CN113253777B - 红外探测器粗精复合测控温系统 - Google Patents

红外探测器粗精复合测控温系统 Download PDF

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Abstract

红外探测器粗精复合测控温系统，包括：制冷控制器、制冷机组件和视频处理器。制冷控制器根据探测器目标温度和实时的温度信号，确定驱动信号并传输给制冷机组件；制冷机组件接收制冷控制器传输的驱动信号，在驱动信号的控制下驱动制冷机对红外探测器进行制冷；在遥感相机对地成像时，接收红外探测器传输的图像模拟信号和制冷机组件传输的模拟温度信号；根据图像模拟信号，获得数字化的图像信号传输给外部图像接收设备；根据模拟温度信号，进行模数转换、高频滤波处理和温漂补偿处理，获得数字化的温度信号并传输给制冷控制器。本发明采用红外探测器断电时粗测粗控、加电时精测精控的复合控温方式，解决了探测器高精度成像与卫星能源之间的矛盾。

Description

红外探测器粗精复合测控温系统
技术领域
本发明属于航天光学遥感器技术领域，涉及红外探测器粗精复合测控温系统，可用于对红外探测器进行高精度焦面测温。
背景技术
在空间遥感成像领域，低温环境是红外探测器的重要组成部分。
随着红外遥感谱段越来长，要求红外MCT探测器的温度越来越低，温度稳定性越来越高，目前长波MCT探测器的焦面控温精度要求达到0.01℃。
目前传统的测控温方法为测温二极管将模拟温度信号发给制冷控制盒，一级放大以后进行全温区粗级测控温，一级放大以后的数据减底后进行二级放大进行精级测控温。该方法存在的问题是制冷控制盒离测温二极管比较远，模拟温度信号受干扰比较严重，导致测温精度不高，且由于制冷控制盒内部功率驱动电路发热严重，导致测温电路温漂较大，测控温重复性差。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了红外探测器粗精复合测控温系统，解决了传统红外探测器测控温系统精度低的问题。
本发明的技术方案是：
红外探测器粗精复合测控温系统，包括：制冷控制器、制冷机组件和视频处理器；
制冷控制器：根据红外探测器的目标温度和实时接收到的温度信号，确定驱动信号并传输给制冷机组件；所述温度信号为数字温度信号或模拟温度信号；
制冷机组件：接收制冷控制器传输的驱动信号，在驱动信号的控制下驱动制冷机对红外探测器进行制冷；
视频处理器：在遥感相机对地成像时，接收红外探测器传输的图像模拟信号和制冷机组件传输的模拟温度信号；根据图像模拟信号，获得数字化的图像信号传输给外部图像接收设备；根据模拟温度信号，进行模数转换、高频滤波处理和温漂补偿处理，获得数字化的温度信号并传输给制冷控制器。
在遥感相机对地成像时，制冷控制器同时接收视频处理器传输的数字化的温度信号和制冷机组件传输的模拟温度信号，并利用视频处理器传输的数字化的温度信号进行闭环控温；在遥感相机不对地成像时，制冷控制器接收制冷机组件传输的模拟温度信号，进行闭环控温。
在遥感相机对地成像时，利用制冷机组件中的测温二极管采集红外探测器的实时温度并输出模拟温度信号给制冷控制器。
在遥感相机对地成像时，利用制冷机组件中的测温二极管采集红外探测器的实时温度并输出模拟温度信号给视频处理器，同时红外探测器输出图像模拟信号并传输给视频处理器。
模拟温度信号对应温度的取值范围为50～300K，数字温度信号对应温度的取值范围为55K～65K。
视频处理器包括：信号处理电路、低温漂测温电路、图像处理电路；
低温漂测温电路：接收制冷机组件传输的模拟温度信号，进行模数转换，获得数字化的温度信号以及数字化的温度补偿信号并传输给信号处理电路；
图像处理电路：接收红外探测器传输的图像模拟信号，进行模数转换，获得数字化的图像信号并传输给信号处理电路；
信号处理电路：接收低温漂测温电路传输的数字化的温度信号以及温度补偿信号和图像处理电路传输的数字化的图像信号；根据数字化的温度信号以及温度补偿信号进行高频滤波处理和温漂补偿处理，获得数字化的温度信号并传输给制冷控制器；根据数字化的图像信号，进行图像处理，传输给外部图像接收设备。
