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整流罩加热对红外电荷耦合器件导弹导引头补偿和增益校正的影响

发布时间:2019-07-03 02:46 来源:未知 编辑:admin

  整流罩加热对红外电荷耦合器件导弹导引头补偿和增益校正的影响_交通运输_工程科技_专业资料。研究了整流罩加热对红外导引头的影响;对两种材料,计算了其在发射后作为时间函数的背景辐射及器件存储阱产生的电荷,并且还讨论了为在飞行过程中保持导引头最佳灵敏度所需的信号处理问题。

  维普资讯 红外 与激 光技 术 19 9 3年 第 6期 整流罩 加热对红外 电荷 耦合器件导弹 1 7 S 弓 。 g- - ' g 文摘 :研 究 影响 ;对 两种材 料 ,计算 了其在发 射后作 为时间 函数的 背景辐射及 器件 存储 阱产 生的 电荷 ,并且 还讨论 了为在 飞行 过程 中保持 导 引头最佳灵敏度 所需的信号 处理 问题 。 主题 词 整 流罩 — 一 红外导 引头 一 红外 电荷耦各 器件 — — — — 一 增益校 正 一 、 引 言 研 制一种有较长距 离 ,能 自动捕获 目标 且虚警率较低 的导弹 系统 ,需 要在未来的导弹 导引头中增加元件的数 量 。因此 ,下一代成 象导弹导引头 , 可能采用有多 路传 输功能 的红 外探 测器 以便将大量 探测器元件密集在较 小的常平架平 台上 。 红外 线固有的低对 比度 ,需 要压抑大量 常定 的背景信号 ,以保持 所测信号 的大动态范 围 。从红外 电荷 耦合 器 件 (R C D)来 的输 出 ,由于 自然背 景和 暗 电流 引起 一个较 大 I— C 的基底 电压 ,在使 信号数字 化之前 ,利用模拟减 法 ,可 以消去这 个直 流 电平 。在模 拟预处 器 中进行 较正 ,包 括 自动增 益控 制 ( GC) A 、各个元 件 响应率 的动态调整和直流 电平 。 在空一 空导弹 导引头 中 ,大 部分 背景信号 ,都是 由飞行 中整流 罩迅速加 热所致 。这 一 效应将对 3 和 8 m 波段工作 的导弹导引头信号 处理 链的设计 有影响 。 ~5 m ~l 本文将 介绍一 种采 用水平 扫描 的在 3 / a  ̄5m 波段工作 的 I - CD 传感 器 的导弹整 流 R C 罩加热效 应的仿真情 况 ,对于两种不 同的整流 罩材料 ,在 典型 的空一 空导弹 飞行过程 中对 因整流罩辐射而在 收集 阱 中产生 的电荷作 了计 算 ,研究 了为在 飞行 过程 中保 持导引头最 佳 灵敏度所需的信号处理 问题 。 = 、整流 罩 空气动 力加 热 引起 的辐射 J ● 整流罩应保 护红外传 感器 免受超音速 飞行 当中所产生 的空 气动力 负载 和加热 的影 响 。 即使 利用颇 厚的村底来承担结构 负载 ,罩子不会 导致任何 图象失真 。因此 ,罩 子的形 状往 往都用半球 形的 。发射率应很小 ,使 在传感器 的波 段 内的辐射可 以忽略去 当导弹穿过大气时 ,前方 的空气 向两侧 挤压 ,导弹正 前方的一点 ,叫作滞止 点 ,空 气 的相对速 度降到零 。这个点处 的空 气因摩 擦 而受热 ,使 罩子的外 表面产生热空 气的边 界层 。从在边界层 和罩子之 间热交换关系 得 到 罩 子 的温 度 。 图 1 为罩子周 围空气 流的示意 图 ,示 出 了边界 层和滞止点 的位置 对罩子表 面的空气动力热交换率 q可表示 为 囤 I 整 周围 导弹 沈罩 空气漉 示意图 。 维普资讯 19 9 3年第 6期 红 外与激 光 技术 q h Tr TY = ( — 式中 7 — —罩 子 壁 温度 ; 1 Y S — — 罩 子 的外 表 面 面 积 。 在紊 流无热交换 的情况 下 ,边界层 的摩擦温度 为 : 7f To1 0S 1= (+ . M ) 式中 M ——导 弹 的马赫数 速度; — — 自由流空气 的温度 。 热交换系数 ^ 是一个空气动力飞行条件的复杂函数。我们利用空气动力模型 ,用计算 机计算了导弹飞行过程中的^ 。半球面上局部紊流热交换系数,可用一简化的‘ 局部平板 法 获得 ,误差在 1% 1 内” 。 