華中光電技術(shù)研究所 阮仁秋 丁 捷

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一種具有角位置信號反饋的振鏡驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

華中光電技術(shù)研究所 阮仁秋 丁 捷

【摘要】在線陣掃描型紅外熱像儀中，掃描振鏡是重要的組成部分，其功能是將景物經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)匯聚后的輻射信息精確傳遞到探測器靶面上，所以振鏡的掃描角度就決定了信號能否精確到達(dá)靶面。而振鏡的掃描角度又由驅(qū)動硬件電路所控制。針對此，本文提出了一種基于DSP控制方案，具有角度位置反饋的振鏡驅(qū)動電路。

【關(guān)鍵詞】線陣紅外熱像儀；振鏡；角度位置反饋

1 引言

目前，線陣紅外熱像儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、民用領(lǐng)域。線陣紅外熱像儀的成像原理是基于熱輻射定律，一切高于絕對零度的物體都具有熱輻射［1］。即是鏡頭光學(xué)系統(tǒng)將無窮遠(yuǎn)處的景物輻射聚焦到探測器靶面上，將輻射光信號轉(zhuǎn)變成模擬電信號，再經(jīng)過圖像處理硬件電路實(shí)現(xiàn)圖像輸出。然而景物輻射在到達(dá)探測器之前必須經(jīng)振鏡掃描輻射信息，到達(dá)探測器靶面，排列、處理，才能真正意義上的還原景物的真實(shí)信息。振鏡工作的可靠性將決定熱像儀的成像質(zhì)量，所以熱像儀中振鏡的控制電路將影響最后的成像質(zhì)量。

掃描鏡在線陣紅外熱像儀中的工作原理是，其是基于DSP為控制核心，當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，由于探測器要達(dá)到正常工作溫度需要一定的時(shí)間，所以此時(shí)掃描鏡接收到的控制信號是一個慢掃描的過程。當(dāng)探測器杜瓦瓶達(dá)到正常工作溫度時(shí)，控制芯片立刻給掃描鏡驅(qū)動模塊發(fā)送指令，其實(shí)現(xiàn)快掃描。從而才能實(shí)現(xiàn)圖像輸出。

掃描振鏡的工作狀態(tài)完全是由驅(qū)動電路所決定，驅(qū)動電路是介于振鏡與核心控制芯片之間的橋梁，當(dāng)上位機(jī)要發(fā)送指令使系統(tǒng)達(dá)到某個運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，DSP會發(fā)出指令，從而實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，使驅(qū)動電路獲得模擬信號，才能驅(qū)動振鏡運(yùn)行。反之驅(qū)動電路還能檢測振鏡的運(yùn)行狀態(tài)，再通過A/D轉(zhuǎn)換傳遞給DSP，就直接能從上位機(jī)上查看狀態(tài)信息。

振鏡掃描的過程實(shí)質(zhì)上就是角度輸出的過程，而振鏡的中心位置是前端光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置，而如果不能對其掃描角度實(shí)行精確穩(wěn)定的控制。將影響輻射信息到達(dá)探測器。

2 掃描鏡驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

掃描振鏡包括反射鏡片、運(yùn)動電機(jī)以及外部控制電路組成［2］?？刂茠呙桤R實(shí)質(zhì)上就是控制電機(jī)按照系統(tǒng)內(nèi)部要求作往返運(yùn)動。即是只有采取相應(yīng)的伺服驅(qū)動控制，電機(jī)才可按要求工作。

本文中控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，功率放大和增益放大之間有微分反饋和電流反饋，電流反饋保證了掃描的高精度和響應(yīng)的快速性；轉(zhuǎn)速微分反饋單元確保了振鏡電機(jī)線圈電流的平穩(wěn)，減少電流超調(diào)量，增強(qiáng)系統(tǒng)響應(yīng)速度。通過對輸出信號與輸入信號之間增加了角位置反饋單元，的處理能夠保證電機(jī)準(zhǔn)確、快速、平穩(wěn)運(yùn)行。

