《紅外系統(tǒng)》課件第4章 信息檢測與信號處理

4.1噪聲和信號分析4.2信號檢測4.3信號處理4.1噪聲和信號分析4.1.1噪聲分析1.噪聲的主要類型對于紅外系統(tǒng)來說,噪聲通常可分為外部和內部噪聲。來自外部的干擾噪聲就其產生原因又可分為人為造成和自然造成兩類。人為造成的干擾噪聲通常來自電器電子設備,如高頻爐、無線電發(fā)射、電火花和氣體放電等,它們都會產生不同頻率的電磁干擾。自然形成的噪聲主要來自大氣和環(huán)境的干擾,如雷電、太陽、天空的輻射等?？梢酝ㄟ^采用適當?shù)钠帘?、濾波等方法來減少或消除這些干擾所引起的噪聲。系統(tǒng)內部的噪聲也可分為人為產生的噪聲和固有噪聲兩類。人為產生的噪聲主要是指寄生反饋造成的自激等干擾,這些干擾可通過合理地設計和調整將其消除或降到允許范圍內。而內部固有噪聲是由于系統(tǒng)各單元、器件中帶電微粒不規(guī)則運動的起伏所造成的,主要有熱噪聲、散粒噪聲、產生復合噪聲、1/f噪聲和溫度噪聲等。這些噪聲對實際元器件來說是固有的,不能消除,只能通過電路來控制它們對檢測結果的影響。2.噪聲的主要特性光電噪聲的主要統(tǒng)計特征包括頻域統(tǒng)計特征、時域統(tǒng)計特征和幅域統(tǒng)計特征。1)噪聲的概率分布密度光電噪聲是一種連續(xù)型隨機變量,即它在某一時刻可能出現(xiàn)各種可能數(shù)值。每一時刻t,其取值(噪聲電壓un)是隨機的,可采用概率分布方法描述其取值的大小。噪聲電壓在t時刻的值用概率分布密度p(un)表示,則t時刻噪聲電壓un(t)取值在un1與un2之間的概率為2)不同概率分布的噪聲高斯分布噪聲:線性電路中噪聲電壓的概率分布密度一般符合高斯分布(又稱正態(tài)分布),即瑞利分布噪聲:兩個正交的噪聲信號之和的包絡服從瑞利分布。其概率分布密度函數(shù)為均勻分布噪聲:均勻分布噪聲的概率分布密度函數(shù)為3)噪聲的功率譜密度在頻域中采用諧波分量和頻譜密度來描述一個隨機信號,其結果仍然是一個隨機量,不具有確定性。因此,工程上需要尋找一個確定量來描述平穩(wěn)隨機過程的頻域特性,即功率譜密度。設噪聲電壓un(t)的功率為Pn,在頻率為f與f+Δf之間的功率為ΔPn,則噪聲的功率譜密度定義為3.窄帶濾波器對噪聲的作用任何噪聲都可表示為即無窮多個頻率分量之和,且認為直流分量為零。由于噪聲是隨機的,所以xmc和xms也應是隨機的。紅外系統(tǒng)中的噪聲通常為高斯型的,可以證明,在式(414)中,當x(t)為高斯型時,各諧波分量xmc、xms也是高斯型的。紅外系統(tǒng)中常利用窄帶濾波器盡可能濾去噪聲以突出信號。窄帶濾波器的傳遞函數(shù)為線性的,它的幅值只在其中心頻率ω0附近的一小段區(qū)域Δω內為有限值,其余區(qū)域內都為零,如圖41所示。噪聲通過該窄帶濾波器后,其輸出為式(415)可以改寫成如下形式:因為是窄帶濾波器,所以Kω只有在ω0附近一小段區(qū)域Δω內為有限值,其余區(qū)域內都為零,因此式(417)中的值yc(t)和ys(t)只取ωm-ω0≤Δω/2頻率范圍內的值。在窄帶范圍內,yc(t)和ys(t)只是緩慢變化的隨機量,因此yn(t)相當于以ω0為載波的調制波。式(416)還可以寫成如下形式:現(xiàn)在來看輸出噪聲yn(t)及其分量yc(t)、ys(t)以及Yn(t)、φn(t)的分布規(guī)律是怎樣的。輸入噪聲x(t)是高斯分布的,窄帶濾波器的傳遞函數(shù)是線性的,所以輸出噪聲yn(t)也是高斯分布的;同樣可以證明,式(416)中的分量yc(t)和ys(t)也都是高斯分布的,且yc(t)和ys(t)是相互統(tǒng)計獨立的,因此yc(t)和ys(t)的聯(lián)合概率密度為由此可進一步求得Yn(t)和φn(t)的概率密度函數(shù)。