0  ̄ ’ 。 若设所产生 的热存储 在罩子材料 中,热平衡方 程就 可写成 : : 7 1 7 1 以不 大于 4个 马赫 数的速度 飞行 时 ,辐射损失 可 以忽略不 计 。利 用 密度为 p的罩 材 料 ,可得 : 。 塑 d f ‘ Y ) — , dt= p c 、‘ f Y 口 一 _( 生 式中 d — —罩 的厚 度 ; 。 — 罩的热容 量 。 有不 同密度和 比热 的不 同罩 子材 料 ,其温度增大 的相对 速率 可 由时间常数给定 为 p c d ] 热 交换 方 程 的解 为 7f 1 — Y r 7 一 1 [ 一 我 逐步 改变 飞行条件办法计算罩温 增加 的速率 。图 2示 出所采用 的飞行轨迹 。最 佣 大速度相 应于 36 马赫 数 . .个 计 算 了氟化 镁( rn I) 硫化锌 ( rnⅡ) 两 种材料 制作 的罩 子 的表 面温度 。 It 和 r a It r a 这 飞行 当中达到的罩表 面温度示 于图 3 ,可 以看 出 ,在 9 O 以后,温度有最大峰值 ,而导  ̄ls 维普资讯 红外与激光技术 19 9 3年第 6期 弹的最大速率大 约在 发射 后 5 时 。 s 毒 囤 2 导 弹飞行 轨迹 。 图 3 覃子 温度 与飞 行时 闻 - 减少罩 子加 热 的一个 重要方 法 是选取 有大 p e 值 的罩 子材 料 ,借 以延 滞温度 上升 , dp 使在导弹离目标较近时 ,才 出现最大的温度. 受热的整流罩产生的辐射取决于罩子材料的整体温度。在初始阶段,罩温不会达到平 衡, 表面在由时间常 罩内 数确定的 莳问内将达到外表面的温度: 一个l f =2 s ( —4 对于一般 的罩 子形 状) 式中 , 『— — 罩子质量 ; c ——热容量 ; — 证 向热导 。 对整个罩子各层 的罩温作精 确仿真表 明,用直 接延 迟 图 3所示 的罩表面温度 1 s ~2 可 以得到红外计算用 的有 代表性 整体 温度 ,这个 时闻比我 们估 算的时 间短些 。但是利用工 程摸型 ,取得 了速率增 长和 。 整体 温度 的最大值 ,精度好 - I C R- CD 存储阱 收集 的电荷数 如下 : ,' . _ N= I 式 中 ——探测 器视场; I ( T) ( ( r r 饥D ? , ( 咖。 d ( 8 ) ^ ——传感器 光学面积 ; f 。 —琢 —: D 积分 时间; — c q ——屯 子电荷; f 。——传 感器透过波茂 本侧取 为 3  ̄6 m; . f 6 探 测器 响应率 ; 五 。 r 卜—— 热罩 子的辐射率 受 — — 罩 的发射率为: 8 1 Cp 一 《^rDd 。= 一 x [ )l () 9 从参 考文 献l诹 得 M g 2 Z S的 吸收 系 数 ,我们 用 的罩 子 材料 ,在 3 . 波 2 F和 n ~5 r u n 段 ,温度对 的依赖性 小 。实际上看到 有小 的下 降 ,而在长波段 中 ,例如锗财相反 ? 由于 发射 率增大 ,光子 流通 量 随罩 厚增 加而增 大 ,使罩厚 减薄到 4 rm 也无 济于 ~6 a 事 ,因为它将使空 气动力对罩加 热迅 速增 加 。 维普资讯 19 9 3年第 6期 红外 与 激光技 术 ?5 1? 对于数 字计 算 。我们采用导 弹应 用的典型的传感 器参 数 ,对于 因罩 加热引起的 电荷 数 可得 : r0 Nd 。 = 1 I f( 。 工 ) 0 ( ( 。i ( E∞ ^ d r ∞ () 1 0 利 用 图 3的 温 度 数 据 计 算 在 积 分 间 隔 当 中 存 储 阱 中收 集 的 电 荷 数 与 发 射 后 飞 行 时 间 的 函数 关 系 。 线 列 I CCD 的 典 型 最 大 阱 容 量 在 R I电 荷 数 。 图 4中 , 可 以看 到 , 要 是 用 O H z 1 ,发 射后 8 将 超过这个 量 ,它的 电 f S罩 s 荷量 在最大温度 下为 1 ×l . 0。 3 我 们 用 的 M g z罩 在 飞 行 1s后 产 生 F 3 8 0 ×1电荷 ,这 个水 平也太 大 ,连 同 自然 背 景正 好在 最大 阱 电容量 以下 ,有 一 个合 理 的掠 海 比 。