高過載條件下紅外成像技術研究

黃殿升 張福欣 陳 凱 杜光偉

(中國電子科技集團公司 第27研究所，河南 鄭州 450000)

1 概述

制導炮彈是在制導技術、控制技術、微型機電技術基礎上誕生的，可以彌補普通炮彈射程近、精度低的缺陷。與導彈攻擊方式相比，制導炮彈具有攜彈量大、使用靈活、價格低廉等優點。特別在用以打擊陸上目標、提供火力支援、應付恐怖主義及非對稱威脅的情況下，對制導炮彈的軍事需求顯得更為迫切[1]。

當前圖像制導以紅外成像或電視成像方式為主要的發展方向，其被動工作、制導精度高、抗干擾能力強，具有實現“發射后不管”的能力，符合現代戰爭對武器高精度、智能化的要求。

紅外圖像制導炮彈是未來發展趨勢。為了滿足軍事應用需求以及開拓潛在的巨大市場，各工業部門已經圍繞炮彈圖像制導技術先期開展了相關論證和基礎技術研究工作，諸如大規模集成電路微封裝技術、旋轉圖像處理技術、紅外探測技術等關鍵技術的不斷進步，都為制導炮彈成像制導開展成體系的研究奠定了技術基礎。

2 關鍵技術

對于紅外圖像制導炮彈，其在制式火炮系統發射的過程中，在炮膛內火藥燃燒壓力的作用下，炮彈將產生很大的加速度，使炮彈內的各組件在發射瞬間承受最大到上萬個g左右的短時高過載，這種載荷環境給紅外成像系統的工作帶來很大的不良影響，尤其是其中的光學探測成像組件，甚至會因為結構件的破壞而不能正常工作[2]。因此紅外圖像制導炮彈中，紅外成像系統是整個指導炮彈中最為關鍵和核心的部分。

其關鍵的核心技術難點是：

(1)紅外光學組件抗過載設計;(2)探測器抗過載防護;(3)核心電子電路的抗過載設計。

抗過載技術的理論分析和實現途徑是選擇合適的減振參數、設計合理的減振系統、采取特殊的封裝與集成工藝來突破抗高過載的技術難題，使紅外圖像成像系統能滿足指導炮彈發射的實際應用環境要求。

3 系統設計

紅外成像系統由紅外光學鏡頭組件、紅外成像探測器、驅動時序及讀出電路、實時信號處理電路、視頻輸出接口等組成，如1所示。

圖1 紅外成像系統成原框圖

3.1 紅外光學鏡頭的抗過載設計

對紅外成像系統而言，光學部分是抗高過載的薄弱環節之一，必須從紅外材料的選用和結構設計上入手加以考慮[3]。

考慮到探測器靶面大小、目標的大小及視場等因素，本系統焦距f取45mm。根據紅外目標的輻射特性，探測器的靈敏度，以及彈體的結構總體要求，主鏡口徑D1取45mm。該系統設計的關鍵是如何在保證成像質量的條件下，盡量減小體積滿足系統總體結構要求。由于是要承受高過載的要求，考慮反射系統不產生色差，易于輕量化，通過使用非球面來校正像差可以使結構簡單，像質優良的特點，采用了全反射式R2C光學系統。基于幾何光學理論，該系統設計了筒長較短，軸外像差小，像面照度均勻，滿足彈載要求的適于紅外探測器的光學系統，給出了設計結果。在滿足高過載方面，采用了全金屬雙反結構，且與彈頭成統一的整體的設計措施。選擇的合金材料的形變系數與紅外玻璃形變系數接近，在他們的連接部位采用能夠吸能且形變小的特殊結構，保證他們在受到高沖擊時有一致的形變，從而達到保護紅外玻璃而且不影響成像質量的目的。

