基于MOS电阻阵列的红外成像目标模拟器系统冷反分析和解决方法

赵松庆，郝燕云，吴根水,2，李 睿，陈海燕，张 帆

(1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009；2.航空制导武器航空科技重点实验室，河南 洛阳 471009)

0 引 言

基于MOS电阻阵列的红外成像目标模拟器是红外制导导弹导引头性能测试、控制系统动、静态测试、制导系统半实物仿真和全弹性能测试系统的重要组成部分[1]，因电阻阵列产生的热图像帧频高、动态范围大、体积重量小、抗振抗冲击能力强、应用前景广泛[2]。在工程应用中，发现系统存在冷反现象，即接收系统视场中呈现黑斑图像，见图1。测试发现目标热图像落在黑斑中时，等效温度比落在其他区域等效黑体温度低10 ℃左右，图像呈现非均匀性。

热成像系统产生冷反现象的原因有两方面，一是光学准直系统产生的冷反射，即光学系统中某个镜片反射接收系统探测器前冷光阑发出的光线，被这个镜片与接收系统探测器之间的光学系统成像在探测器附近，在探测器上成一个模糊的黑斑图像；二是目标模拟器成像器件表面反光，反射接收系统探测器前冷光阑发出的光线，被模拟器光学准直系统和接收系统的光学系统成像在探测器附近，在探测器上成一个模糊的黑斑图像。针对原因一，因透镜表面反射率小于2%，产生的冷反现象不是太严重，对于要求不高的系统，可以接受；对于要求较高的系统，通常采用修改反射面曲率半径和位置，让冷反像远离探测器，减弱冷反像在探测器表面聚焦程度，降低冷反射影响[3]。针对原因二，因成像器件表面反射率较高，产生的冷反现象较为严重，文献[4]提出了采用非均匀性修正的方法，给黑斑内的像素加热升温，降低冷反射影响，这种方法依赖测试仪器的非均匀性、像素对准偏差造成的非均匀性，要进行精确测试难度较大，还需要开展相关技术研究。

图1 基于MOS电阻阵列的红外目标模拟器生成的具有冷反现象的热图

Fig.1 Thermal image of cold reflection phenomena generated by IR imaging target simulator based on MOS resistor array received

基于此，本文对基于MOS电阻阵列红外成像目标模拟器系统冷反产生的原因进行了分析，提出了解决系统冷反现象新策略和模拟器光学结构集成的调试方法，并介绍了一套红外成像目标模拟器具体工程应用的实例效果。

1 基于MOS电阻阵列红外成像目标模拟器系统冷反产生的原因

MOS电阻阵列是依靠MEMS工艺制成的微机电芯片[5]，如图2所示，由于工艺的特殊性，除桥体表面外，其他部分表面覆盖了一层导电铝膜[6]，这层铝膜占空比约78%，反射率高达95%，就像一面反射率74%的反光镜竖直处于成像光路中。

图2 MOS电阻阵列芯片结构实物图片

Fig.2 Structure pictures of the MOS resistor array chip

红外接收系统探测器杜瓦中，为遮挡探测器周围环境产生的热噪声，在探测面前约15～20 mm处设置有冷光阑，这也是接收系统的出瞳。冷光阑经红外接收系统向物方成的像，就是接收系统的入瞳。对于探测面放置在光学系统焦平面上的接收系统而言，由于冷光阑成像物距小于焦距，所成像处于和探测器同侧的后方，因此接收系统的入瞳是个放大的虚像[7]，如图3所示。

图3 红外接收系统冷光阑成像光路简图

Fig.3 Light path diagram of cold light column imaging in infrared receiving system

接收系统的入瞳经目标模拟器光学系统再成像，并被电阻阵列表面反射，再依次经过模拟器光学系统和接收系统光学系统成像，最后在被接收系统探测面附近聚焦成像，这就是红外系统的冷反现象，如图4所示。

图4 红外目标模拟与接收复合系统光路简图

Fig.4 Light path diagram of infrared target simulating and receiving combined system

