拼接红外探测器技术研究

红外探测器作为空间红外预警卫星的核心部件,随着红外探测器性能的不断提升,采用更大规模,更多谱段的红外探测器焦平面阵列是未来预警用红外探测器的发展趋势。通过多芯片,多谱段集成拼接制备出线列规模更长的红外探测器,以满足红外预警卫星大视场、高分辨率以及多光谱探测的能力。本文对国内外多芯片,多谱段拼接红外探测器组件发展现状以及技术路线进行对比,对小型化拼接探测器在其他领域的使用前景展望,最后点出大尺寸拼接红外探测器研制目前存在的主要问题。

基于区域校正的大面阵红外探测器非均匀性校正方法

通过分析某大面阵红外探测器的响应特性,发现了由于相机自身特性引发的不同区域的响应非线性问题。传统的两点校正法或非线性曲线拟合办法对该大面阵探测器校正后,校正残差和目视效果都比较差。本文根据探测器的非线性响应特性,将整个面阵分成了8个区域分别进行非线性拟合校正,然后校正各个区域的偏置系数,最后利用改进的BP神经网络非均匀性校正算法处理区域划分引发的不均匀问题。校正后的各个黑体温度图像的残余非均匀性在千分之一量级,空间噪声也已经十分接近或者小于时间噪声;局部残余非均匀性达到0.002以下,空间噪声明显小于时间噪声。

红外探测器杜瓦非概率可靠性设计方法

杜瓦是大面阵红外焦平面探测器组件的重要组成部分,为其提供光学、机械、热学和电学接口,因此对该杜瓦结构的可靠性有较高要求。由于此类产品样本数极少,传统的基于概率模型的可靠性设计方法在理论和应用上均存在较大的问题。有鉴于此,提出了基于区间分析的结构非概率可靠性模型,并将所建模型用于大面阵红外焦平面探测器杜瓦结构的可靠性优化设计。研究结果表明,非概率可靠性设计方法只要求已知设计参数的界限,而不要求其具体的分布形式,所需数据较少,特别适用于小子样大面阵红外焦平面探测器杜瓦的可靠性设计。

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。

大面阵碲镉汞芯片的热应力分析与优化

随着红外焦平面探测器面阵规模的不断扩大,大面阵碲镉汞芯片的热应力进一步恶化,受温度冲击后更容易产生损伤,进而直接影响探测器的使用,甚至导致探测器失效。这已成为大面阵探测器生产工艺亟需解决的问题。借助仿真手段研究了大面阵碲镉汞芯片的低温损伤原因,并结合小面阵探测器进行了对比分析。结果表明,铟柱与碲镉汞接触边缘部位因应力集中明显而成为损伤的起源点。不同材料的选择以及结构尺寸的设计有助于降低大面阵碲镉汞芯片的热应力和提高其工作可靠性。

“高分四号”卫星大面阵红外相机视频处理电路的FPGA设计

"高分四号"卫星填补了多项国内外的技术空白,其搭载的红外相机首次实现了大面阵红外探测器成像,并展示了高品质的大面阵红外成像能力。文章以高可靠性,高信噪比,小型化的大面阵红外相机视频处理电路为目标,从FPGA(Field Programmable Gate Array)设计角度给出设计思路和技术方案。首先,分析了大面阵红外探测器、设备工作环境与小型化、信号采样精度、高速串行数据传输等技术特点与难点。其次,给出设计思路和技术方案,包括使用时钟管理芯片进行时钟网络设计,提高了信号采样精度并提高了高速串行数据传输的可靠性;使用在轨信号处理实现通道不一致性校正,提高了图像的信噪比;使用电子限流器防止器件的单粒子栓锁,提高了器件的工作可靠性;使用一块FPGA实现焦面控制、信号处理、工程数据处理、外围芯片控制等全部功能,实现了设备的小型化与轻量化;地面进行了自适应像元校正与可编程盲元替换实验,为后续型号在轨应用提供了技术储备。最后,从红外相机外景成像效果可以看到,设计思路和技术方案可行且满足任务要求。

1.3W@77K线性分置式斯特林制冷机的研制

为满足大面阵红外探测器的应用需求,研制了一款线性分置式斯特林制冷机。压缩机采用动磁式直线电机驱动、双活塞对置结构,膨胀机采用含背压腔气动式排出器结构。通过热动力学设计获得了整机的几何尺寸及运行参数,并实验研究了充气压力、运行频率、膨胀机弹簧刚度对制冷性能的影响。在环境温度23℃、风冷散热条件下,该制冷机可获得1.3W@77K(34.5 Wac)制冷性能,整机效率3.77%,相对卡诺效率为14.68%,整机重量925 g。