CPLD向线阵CCD输出转移时钟(TCLK)、驱动时钟(CRx)和复位时钟(RS)，同时CPLD输出同步复位时钟到增益自补偿电路。在每个像元周期同步控制第一模拟开关SI和第二模拟开关S2，并根据预先设定的增益参数表格调节数字电位器的阻值，动态改变增益自补偿电路的增益，实现像元级信号的增益调整。附图3是线阵CXD增益自补偿电路的原理图。其中包括一个运算放大器，数字电位器，第一模拟开关SI、第二模拟开关S2以及第一电阻Rl和第二电阻R2。运算放大器的正相输入端接地，反相输入端通过第一电阻Rl连接到线阵C⑶信号输出端；运算放大器的反相输入端与输出端之间连接由两个并联支路构成的负反馈电路，其中一路是第一模拟开关SI与数字电位器R的串联支路；另一路是第二模拟开关S2与第二电阻R2的串联支路，以此形成运算放大电路的负反馈电路。本发明提供的线阵CXD像元级信号增益自补偿方法是第I、解调系统启动前，默认状态设为第一模拟开关SI断开，第二模拟开关S2闭
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口 o第2、系统启动，线阵CCD的输出信号接到上述增益自补偿电路的输入端，随着解调电路的启动，解调系统的CPLD控制电路输出线阵CCD的转移时钟、驱动时钟和复位时钟，同时CPLD控制电路输出同步复位时钟给第一模拟开关SI和第二模拟开关S2。
第3、线阵CCD在各路时钟的作用下开始输出像元信号，像元信号按时间分为复位信号与有效信号两个部分，线阵CCD不同像元输出的复位信号电压相同，有效信号不同，当复位时钟为高电平时，线阵CCD复位并输出复位信号，第一模拟开关SI断开，第二模拟开关S2闭合，第二电阻R2接入到运算放大电路。第4、CPLD根据预先设定的增益参数表格调节数字电位器R的阻值，调节时间小于线阵CXD复位时间，保证线阵CXD输出有效像元信号之前，数字电位器达到稳定状态。当复位时钟为低电平时，线阵CCD输出有效信号，第一模拟开关SI闭合,第二模拟开关S2断开，数字电位器接入到运算放大电路，有效像元信号增益调整，复位时钟低电平结束，开始下一个像元信号的调整。线阵CCD像元输出信号与复位时钟同步，CPLD输出同步复位时钟信号到增益自补偿电路，在每个像元周期同步控制第一模拟开关(SI)、第二模拟开关(S2)和数字电位器(R)的阻值调节，根据预设的增益参数表格，动态改变运算放大电路的增益，实现每个像元信号增益的独立精细调整。线阵CCD像元级信号增益自补偿电路对线阵CCD输出的复位信号和有效信号进行分开调整。线阵CXD复位信号采用统一增益的放大，保证每个像元有效信号基地电压相同，线阵CCD有效信号进行按像元增益调整，当复位时钟为高电平时，线阵CCD输出复位信号电
压Vil,通过增益自补偿电路输出信号电压VtjlA1 =-R2/R1Vil。式中=R1为第一电阻(Rl)的阻
值，R2为第二电阻(R2)的阻值；当复位时钟为低电平时，线阵C⑶输出有效像元信号电压Vi2，通过增益自补偿电
路输出信号电压Ut72 = -Vi2。式中R1为第一电阻(Rl)的阻值，R为根据增益参数表格
调整后的数字电位器的阻值。从而完成线阵CCD像元级增益补偿，使不同照度区域的像元都能充分的利用CCD的动态范围，增强局部信号的对比度，观测到局部区域的细节，提高解调系统的精度。空间型低相干干涉解调系统中线阵CCD像元级信号增益自补偿电路的具体实施步骤如下首先，获取并预设CCD像元对应的增益参数表格，增益参数是依据空间型低相干干涉解调系统的背景信号给出的，解调系统启动前，将光纤F-P传感器用具有相同反射率的光纤反射镜代替。启动系统后，CCD接收到不含有干涉条纹的背景信号，此时CPLD控制电路不对增益自补偿电路控制，增益电路处于默认状态，模拟开关SI断开，S2闭合，电阻R2接入到运放电路负反馈中。CCD输出的背景信号通过放大滤波电路、数据采集电路传输到上位机。上位机对接收到的背景信号进行拟合，得到近似的背景曲线y = f(x)，如图4所示，由3 = f(x)*k(x)计算出不同像元X对应的增益参数k，从而得到增益调整的参数表格，并下载到CPLD中。其次，对空间型低相干干涉解调系统中输出信号的平坦化处理。接入F-P传感器。启动系统后，CPLD输出线阵CXD的转移时钟TCLK、驱动时钟CRx、复位时钟RS、同时输出同步复位时钟给模拟开关SI、S2。线阵CCD在各路时钟的作用下开始输出像元信号，当复位时钟RS高电平，线阵(XD复位并输出像元复位信号电压Vtjl，通过Rl接入到增益自补偿电路，此时模拟开关SI断开，S2闭合，电阻R2接入到运算放大电路，输出信号电压V01,
Vol=-R2/R1Vil，式中=R1为第一电阻(Rl)的阻值,R2为第二电阻(R2)的阻值。CPLD根据预先