振鏡信號為模擬電壓輸入，相應(yīng)的輸入電壓對應(yīng)反射鏡相應(yīng)的角度偏轉(zhuǎn)。

通常來說，振鏡電路的最大電壓為±5V或者±10V。即此時(shí)電壓為反射鏡偏轉(zhuǎn)的最大角度位置偏轉(zhuǎn)電壓，當(dāng)電壓繼續(xù)增大時(shí)反射鏡將不再偏轉(zhuǎn)。在輸入電路中往往階躍瞬間輸入信號與反饋信號之間幅度差值過大，這就可能會導(dǎo)致輸出級功率放大器的電流過大，超出了其所能承受最大電流，使系統(tǒng)無法正常工作。所以為了確保電機(jī)能夠安全可靠工作，則需要對輸入信號進(jìn)行處理。處理電路如圖1所示。

圖1 輸入信號處理電路

圖2 輸出信號處理電路

然而在輸出電路部分，其目的是為了給掃描振鏡電機(jī)驅(qū)動，即是給電機(jī)線圈提供足額的電流，以產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。所以在輸出電路中，實(shí)質(zhì)上就是電流放大電路。本文采用的功率放大器LM3886，其在結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中有以下特點(diǎn)，輸出功率大；失真度?。偸д婕釉肼暎?.03%）；電流電壓抗過載能力強(qiáng)；環(huán)境溫度試驗(yàn)得出其高低溫工作穩(wěn)定性較好；以及抗電流瞬間沖擊力較強(qiáng)。輸出功率放大電路如2所示。

在輸出信號電纜中，為保證掃描鏡在系統(tǒng)中正常穩(wěn)定的工作，其還可以對掃描鏡運(yùn)行時(shí)的電壓以及電流進(jìn)行監(jiān)控。

3 角位置反饋處理電路

從第二節(jié)驅(qū)動原理中可以看到，通常采取的反饋手段為電流反饋與微分反饋，而從實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，這兩種反饋方式還存在著一定的高頻信號。然而角位置信號目的是通過獲得高頻信號的幅值用以確定角度偏差。其原理如下，因?yàn)樵谡耒R電機(jī)中，傳感器是可變差動電容式傳感器，可變差動電容式傳感器輸出高頻幅值通過電容值的改變而發(fā)生相應(yīng)變化。也就是說高頻信號幅值的大小由電容值調(diào)節(jié)。那么我們可以把獲得角度偏差的大小轉(zhuǎn)化為計(jì)算高頻信號幅值。

角位置信號檢測處理電路是由二極管檢波電路和差分濾波電路夠成。首先檢波電路獲得高頻信號，再由濾波電路濾波反饋給輸入電路。

圖3 檢波電路

檢波電路如圖3所示，實(shí)質(zhì)上就是角度位置信號經(jīng)過解調(diào)后，再經(jīng)過二極管檢波電路，進(jìn)行RC低通濾波，再進(jìn)行差分放大，就可以得到相應(yīng)的角度信號。差分放大電路如圖4所示。

圖4 差分放大電路

如圖4中所示的輸入信號Ia、Ib為角度位置信號經(jīng)過二極管檢波電路得到的信號，VA、VB為差分信號，VP就是所要得到的角度反饋信號。

4 結(jié)論

本文提出了一種具有角度反饋信號的掃描振鏡驅(qū)動電路，其控制核心是DSP，重點(diǎn)介紹了驅(qū)動電路中反饋信號除了基于增益放大和功率放大產(chǎn)生的微分反饋和電流反饋外，通過獲取高頻信號幅值而得到的角位置反饋。經(jīng)過實(shí)際的測試這種驅(qū)動電路對掃描振鏡掃描角的控制更加精確與穩(wěn)定，尤其在熱像儀光軸校正、視場標(biāo)定中更加精確和快捷。不僅如此，本文提出的掃描鏡驅(qū)動方法在激光掃描系統(tǒng)中同樣可以借鑒參考。

參考文獻(xiàn)

［1］楊臣華，梅遂生，林鈞挺.激光與紅外工程手冊［M］.北京﹕國防工業(yè)出版社，1990.

［2］劉本善，裴先登，盧祖弼.振鏡掃描系統(tǒng)的特性研究［J］.電子計(jì)算機(jī)外部設(shè)備.1994，18（6）.

作者簡介：

阮仁秋（1985－），碩士，工程師，主要從事紅外成像技術(shù)及應(yīng)用方面的研究。