基于MOS電阻陣列的紅外成像目標模擬器系統(tǒng)冷反分析和解決方法

趙松慶，郝燕云，吳根水,2，李 睿，陳海燕，張 帆

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009；2.航空制導(dǎo)武器航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471009)

0 引 言

基于MOS電阻陣列的紅外成像目標模擬器是紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭性能測試、控制系統(tǒng)動、靜態(tài)測試、制導(dǎo)系統(tǒng)半實物仿真和全彈性能測試系統(tǒng)的重要組成部分[1]，因電阻陣列產(chǎn)生的熱圖像幀頻高、動態(tài)范圍大、體積重量小、抗振抗沖擊能力強、應(yīng)用前景廣泛[2]。在工程應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在冷反現(xiàn)象，即接收系統(tǒng)視場中呈現(xiàn)黑斑圖像，見圖1。測試發(fā)現(xiàn)目標熱圖像落在黑斑中時，等效溫度比落在其他區(qū)域等效黑體溫度低10 ℃左右，圖像呈現(xiàn)非均勻性。

熱成像系統(tǒng)產(chǎn)生冷反現(xiàn)象的原因有兩方面，一是光學(xué)準直系統(tǒng)產(chǎn)生的冷反射，即光學(xué)系統(tǒng)中某個鏡片反射接收系統(tǒng)探測器前冷光闌發(fā)出的光線，被這個鏡片與接收系統(tǒng)探測器之間的光學(xué)系統(tǒng)成像在探測器附近，在探測器上成一個模糊的黑斑圖像；二是目標模擬器成像器件表面反光，反射接收系統(tǒng)探測器前冷光闌發(fā)出的光線，被模擬器光學(xué)準直系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)成像在探測器附近，在探測器上成一個模糊的黑斑圖像。針對原因一，因透鏡表面反射率小于2%，產(chǎn)生的冷反現(xiàn)象不是太嚴重，對于要求不高的系統(tǒng)，可以接受；對于要求較高的系統(tǒng)，通常采用修改反射面曲率半徑和位置，讓冷反像遠離探測器，減弱冷反像在探測器表面聚焦程度，降低冷反射影響[3]。針對原因二，因成像器件表面反射率較高，產(chǎn)生的冷反現(xiàn)象較為嚴重，文獻[4]提出了采用非均勻性修正的方法，給黑斑內(nèi)的像素加熱升溫，降低冷反射影響，這種方法依賴測試儀器的非均勻性、像素對準偏差造成的非均勻性，要進行精確測試難度較大，還需要開展相關(guān)技術(shù)研究。

圖1 基于MOS電阻陣列的紅外目標模擬器生成的具有冷反現(xiàn)象的熱圖

Fig.1 Thermal image of cold reflection phenomena generated by IR imaging target simulator based on MOS resistor array received

基于此，本文對基于MOS電阻陣列紅外成像目標模擬器系統(tǒng)冷反產(chǎn)生的原因進行了分析，提出了解決系統(tǒng)冷反現(xiàn)象新策略和模擬器光學(xué)結(jié)構(gòu)集成的調(diào)試方法，并介紹了一套紅外成像目標模擬器具體工程應(yīng)用的實例效果。

1 基于MOS電阻陣列紅外成像目標模擬器系統(tǒng)冷反產(chǎn)生的原因

MOS電阻陣列是依靠MEMS工藝制成的微機電芯片[5]，如圖2所示，由于工藝的特殊性，除橋體表面外，其他部分表面覆蓋了一層導(dǎo)電鋁膜[6]，這層鋁膜占空比約78%，反射率高達95%，就像一面反射率74%的反光鏡豎直處于成像光路中。

圖2 MOS電阻陣列芯片結(jié)構(gòu)實物圖片

Fig.2 Structure pictures of the MOS resistor array chip

紅外接收系統(tǒng)探測器杜瓦中，為遮擋探測器周圍環(huán)境產(chǎn)生的熱噪聲，在探測面前約15～20 mm處設(shè)置有冷光闌，這也是接收系統(tǒng)的出瞳。冷光闌經(jīng)紅外接收系統(tǒng)向物方成的像，就是接收系統(tǒng)的入瞳。對于探測面放置在光學(xué)系統(tǒng)焦平面上的接收系統(tǒng)而言，由于冷光闌成像物距小于焦距，所成像處于和探測器同側(cè)的后方，因此接收系統(tǒng)的入瞳是個放大的虛像[7]，如圖3所示。

圖3 紅外接收系統(tǒng)冷光闌成像光路簡圖

Fig.3 Light path diagram of cold light column imaging in infrared receiving system

接收系統(tǒng)的入瞳經(jīng)目標模擬器光學(xué)系統(tǒng)再成像，并被電阻陣列表面反射，再依次經(jīng)過模擬器光學(xué)系統(tǒng)和接收系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)成像，最后在被接收系統(tǒng)探測面附近聚焦成像，這就是紅外系統(tǒng)的冷反現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 紅外目標模擬與接收復(fù)合系統(tǒng)光路簡圖

Fig.4 Light path diagram of infrared target simulating and receiving combined system

