空间探测红外光谱仪信号处理技术

空间探测红外光谱仪信号处理技术
引言 对空间目标的红外辐射特性的研究是对空间目 标进行识别、获取空问目标信息的基础技术之一。通 过红外辐射谱的测量，可以获得目标的温度，目标有 效辐射面积，目标红外辐射谱特性等重要参数，对于 发展我国空间技术有重要的意义【l】。当前，空间目标 信息获取的方法主要有电子和光电两种技术手段，光 电方面，又分为天基光电测量和地基光电测量两类。 天基光电探测主要以卫星为平台，如最早的“中段空 间实验”(MSx)卫星。天基探测系统测量精度高， 覆盖范围广，观测时间灵活，且基本不受大气辐射与 吸收的影响。但是任务比较单一，开发周期长，维护 困难。地基光电探测系统开发与维护方便，可以使用 大型的光学系统， 如美国的地基电光深空监视系统 (GEODSS)。作为一个实验性项目，我们也选用地 基探测系统，采用相应处理技术，对探测原理进行摸 索。

1空间探测红外光谱仪的主要任务是研究空间目 标的红外辐射特性，研究红外光谱探测信号处理技 术，对空间目标进行捕获、跟踪、测量、识别。其主 要难点在于：1)实时扣除大气背景辐射，提高系统 信噪比；2)对目标进行精密跟踪与定位，保证系统 能实时捕捉目标的光谱信号。实验系统中，我们采用 光路差分调制的方法实时扣除背景辐射，采用二级跟 踪方法对目标进行定位。系统信噪比达到60 dB，等 效前放噪声小于3．5 nv／Hz ，光谱仪光谱分辨率仅受 限于光栅的光谱分辨率和探测器的线阵数目与尺寸。 l 大气辐射背景的扣除 对于卫星等空间目标，它在地面测量系统中只是 一个像点，而且有的目标辐射变化比较快，因此扫描 式光谱仪并不合适，须采用凝视式辐射谱测量方法。 另外，目标辐射和背景辐射在很多情况下差别不大， 为了抑制背景辐射和环境辐射，应该将光学系统和辐 射谱测量系统置于低温环境下【2】。为了提高系统信噪 比，并实时扣除背景辐射，我们采用光路差分调制的 方法。在光谱仪中放置两列线阵探测器，在某一时刻， 一列探测器接受目标与背景辐射经过光栅分光后的 光谱信号，同时另一列探测器仅接受背景的光谱信 号，两列探测器之间的信号切换通过振动反射镜来完 成。其原理如图1所示。 前半周期 图1 光路差分调制原理 振动反射镜以固定频率．而在两个角位置之间来回 振动，假定目标的光谱像落在某一探测单元上的强度 为T，红外背景落在同一探测单元上的强度为G，A 列探测元自身的偏置为DA，响应度为 ，B列探测 元自身的偏置量为Da，响应度为KB，那么在前半周 期里，A列探测元上入射光强为目标加背景， 即T+ G，其输出信号应是： SAI=／CA(T+G)+DA (1) 而在B列探测元上，入射光强值为背景G，其输 出信号为： sB1=KBG+Da (2) 类似的，在后半周期，目标的光谱像T落在B列 探测元上，A列探测元上只是背景G，A，B两列探 测元上的输出信号为： SA2=／CAG+DA (3) Sm=KB(T+G)+Da (4) 用A 列探测元信号减去B列探测元信号 =SA 一 ， 可以得到不同时间段里的差分信号。在前半周 期里，差分信号为： 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，差分信号为： = 一 2= G+DA一 (T+G)一DB =一 T+(^，A一 )G+(DA—DB) (6) 从式(5)，式(6)可以看到，它们都有共同的直流项： ． =(^，A一 )G+(DA—DB) (7) 这是由于红外背景G，两列探测元响应的差(KA - KB)， 以及两列探测元偏置值的差(DA-DB)而造成 的。此外，还存在着一个交变量，分别是+ T与一 T。 在光谱信号调制后的前半、后半周期，直流分量 可通过高通滤波电路滤除；+ T与一 T为目标 信号的前半周期和后半周期。这样，差分之后的输出 204 后半周期 Fig．1 Principle of diferential modulation 响应仅与目标的辐射谱有关，可以实时扣除背景的影 响，获得精度较高的目标光谱数据。而且信号经过载 波调制，而背景信号没有调制，这样可以通过后级的 锁定放大器进一步提高信噪比。

