基于光強自定標技術的數(shù)字攝像能見度儀光源系統(tǒng)設計

戴龐達

摘 要：根據(jù)數(shù)字攝像能見度儀對檢測精度、檢測限值和穩(wěn)定性的要求，對用于夜間觀測的光源系統(tǒng)進行設計，基于光強自定標技術，設計LED恒壓恒流驅(qū)動電路、前置放大電路、低通濾波電路、自動增益控制電路，通過FPGA硬件系統(tǒng)對LED光強數(shù)據(jù)的實時采集處理和定標，能夠有效的提高夜間能見度觀測的準確性。

關鍵詞：數(shù)字能見度儀;光源標定;電路設計;數(shù)據(jù)處理

引言

能見度一般為人眼視覺能夠觀測目標物的最大估計水平距離。能見度的觀測和預報已經(jīng)廣泛的應用于氣象預報、環(huán)境污染分析、交通運輸?shù)雀鱾€領域?，F(xiàn)有的能見度觀測方法主要分為散射式、透射式、數(shù)字攝像式。數(shù)字攝像能見度儀對夜間能見度進行觀測需要使用光源。由于光源初始光強受到外界環(huán)境、電壓波動、發(fā)光衰減等多種影響，使在夜間測量能見度的過程中，往往不能保持很好的穩(wěn)定性，其光強衰減、周期變化等效應影響能見度計算準確性，嚴重情況下，會造成測量能見度與真實能見度產(chǎn)生較大誤差，此時，通過在光源處增加高精度探測器，實現(xiàn)光源光強自定標，對提高能見度的測量精度，具有重要意義。

恒流部分通過LM358實現(xiàn)，輸出電流流經(jīng)電阻R3產(chǎn)生壓降，送入LM358的正向端，+5V經(jīng)過R5、R7分壓后輸入LM358的反相端，兩個電壓經(jīng)過比較產(chǎn)生一個誤差電壓送入XL4015的2腳（FB），改變XL4015內(nèi)部振蕩器的頻率，進而改變輸出功率，由于輸出電壓恒定，因此輸出電流發(fā)生改變，實現(xiàn)恒流輸出。調(diào)節(jié)滑動變阻器R7，可以改變輸出電流，實現(xiàn)對LED亮度的控制。

3前置放大電路設計

光電二極管輸出的是光電流信號，而絕大數(shù)電子設備的輸入為電壓信號，因此首先需要將光電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大到合適電壓水平以便后續(xù)處理。光電二極管輸出電流十分微弱，通常為零點幾微安到幾微安，實際中，采用運算放大器實現(xiàn)前置放大功能。本文設計前置放大電路實現(xiàn)此功能，采用兩級放大模式，第一級實現(xiàn)電流信號到電壓信號的I/V轉(zhuǎn)換，第二級實現(xiàn)改電壓信號的放大，前置放大電路原理圖，如圖1所示。

本文選用精密高速運放OPA627進行跨阻抗分析，OPA627是一款單位增益穩(wěn)定型JET輸入運放，具有高帶寬，低噪聲，低偏置電壓的優(yōu)點，適用于前置放大中的運放。OPA627采用±5V供電，并利用10 uF，0.1uF電容對電壓進行旁路濾波。

4低通濾波電路設計

光強信號經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換及放大后進入低通濾波器，對信號中的高斯噪聲進行帶限濾波，濾除信號中的高頻成分，提高信噪比，并為后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換提供抗混疊濾波。

模擬濾波器采用單片集成濾波器，單片集成濾波器而言外接電容電阻少，結構相對簡單，截止頻率、Q值等參數(shù)設置方便，高頻濾波器實現(xiàn)簡單可靠。本文采用單片集成濾波器進行低通濾波，選用LT公司的低通濾波器芯片LTC1569-7。

LTC1569-7為10階低通濾波器芯片，線性相位，高DC準確度，截止頻率可調(diào)，通過一個外接電阻即可改變?yōu)V波器的截止頻率，最大截止頻率為300kHz（+5V供電），低失調(diào)電流、漂移電流和偏置電流低，動態(tài)范圍寬。信號濾波后選用精密運放OPA627形成電壓跟隨器，信號穩(wěn)定且與后續(xù)電路采集部分隔離。

因此通過調(diào)整外接電阻RETX1的阻值，就可以方便地根據(jù)需要更改濾波器的截止頻率，適應不同的應用，對信號進行低通濾波。

5自動增益控制電路設計

LED光強檢測系統(tǒng)在實際應用中由于背景干擾、機械振動引起的光路失調(diào)、電子器件的溫度漂移等原因，導致到達探測器的激光光強波動范圍大，進而導致采集信號的幅度變化大，如果信號幅值變大，可能會超出數(shù)據(jù)采集中A/D轉(zhuǎn)換的量程，造成有效光譜數(shù)據(jù)的丟失，如果信號幅度變小則會導致信噪比變差。為了減小這種波動現(xiàn)象，設計自動增益控制電路，對光譜信號幅度進行控制使其在合適的范圍內(nèi)，減小信號幅度的波動，輸出穩(wěn)定的光譜信號。

本文選用壓控放大器VCA810實現(xiàn)精確增益控制，VCA810輸入電壓噪聲為2.4，增益控制帶寬為25MHz，滿足本文的需求，且增益調(diào)節(jié)范圍為-40dB至+40dB，增益調(diào)整范圍大，VCA810采用±5V供電，當控制電壓UC從-2V到0V變化時，可實現(xiàn)增益從-40dB到+40dB線性增加。

VCA810的輸出信號經(jīng)過由精密運放AD8597構成的電壓跟隨器，使其不受后級采集電路的影響，根據(jù)VCA810數(shù)據(jù)手冊，在其±5V電源入口處采用6.8uF鉭電容去耦，濾除電源中的低頻干擾，采用0.1uF陶瓷電容去耦，濾除高頻干擾。

6結論

針對數(shù)字攝像能見度儀在夜間觀測能見度時，光源自身光強波動影響能見度觀測準確性的問題，提出了基于光強自定標技術的數(shù)字攝像能見度夜間光源系統(tǒng)，通過設計LED恒壓恒流驅(qū)動電路、前置放大電路、低通濾波電路、自動增益控制電路的FPGA硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)對LED光強數(shù)據(jù)的實時采集處理和定標，有效的提高夜間能見度觀測的準確性。