高分辨率相机大功率焦面热设计及验证

为保证高分辨率相机焦面的工作环境,尽量降低CCD组件工作时的温升,需对焦面进行热控设计。文章在分析某高分辨率相机焦面热控特点的基础上,根据其结构与安装位置,提出以柔性导热索与固定辐射板结合补偿加热控温的热控方案,并对散热路径进行了设计。利用热分析软件建立相机的热模型并进行仿真计算,结果表明:焦面连续工作600 s后,电箱壳体温度在15.0~24.1℃之间,CCD组件温升11.1℃;而采用增加相变热管的设计方案后,CCD组件的温升降低至7.2℃,满足热控指标要求。最后,对相机进行热平衡试验,结果显示,焦面连续工作600 s后,电箱壳体温度在15.1~22.6℃之间,CCD组件最高温升7.2℃,与热分析计算结果吻合较好,表明针对该高分辨率相机焦面的热设计正确、可行,为大功率焦面的热控设计提供了参考。

紫外成像光谱仪焦面CCD散热设计及验证

为保证空间紫外成像光谱仪焦面电荷耦合器件(CCD)在低温环境下的工作性能,需对焦面CCD进行散热设计。首先,根据焦面CCD的热耗、工作模式及温度要求,提出以高性能柔性石墨导热索为主要措施的散热设计方案,建立热仿真模型并进行热分析。然后,在真空环境下进行焦面CCD热平衡试验,结果显示:柔性导热索的CCD连接端与热管连接端温差仅为2.3℃,以此推算出导热索自身热阻为0.65℃/W,满足热阻小于1℃/W的指标要求,具有良好的导热性能;焦面CCD在长期工作模式下的温度为-21.4℃,满足低于-20℃的工作温度要求。仿真分析和试验结果基本一致,表明采用柔性石墨导热索结合热管的焦面CCD散热设计方案合理可行。

多姿态变化相机中CCD焦面组件的热设计

为保证CCD器件处于较小的温度波动范围,针对具有多姿态变化特点的空间相机,进行了CCD焦面组件热控系统的设计。根据具有不同温度膨胀系数的材料遇热变形不同的原理,设计了该热控系统的关键部件-热开关。基于轨道分析计算所得到的地球阴影数据和太阳矢量方向变化的情况,考虑了相机本体的遮挡关系,并结合相机姿态变化的特点,提出了由热开关控制双辐射板散热的方案,对此热控系统进行了具体的热设计。利用TMG软件建立相机的热模型并进行了计算机仿真。结果显示,仅采用被动热控措施的CCD焦面组件温度波动为12.34℃,而同时采用主动、被动热控措施后温度波动减小为1.73℃,满足热控指标的要求,表明热设计合理、有效。

大功率焦平面器件的热控制

为了实现大功率焦平面器件(FPA)的热控制,根据焦面组件的结构特点,通过仿真计算与试验相结合的方法,对大功率焦平面的热控设计进行了研究。介绍了大功率焦平面器件的主要热设计要求,分析了大功率焦平面器件、小散热空间并安装在移动构件上的焦面组件热设计的特点。利用I-DEAS有限元分析软件建立了热分析计算模型,并利用TMG模块进行分析计算。进行了试验验证,并根据试验给出了焦平面器件升温拟合曲线。最后,根据热设计实例提出如何合理地选择大功率焦平面器件的热控制方式。结果表明,50 W大功率焦平面器件连续工作2 min时,在有12℃冷源的情况下,能够控制焦平面器件<35℃,满足焦平面器件设计要求。

大面阵中波红外连续变焦光学系统设计

针对制冷式大面阵640×512凝视焦平面阵列探测器,设计了一套中波红外连续变焦光学系统。该系统由变焦系统和二次成像系统构成,包括7片透镜和2个反射镜组成的折叠光路。首先,根据变焦原理和专业光学设计软件给出了系统结构及其参数。然后,分析了系统的像质和冷反射效应。最后,验证了系统的性能指标。结果表明:该系统可以实现50～500mm的连续变焦,变焦过程中目标景物始终清晰可见;系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35,全视场畸变小于2%,无冷反射现象;具有分辨率高、热灵敏度高、像质好、变焦轨迹平滑等特点,基本满足设计要求。

中波红外双视场光学系统的设计

设计了一款用于较大规模制冷型面阵焦平面探测器的双视场红外光学系统。该光学系统采用二次成像的光学结构形式与切换式的视场变倍方式,实现了大倍率、小体积用于红外前视(FLIR)的光学系统设计;通过仿真,在系统的合理位置设立非均匀性校正单元与视场光阑,以提高系统的抗干扰性;微扫组件的引入,提高了系统的空间分辨率。

