點(diǎn)源紅外探測(cè)器信號(hào)預(yù)處理電路的研究

陳倩，高丹，曹璨，李文通，王瑞芬

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點(diǎn)源紅外探測(cè)器信號(hào)預(yù)處理電路的研究

陳倩1,2*，高丹1,2，曹璨1,2，李文通1,2，王瑞芬1,2

（1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海，201109；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司紅外探測(cè)技術(shù)研究中心，上海，201109）

針對(duì)傳統(tǒng)紅外點(diǎn)源探測(cè)器信號(hào)預(yù)處理電路，在多目標(biāo)的情況下，強(qiáng)目標(biāo)形成脈沖信號(hào)的充放電過程會(huì)導(dǎo)致弱目標(biāo)脈沖信號(hào)無法被采集的問題，提出了一種利用快速恢復(fù)二極管箝位電路，縮短信號(hào)預(yù)處理電路電容放電時(shí)間電路設(shè)計(jì)方法。利用快速恢復(fù)二極管導(dǎo)通電流大的特性，加速信號(hào)輸出端的濾波電容的放電過程，使得弱目標(biāo)盡可能被完整提取。通過理論計(jì)算和仿真的結(jié)果，表明該設(shè)計(jì)方法可以有效縮短濾波電容的充放電時(shí)間，最大程度地保留弱目標(biāo)脈沖信號(hào)的信息特征。

點(diǎn)源探測(cè)器；預(yù)處理電路；多目標(biāo)；快速恢復(fù)二極管；充放電時(shí)間；信息特征

引言

紅外點(diǎn)源探測(cè)技術(shù)產(chǎn)生于上世紀(jì)40年代中期,經(jīng)過50多年的發(fā)展,由于具有效費(fèi)比高、被動(dòng)探測(cè)，能探測(cè)低空目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，在近程防御導(dǎo)彈上被廣泛應(yīng)用。點(diǎn)源探測(cè)器在對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，傳統(tǒng)信息預(yù)處理電路處理目標(biāo)脈沖信號(hào)時(shí)存在充放電過程，如果存在紅外能量較高的目標(biāo)，將會(huì)導(dǎo)致弱目標(biāo)無法被探測(cè)到，損失探測(cè)信息。本文提出一種利用快速開關(guān)二極管箝位電路，縮短信號(hào)預(yù)處理電路電容放電時(shí)間電路設(shè)計(jì)方法，可以有效降低點(diǎn)源探測(cè)器對(duì)多目標(biāo)探測(cè)時(shí)損失弱目標(biāo)脈沖信號(hào)的概率。

1 紅外探測(cè)信號(hào)預(yù)處理電路及紅外信息處理基本框架

紅外探測(cè)信號(hào)預(yù)處理電路主要對(duì)探測(cè)器經(jīng)過讀出電路輸出的紅外探測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波和線性放大處理，提取出其中的脈沖信號(hào)，即紅外信息信號(hào)，保留其脈沖信號(hào)特征，以供后級(jí)信息處理系統(tǒng)再進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算處理，信息流程處理框圖見圖1。

圖1 信息流程處理框圖

2 傳統(tǒng)預(yù)處理電路設(shè)計(jì)及存在的問題

紅外探測(cè)器通過感應(yīng)紅外能量將紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，同一個(gè)紅外源被探測(cè)，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和光機(jī)掃描形成一定周期出現(xiàn)的紅外脈沖，如圖2-a所示的紅外探測(cè)信號(hào)（仿真）：

紅外探測(cè)信號(hào)包含直流分量和脈沖信號(hào)，其中脈沖信號(hào)是紅外探測(cè)器敏感紅外目標(biāo)源形成的，直流分量是紅外探測(cè)器敏感紅外背景形成的。一般來說，對(duì)紅外探測(cè)信號(hào)首先進(jìn)行線性放大，由于所需的脈沖信號(hào)疊加了直流分量，經(jīng)過放大后得到的脈沖信號(hào)有超出電路輸出范圍的風(fēng)險(xiǎn)，所以為了將紅外探測(cè)信號(hào)中的脈沖信號(hào)提取出來，先將紅外信號(hào)經(jīng)過高通濾波器，濾除直流分量，提取信號(hào)，仿真信號(hào)波形如圖2-b所示：

