一種紅外遙感器背景電平漂移消除系統及其方法
【專利摘要】一種紅外遙感器背景電平漂移消除系統及其方法應用于航天遙感領域。此方法的特征在于：紅外探測器接收光路遮擋裝置周期遮擋的匯聚光信號，將匯聚光信號轉換為電信號送至時序產生與信號處理電路，時序產生與信號處理電路將電信號中被光路遮擋裝置中的擋片遮擋時刻紅外探測器輸出的隔離直流信號箝位到零，從而消除了紅外探測器輸出的背景電平。此方法從系統角度，利用光路遮擋裝置與電路配合，解決紅外焦平面探測器本身暗電流隨工作溫度變化以及探測器本身退化而引起的遙感器輸出圖像背景電平變化的問題，對抑制圖像的暗背景，保留相機動態范圍、提高圖像質量具有積極意義。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種紅外遙感器背景電平漂移消除系統及其方法，屬于航天遙感技術 領域。 一種紅外遙感器背景電平漂移消除系統及其方法
【背景技術】
[0002] 隨著航天光學遙感器技術的迅速發展，對光學遙感器的成像質量的要求也越來越 高，但由于國內紅外探測器工藝水平受限制，使得紅外探測器在無光照條件下的輸出隨工 作溫度升高而發生變化，理論上，其遞增趨勢為單調上升，實際上，紅外探測器無光照輸出 為非單調曲線。由于紅外探測器制冷部件，例如：輻冷器或者制冷機，隨時間其性能會發生 衰變，其次其制冷溫度也不能保持理想恒定，這樣使空間遙感相機輸出圖像暗背景隨紅外 探測器工作溫度變化而改變，特別是由于溫度與背景之間的非單調性，導致溫度區間內存 在極大值或極小值，若在極大值或極小值周圍變化，則可能存在溫度變化范圍很小而背景 電平變化劇烈的問題。傳統的解決方式是對紅外探測器輸出模擬信號進行減電平處理，設 置多檔電平值，根據遙感相機試驗室定標情況或者在軌飛行情況，模擬信號剪去一固定電 平。此方法無法對探測器隨溫度變化時產生的背景電平進行實時抑制，導致當直流電平設 置不當或探測器溫度發生較大變化時，探測器仍有背景電平信號輸出。
【發明內容】
[0003] 本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提出一種紅外遙感器背景電平漂 移消除系統及其方法，通過遙感器光學遮擋裝置與時序產生與信號處理電路相互配合下， 使用對紅外探測器輸出電信號先進行直流隔離后進行直流恢復的方式，將電信號中被光路 遮擋裝置中的擋片遮擋時刻紅外探測器輸出的隔離直流信號箝位到零，消除了紅外探測器 輸出的背景電平。從系統角度，利用光路遮擋裝置與電路配合，解決了紅外探測器背景電平 隨溫度漂移的問題，提高了紅外探測器輸出圖像的質量。
[0004] 本發明的技術解決方案：一種紅外遙感器背景電平漂移消除方法，步驟如下：
[0005] (1)光學系統收集目標光信號，輸出匯聚光信號送到光路遮擋裝置；
[0006] (2)時序產生與信號處理電路將產生的幀周期脈沖信號送至機構控制電路；
[0007] (3)機構控制電路接收步驟（2)中產生的幀周期脈沖信號，根據幀周期脈沖信號 產生光路遮擋裝置中旋轉直流無刷電機的控制信號送至光路遮擋裝置；
[0008] (4)光路遮擋裝置的光電碼盤，受步驟（3)中的旋轉直流無刷電機的控制信號控 制，隨光路遮擋裝置的旋轉直流無刷電機同軸轉動，給機構控制電路提供反饋信號，實現光 路遮擋裝置轉動的周期與幀周期脈沖信號得周期同步；
