非制冷紅外熱像儀在便攜式發射裝置的應用

黃燕群，王 楓，楊 博，趙德利

(1 西安現代控制技術研究所，西安 710065； 2 昆明物理研究所，昆明 650223)

0 引言

輕型自尋的反坦克導彈武器系統是一種射手肩扛式發射導彈的制導武器，其中便攜式發射裝置是該武器系統的地面發射設備，承擔晝夜偵察和發射導彈任務；而紅外熱像儀則是發射裝置的重要件，其識別距離、體積重量、啟動時間等參數影響發射裝置的整體設計。

紅外熱像儀的焦平面探測器有制冷型和非制冷型。非制冷型探測器[1]與制冷型探測器相比，無需制冷裝置，在重量、成本、啟動時間等參數上具有明顯的優勢。因此國際上輕型自尋的反坦克武器[2]研制方逐漸用非制冷型替代之前的制冷型紅外熱像儀，如美國的“標槍”武器系統的下一代CLU單元的紅外熱像儀擬將采用高分辨率的非制冷型探測器。

文中以分辨率為1 280×1 024的國產非制冷焦平面探測器為紅外接收器件，匹配連續變焦紅外光學系統[3]，固定在鏤空支架上；變焦光學組件中的變倍組和補償組分別固定在絲杠上；依據凸輪曲線，電機驅動絲杠導軌式移動兩者位置，改變光學系統的焦距，實現連續變焦的效果；控制電路采用低功耗C51單片機，與上位機之間進行串口通訊，設置圖像參數，用CameraLink協議輸出數字視頻信號。

1 技術方案

1.1 系統要求和組成

在實際場合，便攜式具有發射裝置準備發射時間短、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，其主要參數要求如表1所示。

表1 紅外熱像儀主要參數

依據主要參數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、調焦機構、信號處理電路、溫度傳感器、機械結構等組成。

1.2 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如圖1所示。主要參數為：像素尺寸10 μm；工作波段長波紅外；噪聲等效溫差NETD≤50 mK；靶面尺寸高×寬為12.80 mm×10.24 mm。

圖1 非制冷焦平面探測器模塊

探測器電路首先獲取了圖像的原始數字數據，在圖像處理電路板中運用圖像算法，實現圖像校正、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。

1.3 長波紅外光學系統設計

依據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2.3 m對應4線對進行焦距計算，得到：

f=na/(h/L)

(1)

tan(w/2)=A/(2×f)

(2)

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140 mm，短焦距14 mm，光學系統的窄視場值為5°14′×4°11′。

目標最小面尺寸為3.3 m×2.3 m，當目標距離為3.5 km，長焦140 mm時，目標在探測器上物理尺寸和像元間距為10 μm，得到目標成像的像素值為(12.4，8.6)，滿足識別要求。

變焦光學系統采用機械正組補償方式實現變倍比連續變焦,機械補償法變焦系統在一定范圍內能夠連續改變焦距實現連續變焦，使其得到廣泛的應用，結構圖如圖2所示。

圖2 紅外光學系統結構圖

經仿真，如圖3～圖4所示，給出了長焦距在高溫55 ℃點下的MTF曲線和點列圖，MTF值在特征頻率點30 lp/mm處均在30%以上，點列圖的半徑基本在一個艾利斑內，圖像質量較好滿足要求。

圖3 光學MTF函數圖

圖4 光學系統的點陣列圖

1.4 變倍調焦機構和安裝結構

根據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[4]實現兩者的移動，采用導軌式移動變倍組和補償組位置實現連續調焦，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連續調焦;同時安裝位置傳感器用于定位移動組件的位置，實現固定視場切換。

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光機熱一體化[5]設計，內部安裝溫度傳感器監測熱像儀內部溫度用于溫度采樣補充；通過溫度、位置反饋的數據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、變倍及調焦部件、溫度傳感器、位置傳感器、紅外組件、系統綜合處理電路、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。

1.5 電氣系統

1.5.1 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。

1.5.2 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等功能，如圖5 所示。

圖5 信號處理電路框圖

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24 V機載電源供電，而所需的5 V、±12 V工作電壓，則用輸入9～36 V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通訊，接收控制指令并轉發給探測器電路，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字視頻傳輸，采用CameraLink通訊協議，其協議中包含了視頻數據信息、串口控制信號、離散量信號控制，CameraLink協議的解碼芯片用DS90CR288A[6]接收，該芯片將4路LVDS數據流轉換成28位CMOS/TTL數據，其中有24位圖像數據(RxOUT0～RxOUT23)，4位圖像數據同步信號(RxOUT24～RxOUT27)分別對應Spare、LVAL(行信號)、FVAL(場信號)和DVAL(數據有效)。

CameraLink基于低壓差分對傳輸方式，像素時鐘頻率達80 MHz，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2.2 GHz，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25 Hz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。

2 仿真驗證結果

2.1 整機結構

紅外熱像儀樣機如圖6 所示，主體用合金材料，采用鏤空結構設計，保證強度的同時降低重量。裸露結構采取黑色氧化烤漆處理，鏡頭周邊進行密封性處理防止空氣光學零件膜層霉變；安裝在發射裝置時，接口處也應采用密封設計保護內部。

圖6 紅外熱像儀外形圖

2.2 作用距離驗證

紅外系統的識別距離是一個重要的參數，而作用距離涉及：目標的輻射度、沿視線方向的透過率、光學系統參數、探測器、瞬時視場、電氣系統的信噪比等因素。MRTD估算[7]如式(3)所示：

(3)

非制冷探測器的NETD≤50 mK；瞬時視場為0.071 mrad×0.057 mrad;幀頻為25 Hz；系統在3.5 cyc/mrad的傳函約為0.3，經計算MRTD為0.55 K(3.5 cyc/mrad)。

可用大氣傳輸計算軟件LOWTRAN大氣模型估算目標輻射能量經3.5 km大氣路徑后，通過仿真可知：透過率曲線≥0.14的波段范圍為8.15～12.0。目標與背景溫差按4 K預估經大氣衰減后達到熱像儀的計算如下:4 K×0.14=0.56 K≥0.55 K(MRTD值)，即目標溫差經過大氣衰減到達鏡頭溫差值0.56 K，故可識別3.5 km的目標，實際中物體輻射波長集中在9～10 μm，其輻射透過率大于0.3，此波段達到了1.2 K，大于MRTD值0.55 K。

圖7(a)中白色像點是3.5 km處高速路上移動中的轎車，圖7(b)是0.5～3.5 km距離內的樓房窗戶，清晰可見。

圖7 紅外熱像儀成像圖

樣機工作最大功率≤4 W，從發射裝置上電到紅外圖像出現用時5.5 s，滿足使用要求。

3 結束語

參考便攜式發射裝置的使用場合，研究非制冷型連續變焦紅外熱像儀的設計，選用分辨率為1 280×1 024非制冷探測器，匹配連續紅外變焦光學系統，識別距離大于3.5 km，樣機經軍用裝備的環境考核，結果滿足使用要求。

經分析可知，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、啟動速度快的優點，卻適合便攜式發射裝置應用。