劉澤巍，張 鋼，趙建忠

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈具有制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好、性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，軍事上應(yīng)用廣泛。紅外探測(cè)器作為制導(dǎo)的核心元件，規(guī)格目前以線列和面陣型為主，其中探測(cè)器芯片由光敏芯片和讀出電路互連構(gòu)成，單元器件正逐漸淡出。

低空近程紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈系統(tǒng)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(biāo)。由于從發(fā)現(xiàn)來襲目標(biāo)到實(shí)施打擊，導(dǎo)彈僅有很短的反應(yīng)時(shí)間，這就要求紅外探測(cè)器具有快速啟動(dòng)的能力，本文就影響紅外焦平面探測(cè)器快速啟動(dòng)的因素進(jìn)行初步的探討。

2 紅外焦平面探測(cè)器的啟動(dòng)時(shí)間

彈用紅外焦平面探測(cè)器通常采用制冷型，由探測(cè)器芯片(含讀出電路)、杜瓦、制冷器、內(nèi)置光學(xué)件(濾光片、場(chǎng)鏡和冷屏等)構(gòu)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(nèi)置光學(xué)件保證了光敏芯片能夠接收盡可能大的有效紅外輻射，達(dá)到最大探測(cè)率，發(fā)揮探測(cè)器的最佳性能，如圖1所示。圖2是SCD公司一款快速啟動(dòng)紅外探測(cè)器產(chǎn)品。

圖1 紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 SCD公司快啟動(dòng)紅外探測(cè)器

光敏芯片感應(yīng)的紅外輻射需經(jīng)讀出電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出到后端處理電路。讀出電路信號(hào)傳輸通路大體可分為三個(gè)部分:像素單元、列級(jí)和輸出級(jí)。探測(cè)器接收紅外輻射產(chǎn)生光生電流，一定的積分時(shí)間內(nèi)，該電流在像素單元內(nèi)積分成電荷或電壓存儲(chǔ)在積分電容Cint內(nèi)，然后轉(zhuǎn)移到列級(jí)，經(jīng)輸出級(jí)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(jiǎn)單示意圖［2］。

圖3 直接注入型讀出電路基本結(jié)構(gòu)

每次積分存儲(chǔ)的電荷Qs可以表示為:

其中，Is是積分電流;t是積分時(shí)間;Cint是積分電容值;V是積分電壓。由于積分電容要與探測(cè)器應(yīng)用匹配，且像素單元內(nèi)面積有限，往往電容值不能設(shè)計(jì)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(gè)最大值。把積分電容理解為一個(gè)勢(shì)阱的話，當(dāng)光生電流積分的電荷超過這個(gè)最大值時(shí)，積分電容就會(huì)飽和。飽和狀態(tài)下，探測(cè)器無法探測(cè)輻射大小。

制冷型探測(cè)器常溫時(shí)相當(dāng)于導(dǎo)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(yīng)疊加。隨著降溫過程，這些輻射效應(yīng)作用逐漸減弱，積分電流逐漸減小趨近探測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生的光電流。探測(cè)器輸出由飽和向正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變，達(dá)到可探測(cè)條件需要一定時(shí)間，這個(gè)時(shí)間即探測(cè)器的啟動(dòng)時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)間是考核應(yīng)用于近程導(dǎo)彈探測(cè)器的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它基本決定了近程導(dǎo)彈的反應(yīng)時(shí)間。

3 影響紅外焦平面探測(cè)器快速啟動(dòng)的關(guān)鍵因素

光伏探測(cè)器光敏元接收輻射后產(chǎn)生電流，該電流可以表示為:

其中，η為光電流轉(zhuǎn)換效率;s為輻射強(qiáng)度;q為電子電荷數(shù);A為光敏面面積。

探測(cè)器除了接收來自探測(cè)目標(biāo)的輻射之外，同時(shí)也接收背景輻射，這些輻射也對(duì)光生電流有貢獻(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)探測(cè)對(duì)視場(chǎng)的要求，在探測(cè)器內(nèi)部通常設(shè)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?qū)h(huán)境溫度的背景輻射降低到冷屏溫度的背景輻射，降低探測(cè)器噪聲，提高探測(cè)率，如圖4所示。

圖4 光闌和冷屏示意圖

設(shè)置光闌后，探測(cè)器啟動(dòng)過程中“看到”的是場(chǎng)景輻射、一部分外殼對(duì)內(nèi)部輻射、冷屏的輻射和經(jīng)冷屏的反射，如圖5 所示［3］。

圖5 輻射示意圖

所以啟動(dòng)時(shí)積分電流也可表示為各部分輻射之和:

