紅外焦平面探測器快速啟動影響因素分析

劉澤巍，張 鋼，趙建忠

(華北光電技術研究所，北京100015)

1 引言

紅外制導導彈具有制導精度高、抗干擾能力強、隱蔽性好、性價比高、結構緊湊、機動靈活等優點，軍事上應用廣泛。紅外探測器作為制導的核心元件，規格目前以線列和面陣型為主，其中探測器芯片由光敏芯片和讀出電路互連構成，單元器件正逐漸淡出。

低空近程紅外制導導彈系統主要用于隨行防空和陣地防空，能夠有效打擊低空、超低空來襲的目標。由于從發現來襲目標到實施打擊，導彈僅有很短的反應時間，這就要求紅外探測器具有快速啟動的能力，本文就影響紅外焦平面探測器快速啟動的因素進行初步的探討。

2 紅外焦平面探測器的啟動時間

彈用紅外焦平面探測器通常采用制冷型，由探測器芯片(含讀出電路)、杜瓦、制冷器、內置光學件(濾光片、場鏡和冷屏等)構成［1］。光敏芯片與讀出電路互連后封裝在杜瓦中，由制冷器將混成芯片冷卻到溫。內置光學件保證了光敏芯片能夠接收盡可能大的有效紅外輻射，達到最大探測率，發揮探測器的最佳性能，如圖1所示。圖2是SCD公司一款快速啟動紅外探測器產品。

圖1 紅外探測器結構示意圖

圖2 SCD公司快啟動紅外探測器

光敏芯片感應的紅外輻射需經讀出電路轉換為電信號輸出到后端處理電路。讀出電路信號傳輸通路大體可分為三個部分:像素單元、列級和輸出級。探測器接收紅外輻射產生光生電流，一定的積分時間內，該電流在像素單元內積分成電荷或電壓存儲在積分電容Cint內，然后轉移到列級，經輸出級串行輸出，圖3是像素單元采用直接注入型的讀出電路的簡單示意圖［2］。

圖3 直接注入型讀出電路基本結構

每次積分存儲的電荷Qs可以表示為:

其中，Is是積分電流;t是積分時間;Cint是積分電容值;V是積分電壓。由于積分電容要與探測器應用匹配，且像素單元內面積有限，往往電容值不能設計很大。V最大不能超過讀出電路電源，因而積分電荷存在一個最大值。把積分電容理解為一個勢阱的話，當光生電流積分的電荷超過這個最大值時，積分電容就會飽和。飽和狀態下，探測器無法探測輻射大小。

制冷型探測器常溫時相當于導體，積分電流很大，積分電容容易飽和。由常溫制冷到低溫工作條件的過程，多種輻射效應疊加。隨著降溫過程，這些輻射效應作用逐漸減弱，積分電流逐漸減小趨近探測目標產生的光電流。探測器輸出由飽和向正常工作狀態轉變，達到可探測條件需要一定時間，這個時間即探測器的啟動時間。啟動時間是考核應用于近程導彈探測器的一項重要指標，它基本決定了近程導彈的反應時間。

3 影響紅外焦平面探測器快速啟動的關鍵因素

光伏探測器光敏元接收輻射后產生電流，該電流可以表示為:

其中，η為光電流轉換效率;s為輻射強度;q為電子電荷數;A為光敏面面積。

探測器除了接收來自探測目標的輻射之外，同時也接收背景輻射，這些輻射也對光生電流有貢獻。根據系統探測對視場的要求，在探測器內部通常設置有光闌，用于限制雜散光的干擾和降低背景噪聲。冷屏通常與光闌一體，能夠將環境溫度的背景輻射降低到冷屏溫度的背景輻射，降低探測器噪聲，提高探測率，如圖4所示。

圖4 光闌和冷屏示意圖

設置光闌后，探測器啟動過程中“看到”的是場景輻射、一部分外殼對內部輻射、冷屏的輻射和經冷屏的反射，如圖5 所示［3］。

圖5 輻射示意圖

所以啟動時積分電流也可表示為各部分輻射之和:

其中，scene為場景輻射;internal為冷屏未阻擋的內部輻射;cs為冷屏輻射;re為冷屏反射。場景輻射scene相對固定，外殼內部輻射、冷屏輻射和反射與制冷溫度和視場角有關。在探測器啟動的過程中，芯片最接近冷源，降溫最快。外殼和冷屏溫度隨著探測器制冷溫度降低，但溫度較芯片依然很高。此時背景輻射、內部輻射和冷屏輻射和反射的共同作用，積分電流很大，探測器輸出依然飽和。當外殼和冷屏制冷到溫后，探測器輸出才能滿足探測要求，即為啟動。對于應用環境極為惡劣的熱帶地區溫度達到49℃，加上太陽輻射，周圍溫度將超過60℃，internal，cs和re的輻射能量在啟動過程中的影響增加，啟動時間也將延長。

因此，探測器啟動快慢與冷屏設計和降溫速度關系密切，而降溫速度與制冷有關。

3．1 冷屏設計

為了降低internal，cs和re對信號的影響，需要針對各項作用采取優化設計。首先，光闌孔尺寸決定了視場角的大小，也就決定了有多少internal和re被探測器接收到。因此在設計時，應保證光學鏡頭視場角Ωopt大于或等于冷屏視場角ΩCSh，這樣internal就無法輻射到芯片，re也會相應減小，積分電流為:

其中，'re＜re。試驗發現，以理論計算得到的光闌孔尺寸為依據，分別設計尺寸大于理論值、等于理論值和小于理論值的冷屏，裝配到同一探測器對比啟動時間。裝配大于理論值的冷屏后探測器啟動時間明顯長于另外兩個，相差約2～3 s。雖然更小的光闌孔尺寸可以縮短啟動時間，但也要考慮目標信號的接收。

