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第２８卷第ｌ１期 红外技术 Ｖｂ１．２８ Ｎｏ．１１ ２００６年１１月 Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＮＯＶ．２００６ ＜测试技术＞ 一种多点测量并兼容多种传感器的黑体测温方法研究 龚玉梅，陈木旺 （中国科学院上海技术物理研究所，上海２０００８３） 摘要：机载红外扫描仪黑体温度测量是遥感数据定量化反演的依据，已经成为仪器设计的重要环节。 由于黑体的面积较大，相对于目前一般使用的单点测温方法介绍一种多点测温方法，在黑体内放置多 个温度传感器，通过扫描网络实现多点巡回测温，提高黑体测温准确度。同时，兼容多种不同精度的 温度传感器，能够适应不同灵敏度的红外扫描仪对黑体测温精度的要求。 关键词：多点测温；多种传感器；黑体 中图分类号：ＴＮ２１９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—８８９１（２００６）１１—０６３９．０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｏｎｅ Ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ Ｂｌａｃｋｂｏｄｙ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ Ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｆ０ｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ＧＯＮＧ Ｙｕ—ｍｅｉ，ＣＨＥＮ Ｍｕ—ｗａｎｇ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ＣＡＳ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂｌａｃｋｂｏｄｉｅｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄａｔａ ｉｓ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｆｏｒ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄａｔａ ｒｅｔｒｉｅｖａｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｉｎ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ．Ａ ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．Ａｓ ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｆ ｈｔｅ ｂｌａｃｋｂｏｄｙ ｉｓ ｗｉｄｅ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｐｌａｃｅｄ．Ｔｈｅｓｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｓｃａｎｎｅｄ ｏｎｅ ｂｙ ｏｎｅ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｎ ｓｕｃｈ ａ ｗａｙ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｖｅｒａｃｉｔｙ ｓｈａｌｌ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｌｓｏ ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｉｈｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｃａｎｎｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｅｎｓｏｒｓ；ｂｌａｃｋｂｏｄｙ 引言 黑体的测温精度，直接影响到遥感数据的定量化 反演精度。目前，国内机载红外扫描仪的黑体测温一 机载红外扫描仪的机上定标系统通常由两个平 般使用的是单点测温，由于黑体的面积比较大，红外 面黑体组成，分别安装在扫描仪地物窗口的两侧，其 探测器接收黑体的整体辐射能量，黑体温度的非均匀 大小尺寸充满视场，遥感作业时将两个黑体的温度分 性必然会造成单点测温的不准确性。在黑体内部放置 别控制在地物目标的最高和最低的亮度温度附近，对 多个温度传感器进行多点测温是一个有效的解决方 黑体温度进行实时测量和记录，用来对遥感数据进行 案，如ＭｏＤＩＳ就通过ｌ２个热敏电阻对黑体进行测温。 定标¨Ｊ。同时，机载红外扫描仪应用范围越来越广泛， 不同系统灵敏度的红外扫描仪对黑体测温精度要求 对应不同的应用场合，设计出不同系统灵敏度的红外 不同，本文提出一种集成多种传感器多点黑体测温方 扫描仪，也对黑体测温精度提出了不同的要求。 法。原理框图如图ｌ所示。 １系统测温原理 收稿日期：２００６．０５．１０ 作者简介：龚玉梅（１９８４一），女，中科院上海技术物理研 究所在读博士生，研究方向为电路与系统。 基金项目：国家８６３项目（课题号：２００１ＡＡ６３６０３０） ６３９ 维普资讯 http://www.cqvip.com