根據(jù)概率論中的變量代換原則,有下面分別求出Yn、φn的概率密度函數(shù)。Yn是噪聲的包絡(或其幅度),因此它的概率密度函數(shù)p(Yn)應是p(Yn,φn)在0~2π范圍內對φn的積分,即這種分布稱為瑞利分布。若令Yn/σ=v,即以均方根噪聲實行歸一化,則式(425)變?yōu)樵撌綖樵肼曂ㄟ^窄帶濾波器后的噪聲幅度概率密度表達式。4.1.2信號分析1.信號調制的一般概念在電子學領域及光電系統(tǒng)中,廣泛地應用了調制和解調技術。調制實質上是對所需處理的信號或被傳輸?shù)男畔⒆瞿撤N形式上的變換,使之便于處理或傳輸。解調是從已調制信號中恢復原始信號的過程,故解調即通常所說的信息檢測。當目標溫度一定時,目標所發(fā)射的紅外輻射能是恒定的,系統(tǒng)所接收到的輻射能也是恒定的。為了探測目標,需要對目標輻射能進行調制,即把紅外系統(tǒng)接收到的恒定輻射能轉換成隨時間變化的斷續(xù)的輻射能,并使斷續(xù)的輻射能的某些特征隨著目標信息的變化而變化。對輻射能進行調制的目的,主要是使斷續(xù)的輻射能中包含目標信息,便于信號的放大、處理和檢測。2.調制波的形式及主要特征按照調制參量的不同,調制可分為兩種主要形式:調幅(幅度調制)和調角(角度調制)。調角又分為兩類:調頻和調相。這兩類調制之間有著緊密的聯(lián)系,它們的差別只是在同一調制函數(shù)作用下,相角Φ隨時間變化的性質不同。系統(tǒng)的檢測性能是與調制波的形式及調制器、解調器的性能密切相關的,因此從信號檢測的要求出發(fā)研究調制波的形式、調制器的類型將是十分必要的。1)調幅信號設調制信號如圖42(a)所示,其中g(t)為調制信號,載波為余弦波,載頻為fc。這樣,圖42(a)所示的調幅波可以表示為比值M=k/ac稱為調制指數(shù)或調制度系數(shù),它是表征調制深度的量,通常用百分比表示。這時,調幅波的一般表示式為一般假定g(t)的極大值gmax(t)和M滿足下列條件:由式(429)可知,在調幅的情況下,載波信號的幅值隨著調制信號的變化而變化,即A(t)=ac+kg(t),也就是載波信號的包絡線按著被傳送信號的規(guī)律而變化。因此,在提取有用信號時,可以采用包絡檢波的解調方法。對式(430)進行傅里葉變換,并利用δ函數(shù)的性質及傅里葉變換的頻譜搬移定理,可以得到調幅波的頻譜為由式(432)可見,在調制過程中并不產生新的頻譜,而只是把調制信號(低頻信號)的頻譜從原點附近移到載頻譜線附近,如圖42(b)所示。當g(t)=cos2πF時,式(430)和式(431)分別成為由式(433)可以求出調幅波中各諧波分量的平均功率,其中載波平均功率為同樣可得,上、下邊頻諧波分量平均功率為因而兩個邊頻分量的總平均功率為在100%調制(最大可能情況)的條件下,式(437)成為因而總功率Pa為2)調頻信號如果載波信號的相角Φ按照調制信號的規(guī)律而變化,則這種調制稱為調角。調角波的一般表示式為相角Φ(t)隨時間t而變化有兩種不同的情況:一種稱為調相,另一種稱為調頻。在調相的情況下,載波相位在變化,即式中:kp為比例常數(shù);g(t)為調制信號。因而調相波為這個調相波的相角的瞬時值由下式決定:由于角頻率ω是相角Φ(t)的變化速度,即ω=dΦ(t)/dt,所以瞬時頻率為由此可見,調相時不僅載波信號的相位發(fā)生變化,而且它的頻率也在變化。在調頻的情況下,載波瞬時頻率在改變,令其按下式變化:由于因此將其代入式(440),得調頻波為此時載波的相位為由此可見,調頻時不僅載波的頻率發(fā)生變化,而且它的相位也發(fā)生變化。由以上分析可知:調角時,頻率和相位的變化都會使相角發(fā)生變化。