遥感器焦面电路热设计改进的模拟试验

焦面电路是空间光学遥感器重要发热源,需要通过合理的热设计将热量及时导走,维持电子元器件温度不致过高。某空间光学遥感器焦面电路大量采用高功耗电子元器件,采取传统方法对该焦面电路进行了热设计;建立了模拟试验系统对该热设计进行验证,在模拟试验过程中发现了该热设计的不足之处;提出了改进措施,即:建立从发热器件到电路盒壳体之间直接导热路径,并再次进行了试验。试验结果表明改进后测点温度有大幅度降低,从而验证了改进措施的有效性。

基于通用DSP的红外焦平面视频图像数字预处理系统

为改善红外焦平面阵列探测器成像质量,提出了以高速数字信号处理器为核心的红外焦平面视频图像数字预处理系统,给出了系统的硬件框图和红外图像处理的主要算法实现,对系统的功能、工作过程和关键性技术进行了分析说明.测试结果表明,该系统的积分时间在0.5-5ms内可调,帧频在25-50Hz可调处理延时不超过2ms,实时性和稳定性好,可以作为多种型号军用红外探测器的后处理电路,具有一定的通用性.

航空相机焦面组件相变温控设计及验证

航空相机焦面组件是机载电子设备中具有严格温度要求的重要组件，其工作期间温度过高产生的热噪声和暗电流将导致成像质量下降。讨论分析了某型航空相机焦面组件热设计的特点，采用封装有相变材料的相变温控系统进行散热，根据结构特点和导热路径，给出了热设计方案。采用有限元数值分析方法，建立了热平衡方程和热分析计算模型，应用热分析软件IDEAS—TMG在给定温度边界条件下进行瞬态仿真分析，给出了组件的热响应性能。热分析结果表明：焦面组件和散热器工作温度范围分别为18—31．1℃、18～28．2℃。所获得的分析结果能够满足热控指标要求。最后通过热实验对采用相变温控系统的热设计方案进行了验证，验证实验结果与数值分析结果吻合较好，结果对比最大偏差均不超过5％，验证了数值分析的正确性和温度预示的有效性。实验过程中焦面组件和散热器工作温度范围分别为18—32．3℃、18—29．6℃。

基于热电制冷技术的某星载相机焦面组件热设计

热电制冷(Thermo-Electric Cooling,TEC)技术是利用帕尔帖效应的一种制冷方法,它不需要任何工质,无活动部件,结构简单,非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的场合。文章将TEC技术应用于某星载相机焦面组件的热设计,解决了探测器恒温控制问题。仿真分析结果表明,基于TEC技术的热设计方案在满足探测器恒温控制的同时,控温功耗比传统方案降低了90%。

光学遥感器焦面组件光机设计探讨

遥感仪器的技术指标在很大程度上受光学遥感器焦面组件光机设计方案的影响。通过在实际中的设计应用,提出一种面向探测器属性的光机设计思路。该设计首先确定主要设计输入,并依此将探测器视为光学件、结构件、电子学件或者热控件,设计次级光机结构模块来满足相关要求,然后在此基础上展开成整个焦面光机设计方案。随后依据该思路,针对四种情况给出了实际样例并加以解析,指出四种方案的优缺点。该设计思路使得设计流程清晰化,可以为其他光学遥感器的焦面设计提供参考。

采用640×512元探测器的机载红外系统设计

连续变焦红外探测系统具有在变焦过程中不会丢失跟踪目标的优点。针对中波640×512元红外焦平面凝视探测器设计了一套1∶20小型高分辨率连续变焦红外系统,对红外系统的设计、非均匀校正方法进行了深入研究,对系统的灵敏度(NETD和MRTD)进行了分析计算和测试。试验结果表明,使用640×512元探测器的连续变焦红外系统具有分辨率高、灵敏度高、体积小和像质好等特点,满足设计要求,可用于机载光电探测和跟踪系统。

低功耗64×64CMOS快照模式焦平面读出电路新结构

介绍了一个工作于快照模式的 CMOS焦平面读出电路的低功耗新结构— OESCA (Odd- Even SnapshotCharge Am plifier)结构 .该结构像素电路非常简单 ,仅用三个 NMOS管 ;采用两个低功耗设计的电荷放大器做列读出电路 ,分别用于奇偶行的读出 ,不但可有效消除列线寄生电容的影响 ,而且列读出电路的功耗可降低 15 % ,因此 OESCA新结构特别适于要求低功耗设计的大规模、小像素阵列焦平面读出电路 .采用 OESCA结构和 1.2μm双硅双铝标准 CMOS工艺设计了一个 6 4× 6 4规模焦平面读出电路实验芯片 ,其像素尺寸为 5 0μm× 5 0μm ,读出电路的电荷处理能力达 10 .37p C.详细介绍了该读出电路的体系结构、像素电路、探测器模型和工作时序 ,并给出了精确的

