[發明專利]一種基于紅外焦平面探測器的干涉圖數據采集讀出系統

在審

• 申請號: 201710396161.0
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107328476A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 高聰;華建文;陳仁;王海英
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01J3/45
• 分類號: G01J3/45;G01J3/28;G01J3/02
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所31311
• 代理人: 李秀蘭

技術領域：

本發明涉及一種信號采集系統，具體涉及一種基于紅外焦平面探測器的干涉圖數據采集讀出系統。

背景技術：

系統的基本探測原理是傅里葉光譜探測，即利用邁克爾遜干涉儀原理，對被測目標的干涉信號按照等光程差進行采樣，然后把干涉光強信號進行傅里葉變換，從而得到被觀測目標的光譜。干涉信號是干涉儀產生的，系統基本組成為探測器、干涉系統以及光學系統。紅外波段的探測器還需要工作在低溫環境，地面工作時需要使用杜瓦加液氮制冷。同時還需要激光器，激光通過干涉系統產生等光程差參考信號，此信號為采樣同步信號。

本系統的干涉儀是采用邁克爾遜干涉儀結構，通過往復移動的動鏡和固定不動的定鏡以及分光鏡和反射鏡組成的光學系統產生干涉信號，這里動鏡是通過動鏡運動控制盒控制電機使其進行勻速運動的。

基于干涉原理的探測方法的不足之處就是探測所需要的時間較長，只有獲取完整的一幅干涉圖，才能進行光譜反演，繼而獲得被測目標的光譜信息。而基于焦平面探測技術，在一次干涉圖形成過程中，可以同時獲得來自成百上千個像元的干涉圖，可大大提高探測效率，對規定范圍的探測，配以高分辨率光學系統，能實現更高空間分辨率的探測。

干涉信號獲取系統主要是完成干涉圖信號的采樣和相關處理，這些信號獲取和處理除了受到信號本身的特性，比如動態范圍、信號噪聲水平等限制，同時還受到光程差時間間隔限制，數據的調理、采集、傳輸、存儲都需要一個等光程差間隔內完成。

傅里葉光譜探測最初應用在化學分析領域，隨著傅里葉變換光譜儀理論體系的成熟，在天文和大氣科學領域的應用也引起廣泛重視。當前傅里葉變換光譜儀在氣象遙感上的應用已經成為一種趨勢。星載大氣垂直探測儀是氣象衛星上搭載的主要紅外遙感儀器之一。

美國自二十世紀六十年代就開始研制空間干涉光譜探測裝置。以干涉儀為分光手段的大氣探測儀早在上世紀70年代前后就在“雨云”試驗衛星上搭載過。幾十年來，美國、歐洲和日本等國研制了多種空間高光譜分辨率大氣探測儀器。這些研究項目中，大部分的主要目的是探測化學成分(例如臭氧溫室氣體等)主要為環境服務，例如MIPAS、TES等。另一部分主要服務于氣象，如GIFTS、CrIS和IASI等。服務于氣象的干涉儀研究項目中最具有代表性的是：ITS、GHIS、GIFTS、CrIS和ISAI。前四個項目是美國的，最后一個項目IASI是法國的。ITS是雨云衛星上干涉探測研究的繼續，后來發展成為CrIS。CrIS和IASI都工作在極軌軌道上，CrIS最高光譜分辨率達到0.6波數左右，IASI最高光譜分辨率達到0.35波數左右。GHIS和GIFTS的研究是服務于靜止軌道氣象衛星。在這些干涉式大氣探測研究項目中，GIFTS作為靜止軌道大氣探測項目，是目前最為先進的大氣垂直探測儀。

自從二十世紀七十年代以來，國內幾家科研機構進行的干涉儀研究工作為：西安光機所的環境衛星，波段為可見光到近紅外；上海技術物理研究所在這方面的工作主要為研究波段3～15um，即中波、長波紅外波段。

2016年下半年我國發射的風云四號氣象衛星搭載的大氣垂直探測儀為中波32*4光伏型紅外焦平面探測器，長波32*4光導型紅外焦平面探測器，是我國首次將用于紅外干涉信號探測的焦平面探測器用于星上使用。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于紅外焦平面探測器在等光程差條件下采樣的干涉信號獲取電路，實現同時獲得32*32幅干涉圖信號，解決以前干涉探測效率低的問題，提高探測時間分辨率。

數據采集系統包括幾個部分。第一部分是探測器接口處理模塊(一級調理)，由參考源、電阻分壓網絡、濾波電容、跟隨器以及濾波器組成；第二部分是探測器信號校正模塊(二級調理)，由高速低噪聲的運算放大器電路和電阻電容組件的濾波電路以及比較器組成；第三個部分是FPGA時序控制及采集模塊，通過高速FPGA高速、鎖存器、高速運算放大器和16位高速AD轉換芯片以及電阻電容搭建而成。第四部分是電源模塊，通過電源轉換芯片搭建而成。第五個部分是數據處理模塊，使用C語言在Visual studios 2010平臺上編譯實現。

下面描述電路的工作流程

上電順序：依次將將激光器電源和激光器前方電源打開，然后模擬電源，數字電源，動鏡電機，PCIE采集卡電源上電。

斷電順序：依次斷開PCIE采集卡電源、動鏡電源、數字電源、模擬電源、激光器前方電源和激光器電源。

打開動鏡電機電源后，觀察到動鏡勻速做往復運動且檢測到發出的勻速信號，說明啟動正常。