[0009] (5)在步驟（4)實現光路遮擋裝置轉動的周期與幀周期脈沖信號得周期同步的條 件下，光路遮擋裝置的旋轉直流無刷電機受步驟（3)的旋轉直流無刷電機的控制信號控制 進行轉動，旋轉直流無刷電機的轉動帶動擺桿上的擋片隨旋轉直流無刷電機旋轉，當擺桿 一端的擋片擋住光學系統輸出的匯聚光信號時，光學系統輸出的匯聚光信號無法送至紅外 探測器，當擋片隨直流無刷電機轉動不遮擋光學系統輸出的匯聚光信號時，光學系統輸出 的匯聚光信號送至紅外探測器；
[0010] (6)紅外探測器在時序產生與信號處理電路提供的電源、時序信號、偏置電平下， 將步驟（5)光路遮擋裝置送來的匯聚光信號進行光電轉換后形成電信號送至時序產生與 信號處理電路。
[0011] (7)時序產生與信號處理電路將步驟￠)的電信號進行隔離直流、差分放大、二階 濾波、直流恢復，采樣保持和多路合成后輸出串行的圖像電信號，即消除了背景電平的紅外 探測器輸出信號。
[0012] 所述的步驟（7)中的直流恢復過程為：在幀周期脈沖信號控制下，時序產生與信 號處理電路將依照幀周期脈沖信號，生成箝位信號。將箝位脈沖上升沿時刻，即電信號中紅 外探測器被光路遮擋裝置中的擋片遮擋時刻的紅外探測器輸出隔離直流信號箝位到零，消 除了紅外探測器輸出的背景電平。
[0013] 所述的所述的步驟（7)中的隔離直流過程為：去除紅外探測器輸出的電信號中的 直流分量。
[0014] 上述紅外遙感器背景電平漂移消除方法所采用的系統，包括光學系統、機構控制 電路、光路遮擋裝置、時序產生與信號處理電路、紅外探測器；
[0015] 光學系統收集目標光信號，輸出匯聚光信號送到光路遮擋裝置；
[0016] 時序產生與信號處理電路提供紅外探測器工作所需的時序信號、偏置電平，并給 紅外探測器供電，同時時序產生與信號處理電路將產生的幀周期脈沖信號送至機構控制電 路，同時時序產生與信號處理電路接收紅外探測器輸出的圖像電信號，將電信號進行隔離 直流、差分放大、二階濾波、直流恢復，采樣保持和多路合成后輸出串行的圖像電信號；
[0017] 機構控制電路接收幀周期脈沖信號，根據幀周期脈沖信號產生光路遮擋裝置中旋 轉直流無刷電機的控制信號送至光路遮擋裝置；
[0018] 光路遮擋裝置包括旋轉直流無刷電機、光電碼盤和擺桿，擺桿上設有擋片，旋轉直 流無刷電機受旋轉直流無刷電機的控制信號控制進行轉動，旋轉直流無刷電機的轉動帶動 擺桿上的擋片隨旋轉直流無刷電機旋轉，當擋片遮擋住光學系統輸出的匯聚光信號時，光 學系統輸出的匯聚光信號無法送至紅外探測器，當擋片隨直流無刷電機轉動不遮擋光學系 統輸出的匯聚光信號時，光學系統輸出的匯聚光信號送至紅外探測器，同時光電碼盤隨旋 轉直流無刷電機同軸轉動，給機構控制電路提供反饋信號，實現光路遮擋裝置轉動的周期 與幀周期脈沖信號得周期同步；
[0019] 紅外探測器在時序產生與信號處理電路提供的電源、時序信號、偏置電平下，將光 路遮擋裝置送來的匯聚光信號進行光電轉換后形成電信號送至時序產生與信號處理電路。
[0020] 本發明與現有技術相比具有如下優點：
[0021] (1)對比現在對模擬通道信號直接減固定電平的方式，此方法可以最大限度的保 留了紅外探測器的動態范圍，從而使紅外探測器輸出低端響應也能夠有效保存。
[0022] (2)實時性，由于光路遮擋裝置與幀周期脈沖信號同步，在每幀成像的過程中，此 方法可實時對背景電平進行調整。
[0023] (3)由于紅外探測器的背景電平隨外界溫度變化而變化，此通過此方法，可以有效 抑制探測器熱噪聲給最終圖像帶來的影響。
