一種集成化的星載超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器前端信息獲取電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種集成化的星載長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器前端信息獲取電路。本發(fā)明對(duì)長(zhǎng)線列探測(cè)器前端信號(hào)鏈路進(jìn)行優(yōu)化，采用每8個(gè)通道為1個(gè)前端單元模塊進(jìn)行集成的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)多個(gè)前端單元模塊即可處理超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器信號(hào)；并將前端模擬單元轉(zhuǎn)為ASIC芯片，每個(gè)芯片可完成8路紅外探測(cè)器信號(hào)從模擬前端到數(shù)字量化的處理全過(guò)程。采用該技術(shù)方案后有效解決了星載超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器前端信號(hào)低噪聲、高帶寬、高采樣率、多通道、小體積、輕量化、低功耗、高電磁兼容性、高可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)難題，解決了超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器信號(hào)獲取電路規(guī)模與平臺(tái)的資源矛盾，消除了限制星載紅外遙感技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)瓶頸。
【專利說(shuō)明】一種集成化的星載超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器前端信息獲取電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及星載紅外相機(jī)信息獲取【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種星載紅外長(zhǎng)線列探 測(cè)器集成化信號(hào)獲取電路，具體地說(shuō)，是一種在紅外超長(zhǎng)線列探測(cè)器前端信息獲取中，各種 要求（低噪聲、高帶寬、高采樣率、多通道、小體積、輕量化、低功耗、高電磁兼容性、高可靠 性）并存，且超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器信號(hào)獲取電路規(guī)模與平臺(tái)的資源存在矛盾的解決方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代紅外成像系統(tǒng)的核心器件是焦平面陣列（focal plane array FPA)，包括探 測(cè)器和信號(hào)讀出電路，而當(dāng)前的星載紅外相機(jī)中，紅外線列探測(cè)器往往不超過(guò)8個(gè)輸出通 道，因此信息獲取技術(shù)一般都是按通道進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)完整、冗長(zhǎng)的信號(hào)調(diào)理和采 集電路，或者采用模擬開(kāi)關(guān)在A/D量化前進(jìn)行信號(hào)復(fù)用，這在探測(cè)器規(guī)模較小、駐留時(shí)間 長(zhǎng)、采樣頻率低的應(yīng)用場(chǎng)合是可行的。但近幾年隨著遙感技術(shù)在高時(shí)間、高空間、高光譜分 辨率的發(fā)展，線列探測(cè)器規(guī)模急劇膨脹，輸出通道數(shù)（抽頭數(shù)）成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，若按現(xiàn)有 的技術(shù)設(shè)計(jì)，由于信號(hào)路數(shù)成倍數(shù)增多，復(fù)用開(kāi)關(guān)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(huì)線性增加，而衛(wèi)星平臺(tái)資源是有限的，這一矛盾無(wú) 法解決。例如，以中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的MCT4000X 1長(zhǎng)線列中波探測(cè)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(zhǎng)線列探測(cè)器的發(fā)展和應(yīng)用，現(xiàn)有技術(shù)路線已經(jīng)無(wú)法滿足 性能指標(biāo)，可擴(kuò)展性極差，且與平臺(tái)的資源矛盾不可調(diào)和，逐漸成為限制星載紅外遙感技術(shù) 發(fā)展的一項(xiàng)瓶頸。