其中，scene為場(chǎng)景輻射;internal為冷屏未阻擋的內(nèi)部輻射;cs為冷屏輻射;re為冷屏反射。場(chǎng)景輻射scene相對(duì)固定，外殼內(nèi)部輻射、冷屏輻射和反射與制冷溫度和視場(chǎng)角有關(guān)。在探測(cè)器啟動(dòng)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(cè)器制冷溫度降低，但溫度較芯片依然很高。此時(shí)背景輻射、內(nèi)部輻射和冷屏輻射和反射的共同作用，積分電流很大，探測(cè)器輸出依然飽和。當(dāng)外殼和冷屏制冷到溫后，探測(cè)器輸出才能滿足探測(cè)要求，即為啟動(dòng)。對(duì)于應(yīng)用環(huán)境極為惡劣的熱帶地區(qū)溫度達(dá)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(dòng)過程中的影響增加，啟動(dòng)時(shí)間也將延長(zhǎng)。

因此，探測(cè)器啟動(dòng)快慢與冷屏設(shè)計(jì)和降溫速度關(guān)系密切，而降溫速度與制冷有關(guān)。

3．1 冷屏設(shè)計(jì)

為了降低internal，cs和re對(duì)信號(hào)的影響，需要針對(duì)各項(xiàng)作用采取優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，光闌孔尺寸決定了視場(chǎng)角的大小，也就決定了有多少internal和re被探測(cè)器接收到。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證光學(xué)鏡頭視場(chǎng)角Ωopt大于或等于冷屏視場(chǎng)角ΩCSh，這樣internal就無法輻射到芯片，re也會(huì)相應(yīng)減小，積分電流為:

其中，'re＜re。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以理論計(jì)算得到的光闌孔尺寸為依據(jù)，分別設(shè)計(jì)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(cè)器對(duì)比啟動(dòng)時(shí)間。裝配大于理論值的冷屏后探測(cè)器啟動(dòng)時(shí)間明顯長(zhǎng)于另外兩個(gè)，相差約2～3 s。雖然更小的光闌孔尺寸可以縮短啟動(dòng)時(shí)間，但也要考慮目標(biāo)信號(hào)的接收。

其次，冷屏的材料應(yīng)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(dǎo)快，降低冷屏自身吸收和輻射能量，這樣設(shè)計(jì)后re減小為're，積分電流為:

其中，'cs＜cs。

再者，外殼內(nèi)部輻射通過光闌孔經(jīng)冷屏內(nèi)壁反射可通過發(fā)黑處理，提高表面粗糙度，增加內(nèi)壁反射角，進(jìn)一步降低're的影響至″re，這樣設(shè)計(jì)后積分電流為:

其中，″re＜'re。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與沒有發(fā)黑處理的冷屏對(duì)比，發(fā)黑之后啟動(dòng)時(shí)間縮短1～2 s。

以上優(yōu)化可設(shè)計(jì)出類似圖6所示的冷屏結(jié)構(gòu)，使得背景輻射在較短時(shí)間內(nèi)降低到相比目標(biāo)輻射遠(yuǎn)小得多的量級(jí)，達(dá)到縮短啟動(dòng)時(shí)間的目的。對(duì)于應(yīng)用環(huán)境溫度較高的情況下，啟動(dòng)時(shí)間改善尤為明顯，整體可縮短5 s左右。

3．2 制冷設(shè)計(jì)

彈用制冷器需要適應(yīng)彈體設(shè)計(jì)和應(yīng)用條件，而制冷方式、制冷氣體和氣源壓力是制冷器設(shè)計(jì)的三個(gè)基本要素，因而需要根據(jù)對(duì)目標(biāo)快速響應(yīng)的要求確定三個(gè)要素的選擇。

圖6 冷屏結(jié)構(gòu)體

3．2．1 制冷方式的選擇

紅外探測(cè)器制冷方式主要有三種方式，斯特林制冷、熱電半導(dǎo)體制冷和J－T節(jié)流制冷。對(duì)于快速制冷的要求，斯特林制冷和熱電半導(dǎo)體制冷都不適用。它們雖然能提供穩(wěn)定的制冷輸出，但啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，且產(chǎn)生大量熱，很難在導(dǎo)引頭中消散。彈用紅外探測(cè)器組件多采用J－T節(jié)流制冷器，根據(jù)啟動(dòng)時(shí)間可分為兩類:一類是采用自調(diào)方式，啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，應(yīng)用于空空導(dǎo)彈上，如空空導(dǎo)彈的典型代表美國(guó)AIM－9系列啟動(dòng)時(shí)間在60 s左右;另一類要求發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后快速響應(yīng)，啟動(dòng)時(shí)間在3 s左右，稱之為快速啟動(dòng)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(dòng)制冷器都是帶有預(yù)冷級(jí)的節(jié)流制冷器。主要特點(diǎn)［4］:(1)易于實(shí)現(xiàn)探測(cè)器組件結(jié)構(gòu)微型化及低熱質(zhì)設(shè)計(jì)，適用于動(dòng)力陀螺位標(biāo)器;(2)可提供較快的制冷速度;(3)無機(jī)械振動(dòng)、無電磁干擾、可靠性高。區(qū)別在于噴射式較平板式啟動(dòng)時(shí)間更短，制冷后氣體滯留對(duì)位標(biāo)器溫沖較大，耗氣量大，蓄冷時(shí)間短。