我们 清 楚地看 到 ,在 这种 情 况 下 ,M g 2 整 流 罩 是 最 好 的 选 择 。 F 作 0 4 行 中积分 在存储 肼 中的 电荷 E x11 ● 0gRn . R n ’ ll 1 4 ● l ¨ 1 2 为 了说 明 罩 的 辐 射 的 相 对 大 小 ,在 图 * 瑚 30 4 I /m 1 W 4l I 0 5中将 我 们 的传 感 器的 不 同电荷 贡献 作 一 对 比。 I KI 5 税 舒肼 t 倚 贡献 对 于 7 K 下 的优质 3 . 7  ̄5 mHgC o e二极管 。在 5 mV反偏压 下 ,暗电流约 为 u o dT 0 1A。在 混合 式的 I C D 应用 中 ,这是 个典 型偏压值 。暗电流相 当于我们 积分 间隔的 n R- C O3 t ̄电荷 。 .× O 。 以 3 0 背 景产生 的电荷, 0K 用同样的传感器参数. 将是 3 . ×l 图中分别示 出这个贡献 。 最 大 温 度 下 的 罩 辐 射 也 分 别 示 出 来 ,可 以看 到 ,它 是 可用 动 态 范 围 的 颇 大 部 分 。在 最 大温度 下和 30 背 景 ,实际上没 有什么阱 电荷 容量 留给 目标信 号 。电荷 对景物辐照度和 0K 温度的 曲线 %的响应 率扩散 。景物是通 过 3 m 的大 气路 径观察的 。 0 k 在这些 计 算 中。利用 了积 分 时间 5 . 。缩 短积分 时间是解 决 阱 的最好办 法 。很 短的 0s n 积分 时 间 将 会 降低 我 们 传感 器 的灵敏 度 。 因此 ,重要 的 是研 制 阱 容 量 为 l 0 数量 级 的 I CCD 元 件 , 即便 对 于 短 波 段 的 导 弹 应 用 也 是 如 此 。 R— 精心匹配罩 子的发射率特 征和传感 器灵敏 波段 ,就 可降低罩的辐 射 电平 小心 进行 冷 屏设 汁,还可以使探 测器 视场减到最 小 。 三 、模 拟 信 号 处 理 在实 际导弹导引头 系统中 ,模 /数转换 器往往限制 了动态范 围 。所包 含的数据 率和可 用 的有 限空 间 ,使其 利用 轻便 、可靠 、较 小 功率 、单片 式 8比特模 /数 转换 器在 市上销 售 ,很 有 吸 引 力 。工 作 于 短 波 红 外 波 段 的最 新 线 性 I R-CCD 的 动 态 范 围大 约 8 d 0 B。 如 维普资讯 ‘5 2‘ 红外与激光技术 19 9 3年第 6期 能直接将这 种信 号变为 数字化而不 损失 任何分辨率 ,就 要有 1 4比特 的模 /数转换 器 。因 此, 把 测 视频 号 成 化 前, 程 完成自 增益 制, 平 取, 在 探 器的 信 变 数字 之 疰 要 动 控 帧 均提 响 应和均匀性校正工作 。 、 在一个理想 的模 型中 ,元 数 H的信号 可以写成 : R P 7 + P。 (1 ) 式中 ——元 H的响应率 ; — — 景物温度下 的接 收功率 | —于£ , 。 n的直流电平 。 直 流 电平 和 响应 率 表 示 变量 在 ±1 % 0 的数量 级 , 因此 必须 进行 校正 。常 数项 CR 和 Cv 分 别 为响应 率和 直流 电平 的定 标常 0 数 ,它们 可存 储在记忆器 中 ,并通 过数 /模 转换器馈 到模 拟预处理 .利用某种 基准红外 目标 ,将 常数进行修正 。 凰6信 理线路 意囤 号魁 示 在校正各 个元 件之后 ,获得 下列输 到模 /数转换 器的信号 R = G , r + () 一 cvn o) 。 (2 1) 若归一化 的常数和实际元参数相等并且 接收到 的背景 信号均匀 ,则可 把背 景和罩辐 射 信 号描述 为一个 公共 的背景 分量 。 。这就假设 探测 器 响应 是线性 的 这个参 数的修正 速 率取 决于 飞行 当中罩温 下降的速率 。背 景补偿 的校正需作 优选 ,否则传感 器系统就会损 失 动态 范围 。 嚼 量 譬 ’ 四 、补偿 及动 态 范围 假设 I - CD 为背 景 限,以便估算对 背景再复 原速率 和动态 范围 。要是 阱 中总积 分 R- C 囹 电荷为Ⅳ ,观察一个30 B 0K的背景,则 R MS散粒噪声电平就是√N 。