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種集成化的星載超長(zhǎng)線列紅外探 測(cè)器前端信息獲取電路，重點(diǎn)解決星載紅外相機(jī)中超長(zhǎng)線列探測(cè)器前端信息獲取和調(diào)理中 的低噪聲、高帶寬、高采樣率、多通道、小體積、輕量化、低功耗、高擴(kuò)展性、高電磁兼容性、高 可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)難題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：前端信息獲取電路由多塊前端單元模塊構(gòu)成，電路對(duì)長(zhǎng)線 列探測(cè)器前端信號(hào)鏈路進(jìn)行優(yōu)化，將8路紅外信號(hào)調(diào)理電路集成為1個(gè)前端單元模塊，每個(gè) 前端單元模塊獨(dú)立工作；采用多個(gè)前端單元模塊進(jìn)行并行工作的方式，實(shí)現(xiàn)處理多達(dá)上萬(wàn) 元的超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器信號(hào)的能力；
[0006] 所述的前端單元模塊對(duì)8路紅外信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行集成，將運(yùn)算放大器、采樣保 持器、高速模擬開(kāi)關(guān)、高速A/D轉(zhuǎn)換器、高速D/A轉(zhuǎn)換器集成在一片ASIC芯片內(nèi)，一個(gè)ASIC 芯片完成對(duì)2000元探測(cè)器8路紅外信號(hào)的處理。
[0007] 具體包含下列步驟：
[0008] 1)對(duì)長(zhǎng)線列探測(cè)器前端信號(hào)鏈路進(jìn)行優(yōu)化，采用每8個(gè)紅外通道為1個(gè)前端單元 模塊進(jìn)行合并集成的方式，每個(gè)前端單元模塊主要含8通道模擬信號(hào)調(diào)理模塊，含信號(hào)輸 入、相減、放大處理、SPI接口模塊、A/D模塊、D/A模塊；
[0009] 2)采用基于前端單元模塊的設(shè)計(jì)方法完成對(duì)長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器信息獲取，每個(gè)前 端單元模塊能獨(dú)立處理2000元長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器的輸出信號(hào)；
[0010] 3)將該前端單元模塊集成設(shè)計(jì)為ASIC(專用集成電路芯片）固化技術(shù)狀態(tài)。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一種星載超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器信息獲取電路的前端單元模塊（8通 道紅外信號(hào)調(diào)理ASIC)，由片內(nèi)的24個(gè)寬帶運(yùn)放、1個(gè)高速A/D、8個(gè)高速D/A、采用保持器、 高速模擬開(kāi)關(guān)、8個(gè)PGA組成，具備以下功能：
[0012] 1)在一個(gè)紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘周期內(nèi)，能對(duì)2000元紅外探測(cè)器（8路輸出）模 擬信號(hào)分時(shí)進(jìn)行儀器背景信號(hào)相減、放大、A/D量化，通道隔離度大于60dB，信噪比滿足 200:liPGA = 31 ；
[0013] 2)能通過(guò)SPI總線接口，對(duì)8個(gè)紅外通道分別進(jìn)行獨(dú)立的增益調(diào)節(jié)并回讀當(dāng)前狀 態(tài)；
[0014] 3)能通過(guò)D/A，對(duì)8個(gè)紅外通道模擬信號(hào)能進(jìn)行動(dòng)態(tài)背景相減；
[0015] 4) A/D量化位數(shù)12位，轉(zhuǎn)換頻率不低于24MSPS，單片輸出數(shù)據(jù)率最高為288Mbps ; 12位D/A，轉(zhuǎn)換頻率不低于24MSPS。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：相對(duì)于傳統(tǒng)分通道獨(dú)立進(jìn)行信息獲取的 方案，采用基于前端單元模塊的集成設(shè)計(jì)方案全面解決了超長(zhǎng)線列探測(cè)器信息獲取技術(shù)中 低噪聲、高帶寬、高采樣率、多通道、小體積、輕量化、低功耗、高擴(kuò)展性、高電磁兼容性、高可 靠性等技術(shù)難點(diǎn)，使我國(guó)星載超長(zhǎng)線列探測(cè)器信息獲取技術(shù)上了一個(gè)臺(tái)階，在該領(lǐng)域開(kāi)拓 了 一條新道路。
[0017] 具體如下：
[0018] 1功耗降低了 46%，重量降低了約85%，滿足了平臺(tái)對(duì)載荷的資源約束；降低走線 量，提高了 EMC能力；噪聲、帶寬、采樣率、可靠性滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求；
[0019] 2擴(kuò)展性成倍提高，采用多片并行工作的方法可以適應(yīng)未來(lái)線列探測(cè)器在規(guī)模上 繼續(xù)增長(zhǎng)；兼容超長(zhǎng)線列TDI紅外探測(cè)器；
[0020] 3前端模塊轉(zhuǎn)成ASIC后，克服了航天儀器由于特有的對(duì)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(shuō)明】
