一种微弱红外信号处理采集装置

本发明涉及红外光谱仪，尤其涉及一种微弱红外信号处理采集装置。

背景技术：

1、遥测式傅里叶变换红外光谱仪通常是在开放光路的情况下对目标物进行实时探测识别，红外信号极其微弱且信号的调制频率较高，故探测器通常选用响应速度快且探测率高的光电导型碲镉汞探测器，在光线照射下，半导体材料吸收了大于禁带宽度的光子能量，就会激发出电子空穴对，增加导电性，阻值减低，形成光电导效应。光导型探测器便是利用光电导效应，在外加偏置电源作用下会产生线性变化的光电流作为输出信号。在傅里叶变换红外光谱仪中红外探测器接收到微弱的红外干涉信号，产生微安级的电流变化信号，因此需要一种高带宽、低噪声、稳定性强的信号处理方法。由于傅里叶变换红外光谱仪中红外探测器采集到的原始信号为红外干涉信号，还需获取等光程差处的数据，经过快速傅里叶变换方可得到红外光谱图，因此一套稳定、精准的等光程差采样电路对于adc采集来说也是必不可少的。

2、现有的商业型红外探测器前置放大模块中偏置电路多采用设计简单的恒压偏置电路，信号初级放大电路一般采用i-v跨阻放大电路，再经过后级放大获得测试信号。采集电路采用过采样方式，将激光和红外干涉信号同时采集到上位机，再通过上位机程序找到激光信号的过零点位置，通过过零点在红外干涉信号上获取等光程差采样点，随后进行傅里叶变换来获得红外光谱数据。

3、但上述现有技术方案存在如下问题：由于光导型红外探测器的内阻较小，恒压型偏置电源虽设计简单，但是探测器工作时内阻会随入射光强变化，影响恒压偏置源的稳定性，且使探测器的响应度降低，探测器信噪比也会降低。一般采用的i-v放大电路，会引起较大误差，主要是由于运放输出电压受到偏置电流、失调电压、失调电流等因素影响。另外，ad过采样方式需要双通道同步采样率较高的adc芯片，高采样率必然会牺牲采样位数，降低信号动态范围以及信噪比，并且会占用主控较多资源，不利于探测结果实时分析传输。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种微弱红外信号处理采集装置，该装置使红外探测器具有更高的响应度，适用于更多型号红外探测器，所设计的前置放大电路具有低噪声、高带宽、高增益且稳定性强的优点；并能有效节约下位机处理芯片资源，减少处理时间，提高数据处理效率。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种微弱红外信号处理采集装置，所述装置包括红外探测器前置放大电路和采集电路两部分，红外探测器前置放大电路包括偏置电路、信号放大电路及滤波调理电路；采集电路包括等光程差检测电路、fpga主控电路以及adc采集电路，其中：

4、所述偏置电路位于红外探测器前端，用于为红外探测器提供正向恒定电流源偏置，以提高红外探测器的响应率；

5、所述信号放大电路位于红外探测器后端，用于对微弱电流信号进行两级放大，以降低失调电压及热噪声对待测信号的影响；

6、所述滤波调理电路的一端与所述信号放大电路的输出端连接，另一端与所述adc采集电路连接，用于对所述信号放大电路放大后的红外干涉信号进行滤波处理，调整为匹配于所述adc采集电路输入的电压范围；

7、所述等光程差检测电路用于将输入的激光干涉信号转换为方波信号，并将转换后的方波信号传输给所述fpga主控电路；

8、所述fpga主控电路接收所述等光程差检测电路传送来的方波信号，将该方波信号的上下沿作为采集触发信号提供给所述adc采集电路，为所述adc采集电路的正常工作提供驱动时序，并将所述adc采集电路返回的数据传输给上位机；

9、所述adc采集电路用于将采集到的等光程差位置处的红外干涉信号转换为数字信号，并将转换后的信号发送给所述fpga主控电路，由所述fpga主控电路发送给上位机。

10、由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置使红外探测器具有更高的响应度，适用于更多型号红外探测器，所设计的前置放大电路具有低噪声、高带宽、高增益且稳定性强的优点；并能有效节约下位机处理芯片资源，减少处理时间，提高数据处理效率。

技术特征：

1.一种微弱红外信号处理采集装置，其特征在于，所述装置包括红外探测器前置放大电路和采集电路两部分，红外探测器前置放大电路包括偏置电路、信号放大电路及滤波调理电路；采集电路包括等光程差检测电路、fpga主控电路以及adc采集电路，其中：

2.根据权利要求1所述微弱红外信号处理采集装置，其特征在于，所述偏置电路由三级管q1；电阻r1、r2、rb和re；以及电容c1组成，其中：

3.根据权利要求1所述微弱红外信号处理采集装置，其特征在于，所述信号放大电路由两级运算放大器组成，第一级运算放大器u1采用高带宽、低噪声、低失调电压的运放，工作在低偏置电流的闭环直流模式下，反馈电路采用t型电阻反馈加微分补偿的形式，其中：

4.根据权利要求1所述微弱红外信号处理采集装置，其特征在于，所述滤波调理电路包括带通滤波电路和偏置调节电路，其中：

5.根据权利要求1所述微弱红外信号处理采集装置，其特征在于，所述等光程差检测电路由高速比较器u7、二级管d1和电阻r22-r28组成，构成一个单电源过零比较电路，用于将无直流分量的激光干涉信号转换为一个方波信号；

技术总结
本发明公开了一种微弱红外信号处理采集装置，红外探测器前置放大电路包括偏置电路、信号放大电路及滤波调理电路；采集电路包括等光程差检测电路、FPGA主控电路及ADC采集电路，偏置电路位于红外探测器前端；信号放大电路位于红外探测器后端；滤波调理电路用于对放大后的红外干涉信号进行滤波处理；等光程差检测电路用于将输入的激光干涉信号转换为方波信号；FPGA主控电路将方波信号的上下沿作为采集触发信号提供给ADC采集电路；ADC采集电路用于将采集到的红外干涉信号转换为数字信号，并发送给FPGA主控电路。上述装置使红外探测器具有更高的响应度，适用于更多型号红外探测器，节约下位机处理芯片资源，提高数据处理效率。

技术研发人员：路向宁,黄旻,韩炜,钱路路,王占超,孙岩
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25