陳倩，高丹，曹璨，李文通，王瑞芬

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點源紅外探測器信號預(yù)處理電路的研究

陳倩1,2*，高丹1,2，曹璨1,2，李文通1,2，王瑞芬1,2

（1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海，201109；2.中國航天科技集團公司紅外探測技術(shù)研究中心，上海，201109）

針對傳統(tǒng)紅外點源探測器信號預(yù)處理電路，在多目標(biāo)的情況下，強目標(biāo)形成脈沖信號的充放電過程會導(dǎo)致弱目標(biāo)脈沖信號無法被采集的問題，提出了一種利用快速恢復(fù)二極管箝位電路，縮短信號預(yù)處理電路電容放電時間電路設(shè)計方法。利用快速恢復(fù)二極管導(dǎo)通電流大的特性，加速信號輸出端的濾波電容的放電過程，使得弱目標(biāo)盡可能被完整提取。通過理論計算和仿真的結(jié)果，表明該設(shè)計方法可以有效縮短濾波電容的充放電時間，最大程度地保留弱目標(biāo)脈沖信號的信息特征。

點源探測器；預(yù)處理電路；多目標(biāo)；快速恢復(fù)二極管；充放電時間；信息特征

引言

紅外點源探測技術(shù)產(chǎn)生于上世紀(jì)40年代中期,經(jīng)過50多年的發(fā)展,由于具有效費比高、被動探測，能探測低空目標(biāo)等優(yōu)點，在近程防御導(dǎo)彈上被廣泛應(yīng)用。點源探測器在對多目標(biāo)進行探測時，傳統(tǒng)信息預(yù)處理電路處理目標(biāo)脈沖信號時存在充放電過程，如果存在紅外能量較高的目標(biāo)，將會導(dǎo)致弱目標(biāo)無法被探測到，損失探測信息。本文提出一種利用快速開關(guān)二極管箝位電路，縮短信號預(yù)處理電路電容放電時間電路設(shè)計方法，可以有效降低點源探測器對多目標(biāo)探測時損失弱目標(biāo)脈沖信號的概率。

1 紅外探測信號預(yù)處理電路及紅外信息處理基本框架

紅外探測信號預(yù)處理電路主要對探測器經(jīng)過讀出電路輸出的紅外探測信號進行濾波和線性放大處理，提取出其中的脈沖信號，即紅外信息信號，保留其脈沖信號特征，以供后級信息處理系統(tǒng)再進行復(fù)雜的運算處理，信息流程處理框圖見圖1。

圖1 信息流程處理框圖

2 傳統(tǒng)預(yù)處理電路設(shè)計及存在的問題

紅外探測器通過感應(yīng)紅外能量將紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，同一個紅外源被探測，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和光機掃描形成一定周期出現(xiàn)的紅外脈沖，如圖2-a所示的紅外探測信號（仿真）：

紅外探測信號包含直流分量和脈沖信號，其中脈沖信號是紅外探測器敏感紅外目標(biāo)源形成的，直流分量是紅外探測器敏感紅外背景形成的。一般來說，對紅外探測信號首先進行線性放大，由于所需的脈沖信號疊加了直流分量，經(jīng)過放大后得到的脈沖信號有超出電路輸出范圍的風(fēng)險，所以為了將紅外探測信號中的脈沖信號提取出來，先將紅外信號經(jīng)過高通濾波器，濾除直流分量，提取信號，仿真信號波形如圖2-b所示：

由于濾波器中電容的充放電特性，經(jīng)過高通濾波器之后的脈沖信號底部不是理想的零電平，有明顯的充放過程，且充電的深度、放電時間與電容容值、脈沖信號的幅值相關(guān)。

當(dāng)探測視場中存在多個紅外目標(biāo)時，紅外探測信號為多個不同周期和幅值的脈沖信號。以視場中有兩個紅外目標(biāo)A、B為例，A位于視場中心，能量較弱，形成的脈沖個數(shù)較多，B位于視場邊緣，能量較強，形成的脈沖個數(shù)較少，探測器通過感應(yīng)調(diào)制，輸出的紅外信號包含了幅值、周期不同的兩種脈沖信號，仿真信號波形如下圖3-a：

圖3 多目標(biāo)的紅外探測信號

通過電容之后，目標(biāo)B形成的脈沖信號幅值較高，其充放過程會使時序上近鄰出現(xiàn)能量較弱的目標(biāo)A的脈沖被下沉，嚴(yán)重時脈沖可能在零電平以下，無法被后級電路采集到，損失了有用的目標(biāo)信息，仿真信號波形如圖3-b。

假設(shè)信號B的幅值為V，脈寬為t，周期為T，信號A的幅值為V，脈寬為t，周期為T，由于目標(biāo)A能量弱，形成的脈沖幅值低，其充放電影響較小，可忽略不計。近似計算，由信號B下降沿充放電產(chǎn)生反向電壓峰值為：

