專利名稱：一種常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天器系統(tǒng)和紅外測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在常溫環(huán)境下利用內(nèi) 衛(wèi)星自然發(fā)射的遠(yuǎn)紅外輻射成像的探測器。
背景技術(shù)：
內(nèi)編隊衛(wèi)星系統(tǒng)是重力場測量的一種方式，而對其中內(nèi)衛(wèi)星與外衛(wèi)星的相對位置 進(jìn)行實時精確測量，是實現(xiàn)內(nèi)編隊任務(wù)的關(guān)鍵之一。紅外測量方法是相對位置測量的一種可行手段。斯坦福大學(xué)的DeHoff R L在 1975 的博士論文"Minimum thrusters control of a spinning drag-free satellite， including the design of a largecavity optical sensor (自方寵無阻力衛(wèi)星小推力控 制——兼論大腔體光學(xué)敏感器設(shè)計)”中提出采用紫外線激發(fā)驗證質(zhì)量(proofmass，前述內(nèi) 衛(wèi)星也是一種驗證質(zhì)量)上的磷涂層，并用柵欄二極管接收發(fā)射出來的紅外線從而測定驗 證質(zhì)量的位置，精度達(dá)到mm級。這種方法使用的紅外線處于短紅外波段。內(nèi)編隊系統(tǒng)工作 在常溫(300K)下，發(fā)射的紅外線主要分布在8 12 μ m的遠(yuǎn)紅外波段，上述探測手段不適 用。紅外探測系統(tǒng)在航天器上的應(yīng)用包括氣象衛(wèi)星、環(huán)境勘測、軍事偵察、天文觀測 等，龔海梅在2008年《紅外與激光工程》上發(fā)表的《航天紅外探測器的發(fā)展現(xiàn)狀與進(jìn)展》 對此進(jìn)行了總結(jié)，指出目前的航天紅外探測器大多使用低溫致冷設(shè)計，工作溫度在70 200K。由于在內(nèi)編隊任務(wù)中大溫差帶來的輻射計效應(yīng)是需要避免的，因此致冷型探測器不 適用。非致冷型的探測器在航天器上的應(yīng)用非常少見，而其工作波長均為15μπι以上的甚 長波波段。此外，內(nèi)編隊任務(wù)對紅外探測的要求包括大視角，短景深，探測器在較小的動態(tài) 范圍內(nèi)實現(xiàn)固定的信噪比；這與航天常用紅外探測器的小視場角、長景深、大動態(tài)范圍和變 信噪比是迥異的。目前工作在長紅外波段的通用型熱像儀產(chǎn)品雖已比較成熟，但由于其通用性導(dǎo)致 體積、功耗和重量均偏大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足內(nèi)編隊任務(wù)對嵌入式設(shè)計的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以利用內(nèi)衛(wèi)星在常溫條件下自然發(fā)射的遠(yuǎn)紅外輻 射成像、從而探測到內(nèi)衛(wèi)星相對位置的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器，包括近焦遠(yuǎn)紅外鏡頭、遠(yuǎn)紅外波段焦平面 陣列和圖像數(shù)據(jù)采樣電路，所述的近焦遠(yuǎn)紅外鏡頭與遠(yuǎn)紅外波段焦平面陣列組合連接構(gòu)成 鏡頭-焦平面陣列單元，所述的圖像數(shù)據(jù)采樣電路和圖像數(shù)據(jù)處理單元連接組合構(gòu)成電路 單元，所述的電路單元中的圖像數(shù)據(jù)采樣電路與鏡頭-焦平面陣列單元中的遠(yuǎn)紅外波段焦 平面陣列通過線纜連接。優(yōu)選的，所述的鏡頭與焦平面陣列單元安裝在一個外殼中，所述的外殼除后端電纜接口外全部用內(nèi)表面經(jīng)過發(fā)黑處理的鋁質(zhì)金屬封閉。優(yōu)選的，所述的遠(yuǎn)紅外波段焦平面陣列和線纜之間連接有航空接頭，所述的航空 接頭4周圍采用硅膠封閉，硅膠深度L大于3倍開口尺寸D。優(yōu)選的，所述的近焦遠(yuǎn)紅外鏡頭采用視場角90度以上、景深為100 500mm的定
