集成化的星載超長線列紅外探測器前端信息獲取電路的制作方法
【專利摘要】本專利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。本專利對長線列探測器前端信號鏈路進行優(yōu)化，采用每8個通道為1個前端單元模塊進行集成的設(shè)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；并將前端模擬單元轉(zhuǎn)為ASIC芯片，每個芯片可完成8路紅外探測器信號從模擬前端到數(shù)字量化的處理全過程。采用該技術(shù)方案后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)計技術(shù)難題，解決了超長線列紅外探測器信號獲取電路規(guī)模與平臺的資源矛盾，消除了限制星載紅外遙感技術(shù)發(fā)展的一項技術(shù)瓶頸。
【專利說明】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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利涉及星載紅外相機信息獲取【技術(shù)領(lǐng)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，且超長線列紅外探測器信號獲取電路規(guī)模與平臺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),包括探測器和信號讀出電路，而當(dāng)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(shù)一般都是按通道進行設(shè)計，每個通道對應(yīng)完整、冗長的信號調(diào)理和采集電路，或者采用模擬開關(guān)在A/D量化前進行信號復(fù)用，這在探測器規(guī)模較小、駐留時間長、采樣頻率低的應(yīng)用場合是可行的。但近幾年隨著遙感技術(shù)在高時間、高空間、高光譜分辨率的發(fā)展，線列探測器規(guī)模急劇膨脹，輸出通道數(shù)(抽頭數(shù))成幾何級數(shù)增長，若按現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)計，由于信號路數(shù)成倍數(shù)增多，復(fù)用開關(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、重量等資源需求會線性增加，而衛(wèi)星平臺資源是有限的，這一矛盾無法解決。例如，以中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的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(fā)展和應(yīng)用，現(xiàn)有技術(shù)路線已經(jīng)無法滿足性能指標(biāo)，可擴展性極差，且與平臺的資源矛盾不可調(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，本專利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(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、高擴展性、高電磁兼容性、高可靠性設(shè)計技術(shù)難題。
[0005]本專利的技術(shù)方案為:前端信息獲取電路由多塊前端單元模塊構(gòu)成，所述的前端單元模塊對8路紅外信號調(diào)理電路進行集成，將運算放大器、采樣保持器、高速模擬開關(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ASIC芯片完成對2000元探測器8路紅外信號的處理。
[0006]前端信息獲取電路電路對長線列探測器前端信號鏈路進行優(yōu)化，采用多個前端單元模塊進行并行工作的方式，實現(xiàn)處理多達上萬元的超長線列紅外探測器信號的能力。
[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(yōu)化，采用每8個紅外通道為I個前端單元模塊進行合并集成的方式，每個前端單元模塊主要含8通道模擬信號調(diào)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)采用基于前端單元模塊的設(shè)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(shè)計為ASIC(專用集成電路芯片)固化技術(shù)狀態(tài)。
[0011]根據(jù)本專利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(diào)理ASIC)，由片內(nèi)的24個寬帶運放、I個高速A/D、8個高速D/A、采用保持器、高速模擬開關(guān)、8個PGA組成，具備以下功能:
[0012]I)在一個紅外探測器驅(qū)動時鐘周期內(nèi)，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，通道隔離度大于60dB，信噪比滿足200:1iPGA = 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(diào)節(jié)并回讀當(dāng)前狀態(tài)；
[0014]3)能通過D/A，對8個紅外通道模擬信號能進行動態(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，本專利的有益效果是:相對于傳統(tǒng)分通道獨立進行信息獲取的方案，采用基于前端單元模塊的集成設(shè)計方案全面解決了超長線列探測器信息獲取技術(shù)中低噪聲、高帶寬、高采樣率、多通道、小體積、輕量化、低功耗、高擴展性、高電磁兼容性、高可靠性等技術(shù)難點，使我國星載超長線列探測器信息獲取技術(shù)上了一個臺階，在該領(lǐng)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、采樣率、可靠性滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求；
[0019]2擴展性成倍提高，采用多片并行工作的方法可以適應(yīng)未來線列探測器在規(guī)模上繼續(xù)增長；兼容超長線列TDI紅外探測器；
[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(diào)理電路)結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖3為:星載4000元長線列紅外探測器信息獲取系統(tǒng)示意圖。
[0024]圖4為:前端單元模塊(8通道紅外信號調(diào)理電路)內(nèi)部工作時序圖。

【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖3?圖4給出本專利較好實施例。
[0026]實施例1根據(jù)圖4星載4000元紅外超長線列探測器前端信息獲取系統(tǒng)的工作步驟如下:
[0027]S1、星載儀器通電，外圍驅(qū)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(xié)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(nèi)；
[0028]S2、當(dāng)探測器像元驅(qū)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路模擬信號進行采樣保持，相關(guān)雙采樣減法運算，然后采樣保持；
[0029]S3:、對來自D/A的紅外儀器背景信號進行相減，拓展了動態(tài)范圍，通過多路高速模擬開關(guān)將信號送A/D量化，量化位數(shù)為12bit，轉(zhuǎn)換頻率為24MSPS，在一個紅外探測器驅(qū)動時鐘周期CP(附圖4)內(nèi)必須完成8路信號的A/D轉(zhuǎn)換(附圖4，AD_INT為轉(zhuǎn)換完成信號，AD_WR為轉(zhuǎn)換后的輸出信號)；同時，對A/D量化后的信號經(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SPI接口，使D/A輸入端斷開并接入全O信號；在一個紅外探測器驅(qū)動時鐘周期內(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，DA_WR為數(shù)據(jù)輸入信號)；
[0030]S4、根據(jù)S3中采集到的A/D數(shù)據(jù)，通過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線列紅外探測器前端信息獲取電路，它由多塊前端單元模塊構(gòu)成，其特征在于:所述的前端單元模塊對8路紅外信號調(diào)理電路進行集成，將運算放大器、采樣保持器、高速模擬開關(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ASIC芯片完成對2000元探測器8路紅外信號的處理。
【文檔編號】G01J5/10GK204085701SQ201420396093
【公開日】2015年1月7日 申請日期: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(xué)院上海技術(shù)物理研究所