對于發(fā)射和接收復(fù)合系統(tǒng)來說，電阻陣列表面和探測器陣列表面呈物象共軛關(guān)系，紅外接收系統(tǒng)的入瞳面與目標模擬器光學(xué)系統(tǒng)的出瞳面重合，由于冷光闌與探測器陣面不重合，在探測器陣面上電阻陣列產(chǎn)生圖像清晰時，冷反像是模糊的[8-9]。反之，冷反像清晰時，電阻陣列產(chǎn)生的圖像就是模糊的，如圖5所示。

圖5 未做冷反設(shè)計時紅外接收系統(tǒng)接收到模擬器生成的熱圖

Fig.5 Infrared receiving system receiving thermal images generated by infrared target simulator when it is not designed for cold reflection

MOS電阻陣列表面的鏡面特性使得基于MOS電阻陣列的紅外成像目標模擬器產(chǎn)生的目標/環(huán)境熱圖像被紅外接收系統(tǒng)接收時，總有冷反圖像存在，冷反圖像居中時，圖像存在非均勻性[10-11]；冷反圖像不居中時，背景圖像中波等效黑體溫度高于20 ℃，長波等效黑體溫度高于12 ℃，見圖6，無法模擬天空云霧背景和復(fù)雜的地物背景。本文提出了一種能較好解決電阻陣列表面反射造成負面影響的方法。

圖6 256×256元MOS電阻陣列制冷后的長波熱圖像(冷反在芯片之外右下方)

Fig.6 Long wave thermal images after cooling of 256×256 MOS resistor array(at lower left of the chip)

2 解決系統(tǒng)冷反現(xiàn)象的設(shè)計策略

紅外成像目標模擬器光學(xué)系統(tǒng)起著圖像耦合的作用，即將MOS電阻陣列產(chǎn)生的紅外熱圖像準直成平行光束，被接收系統(tǒng)接收，最終成像在接收系統(tǒng)探測器陣列表面。各項技術(shù)指標的確定都要考慮紅外接收系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)[12]，要實現(xiàn)波段對應(yīng)，視場覆蓋、瞳孔銜接，模擬器分辨角等于接收系統(tǒng)分辨角的1/n。本文設(shè)計的策略就是采用光學(xué)成像，讓冷反像與冷光闌重合，位置重合，尺寸大于等于冷光闌，見圖7，利用冷光闌遮擋冷反像中的溫度較高的環(huán)境成像光束。系統(tǒng)冷反現(xiàn)象是紅外目標模擬器固有的屬性，無法消除，也不能有意傾斜放置，讓其反射出視場之外，原因之一，此時不僅是電阻陣列表面與光軸存在夾角，除軸上點成像清晰外，軸外點存在離焦彌散，越靠近視場邊緣成像越模糊；原因之二，是將原屬于視場之外的環(huán)境反射到探測器陣面，使電阻陣列圖像表面等效黑體溫度升高，降低了圖像對比度。

圖7 目標模擬器光學(xué)準直系統(tǒng)設(shè)計中冷反像的位置

Fig.7 Location of cold reflection images in optical collimating system design of infrared target simulator

3 目標模擬系統(tǒng)集成光機調(diào)試方法

目標模擬系統(tǒng)集成指的是將研制的電阻陣列、光學(xué)準直系統(tǒng)以及紅外接收系統(tǒng)進行光學(xué)和結(jié)構(gòu)連接[13]，實現(xiàn)以下幾個功能：

(1)電阻陣列芯片表面與光學(xué)系統(tǒng)的光軸垂直，消除芯片表面輻射單元陣列局部離焦的現(xiàn)象；

(2)將電阻陣列表面調(diào)試到光學(xué)準直系統(tǒng)最佳像面位置；

(3)將電阻陣列表面中心調(diào)試到光學(xué)準直系統(tǒng)的光軸上，經(jīng)接收儀器的光學(xué)系統(tǒng)成像在探測器陣列中心；

(4)讓模擬器的出瞳與接收儀器的入瞳面重合，且大于入瞳，保證系統(tǒng)無漸暈；

(5)在半實物仿真過程中無相對旋轉(zhuǎn)運動的條件下，通過調(diào)試實現(xiàn)諸像元素對準，消除像元素沒對準產(chǎn)生的非均勻性；

(6)打銷釘定位，并加固連接，確保模擬器與接收儀器之間的相對位置。

電阻陣列芯片是被封裝在真空環(huán)境箱內(nèi)的，靠金屬焊料燒結(jié)在熱沉板上，發(fā)光面無法保證與熱沉面平行；在真空環(huán)境箱內(nèi)部，制冷半導(dǎo)體片的熱端靠金屬焊料燒接在環(huán)境箱底部，熱端靠導(dǎo)熱硅膠與熱沉板相連，熱沉板通過絕熱材料與環(huán)境箱底部連接，環(huán)境箱蓋板靠橡膠圈密封，也是與光學(xué)系統(tǒng)連接的結(jié)構(gòu)件。

