杨 科，程 刚，郭 羽，周根东，卢 飞，李 辉，刘建平，孙宇楠，宫经珠，张 旭，吴李鹏，张 清，孙 帅，郭 建

（1.西安应用光学研究所，陕西 西安 710065；2.西安北方光电科技防务有限公司，陕西 西安 710043）

引言

精密红外辐射计是通过对物体表面红外辐射进行检测，从而得到物体表面温度的测量设备，是研制红外热像仪测试设备的校准装置，用于测量和标定红外热像仪测试设备的辐射温度均匀性、辐射温差和仪器常数[1-3]。精密红外辐射计主要由望远红外透镜组件、验证黑体、瞄准系统、参考黑体、限光光栏、滤光单元、反射镜、测量模块等组成[4-6]。

精密红外辐射计测量的辐射温差信号，是非常微弱的信号，且由于各种空间电磁辐射的干扰，以及测量仪器自身的干扰，被测信号往往淹没在噪声纹波当中。针对微弱信号的测量，国内外的现有测量模块一般都采用相敏检波方案，该方案首先通过设定频率的斩波器来对被测信号进行调制，然后再利用调制信号和噪声的频谱特性将噪声剔除获得测量值[7-9]。该方案能有效地从噪声中测量到微弱的信号，但由于电路复杂，还需要调节正反向放大增益一致，尤其对调制信号和参考信号的相位差很敏感，任何相位差都会严重损失能量，导致系统可靠性降低。

为了简化测量模块，提高信噪比，本文对精密红外辐射计的测量方案进行了研究创新，提出了采样保持的测量方案，通过生成采样脉冲和设置采样点，最终简化了测量模块，并在同等条件下显著提高了信噪比。

1 测量原理

被测信号经过斩波器调制后，理想情况下会变成方波，如图1 所示。实际中由于斩波器叶片对信号的切割是逐步进行的，因此调制后的信号往往为梯形波。而且信号越弱，梯形波的斜坡越缓；信号越强，梯形波的斜坡越陡，梯形波再经过隔直电容会变成交流梯形波信号。

图 1 斩波器调制信号示意图Fig.1 Schematic diagram of chopper modulation signal

1.1 相敏检波方案信号分析

相敏检波方案一般通过参考信号控制4 路模拟开关的通断，将放大电路切换到同相或反向模式，进而把交流梯形波信号的正半周期进行同相放大，把信号的负半周期进行反相放大[10-12]，实现将交流梯形波信号负半周期的负电压翻转成正电压，再通过积分器进行平均，作为最终测量值[13-15]。

为便于理论分析，将被测信号分为弱信号和强信号2 种，并且根据梯形波的斜坡的实际情况，用正弦波来等效弱信号，用方波来等效强信号；假设被测信号和参考信号同频同相，初始相位都为0。

1.1.1 弱信号模型分析

用A表 示参考信号的表达式，用u0表示正弦波信号，则其表达式为

u0=AUsinωt

式中：用U代表正弦波信号的振幅，当参考信号在正半周期时A为 1，当参考信号在负半周期时A为-1；用u1表示相敏检波的输出电压信号，则u1表达式为

u1=|Usinωt|

u1再通过积分器，对电压信号进行平均，获得最终的测量值；用u2来表示最终的测量值，根据理论推导，u2表达式为

从表达式可以看出，对于弱信号，得到的最终测量值的理论值，只有峰值电压U的63%。

1.1.2 强信号模型分析

用A表 示参考信号的表达式，用u3表示方波，则其表达式为

u3=AU

式中：用U代表方波信号的振幅，当参考信号在正半周期时A为 1，当参考信号在负半周期时A为-1。用u4表示相敏检波的输出电压信号，则u4表达式为

u4=|U|

u4再通过积分器，对电压信号进行平均，获得最终的测量值；用u5表示最终的测量值，根据理论推导，u5表达式为

从表达式可以看出，对于强信号，得到的最终测量值的理论值，就是峰值电压U。

1.2 采样保持方案信号分析

本文提出了一种基于采样保持的测量方案，利用采样保持电路采样后能长期保持采样电压的特点，在每个周期内只采样一次，并将采样点设置在每个周期的1/4 相位处，因为此处振幅最大能量最强。同样以正弦波信号u0作为输入信号，所获得的采样电压就是峰值电压U。对于采样保持电路，用u6表示采样保持的输出电压信号，则u6表达式为

u6=U

u6再通过积分器，对电压信号进行平均，获得最终的测量值；用u7表示最终的测量值，根据理论推导，u7表达式为

通过理论分析可以看出，无论是强弱信号，采样保持方案的最终测量值，都是信号的振幅U。相比于相敏检波方案，采样保持方案的优势尤其表现在对弱信号的检测上，可使弱信号最终测量值的强度提升58%；对于强信号两者性能一致。由于精密红外辐射计主要用于微弱信号的测量，而且采样保持方案极大地简化了电路，因此该方案可同时提高测量模块的可靠性和信噪比。

2 测量模块组成

采样保持模块的原理框图如图2 所示。主要特点在于采样脉冲电路和采样保持电路，当采样脉冲信号为高电平时，可以打开采样保持电路的采样开关，对被测信号进行采样；当采样脉冲信号为低电平时，可以关闭采样保持电路的采样开关，对被测信号进行保持。因此可以通过调节采样脉冲信号的相位和宽度，分别控制采样保持电路的采样位置和采样时长，对被测信号进行采样或保持。