调整增益,使模 / 数的最小意义比特词到√N /2 。一个 n比特的模/数转换器能包含有总动态范围相 当于2- N .I 电荷的信号。 √ 测量相 当于满 阱容 量是 Ⅳw的一 个信 号所需的总 比特数( 用这个 分辨率) 为: Ⅳ . n1n =3 特若4和B31 =+ = 若 1比,Ⅳ=0 Ⅳ=×0 , 5 ( 1 3 ) 若要 充分 利用有效的 分辨 率 ,则背景 电平必须 以比 电荷或罩辐 射更快 的速度 作修正 。 对 于 Mg 2 ,飞行 中几 秒钟时 间 ,罩背 景增 大的速 率为每 秒 1 0 F罩 1电荷 ,积分 时间 为 x 5 p 。即使利 用 3 Hz 0s 0 的扫描 速率 并在 每扫描阵列一次调 整背 景 ,背景 电平在修正值 之间 维普资讯 19 年 第 6期 93 红 外 与澈光 技术 ?5 3? 增加 3 o 电荷 ,在我 们 的例子 中用模 /数转 换器 ,它太 大超 出 8 6电荷最 小意义 比 . xl 4 3 6 特值- , 罩 加热 自身表 明为 帧的直流 电平位移 ,并且与 目标 测量 时 可用 的动态范围相抵触 。若 1 如本 例子中利用 8比特模 数和 6比特的 自动增益控制栗 包含总动态 范围时 ,这个效应 可 能有 问题 。 在 一次扫描当 中 自动增 益控 制不能改变而须在两 帧之 进行调整 ,因为 皇动增益控制 的值 往往 是根据 全 帧的 图象 数据来 计算 的 。在 一次扫 描 中由于罩 加热造 成背 景 电平 的变 化 ,以本 例为例 ,最坏 情况是 8比特模 /数 的总 动态范 围的 8 。利 用更高 的直 流电平修 % 正速率和 /或有较大 动态范 围的模 /数转 换器 ,就可缓和这 个问题 。 _ _ - 1 五 、结 论 空气 动力加 热的罩 子 辐射 ,将会增 加空一 空导 弹引导头 的 I - C 的阱容量 和掠海 R C D 能力 的要求 阱容量为 1' 量级对 于短波红外导 弹导引 头应用具有 极大意义 .罩辐射速 0数 率对直 流 电平修正速 率有严格要求 ,并且 即使在相 对高帧速 下,也会 缩减测量 图象 中可用 的动态 范围 。因此 ,要重视选 择有适宜热力学 和辐 射特 性的罩 材_ 。( 料 参考文献 略) 陆 荣铿 译 自 Ifinc o onh ̄t g O to sta d g i orcin i n n hc c fd ree i E f , n an c rot n a n o I CCD m i i R- s l ea , s e ̄ k r SP1 Vo18 5 Fo a Pl n E . 6 c l a eAr a sTo hn l y r y : c o og a d Ap la i r , 9 7 n p i to a 1 8 . 熊辉 丰 校 ( 用 红外 与光 电子 学 》复干 、征 订通 知 值 呸 19 年 8月 2日在 长春市 召开 了新 的鳊委套会议 ,套 议 决定 《 用纽 93 应 外与 光 电子 学》拟 19 94年复刊 ,由电子工业部第五十三研 究所 主办 。 《 用缸 外与光 电子学 》是 中国光学学套缸外光 电器件 专业委 员套套 应 7,是掇 导 红外与光 电子技术厦 其 实际应 用 ,提 避科教 与羟济相 蛄合 的新 0 颖刊物 ,选题 广泛 、内容丰 富,形式 多样 , 主要栏 目 :综述 ,基 础理论 有 - 研 究 、红外应 用技术 、红外 医疗 、经验 交流 、技术 疵进 、试 验研究 四斯 产 品介 绍 、优 秀论 文选登 、国 内外最新技 术与发展趋 势 专题讨论 科技 动态 ,简讯厦 专题 技术讲座 等。 《 用红外 与光 电子 学 》为铅 印季 刊 ,国 内发行 ,每 期 5万字左右 , 应 收成本 费 5元 ,全年合 计 2 O元 。欲 订 阅本刊者 ,请 与 本刊鳊 辑联 系订 阅 事宜。 联 系地址 :辽 宁省锦 州市 3 信 箱 3 分箱 《应用红外 与光 电子 学 》埔 1 8 辑 部 ( 邮政 编码 1 1 呻) 20

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