由于環(huán)境箱結(jié)構(gòu)的特殊性，無法保證電阻陣列發(fā)光面與環(huán)境箱蓋板外表面平行度，也無法測出兩者之間的精確距離。紅外成像目標模擬器系統(tǒng)集成時，不僅要進行調(diào)焦，保證電阻陣列所產(chǎn)生熱圖像在接收系統(tǒng)探測器陣面上成像清晰，還要調(diào)整電阻陣列環(huán)境箱，保證電阻陣列芯片表面與光學(xué)準直系統(tǒng)光軸垂直。為了實現(xiàn)既能調(diào)焦，還能調(diào)芯片與光軸垂直，電阻陣列環(huán)境箱與光學(xué)準直系統(tǒng)之間要有一個過渡結(jié)構(gòu)，一端連接光學(xué)準直系統(tǒng)，另一端連接電阻陣列。

電阻陣列芯片與光學(xué)準直系統(tǒng)光軸垂直度測試是系統(tǒng)集成的關(guān)鍵。首先，調(diào)試熱像儀光軸與模擬器光學(xué)準直系統(tǒng)光軸平行，借助于熱像儀和平面反光鏡，將熱像儀和模擬器光學(xué)系統(tǒng)出口相對放置，將平面反光鏡緊貼光學(xué)準直系統(tǒng)前端，轉(zhuǎn)動熱像儀鏡頭調(diào)焦環(huán)，讓冷反像成像清晰，通過冷反像偏離熱像儀中心的位置，測出模擬器光學(xué)準直系統(tǒng)光軸與熱像儀光軸之間夾角。調(diào)整熱像儀的姿態(tài)，使冷反像處于熱像儀中心，此時，模擬器光學(xué)準直系統(tǒng)光軸與熱像儀光軸處于平行狀態(tài)，見圖8。

圖8 冷反像處于熱像儀視場中心位置熱圖

Fig.8 Thermal when cold reflection image is in the center of the field of the thermal imager

其次，調(diào)試熱像儀光軸與模擬器光學(xué)準直系統(tǒng)光軸重合。去掉平面反光鏡，將模擬器光學(xué)準直系統(tǒng)蓋上鏡頭蓋，轉(zhuǎn)動熱像儀調(diào)焦環(huán)，將鏡頭蓋中心小孔成像清晰，水平高低平移熱像儀，讓小孔的像處于熱像儀視場中心。此時熱像儀與模擬器光學(xué)準直系統(tǒng)光軸處于重合狀態(tài)，見圖9。

圖9 鏡頭蓋中心孔成像情況熱圖

Fig.9 Center hole of lens cap imaging thermal image

再次，測試電阻陣列芯片與光學(xué)準直系統(tǒng)光軸垂直度。去掉鏡頭蓋，轉(zhuǎn)動熱像儀調(diào)焦環(huán)，讓電阻陣列芯片反射的冷反像成像清晰，測出冷反像偏離熱像儀中心位置，可以折算出電阻陣列芯片與模擬器光學(xué)系統(tǒng)光軸之間的垂直度。

最后，調(diào)整電阻陣列環(huán)境箱，使得電阻陣列芯片與熱像儀光軸垂直，且使電阻陣列芯片中心與熱像儀視場中心重合。

4 試驗驗證

圖10為某半實物仿真系統(tǒng)紅外成像目標模擬器實物，圖11為采用本文所述的冷反解決策略后實現(xiàn)的效果。圖中的非均勻性包括熱像儀本身的非均勻性和電阻陣列表面輻射體本身與周圍印刷電路因材料不同所產(chǎn)生的輻射非均勻性，最大值與最小值之差小于1.2 ℃，標準差僅有0.3，實際效果優(yōu)于測試結(jié)果。

圖10 半實物仿真系統(tǒng)紅外成像目標模擬器實物圖

Fig.10 Physical picture of infrared imaging target simulator in hardware-in-the-loop simulation system

圖11 熱像儀采集的紅外成像目標模擬器成像效果圖

Fig.11 Imaging effect diagram of infrared imaging target simulator collected by thermal imager

5 結(jié) 論

本文描述了紅外成像目標模擬器與紅外接收儀器組成的紅外輻射接收復(fù)合系統(tǒng)產(chǎn)生冷反的原因和解決方法，分析了國產(chǎn)MOS電阻陣列結(jié)構(gòu)特點，和國內(nèi)基于MOS電阻陣列的紅外成像目標模擬器存在的問題，針對MOS電阻陣列表面的鏡面特性，基于MOS電阻陣列的紅外成像目標模擬器產(chǎn)生的目標/環(huán)境熱圖像被紅外接收儀器接收時，總有冷反圖像存在，提出了一解決基于MOS電阻陣列紅外成像目標模擬器冷反現(xiàn)象的設(shè)計策略和成像目標模擬器光機集成調(diào)試方法，并舉例說明了采用該設(shè)計策略所取得的效果。本文的創(chuàng)新點在于解決冷反現(xiàn)象所采取的新設(shè)計策略，即讓經(jīng)過成像目標模擬器反射回來的系統(tǒng)冷反像位于接收儀器探測器冷光闌面上，依靠冷光闌遮擋冷反像的非均勻性高溫部分，最終達到紅外圖像較高的均勻性和系統(tǒng)集成調(diào)試方法的有效性。