[0024] (4)由于紅外探測器的背景電平隨探測器的退化而變化，此通過此方法，可以有效 抑制探測器本身退化給最終圖像帶來的影響。
[0025] (5)自動性，由于此種方法對比傳統減固定電平的方法，可以實現對背景電平的自 動校正。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明中的系統具體工作實現示意圖；
[0027] 圖2為本發明的方法流程圖；
[0028] 圖3本發明的抑制前后信號對比圖；
[0029] 圖4為本發明的光路遮擋裝置；
[0030] 圖5為本發明機構控制電路示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖對本發明進行詳細說明，如圖1所示，一種紅外遙感器背景電平漂 移消除系統，包括光學系統、機構控制電路、光路遮擋裝置、時序產生與信號處理電路、紅外 探測器；
[0032] 光學系統收集目標光信號，利用R-C光學系統將目標光信號通過光學系統后，輸 出匯聚光信號送到光路遮擋裝置；
[0033] 時序產生與信號處理電路利用FPGA提供紅外探測器工作所需的時序信號，利用 基準源分壓實現偏置電平輸出，利用線性穩壓塊輸出電平為紅外探測器供電，同時時序產 生與信號處理電路將產生的幀周期脈沖信號送至機構控制電路，同時時序產生與信號處理 電路接收紅外探測器輸出的圖像電信號，將電信號進行隔離直流、差分放大、二階濾波、直 流恢復，采樣保持和多路合成后輸出串行的圖像電信號；
[0034] 機構控制電路接收幀周期脈沖信號，根據幀周期脈沖信號產生光路遮擋裝置中旋 轉直流無刷電機的控制信號送至光路遮擋裝置；
[0035] 光路遮擋裝置包括旋轉直流無刷電機、光電碼盤和擺桿，擺桿上設有擋片，旋轉直 流無刷電機受旋轉直流無刷電機的控制信號控制進行轉動，旋轉直流無刷電機的轉動帶動 擺桿上的擋片隨旋轉直流無刷電機旋轉，當擋片遮擋住光學系統輸出的匯聚光信號時，光 學系統輸出的匯聚光信號無法送至紅外探測器，當擋片隨直流無刷電機轉動不遮擋光學系 統輸出的匯聚光信號時，光學系統輸出的匯聚光信號送至紅外探測器，同時光電碼盤隨旋 轉直流無刷電機同軸轉動，給機構控制電路提供反饋信號，實現光路遮擋裝置轉動的周期 與幀周期脈沖信號得周期同步；
[0036] 紅外探測器在時序產生與信號處理電路提供的電源、時序信號、偏置電平下，將光 路遮擋裝置送來的匯聚光信號進行光電轉換后形成電信號送至時序產生與信號處理電路。
[0037] 如圖2所示，一種紅外遙感器背景電平漂移消除方法，包括步驟如下：
[0038] (1)光學系統收集目標光信號，將目標光信號依次通過平面反射鏡、主鏡和次鏡輸 出匯聚光信號送到光路遮擋裝置；
[0039] (2)時序產生與信號處理電路將產生的幀周期脈沖信號送至機構控制電路；
[0040] (3)機構控制電路接收步驟（2)中產生的幀周期脈沖信號，根據幀周期脈沖信號 產生光路遮擋裝置中旋轉直流無刷電機的控制信號送至光路遮擋裝置；
[0041] (4)光路遮擋裝置的光電碼盤，受步驟（3)中的旋轉直流無刷電機的控制信號控 制，隨光路遮擋裝置的旋轉直流無刷電機同軸轉動，給機構控制電路提供反饋信號，實現光 路遮擋裝置轉動的周期與幀周期脈沖信號得周期同步；
[0042] (5)在步驟（4)實現光路遮擋裝置轉動的周期與幀周期脈沖信號得周期同步的條 件下，光路遮擋裝置的旋轉直流無刷電機受步驟（3)的旋轉直流無刷電機的控制信號控制 進行轉動，旋轉直流無刷電機的轉動帶動擺桿上的擋片隨旋轉直流無刷電機旋轉，當擺桿 一端的擋片擋住光學系統輸出的匯聚光信號時，光學系統輸出的匯聚光信號無法送至紅外 探測器，當擋片隨直流無刷電機轉動不遮擋光學系統輸出的匯聚光信號時，光學系統輸出 的匯聚光信號送至紅外探測器；