3．2．2 制冷氣體

J－T節(jié)流制冷器是利用氣體等焓節(jié)流產(chǎn)生溫度變化，不同的氣體降溫速度和終點(diǎn)溫度有所差異，需要折中選擇。圖7對(duì)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?jī)?nèi)由室溫降至沸點(diǎn)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(cè)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(dá)到100 K以下，可以滿足單氣路探測(cè)器要求，因而快速啟動(dòng)制冷器多用氬氣作為制冷介質(zhì)。

圖7 不同制冷氣體降溫比較

為了提高啟動(dòng)速度，受圖7啟發(fā)，一種兩級(jí)雙工質(zhì)J－T制冷器設(shè)計(jì)被提了出來［5］。制冷器第一級(jí)采用沸點(diǎn)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(jí)采用沸點(diǎn)較低的氬氣或者氮?dú)?，進(jìn)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?jí)毫νǔ］^大，以保證制冷器快速啟動(dòng)需求。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)制冷器設(shè)計(jì)和制作工藝固定后，氣源壓力存在一個(gè)最佳值［6］。壓力低于最佳壓力時(shí)，提高供氣壓力可以縮短啟動(dòng)時(shí)間，供氣壓力高于最佳壓力時(shí)，不但對(duì)啟動(dòng)時(shí)間沒有貢獻(xiàn)，制冷效率反而降低。通常應(yīng)用條件下氬氣壓力不高于44 MPa，氮?dú)獠桓哂?5 MPa，但制冷器的最佳使用壓力與設(shè)計(jì)有關(guān)。法國(guó)SOFRADIR公司制造的AQUILA 384×288中波紅外探測(cè)器組件采用50 MPa氬氣，常溫啟動(dòng)時(shí)間小于7s。

4 結(jié)論

通過上述分析，在紅外焦平面探測(cè)器快速啟動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)可考慮以下幾點(diǎn):

(1)合理設(shè)計(jì)冷屏形狀、光闌孔尺寸，優(yōu)化視場(chǎng)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(dǎo);

(3)選用J－T制冷方式，采用降溫速度快的單工質(zhì)或雙工質(zhì)制冷;

(4)選取合適的啟動(dòng)壓力，提高制冷量。

本文僅對(duì)影響紅外焦平面探測(cè)器快速啟動(dòng)的冷屏設(shè)計(jì)和制冷進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，與探測(cè)器研制相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等未深入展開。彈用快速啟動(dòng)紅外探測(cè)器性能要求高，需求量較大，研制目標(biāo)就是在體積緊湊、小質(zhì)量、低功耗等要求之間尋求最大可能的折中平衡，實(shí)現(xiàn)具有足夠制冷量、低維護(hù)要求、長(zhǎng)壽命、低成本以及抗電磁輻射等武器系統(tǒng)目標(biāo)。經(jīng)過多年的技術(shù)積累和攻關(guān)，多款紅外探測(cè)器常溫啟動(dòng)時(shí)間達(dá)到3 s，高溫條件下，啟動(dòng)時(shí)間小于5 s。隨著導(dǎo)彈智能化，紅外探測(cè)器將采用功能更為復(fù)雜的面陣形式，以提高分辨率和增強(qiáng)功能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、熱負(fù)載的增加、制冷需求的提高，使得快速啟動(dòng)設(shè)計(jì)的難度也將進(jìn)一步提高。

［1］ SUNWeiguo，HUANG Yongan，et al．Air to air missiles photodetector design［M］．Beijing:National Defense Industry Press，2006．(in Chinese)孫維國(guó)，黃永安，等．空空導(dǎo)彈光電探測(cè)器設(shè)計(jì)［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006．

［2］ Lester J．Kozlowski，Walter F．Kosonocky．Handbook of optics［M］．New York:McGRAW － HILL，INC，1995．

［3］ Saar Bobrov，Yoav Y．Schechner．Image － based prediction of imaging and vision performance［J］．Journal of the Optical Society of America A，2007，24(7):1920 －1929．

［4］ L Changshui．Development situation and tendency of the fast－cool－down joule－thomson cryocoolers used for IRFPA［J］．Infrared and Laser Engineering，2007，36:521 －525．(in Chinese)呂長(zhǎng)水．快速J－T效應(yīng)制冷器研發(fā)概況與趨勢(shì)［J］．紅外與激光工程，2007，36(增):521 －525．

［5］ Uwe Hingst．Fast cool－down dual gas spray － cooler for pivoted IR － detectors［J］．SPIE，2003，5074:620 － 629．

［6］ MA Yanhong．Factorsinfluencing the starting time of self－adjusting J － T cooler［J］．Laser ＆ Infrared，2013，43(3):258 －260．(in Chinese)馬艷紅．影響自調(diào)式J－T制冷器啟動(dòng)時(shí)間的因素［J］．激光與紅外，2013，43(3):258 －260．