一種集成化的星載超長線列紅外探測器前端信息獲取電路的製作方法
2023-06-12 06:33:06
一種集成化的星載超長線列紅外探測器前端信息獲取電路的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種集成化的星載長線列紅外探測器前端信息獲取電路。本發明對長線列探測器前端信號鏈路進行優化，採用每8個通道為1個前端單元模塊進行集成的設計方法，通過多個前端單元模塊即可處理超長線列紅外探測器信號；並將前端模擬單元轉為ASIC晶片，每個晶片可完成8路紅外探測器信號從模擬前端到數字量化的處理全過程。採用該技術方案後有效解決了星載超長線列紅外探測器前端信號低噪聲、高帶寬、高採樣率、多通道、小體積、輕量化、低功耗、高電磁兼容性、高可靠性設計技術難題，解決了超長線列紅外探測器信號獲取電路規模與平臺的資源矛盾，消除了限制星載紅外遙感技術發展的一項技術瓶頸。
【專利說明】一種集成化的星載超長線列紅外探測器前端信息獲取電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及星載紅外相機信息獲取【技術領域】，特別是涉及一種星載紅外長線列探測器集成化信號獲取電路，具體地說，是一種在紅外超長線列探測器前端信息獲取中，各種要求(低噪聲、高帶寬、高採樣率、多通道、小體積、輕量化、低功耗、高電磁兼容性、高可靠性)並存，且超長線列紅外探測器信號獲取電路規模與平臺的資源存在矛盾的解決方法。
【背景技術】
[0002]現代紅外成像系統的核心器件是焦平面陣列(focal plane array FPA),包括探測器和信號讀出電路，而當前的星載紅外相機中，紅外線列探測器往往不超過8個輸出通道，因此信息獲取技術一般都是按通道進行設計，每個通道對應完整、冗長的信號調理和採集電路，或者採用模擬開關在A/D量化前進行信號復用，這在探測器規模較小、駐留時間長、採樣頻率低的應用場合是可行的。但近幾年隨著遙感技術在高時間、高空間、高光譜解析度的發展，線列探測器規模急劇膨脹，輸出通道數(抽頭數)成幾何級數增長，若按現有的技術設計，由於信號路數成倍數增多，復用開關速率、電磁兼容性和噪聲性能難以滿足?』另一方面，功耗、體積、重量等資源需求會線性增加，而衛星平臺資源是有限的，這一矛盾無法解決。例如，以中國科學院上海技術物理研究所研製的MCT4000X I長線列中波探測器為核心的星載紅外儀器就存在上述難題。
[0003]綜上所述，隨著星載超長線列探測器的發展和應用，現有技術路線已經無法滿足性能指標，可擴展性極差，且與平臺的資源矛盾不可調和，逐漸成為限制星載紅外遙感技術發展的一項瓶頸。
【發明內容】
[0004]為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種集成化的星載超長線列紅外探測器前端信息獲取電路，重點解決星載紅外相機中超長線列探測器前端信息獲取和調理中的低噪聲、高帶寬、高採樣率、多通道、小體積、輕量化、低功耗、高擴展性、高電磁兼容性、高可靠性設計技術難題。
[0005]本發明的技術方案為:前端信息獲取電路由多塊前端單元模塊構成，電路對長線列探測器前端信號鏈路進行優化，將8路紅外信號調理電路集成為I個前端單元模塊，每個前端單元模塊獨立工作；採用多個前端單元模塊進行並行工作的方式，實現處理多達上萬元的超長線列紅外探測器信號的能力；
[0006] 所述的前端單元模塊對8路紅外信號調理電路進行集成，將運算放大器、採樣保持器、高速模擬開關、高速A/D轉換器、高速D/A轉換器集成在一個晶片單元裡，完成8路紅外探測器信號從模擬前端到數字量化的並行處理全過程；將上述電路集成在一片ASIC晶片內，一個ASIC晶片完成對2000元探測器8路紅外信號的處理。
[0007]具體包含下列步驟:
[0008]I)對長線列探測器前端信號鏈路進行優化，採用每8個紅外通道為I個前端單元模塊進行合併集成的方式，每個前端單元模塊主要含8通道模擬信號調理模塊，含信號輸入、相減、放大處理、SPI接口模塊、A/D模塊、D/A模塊；
[0009]2)採用基於前端單元模塊的設計方法完成對長線列紅外探測器信息獲取，每個前端單元模塊能獨立處理2000元長線列紅外探測器的輸出信號；
[0010]3)將該前端單元模塊集成設計為ASIC (專用集成電路晶片)固化技術狀態。
[0011]根據本發明的一種星載超長線列紅外探測器信息獲取電路的前端單元模塊(8通道紅外信號調理ASIC)，由片內的24個寬帶運放、I個高速A/D、8個高速D/A、採用保持器、高速模擬開關、8個PGA組成，具備以下功能:
