高過載條件下紅外成像技術(shù)研究

黃殿升 張福欣 陳 凱 杜光偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第27研究所，河南 鄭州 450000)

1 概述

制導(dǎo)炮彈是在制導(dǎo)技術(shù)、控制技術(shù)、微型機(jī)電技術(shù)基礎(chǔ)上誕生的，可以彌補(bǔ)普通炮彈射程近、精度低的缺陷。與導(dǎo)彈攻擊方式相比，制導(dǎo)炮彈具有攜彈量大、使用靈活、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。特別在用以打擊陸上目標(biāo)、提供火力支援、應(yīng)付恐怖主義及非對(duì)稱威脅的情況下，對(duì)制導(dǎo)炮彈的軍事需求顯得更為迫切[1]。

當(dāng)前圖像制導(dǎo)以紅外成像或電視成像方式為主要的發(fā)展方向，其被動(dòng)工作、制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)，具有實(shí)現(xiàn)“發(fā)射后不管”的能力，符合現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器高精度、智能化的要求。

紅外圖像制導(dǎo)炮彈是未來發(fā)展趨勢(shì)。為了滿足軍事應(yīng)用需求以及開拓潛在的巨大市場(chǎng)，各工業(yè)部門已經(jīng)圍繞炮彈圖像制導(dǎo)技術(shù)先期開展了相關(guān)論證和基礎(chǔ)技術(shù)研究工作，諸如大規(guī)模集成電路微封裝技術(shù)、旋轉(zhuǎn)圖像處理技術(shù)、紅外探測(cè)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的不斷進(jìn)步，都為制導(dǎo)炮彈成像制導(dǎo)開展成體系的研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于紅外圖像制導(dǎo)炮彈，其在制式火炮系統(tǒng)發(fā)射的過程中，在炮膛內(nèi)火藥燃燒壓力的作用下，炮彈將產(chǎn)生很大的加速度，使炮彈內(nèi)的各組件在發(fā)射瞬間承受最大到上萬個(gè)g左右的短時(shí)高過載，這種載荷環(huán)境給紅外成像系統(tǒng)的工作帶來很大的不良影響，尤其是其中的光學(xué)探測(cè)成像組件，甚至?xí)驗(yàn)榻Y(jié)構(gòu)件的破壞而不能正常工作[2]。因此紅外圖像制導(dǎo)炮彈中，紅外成像系統(tǒng)是整個(gè)指導(dǎo)炮彈中最為關(guān)鍵和核心的部分。

其關(guān)鍵的核心技術(shù)難點(diǎn)是：

(1)紅外光學(xué)組件抗過載設(shè)計(jì);(2)探測(cè)器抗過載防護(hù);(3)核心電子電路的抗過載設(shè)計(jì)。

抗過載技術(shù)的理論分析和實(shí)現(xiàn)途徑是選擇合適的減振參數(shù)、設(shè)計(jì)合理的減振系統(tǒng)、采取特殊的封裝與集成工藝來突破抗高過載的技術(shù)難題，使紅外圖像成像系統(tǒng)能滿足指導(dǎo)炮彈發(fā)射的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境要求。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外成像系統(tǒng)由紅外光學(xué)鏡頭組件、紅外成像探測(cè)器、驅(qū)動(dòng)時(shí)序及讀出電路、實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路、視頻輸出接口等組成，如1所示。

圖1 紅外成像系統(tǒng)成原框圖

3.1 紅外光學(xué)鏡頭的抗過載設(shè)計(jì)

對(duì)紅外成像系統(tǒng)而言，光學(xué)部分是抗高過載的薄弱環(huán)節(jié)之一，必須從紅外材料的選用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上入手加以考慮[3]。