頻率與相位的變化是有密切聯(lián)系的,調頻與調相雖然調制方式不同,但實質上是有共同之處的。因此,下面僅對調頻波信號進行分析。調頻波的基本特征是載波信號幅度保持不變,信號頻率隨調制信號的大小而變化,即所需傳送的信息反映在高頻載波的頻率變化上。無論什么形式的調制信號,都可以看作是由各種不同頻率的正弦波疊加而成的。3)脈沖調制信號用脈沖串作載波的調制稱為脈沖調制。也就是說,用低頻調制信號(即信息)去調制脈沖串,使它的某些參量隨低頻調制信號的變化而變化。脈沖調制主要有脈沖調幅、脈沖調寬、脈沖調位等形式,如圖45所示。(1)脈沖調幅。周期性重復脈沖的幅度,按調制信號規(guī)律而變化的過程稱為脈沖調幅,這樣所得到的調制脈沖串稱為脈沖調幅波。(2)脈沖調寬。脈沖調寬是指脈沖串載波的幅度與頻率均無變化,而只有脈沖寬度Tp按調制信號規(guī)律變化,其表達式為(3)脈沖調位。脈沖調位是用脈沖串載波的脈沖位置參量來傳輸信息,所以也稱其為脈位調制。脈沖調位的波形如圖48所示。3.窄帶濾波器對信號加噪聲的作用信號加噪聲的總輸出為對于噪聲的任一取樣值而言,式(459)可用圖49表示。由此可得yc'(t)和ys(t)的概率密度為由此可得yc'(t)和ys(t)的概率密度為因為yc(t)和ys(t)是相互統(tǒng)計獨立的,所以yc'(t)和ys(t)也是相互統(tǒng)計獨立的。因此,yc'(t)和ys(t)的聯(lián)合概率密度為利用式(460),將yc'(t)和ys(t)的聯(lián)合概率密度進行參量變換,可得ρ(t)和θ(t)的聯(lián)合概率密度為其中所以由式(465)可以求出信號加噪聲的幅值ρ的概率密度函數(shù)和相位θ的概率密度函數(shù)。4.2信號檢測4.2.1單次脈沖檢測紅外系統(tǒng)所檢測的信號常是若干個脈沖串,如圖412所示。其中T1為任意一個脈沖的寬度,T2為脈沖串的周期。在檢測時首先對單個脈沖進行檢測,即單次檢測,然后再根據(jù)需要對單次檢測值進行積累檢測以提高檢測性能。單次檢測是最簡檢測,其框圖如圖413所示若輸入為純噪聲n(t),則超過門限的概率即為虛警概率Pfa。單脈沖匹配濾波器如同窄帶濾波器一樣,因此噪聲n(t)通過單脈沖匹配濾波器后,其包絡概率密度如式(426)所示,將該值與門限值U0進行比較,便可得到輸出概率,即虛警概率Pfa:若輸入為信號加噪聲[S(t)+n(t)],通過單脈沖匹配濾波器后,其包絡的概率密度如式(469)所示,將R(t)和門限值U0進行比較,則可得到輸出為有目標的概率,即發(fā)現(xiàn)概率Pd:圖414為信號檢測示意圖。4.2.2積累檢測積累檢測系統(tǒng)用于準最佳檢測系統(tǒng),它在保證虛警概率不大于某一給定值的情況下,使發(fā)現(xiàn)概率值為最大或者使所需要的信噪比值為最小,這正是奈曼皮爾遜準則的檢測原則。設紅外系統(tǒng)信號波形如圖416所示,信號由若干個脈沖串組成,每個脈沖串又由m個脈沖組成。在理想相參積累情況下,m個脈沖信號所含的全部頻率分量同相相加,則其積累后功率便增加m2倍。設單個脈沖功率為Ps,則積累后功率為m2Ps。噪聲的積累效果是功率增加僅為mPn。單個脈沖檢測時的功率信噪比為Ps/Pn,則積累后的功率信噪比應為可見積累檢測較單次檢測功率信噪比可提高m倍,效果十分明顯。當然,理想的相參積累在實際應用中是很難實現(xiàn)的,因而積累的效果會受到影響,但積累對檢測性能肯定會起到改善作用。積累檢測系統(tǒng)屬于準最佳檢測系統(tǒng),它和最佳檢測系統(tǒng)相比,對同樣的發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率,所需信噪比值只比最佳系統(tǒng)大0.8~1.4倍。