非制冷焦平面热像仪温度控制设计

　　0 引 言

　　红外热像仪根据发展情况和预测, 大致可以分为三代: 第一代为光机扫描型, 探测单元数目有限, 且需要低温制冷器; 第二代为凝视型, 具有二维 N×M 元焦平面阵列探测器, 探测单元数目过万, 且集成有信号读出电路( ROIC) ; 第三代为灵巧型凝视大阵列焦平面, 特征是集成探测器后续的信号处理电路, 包括ROIC、前放和 A/D 转换器等。第一代热像仪在技术上相对落后, 且探测器为线阵, 第三代热像仪尚未投入使用, 因此第二代是热像仪行业目前发展的主流。第二代热像仪根据探测器阵列工作温度不同分为低温制冷和非制冷两种。低温制冷型热像仪探测器属于光子探测器, 在探测性能指标上领先于非制冷探测器,但由于它的工作温度通常低于 200 K, 需要昂贵的低温制冷器, 使热像仪制造成本偏高, 同时整机工作寿命短, 体积、质量、功耗都偏大, 因此主要用于军事领域。非制冷焦平面热像仪是美国 20 世纪 90 年代开发出来的高科技产品, 探测器从工作机理上看属于热探测器, 该热探测器虽然在探测性能指标上逊于光子探测器, 但已能满足监视和夜视等应用。与传统低温制冷型热像仪相比, 它具有性价比高、无须制冷、可靠性高、使用方便、功耗低、体积小、质量轻、携带方便等优点, 在军事、工业、医药及科研等诸多领域都将有广泛的应用。UFPA 热像仪根据探测单元所用材料不同分为热释电 UFPA 和微测辐射热计 UFPA 两种, 从现有系统来看, 二者总体性能指标不相上下[1～3]。

　　1 温控的必要性和实质

　　非制冷焦平面热像仪的“非制冷”是指其可在某个恒定室温下工作, 而不像低温制冷型热像仪那样工作温度通常低于 200 K[2, 4]。对微测辐射热计 UFPA 热像仪而言, 入射红外辐射使热敏元件温度上升引起自身阻值变化从而探测目标温度特性。因此, 热敏元件的温度将直接影响热像仪的探测灵敏度和成像性能,只有尽量使探测器阵列所有像元温度保持在某个相　　同的恒定室温下, 才能从根本上提高热像仪的探测灵敏度, 抑制由此引起的工作波动[5]。所以设计一个高精度的温控系统, 是完成高性能非制冷焦平面热像仪设计的关键。

　　选用 ULIS 公司的 320×240 长波红外非制冷微测辐射热计焦平面阵列探测器 UL01011, 要使其正常工作, 探测器阵列像元温度必须稳定在 30±0.01 ℃且保持一致。该 UFPA 内部集成了一个具有两个电气管脚的热电制冷器和一个负温度系数温度传感器。通过温度传感器读出 UFPA 的温度, 经过处理后产生控制TEC 的电流, 该电流使 TEC 制冷或制热即可精确控制UFPA 的温度。TEC 可以带走的热量与通过 TEC 的电流成正比, 但并非简单的线性关系。另外, TEC 是一个利用珀耳贴( Peltier) 效应来制冷或制热的半导体 P- N结器件, 电流必须低于某个最大值, 否则 TEC 将不能正常工作。因此, 控制目标物体的温度, 实质就是在保证 TEC 电流低于最大值的前提下, 控制流过 TEC 两端的电流方向和幅度[6]。