CN109587398B - 一种星载短波红外信号处理电路及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载短波红外信号处理电路及处理方法，包括模拟视频信号运放单元、模数转换单元、FPGA单元及图像数据输出单元，模拟视频信号运放单元包括模拟视频接口及模拟运放，图像数据输出单元包括串行/解串收发器TTLK2711及TLK2711输出物理接口；模拟运放包括四个运放单元，每一个运放单元对应处理一对差分形式的模拟视频信号；模数转换单元采用ADDI7004芯片，用于将模拟运放所输出的四对差分形式的模拟视频信号转换为差分形式的数字视频信号，并具备采样保持的功能；本发明解决了目前短波红外信号由模拟信号到数字信号的转化及传输，能够实现短波红外高分辨成像。

Description

一种星载短波红外信号处理电路及处理方法

技术领域

本发明涉及短波红外探测器模拟信号的数字化转换以及数字信号的高速传输，具体涉及一种星载短波红外信号处理电路及处理方法。

背景技术

随着航天技术的发展与进步，卫星遥感对地面分辨率、刈幅宽度等要求越来越高；基于光谱成像的设备越来越呈现出高时间分辨率、高空间分辨率和高光谱分辨率的发展趋势。成像设备也从常见的可见光谱段向短波红外、中波红外、长波红外等谱段拓展。

红外成像系统是一种可探测目标红外辐射，通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的红外辐射转换成图像的系统。红外探测器是成像系统的核心，从根本上决定着红外系统的发展水平，其输出的模拟信号需要经过适当的信号处理转换为数字信号。

现有的红外处理电路所使用的模数转换单元多为一路或两路处理器，存在整体电路规模较大、传输带宽受限及抗噪声能力差的问题。

发明内容

为了解决现有红外处理电路整体电路规模较大、传输带宽受限及抗噪声能力差的问题，本发明提供一种星载短波红外探测器信号处理电路及处理方法。

本发明的技术解决方案是：

一种星载短波红外信号处理电路，包括模拟视频信号运放单元、模数转换单元、FPGA单元、FLASH存储单元、晶振单元及图像数据输出单元，其特殊之处在于：

所述模拟视频信号运放单元包括模拟视频接口及模拟运放，所述图像数据输出单元包括串行/解串收发器TTLK2711及TLK2711输出物理接口；

所述模拟运放通过模拟视频接口接收差分形式的模拟视频信号，并调节差分形式的模拟视频信号的输出电平，以适应模数转换单元的输入电平要求；

所述模拟运放包括四个运放单元，每一个运放单元对应处理一对差分形式的模拟视频信号；每个运放单元的输入端还设置有电阻R1，每个运放单元的输出端还设置有电阻R10，所述电阻R1与运放单元输入端的差分模拟信号并联，所述电阻R10与运放单元输出端的差分模拟信号并联；

所述模数转换单元采用ADDI7004芯片，用于将模拟运放所输出的四对差分形式的模拟视频信号转换为差分形式的数字视频信号，并具备采样保持的功能；

所述FLASH存储单元与FPGA单元连接；所述晶振单元与FPGA单元连接；

所述FPGA单元的输入端与模数转换单元的输出端连接，所述FPGA单元的输出端与串行/解串收发器TTLK2711的输入端连接，所述串行/解串收发器TTLK2711的输出端与TLK2711输出物理接口连接。

进一步地，所述运放单元采用LMH6628运放器件。

进一步地，所述FPGA单元的型号为XCR2V3000-4BG728。综合星载应用器件的可获得性、性价比、功耗、稳定性、内部逻辑单元等诸多因素，该型号的FPGA完全具备红外信号处理电路的处理能力。

进一步地，所述FLASH存储单元所采用的芯片为XCF16P。该存储单元存储性能稳定，存储空间充足。

进一步地，所述TLK2711输出物理接口为MKHS连接器。

同时，本发明还提供了基于上述的星载短波红外信号处理电路进行信号处理的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)模拟视频接口接收差分形式的模拟视频信号；

2)模拟运放调节差分形式的模拟视频信号的输出电平，以适应模数转换单元的输入电平要求；

3)模数转换单元将模拟运放所输出的差分形式的模拟视频信号转换为差分形式的数字视频信号；

4)FPGA单元接收模数转换单元量化后的串行差分形式的数字视频信号，并使用内部串并转换单元完成将串行单bit数字视频信号转换为14bit位深的像素级的并行数据；

5)FPGA单元将步骤4)转换后的数字视频信号依次存储入内部的FIFO，而后通过内部逻辑输出单元，按照一定节奏将FIFO中存入的数据发送至图像数据输出单元；

6)图像数据输出单元将接收的数据通过高速串行/解串收发器TLK2711以及TLK2711输出物理接口输出。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明提供的星载短波红外信号处理电路，通过运放单元、高性能AD转换电路、FPGA、串行/解串收发器TTLK2711及TLK2711输出物理接口的组合，为目前高分辨高光谱成像电路设计提供了一种实现结构，该电路具有以下特点：适用高速数据传输、信噪比好、性能稳定等诸多优点。该信号处理电路具有广泛的应用前景，还可以用在如：可见光CCD相机、立体测绘相机、其他工业相机等诸多需要进行AD量化的成像类设备中。