焦鏡頭，且與所述的遠(yuǎn)紅外波段焦平面陣列相對距離固定。優(yōu)選的，其特征在于所述的遠(yuǎn)紅外波段焦平面陣列為工作在遠(yuǎn)紅外波段的非制 冷型紅外焦平面陣列。優(yōu)選的，所述的圖像數(shù)據(jù)采樣電路由時序發(fā)生單元、AD采樣單元、基準(zhǔn)電壓陣列組 成，所述的CPLD產(chǎn)生所述遠(yuǎn)紅外波段焦平面陣列成像和差分輸入AD采樣單元所需時序，所 述的基準(zhǔn)電壓陣列產(chǎn)生所述遠(yuǎn)紅外波段焦平面陣列所需基準(zhǔn)電壓和所述差分輸入AD采樣 單元所需的共模電壓和基準(zhǔn)電壓，所述的AD采樣單元連接到所述的遠(yuǎn)紅外波段焦平面陣 列。更優(yōu)選的，所述的時序發(fā)生單元采用30萬門以下的CPLD，所述基準(zhǔn)電壓陣列由 低溫漂線性電源芯片連接高精度電阻組成。所述的低溫漂線性電源芯片為溫漂不大于 100ppm/°C的可調(diào)電源芯片，所述的高精度電阻為1 %精度的電阻。更優(yōu)選的，在所述紅外焦平面陣列的模擬信號輸出端與AD采樣單元之間連接有 信號調(diào)理電路，所述的信號調(diào)理電路具有固定增益和固定電壓偏置。所述共模電壓和信號 調(diào)理電路的增益按照如下方法選定使所述常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器的有效輸出信號的 幅值范圍與AD采樣單元的輸入范圍相匹配。本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器，針對內(nèi)衛(wèi)星探測技術(shù)中前景和背景溫差低 的情況，通過電阻值的精確設(shè)置，實現(xiàn)了成像灰度范圍和采樣極值窗口的協(xié)調(diào)，最大限度地 提升了成像對比度，實現(xiàn)了清晰探測，且本發(fā)明的探測器不需要調(diào)焦機(jī)構(gòu)，簡化了探測器的 系統(tǒng)復(fù)雜度，焦平面陣列與電路通過電纜相聯(lián)，有距離分割，有利于抑制前向電磁輻射。


圖1為本發(fā)明的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器中圖像數(shù)據(jù)采樣電路的功能框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實例和附圖對本發(fā)明的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器做進(jìn)一步說明。圖1 給出了本發(fā)明的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2給出了本發(fā)明圖像數(shù)據(jù)采 樣電路的功能框圖。參見附圖1，本發(fā)明的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器中的近焦遠(yuǎn)紅外鏡頭1和遠(yuǎn)紅 外波段焦平面陣列2組合在一起構(gòu)成鏡頭_焦平面陣列單元，在所述的遠(yuǎn)紅外波段焦平面 陣列2上連接有航空接頭4，航空接頭4通過線纜5連接到圖像數(shù)據(jù)采樣電路3。所述的近焦遠(yuǎn)紅外鏡頭1為定焦廣角鏡頭，F(xiàn)l光圈，焦距3. 6mm，視場角范圍大于 90度，鍺玻璃工藝，帶增透膜，帶畸變校正，畸變率小于30%。景深100 500mm，采用鋁質(zhì) 鏡筒，內(nèi)壁發(fā)黑處理，發(fā)射率大于95 %。
所述的遠(yuǎn)紅外波段焦平面陣列2為工作在長紅外波段的非制冷型紅外焦平面陣 列，分辨率在320X240以上，NETD值優(yōu)于0. 2K，標(biāo)稱工作溫度300K，工作溫度范圍-50 800C。所述的航空接頭4周圍采用硅膠封閉，硅膠深度L大于3倍開口尺寸D，可以防止 電磁泄漏。所述的連接線纜5為不少于19芯的屏蔽線，對時序等數(shù)字信號和焦平面的基準(zhǔn)電 壓和視頻輸出等模擬信號進(jìn)行區(qū)分，分別設(shè)置二級屏蔽線。參見附圖2，所述的圖像數(shù)據(jù)采樣電路3中的時序發(fā)生CPLD由30萬門以下、宇航 級兼容型號CPLD實現(xiàn)；基準(zhǔn)電壓陣列由溫漂不大于IOOppm/°C的電源基準(zhǔn)芯片配合精 度的電阻產(chǎn)生焦平面陣列所需基準(zhǔn)電壓和差分輸入AD采樣所需的共模電壓和基準(zhǔn)電壓， 所有基準(zhǔn)電壓經(jīng)電源濾波電路形成穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)；AD采樣單元的采樣分辨率選擇12位 以上；AD采樣單元的前端設(shè)置信號調(diào)理單元，采用固定電壓偏置和固定增益，其中的電壓 增益與AD采樣的共模電壓相等。共模電壓和信號調(diào)理電路的增益按照如下規(guī)則選定使探測器有效輸出信號的幅 值范圍與AD采樣的輸入范圍相匹配，以達(dá)到最佳的采樣分辨率。本發(fā)明適用于常溫小尺寸(不大于Im)封閉恒溫環(huán)境內(nèi)移動物體的探測。
權(quán)利要求