V是電容初始電壓，Vt為在t時刻電容電壓，則根據(jù)公式（2），可計算出

3 解決方法

當(dāng)存在多個目標(biāo)時，并且其中有高能量目標(biāo)，高能量目標(biāo)脈沖幅值越高，脈寬越寬，電容充放電程度越大，信號下沉的幅度也越大，其他能量較低的目標(biāo)無法被采集的風(fēng)險越大。為了解決這個問題，電容之后增加了二極管箝位電路，原理見圖4。二極管具有正向特性和反向特性，由二極管伏安特性曲線可知，當(dāng)二極管上的正向電壓較小時，正向電流小，幾乎等于零。只有當(dāng)二極管兩端電壓超過某一數(shù)值UON（死區(qū)電壓）時，正向電流才明顯增大，隨著電壓的升高，正向電流將迅速增大，電流與電壓的關(guān)系基本上是一條指數(shù)曲線，由正向特性曲線可見，流過二極管的電流有較大的變化，二極管兩端的電壓卻基本保持不變。

圖4 改進電路原理圖

如圖4所示，雖然采用的是箝位電路形式，但選用的快速恢復(fù)二極管，利用其正向?qū)娏鞔蟮奶匦?，縮短電容放電時間，在D1的正向端接VCC來平衡D1自身的死區(qū)電壓，使得D1只會在紅外信號幅值小于零時導(dǎo)通，而當(dāng)紅外信號幅值大于零時，D1相當(dāng)于斷路，與之前圖2中所示的預(yù)處理電路無異，所以紅外信號波形可以被完整保留。改進電路可以等效為如圖5兩種情況：

圖5 電路等效簡化圖

R為二極管在導(dǎo)通時的等效電阻，后級電路的輸入阻抗可看作是R與負(fù)載的并聯(lián)阻抗。當(dāng)V<0時，因為R遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻，所以后級輸入阻抗可看作是R，因為R阻值很小，負(fù)載輸出近似為零，當(dāng)V＞0時，因為R為∞，所以后級輸入阻抗可近似等于負(fù)載阻抗。電路改進前后仿真圖見圖6：

圖6 電路改進前后仿真圖

4 仿真結(jié)果

根據(jù)以上理論描述，為方便仿真計算比較，設(shè)定信號A的幅值V=1V，脈寬t=0.2ms，周期T=2ms，假設(shè)信號直流分量為1V，二極管正向?qū)ǖ牡刃щ娮鑂=100Ω，C1=0.33μF，R1=R2=R3=R4=33kΩ，根據(jù)公式1、公式2可以得出：

表1 電路改進前后結(jié)果對比圖

從仿真結(jié)果可以得出，改進前的狀態(tài)信號B的幅值越大，脈寬越寬，信號B脈沖下降沿與信號A正向脈沖之間的間隔時間越長，說明丟失的信號A的脈沖個數(shù)越多，經(jīng)過改進，即使當(dāng)信號B幅值飽和，間隔時間也大大縮短。減小了近鄰脈沖被充放電過程湮沒的風(fēng)險。改進后的電路在實際應(yīng)用中可以有效縮短濾波電容的充放電時間，減少由于電容放電而丟失的弱目標(biāo)脈沖的個數(shù)，最大程度地保留了弱目標(biāo)脈沖信號特征。

5 結(jié)束語

在多紅外目標(biāo)信息預(yù)處理電路中，傳統(tǒng)電路的處理方式存在高能量信號脈沖由于電容充放電特性帶來的低能量信號脈沖丟失的問題，在原有設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計了快速充放電電路，通過理論計算和仿真試驗，結(jié)果表明，該電路提高了在多目標(biāo)環(huán)境下低能量信號脈沖特征被保留的完整性，有效降低有用信息脈沖丟失的概率，對紅外探測系統(tǒng)中多目標(biāo)紅外信息識別、定位確定具有重要意義。

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Research on Infrared Point Source Detector Signal Preprocess Circuit

CHEN Qian1,2*, GAO Dan1,2, CAO Can1,2, LI Wentong1,2, WANG Ruifen1,2

（1. Shanghai Aerospace Control Technology Institute, Shanghai, 201109, China; 2. Infrared Detection Technology Research & Development Center of CASC, Shanghai, 201109, China）

In multiple target situation, signal preprocess circuit of traditional infrared point source detector may lose dim targets because of the strong targets’ discharge process through capacitor. This thesis suggests a solution that may shorten discharge time by using fast-recovery diode in form of clamping circuit. Due to large conduction current, the fast-recovery diode speeds up the discharging process. The theory analysis and stimulation data prove that the solution shortens the filter capacitor’s discharge time effectively and the preprocess system extracts the dim targets and reserves the target’s characteristics as much as possible.

point source detector; preprocess circuit; multiple target; fast-recovery diode; Charge and discharge time; Information feature

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.08.012

TN786

A

1672-9129(2017)08-0026-03

陳倩, 高丹, 曹璨, 等. 點源紅外探測器信號預(yù)處理電路的研究[J]. 數(shù)碼設(shè)計, 2017, 6(8): 26-28.

CHEN Qian, GAO Dan, CAO Can, et al. Research on Infrared Point Source Detector Signal Preprocess Circuit[J]. Peak Data Science, 2017, 6(8): 26-28.

2017-03-20；

2017-04-15。

陳倩（1984-），女，上海，工程師，學(xué)士，研究方向：戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈信號處理硬件系統(tǒng)設(shè)計。E-mail:2945715417@qq.com