图 2 采样保持测量模块Fig.2 Measurement module of sample and hold

由于采样保持电路可以长期保持采样电压，一个周期只需要采样1 次，不需要复杂的相敏检波电路，因此简化了测量电路。为了提高测量值，选择在被测信号能量最强的时候进行采样。根据参考信号的频率和相位，在每个调制周期的1/4 相位处，设置为采样点，产生需要的采样脉冲信号；对于采样时长，可根据被测信号的具体波形峰值保持的时长进行设置，一般设置为1 ms。

3 实验测试与分析

在环境温度为25℃、环境湿度为45%的条件下，对于相同黑体辐射以及相同前放电路增益的条件，验证黑体温度从60℃～35℃每间隔5℃设置测试点，对比2 种方案的输出测量信号强度。其中，黑体选用美国的SBIR，温度范围为15℃～60℃，分辨率为0.001℃；斩波器选用广州塞恩的SR540 型,斩波频率设置为30 Hz；红外探测器选用上海技术物理研究所的碲镉汞探测器，斯特林制冷型单像元探测器，像元面积为1 mm×1 mm,响应波段8 μm～12 μm。实验设备实物如图3～图5所示。

图6 是黑体在60℃时的辐射信号，经过斩波器调制后，在电子系统测量电路采集到的信号波形，其中1 通道为采样脉冲波形，2 通道为前放的输出波形，3 通道为采样保持电路的输出波形。

图 3 黑体实物图Fig.3 Physical photo of black body

图 4 斩波器实物图Fig.4 Physical photo of chopper

图 5 斩波器调制信号实物图Fig.5 Physical photo of chopper modulation signal

图 6 采样保持信号波形Fig.6 Signal waveform of sample and hold

表1 为得到的实验数据，实验数据为黑体温度稳定后，每隔1 min 读取一次，共采集10 个数据，然后对多次测量的数据取平均值，并统计了实验数据的标准差。实验中随着黑体温度提高，信号强度提升幅度慢慢降低，分析认为这跟被测信号能量强度有直接关系。当黑体温度较低时，输入辐射能量微弱，信号波形更趋于正弦波。对于相敏检波电路的输出波形，积分器会对信号进行平均，而采样保持电路的信号是电平信号，积分器影响很小，因此2 种方案的输出测量值差别较大；当黑体温度提高后，输入辐射能量增强，信号波形更趋于方波，经过相敏检波电路的信号趋于电平信号，逐渐接近于采样保持电路的信号，而积分器对于电平信号的影响很小，因此2 种方案的差别逐渐缩小，该实验数据与理论分析完全一致。

从表1 可以看出，在同等实验环境和输入信号条件下，采用采样保持方案，输出测量信号电压值显著增强，尤其对于微弱信号，提升幅度非常明显，接近于58%的理论提升比例，可显著提高精密红外辐射计对于微弱信号的测量能力。

表 1 信号测量强度实验数据Table 1 Experimental data of signal measurement intensity

4 与现有仪器的对比实验

精密红外辐射计主要用于对红外热像仪测试设备进行校准。将靶标相对于背景的微小温差变化反应为测量电压的微弱变化。针对该应用场景，设计测量精度对比实验。采用红外热像仪测试设备输出的温差信号作为辐射源，对比2 套测量方案的精度。

红外热像仪测试设备利用自身的红外温差准直辐射光学系统，能够产生温差辐射信号，模拟远距离红外目标和背景。当该温差辐射信号固定时，如果电子系统测量电路输出的电压信号越大，则表示其精度越高。

搭建的实验环境如图7 所示。环境温度为20℃，环境湿度为45%，其中蓝色的为红外热像仪测试设备，黑色的为精密红外辐射计。在相同前放电路增益的条件下，设置红外热像仪测试设备背景温度为22℃，并设置红外热像仪测试设备的靶标温度。在背景温度基础上，每增加1℃温差测试一次，计算测量电路的输出电压在目标温度设置前后的电压差值。实验数据为红外热像仪测试设备设置的靶标温度稳定后，每隔1 min 读取一次，共采集10 个数据，然后对多次测量的数据取平均值，并统计了实验数据的标准差，得到的实验数据如表2 所示。

图 7 红外热像仪测试设备实物图Fig.7 Infrared thermal imager testing equipment

从表2 的实验数据可以看出，随着红外热像仪测试设备中目标温度的提高，信号强度提升幅度基本一致，分析认为这是因为被测信号总体能量强度基本一致。在同等实验条件和输入信号下，采用采样保持方案，精密红外辐射计对于微弱信号的测量精度显著增强，提升比例在50%以上。

表 2 信号测量精度实验数据Table 2 Experimental data of signal measurement accuracy

5 结论

提出了一种针对微弱信号测量的精密红外辐射计测量模块的新方案，并对信号的测量模型进行了理论分析，通过2 套实验充分验证了该方案的有效性，尤其对于微弱信号的测量强度提升幅度非常明显，实现了接近于58%的理论提升比例；对微弱信号的测量精度的提升也大于50%，可显著提高系统的信噪比和测量精度，是对现有相敏检波测量方案的重大改进，对于各种微弱信号的测量领域，都具有广泛的使用价值。

实验中发现，采样保持方案的测量稳定性，对采样保持电路的时间常数，以及采样时长的设置比较敏感，下一步可对该问题进行进一步的研究，以提高该方案的抗干扰能力。