[發明專利]一種天文觀測系統中可擴展動態范圍的增益自適應變換電路及方法

有效

• 申請號: 202010425252.4
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN111628743B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 張健;許哲;趙燕;李愛玲
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: H03G3/20
• 分類號: H03G3/20
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 胡樂

本發明提供了一種天文觀測系統中可擴展動態范圍的增益自適應變換電路及方法。該電路包括可變增益運算放大電路、遲滯比較電路、AD轉換器和FPGA，其中，原始輸入信號同時接入可變增益運算放大電路和遲滯比較電路；所述遲滯比較電路將原始輸入信號與設定的閾值電壓比較，根據比較結果輸出高電平/低電平；所述可變增益運算放大電路根據遲滯比較電路的輸出選擇對應的增益檔對原始輸入信號進行調理，并輸出至AD變換器；所述FPGA同時接收被AD轉換器量化的數字式信號和遲滯比較電路的輸出，合成數字化的目標信號。本發明使用一路放大電路、AD轉換器及一路遲滯比較電路就實現了電路動態范圍的擴展，成本較低，電路結構簡明，通用性強。

技術領域

本發明涉及一種天文觀測系統中可擴展動態范圍的增益變換電路及方法。

背景技術

當前天文觀測的科學研究中，往往需要觀測一些亮度非常弱的星體(例如16等星)，同時在觀測視場內又存在著大量亮度比較強的星體(例如5等星)，這就意味著觀測系統需要有非常高的動態范圍來保證既能觀測的低亮度星體，同時獲取的高亮度星體不會飽和。在這種情況下，一方面需要高動態范圍的傳感器能夠把不同亮度等級的星體發出的光信號轉換為對應的電信號，另一方面需要后端處理電路能夠處理這些極大動態范圍的信號并進行量化處理。

在高動態的天文觀測系統中，動態范圍基本由系統選用的傳感器確定：傳感器的讀出噪聲在一定程度上決定了探測能力的下限(例如16等星)，由于傳感器讀出頻率與讀出噪聲有較大的相關性，因此系統的讀出頻率都會設置的比較低；傳感器的滿阱決定了探測能力的上限(例如5等星)。按照星等計算方法(每一星等差表示亮度差為2.512倍)，一個可同時探測16等星及5等星的探測系統的動態范圍為25131＝88dB。為了要充分實現高動態傳感器的性能，后端處理電路要有相應的動態范圍，尤其是AD轉換器。一般來說，AD轉換器的動態范圍由其量化位數確定(6.02N dB，N為量化位數)。可以計算得出，對于上述探測系統，所需AD量化位數至少為15-bit。

隨著科學技術的發展，當前高量化位數的AD轉換器有許多，但是結合探測系統的需求，可選擇余地可能就不會太多，在考慮到成本等因素，目前發展出一種高、低增益配合同時量化的電路，如圖1所示，A1、A2分別表示兩個調理放大器，這樣能夠使用2個低量化位數的AD轉換器實現高量化位數的AD轉換，兩路量化后的數據最終在FPGA處進行融合，最終提高處理電路的動態范圍。

上述方法在設計上能夠較好的令電路動態范圍適配于傳感器動態范圍，但是存在一定的缺陷，即需要兩路AD器件來實現(比較昂貴)，同時兩路電路本身無論從調理放大器還是AD本身來說，都存在一定的差異性，在圖像融合時難免帶入一定的偏差。

發明內容

本發明提供了一種天文觀測系統中可擴展動態范圍的增益自適應變換方法及電路，實現提高動態范圍的功能，成本較低，并減少了硬電路差異帶來的固定偏差。

為實現以上目的，本發明提出以下技術方案：

一種天文觀測系統中可擴展動態范圍的增益自適應變換方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)調理放大信號：對觀測系統傳感器輸出的信號，使用運算放大電路調理信號，使信號動態范圍與后一級的AD轉換器輸入動態范圍適配；

2)確定輸入信號幅度范圍：將觀測系統傳感器輸出的信號與設定的閾值進行比較，根據比較結果相應輸出高電平/低電平；

3)調整運算放大電路增益：根據所述高電平/低電平，對運算放大電路配置相應的高增益/低增益系數；

4)量化輸入信號：將運算放大電路輸出的信號通過所述AD轉換器數字化；

5)數據處理：接收步驟4)AD轉換器輸出的數字化信號，并參考步驟2)輸出的高電平/低電平對信號進行修正，得到數字化的目標信號。