CN109556734A - 一种中短波宽波段红外热像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中短波宽波段红外热像仪，目标景物的热辐射，经过光窗模块和成像光学模块会聚在探测器模块中短波宽波段探测器的焦平面上；探测器模块和信号处理模块完成光电转换和信号处理，输出的DVI视频经A818模块将视频转换成A818格式后，输出供操作人员观察成像视频；接口与控制模块控制非均匀校正机构切入切出光路，同时控制光窗模块加热以实现光窗除冰防雾功能；七片不同材料和不同焦度的透镜，在‑40℃～+60℃的环境温度范围内被动消热差，波长范围为1.3μm～5.1μm，覆盖了中波波段和短波波段；光窗模块安装加热带和温度传感器，实现防结冰功能。
Description
技术领域
本发明属于红外热像仪，涉及一种中短波宽波段红外热像仪，特别是一种中短波宽波段制冷型红外热像仪，响应波段为1.3～4.8μm。
背景技术
所有物体都反射环境中普遍存在的短波红外辐射，因此短波红外辐射通量分布的图像可复现景物表面反射率差所形成的可见光图像的大部分细节。而且夜天光的大部分能量集中在短波红外波段，特别是在晴朗星空的夜间，短波红外辐射亮度随波长增加，并远超过可见光的亮度。由于其独特的昼夜成像性能，高分辨短波成像的需求越来越多。
传统的红外热像仪仅能接收场景内中/长波红外辐射，谱段单一，无法适应在复杂环境对多类型目标的探测。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种中短波宽波段红外热像仪，能满足中短波宽波段成像、雷电防护要求、具备电源冗余设计、光窗防结冰功能的高分辨率高可靠性制冷型红外热像仪。
技术方案
一种中短波宽波段红外热像仪，其特征在于包括光窗模块、成像光学模块、探测器模块、信号处理模块、A818模块、接口与控制模块、雷电防护模块、电源模块、非均匀校正机构和光机结构模块；目标景物的热辐射，经过光窗模块和成像光学模块会聚在探测器模块中短波宽波段探测器的焦平面上；探测器模块和信号处理模块完成光电转换和信号处理，输出的DVI视频经A818模块将视频转换成A818格式后，输出供操作人员观察成像视频；接口与控制模块控制非均匀校正机构切入切出光路，同时控制光窗模块加热以实现光窗除冰防雾功能；所述光窗模块安装加热带和温度传感器，在接口与控制模块控制下，当光窗表面温度低于+4℃±2℃时，开启光窗加热，当光窗表面温度高于+35℃±2℃时，停止光窗加热。
所述成像光学模块F数为2，采用直筒型一次成像系统构型，包括七片不同材料和不同焦度的透镜，在-40℃～+60℃的环境温度范围内被动消热差，波长范围为1.3μm～5.1μm，覆盖了中波波段和短波波段；按照光路依次为：第一负光焦度透镜1、第一正光焦度透镜2、第二正光焦度透镜3、第二负光焦度透镜4、第三正光焦度透镜5、第三负光焦度透镜6和第四正光焦度透镜7；所述第一负光焦度透镜1和第三正光焦度透镜5采用硫化锌材料；所述采用第一正光焦度透镜2氟化钡材料；所述第二正光焦度透镜3和第三负光焦度透镜6采用硅材料；所述第二负光焦度透镜4采用氟化钙材料；所述第四正光焦度透镜7采用硒化锌材料。
所述探测器模块采用中短波宽波段制冷型探测器，响应波段为1.3μm～4.8μm，像素为640×512。
所述雷电防护模块满足A4J4L4雷电防护等级。
所述电源模块为供电和备份供电及自动切换，两路电源均为28V直流电源输入，当28VDC主供电电源的电压低于22V±0.3V时，模块需要切换为备份供电电源进行供电，当28VDC主供电电源的电压恢复为26.5V±0.3V时，模块需要从备份供电电源切换为主供电电源，当备份电源低于22V±0.3V时而主电源大于22V±0.3V且没有恢复到26.5V±0.3V时，模块仍然需要切换为主电源。
