CN104748858A - 一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，包括InGaAs短波红外探测器、信号输入端、差分单端转换电路、信号调理滤波电路、模数转换电路、数据处理电路。该系统通过差分单端转换电路实现信号的阻抗匹配、放大、主备份接口支持，信号再经过信号调理滤波电路处理，进入模数转换电路输出数字形式的数据，并将数据最终传入数据处理电路中。与传统InGaAs短波红外探测器信号处理系统相比具有电路引入噪声低、输入端支持系统主备份、抗干扰能力强等特点。

Description

一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统

技术领域

本发明涉及一种信号处理系统，特别是一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，属于信号处理领域。

背景技术

InGaAs短波红外探测器是近年来新兴一种线阵非制冷红外探测器，相比于传统的制冷型红外器件，在具备相近性能的情况下，兼具体积小、成本低、功耗低等特点，特别适合应用在军事侦察和航天遥感领域。InGaAs短波红外探测器的输出信号具有如下特点：1)输出内阻大，通常要求较小的负载电容和较大的负载电阻；2)较高的电路噪声指标要求；3)一般采用差分模拟输出方式；4)每个像元信号在建立后保持一个固定的电平值。针对上述信号输出特点，如何设计一套能够满足要求的信号处理系统对于成像电路的达到理想的成像效果是非常关键的。

传统的InGaAs短波红外探测器信号处理系统，通常采用射级跟随电路对每个通道的信号分别实现阻抗匹配，然后在经过差分运算放大器对输出的模拟差分信号直接进行放大和滤波，最后送入模数转换器进行模数转换。这种处理方式有以下几点不足之处：1)采用射级跟随电路对两个通道分别进行阻抗匹配，会由于两通道电路的参数差异，特别是运算放大器的参数差异导致差分信号失衡，相当于引入了差模噪声；2)采用设计跟随电路的方式，两通道由于器件漂移对直流电平信号影响较大，会导致成像系统的图像数据不稳定；3)采用设计跟随电路的方式只能将对模拟信号的放大环节置于模拟信号通道的后级，不利于对整个系统电路噪声的抑制；4)两个通道采用两片运算放大器构成射级跟随电路，相比于单片器件会增加额外的功耗，同时也会增大电路占用的面积；5)传统的设计都没有考虑模拟信号主备份接口的支持问题，这无疑限制了系统的应用范围，不利于系统可靠性的提升。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，解决了传统同类系统所存在的两通道信号失衡、信号放大环节位于信号通道后级引入额外的电路噪声以及传统系统不支持输入端主备接口的问题。

本发明的技术解决方案是：一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，包括：InGaAs短波红外探测器、信号输入端、差分单端转换电路、信号调理滤波电路、模数转换电路、数据处理电路；其中InGaAs短波红外探测器，负责将探测到的光信号转换为差分电信号送至信号输入端；信号输入端包括第一源端电阻R1和第二源端电阻R2；

信号输入端，将差分电信号经第一源端电阻R1和第二源端电阻R2匹配后，输出与差分单端转换电路匹配的差分电信号，作为差分单端转换电路的输入，第一源端电阻R1和第二源端电阻R2的一端分别接至InGaAs短波红外探测器信号输出端，第一源端电阻R1和第二源端电阻R2的另一端作为差分单端转换电路的输入；

差分单端转换电路，将输入的差分信号转换为单端信号送至信号调理滤波电路，并对输入的差分信号实现阻抗匹配，将输入的差分信号进行放大，同时差分单端转换电路也作为系统主备份的接口；

信号调理滤波电路，对差分单端转换电路送来的单端信号进行滤波和调理，得到模数转换电路输入动态范围内的模拟差分信号，送至模数转换电路；

模数转换电路，将信号调理滤波电路送来的模拟差分信号转换为并行的数字信号，送至数据处理电路；

数据处理电路，对模数转换电路送来的数字信号实现数字滤波然后进行并串转换，得到相应的串行数据，并将该数据打包成所需的数据格式。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在差分单端转换电路中采用具备断电零输出特性的差分单端运算放大器，能够支持输入信号主备份接口。