设定的增益参数表格调节数字电位器的阻值R。调节时间小于CCD复位时间，保证CCD输出有效像元信号之前，数字电位器达到稳定状态。当复位时钟RS低电平，线阵CCD输出有效像元信号电压Vi2，模拟开关SI闭合，S2断开，数字电位器接入到运算放大电路。输出信号
电压Ut72= -Vi2。式中R为调整后的数字电位器的阻值。复位时钟RS低电平结束,开 始一个像元信号的增益调整。实验中，未启用增益自动补偿时，接收到的低相干干涉信号如图4所示。在照度弱的区域，干涉信号受照度的影响，对比度差，信噪比低。启用增益自补偿电路调整后，接收到的低相干干涉信号如图5所示，低相干干涉信号得到明显增强，有效改善了光照不均匀对低相干干涉解调精度的影响。
权利要求
1.一种空间型低相干干渉解调系统中线阵CCD像元级信号増益自补偿电路，其特征在于该电路由运算放大器、数字电位器、第一模拟开关(SI)、第二模拟开关(S2)以及第ー电阻(Rl)和第二电阻(R2)组成；所述的运算放大器的正相输入端接地，反相输入端通过第一电阻(Rl)连接到线阵CCD 信号输出端；运算放大器的反相输入端与输出端之间连接由两个并联支路构成的负反馈电路，其中一路是第一模拟开关(SI)与数字电位器(R)串联支路，另一路是第二模拟开关 (S2)与第二电阻(R2)的串联支路。
2.ー种使用权利要求I所述自补偿电路的线阵CCD像元级信号増益自补偿方法，其特征在于该补偿方法是第I、解调系统启动前，默认状态设为第一模拟开关(SI)断开，第二模拟开关(S2)闭合；第2、系统启动，线阵CCD的输出信号接到权利要求I所述增益自补偿电路的输入端，随着解调电路的启动，解调系统的CPLD控制电路输出线阵CCD的转移时钟、驱动时钟和复位时钟，同时CPLD控制电路输出同步复位时钟给第一模拟开关(SI)和第二模拟开关(S2)； 第3、线阵CCD在各路时钟的作用下开始输出像元信号，像元信号按时间分为复位信号与有效信号两个部分，线阵CCD不同像元输出的复位信号电压相同，有效信号不同，当复位时钟为高电平时，线阵CCD复位并输出复位信号,第一模拟开关(SI)断开,第二模拟开关(S2)闭合，第二电阻(R2)接入到运算放大电路；第4、CPLD根据预先设定的增益參数表格调节数字电位器(R)的阻值，调节时间小于线阵CXD复位时间，保证线阵CXD输出有效像元信号之前，数字电位器达到稳定状态；当复位时钟为低电平时，线阵CCD输出有效信号，第一模拟开关(SI)闭合，第二模拟开关(S2)断开，数字电位器(R)接入到运算放大电路，有效像元信号增益调整，复位时钟低电平结束，开始下一个像元信号的调整。
3.根据权利要求书2所述的方法，其特征在于线阵CCD像元输出信号与复位时钟同歩，CPLD输出同步复位时钟信号到増益自补偿电路，在每个像元周期同步控制第一模拟开关(SI)、第二模拟开关(S2)和数字电位器(R)的阻值调节，根据预设的增益參数表格，动态改变运算放大电路的増益，实现每个像元信号増益的独立精细调整。
4.根据权利要求书2或3所述的方法，其特征在于在每个像元周期，当复位时钟为高电平时，线阵C⑶复位并输出像元复位信号电压Vil，通过增益自补偿电路输出信号电压Vtjl, 式中A1为第一电阻(Rl)的阻值，R2为第二电阻(R2)的阻值； 当复位时钟为低电平时，线阵CCD输出有效像元信号电压Vi2，通过增益自补偿电路输出信号电压 ;式中R为调整后的数字电位器的阻值；KlCCD每个像元输出信号分为复位信号与有效信号两个部分，増益自补偿电路对CCD复位信号统ー增益调整，保证每个像元有效信号基地电压相同，对有效信号进行不同增益调整，实现不同照度区域的像元都能充分的利用CCD的动态范围，增强局部信号的对比度，观测到局部区域的细节，提高解调系统的精度。
全文摘要
本发明提供一种线阵CCD像元级信号增益自补偿方法及电路，应用于空间型低相干干涉解调系统中输出信号的平坦化处理。解调系统硬件部分包括CPLD控制电路、线阵CCD器件、增益自补偿电路、放大滤波电路和数据采集电路。其中增益自补偿电路由数字电位器、运算放大器、模拟开关(S1、S2)和电阻(R1、R2)组成，动态控制线阵CCD的信号增益。解调时，CPLD控制电路输出线阵CCD的驱动时钟，同时输出同步时钟信号到增益自补偿电路，在每个像元周期同步控制模拟开关和数字电位器阻值调节，根据预设的增益参数表格，实时动态改变运放增益，实现每个像元信号增益的独立精细调整。此方法能够有效改善光照不均匀对低相干干涉解调精度的影响。
文档编号G01D5/26GK102607615SQ20121009367
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者刘琨, 刘铁根, 吴凡, 孟祥娥, 尹金德, 江俊峰, 王少华 申请人:天津大学