2、本发明星载短波红外信号处理电路设计合理、可靠，可提供1.6Gbps带宽的高速实时数据传输。

3、本发明星载短波红外信号处理电路结构紧凑、功耗低、抗噪声好，采用了高性能4路AD器件比起传统的单路AD器件，极大的节约了资源，降低了功耗。

附图说明

图1为本发明实施例星载短波红外信号处理电路组成框图；

图2所示为本发明实施例星载短波红外信号处理电路的结构图及其信息流图，该图中省略了模拟视频信号运放单元中模拟视频接口；

图3为本发明实施例短波红外信号处理电路低噪声运放电路图；

图4为本发明应用案例连接示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明实施例针对一种星载短波红外高光谱成像仪信号处理电路进行设计，并包含高速数据串行传输方式。

如图1所示本发明实施例提供的短波红外信号处理电路包括FPGA单元、FLASH存储单元、模拟视频信号运放单元、模数转换单元、图像数据输出单元、晶振单元、供配电单元等。

(1)模拟视频信号运放单元

模拟视频信号运放单元由模拟视频接口及模拟运放组成，其主要功能是将探测器输入模拟视频进行运放处理，调节其输出的电平值，使得其满足模数转换单元对模拟信号输入电平的要求。

图2所示为本发明实施例的结构图及其信息流图，模拟运放包括四个运放单元，每一个运放单元对应处理一对差分形式的模拟视频信号。

图3所示为本发明实施例短波红外信号处理电路中单个运放单元的电路结构原理图，为了提高模拟视频在传输过程中的抗噪性，探测器前端的短波红外信号焦面电路输出模拟信号采用差分输出。每个运放单元包括两路放大电路，两路放大电路分别与一对差分形式的模拟视频信号中一个差分信号进行处理，以滤除传输中引入的噪声。本发明在模拟信号入模数转换单元前均采用差分信号传输，抗干扰能力强，外部共模噪声几乎可以完全抵消，对外辐射的电磁场相互抵消，能有效的抑制电磁干扰对有效模拟图像信号的影响。

具体应用实施案例中，模拟视频接口采用郑州航天电子公司生产的J14A连接器，运放单元选用LMH6628运放器件，该器件具有低噪声、低温度漂移特性，用以降低运放引入的噪声和漂移量对有用信号的影响。模拟视频信号经过运放器件LMH6628将差分共模电平与差模电平调整至模数转换单元所需的输入电平范围内。

为了降低模拟信号传输过程中引入的噪声，模拟信号在运放单元的输入端与输出端均设计了端接电阻，图中R1位于模拟信号入运放前，布置靠近LMH6628，电路设计中差分线进行了阻抗控制，单端对地50Ω，差分对端接并联电阻R1取值100Ω。同时在运放单元输出端靠近模数转换单元端布置输出差分并联电阻R10，取值100Ω。

(2)模数转换单元

模数转换单元的功能是将输入的红外模拟视频信号转换为数字信号，具体到本实施案例中，采用了TI公司生产的ADDI7004，该器件具有采样保持、增益调节等功能，支持差分模拟输入，量化位数14bit；该模数转换单元支持4路模拟信号输入，输出4对LVDS差分信号和2对LVDS差分随路时钟信号。该模数转换单元工作需FPGA单元提供控制信号、工作时钟、寄存器配置信号等。

(3)FPGA单元

FPGA单元接收模数转换单元量化后输入的串行差分形式的数字视频信号，并使用内部串并转换单元完成将串行单bit数字信号转换为14bit位深的像素级的并行数据，也就是探测器输出的1个像素转换为14bit位宽的数字信号。FPGA将转换后的数字信号依次存储入FIFO，而后通过内部逻辑输出单元，按照一定节奏将图像数据发送至图像数据输出单元。

具体到本发明一个实际应用案例中，选用了Xilinx公司FPGA型号为XCR2V3000-4BG728，其内部串并转换单元是将每路模数转换单元发出的串行数据组合为量化14bit的并行数据；内部FIFO设置位宽14bit，位深根据图像大小具体设定；内部数据输出单元用来将FIFO中数据取出并同时发送TLK2711所需2路控制信号，分别为TKLSB、TKMSB信号(该2路信号用来指示TLK2711传输的当前数据是K码或D码)，以及1路100Mhz的工作时钟，14bit并行数据。