考慮到探測(cè)器靶面大小、目標(biāo)的大小及視場(chǎng)等因素，本系統(tǒng)焦距f取45mm。根據(jù)紅外目標(biāo)的輻射特性，探測(cè)器的靈敏度，以及彈體的結(jié)構(gòu)總體要求，主鏡口徑D1取45mm。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何在保證成像質(zhì)量的條件下，盡量減小體積滿足系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)要求。由于是要承受高過載的要求，考慮反射系統(tǒng)不產(chǎn)生色差，易于輕量化，通過使用非球面來校正像差可以使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，像質(zhì)優(yōu)良的特點(diǎn)，采用了全反射式R2C光學(xué)系統(tǒng)?；趲缀喂鈱W(xué)理論，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了筒長(zhǎng)較短，軸外像差小，像面照度均勻，滿足彈載要求的適于紅外探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)，給出了設(shè)計(jì)結(jié)果。在滿足高過載方面，采用了全金屬雙反結(jié)構(gòu)，且與彈頭成統(tǒng)一的整體的設(shè)計(jì)措施。選擇的合金材料的形變系數(shù)與紅外玻璃形變系數(shù)接近，在他們的連接部位采用能夠吸能且形變小的特殊結(jié)構(gòu)，保證他們?cè)谑艿礁邲_擊時(shí)有一致的形變，從而達(dá)到保護(hù)紅外玻璃而且不影響成像質(zhì)量的目的。

3.2 探測(cè)器抗過載設(shè)計(jì)與防護(hù)

紅外探測(cè)器是該系統(tǒng)的核心部件，其是否能夠通過炮彈發(fā)射瞬間的高過載是成敗的關(guān)鍵。在彈藥發(fā)射時(shí)，慣性器件要經(jīng)受上萬個(gè)g的高過載環(huán)境，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其抗高過載的能力，必須保證彈發(fā)射出后傳感器能夠可靠工作。首先要從理論上進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，找出薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行保護(hù)，確保探測(cè)器能夠有足夠高的抗過載能力;其次要在與印制板的連接上做到充分的減震，吸收和減弱瞬間的高過載對(duì)探測(cè)器帶來的沖擊。探測(cè)器的設(shè)計(jì)與封裝涉及到微電子技術(shù)及其他學(xué)科，是系統(tǒng)中最為復(fù)雜和脆弱的額環(huán)節(jié)。對(duì)紅外探測(cè)器而言，其薄弱環(huán)節(jié)是探測(cè)器的鍺窗和內(nèi)部的微成像單元，在高過載情況下易損壞。由于其是真空封裝，鍺窗內(nèi)外存在著一個(gè)大氣壓差，在過載情況下容易破裂，碎片從而砸壞微成像單元。在設(shè)計(jì)方面，一方面通過加厚鍺窗的厚度，同時(shí)再在鍺窗下面加上金屬骨架網(wǎng)，大大提高了鍺窗抗過載能力。在封裝技術(shù)上，采用對(duì)特殊元件進(jìn)行定點(diǎn)固定的特種工藝，提高其抗沖擊的等級(jí)。結(jié)合國(guó)內(nèi)微電子封裝技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)核心器件采用特殊工藝封裝，使之具備耐受高過載的能力。探測(cè)器與印制板的之間的連接，使用空心鋁加橡膠墊的組合方式，增強(qiáng)吸震能力。管腳與焊盤之間采用硅膠進(jìn)行灌封，這些措施通過實(shí)驗(yàn)證明，能有效提高探測(cè)器核心部件的整體抗過載沖擊的能力。