二次門限積累器檢測系統(tǒng)的結構如圖417所示。紅外系統(tǒng)可能產生的信號脈沖個數(shù)m為積累器Ⅰ的最大可能積累數(shù)。積累器Ⅰ的工作時間Δt可按輸入一串脈沖的總延續(xù)時間Ts=Tm/2取固定值,也可以實際輸入脈沖的個數(shù)和脈寬為變化的量,連續(xù)脈沖的個數(shù)越多,脈寬越寬,積累器工作時間Δt就越長?？烧J為各單個“信號加噪聲”脈沖間是互不相關的,用單個脈沖獨立地進行概率密度計算。因此,積累后的虛警概率PFA和探測概率PD都服從二項式分布規(guī)律,表達式為計算PD時,最大可能積累數(shù)m就是在探測時間內可能出現(xiàn)的信號脈沖個數(shù)。在計算PFA時,最大可能積累數(shù)m應是系統(tǒng)中積累器Ⅰ的工作時間Δt內的噪聲脈沖個數(shù)n'。n'由Δt和系統(tǒng)頻帶寬度Δf而定,即4.2.3相關檢測相關檢測是一種時域信息的檢測方法,主要是對信號和噪聲進行相關性分析。相關性分析能從噪音和其他無關信號中找出信號兩部分之間或兩個信號之間的函數(shù)關系,并根據(jù)相關性進行檢測和提取。下面首先介紹自相關函數(shù)和互相關函數(shù)。利用數(shù)學期望和方差來描述隨機函數(shù)的基本特性還不夠。隨機過程的分布函數(shù)能全面描述其統(tǒng)計特性,但使用時比較困難,因而引入隨機過程的基本數(shù)字特征,它們既能反映隨機過程的重要特征,又便于進行運算和實際測量。數(shù)學期望、方差、自相關函數(shù)和互相關函數(shù)都是隨機過程的重要數(shù)學特征。隨機過程的自相關函數(shù)定義為如果隨機過程在t1和t2之間間隔較大,x(t1)和x(t2)是統(tǒng)計獨立的隨機變數(shù)量,則若x(t)在任意時刻的數(shù)學期望為0,則在t2-t1→∞時,Rx(t1,t2)趨近于零?；ハ嚓P函數(shù)用于描述兩個隨機過程之間關聯(lián)性的數(shù)字特征。兩個隨機過程x(t)和y(t)的互相關函數(shù)定義為令τ=t2-t1,則有若兩個隨機過程在統(tǒng)計上相互獨立,則當隨機過程中一個或兩者的數(shù)學期望為零時,Rxy(t1,t2)=0,但當互相關函數(shù)為零時,兩者并不一定是統(tǒng)計獨立的。相關檢測就是利用信號與噪聲相關特性上的差異,來檢測淹沒在隨機噪聲中的微弱周期信號的一種重要方法。1.自相關檢測設信號S(t)和噪聲n(t)的混合波形為f(t)=S(t)+n(t),把f(t)送到如圖418所示的自相關器中做自相關函數(shù)運算。相關器有兩條通路,一路將f(t)直接送乘法器,另一路經延時τ后送f(t-τ)到乘法器,兩路信號相乘后送給積分器積分(這里積分的作用就是對時間求平均),即可得到相關函數(shù)上的一個點的數(shù)據(jù),改變τ,重復進行計算就得到自相關函數(shù)曲線。混合波形f(t)的自相關函數(shù)Rf(τ)為公式右邊四項中前兩項分別為信號和噪聲的自相關函數(shù),后兩項為信號與噪聲的互相關函數(shù)?，F(xiàn)分別討論這四項的計算結果。設信號為余弦函數(shù)S(t)=AScos(ωt+φS),其自相關函數(shù)為式中,φτ是不同延時τ所對應的相位角。自相關函數(shù)仍是余弦函數(shù),只是變量為φτ,且失去了初相位。若信號是由多個周期性分量(基波和各次諧波)組成的,則信號的自相關函數(shù)也應包含同樣的周期性分量?？梢?周期性信號的自相關函數(shù)仍有周期性。通過計算可知噪聲的自相關函數(shù)有如圖419所示的規(guī)律,當τ較小時,自相關函數(shù)值較大,隨τ的增加自相關性迅速下降,并趨于零。