低温漂测温电路包括：参考电路、放大电路和A/D变换电路；
参考电路用于向A/D变换电路输出温度补偿信号；
放大电路用于向红外探测器供电，放大电路采集红外探测器传输的模拟温度信号并根据减底电压信号，生成温度信号并传输给A/D变换电路；
A/D变换电路接收温度信号和温度补偿信号，生成数字化的温度信号以及数字化的温度补偿信号并传输给信号处理电路。
所述参考电路包括：第二恒流电路、热敏电阻、AD624芯片U9和电阻R15；
AD624芯片U9的2号管脚作为参考信号负端连接图2中第二恒流电路的电流输入端，AD624芯片U9的3号管脚作为参考信号正端连接第二恒流电路的电流输出端，第二恒流电路的电流输入端和电流输出端之间连接有热敏电阻；
AD624芯片U9的1号管脚和AD624芯片U9的8号管脚之间连接有电阻R15，AD624芯片U9的6号管脚作为参考电路的输出端连接A/D变换电路，参考电路用于向A/D变换电路输出温度补偿信号。
所述放大电路包括：仪表放大电路、第一恒流电路、恒压电路和仪表放大电路；
第一恒流电路用于向红外探测器供电；
仪表放大电路用于采集红外探测器传输的模拟温度信号，生成一级放大信号并传输给仪表放大电路；
恒压电路生成减底电压信号并传输给仪表放大电路；减底电压信号不大于最低目标温度对应的电压信号；
仪表放大电路接收仪表放大电路传输的一级放大信号和恒压电路传输的减底电压信号，生成温度信号并传输给A/D变换电路。
制冷机组件包括：机械制冷机以及装在红外探测器表面的测温二极管。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明采用精测时在红外探测器信号输出位置的就近位置(小于400mm)进行温度信号放大和模拟/数字转化，减小了传输路径的干扰，有利于提高测温精度和控温精度。
2)本发明探测器断电时采用粗测粗控，能够实现±20mK测温精度，±40mK控温精度，探测器加电时采用精测精控(实现±2mK测温精度，±4mK控温精度)，解决了探测器高精度成像与卫星能源之间的矛盾。
3)本发明信号处理器没有大功率器件，有利于环境温度的控制，有利于减小温漂。
4)本发明的精密测温与图像数据处理采用同一个FPGA和供配电，有利于节约资源。
附图说明
图1为本发明红外探测器粗精复合测控温系统框图。
图2为本发明高精度低温漂测温电路框图。
图3为本发明参考电路示意图。
图4为本发明仪表放大电路示意图。
图5为本发明恒压电路示意图。
图6为本发明仪表放大电路示意图。
图7为本发明第一恒流电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。如图1所示，本发明红外探测器粗精复合测控温系统，包括：制冷控制器、制冷机组件和视频处理器。
制冷控制器：根据红外探测器的目标温度和实时接收到的温度信号，确定驱动信号并传输给制冷机组件；所述温度信号为数字温度信号或模拟温度信号；
在遥感相机对地成像时，制冷控制器同时接收视频处理器传输的数字化的温度信号和制冷机组件传输的模拟温度信号，并利用视频处理器传输的数字化的温度信号进行闭环控温；在遥感相机不对地成像时，制冷控制器接收制冷机组件传输的模拟温度信号，进行闭环控温
制冷机组件：接收制冷控制器传输的驱动信号，在驱动信号的控制下驱动制冷机对红外探测器进行制冷。
在红外遥感相机对地成像时，利用制冷机组件中的测温二极管21采集红外探测器的实时温度并输出模拟温度信号给制冷控制器。采用测温二极管21输出的模拟温度信号反馈给制冷控制器，进行控温。在遥感相机对地成像时，利用制冷机组件中的测温二极管22采集红外探测器的实时温度并输出模拟温度信号给视频处理器，同时红外探测器输出图像模拟信号并传输给视频处理器。
在遥感相机对地成像时，视频处理器采用测温二极管22输出的模拟温度信号，生成数字温度信号并反馈给制冷控制器，进行控温。
测温二极管21输出的模拟温度信号和测温二极管22输出的模拟温度信号的输出范围相同；模拟温度信号对应温度的取值范围为50～300K，数字温度信号对应温度的取值范围为55K～65K。