由于濾波器中電容的充放電特性，經(jīng)過高通濾波器之后的脈沖信號(hào)底部不是理想的零電平，有明顯的充放過程，且充電的深度、放電時(shí)間與電容容值、脈沖信號(hào)的幅值相關(guān)。

當(dāng)探測(cè)視場(chǎng)中存在多個(gè)紅外目標(biāo)時(shí)，紅外探測(cè)信號(hào)為多個(gè)不同周期和幅值的脈沖信號(hào)。以視場(chǎng)中有兩個(gè)紅外目標(biāo)A、B為例，A位于視場(chǎng)中心，能量較弱，形成的脈沖個(gè)數(shù)較多，B位于視場(chǎng)邊緣，能量較強(qiáng)，形成的脈沖個(gè)數(shù)較少，探測(cè)器通過感應(yīng)調(diào)制，輸出的紅外信號(hào)包含了幅值、周期不同的兩種脈沖信號(hào)，仿真信號(hào)波形如下圖3-a：

圖3 多目標(biāo)的紅外探測(cè)信號(hào)

通過電容之后，目標(biāo)B形成的脈沖信號(hào)幅值較高，其充放過程會(huì)使時(shí)序上近鄰出現(xiàn)能量較弱的目標(biāo)A的脈沖被下沉，嚴(yán)重時(shí)脈沖可能在零電平以下，無法被后級(jí)電路采集到，損失了有用的目標(biāo)信息，仿真信號(hào)波形如圖3-b。

假設(shè)信號(hào)B的幅值為V，脈寬為t，周期為T，信號(hào)A的幅值為V，脈寬為t，周期為T，由于目標(biāo)A能量弱，形成的脈沖幅值低，其充放電影響較小，可忽略不計(jì)。近似計(jì)算，由信號(hào)B下降沿充放電產(chǎn)生反向電壓峰值為：

V是電容初始電壓，Vt為在t時(shí)刻電容電壓，則根據(jù)公式（2），可計(jì)算出

3 解決方法

當(dāng)存在多個(gè)目標(biāo)時(shí)，并且其中有高能量目標(biāo)，高能量目標(biāo)脈沖幅值越高，脈寬越寬，電容充放電程度越大，信號(hào)下沉的幅度也越大，其他能量較低的目標(biāo)無法被采集的風(fēng)險(xiǎn)越大。為了解決這個(gè)問題，電容之后增加了二極管箝位電路，原理見圖4。二極管具有正向特性和反向特性，由二極管伏安特性曲線可知，當(dāng)二極管上的正向電壓較小時(shí)，正向電流小，幾乎等于零。只有當(dāng)二極管兩端電壓超過某一數(shù)值UON（死區(qū)電壓）時(shí)，正向電流才明顯增大，隨著電壓的升高，正向電流將迅速增大，電流與電壓的關(guān)系基本上是一條指數(shù)曲線，由正向特性曲線可見，流過二極管的電流有較大的變化，二極管兩端的電壓卻基本保持不變。

圖4 改進(jìn)電路原理圖

如圖4所示，雖然采用的是箝位電路形式，但選用的快速恢復(fù)二極管，利用其正向?qū)娏鞔蟮奶匦?，縮短電容放電時(shí)間，在D1的正向端接VCC來平衡D1自身的死區(qū)電壓，使得D1只會(huì)在紅外信號(hào)幅值小于零時(shí)導(dǎo)通，而當(dāng)紅外信號(hào)幅值大于零時(shí)，D1相當(dāng)于斷路，與之前圖2中所示的預(yù)處理電路無異，所以紅外信號(hào)波形可以被完整保留。改進(jìn)電路可以等效為如圖5兩種情況：

