楊 科，程 剛，郭 羽，周根東，盧 飛，李 輝，劉建平，孫宇楠，宮經(jīng)珠，張 旭，吳李鵬，張 清，孫 帥，郭 建

（1.西安應用光學研究所，陜西 西安 710065；2.西安北方光電科技防務有限公司，陜西 西安 710043）

引言

精密紅外輻射計是通過對物體表面紅外輻射進行檢測，從而得到物體表面溫度的測量設(shè)備，是研制紅外熱像儀測試設(shè)備的校準裝置，用于測量和標定紅外熱像儀測試設(shè)備的輻射溫度均勻性、輻射溫差和儀器常數(shù)[1-3]。精密紅外輻射計主要由望遠紅外透鏡組件、驗證黑體、瞄準系統(tǒng)、參考黑體、限光光欄、濾光單元、反射鏡、測量模塊等組成[4-6]。

精密紅外輻射計測量的輻射溫差信號，是非常微弱的信號，且由于各種空間電磁輻射的干擾，以及測量儀器自身的干擾，被測信號往往淹沒在噪聲紋波當中。針對微弱信號的測量，國內(nèi)外的現(xiàn)有測量模塊一般都采用相敏檢波方案，該方案首先通過設(shè)定頻率的斬波器來對被測信號進行調(diào)制，然后再利用調(diào)制信號和噪聲的頻譜特性將噪聲剔除獲得測量值[7-9]。該方案能有效地從噪聲中測量到微弱的信號，但由于電路復雜，還需要調(diào)節(jié)正反向放大增益一致，尤其對調(diào)制信號和參考信號的相位差很敏感，任何相位差都會嚴重損失能量，導致系統(tǒng)可靠性降低。

為了簡化測量模塊，提高信噪比，本文對精密紅外輻射計的測量方案進行了研究創(chuàng)新，提出了采樣保持的測量方案，通過生成采樣脈沖和設(shè)置采樣點，最終簡化了測量模塊，并在同等條件下顯著提高了信噪比。

1 測量原理

被測信號經(jīng)過斬波器調(diào)制后，理想情況下會變成方波，如圖1 所示。實際中由于斬波器葉片對信號的切割是逐步進行的，因此調(diào)制后的信號往往為梯形波。而且信號越弱，梯形波的斜坡越緩；信號越強，梯形波的斜坡越陡，梯形波再經(jīng)過隔直電容會變成交流梯形波信號。

圖 1 斬波器調(diào)制信號示意圖Fig.1 Schematic diagram of chopper modulation signal

1.1 相敏檢波方案信號分析

相敏檢波方案一般通過參考信號控制4 路模擬開關(guān)的通斷，將放大電路切換到同相或反向模式，進而把交流梯形波信號的正半周期進行同相放大，把信號的負半周期進行反相放大[10-12]，實現(xiàn)將交流梯形波信號負半周期的負電壓翻轉(zhuǎn)成正電壓，再通過積分器進行平均，作為最終測量值[13-15]。

為便于理論分析，將被測信號分為弱信號和強信號2 種，并且根據(jù)梯形波的斜坡的實際情況，用正弦波來等效弱信號，用方波來等效強信號；假設(shè)被測信號和參考信號同頻同相，初始相位都為0。