视频处理器：在遥感相机对地成像时，接收红外探测器传输的图像模拟信号和制冷机组件传输的模拟温度信号；根据图像模拟信号，获得数字图像信号传输给外部图像接收设备；根据模拟温度信号，进行模数转换、高频滤波处理和温漂补偿处理，获得数字温度信号并传输给制冷控制器；
图像接收设备用于接收红外探测器经过视频处理器输出的数字图像信号。
视频处理器包括：信号处理电路、低温漂测温电路、图像处理电路。低温漂测温电路：接收制冷机组件传输的模拟温度信号，进行模数转换，获得数字化的温度信号以及数字化的温度补偿信号并传输给信号处理电路。图像处理电路：接收红外探测器传输的图像模拟信号，进行模数转换，获得数字化的图像信号并传输给信号处理电路。信号处理电路：接收低温漂测温电路传输的数字化的温度信号以及温度补偿信号和图像处理电路传输的数字化的图像信号；根据数字化的温度信号以及温度补偿信号进行高频滤波处理和温漂补偿处理，获得数字温度信号并传输给制冷控制器；根据数字化的图像信号，进行图像处理，传输给外部图像接收设备。
低温漂测温电路包括：参考电路、放大电路和A/D变换电路。参考电路用于向A/D变换电路输出温度补偿信号。放大电路用于向红外探测器供电，放大电路采集红外探测器传输的模拟温度信号并根据减底电压信号，生成温度信号并传输给A/D变换电路。A/D变换电路接收温度信号和温度补偿信号，生成数字化的温度信号以及数字化的温度补偿信号并传输给信号处理电路。
参考电路包括：第二恒流电路、热敏电阻、AD624芯片U9和电阻R15(即仪表放大电路2包括：AD624芯片U9和电阻R15。)。AD624芯片U9的2号管脚作为参考信号负端连接图2中第二恒流电路的电流输入端，AD624芯片U9的3号管脚作为参考信号正端连接第二恒流电路的电流输出端，第二恒流电路的电流输入端和电流输出端之间连接有热敏电阻，如图3所示。
AD624芯片U9的1号管脚和AD624芯片U9的8号管脚之间连接有电阻R15，AD624芯片U9的6号管脚作为参考电路的输出端连接A/D变换电路，参考电路用于向A/D变换电路输出温度补偿信号。
放大电路包括：仪表放大电路1-1、第一恒流电路、恒压电路1和仪表放大电路1-2，如图4～7所示。
第一恒流电路用于向红外探测器供电。仪表放大电路1-1用于采集红外探测器传输的模拟温度信号，生成一级放大信号并传输给仪表放大电路1-2。恒压电路1生成减底电压信号并传输给仪表放大电路1-2；减底电压信号不大于最低目标温度对应的电压信号。仪表放大电路1-2接收仪表放大电路1-1传输的一级放大信号和恒压电路1传输的减底电压信号，生成温度信号并传输给A/D变换电路。
制冷机组件包括：机械制冷机以及装在红外探测器表面的测温二极管。
制冷控制器包括：本地测温电路、接口电路、制冷控制电路和功率驱动电路。
实施例
一种红外探测器粗精复合测控温系统，包括：探测器制冷机组件、视频处理器、制冷控制器、图像接收设备及连接线缆；探测器制冷机组件包括：长波红外探测器、机械制冷机以及装在探测器表面的测温二极管；视频处理器包括：信号处理电路、高精度低温漂测温电路、图像处理电路；制冷控制器包括：本地测温电路、接口电路、制冷控制电路、功率驱动电路；图像接收设备用于接收长波红外探测器经过视频处理器输出的数字图像信号；高精度低温漂测温电路包括：精密精测电路、温漂参考电路、A/D变换电路；精密测温电路包括：仪表放大电路1、第一恒流电路、仪表放大电路2、恒压电路1；参考电路包括：热敏电阻、第二恒流电路、仪表放大电路3；全温区测温电路包括：仪表放大电路3、恒流电路3、A/D变换电路3。
视频处理器的数字信号处理电路采用同一个FPGA进行图像信号和温度信号的采集处理。
当视频处理器和红外探测器加电时，制冷控制器采用视频处理器发送的测温二极管3的温度信号进行焦面温度闭环控制；当视频处理器和红外探测器断电时，制冷控制器采用自身采集的测温二极管21的温度信号进行焦面温度闭环控制；
参考电路的热敏电阻安装在精密测温电路的电路板上，监测精密测温电路的环境温度变化。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.红外探测器粗精复合测控温系统，其特征在于，包括：制冷控制器、制冷机组件和视频处理器；
