石安安 周新 江庆欢 沈林祥

摘要：红外测温是以黑体辐射理论为基础，利用物体的辐射能量与温度有关的原理，使用红外热成像系统对被测目标的热辐射进行测量，并通过一定的算法计算出被测目标的温度。红外测温是一种非接触测温方式，与传统测温方式相比具有无损伤、非接触、快速实时、远距离、测温范围宽等优点。目前红外测温技术己在多领域获得广泛应用，如建筑、电力工业、航天航空、质量检测及冶金等。

关键词：非制冷红外热像仪;便携式;发射装置

引言

近几年，非制冷红外热像仪凭借其在价格、体积方面的优势，占据了很大的应用市场。但非制冷红外热像仪，其随着环境温度、电源波动以及吸收红外辐射的增加，将会产生严重的温度漂移现象，这将影响到红外探测器的响应特性，从而导致输出信号受一定的影响。

1研究背景

近年，人因工程学在国内民用产品中得到广泛的应用，而在武器装备领域局限于“人适应武器装备”的观念，关注点在产品的功能和可靠性上，从事专职研究武器装备的人因工程人员较少，运用人因工程学设计武器装备时存在一些不足之处：设计过程中缺乏系统性规划，缺少装备具体开发经验，依赖反复的样机试制验证设计，增加了科研成本;另外产品规范文件对人因工程要求过于笼统，缺少量化考核依据，客户与设计师对产品的人机环的理解也有所差异，比较难形成共识。若在设计武器装备过程中运用人因工程学进行设计，则可弥补以上的不足之处。便携式发射装置是单兵反坦克导弹武器系统的肩扛发射装置，与射手之间结合紧密。

2非制冷红外热像仪在便携式发射装置的应用

2.1系统要求和组成

在实际场合，便携式具有发射装置准备发射时间短、长待机、携带方便的特点。因此，红外热像仪也应小型化设计，具备低功耗就绪时间短、在特定目标背景温差下准确地识别目标的特点，依据主要参数要求红外热像仪由非制冷红外探测器模块、长波红外光学系统、调焦机构、信号处理电路、温度传感器、机械结构等组成。

2.2非制冷红外探测器模块

通常对非制冷红外探测器芯片进行二次封装时，核心器件封装在真空腔体内，并与图像处理电路组装成一个组合模块。主要参数为：像素尺寸10μm;工作波段长波红外;噪声等效温差NETD≤50mK;靶面尺寸高×宽为12.80mm×10.24mm。探测器电路首先获取了图像的原始数字数据，在图像处理电路板中运用图像算法，实现图像校正、图像极性切换、亮度对比度、电子变倍、叠加十字瞄准线等功能，有利于模块化，减轻了信号处理电路的额外开销。

2.3长波红外光学系统设计

依据Johnson准则，识别出目标类别需要4.0±0.8线对，综合考虑，按坦克目标最短边正面2.3m对应4线对进行焦距计算，得到：

式中：n為识别像素;a为像素尺寸;h为目标最小尺寸;L为目标距离;A为靶面尺寸;w为视场角度。由

式（1）和式（2）计算得：长焦距140mm，短焦距14mm，光学系统的窄视场值为5°14'×4°11'。目标最小面尺寸为3.3m×2.3m，当目标距离为3.5km，长焦140mm时，目标在探测器上物理尺寸和像元间距为10μm，得到目标成像的像素值为（12.4，8.6），满足识别要求。变焦光学系统采用机械正组补偿方式实现变倍比连续变焦，机械补偿法变焦系统在一定范围内能够连续改变焦距实现连续变焦，使其得到广泛的应用。

2.4变倍调焦机构和安装结构

根据变倍组和补偿组的移动轨迹计算出凸轮曲线，常用凸轮机械结构实现两者的移动，采用导轨式移动变倍组和补偿组位置实现连续调焦，相比凸轮结构更有利于小型化设计，空间更紧凑。变倍组和补偿组分别固定在丝杠上，利用高精度步进电机驱动丝杠，改变两者的轴向位置实现连续调焦;同时安装位置传感器用于定位移动组件的位置，实现固定视场切换。红外光学镜片和镜框结构材料的热膨胀系数不一致，会导致光学元件的变形，因此，在全温度范围内应考虑红外系统光机热一体化设计，内部安装温度传感器监测热像仪内部温度用于温度采样补充;通过温度、位置反馈的数据进行实时补偿微小位移，修正凸轮曲线，控制变倍组和补偿组的位置，实现全温范围清晰成像。整机采用镂空结构件安装热像仪的光学及电子部件，提供红外光学系统、变倍及调焦部件、温度传感器、位置传感器、红外组件、系统综合处理电路、电源电路等多部件的安装位置;采用法兰盘结构安装于发射装置上，兼顾光轴与基准面之间的平行度、冲击振动、抗过载能力、小型化等方面要求。

2.5电气系统

2.5.1传感器模块

二次封装的非制冷探测器模块集成了图像处理功能，对外提供串口和视频接口，通过串口设置图像参数。

2.5.2信号处理电路板

信号处理电路板主要负责电源变换、控制电机和视频处理传输等功能。

1）电源变换

电机驱动丝杠时瞬间电流值较高，容易形成干电源串扰源。为了降低电源串扰，上位机采用电压24V机载电源供电，而所需的5V、±12V工作电压，则用输入9～36V的DC/DC电源模块及线性电源芯片组合进行二次变换，有利于降低电源噪声并提高电源转换效率。

2）控制电路模块

控制电路用C51单片机作主控芯片，外设接口资源丰富且功耗低，内置Flash，支持CAN总线、异步串口通讯;通过串口电路与上位机实现通讯，接收控制指令并转发给探测器电路，并用I/O端口驱动电机。

3）视频处理电路

非制冷探测器的图像用数字视频传输，采用CameraLink通讯协议，其协议中包含了视频数据信息、串口控制信号、离散量信号控制，CameraLink协议的解码芯片用DS90CR288A接收，该芯片将4路LVDS数据流转换成28位CMOS/TTL数据，其中有24位图像数据（RxOUT0～RxOUT23），4位图像数据同步信号（RxOUT24～RxOUT27）分别对应Spare、LVAL（行信号）、FVAL（场信号）和DVAL（数据有效）。CameraLink基于低压差分对传输方式，像素时钟频率达80MHz，而差分对传输线的频率达到像素时钟频率8倍之多，而信号带宽大于2.2GHz，因此，在电路设计应考虑信号完整性和电磁兼容性，对传输线作严格要求。文中用帧频25Hz传输，可满足人眼观察，降帧频传输可以大幅度地降低像素时钟频率和传输线信号代开;其次，传输线应符合特定阻抗要求，应等长并双绞处理，线缆用屏蔽层包覆;最后，屏蔽层应就近于CameraLink解码芯片接地点，缩短传输线的电流回路面积，降低线上电磁辐射耦合噪声。

结语

参考便携式发射装置的使用场合，研究非制冷型连续变焦红外热像仪的设计，选用分辨率为1280×1024非制冷探测器，匹配连续红外变焦光学系统，识别距离大于3.5km，样机经军用装备的环境考核，结果满足使用要求。经分析可知，非制冷型探测器的NETD值远不及制冷型，从而识别距离受到了限制，不适合长距离探测目标，但其无需制冷、启动速度快的优点，却适合便携式发射装置应用。

参考文献

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1.杭州图谱电力技术有限公司，浙江省 杭州市 310000;2.杭州水尧科技有限公司，浙江省杭州市 310000