非制冷红外热像仪在便携式发射装置的应用

黄燕群; 王枫; 杨博; 赵德利

doi:10.15892/j.cnki.djzdxb.2021.01.008

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弹箭与制导学报 ›› 2021, Vol. 41 ›› Issue (1) : 36-39. DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2021.01.008

非制冷红外热像仪在便携式发射装置的应用

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Uncooled Infrared Imaging's Application in the Portable Control Launch Device

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摘要

文中研究一种利用1 280×1 024像素的非制冷探测器接收目标红外辐射能量,前端匹配红外变焦光学系统,便携式发射装置的非制冷红外热像仪;其变倍组和补偿组分别固定在丝杠上,由步进电机驱动丝杠导轨式移动改变两者的位置实现连续变焦;与上位机用串口通讯设置亮度、对比度、极性、校正等图像的参数,用CameraLink方式输出数字视频信号,整机采用镂空结构支架固定;样机成像清晰、参数可调,满足要求,适于便携式发射装置应用。

Abstract

The research of HD uncooled infrared imaging in portable control launch device is presented.The uncooled infrared Imaging supports the 1 280×1 024 definition uncooled infrared sensor to receive the target infrared power, with the continuous zoom IR optical system. The optical zoom part and compensation part are fixed on two guide screws, with driving by motor, to get optical continuous zoom by changing their position. The parameters of image brightness, contrast, polarity, correction, are able to change with the UART protocol by the user, and the digital vedio are transmited with the CameraLink protocol. The product is designed with the hollow out construct. The test result shows that the infrared imaging is satisfied with the needs with clear image and pararmeter adjustable, and appropriate for the portable control launch device’s application.

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黄燕群, 王枫, 杨博, 等. 非制冷红外热像仪在便携式发射装置的应用[J]. 弹箭与制导学报, 2021, 41(1): 36-39 https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2021.01.008

HUANG Yanqun, WANG Feng, YANG Bo, et al. Uncooled Infrared Imaging's Application in the Portable Control Launch Device[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2021, 41(1): 36-39 https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2021.01.008

中图分类号： TJ768 TN215 (红外探测、红外探测器)

0 引言

轻型自寻的反坦克导弹武器系统是一种射手肩扛式发射导弹的制导武器,其中便携式发射装置是该武器系统的地面发射设备,承担昼夜侦察和发射导弹任务;而红外热像仪则是发射装置的重要件,其识别距离、体积重量、启动时间等参数影响发射装置的整体设计。

红外热像仪的焦平面探测器有制冷型和非制冷型。非制冷型探测器^[1]与制冷型探测器相比,无需制冷装置,在重量、成本、启动时间等参数上具有明显的优势。因此国际上轻型自寻的反坦克武器^[2]研制方逐渐用非制冷型替代之前的制冷型红外热像仪,如美国的“标枪”武器系统的下一代CLU单元的红外热像仪拟将采用高分辨率的非制冷型探测器。

文中以分辨率为1 280×1 024的国产非制冷焦平面探测器为红外接收器件,匹配连续变焦红外光学系统^[3],固定在镂空支架上;变焦光学组件中的变倍组和补偿组分别固定在丝杠上;依据凸轮曲线,电机驱动丝杠导轨式移动两者位置,改变光学系统的焦距,实现连续变焦的效果;控制电路采用低功耗C51单片机,与上位机之间进行串口通讯,设置图像参数,用CameraLink协议输出数字视频信号。

1 技术方案

1.1 系统要求和组成

在实际场合,便携式具有发射装置准备发射时间短、长待机、携带方便的特点。因此,红外热像仪也应小型化设计,具备低功耗就绪时间短、在特定目标背景温差下准确地识别目标的特点,其主要参数要求如表1所示。

表1 红外热像仪主要参数

功能	主要参数
目标特征	4 K背景温差下的坦克类目标
作用距离	识别距离≥3.5 km
工作波长	8~14 μm
启动时间	<6 s
串行通信	UART或CAN通讯方式
图像参数	图像校正、极性、亮度对比度、瞄准线
电子变倍	2倍
MRTD值	≤0.55 K
调焦方式	手动和自动方式

