基于光強自定標技術的數字攝像能見度儀光源系統設計

戴龐達

摘 要：根據數字攝像能見度儀對檢測精度、檢測限值和穩定性的要求，對用于夜間觀測的光源系統進行設計，基于光強自定標技術，設計LED恒壓恒流驅動電路、前置放大電路、低通濾波電路、自動增益控制電路，通過FPGA硬件系統對LED光強數據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：數字能見度儀;光源標定;電路設計;數據處理

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廣泛的應用于氣象預報、環境污染分析、交通運輸等各個領域?，F有的能見度觀測方法主要分為散射式、透射式、數字攝像式。數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境、電壓波動、發光衰減等多種影響，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生較大誤差，此時，通過在光源處增加高精度探測器，實現光源光強自定標，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，輸出電流流經電阻R3產生壓降，送入LM358的正向端，+5V經過R5、R7分壓后輸入LM358的反相端，兩個電壓經過比較產生一個誤差電壓送入XL4015的2腳（FB），改變XL4015內部振蕩器的頻率，進而改變輸出功率，由于輸出電壓恒定，因此輸出電流發生改變，實現恒流輸出。調節滑動變阻器R7，可以改變輸出電流，實現對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換為電壓信號并放大到合適電壓水平以便后續處理。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前置放大功能。本文設計前置放大電路實現此功能，采用兩級放大模式，第一級實現電流信號到電壓信號的I/V轉換，第二級實現改電壓信號的放大，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是一款單位增益穩定型JET輸入運放，具有高帶寬，低噪聲，低偏置電壓的優點，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

光強信號經過I/V轉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，并為后續的模數轉換提供抗混疊濾波。

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值等參數設置方便，高頻濾波器實現簡單可靠。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，通過一個外接電阻即可改變濾波器的截止頻率，最大截止頻率為300kHz（+5V供電），低失調電流、漂移電流和偏置電流低，動態范圍寬。信號濾波后選用精密運放OPA627形成電壓跟隨器，信號穩定且與后續電路采集部分隔離。

因此通過調整外接電阻RETX1的阻值，就可以方便地根據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光強檢測系統在實際應用中由于背景干擾、機械振動引起的光路失調、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，可能會超出數據采集中A/D轉換的量程，造成有效光譜數據的丟失，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，減小信號幅度的波動，輸出穩定的光譜信號。

本文選用壓控放大器VCA810實現精確增益控制，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，且增益調節范圍為-40dB至+40dB，增益調整范圍大，VCA810采用±5V供電，當控制電壓UC從-2V到0V變化時，可實現增益從-40dB到+40dB線性增加。

VCA810的輸出信號經過由精密運放AD8597構成的電壓跟隨器，使其不受后級采集電路的影響，根據VCA810數據手冊，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字攝像能見度夜間光源系統，通過設計LED恒壓恒流驅動電路、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，實現對LED光強數據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。