其次，冷屏的材料應選取低吸收和高反射率的銅、鎳鈷合金、金等材料，制作輕薄，熱傳導快，降低冷屏自身吸收和輻射能量，這樣設計后re減小為're，積分電流為:

其中，'cs＜cs。

再者，外殼內部輻射通過光闌孔經冷屏內壁反射可通過發黑處理，提高表面粗糙度，增加內壁反射角，進一步降低're的影響至″re，這樣設計后積分電流為:

其中，″re＜'re。試驗發現，與沒有發黑處理的冷屏對比，發黑之后啟動時間縮短1～2 s。

以上優化可設計出類似圖6所示的冷屏結構，使得背景輻射在較短時間內降低到相比目標輻射遠小得多的量級，達到縮短啟動時間的目的。對于應用環境溫度較高的情況下，啟動時間改善尤為明顯，整體可縮短5 s左右。

3．2 制冷設計

彈用制冷器需要適應彈體設計和應用條件，而制冷方式、制冷氣體和氣源壓力是制冷器設計的三個基本要素，因而需要根據對目標快速響應的要求確定三個要素的選擇。

圖6 冷屏結構體

3．2．1 制冷方式的選擇

紅外探測器制冷方式主要有三種方式，斯特林制冷、熱電半導體制冷和J－T節流制冷。對于快速制冷的要求，斯特林制冷和熱電半導體制冷都不適用。它們雖然能提供穩定的制冷輸出，但啟動時間長，且產生大量熱，很難在導引頭中消散。彈用紅外探測器組件多采用J－T節流制冷器，根據啟動時間可分為兩類:一類是采用自調方式，啟動時間相對較長，應用于空空導彈上，如空空導彈的典型代表美國AIM－9系列啟動時間在60 s左右;另一類要求發現目標后快速響應，啟動時間在3 s左右，稱之為快速啟動制冷器，目前快速制冷器有噴射式和平板式兩種。

噴射式和平板式快速啟動制冷器都是帶有預冷級的節流制冷器。主要特點［4］:(1)易于實現探測器組件結構微型化及低熱質設計，適用于動力陀螺位標器;(2)可提供較快的制冷速度;(3)無機械振動、無電磁干擾、可靠性高。區別在于噴射式較平板式啟動時間更短，制冷后氣體滯留對位標器溫沖較大，耗氣量大，蓄冷時間短。

3．2．2 制冷氣體

J－T節流制冷器是利用氣體等焓節流產生溫度變化，不同的氣體降溫速度和終點溫度有所差異，需要折中選擇。圖7對比了氬氣、四氟化碳、氪氣和甲烷4種氣體在同一容積的氣瓶內由室溫降至沸點的降溫過程［5］。由圖中可以看出，甲烷的降溫速度最快，其次是四氟化碳和氪氣，但這三種氣體的最低溫度不低于120 K，無法滿足一般制冷型探測器要求的90～100 K的溫度要求。而氬氣雖然起始降溫速度慢，但溫度能夠達到100 K以下，可以滿足單氣路探測器要求，因而快速啟動制冷器多用氬氣作為制冷介質。

圖7 不同制冷氣體降溫比較

為了提高啟動速度，受圖7啟發，一種兩級雙工質J－T制冷器設計被提了出來［5］。制冷器第一級采用沸點較高但降溫較快的氣體，如甲烷或四氟化碳，降溫至120 K或160 K，第二級采用沸點較低的氬氣或者氮氣，進一步降溫至所需的90 K或77 K。

3．2．3 氣源壓力

彈用制冷器由彈上氣瓶提供氣源，氣瓶的初始壓力通常較大，以保證制冷器快速啟動需求。實驗表明，當制冷器設計和制作工藝固定后，氣源壓力存在一個最佳值［6］。壓力低于最佳壓力時，提高供氣壓力可以縮短啟動時間，供氣壓力高于最佳壓力時，不但對啟動時間沒有貢獻，制冷效率反而降低。通常應用條件下氬氣壓力不高于44 MPa，氮氣不高于35 MPa，但制冷器的最佳使用壓力與設計有關。法國SOFRADIR公司制造的AQUILA 384×288中波紅外探測器組件采用50 MPa氬氣，常溫啟動時間小于7s。

4 結論

通過上述分析，在紅外焦平面探測器快速啟動設計時可考慮以下幾點:

(1)合理設計冷屏形狀、光闌孔尺寸，優化視場角，減少背景輻射;

(2)合理選擇冷屏材料，降低自身輻射，加快熱傳導;

(3)選用J－T制冷方式，采用降溫速度快的單工質或雙工質制冷;

(4)選取合適的啟動壓力，提高制冷量。

本文僅對影響紅外焦平面探測器快速啟動的冷屏設計和制冷進行了簡單分析，與探測器研制相關的環境適應性、可靠性等未深入展開。彈用快速啟動紅外探測器性能要求高，需求量較大，研制目標就是在體積緊湊、小質量、低功耗等要求之間尋求最大可能的折中平衡，實現具有足夠制冷量、低維護要求、長壽命、低成本以及抗電磁輻射等武器系統目標。經過多年的技術積累和攻關，多款紅外探測器常溫啟動時間達到3 s，高溫條件下，啟動時間小于5 s。隨著導彈智能化，紅外探測器將采用功能更為復雜的面陣形式，以提高分辨率和增強功能，結構復雜化、熱負載的增加、制冷需求的提高，使得快速啟動設計的難度也將進一步提高。

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