一種基于非制冷型紅外探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(diǎn)，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(cè)器不需要像制冷型探測(cè)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(dòng)嚴(yán)重，焦平面的各個(gè)像素點(diǎn)將會(huì)疊加不同的時(shí)變?cè)肼?，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(gè)高穩(wěn)定度、低漂移的工作環(huán)境。本文使用TEC 進(jìn)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(huì)導(dǎo)致制冷不足或者導(dǎo)致功耗過大，從而導(dǎo)致溫控失效。因此，針對(duì)上述現(xiàn)象，本文通過合理設(shè)置初始焦平面溫度，實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度和腔體溫度并實(shí)時(shí)調(diào)整焦平面溫度等多種手段，讓熱像儀盡快達(dá)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(cè)器溫控實(shí)現(xiàn)方法流程框圖

2 非制冷型紅外探測(cè)器溫控實(shí)現(xiàn)方法

如圖1所示，為非制冷型紅外探測(cè)器溫控方案框圖。

如圖2為非制冷型紅外探測(cè)器溫控實(shí)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(yù)期焦溫，即初始設(shè)定溫度Tset，如果此時(shí)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(dāng)環(huán)境溫度Ts 發(fā)生b℃變化時(shí)，F(xiàn)PGA 讀取當(dāng)前的環(huán)境溫度Ts 和當(dāng)前的腔體溫度Tq，F(xiàn)PGA根據(jù)Ts 和Tq 重新設(shè)置預(yù)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(dāng)腔體溫度Tq 發(fā)生a℃變化時(shí)，F(xiàn)PGA 讀取當(dāng)前的環(huán)境溫度Ts 和當(dāng)前的腔體溫度Tq，F(xiàn)PGA 根據(jù)Ts 和Tq 重新設(shè)置預(yù)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(gè)基本原則需要把握：

（1）非制冷型紅外探測(cè)器對(duì)溫度的高低并沒有嚴(yán)格要求，它只需要一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定或者某段時(shí)間內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的溫度環(huán)境下工作。

（2）熱像儀內(nèi)部達(dá)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(shí)散發(fā)的熱量極容易使探測(cè)器失去熱平衡，導(dǎo)致TEC 工作失效。

（3）熱像儀熱平衡點(diǎn)溫度的尋找極其關(guān)鍵。因?yàn)闊嵯駜x達(dá)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(dǎo)致TEC 一直處于工作狀態(tài)，增加了熱像儀整機(jī)功耗和熱量，容易導(dǎo)致TEC 溫控失效。

在上述三個(gè)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(dá)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(dá)到熱平衡這段時(shí)間內(nèi)，探測(cè)器所處腔體溫度和焦平面溫度是時(shí)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(dá)到熱平衡后的這段時(shí)間內(nèi)，TEC 一直處于大功率制冷或加熱狀態(tài)，此時(shí)TEC 功率最大，散發(fā)的熱量最大，如圖3（b）所示。

針對(duì)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(dá)到熱平衡狀態(tài)后這段溫升過程中，分成n 個(gè)焦平面溫度相對(duì)恒定的過程，當(dāng)然此時(shí)的腔體溫度一定是時(shí)刻改變的。每個(gè)小段溫升中，探測(cè)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(duì)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(shí)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(jī)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(shí)，探測(cè)器焦平面溫度為Tjint，熱像儀工作一段時(shí)間，直至探測(cè)器焦平面溫度穩(wěn)定后，此時(shí)熱像儀腔體內(nèi)達(dá)到熱平衡，此時(shí)探測(cè)器焦平面溫度為Tjph，Tjph-Tjint=△Tj，△Tj 即為熱像儀內(nèi)部達(dá)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(dāng)檢測(cè)到腔體溫度發(fā)生a℃變化后，都需要重新設(shè)定探測(cè)器焦平面溫度為（Tjint+a）℃，當(dāng)檢測(cè)到腔體溫度發(fā)生第n 個(gè)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(cè)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(dāng)熱像儀在工作過程中，環(huán)境溫度發(fā)生b℃變化。

此時(shí)熱像儀內(nèi)部到達(dá)熱平衡后的焦溫溫升可近似看做為△Tj’=△Tj+b。為了簡(jiǎn)化計(jì)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(shí)環(huán)境溫度發(fā)生了b℃的變化。FPGA 每當(dāng)檢測(cè)到腔體溫度發(fā)生[△Tj’/n]變化后，都需要重新設(shè)定探測(cè)器焦平面溫度，當(dāng)檢測(cè)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(cè)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(shí)，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(dá)到熱平衡的過程中，或者發(fā)生在達(dá)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(jì)算過程變得相當(dāng)復(fù)雜，算法的復(fù)雜度也在增加，算法實(shí)現(xiàn)的難度也隨之增加，也可能導(dǎo)致FPGA 功耗的增加，得不償失。

（3）簡(jiǎn)化算法，對(duì)計(jì)算方法和參數(shù)進(jìn)行修正。

因此，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，仍然按照環(huán)境溫度未發(fā)生變化時(shí)的情況進(jìn)行處理，對(duì)參數(shù)進(jìn)行一定的修正。即FPGA 每當(dāng)檢測(cè)到腔體溫度發(fā)生a℃或者檢測(cè)到環(huán)境溫度發(fā)生b℃變化后，都需要重新設(shè)定探測(cè)器焦平面溫度為（Tjint+a）℃或（Tjint+b）℃，當(dāng)檢測(cè)到腔體溫度發(fā)生n 個(gè)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(cè)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(gè)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(cè)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(jì)中，a，b 的取值為 6℃。當(dāng)然，F(xiàn)PGA 每次設(shè)置焦平面溫度時(shí)，都需要擋片進(jìn)行配合給探測(cè)器提供一個(gè)均勻的參考平面進(jìn)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(jī)功耗等因素的影響而不一樣。

3 結(jié)論

針對(duì)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(jìn)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。