由于信號與噪聲互相獨立,互相關項為對于平穩(wěn)隨機過程,自相關器輸出函數(shù)Rf(τ)的關系如圖420所示,隨著延時τ的增加,可以看出輸出信噪比愈來愈高。2.互相關檢測如果把信號和噪聲的混合波形f(t)送進互相關器中,與參考信號S(t-τ)進行互相關運算,就得到由于噪聲與參考信號不相關,因此RnS(τ)=0。可見,互相關檢測比自相關檢測更為有效,因為它不存在噪聲的互相關項。但困難的是,必須事先知道信號的形式S(t)才能構成參與運算的參考信號S(t-τ)?；ハ嚓P器原理如圖421所示。如果信號為S(t-τ0),如圖422所示。圖422(a)中A為振幅,τd為寬度,T0為重復周期,τ0為初始時間。若有m個輸入脈沖,相關器輸出的相關函數(shù)RS(τ)為當τ=τ0時,RS(τ)有最大值。圖422(b)中為相關器各點的輸出值?？梢?互相關檢測能有效提高信噪比,但要符合理論運算,則需花費無限長的時間;在有限時間內會有誤差,時間越短,誤差越大。4.2.4多元檢測1.串聯(lián)掃描檢測所謂串聯(lián)掃描檢測,就是將數(shù)個至數(shù)十個單元探測器排成一行,行排列方向與掃描方向一致,從而完成檢測的一種方式,如圖423所示。2.并聯(lián)掃描檢測所謂并聯(lián)掃描檢測,就是將數(shù)個至數(shù)百個單元探測器排成一列,排列方向與行掃描方向垂直一致,從而完成檢測的一種方式,如圖424所示。4.3信號處理4.3.1低噪聲前置放大器1.噪聲等效參量在分析電路網絡時,為使復雜的噪聲問題得到簡化,需引入噪聲等效參量。噪聲等效參量主要有等效噪聲帶寬、等效噪聲電阻等。1)等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬Δf定義為對于白噪聲的情況,D(f)=1,則有當網絡的頻率響應為如圖425所示的帶通型時,Apmax為中心頻率上所對應的功率增益;當網絡為低通或高通型時,Apmax就是低頻或高頻處的增益。將式(4104)改寫為2)等效噪聲電阻各種噪聲可能不屬于同一起因和類型,為便于計算和分析,可以用一個電阻的熱噪聲來等效,這個電阻就稱為等效噪聲電阻。對于圖426所示的典型放大器,噪聲通常由三部分組成:輸入電阻Ri的熱噪聲、放大器的噪聲和負載電阻RL的熱噪聲。通常用電阻R'eq的熱噪聲來等效放大器的噪聲。負載電阻RL的熱噪聲為當放大器的電壓放大倍數(shù)為Au時,等效到輸入端的負載電阻噪聲為對應等效電阻為RL/Au2,所以總等效電阻Req為等效輸入總噪聲為對應總輸出噪聲為2.前置放大器的噪聲在光電系統(tǒng)中,首先對電信號進行處理的是前置放大器,它是信號處理中最為關鍵的部分。1)噪聲系數(shù)F為了正確評價網絡(包括前放)的噪聲特性,常采用噪聲系數(shù)來估計。如圖427所示的線性四端網絡,其噪聲系數(shù)F定義為噪聲系數(shù)F常用分貝表示,即引入網絡功率增益Ap,則有Ap=Po/Pi,Pni通過網絡后輸出為Pnio=ApPni,所以有2)晶體器件的噪聲系數(shù)充當前置放大工作的主要器件是晶體三極管和場效應管,目前大量使用的集成放大器也是依上述兩類器件的原理組合而成的,因此對它們的噪聲系數(shù)進行分析將有益于選用前放。4.3.2系統(tǒng)的工作帶寬系統(tǒng)的工作帶寬應根據(jù)信號帶寬來確定。而信號最佳帶寬的選取取決于信號的頻譜特性。假定信號是一寬度為τd的脈沖信號,它的數(shù)學表達式為將上述脈沖周期函數(shù)用傅里葉級數(shù)表示為以x=nπf0τd為橫坐標,可得到式(4116)的譜線分布圖,如圖428所示。圖中每條譜線對應信號的一個諧波分量,譜線幅值的包絡按sinc函數(shù)變化。在x=π,即n'=1/(f0τd)處,譜線幅值為零。