一種基于非制冷型紅外探測器的溫控技術(shù)

文/王濤 曹峰 楊粵濤 鐘海林 孫沖

1 引言

圖1：非制冷型紅外探測器溫控方案框圖

紅外熱成像技術(shù)在軍事和民用方面都有著廣泛的應(yīng)用，紅外熱成像技術(shù)中所使用的核心器件紅外探測器按照制冷的方式，可以分為制冷型和非制冷型。其中，非制冷型紅外探測器能夠工作在室溫狀態(tài)，并具有穩(wěn)定性好、成本低、功耗小、體積小等優(yōu)點，且具有高靈敏度和高分辨率能力，是未來小型低成本熱像儀的主流材料。雖然非制冷型紅外探測器不需要像制冷型探測器一樣必須工作在超低溫環(huán)境下，但是工作環(huán)境溫度必須是穩(wěn)定的。如果環(huán)境溫度波動嚴重，焦平面的各個像素點將會疊加不同的時變噪聲，使紅外圖像的均勻性惡化，加大圖像非均勻性校正的難度。因此，非制冷型紅外成像系統(tǒng)一般都帶有溫度控制電路，為焦平面提供一個高穩(wěn)定度、低漂移的工作環(huán)境。本文使用TEC 進行溫度控制，但基于TEC 的溫度控制方案中TEC 的制冷（熱）功率和熱像儀散熱功率之間需要有良好地匹配關(guān)系，否則將會導致制冷不足或者導致功耗過大，從而導致溫控失效。因此，針對上述現(xiàn)象，本文通過合理設(shè)置初始焦平面溫度，實時檢測環(huán)境溫度和腔體溫度并實時調(diào)整焦平面溫度等多種手段，讓熱像儀盡快達到熱平衡狀態(tài)，讓TEC的功耗降到最低，從而最大可能的防止TEC溫控失效。

圖2：非制冷型紅外探測器溫控實現(xiàn)方法流程框圖

2 非制冷型紅外探測器溫控實現(xiàn)方法

如圖1所示，為非制冷型紅外探測器溫控方案框圖。

如圖2為非制冷型紅外探測器溫控實現(xiàn)方法的流程框圖，紅外熱像儀上電后，初始環(huán)境溫度Tsint、初始腔體溫度Tqint，初始焦溫Tjint 的值基本是一致的，F(xiàn)PGA 根據(jù)采集到的初始腔體溫度來設(shè)置初始預期焦溫，即初始設(shè)定溫度Tset，如果此時Tj 和Tset 不一致，TEC 控制電路通過調(diào)節(jié)輸出電流的大小和方向來調(diào)節(jié)Tj 的大小，直到Tj 和Tset 一致。如果Tj 和Tset 一致，則溫控模塊停止工作。當環(huán)境溫度Ts 發(fā)生b℃變化時，F(xiàn)PGA 讀取當前的環(huán)境溫度Ts 和當前的腔體溫度Tq，F(xiàn)PGA根據(jù)Ts 和Tq 重新設(shè)置預期焦溫，即設(shè)定溫度Tset，TEC 溫控電路開始工作，直至Tj 和Tset一致。同理，當腔體溫度Tq 發(fā)生a℃變化時，F(xiàn)PGA 讀取當前的環(huán)境溫度Ts 和當前的腔體溫度Tq，F(xiàn)PGA 根據(jù)Ts 和Tq 重新設(shè)置預期焦溫，即設(shè)定溫度Tset，TEC 溫控電路開始工作，直至Tj 和Tset 一致。

為了讓TEC 溫控電路工作在最佳狀態(tài)，有以下三個基本原則需要把握：

（1）非制冷型紅外探測器對溫度的高低并沒有嚴格要求，它只需要一個長期穩(wěn)定或者某段時間內(nèi)相對穩(wěn)定的溫度環(huán)境下工作。

（2）熱像儀內(nèi)部達到熱平衡后，TEC 應(yīng)停止工作或者小功率工作，否則，TEC 工作時散發(fā)的熱量極容易使探測器失去熱平衡，導致TEC 工作失效。

（3）熱像儀熱平衡點溫度的尋找極其關(guān)鍵。因為熱像儀達到熱平衡后，最終設(shè)置的焦平面溫度大于熱平衡溫度，則TEC 一直處于加熱狀態(tài)，假設(shè)最終設(shè)置的焦平面溫度小于熱平衡溫度，則TEC 一直處于制冷狀態(tài)，以上兩種狀態(tài)導致TEC 一直處于工作狀態(tài)，增加了熱像儀整機功耗和熱量，容易導致TEC 溫控失效。

在上述三個原則下，我們分析下以下兩種極端情況：

（1）TEC 至始至終完全不工作，讓熱像儀自己達到熱平衡，這種情況下TEC 功耗為0，功耗最低，但是在熱像儀上電后達到熱平衡這段時間內(nèi)，探測器所處腔體溫度和焦平面溫度是時刻變化的，熱像儀輸出畫面的非均勻性最差，直接影響熱像儀的成像質(zhì)量，如圖3（a）所示。

（2）熱像儀一上電后，TEC 直接將焦平面溫度設(shè)定為熱平衡溫度，則在熱像儀上電后到熱像儀達到熱平衡后的這段時間內(nèi)，TEC 一直處于大功率制冷或加熱狀態(tài)，此時TEC 功率最大，散發(fā)的熱量最大，如圖3（b）所示。