圖5 電路等效簡(jiǎn)化圖

R為二極管在導(dǎo)通時(shí)的等效電阻，后級(jí)電路的輸入阻抗可看作是R與負(fù)載的并聯(lián)阻抗。當(dāng)V<0時(shí)，因?yàn)镽遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻，所以后級(jí)輸入阻抗可看作是R，因?yàn)镽阻值很小，負(fù)載輸出近似為零，當(dāng)V＞0時(shí)，因?yàn)镽為∞，所以后級(jí)輸入阻抗可近似等于負(fù)載阻抗。電路改進(jìn)前后仿真圖見圖6：

圖6 電路改進(jìn)前后仿真圖

4 仿真結(jié)果

根據(jù)以上理論描述，為方便仿真計(jì)算比較，設(shè)定信號(hào)A的幅值V=1V，脈寬t=0.2ms，周期T=2ms，假設(shè)信號(hào)直流分量為1V，二極管正向?qū)ǖ牡刃щ娮鑂=100Ω，C1=0.33μF，R1=R2=R3=R4=33kΩ，根據(jù)公式1、公式2可以得出：

表1 電路改進(jìn)前后結(jié)果對(duì)比圖

從仿真結(jié)果可以得出，改進(jìn)前的狀態(tài)信號(hào)B的幅值越大，脈寬越寬，信號(hào)B脈沖下降沿與信號(hào)A正向脈沖之間的間隔時(shí)間越長(zhǎng)，說明丟失的信號(hào)A的脈沖個(gè)數(shù)越多，經(jīng)過改進(jìn)，即使當(dāng)信號(hào)B幅值飽和，間隔時(shí)間也大大縮短。減小了近鄰脈沖被充放電過程湮沒的風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)后的電路在實(shí)際應(yīng)用中可以有效縮短濾波電容的充放電時(shí)間，減少由于電容放電而丟失的弱目標(biāo)脈沖的個(gè)數(shù)，最大程度地保留了弱目標(biāo)脈沖信號(hào)特征。

5 結(jié)束語

在多紅外目標(biāo)信息預(yù)處理電路中，傳統(tǒng)電路的處理方式存在高能量信號(hào)脈沖由于電容充放電特性帶來的低能量信號(hào)脈沖丟失的問題，在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了快速充放電電路，通過理論計(jì)算和仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，該電路提高了在多目標(biāo)環(huán)境下低能量信號(hào)脈沖特征被保留的完整性，有效降低有用信息脈沖丟失的概率，對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)中多目標(biāo)紅外信息識(shí)別、定位確定具有重要意義。

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Research on Infrared Point Source Detector Signal Preprocess Circuit

CHEN Qian1,2*, GAO Dan1,2, CAO Can1,2, LI Wentong1,2, WANG Ruifen1,2

（1. Shanghai Aerospace Control Technology Institute, Shanghai, 201109, China; 2. Infrared Detection Technology Research & Development Center of CASC, Shanghai, 201109, China）

In multiple target situation, signal preprocess circuit of traditional infrared point source detector may lose dim targets because of the strong targets’ discharge process through capacitor. This thesis suggests a solution that may shorten discharge time by using fast-recovery diode in form of clamping circuit. Due to large conduction current, the fast-recovery diode speeds up the discharging process. The theory analysis and stimulation data prove that the solution shortens the filter capacitor’s discharge time effectively and the preprocess system extracts the dim targets and reserves the target’s characteristics as much as possible.

point source detector; preprocess circuit; multiple target; fast-recovery diode; Charge and discharge time; Information feature

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.08.012

TN786

A

1672-9129(2017)08-0026-03

陳倩, 高丹, 曹璨, 等. 點(diǎn)源紅外探測(cè)器信號(hào)預(yù)處理電路的研究[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2017, 6(8): 26-28.

CHEN Qian, GAO Dan, CAO Can, et al. Research on Infrared Point Source Detector Signal Preprocess Circuit[J]. Peak Data Science, 2017, 6(8): 26-28.

2017-03-20；

2017-04-15。

陳倩（1984-），女，上海，工程師，學(xué)士，研究方向：戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈信號(hào)處理硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail:2945715417@qq.com