這是譜線的第一個零點,此后隨著x增加還有無窮多條譜線和無窮多個零點,也就是說諧波分量還有無窮多個,其中幅值為零的諧波分量也有無窮多個。但在第一個零點之后的所有諧波分量的平均功率是很小的,可以忽略。如果取第一個零點以前的信號所占的頻帶寬度為信號的帶寬,它是基頻的n'倍,則信號帶寬BS可表示為如果從允許波形失真的情況考慮,則需分析帶寬與波形的關系。如果要保持脈沖信號的波形,則要求電路系統(tǒng)的帶寬無限,但實際應用很少這樣要求,圖429說明了所需保持波形和電路3dB帶寬Δf之間的關系。4.3.3濾波在光電系統(tǒng)中,下述三種情況常采用電子濾波的方法:(1)要求放大器只讓信號通過而與之混在一起的噪聲不能通過,這需要對信號和噪聲性質進行分析,并設計具有一定傳輸性質的放大器,這種放大器稱為匹配濾波器。(2)調制波經過檢波后要濾去高頻分量,而讓代表信號的包絡通過,這將由低通濾波器來完成。(3)根據(jù)要求只讓代表信號波形的基波或某次諧波通過,這將由帶通濾波器來完成。1.匹配濾波器所謂匹配濾波器,是指針對信號為確知信號的情況下,在線性范圍內以最大信噪比為準則的濾波器。2.低通濾波器任何線性系統(tǒng)的頻率響應都能直接由系統(tǒng)函數(shù)求得。假設一已知信號源為那么系統(tǒng)輸出函數(shù)或響應y(t)為可見,線性系統(tǒng)正弦響應有三個主要特性:(1)響應頻率與信號頻率相同。(2)響應的幅值等于信號幅值乘以系統(tǒng)函數(shù)H(jω)的模。(3)響應的相角等于信號相角加上系統(tǒng)函數(shù)的相角。如圖431所示的四端網絡所具有的系統(tǒng)函數(shù)為于是H(jω)的模與相角由下式分別給出,即假定在特定頻率ω0時的輸入為則輸出穩(wěn)態(tài)響應U2(t)為由上述關系可知,在低頻,即ω0RC?1時,有U2≈U1。隨著頻率增加,U2的模降低,相位相對于U1移動。這個形式的網絡使低頻通過,而使高頻衰減,因此被稱為低通濾波器。低通濾波器模的頻率響應曲線如圖432所示。3.帶通濾波器濾波器是有選擇地通過一定范圍頻率的網絡。前面討論的低通濾波器允許單邊隨信號頻率的增加而衰減,可用簡單的RC器件來完成,它們都是無源器件,又稱為無源濾波器。帶通濾波器則允許兩個限定頻率之內的頻率不衰減地通過,而衰減兩個限定頻率以外的頻率。如圖433所示的帶通濾波器由于把運算放大器這個有源器件也包括在內,所以稱為有源帶通濾波器。4.數(shù)字濾波器圖435所示為一單邊數(shù)字濾波器。4.3.4直流的隔除與恢復在紅外系統(tǒng)中,信號中的直流成分不是所關注的信號,因此通常需要在對信號處理之前采用隔直流或交流耦合的方法將其去除。這樣做不僅可以使信號處理變得簡單,還可以達到抑制背景和1/f噪聲的目的。但是,這樣做的結果也會帶來兩個問題:一是減弱了電路對低頻信號的通過能力,使信號受到干擾和變形;二是去掉了信號的直流成分,信號不再具有溫度絕對值的意義,對于測溫用途顯然是不行的。為了使概念簡明,將電路的交流耦合效應看作一RC高通濾波器來等效,如圖437所示。這種電路將抑制信號的低頻成分,可造成下述信號缺陷。(1)對于一個中等溫度差異的大目標而言,產生的信號是平頂方波,方波信號在耦合后信號失真,產生直流下躍和負尖峰,圖像也發(fā)生畸變,如圖438所示。(2)對高溫小目標,由于電路輸出的平均值為零,因此輸出信號在正信號響應之后將伴隨一振幅較低但持續(xù)時間較長的負信號響應,圖像會發(fā)生嚴重的黑色拖尾現(xiàn)象,如圖439所示。(3)當采用多元并聯(lián)掃描方式時,各個元件的前置放大器是交流耦合的。4.3.5測溫信號處理1.溫度信號的線性化在測溫用途中,為了溫度信號的數(shù)字化存儲與顯示,要求溫度信號與景物溫度呈線性關系。