2 信号处理电路设计 根据前面的分析，信号处理电路主要完成两部分 功能，一是完成振动反射镜反射到探测器的交流信号 的滤波处理及直流恢复，另外还完成探测器信号的放 大及幅度调整，将模拟信号的输出幅度调整到A／D转 换器所需要的输入信号幅度范围。信号处理流程如图 2 图2 光谱探测信号处理流程 Fig．2 Signal process flow of spectrum detection 图2中，前置放大电路将探测器对光信号的响应转换 成电压信号并进行放大，差分后的信号经过带通滤波 器再进行锁相放大，并转换成数字量进行处理。下面 对各部分电路分别进行介绍。

2．1 探测器信号提取方法与前置放大器电路设计 对于卫星等空间目标，其表面温度约为300K到 500K左右，根据其与太阳角度的关系而有所变化p】。 对于该温度范围内的黑体辐射，目标光谱辐射通量密 度与温度的关系如图3所示。因此，为了取得较大的 可探测目标范围，我们将探测器的响应范围限制在长 波波段。实验系统采用上海技术物理所研制的l6×2 长波红外探测器，响应波长范围8¨m～12~tm。 E E ≥ - 翎 衄j 妥 骠 波长，pm 图3 黑体光谱辐射通量密度与温度的关系 Fig．3 Connection between temperature and radiant flux density ofblackbody 该探测器属于光导型探测器，32个探测单元均为 光导型电阻元件，当有一与其波段响应对应的红外辐 射投射在光敏元上时，其电导增大，通过偏置电路将 其电导的改变转换成电压的改变。光导型探测器工作 时需要提供一个恒定的电流源，我们采用如图4所示 的桥式电路，其中：偏置电源为高精度的稳压源， dct 为探测器控温点的电阻。 RI=R2，R3mRdet，(Rl>R3) (8) 这种方法电路复杂，匹配电阻比较麻烦，但采用 仪用差分放大电路，噪声在运放输入端表现为共模信 号，而仪用放大器对共模信号具有很强的抑制能力， 基本上两路对称的噪声相互抵消，等效输入到差分放 大器中的噪声其实是电源在探测器失配电阻和电阻 误差上的压降，其输入到放大器的等效噪声比较小， 所以系统设计中选用该方案。 偏 Il1{瑶 ：。 图4 偏置及前置放大电路原理图 Fig．4 Circuits diagram ofbias volmge and preprocess amplifier 探测器前置放大器需要完成微弱信号的放大，电 压增益很高，其信号的信噪比在整个放大电路中所占 比例最大，所以该级放大器的等效噪声即为整个电路 的等效输入噪声。因此，前置放大器的噪声决定了电 路噪声，我们采用BB 公司的仪用差分放大器INA 103，其等效输入电压噪声谱密度Pn≤l nV／Hz ，等 效输入电流噪声谱密度I．~<2 pA／Hz¨ ，增益为100时 其3dB带宽可达到800kHz。 前置放大器总的噪声电压谱密度et由下式给出： et 【en +el +P2 + IRi) +( 2)】“ (9) 式中： l， 2分别为放大器两输入端匹配电阻， l≈ R2≈75 Q；el，e2分别为对应匹配电阻的热噪声，ei =(4KTRf)¨ ； 为环境温度，约为300 K。K为波尔 兹曼常数，K=1．38×10 J／K； ／nl= =厶≤2 pA／Hz¨ 将数据代入计算可得前置放大器总的噪声约 为1．89nV．Hz 。