[0043] (6)紅外探測器在時序產生與信號處理電路提供的電源、時序信號、偏置電平下， 將步驟（5)光路遮擋裝置送來的匯聚光信號進行光電轉換后形成電信號送至時序產生與 信號處理電路；
[0044] (7)時序產生與信號處理電路將步驟￠)的電信號進行隔離直流、差分放大、二階 濾波、直流恢復，采樣保持和多路合成后輸出串行的圖像電信號，即消除了背景電平的紅外 探測器輸出信號。
[0045] 如圖3所示，圖中第一組信號為探測器輸出的圖像電信號，圖中原始信號的a段， 代表探測器被光路遮擋裝置內的擋片遮擋時，探測器輸出的背景電平（此背景電平會隨紅 外探測器的壽命及制冷溫度的變化而發生變化），其余部分b段為光路遮擋裝置不遮擋紅 外探測器時，紅外輸出的有效光信號。圖中第二組信號為幀周期同步信號，此信號不僅在時 序產生與信號處理電路中產生內部直流恢復所需的箝位信號（如圖中第三組信號所示）， 并將此信號送至機構控制電路。機構控制電路產生對光路遮擋裝置的控制信號，使裝置旋 轉與幀周期同步信號周期相同。紅外探測器輸入至時序產生于信號處理電路中的信號，先 進行直流濾波，濾波后如圖3中第四組信號所示，信號中直流分量被去除。將此直流分量 進行放大、濾波等處理后，根據箝位脈沖的時序關系，將箝位脈沖所對應的探測器輸出信號 (即a段）進行箝位，將值箝位至0V，實現直流恢復，從而消除紅外探測器輸出的背景信號。 在此狀態下，紅外探測器若發生背景漂移時，在與幀周期同步的每個周期內，均對背景電平 進行箝位，實現了實時、自動的背景電平抑制。
[0046] 如圖4所示，光路遮擋裝置中，c為擋片，用來遮擋匯聚光信號。d為擺桿，擋片c安 裝在擺桿d上。e為旋轉直流無刷電機，f為光電碼盤。旋轉直流無刷電機e受旋轉直流無 刷電機的控制信號控制進行轉動，旋轉直流無刷電機e的轉動帶動擺桿d上的擋片c隨旋 轉直流無刷電機旋轉。同時，光路遮擋裝置的光電碼盤f，受旋轉直流無刷電機e的控制信 號控制，隨光路遮擋裝置的旋轉直流無刷電機e同軸轉動，給機構控制電路提供反饋信號， 實現光路遮擋裝置轉動的周期與幀周期脈沖信號的周期同步。
[0047] 如圖5所示，本發明的機構控制電路采取PLL鎖相環控制方式，電路包括鑒頻鑒相 器PFD，環路濾波器和驅動放大器三部分組成。鑒頻鑒相器PFD對幀周期脈沖信號和光電碼 盤提供的反饋信號進行比較，兩者之間的相位差經過環路濾波器做超前-滯后校正后生成 調節量輸出給驅動放大器，驅動放大器控制電機旋轉。電機旋轉過程中，機構控制電路不斷 進行鎖頻鎖相，從而實現同步轉動。
[0048] 本發明未詳細闡述部分屬于本領域公知技術。
【權利要求】
1. 一種紅外遙感器背景電平漂移消除方法，其特征在于步驟如下： (1) 光學系統收集目標光信號，輸出匯聚光信號送到光路遮擋裝置； (2) 時序產生與信號處理電路將產生的幀周期脈沖信號送至機構控制電路； (3) 機構控制電路接收步驟（2)中產生的幀周期脈沖信號，根據幀周期脈沖信號產生 光路遮擋裝置中旋轉直流無刷電機的控制信號送至光路遮擋裝置； (4) 光路遮擋裝置的光電碼盤，受步驟（3)中的旋轉直流無刷電機的控制信號控制，隨 光路遮擋裝置的旋轉直流無刷電機同軸轉動，給機構控制電路提供反饋信號，實現光路遮 