由于景物輻射功率與溫度是非線性關系,因此需要對輸出信號作線性化處理。根據(jù)系統(tǒng)的工作波段及目標的輻射特性,可以獲得輸出SΔλ(T)與溫度T的關系曲線,進而由探測器的響應度、放大器增益及補償電平,確定出未經線性化時的溫度信號U'與溫度T的關系以及期望的UT線性曲線,如圖443(a)所示。線性化網絡的作用是完成由U'向U的映射,如圖443(b)所示。2.中心溫度調節(jié)及測溫范圍選擇在測溫應用中,要求熱成像系統(tǒng)能夠可變地選擇一定溫度范圍內的中心溫度,這樣才能適應對不同溫度景物的觀測。由于放大器的靜態(tài)工作點是已確定的,因此中心溫度的選擇可通過改變輸出信號的直流電平來實現(xiàn)。對輸出信號中的任一電平,當其被調節(jié)到等于放大器輸入端靜態(tài)電位時,原信號電平所對應的溫度即是中心溫度。4.3.6自動增益控制自動增益控制電路是光電系統(tǒng)中常用的電路。其主要作用是當輸入信號在很寬的動態(tài)范圍變化時,使輸出維持在一定的范圍以內,保證放大器不飽和,以便對系統(tǒng)信號進行探測或解調等處理。圖444所示為閉環(huán)自動增益控制電路的方框圖。AGC系統(tǒng)的重要特性之一的振幅特性如圖445所示,它描述了Uo和Ui的函數(shù)關系。圖446所示是帶有延遲電路的延遲式AGC框圖。延遲式AGC的振幅特性如圖447中曲線1所示。AGC電路的另一個重要特性是控制特性,它表征放大器的增益Au與控制電壓UAGC之間的關系,如圖448所示。4.3.7多路傳輸和延時當使用多元探測器時,通常要把多個信號轉換為單個信號通道,這種傳輸方法稱為多路傳輸?？梢圆捎枚喾N方法來實現(xiàn)這一過程。一種方法是將多路信號經各個前置放大器放大后,將信號送給一個電子開關,電子開關按一定順序對每個單元采樣,并周期地重復這個過程,這樣將多路通道輸入的信號按時間順序輸出給單通道,形成串聯(lián)信號。這種電子開關要實現(xiàn)高速和低噪聲是比較困難的。目前仍較為常用的方法是利用電荷耦合器件(CCD)實現(xiàn)多路傳輸。CCD在這里起移位寄存器或延遲線的作用,其工作原理如圖449所示。隨著計算機技術及集成芯片的發(fā)展,采用數(shù)字存儲的方式實現(xiàn)多路傳輸?shù)絾温份敵龅霓D換方式已為人們所采用,特別是在從非標準到標準電視制掃描體制轉換的場合更為方便。由于存在幀存儲,因而也便于增加數(shù)字圖像處理的環(huán)節(jié)。當利用串聯(lián)型探測器對空間進行掃描時,由于每個探測器單元在不同瞬間都要掃過同一視場空間,因此探測器輸出的信號具有相同的函數(shù)形式,只是在時間上依次相差一個時間間隔Δt。N個探測器各自輸出的信號分別為S1(t),S2(t-Δt),…,SN[t-(N-1)Δt],經由N個輸出端輸出。為把它們相應空間同一點上的信號累積起來,以取得多元串聯(lián)帶來提高信噪比的好處,需將它們進行不同的延時,使同一目標點的信號能在多路同一時刻輸出,從而完成累積處理?？梢?第N路延時tn為實現(xiàn)延時也有多種途徑,如圖450為利用CCD完成延時積分的原理示意圖,要求CCD轉移一位信號的時間和串聯(lián)探測器掃描移過一個探測元的時間相等,這樣就可在CCD的輸出端得到對空間各描述點經延時積分后的信號,即與空間一一對應序列的掃描信號。如設串聯(lián)探測器行掃描頻率為fH,水平視場為A,探測器及其間隔的角寬度分別為α和θ,則探測單元間的延時Δt為完成延時功能也可采用多路延時電路或通過微機進行數(shù)字延時。用CCD作多路傳輸或延時的轉換器件,可直接應用到焦平面陣列型的探測器中,使這些轉換在探測單元中完成,從而減少