一種具有角位置信號反饋的振鏡驅動電路設計

華中光電技術研究所 阮仁秋 丁 捷

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一種具有角位置信號反饋的振鏡驅動電路設計

華中光電技術研究所 阮仁秋 丁 捷

【摘要】在線陣掃描型紅外熱像儀中，掃描振鏡是重要的組成部分，其功能是將景物經過光學系統匯聚后的輻射信息精確傳遞到探測器靶面上，所以振鏡的掃描角度就決定了信號能否精確到達靶面。而振鏡的掃描角度又由驅動硬件電路所控制。針對此，本文提出了一種基于DSP控制方案，具有角度位置反饋的振鏡驅動電路。

【關鍵詞】線陣紅外熱像儀；振鏡；角度位置反饋

1 引言

目前，線陣紅外熱像儀已經廣泛應用于軍事、民用領域。線陣紅外熱像儀的成像原理是基于熱輻射定律，一切高于絕對零度的物體都具有熱輻射［1］。即是鏡頭光學系統將無窮遠處的景物輻射聚焦到探測器靶面上，將輻射光信號轉變成模擬電信號，再經過圖像處理硬件電路實現圖像輸出。然而景物輻射在到達探測器之前必須經振鏡掃描輻射信息，到達探測器靶面，排列、處理，才能真正意義上的還原景物的真實信息。振鏡工作的可靠性將決定熱像儀的成像質量，所以熱像儀中振鏡的控制電路將影響最后的成像質量。

掃描鏡在線陣紅外熱像儀中的工作原理是，其是基于DSP為控制核心，當系統開始工作時，由于探測器要達到正常工作溫度需要一定的時間，所以此時掃描鏡接收到的控制信號是一個慢掃描的過程。當探測器杜瓦瓶達到正常工作溫度時，控制芯片立刻給掃描鏡驅動模塊發送指令，其實現快掃描。從而才能實現圖像輸出。

掃描振鏡的工作狀態完全是由驅動電路所決定，驅動電路是介于振鏡與核心控制芯片之間的橋梁，當上位機要發送指令使系統達到某個運行狀態時，DSP會發出指令，從而實現D/A轉換，使驅動電路獲得模擬信號，才能驅動振鏡運行。反之驅動電路還能檢測振鏡的運行狀態，再通過A/D轉換傳遞給DSP，就直接能從上位機上查看狀態信息。

振鏡掃描的過程實質上就是角度輸出的過程，而振鏡的中心位置是前端光學系統的焦點位置，而如果不能對其掃描角度實行精確穩定的控制。將影響輻射信息到達探測器。

2 掃描鏡驅動電路設計

掃描振鏡包括反射鏡片、運動電機以及外部控制電路組成［2］。控制掃描鏡實質上就是控制電機按照系統內部要求作往返運動。即是只有采取相應的伺服驅動控制，電機才可按要求工作。

本文中控制系統采用閉環控制，功率放大和增益放大之間有微分反饋和電流反饋，電流反饋保證了掃描的高精度和響應的快速性；轉速微分反饋單元確保了振鏡電機線圈電流的平穩，減少電流超調量，增強系統響應速度。通過對輸出信號與輸入信號之間增加了角位置反饋單元，的處理能夠保證電機準確、快速、平穩運行。

振鏡信號為模擬電壓輸入，相應的輸入電壓對應反射鏡相應的角度偏轉。

通常來說，振鏡電路的最大電壓為±5V或者±10V。即此時電壓為反射鏡偏轉的最大角度位置偏轉電壓，當電壓繼續增大時反射鏡將不再偏轉。在輸入電路中往往階躍瞬間輸入信號與反饋信號之間幅度差值過大，這就可能會導致輸出級功率放大器的電流過大，超出了其所能承受最大電流，使系統無法正常工作。所以為了確保電機能夠安全可靠工作，則需要對輸入信號進行處理。處理電路如圖1所示。

圖1 輸入信號處理電路

圖2 輸出信號處理電路

然而在輸出電路部分，其目的是為了給掃描振鏡電機驅動，即是給電機線圈提供足額的電流，以產生所需的轉矩。所以在輸出電路中，實質上就是電流放大電路。本文采用的功率放大器LM3886，其在結合實際應用中有以下特點，輸出功率大；失真度小（總失真加噪聲＜0.03%）；電流電壓抗過載能力強；環境溫度試驗得出其高低溫工作穩定性較好；以及抗電流瞬間沖擊力較強。輸出功率放大電路如2所示。

在輸出信號電纜中，為保證掃描鏡在系統中正常穩定的工作，其還可以對掃描鏡運行時的電壓以及電流進行監控。

3 角位置反饋處理電路

從第二節驅動原理中可以看到，通常采取的反饋手段為電流反饋與微分反饋，而從實際應用中發現，這兩種反饋方式還存在著一定的高頻信號。然而角位置信號目的是通過獲得高頻信號的幅值用以確定角度偏差。其原理如下，因為在振鏡電機中，傳感器是可變差動電容式傳感器，可變差動電容式傳感器輸出高頻幅值通過電容值的改變而發生相應變化。也就是說高頻信號幅值的大小由電容值調節。那么我們可以把獲得角度偏差的大小轉化為計算高頻信號幅值。

角位置信號檢測處理電路是由二極管檢波電路和差分濾波電路夠成。首先檢波電路獲得高頻信號，再由濾波電路濾波反饋給輸入電路。

圖3 檢波電路

檢波電路如圖3所示，實質上就是角度位置信號經過解調后，再經過二極管檢波電路，進行RC低通濾波，再進行差分放大，就可以得到相應的角度信號。差分放大電路如圖4所示。

圖4 差分放大電路

如圖4中所示的輸入信號Ia、Ib為角度位置信號經過二極管檢波電路得到的信號，VA、VB為差分信號，VP就是所要得到的角度反饋信號。

4 結論

本文提出了一種具有角度反饋信號的掃描振鏡驅動電路，其控制核心是DSP，重點介紹了驅動電路中反饋信號除了基于增益放大和功率放大產生的微分反饋和電流反饋外，通過獲取高頻信號幅值而得到的角位置反饋。經過實際的測試這種驅動電路對掃描振鏡掃描角的控制更加精確與穩定，尤其在熱像儀光軸校正、視場標定中更加精確和快捷。不僅如此，本文提出的掃描鏡驅動方法在激光掃描系統中同樣可以借鑒參考。

參考文獻

［1］楊臣華，梅遂生，林鈞挺.激光與紅外工程手冊［M］.北京﹕國防工業出版社，1990.

［2］劉本善，裴先登，盧祖弼.振鏡掃描系統的特性研究［J］.電子計算機外部設備.1994，18（6）.

作者簡介：

阮仁秋（1985－），碩士，工程師，主要從事紅外成像技術及應用方面的研究。