非制冷紅外熱像儀在便攜式發(fā)射裝置的應用

石安安 周新 江慶歡 沈林祥

摘要：紅外測溫是以黑體輻射理論為基礎，利用物體的輻射能量與溫度有關的原理，使用紅外熱成像系統(tǒng)對被測目標的熱輻射進行測量，并通過一定的算法計算出被測目標的溫度。紅外測溫是一種非接觸測溫方式，與傳統(tǒng)測溫方式相比具有無損傷、非接觸、快速實時、遠距離、測溫范圍寬等優(yōu)點。目前紅外測溫技術己在多領域獲得廣泛應用，如建筑、電力工業(yè)、航天航空、質量檢測及冶金等。

關鍵詞：非制冷紅外熱像儀;便攜式;發(fā)射裝置

引言

近幾年，非制冷紅外熱像儀憑借其在價格、體積方面的優(yōu)勢，占據(jù)了很大的應用市場。但非制冷紅外熱像儀，其隨著環(huán)境溫度、電源波動以及吸收紅外輻射的增加，將會產(chǎn)生嚴重的溫度漂移現(xiàn)象，這將影響到紅外探測器的響應特性，從而導致輸出信號受一定的影響。

1研究背景

近年，人因工程學在國內民用產(chǎn)品中得到廣泛的應用，而在武器裝備領域局限于“人適應武器裝備”的觀念，關注點在產(chǎn)品的功能和可靠性上，從事專職研究武器裝備的人因工程人員較少，運用人因工程學設計武器裝備時存在一些不足之處：設計過程中缺乏系統(tǒng)性規(guī)劃，缺少裝備具體開發(fā)經(jīng)驗，依賴反復的樣機試制驗證設計，增加了科研成本;另外產(chǎn)品規(guī)范文件對人因工程要求過于籠統(tǒng)，缺少量化考核依據(jù)，客戶與設計師對產(chǎn)品的人機環(huán)的理解也有所差異，比較難形成共識。若在設計武器裝備過程中運用人因工程學進行設計，則可彌補以上的不足之處。便攜式發(fā)射裝置是單兵反坦克導彈武器系統(tǒng)的肩扛發(fā)射裝置，與射手之間結合緊密。

2非制冷紅外熱像儀在便攜式發(fā)射裝置的應用

2.1系統(tǒng)要求和組成

在實際場合，便攜式具有發(fā)射裝置準備發(fā)射時間短、長待機、攜帶方便的特點。因此，紅外熱像儀也應小型化設計，具備低功耗就緒時間短、在特定目標背景溫差下準確地識別目標的特點，依據(jù)主要參數(shù)要求紅外熱像儀由非制冷紅外探測器模塊、長波紅外光學系統(tǒng)、調焦機構、信號處理電路、溫度傳感器、機械結構等組成。

2.2非制冷紅外探測器模塊

通常對非制冷紅外探測器芯片進行二次封裝時，核心器件封裝在真空腔體內，并與圖像處理電路組裝成一個組合模塊。主要參數(shù)為：像素尺寸10μm;工作波段長波紅外;噪聲等效溫差NETD≤50mK;靶面尺寸高×寬為12.80mm×10.24mm。探測器電路首先獲取了圖像的原始數(shù)字數(shù)據(jù)，在圖像處理電路板中運用圖像算法，實現(xiàn)圖像校正、圖像極性切換、亮度對比度、電子變倍、疊加十字瞄準線等功能，有利于模塊化，減輕了信號處理電路的額外開銷。

2.3長波紅外光學系統(tǒng)設計

依據(jù)Johnson準則，識別出目標類別需要4.0±0.8線對，綜合考慮，按坦克目標最短邊正面2.3m對應4線對進行焦距計算，得到：

式中：n為識別像素;a為像素尺寸;h為目標最小尺寸;L為目標距離;A為靶面尺寸;w為視場角度。由

式（1）和式（2）計算得：長焦距140mm，短焦距14mm，光學系統(tǒng)的窄視場值為5°14'×4°11'。目標最小面尺寸為3.3m×2.3m，當目標距離為3.5km，長焦140mm時，目標在探測器上物理尺寸和像元間距為10μm，得到目標成像的像素值為（12.4，8.6），滿足識別要求。變焦光學系統(tǒng)采用機械正組補償方式實現(xiàn)變倍比連續(xù)變焦，機械補償法變焦系統(tǒng)在一定范圍內能夠連續(xù)改變焦距實現(xiàn)連續(xù)變焦，使其得到廣泛的應用。