常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器，其特征在于包括近焦遠(yuǎn)紅外鏡頭、遠(yuǎn)紅外波段焦平面陣列和圖像數(shù)據(jù)采樣電路，所述的近焦遠(yuǎn)紅外鏡頭與遠(yuǎn)紅外波段焦平面陣列組合連接構(gòu)成鏡頭 焦平面陣列單元，所述的圖像數(shù)據(jù)采樣電路和圖像數(shù)據(jù)處理單元連接組合構(gòu)成電路單元，所述的電路單元中的圖像數(shù)據(jù)采樣電路與鏡頭 焦平面陣列單元中的遠(yuǎn)紅外波段焦平面陣列通過線纜連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器，其特征在于所述的鏡頭與焦 平面陣列單元安裝在一個外殼中，所述的外殼除后端電纜接口外全部用內(nèi)表面經(jīng)過發(fā)黑處 理的鋁質(zhì)金屬封閉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器，其特征在于所述的遠(yuǎn)紅外波 段焦平面陣列和線纜之間連接有航空接頭，所述的航空接頭4周圍采用硅膠封閉，硅膠深 度L大于3倍開口尺寸D。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器，其特征在于所述的近焦遠(yuǎn)紅 外鏡頭采用視場角90度以上、景深為100 500mm的定焦鏡頭，且與所述的遠(yuǎn)紅外波段焦 平面陣列相對距離固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器，其特征在于所述的遠(yuǎn)紅外波 段焦平面陣列為工作在遠(yuǎn)紅外波段的非制冷型紅外焦平面陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器，其特征在于所述的圖像數(shù)據(jù) 采樣電路由時序發(fā)生單元、AD采樣單元、基準(zhǔn)電壓陣列組成，所述的CPLD產(chǎn)生所述遠(yuǎn)紅外 波段焦平面陣列成像和差分輸入AD采樣單元所需時序，所述的基準(zhǔn)電壓陣列產(chǎn)生所述遠(yuǎn) 紅外波段焦平面陣列所需基準(zhǔn)電壓和所述差分輸入AD采樣單元所需的共模電壓和基準(zhǔn)電 壓，所述的AD采樣單元連接到所述的遠(yuǎn)紅外波段焦平面陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器，其特征在于所述的時序發(fā)生 單元采用30萬門以下的CPLD，所述基準(zhǔn)電壓陣列由低溫漂線性電源芯片連接高精度電阻 組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器，其特征在于所述的低溫漂線 性電源芯片為溫漂不大于100ppm/°C的可調(diào)電源芯片，所述的高精度電阻為精度的電 阻。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器，其特征在于在所述紅外焦平 面陣列的模擬信號輸出端與AD采樣單元之間連接有信號調(diào)理電路，所述的信號調(diào)理電路 具有固定增益和固定電壓偏置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器，其特征在于所述共模電壓和 信號調(diào)理電路的增益按照如下方法選定使所述常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器的有效輸出信 號的幅值范圍與AD采樣單元的輸入范圍相匹配。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種常溫紅外內(nèi)衛(wèi)星成像探測器，適用于內(nèi)衛(wèi)星的探測，屬于航天器系統(tǒng)技術(shù)和測量儀器技術(shù)領(lǐng)域。為了實現(xiàn)封閉小尺寸空間內(nèi)內(nèi)衛(wèi)星的探測，本發(fā)明提供了一種基于遠(yuǎn)紅外波段的紅外成像探測器系統(tǒng)，由短焦距鏡頭、非制冷型紅外焦平面陣列、數(shù)據(jù)采集電路和圖像數(shù)據(jù)處理單元組成。短焦鏡頭適合8～12um波段對100mm～500mm距離的物體成像。非制冷型紅外焦平面陣列工作在遠(yuǎn)紅外波段，可以感應(yīng)常溫下的熱源。本發(fā)明可在不依賴外設(shè)光源和溫度基準(zhǔn)片的條件下，實現(xiàn)星載小尺寸封閉環(huán)境下的移動物體的紅外成像。
文檔編號G01S17/00GK101915924SQ201010146278
公開日2010年12月15日 申請日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者劉昆, 張峰, 張育林, 王兆魁, 范麗, 韓大鵬, 項軍華 申請人:清華大學(xué)