[0012]I)在一個紅外探測器驅動時鐘周期內，能對2000元紅外探測器(8路輸出)模擬信號分時進行儀器背景信號相減、放大、A/D量化，通道隔離度大於60dB，信噪比滿足200:PGA=31 ；
[0013]2)能通過SPI總線接口，對8個紅外通道分別進行獨立的增益調節並回讀當前狀態；
[0014]3)能通過D/A，對8個紅外通道模擬信號能進行動態背景相減；
[0015]4)A/D量化位數12位，轉換頻率不低於24MSPS，單片輸出數據率最高為288Mbps ；12位D/A，轉換頻率不低於24MSPS。
[0016]與現有技術相比，本發明的有益效果是:相對於傳統分通道獨立進行信息獲取的方案，採用基於前端單元模塊的集成設計方案全面解決了超長線列探測器信息獲取技術中低噪聲、高帶寬、高採樣率、多通道、小體積、輕量化、低功耗、高擴展性、高電磁兼容性、高可靠性等技術難點，使我國星載超長線列探測器信息獲取技術上了一個臺階，在該領域開拓了 一條新道路。
[0017]具體如下:
[0018]I功耗降低了 46%，重量降低了約85%，滿足了平臺對載荷的資源約束；降低走線量，提高了 EMC能力；噪聲、帶寬、採樣率、可靠性滿足系統指標要求；
[0019]2擴展性成倍提高，採用多片並行工作的方法可以適應未來線列探測器在規模上繼續增長；兼容超長線列TDI紅外探測器；
[0020]3前端模塊轉成ASIC後，克服了航天儀器由於特有的對抗輻射、抗單粒子的要求而器件難以選型的困難，提高了空間載荷信息獲取能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為；可擴展的長線列探測器信號獲取電路框圖。
[0022]圖2為:前端單元模塊(8通道紅外信號調理電路)結構圖。
[0023]圖3為:星載4000元長線列紅外探測器信息獲取系統示意圖。
[0024]圖4為:前端單元模塊(8通道紅外信號調理電路)內部工作時序圖。
[0025]圖5為:星載可擴展長線列紅外探測器信息獲取電路實物圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖3?圖5給出本發明較好實施例。
[0027]實施例1根據圖4星載4000元紅外超長線列探測器前端信息獲取系統的工作步驟如下:
[0028]S1、星載儀器通電，外圍驅動電路工作，星載4000元長線列紅外探測器輸出32路模擬信號，分送4個前端單元模塊；在輸入時鐘同頻同相的情況下，多個前端單元模塊協同工作時，輸出的各類同步信號必須同頻同相，相位偏差控制在半個主時鐘周期內；
[0029]S2、當探測器像元驅動信號CP (附圖4)上升沿到來時，每個前端單元模塊對輸入的8路模擬信號進行採樣保持，相關雙採樣減法運算，然後採樣保持；
[0030]S3:、對來自D/A的紅外儀器背景信號進行相減，拓展了動態範圍，通過多路高速模擬開關將信號送A/D量化，量化位數為12bit，轉換頻率為24MSPS，在一個紅外探測器驅動時鐘周期CP (附圖4)內必須完成8路信號的A/D轉換(附圖4，AD_INT為轉換完成信號，AD_WR為轉換後的輸出信號)；同時，對A/D量化後的信號經後續處理電路處理後，可反饋回前端單元模塊的D/A輸入端，循環處理；也可以通過SPI接口，使D/A輸入端斷開並接入全O信號；在一個紅外探測器驅動時鐘周期內必須完成數據的D/A轉換(附圖4，DA_INT為D/A轉換準備信號，DA_WR為數據輸入信號)；
[0031]S4、根據S3中採集到的A/D數據，通過SPI接口發送指令和數據，調節前端單元模塊中各紅外模擬通道的增益，使滿足要求。
【權利要求】
1.一種集成化的星載長線列紅外探測器前端信息獲取電路，其特徵在於:所述的前端信息獲取電路由多塊前端單元模塊構成，電路對長線列探測器前端信號鏈路進行優化，將8路紅外信號調理電路集成為I個前端單元模塊，每個前端單元模塊獨立工作；採用多個前端單元模塊進行並行工作的方式，實現處理多達上萬元的超長線列紅外探測器信號的能力； 所述的前端單元模塊對8路紅外信號調理電路進行集成，將運算放大器、採樣保持器、高速模擬開關、高速A/D轉換器、高速D/A轉換器集成在一個晶片單元裡，完成8路紅外探測器信號從模擬前端到數字量化的並行處理全過程；將上述電路集成在一片ASIC晶片內，一個ASIC晶片完成對2000元探測器8路紅外信號的處理。
【文檔編號】G01J5/02GK103852173SQ201410020842
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年1月17日 優先權日:2014年1月17日
【發明者】林長青, 孫勝利, 李璐芳, 周雙喜, 王運, 趙明, 喻琪超, 程揚 申請人:中國科學院上海技術物理研究所