有益效果
本发明提出的一种中短波宽波段红外热像仪，由光窗模块、成像光学模块、探测器模块、信号处理模块、A818模块、接口与控制模块、雷电防护模块、电源模块、非均匀校正机构、光机结构模块等部分组成。该热像仪探测器模块采用中短波宽波段制冷型探测器，响应波段为1.3μm～4.8μm，像素为640×512；光学系统F数为2，采用选择合适的光学材料，通过光学材料折射率温度变化及光学材料的热膨胀变化与结构材料热膨胀变化相互抵消，实现宽温度范围被动无热化设计；光窗模块采用柔性密封连接结构设计方式，保障光窗固定飞机蒙皮上，光机结构模块可实现方位、俯仰、横滚3个方向角度调整需要，同时不能影响光窗模块和光机结构模块间密封性要求；光窗模块安装加热带和温度传感器，实现防结冰功能，当光窗表面温度低于+4℃(±2℃)时，EVS自动开启光窗加热，当光窗表面温度高于+35℃(±2℃)时，EVS自动停止光窗加热；雷电防护模块可将雷电流泄放到地，保护热像仪遭受雷击时不受损坏，满足A4J4L4雷电防护等级；雷电防护模块信号线均通过磁珠进行高频滤波，具有浪涌抑制功能，通过共模电感组成的滤波器进行电源滤波，配合电源模块滤波器组成双重滤波电路；电源模块实现供电和备份供电及自动切换，两路电源均为28V直流电源输入，当28VDC主供电电源的电压低于22V±0.3V时，模块需要切换为备份供电电源进行供电，当28VDC主供电电源的电压恢复为26.5V±0.3V时，模块需要从备份供电电源切换为主供电电源，当备份电源低于22V±0.3V时而主电源大于22V±0.3V且没有恢复到26.5V±0.3V时，模块仍然需要切换为主电源。
附图说明
图1：红外热像仪组成框图
图2：成像光学模块光路图
图3：光窗加热控制单元原理框图
图4：电源防护结构图
图5：电压信号雷电防护结构图
图6：离散量信号雷电防护电路
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
根据附图1所示，我们设计出一种中短波宽波段红外热像仪，它主要光窗模块、成像光学模块、探测器模块、信号处理模块、A818模块、接口与控制模块、雷电防护模块、电源模块、非均匀校正机构、光机结构模块等部分组成。
目标景物的热辐射，经过光窗模块和成像光学模块会聚在探测器模块中短波宽波段探测器的焦平面上，通过探测器模块和信号处理模块完成光电转换和信号处理，输出DVI视频，经A818模块将视频转换成A818格式后，输出成像视频，供操作人员观察，接口与控制模块可控制非均匀校正机构切入切出光路，并自动控制光窗模块加热以实现光窗除冰防雾功能。
中短波宽波段红外热像仪探测器模块探测器模块采用中短波宽波段制冷型探测器，响应波段为1.3μm～4.8μm，像素为640×512，动态范围为72dB，响应率为1.0×108W/V，像元中心距为15μm×15μm，像元规格为640×512，采用杜瓦制冷机。
中短波宽波段红外热像仪采用直筒型一次成像系统构型，成像光学模块由七片透镜组成，在-40℃～+60℃的环境温度范围内被动消热差，波长范围为1.3μm～5.1μm，覆盖了中波波段和短波波段，具体见图2。成像光学模块序号1为第一负光焦度透镜1，采用硫化锌材料，序号2为第一正光焦度透镜2，采用氟化钡材料，序号3为第二正光焦度透镜3，采用硅材料，序号4为第二负光焦度透镜4，采用氟化钙材料，序号5第三正光焦度透镜5，采用硫化锌材料，序号6为第三负光焦度透镜6，采用硅材料，序号第四7正光焦度透镜7，采用硒化锌材料，序号8为探测器光窗平面，采用硅材料，序号9为探测器焦平面。系统的孔径光阑与探测器的冷光阑重合，光学系统镜筒材料采用钛合金材料。该光学系统的具体参数如表1所示。