(4)图像数据输出单元

图像数据输出单元主要包括高速串行/解串收发器TLK2711以及其传输物理接口，其功能是将模数转换单元量化后并经过FPGA处理的图像数据发送至其他专用接收设备(如星上专用数传系统或地面专用检测系统)。具体到本发明实际应用案例，采用了1片串行/解串收发器TLK2711，可将16路并行数据信号、1路时钟信号、2路TLK2711控制信号(K码或D码)共同编码为1路差分串行信号输出；电路对外连接器采用Airborn公司高速串行连接器MKHS系列连接器。TLK2711芯片的16bit并行数据线有效数据占用了低14bit，高位2bit空闲，工作时钟100Mhz。

(5)FLASH存储单元

FLASH存储单元为一种非易失性、电可擦除可编程只读存储器，主要用来为FPGA启动提供程序加载。具体到本案例，使用了Xilinx公司专用FLASH配置芯片XCF16P。

(6)晶振单元

晶振为FPGA提供工作时钟，是整个板卡工作的源头时钟。具体到本案例，采用了100Mhz外部晶振。

(7)供配电单元

供配电单元包括电源接口连接器、数片电源变换芯片，为整个电路器件工作提供所需的多个类型的电源，接口连接器选用J14A系列连接器。

图4所示为本发明应用案例连接示意图，探测器的短波红外焦面电路的模拟视频差分输出接口通过差分传输线缆与本发明实施例的短波红外信号处理电路连接，本发明实施例的短波红外信号处理电路对所接收的差分形式的模拟视频信号依次进行放大、模数转换、串并转换传输至图像数据输出单元，图像数据输出单元输出串行信号并通过差分传输线缆连接地面检测设备。

Claims (6)

1.一种星载短波红外信号处理电路，包括模拟视频信号运放单元、模数转换单元、FPGA单元、FLASH存储单元、晶振单元及图像数据输出单元，其特征在于：

所述模拟视频信号运放单元包括模拟视频接口及模拟运放，所述图像数据输出单元包括串行/解串收发器TTLK2711及TLK2711输出物理接口；

所述模拟运放通过模拟视频接口接收差分形式的模拟视频信号，并调节差分形式的模拟视频信号的输出电平，以适应模数转换单元的输入电平要求；

所述模拟运放包括四个运放单元，每一个运放单元包括两路放大电路，两路放大电路分别与一对差分形式的模拟视频信号中一个差分信号进行处理；每个运放单元的输入端还设置有电阻R1，每个运放单元的输出端还设置有电阻R10，所述电阻R1与运放单元输入端的差分模拟信号并联，所述电阻R10与运放单元输出端的差分模拟信号并联；

所述模数转换单元采用ADDI7004芯片，用于将模拟运放所输出的四对差分形式的模拟视频信号转换为差分形式的数字视频信号，并具备采样保持的功能；

所述FLASH存储单元与FPGA单元连接；所述晶振单元与FPGA单元连接；

所述FPGA单元的输入端与模数转换单元的输出端连接，所述FPGA单元的输出端与串行/解串收发器TTLK2711的输入端连接，所述串行/解串收发器TTLK2711的输出端与TLK2711输出物理接口连接。

2.根据权利要求1所述的星载短波红外信号处理电路，其特征在于：

所述运放单元采用LMH6628运放器件。

3.根据权利要求1或2所述的星载短波红外信号处理电路，其特征在于：

所述FPGA单元的型号为XCR2V3000-4BG728。

4.根据权利要求3所述的星载短波红外信号处理电路，其特征在于：

所述FLASH存储单元所采用的芯片为XCF16P。

5.根据权利要求4所述的星载短波红外信号处理电路，其特征在于：

所述TLK2711输出物理接口为MKHS连接器。

6.基于权利要求1至5任一所述的星载短波红外信号处理电路进行信号处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)模拟视频接口接收差分形式的对模拟视频信号；

2)模拟运放调节差分形式的模拟视频信号的输出电平，以适应模数转换单元的输入电平要求；

3)模数转换单元将模拟运放所输出的差分形式的模拟视频信号转换为差分形式的数字视频信号；

4)FPGA单元接收模数转换单元量化后的串行差分形式的数字视频信号，并使用内部串并转换单元将串行单bit数字视频信号转换为14bit位深的像素级的并行数据；

5)FPGA单元将步骤4)转换后的数字视频信号依次存储入内部的FIFO，而后通过内部逻辑输出单元按照一定节奏将FIFO中存入的数据发送至图像数据输出单元；

6)图像数据输出单元将接收的数据通过高速串行/解串收发器TLK2711转化为串行数据并通过TLK2711输出物理接口输出。