2．2 滤波与锁相放大 为滤除前置放大器输出信号中的直流分量，我们 采用一个三阶高通滤波电路，得到比较理想的截止特 性。另外，为了防止高频噪声在锁相放大之前超过噪 声容限，电路还需要引入一级低通滤波器，低通滤波 器带宽约为5倍振镜振动频率。 风速计| 照度计| 噪音计| 辐照计| 声级计| 温湿度计| 红外线测温仪| 温湿度仪| 红外线温度计| 露点仪| 亮度计| 温度记录仪| 温湿度记录仪| 根据前述分析，滤波之后的有用分量是一个交变 信号：+ T与一 T。采用基于相关器的锁定放大 方法提取该交变量，为此振动反射镜驱动电路需提供 与振镜角度同步的信号。同步信号与输入信号同频同 相，相乘后经过一个积分器。相关器在各个奇次谐波 附近相当于带通滤波器，在基频附近的带宽与积分器 的等效噪声带宽对应，即 =1／(2RoCo) J。为了抑制 噪声，应该使 越小越好。但 小于信号频率时， 信号产生失真。故系统设计时应当使用截止特性比较 好的高阶滤波器，滤波带宽应该同时兼顾信号频率与 噪声容限。同时系统设计时应该使调制信号频率远大 于目标信号变化频率。 为实现方便，我们用一个开关电路来近似模拟乘 法器，采用AD公司的平衡调制解调器AD630来实 现，通过它可以从l00dB的噪声中恢复出信号。设同 步信号 f，输入信号 ，则AD630在相应配置下 输出信号为： = ( ( ~Vrcf < > 。0； 该电路实现输入信号与一个±2 V的方波信号的 模拟相乘。

3 目标跟踪与定位 为了跟踪目标，保证目标的光谱成像到光谱仪的 入射小孔内，系统还需要一个对目标进行精密跟踪和 定位的装置。目前用作空间目标跟踪识别的器件主要 有PSD (Position Sensitive Devices，位置传感器)， QD (Quadrant Detector， 象限探测器)， 和CCD (Charge．Coupled Device，光电耦合器件)Lz】。我们 采用二级跟踪的方法对目标进行定位，首先采用大视 场可见光CCD相机对空间点目标进行初步跟踪与识 别，瞄准测量点，使目标光斑落在四象限探测器的跟 踪范围内，再采用长波四象限探测器对目标光斑位置 进行精密测量与调整。 四象限探测器采用四个探测单元，呈矩形排列。 同样采用振动反射镜调制目标信号以滤除背景噪声， 提高系统信噪比。使用时，入射光信号通过振动反射 镜调制，使得目标光斑在四象限探测器中心来回振 动，产生出不同的信号波形，通过四象限探测器四个 象元的不同输出可以得到点源目标的位置偏移量，从 而推算出目标的位移 】。 当光学系统对准目标，则目标光斑在探测器单元 中心摆动，四个探测元的输出波形完全对称，其占空 比为1。若目标位置发生偏移， 目标光斑的摆动中心 偏移四象限探测器中心，则每个探测元输出波形的占 空比将改变。可见波形占空比与目标的位置偏移量有 直接的关系。我们选取输出信号载频的基频分量和二 倍频分量作为特征量，即提取输出信号傅立叶变换的 基频与倍频系数，并根据目标光斑位置偏移量和谐波 分量的关系【4一，检测出目标位移。 实际系统中，四象限探测器信号处理方法与光谱 探测信号处理方法相同，仍然采用差分放大的方法提 取探测器信号，用锁定放大器提取基频分量和二倍频 分量。实验结果良好，对于静态目标微机采集到数据 后经过计算得到的位置特征量与实际位置偏移量呈 良好的线性关系。

4 结论 文章介绍了用于空间目标探测的红外光谱仪信 号处理技术。实验系统取得良好的结果，采用光路差 分调制的方法实时扣除背景红外辐射，并采用锁定放 大器进行微弱信号的检测，系统信噪比达到60(1B， 等效前放噪声小于3．5 nV／Hz ，光谱仪光谱分辨率仅 受限于光栅的光谱分辨率和探测器的线阵数目与尺 寸。采用二级跟踪方法对目标像斑进行精密跟踪与定 位，实验系统中对于静态目标计算得到的位置特征量 与实际位置偏移量呈良好的线性关系。实验系统结果 良好，电路噪声水平与动态范围满足要求，系统可行。