1.1.1 弱信號模型分析

用A表 示參考信號的表達式，用u0表示正弦波信號，則其表達式為

u0=AUsinωt

式中：用U代表正弦波信號的振幅，當參考信號在正半周期時A為 1，當參考信號在負半周期時A為-1；用u1表示相敏檢波的輸出電壓信號，則u1表達式為

u1=|Usinωt|

u1再通過積分器，對電壓信號進行平均，獲得最終的測量值；用u2來表示最終的測量值，根據(jù)理論推導，u2表達式為

從表達式可以看出，對于弱信號，得到的最終測量值的理論值，只有峰值電壓U的63%。

1.1.2 強信號模型分析

用A表 示參考信號的表達式，用u3表示方波，則其表達式為

u3=AU

式中：用U代表方波信號的振幅，當參考信號在正半周期時A為 1，當參考信號在負半周期時A為-1。用u4表示相敏檢波的輸出電壓信號，則u4表達式為

u4=|U|

u4再通過積分器，對電壓信號進行平均，獲得最終的測量值；用u5表示最終的測量值，根據(jù)理論推導，u5表達式為

從表達式可以看出，對于強信號，得到的最終測量值的理論值，就是峰值電壓U。

1.2 采樣保持方案信號分析

本文提出了一種基于采樣保持的測量方案，利用采樣保持電路采樣后能長期保持采樣電壓的特點，在每個周期內(nèi)只采樣一次，并將采樣點設(shè)置在每個周期的1/4 相位處，因為此處振幅最大能量最強。同樣以正弦波信號u0作為輸入信號，所獲得的采樣電壓就是峰值電壓U。對于采樣保持電路，用u6表示采樣保持的輸出電壓信號，則u6表達式為

u6=U

u6再通過積分器，對電壓信號進行平均，獲得最終的測量值；用u7表示最終的測量值，根據(jù)理論推導，u7表達式為

通過理論分析可以看出，無論是強弱信號，采樣保持方案的最終測量值，都是信號的振幅U。相比于相敏檢波方案，采樣保持方案的優(yōu)勢尤其表現(xiàn)在對弱信號的檢測上，可使弱信號最終測量值的強度提升58%；對于強信號兩者性能一致。由于精密紅外輻射計主要用于微弱信號的測量，而且采樣保持方案極大地簡化了電路，因此該方案可同時提高測量模塊的可靠性和信噪比。

2 測量模塊組成

采樣保持模塊的原理框圖如圖2 所示。主要特點在于采樣脈沖電路和采樣保持電路，當采樣脈沖信號為高電平時，可以打開采樣保持電路的采樣開關(guān)，對被測信號進行采樣；當采樣脈沖信號為低電平時，可以關(guān)閉采樣保持電路的采樣開關(guān)，對被測信號進行保持。因此可以通過調(diào)節(jié)采樣脈沖信號的相位和寬度，分別控制采樣保持電路的采樣位置和采樣時長，對被測信號進行采樣或保持。

圖 2 采樣保持測量模塊Fig.2 Measurement module of sample and hold

由于采樣保持電路可以長期保持采樣電壓，一個周期只需要采樣1 次，不需要復雜的相敏檢波電路，因此簡化了測量電路。為了提高測量值，選擇在被測信號能量最強的時候進行采樣。根據(jù)參考信號的頻率和相位，在每個調(diào)制周期的1/4 相位處，設(shè)置為采樣點，產(chǎn)生需要的采樣脈沖信號；對于采樣時長，可根據(jù)被測信號的具體波形峰值保持的時長進行設(shè)置，一般設(shè)置為1 ms。

3 實驗測試與分析

在環(huán)境溫度為25℃、環(huán)境濕度為45%的條件下，對于相同黑體輻射以及相同前放電路增益的條件，驗證黑體溫度從60℃～35℃每間隔5℃設(shè)置測試點，對比2 種方案的輸出測量信號強度。其中，黑體選用美國的SBIR，溫度范圍為15℃～60℃，分辨率為0.001℃；斬波器選用廣州塞恩的SR540 型,斬波頻率設(shè)置為30 Hz；紅外探測器選用上海技術(shù)物理研究所的碲鎘汞探測器，斯特林制冷型單像元探測器，像元面積為1 mm×1 mm,響應波段8 μm～12 μm。實驗設(shè)備實物如圖3～圖5所示。

圖6 是黑體在60℃時的輻射信號，經(jīng)過斬波器調(diào)制后，在電子系統(tǒng)測量電路采集到的信號波形，其中1 通道為采樣脈沖波形，2 通道為前放的輸出波形，3 通道為采樣保持電路的輸出波形。