針對上述兩種極端情況，本文所提及的方法，應(yīng)該介于以上兩種之間的一種折中方案。將熱像儀上電后到熱像儀達到熱平衡狀態(tài)后這段溫升過程中，分成n 個焦平面溫度相對恒定的過程，當然此時的腔體溫度一定是時刻改變的。每個小段溫升中，探測器焦平面溫度保持不變，熱像儀輸出的畫面非均勻性一致，TEC功耗和散熱量相對較小，如圖3（c）所示。

通過以上分析，圖3（c）所示方案最為合理，具體實現(xiàn)步驟如下：

（1）假設(shè)環(huán)境溫度未發(fā)生改變，確定熱像儀開機后到熱平衡狀態(tài)后的焦溫的溫升。

關(guān)閉TEC 溫度控制電路使TEC 不工作，熱像儀剛上電時，探測器焦平面溫度為Tjint，熱像儀工作一段時間，直至探測器焦平面溫度穩(wěn)定后，此時熱像儀腔體內(nèi)達到熱平衡，此時探測器焦平面溫度為Tjph，Tjph-Tjint=△Tj，△Tj 即為熱像儀內(nèi)部達到熱平衡后的焦溫的溫升，則取a=[△Tj /n]（[]為取整, n 為整數(shù)）。熱像儀上電后，F(xiàn)PGA 每當檢測到腔體溫度發(fā)生a℃變化后，都需要重新設(shè)定探測器焦平面溫度為（Tjint+a）℃，當檢測到腔體溫度發(fā)生第n 個a℃變化后,熱像儀內(nèi)部接近完成熱平衡狀態(tài)，F(xiàn)PGA 重新設(shè)定探測器焦平面溫度為（Tjint+△Tj）℃，此后就不需要再設(shè)定焦平面溫度。

（2）當熱像儀在工作過程中，環(huán)境溫度發(fā)生b℃變化。

此時熱像儀內(nèi)部到達熱平衡后的焦溫溫升可近似看做為△Tj’=△Tj+b。為了簡化計算，我們假設(shè)環(huán)境溫度的變化發(fā)生在熱像儀剛上電的一瞬間，此時環(huán)境溫度發(fā)生了b℃的變化。FPGA 每當檢測到腔體溫度發(fā)生[△Tj’/n]變化后，都需要重新設(shè)定探測器焦平面溫度，當檢測到腔體溫度發(fā)生n×[△Tj’/n]后，熱像儀內(nèi)部接近完成熱平衡狀態(tài)，F(xiàn)PGA 重新設(shè)定探測器焦平面溫度為Tjint+△Tj’，此后就不需要再設(shè)定焦平面溫度。但是外界環(huán)境溫度發(fā)生改變時，并不一定都是發(fā)生在熱像儀剛上電的一瞬間發(fā)生的，可能發(fā)生在熱像儀未達到熱平衡的過程中，或者發(fā)生在達到熱平衡后，也可能在這些過程中發(fā)生多次環(huán)境溫度變化，在這些情況下，計算過程變得相當復雜，算法的復雜度也在增加，算法實現(xiàn)的難度也隨之增加，也可能導致FPGA 功耗的增加，得不償失。

（3）簡化算法，對計算方法和參數(shù)進行修正。

因此，為了簡化計算，仍然按照環(huán)境溫度未發(fā)生變化時的情況進行處理，對參數(shù)進行一定的修正。即FPGA 每當檢測到腔體溫度發(fā)生a℃或者檢測到環(huán)境溫度發(fā)生b℃變化后，都需要重新設(shè)定探測器焦平面溫度為（Tjint+a）℃或（Tjint+b）℃，當檢測到腔體溫度發(fā)生n 個a℃變化后，熱像儀內(nèi)部接近完成熱平衡狀態(tài)，F(xiàn)PGA 重新設(shè)定探測器焦平面溫度為（Tjcnt+△Tj+b）℃，此后就不需要再設(shè)定焦平面溫度。在這個過程中，若環(huán)境溫度發(fā)生b℃變化，F(xiàn)PGA 都需要重新設(shè)定探測器焦平面溫度，一般情況下，取b=[△Tj/m](m 為整數(shù))。m 和n 的取值需根據(jù)不同的熱像儀及散熱情況而確定，m 和n 的設(shè)置既不能讓△Tj/n、△Tj/m 太小，讓FPGA 頻繁設(shè)置焦平面溫度，又不能讓△Tj/n、△Tj/m 太大使得TEC 處于大功率工作狀態(tài)，應(yīng)折中選擇合適的數(shù)值。本設(shè)計中，a，b 的取值為 6℃。當然，F(xiàn)PGA 每次設(shè)置焦平面溫度時，都需要擋片進行配合給探測器提供一個均勻的參考平面進行圖像校正。此外，△Tj 受到熱像儀的散熱結(jié)構(gòu)，散熱材料，腔體空間，熱像儀整機功耗等因素的影響而不一樣。

3 結(jié)論

針對以上分析，我們可以得出，TEC 不能不工作，也不能一直處于大功率工作狀態(tài)。本文所提及的方法，TEC能夠盡可能少的工作，能夠盡可能在低功率狀態(tài)下進行工作，以減少TEC 的功耗及發(fā)熱量，從而優(yōu)化TEC 溫控效果。