(2)本发明将模拟信号的放大环节置于系统前级，即差分单端转换电路中，可以有效的避免对后级电路引入噪声的放大。

(3)本发明差分单端转换电路中所用差分单端运算放大器构成的阻抗匹配电路较之射级跟随电路具备更好的电路对称特性。

(4)本发明采用的各部分电路有更少的元件、更小的占用面积和更小的功耗。

附图说明

图1为本发明信号处理系统的原理图；

图2为本发明差分单端转换电路原理图；

图3为本发明信号调理滤波电路原理图；

图4为本发明所实现的成像电路信噪比实测图。

具体实施方式

本发明的思路是：根据InGaAs短波红外探测器输出信号的特点，首先通过差分单端转换电路将探测器输出的差分信号转换为单端信号并对信号进行放大，然后对信号进行调理滤波并完成模数转换，最终将转换后的数据进行数字滤波、并串转换，之后打包成所需的数据格式；同时根据所选差分单端运算放大器的断电零输出特点，实现对输入信号主备份接口的支持。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，为本发明一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统的原理图，包括InGaAs短波红外探测器、信号输入端、差分单端转换电路、信号调理滤波电路、模数转换电路、数据处理电路，其中数据处理电路采用可编程逻辑器件实现。InGaAs短波红外探测器将探测到的光信号转换为差分电信号送至信号输入端；信号输入端包括第一源端电阻R1和第二源端电阻R2；

信号输入端，将差分电信号经第一源端电阻R1和第二源端电阻R2匹配后，输出与差分单端转换电路匹配的差分电信号，作为差分单端转换电路的输入，第一源端电阻R1和第二源端电阻R2的一端分别接至InGaAs短波红外探测器信号输出端，第一源端电阻R1和第二源端电阻R2的另一端作为差分单端转换电路的输入；

差分单端转换电路，将输入的差分信号转换为单端信号送至信号调理滤波电路，并对输入的差分信号实现阻抗匹配，将输入的差分信号进行放大，同时差分单端转换电路也作为系统主备份的接口；

信号调理滤波电路，对差分单端转换电路送来的单端信号进行滤波和调理，得到模数转换电路输入动态范围内的模拟差分信号，送至模数转换电路；

模数转换电路，将信号调理滤波电路送来的模拟差分信号转换为并行的数字信号，送至数据处理电路；

数据处理电路，对模数转换电路送来的数字信号实现数字滤波然后进行并串转换，得到相应的串行数据，并将该数据打包成所需的数据格式。

如图1所示，第一源端电阻R1、第二源端电阻R2同差分单端转换电路中差分单端运算放大器221的等效输入电容构成低通滤波电路，第一源端电阻R1、第二源端电阻R2的两端分别接至InGaAs短波红外探测器的输出端和差分单端运算放大器221的输入端Vi+、Vi-。第一源端电阻R1、第二源端电阻R2的阻值的选择需满足以下要求：1)差分信号的信号对称要求，即R1＝R2；2)源端匹配要求，一般选取R1＝R2<50Ω。第一源端电阻R1和第二源端电阻R2主要作为输入接口的源端匹配电阻使用，目的是防止电路的信号反射。

差分单端转换电路主要实现差分电信号的阻抗匹配、差分电信号的放大和系统的主备份接口支持功能，其原理图如图2所示，包括第一电阻R3、第二电阻R4、第三电阻R5和差分单端运算放大器211，差分单端运算放大器221包括差分输入端1+、差分输入端1-、差分输入端2+、差分输入端2-、输出端Vs以及等效输入电容，差分输入端1+、差分输入端1-分别连接第一源端电阻R1和第二源端电阻R2的一端，同时第一源端电阻R1和第二源端电阻R2的一端也同差分单端运算放大器221的等效输入电容相连。第一电阻R3一端接至差分单端运算放大器221的输入端2+，另一端接至电路地，第二电阻R4一端接至差分单端运算放大器221的输入端2-，另一端接至电路地，第三电阻R5一端接至差分单端运算放大器221的输入端2-，另一端同差分单端运算放大器221的输出端Vs相连。差分单端转换电路将差分信号转换为单端信号，主要是为了去除差分电信号中所含有的共模直流电平，差分单端转换电路将信号放大环节置于系统的最前端，是为了避免将后级的电路噪声放大，同时兼顾阻抗匹配的功能，差分单端运算放大器211为输入阻抗大于750kΩ、输入电容小于15pF并具备断电零输出特性的器件，其中高输入阻抗、低输入电容特性是为了满足同InGaAs短波红外探测器输出差分电信号的匹配，而断电零输出特性则是为了实现对主备份接口的支持，为保证电路平衡，第一电阻R3、第二电阻R4、第三电阻R5的取值应满足R3＝R4//R5；差分单端转换电路的电路增益为 $G=1+\frac{R5}{R4}.$