制冷控制器：根据红外探测器的目标温度和实时接收到的温度信号，确定驱动信号并传输给制冷机组件；所述温度信号为数字温度信号或模拟温度信号；
制冷机组件：接收制冷控制器传输的驱动信号，在驱动信号的控制下驱动制冷机对红外探测器进行制冷；
视频处理器：在遥感相机对地成像时，接收红外探测器传输的图像模拟信号和制冷机组件传输的模拟温度信号；根据图像模拟信号，获得数字化的图像信号传输给外部图像接收设备；根据模拟温度信号，进行模数转换、高频滤波处理和温漂补偿处理，获得数字化的温度信号并传输给制冷控制器；
在遥感相机对地成像时，制冷控制器同时接收视频处理器传输的数字化的温度信号和制冷机组件传输的模拟温度信号，并利用视频处理器传输的数字化的温度信号进行闭环控温；在遥感相机不对地成像时，制冷控制器接收制冷机组件传输的模拟温度信号，进行闭环控温；
在遥感相机对地成像时，利用制冷机组件中的测温二极管采集红外探测器的实时温度并输出模拟温度信号给制冷控制器；
在遥感相机对地成像时，利用制冷机组件中的测温二极管采集红外探测器的实时温度并输出模拟温度信号给视频处理器，同时红外探测器输出图像模拟信号并传输给视频处理器；
模拟温度信号对应温度的取值范围为50～300K，数字温度信号对应温度的取值范围为55K～65K；
视频处理器包括：信号处理电路、低温漂测温电路、图像处理电路；
低温漂测温电路：接收制冷机组件传输的模拟温度信号，进行模数转换，获得数字化的温度信号以及数字化的温度补偿信号并传输给信号处理电路；
图像处理电路：接收红外探测器传输的图像模拟信号，进行模数转换，获得数字化的图像信号并传输给信号处理电路；
信号处理电路：接收低温漂测温电路传输的数字化的温度信号以及温度补偿信号和图像处理电路传输的数字化的图像信号；根据数字化的温度信号以及温度补偿信号进行高频滤波处理和温漂补偿处理，获得数字化的温度信号并传输给制冷控制器；根据数字化的图像信号，进行图像处理，传输给外部图像接收设备。
2.根据权利要求1所述的红外探测器粗精复合测控温系统，其特征在于，低温漂测温电路包括：参考电路、放大电路和A/D变换电路；
参考电路用于向A/D变换电路输出温度补偿信号；
放大电路用于向红外探测器供电，放大电路采集红外探测器传输的模拟温度信号并根据减底电压信号，生成温度信号并传输给A/D变换电路；
A/D变换电路接收温度信号和温度补偿信号，生成数字化的温度信号以及数字化的温度补偿信号并传输给信号处理电路。
3.根据权利要求2所述的红外探测器粗精复合测控温系统，其特征在于，所述参考电路包括：第二恒流电路、热敏电阻、AD624芯片U9和电阻R15；
AD624芯片U9的2号管脚作为参考信号负端连接图2中第二恒流电路的电流输入端，AD624芯片U9的3号管脚作为参考信号正端连接第二恒流电路的电流输出端，第二恒流电路的电流输入端和电流输出端之间连接有热敏电阻；
AD624芯片U9的1号管脚和AD624芯片U9的8号管脚之间连接有电阻R15，AD624芯片U9的6号管脚作为参考电路的输出端连接A/D变换电路，参考电路用于向A/D变换电路输出温度补偿信号。
4.根据权利要求2所述的红外探测器粗精复合测控温系统，其特征在于，所述放大电路包括：仪表放大电路(1-1)、第一恒流电路、恒压电路(1)和仪表放大电路(1-2)；
第一恒流电路用于向红外探测器供电；
仪表放大电路(1-1)用于采集红外探测器传输的模拟温度信号，生成一级放大信号并传输给仪表放大电路(1-2)；
恒压电路(1)生成减底电压信号并传输给仪表放大电路(1-2)；减底电压信号不大于最低目标温度对应的电压信号；
仪表放大电路(1-2)接收仪表放大电路(1-1)传输的一级放大信号和恒压电路(1)传输的减底电压信号，生成温度信号并传输给A/D变换电路。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的红外探测器粗精复合测控温系统，其特征在于，制冷机组件包括：机械制冷机以及装在红外探测器表面的测温二极管。
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