3.2 探測器抗過載設計與防護

紅外探測器是該系統的核心部件，其是否能夠通過炮彈發射瞬間的高過載是成敗的關鍵。在彈藥發射時，慣性器件要經受上萬個g的高過載環境，因此設計時需要考慮其抗高過載的能力，必須保證彈發射出后傳感器能夠可靠工作。首先要從理論上進行設計分析，找出薄弱環節并進行保護，確保探測器能夠有足夠高的抗過載能力;其次要在與印制板的連接上做到充分的減震，吸收和減弱瞬間的高過載對探測器帶來的沖擊。探測器的設計與封裝涉及到微電子技術及其他學科，是系統中最為復雜和脆弱的額環節。對紅外探測器而言，其薄弱環節是探測器的鍺窗和內部的微成像單元，在高過載情況下易損壞。由于其是真空封裝，鍺窗內外存在著一個大氣壓差，在過載情況下容易破裂，碎片從而砸壞微成像單元。在設計方面，一方面通過加厚鍺窗的厚度，同時再在鍺窗下面加上金屬骨架網，大大提高了鍺窗抗過載能力。在封裝技術上，采用對特殊元件進行定點固定的特種工藝，提高其抗沖擊的等級。結合國內微電子封裝技術優勢，對核心器件采用特殊工藝封裝，使之具備耐受高過載的能力。探測器與印制板的之間的連接，使用空心鋁加橡膠墊的組合方式，增強吸震能力。管腳與焊盤之間采用硅膠進行灌封，這些措施通過實驗證明，能有效提高探測器核心部件的整體抗過載沖擊的能力。

3.3 信號處理電路的抗過載設計與灌封

灌封材料除了要求機械強度好外，還必須對設備電性能指標影響小。通過多達幾十次實驗和幾十種材料的比較，我們選擇了硬質聚氨酯發泡劑作為灌封材料。硬質聚氨酯發泡劑為A、B雙組材料，該材料其絕緣性能優異，機械強度高，可以通過改變A、B比例而制成不同密度、硬度硬泡制品。其中最為關鍵的是配好A、B材料的比例。混合后，反應較慢，一般2～3min后開始發泡，發泡的過程中要按比例不斷添加催化劑，發泡后經熟化形成硬質聚氨酯泡沫塑料。硬質聚氨酯發泡劑發泡過程中溫度高達180℃、會產生較大的壓力，因此模具設計應該具有一定的強度，在反應熱的情況下，不會變形，不影響零件尺寸，又便于拆摸。因此進料孔和出料孔的設置和大小需合理設計，保證既能順利灌料，又可以把多余的料排出，同時使其內部的產生的壓力不至于太大，導致內部電子元器件受到變形損壞，這就要進行理論計算和實驗。試驗證明，進口孔徑為4毫米，出口為3毫米時，且在同一平面時灌封效果最好，內部灌封最為嚴實，而且表面光滑。灌封時必須遵照如下步驟進行：工裝及電路清洗→烘干→工裝涂抹凡士林→電路輸出接口保護→配膠→澆注→固化→整修→應力釋放。

4 高過載沖擊驗證試驗

4.1 試驗原理

實驗原理：采用空氣炮作為模擬過載的加載手段，將裝有光柵的測試裝置安裝在測試段(光柵作為激光多普勒干涉儀的合作目標)，在壓縮空氣的推動下使炮彈獲得一定的速度，在測試段與測試裝置發生碰撞后，使測試裝置獲得所需的加速度，同時由激光多普勒干涉儀記錄整個加速過程并將數據在邏輯分析儀上顯示。

試驗過程中，通過調節子彈與測試裝置上氈墊的厚度和氣體的壓力值可以實現對激勵加速度信號幅值與脈寬的調節，從而實現考核被測裝置抗過載沖擊性能的作用[4]。

4.2 試驗結果及分析

空氣炮在壓力值：0.31MPa;子彈氈墊：0層;被撞紅外成像系統重量：6.4kg;被撞體氈墊：2厚+3薄情況下的位移、速度和加速度信號。從上可以看出，此次的試驗得到了加速度幅值：4600g，脈寬：700μs。

實驗表明，整個紅外成像系統中，最薄弱的環節出現在紅外成像探測器件部分，其次是紅外成像系統的光學組件，最為成功的部分是核心電路的保護設計，其最終通過了上萬g的高過載沖擊實驗。

5 結束語

通過對抗過載技術在理論上進行深入分析，研究了減振新方法、新工藝，增加可行的減振措施，通過減重、高強度材料、減振墊及對電子線路器件進行整體灌封加固等措施，提高了紅外成像系統的短時抗高過載的能力。

[1]吳杰，陳繼祥，陳鄧安，王子明.艦炮制導炮彈的關鍵技術研究[J]兵工自動化，2011，(03).

[2]李世永，錢立志，王志剛.彈載偵察系統抗過載技術研究[J].彈道學報，2005，17(3)：31-35

[3]王家騏.光學儀器總體設計[M].長春：長春光學精密機械與物理研究所研究生教材，2003.

[4]徐鵬，范錦彪，祖靜.高g值沖擊下存儲測試電路模塊緩沖保護研究[J].實驗力學，2005，20(4)：610-613.