2.4變倍調焦機構和安裝結構

根據(jù)變倍組和補償組的移動軌跡計算出凸輪曲線，常用凸輪機械結構實現(xiàn)兩者的移動，采用導軌式移動變倍組和補償組位置實現(xiàn)連續(xù)調焦，相比凸輪結構更有利于小型化設計，空間更緊湊。變倍組和補償組分別固定在絲杠上，利用高精度步進電機驅動絲杠，改變兩者的軸向位置實現(xiàn)連續(xù)調焦;同時安裝位置傳感器用于定位移動組件的位置，實現(xiàn)固定視場切換。紅外光學鏡片和鏡框結構材料的熱膨脹系數(shù)不一致，會導致光學元件的變形，因此，在全溫度范圍內應考慮紅外系統(tǒng)光機熱一體化設計，內部安裝溫度傳感器監(jiān)測熱像儀內部溫度用于溫度采樣補充;通過溫度、位置反饋的數(shù)據(jù)進行實時補償微小位移，修正凸輪曲線，控制變倍組和補償組的位置，實現(xiàn)全溫范圍清晰成像。整機采用鏤空結構件安裝熱像儀的光學及電子部件，提供紅外光學系統(tǒng)、變倍及調焦部件、溫度傳感器、位置傳感器、紅外組件、系統(tǒng)綜合處理電路、電源電路等多部件的安裝位置;采用法蘭盤結構安裝于發(fā)射裝置上，兼顧光軸與基準面之間的平行度、沖擊振動、抗過載能力、小型化等方面要求。

2.5電氣系統(tǒng)

2.5.1傳感器模塊

二次封裝的非制冷探測器模塊集成了圖像處理功能，對外提供串口和視頻接口，通過串口設置圖像參數(shù)。

2.5.2信號處理電路板

信號處理電路板主要負責電源變換、控制電機和視頻處理傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1）電源變換

電機驅動絲杠時瞬間電流值較高，容易形成干電源串擾源。為了降低電源串擾，上位機采用電壓24V機載電源供電，而所需的5V、±12V工作電壓，則用輸入9～36V的DC/DC電源模塊及線性電源芯片組合進行二次變換，有利于降低電源噪聲并提高電源轉換效率。

2）控制電路模塊

控制電路用C51單片機作主控芯片，外設接口資源豐富且功耗低，內置Flash，支持CAN總線、異步串口通訊;通過串口電路與上位機實現(xiàn)通訊，接收控制指令并轉發(fā)給探測器電路，并用I/O端口驅動電機。

3）視頻處理電路

非制冷探測器的圖像用數(shù)字視頻傳輸，采用CameraLink通訊協(xié)議，其協(xié)議中包含了視頻數(shù)據(jù)信息、串口控制信號、離散量信號控制，CameraLink協(xié)議的解碼芯片用DS90CR288A接收，該芯片將4路LVDS數(shù)據(jù)流轉換成28位CMOS/TTL數(shù)據(jù)，其中有24位圖像數(shù)據(jù)（RxOUT0～RxOUT23），4位圖像數(shù)據(jù)同步信號（RxOUT24～RxOUT27）分別對應Spare、LVAL（行信號）、FVAL（場信號）和DVAL（數(shù)據(jù)有效）。CameraLink基于低壓差分對傳輸方式，像素時鐘頻率達80MHz，而差分對傳輸線的頻率達到像素時鐘頻率8倍之多，而信號帶寬大于2.2GHz，因此，在電路設計應考慮信號完整性和電磁兼容性，對傳輸線作嚴格要求。文中用幀頻25Hz傳輸，可滿足人眼觀察，降幀頻傳輸可以大幅度地降低像素時鐘頻率和傳輸線信號代開;其次，傳輸線應符合特定阻抗要求，應等長并雙絞處理，線纜用屏蔽層包覆;最后，屏蔽層應就近于CameraLink解碼芯片接地點，縮短傳輸線的電流回路面積，降低線上電磁輻射耦合噪聲。

結語

參考便攜式發(fā)射裝置的使用場合，研究非制冷型連續(xù)變焦紅外熱像儀的設計，選用分辨率為1280×1024非制冷探測器，匹配連續(xù)紅外變焦光學系統(tǒng)，識別距離大于3.5km，樣機經(jīng)軍用裝備的環(huán)境考核，結果滿足使用要求。經(jīng)分析可知，非制冷型探測器的NETD值遠不及制冷型，從而識別距離受到了限制，不適合長距離探測目標，但其無需制冷、啟動速度快的優(yōu)點，卻適合便攜式發(fā)射裝置應用。

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1.杭州圖譜電力技術有限公司，浙江省 杭州市 310000;2.杭州水堯科技有限公司，浙江省杭州市 310000