第２８卷第１１期 ２００６年ｌ１月 红外技术 Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｂ１．２８ ＮＯ．１１ ＮＯＶｏ ２００６ 一 薛一 ｒｒｂ＾ 图１测温原理框图 Ｆｉｇ．１ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ 本系统通过类似键盘行列扫描的方法，将温度传 感器连接成矩阵网络，通过ＦＰＧＡ产生的行列选择信 号进行巡回测温。所有温度传感器共用信号检测、放 大、滤波、数字化和数据处理等模块，并由ＦＰＧＡ实 现与主控制板的ＳＰＩ接口通讯，传递所测量的温度数 据。 系统兼容三种传感器：集成温度传感器ＡＤ５９０、 铂电阻Ｐｔｌ００和热敏电阻（Ｏ℃时电阻为１０ ｋＱ）。三者 各有特点：集成温度传感器ＡＤ５９０是电流型传感器， 精度不高，但是线性度好，信号调理电路简单，在常 温测量中比较常用：铂电阻属于无源传感器，工作时 需要外接激励源，线性度好，但灵敏度较低，如ＰＴ１００ 的灵敏度为０．３８５Ｄ．／℃，对信号调理电路要求也比较 高，但其稳定性和准确度都是比较高的，所以常用于 高精度的测量；热敏电阻也是无源传感器，同样需要 外接激励源，线性度很差，需要通过查表来反演温度 数据，但其灵敏度很高，通过标定，可以实现高精度 的温度测量Ｉ驯 Ｊ。 本系统从集成性和兼容性考虑，兼容了这三种传 感器，在机载红外扫描仪黑体测温中，可根据扫描仪 系统灵敏度的需要，在精度要求较高时选用铂电阻和 热敏电阻，精度要求较低时选用集成温度传感器 ＡＤ５９０。 ２系统设计 根据上述的系统测温原理，系统的设计主要分为 以下几个模块：传感器矩阵网络、可控增益差分放大、 滤波电路、Ａ／Ｄ采样和控制部分。 ２．１传感器矩阵网络 在机载红外扫描仪的黑体温度测量中，需要测试 低温黑体ＬＢＢ，环境黑体ＡＢＢ，高温黑体ＨＢＢ，低 温黑体ＴＥＣ热端，高温黑体ＴＥＣ热端共５种温度数 据，其中前三者最多可分别内嵌１６个温度传感器， 后两者最多可分别内嵌４个温度传感器，因此选择了 ８×８的矩阵网络。 本系统兼容三种传感器，它们的激励源不同， ＡＤ５９０通过５Ｖ电压源激励，对于铂电阻和热敏电阻 分别通过１ ｍＡ和１００ 的电流源激励，因此需要有 不同的激励源产生电路。系统的测温范围为－－４０℃～ ＋４Ｏ℃，为了提高动态范围和方便后端的采集处理， 希望０℃时对应零伏输出，需要与０℃时信号进行差 分，电路中必须提供０￣Ｃ时的基准信号。对于电流型 集成温度传感器ＡＤ５９０，其与温度的关系为ｌｇＡ／Ｋ， 与１ Ｋ的电阻相接，则对应电压随温度变化系数为１ ｍＶ／Ｋ，对应０￣Ｃ时（绝对温度为２７３ Ｋ时），偏移电压 为Ｖ０＝２７３Ｋ×ｌｍＶ／Ｋ＝２７３ｍＶ。对于铂电阻和热敏 电阻，激励源为电流源，因此在电路中串连对应０￣Ｃ 时的电阻值即可获得偏移电压。不同传感器时，对应 选择不同的激励源和接地电阻。示意图如图２所示。 图２矩阵网络示意图 Ｆｉｇ．２ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ Ｍａｔｒｉｘ Ｎｅｔ 通过ＦＰＧＡ产生模拟开关的选通时序，实现多点 巡回扫描。当温度传感器为铂电阻或热敏电阻时，为 了降低引线电阻和接插件接触电阻等的影响，提高测 温精度，使用四线接法，传感器两端直接引线连接信 号调理电路Ｉ４Ｊ。示意图如图３所示。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第２８卷第ｌｌ期 ２００６年ｌ１月 Ｖｌｏ１．２８ ＮＯ．１ｌ 龚玉梅等：一种多点测量并兼容多种传感器的黑体测温方法研究 ＮＯＶ．２ｏｏ６ 图３铂电阻／热敏电阻四线接法示意图 Ｆｉｇ．３ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ Ｐｌａｔｉｎｕｍ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ／Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ２．２可控增益差分放大 系统中兼容的三种温度传感器特点各不相同，对 温度的灵敏度不同，同样的温度变化会引起不同幅度 的电压变化。