表1
中短波宽波段红外热像仪光窗模块采用柔性密封连接结构设计方式，通过密封柔性垫，保障光窗固定飞机蒙皮上，光机结构模块可实现方位、俯仰、横滚3个方向角度调整需要，同时不能影响光窗模块和光机结构模块间密封性要求。
中短波宽波段红外热像仪光窗模块安装加热带和温度传感器，实现防结冰功能，当光窗表面温度低于+4℃(±2℃)时，EVS自动开启光窗加热，当光窗表面温度高于+35℃(±2℃)时，EVS自动停止光窗加热。接口与控制模块由非均匀校正机构控制单元、ARINC429通讯单元、RS422通讯单元、光窗加热控制单元组成。光窗模块与接口与控制模块的光窗加热控制单元相连，光窗加热控制单元通过光窗上的温度传感器和热敏电阻采集光窗温度，根据温度反馈自动控制光窗加热电源通断。
光窗加热控制单元的原理框图与图3所示。由电源模块提供28V作为加热带电源，接口与控制模块提供TTL控制信号，控制加热带电源是否提供给加热带。当TTL为5V时，电源模块输出28V，当TTL悬空或低电平时，电源模块不输出28V。电源模块反馈加热带加热状态(正常，故障)，当接口与控制模块控制其给光窗模块的光窗加热时，若电源模块28V加热带电源输出，则上报正常，否则上报故障；当接口与控制模块控制其停止给光窗加热时，若电源模块28V加热带电源不输出，则上报正常，否则上报故障。
中短波宽波段红外热像仪雷电防护模块可将雷电流泄放到地，保护热像仪遭受雷击时不受损坏，满足A4J4L4雷电防护等级。雷电防护模块信号线均通过磁珠进行高频滤波，具有浪涌抑制功能，通过共模电感组成的滤波器进行电源滤波，配合电源模块滤波器组成双重滤波电路。电源防护结构图如图4所示，电源雷电抑制分为输入端、雷电抑制部分和电源输出端三部分。电源通过航插接入抑制器后，经雷电抑制电路处理，将雷电流的间接干扰脉冲抑制掉，通过泄放通道直接入地。电压信号雷电防护结构图如图5所示，雷电防护模块电压脉冲信号(离散量信号)为5V和0V两种状态。电平信号工作电压较低，电压波动范围小，因此，防雷器件选择要接近5V。TVS二极管的结电容要尽量小的。防止上升沿陡度增大，最大程度的减少对信号的损耗。离散量信号的防护电路原理图如图6所示，正常工作信号电压较低，和雷电流比较，需要限制的电压较大，因此，前级同样通过90V的气体放电管进行雷电流泄放，后级通过TVS二极管和电阻的组合，限制电压和电流，使得雷电能量被进一步减弱，输出端接磁珠，对雷电瞬间产生的高频干扰进行滤除，使得信号不被杂波干扰。
中短波宽波段红外热像仪电源模块，可实现供电和备份供电及自动切换，两路电源均为28V直流电源输入，当28VDC主供电电源的电压低于22V±0.3V时，电源模块切换为备份供电电源进行供电，当28VDC主供电电源的电压恢复为26.5V±0.3V时，电源模块从备份供电电源切换为主供电电源，当备份电源低于22V±0.3V时而主电源大于22V±0.3V且没有恢复到26.5V±0.3V时，电源模块切换为主电源。
中短波宽波段红外热像仪电源模块主要由输入主备电源切换电路，输入防反接电路、输入尖峰浪涌电压保护电路、输入浪涌电流限制电路、上电控制电路、光窗加温电源上电控制电路、输入电压欠压报警电路、输出电压自检电路、DC/DC转换电路、输出滤波电路、掉电维持电路组成。