信号调理滤波电路，包括单端转差分电路和低通滤波电路两部分，原理图如图3所示，单端转差分电路包括差分运算放大器231、第四电阻R6、第五电阻R7、第六电阻R8、第七电阻R9；低通滤波电路包括第八电阻R10、第九电阻R11和电容C1；差分运算放大器231包括同相输入端、反相输入端、同向输出端、反相输出端、共模输入端V_VCM；第四电阻R6的一端接至差分单端运算放大器221的输出端V_s，第四电阻R6的另一端接至差分运算放大器231的同相输入端，第五电阻R7的一端接电路地，第五电阻R7的另一端接至差分运算放大器231的反相输入端，第六电阻R8的两端分别接至差分运算放大器231的同相输入端和反相输出端，第七电阻R9的两端分别接至差分运算放大器231的反相输入端和同相输出端；差分运算放大器231的共模输入端V_VCM与模数转换电路相连；第八电阻R10一端连接至差分运算放大器231的反相输出端，另一端一方面作为模数转换电路的反相输入端，另一方面连接电容C1的一端，第九电阻R11一端连接至差分运算放大器231的同相输出端，另一端一方面作为模数转换电路的同相输入端，另一方面连接电容C1的另一端；由于单端转差分电路平衡特性的要求，第四电阻R6、第五电阻R7、第六电阻R8、第七电阻R9的阻值应满足R6＝R7＝R8＝R9＝510Ω，同样低通滤波电路中的第八电阻R10、第九电阻R11也应满足差分电路平衡特性的要求，即R10＝R11。低通滤波电路能够起到在信号进入模数转换电路前滤除一部分的高频噪声，但为了保证探测器输出的差分电信号信号不会丢失有效信息，滤波器的截止频率f_p应大于InGaAs短波红外探测器的输出像元时钟频率f_s的5倍，即信号调理滤波电路将单端信号转换为差分信号，主要是为了满足同后级模数转换电路的接口要求，同时在信号进行模数转换前尽可能的滤除噪声干扰。

信号调理滤波电路输出的模拟差分信号，经过模数转换电路的高分辨率(N＝14bit)、高速(80MSPS)差分模数转换器进行模数转换，之后模数转换电路将并行的数据输出到数据处理电路，数据处理电路将模数转换电路送来的模拟并行的数字信号进行数字滤波、并串转换，之后将处理后的数据打包成所需的数据格式。

例如：InGaAs短波红外探测器像元速率为10Mhz，输出的某个像元模拟信号为Vi+＝1.7V，Vi-＝1.3V，若设差分单端转换电路的增益G＝5，则差分单端转换电路的输出为Vs＝2V，信号调理滤波电路V_vcm＝1V，则信号调理滤波电路的输出V+＝2V，V-＝0V，设模数转换电路的动态范围为-2.5V～+2.5V，则转换后对应量化的数字信号为6554，每像元可重复采样8次，进行数字滤波后，每像元恢复为对应一个14bits数据，再经过并串转换并打包成所需的数据格式，上述像元的数据便可传输到相应的终端进行显示和进一步的分析。

根据本发明设计的InGaAs短波红外探测器信号处理系统，在探测器输出信号为满量程80％的情况下，实际的系统信噪比测试结果如图4所示。图4纵坐标为信噪比，横坐标为像元位置，实线为系统信噪比实测结果，虚线为模数转换器的理论信噪比，该数值不包含系统其它电路噪声影响，也即系统理论信噪比的最大值。由图4可知，基于本发明设计的InGaAs短波红外探测器信号处理系统大部分像元的实测信噪比可达70dB，已接近模数转换器的信噪比理论值74dB。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，其特征在于包括：InGaAs短波红外探测器、信号输入端、差分单端转换电路、信号调理滤波电路、模数转换电路、数据处理电路；其中InGaAs短波红外探测器，负责将探测到的光信号转换为差分电信号送至信号输入端；信号输入端包括第一源端电阻R1和第二源端电阻R2；

信号输入端，将差分电信号经第一源端电阻R1和第二源端电阻R2匹配后，输出与差分单端转换电路匹配的差分电信号，作为差分单端转换电路的输入，第一源端电阻R1和第二源端电阻R2的一端分别接至InGaAs短波红外探测器信号输出端，第一源端电阻R1和第二源端电阻R2的另一端作为差分单端转换电路的输入；