依据主要参数要求红外热像仪由非制冷红外探测器模块、长波红外光学系统、调焦机构、信号处理电路、温度传感器、机械结构等组成。

1.2 非制冷红外探测器模块

通常对非制冷红外探测器芯片进行二次封装时,核心器件封装在真空腔体内,并与图像处理电路组装成一个组合模块如图1所示。主要参数为:像素尺寸10 μm;工作波段长波红外;噪声等效温差NETD≤50 mK;靶面尺寸高×宽为12.80 mm×10.24 mm。

图1 非制冷焦平面探测器模块

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探测器电路首先获取了图像的原始数字数据,在图像处理电路板中运用图像算法,实现图像校正、图像极性切换、亮度对比度、电子变倍、叠加十字瞄准线等功能,有利于模块化,减轻了信号处理电路的额外开销。

1.3 长波红外光学系统设计

依据Johnson准则,识别出目标类别需要4.0±0.8线对,综合考虑,按坦克目标最短边正面2.3 m对应4线对进行焦距计算,得到:

f=na/(h/L)

(1)

tan(w/2)=A/(2×f)

(2)

式中:n为识别像素;a为像素尺寸;h为目标最小尺寸;L为目标距离;A为靶面尺寸;w为视场角度。由式(1)和式(2)计算得:长焦距140 mm,短焦距14 mm,光学系统的窄视场值为5°14'×4°11'。

目标最小面尺寸为3.3 m×2.3 m,当目标距离为3.5 km,长焦140 mm时,目标在探测器上物理尺寸和像元间距为10 μm,得到目标成像的像素值为(12.4,8.6),满足识别要求。

变焦光学系统采用机械正组补偿方式实现变倍比连续变焦,机械补偿法变焦系统在一定范围内能够连续改变焦距实现连续变焦,使其得到广泛的应用,结构图如图2所示。

图2 红外光学系统结构图

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经仿真,如图3~图4所示,给出了长焦距在高温55 ℃点下的MTF曲线和点列图,MTF值在特征频率点30 lp/mm处均在30%以上,点列图的半径基本在一个艾利斑内,图像质量较好满足要求。

图3 光学MTF函数图

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图4 光学系统的点阵列图

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1.4 变倍调焦机构和安装结构

根据变倍组和补偿组的移动轨迹计算出凸轮曲线,常用凸轮机械结构^[4]实现两者的移动,采用导轨式移动变倍组和补偿组位置实现连续调焦,相比凸轮结构更有利于小型化设计,空间更紧凑。

变倍组和补偿组分别固定在丝杠上,利用高精度步进电机驱动丝杠,改变两者的轴向位置实现连续调焦;同时安装位置传感器用于定位移动组件的位置,实现固定视场切换。

红外光学镜片和镜框结构材料的热膨胀系数不一致,会导致光学元件的变形,因此,在全温度范围内应考虑红外系统光机热一体化^[5]设计,内部安装温度传感器监测热像仪内部温度用于温度采样补充;通过温度、位置反馈的数据进行实时补偿微小位移,修正凸轮曲线,控制变倍组和补偿组的位置,实现全温范围清晰成像。

整机采用镂空结构件安装热像仪的光学及电子部件,提供红外光学系统、变倍及调焦部件、温度传感器、位置传感器、红外组件、系统综合处理电路、电源电路等多部件的安装位置;采用法兰盘结构安装于发射装置上,兼顾光轴与基准面之间的平行度、冲击振动、抗过载能力、小型化等方面要求。

1.5 电气系统

1.5.1 传感器模块

二次封装的非制冷探测器模块集成了图像处理功能,对外提供串口和视频接口,通过串口设置图像参数。

1.5.2 信号处理电路板

信号处理电路板主要负责电源变换、控制电机和视频处理传输等功能,如图5所示。

图5 信号处理电路框图

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1)电源变换

电机驱动丝杠时瞬间电流值较高,容易形成干电源串扰源。为了降低电源串扰,上位机采用电压24 V机载电源供电,而所需的5 V、±12 V工作电压,则用输入9~36 V的DC/DC电源模块及线性电源芯片组合进行二次变换,有利于降低电源噪声并提高电源转换效率。

2)控制电路模块

控制电路用C51单片机作主控芯片,外设接口资源丰富且功耗低,内置Flash,支持CAN总线、异步串口通讯;通过串口电路与上位机实现通讯,接收控制指令并转发给探测器电路,并用I/O端口驱动电机。