主备电源输入切换电路：实现主供电输入和备用供电输入的自动切换功能，备用供电可用时，当主供电电压降低到22V以下，主供电回路开关管关断，当主供电电压回升至26.5V以上时，打开主供电回路开关管；备用供电不可用时，主供电低于22V，主供电回路开关管关断，主供电高于22V，主供电回路开关管打开；输入防反接保护：主要用来对电源输入极性进行保护，防止输入反接损坏电源；输入尖峰浪涌电压保护：将尖峰浪涌电压抑制在电源内部器件输入范围内，从而保护电源不被损坏；输入浪涌电流限制电路：在正常电压上电时，对输入产生的冲击电流进行限制，使瞬间峰值电流不超过直流/交流设备最大涌入电流的范围；热像仪上电控制电路的作用：通过地/开信号来实现输出电压启动和关闭；光窗加温电源上电控制电路的作用：通过外接TTL电平信号来实现光窗加温电源输出电压启动和关闭；输入电压欠压报警电路：对主备两路输入电源电压进行监控，当输入低于22V时需输出一路离散量PM_ALM；输出电压自检电路的作用：对每路输出电压进行监控，通过TTL电平输出反馈每路输出的正常和故障状态；DC-DC转换电路：将输入电压通过DC/DC转换电路转换成五路稳定的输出电压；输出滤波电路：对输出的低压直流电压进行滤波，降低输出电压上的电压纹波和噪声干扰，满足输出纹波指标的要求；掉电维持电路：通过掉电维持电容在掉电时维持5V正常工作50ms以上。
Claims (5)
1.一种中短波宽波段红外热像仪，其特征在于包括光窗模块、成像光学模块、探测器模块、信号处理模块、A818模块、接口与控制模块、雷电防护模块、电源模块、非均匀校正机构和光机结构模块；目标景物的热辐射，经过光窗模块和成像光学模块会聚在探测器模块中短波宽波段探测器的焦平面上；探测器模块和信号处理模块完成光电转换和信号处理，输出的DVI视频经A818模块将视频转换成A818格式后，输出供操作人员观察成像视频；接口与控制模块控制非均匀校正机构切入切出光路，同时控制光窗模块加热以实现光窗除冰防雾功能；所述光窗模块安装加热带和温度传感器，在接口与控制模块控制下，当光窗表面温度低于+4℃±2℃时，开启光窗加热，当光窗表面温度高于+35℃±2℃时，停止光窗加热。
2.根据权利要求1所述中短波宽波段红外热像仪，其特征在于：所述成像光学模块F数为2，采用直筒型一次成像系统构型，包括七片不同材料和不同焦度的透镜，在-40℃～+60℃的环境温度范围内被动消热差，波长范围为1.3μm～5.1μm，覆盖了中波波段和短波波段；按照光路依次为：第一负光焦度透镜(1)、第一正光焦度透镜(2)、第二正光焦度透镜(3)、第二负光焦度透镜(4)、第三正光焦度透镜(5)、第三负光焦度透镜(6)和第四正光焦度透镜(7)；所述第一负光焦度透镜(1)和第三正光焦度透镜(5)采用硫化锌材料；所述采用第一正光焦度透镜(2)氟化钡材料；所述第二正光焦度透镜(3)和第三负光焦度透镜(6)采用硅材料；所述第二负光焦度透镜(4)采用氟化钙材料；所述第四正光焦度透镜(7)采用硒化锌材料。
3.根据权利要求1所述中短波宽波段红外热像仪，其特征在于：所述探测器模块采用中短波宽波段制冷型探测器，响应波段为1.3μm～4.8μm，像素为640×512。
4.根据权利要求1所述中短波宽波段红外热像仪，其特征在于：所述雷电防护模块满足A4J4L4雷电防护等级。
5.根据权利要求1所述中短波宽波段红外热像仪，其特征在于：所述电源模块为供电和备份供电及自动切换，两路电源均为28V直流电源输入，当28VDC主供电电源的电压低于22V±0.3V时，模块需要切换为备份供电电源进行供电，当28VDC主供电电源的电压恢复为26.5V±0.3V时，模块需要从备份供电电源切换为主供电电源，当备份电源低于22V±0.3V时而主电源大于22V±0.3V且没有恢复到26.5V±0.3V时，模块仍然需要切换为主电源。
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