差分单端转换电路，将输入的差分信号转换为单端信号送至信号调理滤波电路，并对输入的差分信号实现阻抗匹配，将输入的差分信号进行放大，同时差分单端转换电路也作为系统主备份的接口；

信号调理滤波电路，对差分单端转换电路送来的单端信号进行滤波和调理，得到模数转换电路输入动态范围内的模拟差分信号，送至模数转换电路；

模数转换电路，将信号调理滤波电路送来的模拟差分信号转换为并行的数字信号，送至数据处理电路；

数据处理电路，对模数转换电路送来的数字信号实现数字滤波然后进行并串转换，得到相应的串行数据，并将该数据打包成所需的数据格式。

2.根据权利要求1所述的一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，其特征在于：所述的差分单端转换电路包括电阻第一电阻R3、第二电阻R4、第三电阻R5和差分单端运算放大器(221)，差分单端运算放大器(221)包括差分输入端1+、差分输入端1-、差分输入端2+、差分输入端2-、输出端Vs以及等效输入电容，差分输入端1+、差分输入端1-分别连接第一源端电阻R1和第二源端电阻R2的一端，同时第一源端电阻R1和第二源端电阻R2的一端也同差分单端运算放大器(221)的等效输入电容相连；

第一电阻R3一端接至差分单端运算放大器(221)的输入端2+，另一端接至电路地，第二电阻R4一端接至差分单端运算放大器(221)的输入端2-，另一端接至电路地，第三电阻R5一端接至差分单端运算放大器(221)的输入端2-，另一端同差分单端运算放大器(221)的输出端Vs相连。

3.根据权利要求2所述的一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，其特征在于：所述的差分单端运算放大器(221)为输入阻抗大于750kΩ、输入电容小于15pF，并具备断电零输出特性的器件，差分单端运算放大器(221)包括内置的等效输入电容，第一源端电阻R1、第二源端电阻R2同差分单端运算放大器(221)的输入电容构成一个低通滤波电路。

4.根据权利要求1所述的一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，其特征在于：所述的第一源端电阻R1、第二源端电R2的阻值小于等于50Ω，为了保证电路平衡，第一源端电阻R1和第二源端电R2的阻值相等。

5.根据权利要求2所述的一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，其特征在于：所述的第一电阻R3、第二电阻R4、第三电阻R5的阻值关系需满足R3的值等于R4和R5并联值。

6.根据权利要求2所述的一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，其特征在于：所述的差分单端转换电路的增益为

7.根据权利要求1所述的一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，其特征在于：所述的信号调理滤波电路包括单端转差分电路和低通滤波电路两部分；

单端转差分电路包括差分运算放大器(231)、第四电阻R6、第五电阻R7、第六电阻R8、第七电阻R9；

低通滤波电路包括第八电阻R10、第九电阻R11和电容C1；

差分运算放大器(231)包括同相输入端、反相输入端、同向输出端、反相输出端、共模输入端V_VCM；

第四电阻R6的一端接至差分单端运算放大器(221)的输出端V_s，第四电阻R6的另一端接至差分运算放大器(231)的同相输入端，第五电阻R7的一端接电路地，第五电阻R7的另一端接至差分运算放大器(231)的反相输入端，第六电阻R8的两端分别接至差分运算放大器(231)的同相输入端和反相输出端，第七电阻R9的两端分别接至差分运算放大器(231)的反相输入端和同相输出端；差分运算放大器(231)的共模输入端V_VCM与模数转换电路相连；

第八电阻R10一端连接至差分运算放大器(231)的反相输出端，另一端一方面作为模数转换电路的反相输入端，另一方面连接电容C1的一端，第九电阻R11一端连接至差分运算放大器(231)的同相输出端，另一端一方面作为模数转换电路的同相输入端，另一方面连接电容C1的另一端。

8.根据权利要求7所述的一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，其特征在于：所述的电阻R6＝R7＝R8＝R9＝510Ω。

9.根据权利要求7所述的一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，其特征在于：所述低通滤波电路的截止频率f_p大于InGaAs短波红外探测器的输出像元时钟频率f_s的5倍，即且R10＝R11。

10.根据权利要求1所述的一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统，其特征在于：所述的模数转换电路包括高分辨率、高速差分模数转换器，即分辨率N＝14bits，高速差分模数转换器的转换速率为80MSPS。