对于发射和接收复合系统来说，电阻阵列表面和探测器阵列表面呈物象共轭关系，红外接收系统的入瞳面与目标模拟器光学系统的出瞳面重合，由于冷光阑与探测器阵面不重合，在探测器阵面上电阻阵列产生图像清晰时，冷反像是模糊的[8-9]。反之，冷反像清晰时，电阻阵列产生的图像就是模糊的，如图5所示。

图5 未做冷反设计时红外接收系统接收到模拟器生成的热图

Fig.5 Infrared receiving system receiving thermal images generated by infrared target simulator when it is not designed for cold reflection

MOS电阻阵列表面的镜面特性使得基于MOS电阻阵列的红外成像目标模拟器产生的目标/环境热图像被红外接收系统接收时，总有冷反图像存在，冷反图像居中时，图像存在非均匀性[10-11]；冷反图像不居中时，背景图像中波等效黑体温度高于20 ℃，长波等效黑体温度高于12 ℃，见图6，无法模拟天空云雾背景和复杂的地物背景。本文提出了一种能较好解决电阻阵列表面反射造成负面影响的方法。

图6 256×256元MOS电阻阵列制冷后的长波热图像(冷反在芯片之外右下方)

Fig.6 Long wave thermal images after cooling of 256×256 MOS resistor array(at lower left of the chip)

2 解决系统冷反现象的设计策略

红外成像目标模拟器光学系统起着图像耦合的作用，即将MOS电阻阵列产生的红外热图像准直成平行光束，被接收系统接收，最终成像在接收系统探测器阵列表面。各项技术指标的确定都要考虑红外接收系统的技术参数[12]，要实现波段对应，视场覆盖、瞳孔衔接，模拟器分辨角等于接收系统分辨角的1/n。本文设计的策略就是采用光学成像，让冷反像与冷光阑重合，位置重合，尺寸大于等于冷光阑，见图7，利用冷光阑遮挡冷反像中的温度较高的环境成像光束。系统冷反现象是红外目标模拟器固有的属性，无法消除，也不能有意倾斜放置，让其反射出视场之外，原因之一，此时不仅是电阻阵列表面与光轴存在夹角，除轴上点成像清晰外，轴外点存在离焦弥散，越靠近视场边缘成像越模糊；原因之二，是将原属于视场之外的环境反射到探测器阵面，使电阻阵列图像表面等效黑体温度升高，降低了图像对比度。

图7 目标模拟器光学准直系统设计中冷反像的位置

Fig.7 Location of cold reflection images in optical collimating system design of infrared target simulator

3 目标模拟系统集成光机调试方法

目标模拟系统集成指的是将研制的电阻阵列、光学准直系统以及红外接收系统进行光学和结构连接[13]，实现以下几个功能：

(1)电阻阵列芯片表面与光学系统的光轴垂直，消除芯片表面辐射单元阵列局部离焦的现象；

(2)将电阻阵列表面调试到光学准直系统最佳像面位置；

(3)将电阻阵列表面中心调试到光学准直系统的光轴上，经接收仪器的光学系统成像在探测器阵列中心；

(4)让模拟器的出瞳与接收仪器的入瞳面重合，且大于入瞳，保证系统无渐晕；

(5)在半实物仿真过程中无相对旋转运动的条件下，通过调试实现诸像元素对准，消除像元素没对准产生的非均匀性；

(6)打销钉定位，并加固连接，确保模拟器与接收仪器之间的相对位置。

电阻阵列芯片是被封装在真空环境箱内的，靠金属焊料烧结在热沉板上，发光面无法保证与热沉面平行；在真空环境箱内部，制冷半导体片的热端靠金属焊料烧接在环境箱底部，热端靠导热硅胶与热沉板相连，热沉板通过绝热材料与环境箱底部连接，环境箱盖板靠橡胶圈密封，也是与光学系统连接的结构件。