擋裝置轉動的周期與幀周期脈沖信號得周期同步； (5) 在步驟（4)實現光路遮擋裝置轉動的周期與幀周期脈沖信號得周期同步的條件 下，光路遮擋裝置的旋轉直流無刷電機受步驟（3)的旋轉直流無刷電機的控制信號控制進 行轉動，旋轉直流無刷電機的轉動帶動擺桿上的擋片隨旋轉直流無刷電機旋轉，當擺桿一 端的擋片擋住光學系統輸出的匯聚光信號時，光學系統輸出的匯聚光信號無法送至紅外探 測器，當擋片隨直流無刷電機轉動不遮擋光學系統輸出的匯聚光信號時，光學系統輸出的 匯聚光信號送至紅外探測器； (6) 紅外探測器在時序產生與信號處理電路提供的電源、時序信號、偏置電平下，將步 驟（5)光路遮擋裝置送來的匯聚光信號進行光電轉換后形成電信號送至時序產生與信號 處理電路； (7) 時序產生與信號處理電路將步驟￠)的電信號進行隔離直流、差分放大、二階濾 波、直流恢復，采樣保持和多路合成后輸出串行的圖像電信號，即消除了背景電平的紅外探 測器輸出信號。
2. 根據權利要求1所述的一種紅外遙感器背景電平漂移消除方法，其特征在于所述的 步驟（7)中的直流恢復過程為：在幀周期脈沖信號控制下，時序產生與信號處理電路將依 照幀周期脈沖信號，生成箝位信號，將箝位脈沖上升沿時刻，即電信號中紅外探測器被光路 遮擋裝置中的擋片遮擋時刻的紅外探測器輸出隔離直流信號箝位到零，消除了紅外探測器 輸出的背景電平。
3. 根據權利要求1所述的一種紅外遙感器背景電平漂移消除方法，其特征在于所述的 所述的步驟（7)中的隔離直流過程為：去除紅外探測器輸出的電信號中的直流分量。
4. 一種紅外遙感器背景電平漂移消除系統，其特征在于：包括光學系統、機構控制電 路、光路遮擋裝置、時序產生與信號處理電路、紅外探測器； 光學系統收集目標光信號，輸出匯聚光信號送到光路遮擋裝置； 時序產生與信號處理電路提供紅外探測器工作所需的時序信號、偏置電平，并給紅外 探測器供電，同時時序產生與信號處理電路將產生的幀周期脈沖信號送至機構控制電路， 同時時序產生與信號處理電路接收紅外探測器輸出的圖像電信號，將電信號進行隔離直 流、差分放大、二階濾波、直流恢復，采樣保持和多路合成后輸出串行的圖像電信號； 機構控制電路接收幀周期脈沖信號，根據幀周期脈沖信號產生光路遮擋裝置中旋轉直 流無刷電機的控制信號送至光路遮擋裝置； 光路遮擋裝置包括旋轉直流無刷電機、光電碼盤和擺桿，擺桿上設有擋片，旋轉直流無 刷電機受旋轉直流無刷電機的控制信號控制進行轉動，旋轉直流無刷電機的轉動帶動擺桿 上的擋片隨旋轉直流無刷電機旋轉，當擋片遮擋住光學系統輸出的匯聚光信號時，光學系 統輸出的匯聚光信號無法送至紅外探測器，當擋片隨直流無刷電機轉動不遮擋光學系統輸 出的匯聚光信號時，光學系統輸出的匯聚光信號送至紅外探測器，同時光電碼盤隨旋轉直 流無刷電機同軸轉動，給機構控制電路提供反饋信號，實現光路遮擋裝置轉動的周期與幀 周期脈沖信號得周期同步； 紅外探測器在時序產生與信號處理電路提供的電源、時序信號、偏置電平下，將光路遮 擋裝置送來的匯聚光信號進行光電轉換后形成電信號送至時序產生與信號處理電路。
【文檔編號】G01C11/02GK104061908SQ201410265834
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年6月13日
【發明者】王杰, 馬越, 周峰 申請人:北京空間機電研究所
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