3.3 信號(hào)處理電路的抗過載設(shè)計(jì)與灌封

灌封材料除了要求機(jī)械強(qiáng)度好外，還必須對(duì)設(shè)備電性能指標(biāo)影響小。通過多達(dá)幾十次實(shí)驗(yàn)和幾十種材料的比較，我們選擇了硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡劑作為灌封材料。硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡劑為A、B雙組材料，該材料其絕緣性能優(yōu)異，機(jī)械強(qiáng)度高，可以通過改變A、B比例而制成不同密度、硬度硬泡制品。其中最為關(guān)鍵的是配好A、B材料的比例?；旌虾?，反應(yīng)較慢，一般2～3min后開始發(fā)泡，發(fā)泡的過程中要按比例不斷添加催化劑，發(fā)泡后經(jīng)熟化形成硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料。硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡劑發(fā)泡過程中溫度高達(dá)180℃、會(huì)產(chǎn)生較大的壓力，因此模具設(shè)計(jì)應(yīng)該具有一定的強(qiáng)度，在反應(yīng)熱的情況下，不會(huì)變形，不影響零件尺寸，又便于拆摸。因此進(jìn)料孔和出料孔的設(shè)置和大小需合理設(shè)計(jì)，保證既能順利灌料，又可以把多余的料排出，同時(shí)使其內(nèi)部的產(chǎn)生的壓力不至于太大，導(dǎo)致內(nèi)部電子元器件受到變形損壞，這就要進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)證明，進(jìn)口孔徑為4毫米，出口為3毫米時(shí)，且在同一平面時(shí)灌封效果最好，內(nèi)部灌封最為嚴(yán)實(shí)，而且表面光滑。灌封時(shí)必須遵照如下步驟進(jìn)行：工裝及電路清洗→烘干→工裝涂抹凡士林→電路輸出接口保護(hù)→配膠→澆注→固化→整修→應(yīng)力釋放。

4 高過載沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理：采用空氣炮作為模擬過載的加載手段，將裝有光柵的測(cè)試裝置安裝在測(cè)試段(光柵作為激光多普勒干涉儀的合作目標(biāo))，在壓縮空氣的推動(dòng)下使炮彈獲得一定的速度，在測(cè)試段與測(cè)試裝置發(fā)生碰撞后，使測(cè)試裝置獲得所需的加速度，同時(shí)由激光多普勒干涉儀記錄整個(gè)加速過程并將數(shù)據(jù)在邏輯分析儀上顯示。

試驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)子彈與測(cè)試裝置上氈墊的厚度和氣體的壓力值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激勵(lì)加速度信號(hào)幅值與脈寬的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)考核被測(cè)裝置抗過載沖擊性能的作用[4]。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

空氣炮在壓力值：0.31MPa;子彈氈墊：0層;被撞紅外成像系統(tǒng)重量：6.4kg;被撞體氈墊：2厚+3薄情況下的位移、速度和加速度信號(hào)。從上可以看出，此次的試驗(yàn)得到了加速度幅值：4600g，脈寬：700μs。

實(shí)驗(yàn)表明，整個(gè)紅外成像系統(tǒng)中，最薄弱的環(huán)節(jié)出現(xiàn)在紅外成像探測(cè)器件部分，其次是紅外成像系統(tǒng)的光學(xué)組件，最為成功的部分是核心電路的保護(hù)設(shè)計(jì)，其最終通過了上萬g的高過載沖擊實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)束語

通過對(duì)抗過載技術(shù)在理論上進(jìn)行深入分析，研究了減振新方法、新工藝，增加可行的減振措施，通過減重、高強(qiáng)度材料、減振墊及對(duì)電子線路器件進(jìn)行整體灌封加固等措施，提高了紅外成像系統(tǒng)的短時(shí)抗高過載的能力。

[1]吳杰，陳繼祥，陳鄧安，王子明.艦炮制導(dǎo)炮彈的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]兵工自動(dòng)化，2011，(03).

[2]李世永，錢立志，王志剛.彈載偵察系統(tǒng)抗過載技術(shù)研究[J].彈道學(xué)報(bào)，2005，17(3)：31-35

[3]王家騏.光學(xué)儀器總體設(shè)計(jì)[M].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研究生教材，2003.

[4]徐鵬，范錦彪，祖靜.高g值沖擊下存儲(chǔ)測(cè)試電路模塊緩沖保護(hù)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2005，20(4)：610-613.