由于环境箱结构的特殊性，无法保证电阻阵列发光面与环境箱盖板外表面平行度，也无法测出两者之间的精确距离。红外成像目标模拟器系统集成时，不仅要进行调焦，保证电阻阵列所产生热图像在接收系统探测器阵面上成像清晰，还要调整电阻阵列环境箱，保证电阻阵列芯片表面与光学准直系统光轴垂直。为了实现既能调焦，还能调芯片与光轴垂直，电阻阵列环境箱与光学准直系统之间要有一个过渡结构，一端连接光学准直系统，另一端连接电阻阵列。

电阻阵列芯片与光学准直系统光轴垂直度测试是系统集成的关键。首先，调试热像仪光轴与模拟器光学准直系统光轴平行，借助于热像仪和平面反光镜，将热像仪和模拟器光学系统出口相对放置，将平面反光镜紧贴光学准直系统前端，转动热像仪镜头调焦环，让冷反像成像清晰，通过冷反像偏离热像仪中心的位置，测出模拟器光学准直系统光轴与热像仪光轴之间夹角。调整热像仪的姿态，使冷反像处于热像仪中心，此时，模拟器光学准直系统光轴与热像仪光轴处于平行状态，见图8。

图8 冷反像处于热像仪视场中心位置热图

Fig.8 Thermal when cold reflection image is in the center of the field of the thermal imager

其次，调试热像仪光轴与模拟器光学准直系统光轴重合。去掉平面反光镜，将模拟器光学准直系统盖上镜头盖，转动热像仪调焦环，将镜头盖中心小孔成像清晰，水平高低平移热像仪，让小孔的像处于热像仪视场中心。此时热像仪与模拟器光学准直系统光轴处于重合状态，见图9。

图9 镜头盖中心孔成像情况热图

Fig.9 Center hole of lens cap imaging thermal image

再次，测试电阻阵列芯片与光学准直系统光轴垂直度。去掉镜头盖，转动热像仪调焦环，让电阻阵列芯片反射的冷反像成像清晰，测出冷反像偏离热像仪中心位置，可以折算出电阻阵列芯片与模拟器光学系统光轴之间的垂直度。

最后，调整电阻阵列环境箱，使得电阻阵列芯片与热像仪光轴垂直，且使电阻阵列芯片中心与热像仪视场中心重合。

4 试验验证

图10为某半实物仿真系统红外成像目标模拟器实物，图11为采用本文所述的冷反解决策略后实现的效果。图中的非均匀性包括热像仪本身的非均匀性和电阻阵列表面辐射体本身与周围印刷电路因材料不同所产生的辐射非均匀性，最大值与最小值之差小于1.2 ℃，标准差仅有0.3，实际效果优于测试结果。

图10 半实物仿真系统红外成像目标模拟器实物图

Fig.10 Physical picture of infrared imaging target simulator in hardware-in-the-loop simulation system

图11 热像仪采集的红外成像目标模拟器成像效果图

Fig.11 Imaging effect diagram of infrared imaging target simulator collected by thermal imager

5 结 论

本文描述了红外成像目标模拟器与红外接收仪器组成的红外辐射接收复合系统产生冷反的原因和解决方法，分析了国产MOS电阻阵列结构特点，和国内基于MOS电阻阵列的红外成像目标模拟器存在的问题，针对MOS电阻阵列表面的镜面特性，基于MOS电阻阵列的红外成像目标模拟器产生的目标/环境热图像被红外接收仪器接收时，总有冷反图像存在，提出了一解决基于MOS电阻阵列红外成像目标模拟器冷反现象的设计策略和成像目标模拟器光机集成调试方法，并举例说明了采用该设计策略所取得的效果。本文的创新点在于解决冷反现象所采取的新设计策略，即让经过成像目标模拟器反射回来的系统冷反像位于接收仪器探测器冷光阑面上，依靠冷光阑遮挡冷反像的非均匀性高温部分，最终达到红外图像较高的均匀性和系统集成调试方法的有效性。