[发明专利]一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换电路及方法

说明书

本发明提供了一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换电路及方法。该电路包括可变增益运算放大电路、迟滞比较电路、AD转换器和FPGA，其中，原始输入信号同时接入可变增益运算放大电路和迟滞比较电路；所述迟滞比较电路将原始输入信号与设定的阈值电压比较，根据比较结果输出高电平/低电平；所述可变增益运算放大电路根据迟滞比较电路的输出选择对应的增益档对原始输入信号进行调理，并输出至AD变换器；所述FPGA同时接收被AD转换器量化的数字式信号和迟滞比较电路的输出，合成数字化的目标信号。本发明使用一路放大电路、AD转换器及一路迟滞比较电路就实现了电路动态范围的扩展，成本较低，电路结构简明，通用性强。

技术领域

本发明涉及一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益变换电路及方法。

背景技术

当前天文观测的科学研究中，往往需要观测一些亮度非常弱的星体(例如16等星)，同时在观测视场内又存在着大量亮度比较强的星体(例如5等星)，这就意味着观测系统需要有非常高的动态范围来保证既能观测的低亮度星体，同时获取的高亮度星体不会饱和。在这种情况下，一方面需要高动态范围的传感器能够把不同亮度等级的星体发出的光信号转换为对应的电信号，另一方面需要后端处理电路能够处理这些极大动态范围的信号并进行量化处理。

在高动态的天文观测系统中，动态范围基本由系统选用的传感器确定：传感器的读出噪声在一定程度上决定了探测能力的下限(例如16等星)，由于传感器读出频率与读出噪声有较大的相关性，因此系统的读出频率都会设置的比较低；传感器的满阱决定了探测能力的上限(例如5等星)。按照星等计算方法(每一星等差表示亮度差为2.512倍)，一个可同时探测16等星及5等星的探测系统的动态范围为25131＝88dB。为了要充分实现高动态传感器的性能，后端处理电路要有相应的动态范围，尤其是AD转换器。一般来说，AD转换器的动态范围由其量化位数确定(6.02N dB，N为量化位数)。可以计算得出，对于上述探测系统，所需AD量化位数至少为15-bit。

随着科学技术的发展，当前高量化位数的AD转换器有许多，但是结合探测系统的需求，可选择余地可能就不会太多，在考虑到成本等因素，目前发展出一种高、低增益配合同时量化的电路，如图1所示，A1、A2分别表示两个调理放大器，这样能够使用2个低量化位数的AD转换器实现高量化位数的AD转换，两路量化后的数据最终在FPGA处进行融合，最终提高处理电路的动态范围。

上述方法在设计上能够较好的令电路动态范围适配于传感器动态范围，但是存在一定的缺陷，即需要两路AD器件来实现(比较昂贵)，同时两路电路本身无论从调理放大器还是AD本身来说，都存在一定的差异性，在图像融合时难免带入一定的偏差。

发明内容

本发明提供了一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换方法及电路，实现提高动态范围的功能，成本较低，并减少了硬电路差异带来的固定偏差。

为实现以上目的，本发明提出以下技术方案：

一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)调理放大信号：对观测系统传感器输出的信号，使用运算放大电路调理信号，使信号动态范围与后一级的AD转换器输入动态范围适配；

2)确定输入信号幅度范围：将观测系统传感器输出的信号与设定的阈值进行比较，根据比较结果相应输出高电平/低电平；

3)调整运算放大电路增益：根据所述高电平/低电平，对运算放大电路配置相应的高增益/低增益系数；

4)量化输入信号：将运算放大电路输出的信号通过所述AD转换器数字化；

5)数据处理：接收步骤4)AD转换器输出的数字化信号，并参考步骤2)输出的高电平/低电平对信号进行修正，得到数字化的目标信号。