基于光强自定标技术的数字摄像能见度仪光源系统设计

戴庞达

摘 要：根据数字摄像能见度仪对检测精度、检测限值和稳定性的要求，对用于夜间观测的光源系统进行设计，基于光强自定标技术，设计LED恒压恒流驱动电路、前置放大电路、低通滤波电路、自动增益控制电路，通过FPGA硬件系统对LED光强数据的实时采集处理和定标，能够有效的提高夜间能见度观测的准确性。

关键词：数字能见度仪;光源标定;电路设计;数据处理

引言

能见度一般为人眼视觉能够观测目标物的最大估计水平距离。能见度的观测和预报已经广泛的应用于气象预报、环境污染分析、交通运输等各个领域。现有的能见度观测方法主要分为散射式、透射式、数字摄像式。数字摄像能见度仪对夜间能见度进行观测需要使用光源。由于光源初始光强受到外界环境、电压波动、发光衰减等多种影响，使在夜间测量能见度的过程中，往往不能保持很好的稳定性，其光强衰减、周期变化等效应影响能见度计算准确性，严重情况下，会造成测量能见度与真实能见度产生较大误差，此时，通过在光源处增加高精度探测器，实现光源光强自定标，对提高能见度的测量精度，具有重要意义。

恒流部分通过LM358实现，输出电流流经电阻R3产生压降，送入LM358的正向端，+5V经过R5、R7分压后输入LM358的反相端，两个电压经过比较产生一个误差电压送入XL4015的2脚（FB），改变XL4015内部振荡器的频率，进而改变输出功率，由于输出电压恒定，因此输出电流发生改变，实现恒流输出。调节滑动变阻器R7，可以改变输出电流，实现对LED亮度的控制。

3前置放大电路设计

光电二极管输出的是光电流信号，而绝大数电子设备的输入为电压信号，因此首先需要将光电流信号转换为电压信号并放大到合适电压水平以便后续处理。光电二极管输出电流十分微弱，通常为零点几微安到几微安，实际中，采用运算放大器实现前置放大功能。本文设计前置放大电路实现此功能，采用两级放大模式，第一级实现电流信号到电压信号的I/V转换，第二级实现改电压信号的放大，前置放大电路原理图，如图1所示。

本文选用精密高速运放OPA627进行跨阻抗分析，OPA627是一款单位增益稳定型JET输入运放，具有高带宽，低噪声，低偏置电压的优点，适用于前置放大中的运放。OPA627采用±5V供电，并利用10 uF，0.1uF电容对电压进行旁路滤波。

4低通滤波电路设计

光强信号经过I/V转换及放大后进入低通滤波器，对信号中的高斯噪声进行带限滤波，滤除信号中的高频成分，提高信噪比，并为后续的模数转换提供抗混叠滤波。

模拟滤波器采用单片集成滤波器，单片集成滤波器而言外接电容电阻少，结构相对简单，截止频率、Q值等参数设置方便，高频滤波器实现简单可靠。本文采用单片集成滤波器进行低通滤波，选用LT公司的低通滤波器芯片LTC1569-7。

LTC1569-7为10阶低通滤波器芯片，线性相位，高DC准确度，截止频率可调，通过一个外接电阻即可改变滤波器的截止频率，最大截止频率为300kHz（+5V供电），低失调电流、漂移电流和偏置电流低，动态范围宽。信号滤波后选用精密运放OPA627形成电压跟随器，信号稳定且与后续电路采集部分隔离。

因此通过调整外接电阻RETX1的阻值，就可以方便地根据需要更改滤波器的截止频率，适应不同的应用，对信号进行低通滤波。

5自动增益控制电路设计

LED光強检测系统在实际应用中由于背景干扰、机械振动引起的光路失调、电子器件的温度漂移等原因，导致到达探测器的激光光强波动范围大，进而导致采集信号的幅度变化大，如果信号幅值变大，可能会超出数据采集中A/D转换的量程，造成有效光谱数据的丢失，如果信号幅度变小则会导致信噪比变差。为了减小这种波动现象，设计自动增益控制电路，对光谱信号幅度进行控制使其在合适的范围内，减小信号幅度的波动，输出稳定的光谱信号。

本文选用压控放大器VCA810实现精确增益控制，VCA810输入电压噪声为2.4，增益控制带宽为25MHz，满足本文的需求，且增益调节范围为-40dB至+40dB，增益调整范围大，VCA810采用±5V供电，当控制电压UC从-2V到0V变化时，可实现增益从-40dB到+40dB线性增加。

VCA810的输出信号经过由精密运放AD8597构成的电压跟随器，使其不受后级采集电路的影响，根据VCA810数据手册，在其±5V电源入口处采用6.8uF钽电容去耦，滤除电源中的低频干扰，采用0.1uF陶瓷电容去耦，滤除高频干扰。

6结论

针对数字摄像能见度仪在夜间观测能见度时，光源自身光强波动影响能见度观测准确性的问题，提出了基于光强自定标技术的数字摄像能见度夜间光源系统，通过设计LED恒压恒流驱动电路、前置放大电路、低通滤波电路、自动增益控制电路的FPGA硬件系统，实现对LED光强数据的实时采集处理和定标，有效的提高夜间能见度观测的准确性。