3)视频处理电路

非制冷探测器的图像用数字视频传输,采用CameraLink通讯协议,其协议中包含了视频数据信息、串口控制信号、离散量信号控制,CameraLink协议的解码芯片用DS90CR288A^[6]接收,该芯片将4路LVDS数据流转换成28位CMOS/TTL数据,其中有24位图像数据(RxOUT0~RxOUT23),4位图像数据同步信号(RxOUT24~RxOUT27)分别对应Spare、LVAL(行信号)、FVAL(场信号)和DVAL(数据有效)。

CameraLink基于低压差分对传输方式,像素时钟频率达80 MHz,而差分对传输线的频率达到像素时钟频率8倍之多,而信号带宽大于2.2 GHz,因此,在电路设计应考虑信号完整性和电磁兼容性,对传输线作严格要求。文中用帧频25 Hz传输,可满足人眼观察,降帧频传输可以大幅度地降低像素时钟频率和传输线信号代开;其次,传输线应符合特定阻抗要求,应等长并双绞处理,线缆用屏蔽层包覆;最后,屏蔽层应就近于CameraLink解码芯片接地点,缩短传输线的电流回路面积,降低线上电磁辐射耦合噪声。

2 仿真验证结果

2.1 整机结构

红外热像仪样机如图6 所示,主体用合金材料,采用镂空结构设计,保证强度的同时降低重量。裸露结构采取黑色氧化烤漆处理,镜头周边进行密封性处理防止空气光学零件膜层霉变;安装在发射装置时,接口处也应采用密封设计保护内部。

图6 红外热像仪外形图

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2.2 作用距离验证

红外系统的识别距离是一个重要的参数,而作用距离涉及:目标的辐射度、沿视线方向的透过率、光学系统参数、探测器、瞬时视场、电气系统的信噪比等因素。MRTD估算^[7]如式(3)所示:

MRTD=

\frac{3 (N E T D) \sqrt{α β}}{\sqrt{Δ f_{R}} \sqrt{τ_{d}} \sqrt{T_{e} \bar{F}}}

\frac{f_{T}}{{\tilde{r}}_{s}}

(3)

式中:NETD为探测器的NETD值(K);αβ为红外热成像的瞬时视场(mrad);f_T为目标的空间频率;Δf_R为电子系统噪声等效带宽; τ_d为目标图像在探测器上停留时间;T_e为人眼积分时间;

\bar{F}

为帧频25 Hz;

{\bar{r}}_{s}

为在空间频率下的传递函数。

非制冷探测器的NETD≤50 mK;瞬时视场为0.071 mrad×0.057 mrad;帧频为25 Hz;系统在3.5 cyc/mrad的传函约为0.3,经计算MRTD为0.55 K(3.5 cyc/mrad)。

可用大气传输计算软件LOWTRAN大气模型估算目标辐射能量经3.5 km大气路径后,通过仿真可知:透过率曲线≥0.14的波段范围为8.15~12.0。目标与背景温差按4 K预估经大气衰减后达到热像仪的计算如下:4 K×0.14=0.56 K≥0.55 K(MRTD值),即目标温差经过大气衰减到达镜头温差值0.56 K,故可识别3.5 km的目标,实际中物体辐射波长集中在9~10 μm,其辐射透过率大于0.3,此波段达到了1.2 K,大于MRTD值0.55 K。

图7(a)中白色像点是3.5 km处高速路上移动中的轿车,图7(b)是0.5~3.5 km距离内的楼房窗户,清晰可见。

图7 红外热像仪成像图

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样机工作最大功率≤4 W,从发射装置上电到红外图像出现用时5.5 s,满足使用要求。

3 结束语

参考便携式发射装置的使用场合,研究非制冷型连续变焦红外热像仪的设计,选用分辨率为1 280×1 024非制冷探测器,匹配连续红外变焦光学系统,识别距离大于3.5 km,样机经军用装备的环境考核,结果满足使用要求。

经分析可知,非制冷型探测器的NETD值远不及制冷型,从而识别距离受到了限制,不适合长距离探测目标,但其无需制冷、启动速度快的优点,却适合便携式发射装置应用。

参考文献

列表( 原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序 ) 可视化分析

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收稿日期	出版日期
2019-10-19	2025-02-11
发布日期
2025-02-11

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