[0021] 圖1為；可擴(kuò)展的長(zhǎng)線列探測(cè)器信號(hào)獲取電路框圖。
[0022] 圖2為：前端單元模塊（8通道紅外信號(hào)調(diào)理電路）結(jié)構(gòu)圖。
[0023] 圖3為：星載4000元長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器信息獲取系統(tǒng)示意圖。
[0024] 圖4為：前端單元模塊（8通道紅外信號(hào)調(diào)理電路）內(nèi)部工作時(shí)序圖。
[0025] 圖5為：星載可擴(kuò)展長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器信息獲取電路實(shí)物圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖3?圖5給出本發(fā)明較好實(shí)施例。
[0027] 實(shí)施例1根據(jù)圖4星載4000元紅外超長(zhǎng)線列探測(cè)器前端信息獲取系統(tǒng)的工作步 驟如下：
[0028] S1、星載儀器通電，外圍驅(qū)動(dòng)電路工作，星載4000元長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器輸出32路 模擬信號(hào)，分送4個(gè)前端單元模塊；在輸入時(shí)鐘同頻同相的情況下，多個(gè)前端單元模塊協(xié)同 工作時(shí)，輸出的各類同步信號(hào)必須同頻同相，相位偏差控制在半個(gè)主時(shí)鐘周期內(nèi)；
[0029] S2、當(dāng)探測(cè)器像元驅(qū)動(dòng)信號(hào)CP(附圖4)上升沿到來(lái)時(shí)，每個(gè)前端單元模塊對(duì)輸入 的8路模擬信號(hào)進(jìn)行采樣保持，相關(guān)雙采樣減法運(yùn)算，然后采樣保持；
[0030] S3:、對(duì)來(lái)自D/A的紅外儀器背景信號(hào)進(jìn)行相減，拓展了動(dòng)態(tài)范圍，通過(guò)多路高速 模擬開(kāi)關(guān)將信號(hào)送A/D量化，量化位數(shù)為12bit，轉(zhuǎn)換頻率為24MSPS，在一個(gè)紅外探測(cè)器驅(qū) 動(dòng)時(shí)鐘周期CP(附圖4)內(nèi)必須完成8路信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換（附圖4, AD_INT為轉(zhuǎn)換完成信 號(hào)，AD_WR為轉(zhuǎn)換后的輸出信號(hào)）；同時(shí)，對(duì)A/D量化后的信號(hào)經(jīng)后續(xù)處理電路處理后，可反 饋回前端單元模塊的D/A輸入端，循環(huán)處理；也可以通過(guò)SPI接口，使D/A輸入端斷開(kāi)并接 入全0信號(hào)；在一個(gè)紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘周期內(nèi)必須完成數(shù)據(jù)的D/A轉(zhuǎn)換（附圖4，DA_INT 為D/A轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備信號(hào)，DA_WR為數(shù)據(jù)輸入信號(hào)）；
[0031] S4、根據(jù)S3中采集到的A/D數(shù)據(jù)，通過(guò)SPI接口發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)前端單元模 塊中各紅外模擬通道的增益，使?jié)M足要求。
【權(quán)利要求】
1. 一種集成化的星載長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器前端信息獲取電路，其特征在于：所述的前端 信息獲取電路由多塊前端單元模塊構(gòu)成，電路對(duì)長(zhǎng)線列探測(cè)器前端信號(hào)鏈路進(jìn)行優(yōu)化，將 8路紅外信號(hào)調(diào)理電路集成為1個(gè)前端單元模塊，每個(gè)前端單元模塊獨(dú)立工作；采用多個(gè) 前端單元模塊進(jìn)行并行工作的方式，實(shí)現(xiàn)處理多達(dá)上萬(wàn)元的超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器信號(hào)的能 力； 所述的前端單元模塊對(duì)8路紅外信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行集成，將運(yùn)算放大器、采樣保持器、 高速模擬開(kāi)關(guān)、高速A/D轉(zhuǎn)換器、高速D/A轉(zhuǎn)換器集成在一片ASIC芯片內(nèi)，一個(gè)ASIC芯片 完成對(duì)2000元探測(cè)器8路紅外信號(hào)的處理。
【文檔編號(hào)】G01J5/02GK104142181SQ201410341406
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】林長(zhǎng)青, 孫勝利, 李璐芳, 周雙喜, 王運(yùn), 趙明, 喻琪超, 程揚(yáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所