专利名称：一种常温红外内卫星成像探测器的制作方法
技术领域：
本发明属于航天器系统和红外测量技术领域，尤其涉及一种在常温环境下利用内 卫星自然发射的远红外辐射成像的探测器。
背景技术：
内编队卫星系统是重力场测量的一种方式，而对其中内卫星与外卫星的相对位置 进行实时精确测量，是实现内编队任务的关键之一。红外测量方法是相对位置测量的一种可行手段。斯坦福大学的DeHoff R L在 1975 的博士论文"Minimum thrusters control of a spinning drag-free satellite， including the design of a largecavity optical sensor (自方宠无阻力卫星小推力控 制——兼论大腔体光学敏感器设计)”中提出采用紫外线激发验证质量(proofmass，前述内 卫星也是一种验证质量)上的磷涂层，并用栅栏二极管接收发射出来的红外线从而测定验 证质量的位置，精度达到mm级。这种方法使用的红外线处于短红外波段。内编队系统工作 在常温(300K)下，发射的红外线主要分布在8 12 μ m的远红外波段，上述探测手段不适 用。红外探测系统在航天器上的应用包括气象卫星、环境勘测、军事侦察、天文观测 等，龚海梅在2008年《红外与激光工程》上发表的《航天红外探测器的发展现状与进展》 对此进行了总结，指出目前的航天红外探测器大多使用低温致冷设计，工作温度在70 200K。由于在内编队任务中大温差带来的辐射计效应是需要避免的，因此致冷型探测器不 适用。非致冷型的探测器在航天器上的应用非常少见，而其工作波长均为15μπι以上的甚 长波波段。此外，内编队任务对红外探测的要求包括大视角，短景深，探测器在较小的动态 范围内实现固定的信噪比；这与航天常用红外探测器的小视场角、长景深、大动态范围和变 信噪比是迥异的。目前工作在长红外波段的通用型热像仪产品虽已比较成熟，但由于其通用性导致 体积、功耗和重量均偏大，远远不能满足内编队任务对嵌入式设计的需求。

发明内容
本发明的目的在于提供一种可以利用内卫星在常温条件下自然发射的远红外辐 射成像、从而探测到内卫星相对位置的常温红外内卫星成像探测器。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下本发明的常温红外内卫星成像探测器，包括近焦远红外镜头、远红外波段焦平面 阵列和图像数据采样电路，所述的近焦远红外镜头与远红外波段焦平面阵列组合连接构成 镜头-焦平面阵列单元，所述的图像数据采样电路和图像数据处理单元连接组合构成电路 单元，所述的电路单元中的图像数据采样电路与镜头-焦平面阵列单元中的远红外波段焦 平面阵列通过线缆连接。优选的，所述的镜头与焦平面阵列单元安装在一个外壳中，所述的外壳除后端电缆接口外全部用内表面经过发黑处理的铝质金属封闭。优选的，所述的远红外波段焦平面阵列和线缆之间连接有航空接头，所述的航空 接头4周围采用硅胶封闭，硅胶深度L大于3倍开口尺寸D。优选的，所述的近焦远红外镜头采用视场角90度以上、景深为100 500mm的定
焦镜头，且与所述的远红外波段焦平面阵列相对距离固定。优选的，其特征在于所述的远红外波段焦平面阵列为工作在远红外波段的非制 冷型红外焦平面阵列。优选的，所述的图像数据采样电路由时序发生单元、AD采样单元、基准电压阵列组 成，所述的CPLD产生所述远红外波段焦平面阵列成像和差分输入AD采样单元所需时序，所 述的基准电压阵列产生所述远红外波段焦平面阵列所需基准电压和所述差分输入AD采样 单元所需的共模电压和基准电压，所述的AD采样单元连接到所述的远红外波段焦平面阵 列。更优选的，所述的时序发生单元采用30万门以下的CPLD，所述基准电压阵列由 低温漂线性电源芯片连接高精度电阻组成。所述的低温漂线性电源芯片为温漂不大于 100ppm/°C的可调电源芯片，所述的高精度电阻为1 %精度的电阻。更优选的，在所述红外焦平面阵列的模拟信号输出端与AD采样单元之间连接有 信号调理电路，所述的信号调理电路具有固定增益和固定电压偏置。所述共模电压和信号 调理电路的增益按照如下方法选定使所述常温红外内卫星成像探测器的有效输出信号的 幅值范围与AD采样单元的输入范围相匹配。本发明的有益效果如下本发明的常温红外内卫星成像探测器，针对内卫星探测技术中前景和背景温差低 的情况，通过电阻值的精确设置，实现了成像灰度范围和采样极值窗口的协调，最大限度地 提升了成像对比度，实现了清晰探测，且本发明的探测器不需要调焦机构，简化了探测器的 系统复杂度，焦平面阵列与电路通过电缆相联，有距离分割，有利于抑制前向电磁辐射。


图1为本发明的常温红外内卫星成像探测器的结构示意图；图2为本发明的常温红外内卫星成像探测器中图像数据采样电路的功能框图。