超长线列碲镉汞探测器组件的冷头结构设计

随着大规模线列探测器不断实现空间应用,具有大范围、高分辨率红外扫描探测与目标捕获能力的超长线列拼接探测器的应用需求变得越来越广泛。超长线列碲镉汞红外探测器组件的阵列规模及几何尺寸较大,导致探测器冷头结构的低温热失配问题被放大。为获得满足低温可靠性及严苛成像需求的冷头结构,开展了相关冷头结构设计优化方法研究以及获取实物的试验验证工作,并通过试验验证工作证明本研究采用的结构设计优化方法适用于复杂的大尺寸冷头结构设计。

用于IRFPA测试的高性能数据采集系统

根据红外焦平面阵列(Infrared focal plane array,IRFPA)探测器的最新发展对性能测试的需求,设计和实现了VXI总线的高性能数据采集系统。高速高带宽的模拟调理电路的灵活设计,可以兼容多种IRFPA的信号读出电路;灵活配置的采样时钟控制,支持CDS和SHA两种采样模式,而且能够连续调节ADC的采样时钟相位;有效的低噪声设计措施,保证了系统能够真正实现12.5 MSPS,16 bit的高精度采样。

采用非制冷红外探测器的折衍混合物镜设计

针对长波320×240元非制冷焦平面阵列探测器，设计了折射／衍射混合大相对孔径红外镜头，工作波段8～12舯，焦距为90mm，F数为1，视场为10°．系统为三片式结构：利用二元光学元件具有大的负向色散特性，在第4面引入衍射面，有效地消除了色差，简化了系统结构并减轻了质量，并用ZEMAX光学设计软件进行了像质评价．结果表明，系统成像质量良好，各项指标均满足使用要求．

非制冷氧化钒红外焦平面像元光学设计与试验验证

非制冷氧化钒红外焦平面像元光学设计旨在提高像元对红外辐射的吸收性能。由于非制冷红外探测器的工作波段通常在8-14μm范围内,要求像元在这个波段内具有较高的红外吸收率。采用光学导纳理论,进行像元微桥结构多层光学膜系优化设计。在器件工艺过程中,调节了桥面膜厚和高度,使桥面与Si衬底上金属反射层之间形成一个谐振腔结构。通过红外傅里叶反射光谱和相对光谱响应测试分析验证表明：像元微桥结构光学设计后,增强了非制冷探测器微桥结构像元在8-14μm波段的红外吸收率和相对光谱响应。

紫外CCD焦平面组件的设计与分析

针对紫外电荷耦合器件(Charge-Coupled Device,CCD)探测器裸片不能够用于空间探测的难题,首先提出CCD探测器裸片的定位与导热方案,设计出对应的CCD探测器组件和在此基础上的CCD焦平面组件,然后进行了结构、热的有限元仿真和试验验证分析。结果表明,CCD探测器裸片的定位、导热方案合理,设计出的CCD焦平面组件能够满足空间紫外遥感的应用。

焦面板孔与单元的配合设计及可靠度分析

通过分析功能公差、配合公差和储备公差之间的关系,合理地确定了焦面板孔与单元配合的公差等级.提出了焦面板孔与单元配合的可靠度概念及设计方法.利用配合件尺寸服从正态分布条件的可靠度公式,定量地反映了焦面板孔与单元的实际配合达到设计要求的程度.计算结果表明,这种方法较传统设计方法更加科学,为判断焦面板孔与单元的配合设计是否合理提供了一种科学的评价方法.

大功率CCD焦面组件流体回路温控设计

为了实现大功率焦面组件的热控制,分析了焦面组件热设计的特点,采用单相流体回路控温系统进行散热。以某大功率拼接CCD为例,给出了具体热设计方案,并通过简化的散热分析模型,计算得出了焦面组件最高温度在26.5℃。应用NX高级仿真模块对回路控温系统进行瞬态仿真分析,结果表明:CCD组件在200 s时刻温度达到27℃左右,并维持稳定。所获得的仿真分析结果与理论计算结果吻合较好,最终结果能够满足热控指标要求。