圖 3 黑體實物圖Fig.3 Physical photo of black body

圖 4 斬波器實物圖Fig.4 Physical photo of chopper

圖 5 斬波器調(diào)制信號實物圖Fig.5 Physical photo of chopper modulation signal

圖 6 采樣保持信號波形Fig.6 Signal waveform of sample and hold

表1 為得到的實驗數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)為黑體溫度穩(wěn)定后，每隔1 min 讀取一次，共采集10 個數(shù)據(jù)，然后對多次測量的數(shù)據(jù)取平均值，并統(tǒng)計了實驗數(shù)據(jù)的標準差。實驗中隨著黑體溫度提高，信號強度提升幅度慢慢降低，分析認為這跟被測信號能量強度有直接關(guān)系。當黑體溫度較低時，輸入輻射能量微弱，信號波形更趨于正弦波。對于相敏檢波電路的輸出波形，積分器會對信號進行平均，而采樣保持電路的信號是電平信號，積分器影響很小，因此2 種方案的輸出測量值差別較大；當黑體溫度提高后，輸入輻射能量增強，信號波形更趨于方波，經(jīng)過相敏檢波電路的信號趨于電平信號，逐漸接近于采樣保持電路的信號，而積分器對于電平信號的影響很小，因此2 種方案的差別逐漸縮小，該實驗數(shù)據(jù)與理論分析完全一致。

從表1 可以看出，在同等實驗環(huán)境和輸入信號條件下，采用采樣保持方案，輸出測量信號電壓值顯著增強，尤其對于微弱信號，提升幅度非常明顯，接近于58%的理論提升比例，可顯著提高精密紅外輻射計對于微弱信號的測量能力。

表 1 信號測量強度實驗數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of signal measurement intensity

4 與現(xiàn)有儀器的對比實驗

精密紅外輻射計主要用于對紅外熱像儀測試設(shè)備進行校準。將靶標相對于背景的微小溫差變化反應為測量電壓的微弱變化。針對該應用場景，設(shè)計測量精度對比實驗。采用紅外熱像儀測試設(shè)備輸出的溫差信號作為輻射源，對比2 套測量方案的精度。

紅外熱像儀測試設(shè)備利用自身的紅外溫差準直輻射光學系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生溫差輻射信號，模擬遠距離紅外目標和背景。當該溫差輻射信號固定時，如果電子系統(tǒng)測量電路輸出的電壓信號越大，則表示其精度越高。

搭建的實驗環(huán)境如圖7 所示。環(huán)境溫度為20℃，環(huán)境濕度為45%，其中藍色的為紅外熱像儀測試設(shè)備，黑色的為精密紅外輻射計。在相同前放電路增益的條件下，設(shè)置紅外熱像儀測試設(shè)備背景溫度為22℃，并設(shè)置紅外熱像儀測試設(shè)備的靶標溫度。在背景溫度基礎(chǔ)上，每增加1℃溫差測試一次，計算測量電路的輸出電壓在目標溫度設(shè)置前后的電壓差值。實驗數(shù)據(jù)為紅外熱像儀測試設(shè)備設(shè)置的靶標溫度穩(wěn)定后，每隔1 min 讀取一次，共采集10 個數(shù)據(jù)，然后對多次測量的數(shù)據(jù)取平均值，并統(tǒng)計了實驗數(shù)據(jù)的標準差，得到的實驗數(shù)據(jù)如表2 所示。

圖 7 紅外熱像儀測試設(shè)備實物圖Fig.7 Infrared thermal imager testing equipment

從表2 的實驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著紅外熱像儀測試設(shè)備中目標溫度的提高，信號強度提升幅度基本一致，分析認為這是因為被測信號總體能量強度基本一致。在同等實驗條件和輸入信號下，采用采樣保持方案，精密紅外輻射計對于微弱信號的測量精度顯著增強，提升比例在50%以上。

表 2 信號測量精度實驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of signal measurement accuracy

5 結(jié)論

提出了一種針對微弱信號測量的精密紅外輻射計測量模塊的新方案，并對信號的測量模型進行了理論分析，通過2 套實驗充分驗證了該方案的有效性，尤其對于微弱信號的測量強度提升幅度非常明顯，實現(xiàn)了接近于58%的理論提升比例；對微弱信號的測量精度的提升也大于50%，可顯著提高系統(tǒng)的信噪比和測量精度，是對現(xiàn)有相敏檢波測量方案的重大改進，對于各種微弱信號的測量領(lǐng)域，都具有廣泛的使用價值。

實驗中發(fā)現(xiàn)，采樣保持方案的測量穩(wěn)定性，對采樣保持電路的時間常數(shù)，以及采樣時長的設(shè)置比較敏感，下一步可對該問題進行進一步的研究，以提高該方案的抗干擾能力。