具体实施例方式下面结合实例和附图对本发明的常温红外内卫星成像探测器做进一步说明。图1 给出了本发明的常温红外内卫星成像探测器的结构示意图，图2给出了本发明图像数据采 样电路的功能框图。参见附图1，本发明的常温红外内卫星成像探测器中的近焦远红外镜头1和远红 外波段焦平面阵列2组合在一起构成镜头_焦平面阵列单元，在所述的远红外波段焦平面 阵列2上连接有航空接头4，航空接头4通过线缆5连接到图像数据采样电路3。所述的近焦远红外镜头1为定焦广角镜头，Fl光圈，焦距3. 6mm，视场角范围大于 90度，锗玻璃工艺，带增透膜，带畸变校正，畸变率小于30%。景深100 500mm，采用铝质 镜筒，内壁发黑处理，发射率大于95 %。
所述的远红外波段焦平面阵列2为工作在长红外波段的非制冷型红外焦平面阵 列，分辨率在320X240以上，NETD值优于0. 2K，标称工作温度300K，工作温度范围-50 800C。所述的航空接头4周围采用硅胶封闭，硅胶深度L大于3倍开口尺寸D，可以防止 电磁泄漏。所述的连接线缆5为不少于19芯的屏蔽线，对时序等数字信号和焦平面的基准电 压和视频输出等模拟信号进行区分，分别设置二级屏蔽线。参见附图2，所述的图像数据采样电路3中的时序发生CPLD由30万门以下、宇航 级兼容型号CPLD实现；基准电压阵列由温漂不大于IOOppm/°C的电源基准芯片配合精 度的电阻产生焦平面阵列所需基准电压和差分输入AD采样所需的共模电压和基准电压， 所有基准电压经电源滤波电路形成稳定的电压基准；AD采样单元的采样分辨率选择12位 以上；AD采样单元的前端设置信号调理单元，采用固定电压偏置和固定增益，其中的电压 增益与AD采样的共模电压相等。共模电压和信号调理电路的增益按照如下规则选定使探测器有效输出信号的幅 值范围与AD采样的输入范围相匹配，以达到最佳的采样分辨率。本发明适用于常温小尺寸(不大于Im)封闭恒温环境内移动物体的探测。
权利要求
常温红外内卫星成像探测器，其特征在于包括近焦远红外镜头、远红外波段焦平面阵列和图像数据采样电路，所述的近焦远红外镜头与远红外波段焦平面阵列组合连接构成镜头 焦平面阵列单元，所述的图像数据采样电路和图像数据处理单元连接组合构成电路单元，所述的电路单元中的图像数据采样电路与镜头 焦平面阵列单元中的远红外波段焦平面阵列通过线缆连接。
2.根据权利要求1所述的常温红外内卫星成像探测器，其特征在于所述的镜头与焦 平面阵列单元安装在一个外壳中，所述的外壳除后端电缆接口外全部用内表面经过发黑处 理的铝质金属封闭。
3.根据权利要求1所述的常温红外内卫星成像探测器，其特征在于所述的远红外波 段焦平面阵列和线缆之间连接有航空接头，所述的航空接头4周围采用硅胶封闭，硅胶深 度L大于3倍开口尺寸D。
4.根据权利要求1所述的常温红外内卫星成像探测器，其特征在于所述的近焦远红 外镜头采用视场角90度以上、景深为100 500mm的定焦镜头，且与所述的远红外波段焦 平面阵列相对距离固定。
5.根据权利要求1所述的常温红外内卫星成像探测器，其特征在于所述的远红外波 段焦平面阵列为工作在远红外波段的非制冷型红外焦平面阵列。
6.根据权利要求1所述的常温红外内卫星成像探测器，其特征在于所述的图像数据 采样电路由时序发生单元、AD采样单元、基准电压阵列组成，所述的CPLD产生所述远红外 波段焦平面阵列成像和差分输入AD采样单元所需时序，所述的基准电压阵列产生所述远 红外波段焦平面阵列所需基准电压和所述差分输入AD采样单元所需的共模电压和基准电 压，所述的AD采样单元连接到所述的远红外波段焦平面阵列。
7.根据权利要求6所述的常温红外内卫星成像探测器，其特征在于所述的时序发生 单元采用30万门以下的CPLD，所述基准电压阵列由低温漂线性电源芯片连接高精度电阻 组成。
8.根据权利要求7所述的常温红外内卫星成像探测器，其特征在于所述的低温漂线 性电源芯片为温漂不大于100ppm/°C的可调电源芯片，所述的高精度电阻为精度的电 阻。
9.根据权利要求6所述的常温红外内卫星成像探测器，其特征在于在所述红外焦平 面阵列的模拟信号输出端与AD采样单元之间连接有信号调理电路，所述的信号调理电路 具有固定增益和固定电压偏置。
10.根据权利要求9所述的常温红外内卫星成像探测器，其特征在于所述共模电压和 信号调理电路的增益按照如下方法选定使所述常温红外内卫星成像探测器的有效输出信 号的幅值范围与AD采样单元的输入范围相匹配。
全文摘要
本发明公开了一种常温红外内卫星成像探测器，适用于内卫星的探测，属于航天器系统技术和测量仪器技术领域。为了实现封闭小尺寸空间内内卫星的探测，本发明提供了一种基于远红外波段的红外成像探测器系统，由短焦距镜头、非制冷型红外焦平面阵列、数据采集电路和图像数据处理单元组成。短焦镜头适合8～12um波段对100mm～500mm距离的物体成像。非制冷型红外焦平面阵列工作在远红外波段，可以感应常温下的热源。本发明可在不依赖外设光源和温度基准片的条件下，实现星载小尺寸封闭环境下的移动物体的红外成像。
文档编号G01S17/00GK101915924SQ201010146278
公开日2010年12月15日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者刘昆, 张峰, 张育林, 王兆魁, 范丽, 韩大鹏, 项军华 申请人:清华大学