为了充分利用Ａ／Ｄ的量化位数，就需要 将传感器输出的电压信号动态范围放大到尽量与Ａ／Ｄ 输入的动态范围一致。 例如，在系统中电流型集成温度传感器ＡＤ５９０ 转换的电压温度变化系数为１ ｍＶ／Ｋ，对于测温精度 为－－４０。～＋４０。，则动态范围为－－４０ｍＶ～＋４０ｍＶ， 为了能尽量的利用Ａ／Ｄ的输入范围，提高精度，并便 于后期数据处理，要将输入电压放大到一４Ｖ～＋４Ｖ， 则放大倍数应为： Ｇ＝４０００ｍＶ／（１ｍＶ×４０、＝１００ 对于ＰｔｌＯ０，其响应率约为０．３９￣／Ｋ，若激励电流 为１ ｍＡ，则要求放大倍数为４０００ ｍＶ／（０．３９×４０×１） ＝２５０。 为了满足不同放大倍数的要求，系统中采用两级 放大，增益可控的方法。放大器选择美国Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅ公司的仪放ＡＤ５２４，其具有低失调、良好的线 性度和增益可控等优点。根据接入温度传感器的不 同，用ＦＰＧＡ控制选择传感器输入量，并选择相应的 两级放大的系数，框图如图４所示。 图４可控增益差分放大框图 Ｆｉｇ．４ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ Ｇａｉｎ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ２－３滤波电路 为了更好的抑制噪声，在传感器信号放大后，加 入八阶Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ低通滤波器，其３ ｄＢ转折频率为 １ＫＨｚ。Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ滤波器具有频谱曲线平坦，低通 频段信号增益一致性好等特性，在信号调理中被广泛 的运用。设计中使用了集成八阶Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ低通滤波 器ＭＡＸ２９５，它是一款非常简单易用的开关电容滤波 器，通过控制输入时钟的频率变化，可以实现低通滤 波器截止频率的变化，接法示意图如图４所示。 ＋ＳＶ ＿毒ＰＵＴ ０ｌＪＩＰＩ］Ｉ ｃＬ０ｃＫ 图５ ＭＡＸ２９５接法不意图 Ｆｉｇ．５ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ＭＡＸ２９５ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ２．４ Ａ／Ｄ采样 根据前面的分析，经过信号调理后，Ａ／Ｄ输入端 对应的电压随温度变化的关系为１００ ｍＶ／￣Ｃ，为达到 分辨率为０．０１℃，选择１４位量化精度Ａ／Ｄ芯片 ＭＡＸ１１４３。ＭＡＸ１１４３转换速度为２００ｋｓｐｓ，支持单电 ６４１ 维普资讯 http://www.cqvip.com
第２８卷第１１期 ２００６年ｌ１月 红外技术 ＩｎｆｒａｒｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｂ１．２８ ＮＯ．１ｌ Ｎｏｖ．２０ｏ６ 源５ Ｖ供电，信号输入范围为一４．０９６ｖ～＋４．０９６Ｖ， ３结论 本文提出了一种兼容性很强的多点巡回测温的 串行ＳＰＩ接口，能够很好地满足系统的要求。同时， 它具有自定标功能，在Ａ／Ｄ转换前进行自定标可以减 少环境和电路等对Ａ／Ｄ的影响，提高Ａ／Ｄ转换精度。 ２．５控制部分 控制部分以Ａｌｔｅｒａ公司的ＡＣＥＸ１Ｋ系列的ＦＰＧＡ 方法，可以很好地满足不同黑体测温精度的要求。该 系统已经通过功能调试，为不同系统灵敏度的红外扫 描仪的数据反演提供了参考。 芯片ＥＰ１Ｋ３０为核心，主要实现选择控制、扫描网络 选通、Ａ／Ｄ接口、数字滤波和ＳＰＩ外部接口等功能。 选择控制主要实现不同温度传感器接入时，选择不同 的激励源，进行放大增益的选择。扫描网络选通用来 实现对接入矩形网络的温度传感器进行逐个选通，巡 回测量。Ａ／Ｄ接口部分主要产生Ａ／Ｄ工作的设置和数 据传输所需时序。数字滤波主要实现对通过Ａ／Ｄ采集 进来的数据进行去最值取平均算法。ＳＰＩ外部接口主 要产生接口时序，与主控板进行ＳＰＩ通信，接收主控 板命令，将测得温度数据传送给主控板。 ６４２ 参考文献： 【１］宋全祥．黑体的分析和研究【ＪＪ．红外技术．１９９６，ｌ８（５）：２８￣３０． 【２］ Ｂｏｎｎｉｅ Ｂａｋｅｒ．Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｌｎｃ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ［Ｍ］．１９９８． 【３］江先阳，石定河．测温用黑体腔的理论研究【ＪＪ．红外技术．１９９８，２０（２）： １８～２０． 【４］ 赵继文．传感器与应用电路设计【Ｍ］．北京：科学出版社．２００２，９： ５４３～５５３
