一种制冷型红外探测器的控制系统及其制冷判定方法与流程

本发明涉及红外热成像技术领域，尤其涉及一种制冷型红外探测器的控制系统及其制冷判定方法。

背景技术：

红外探测系统有如下几个优点：环境适应性高、隐蔽性好、识别伪装目标的能力强，且与雷达系统相比其体积小、重量轻、功耗低。由于红外探测技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛的研究和应用，尤其是在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下，作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。

红外探测系统的核心器件是红外探测器，由于制作红外探测器的材料能隙很小，如果环境温度高，由热涌造成的暗电流和热噪声大，直接影响到探测器的信噪比、响应波长和响应时间常数等各个指标。为了提高红外探测系统的性能，必须通过制冷来降低红外探测器的工作温度，以遏制暗电流的产生，增大信噪比。红外探测器经低温冷却后，响应时间缩短、灵敏度提高、响应波长展宽、受限背景噪声减小。

根据制冷方式可将红外探测器分为制冷型红外探测器和非制冷型红外探测器。制冷型红外探测器工作温度的稳定性直接决定了红外探测系统的性能。大部分焦平面红外探测器都工作在77k～80k温度区。

传统判定制冷型红外探测器达到稳定制冷工作温度且工作稳定的方法是设定一个温度点，当焦平面红外探测器工作温度达到此温度判定为制冷好，未达到则继续制冷。但此方法的局限性在于焦平面红外探测器输出的与工作温度对应的电压数据，理想电压信号是单调递增的曲线，但实际采集到的电压反馈信号是逐渐增大，且有很多局部极值的曲线，传统判定方法设置固定温度值进行判定就会出现误判，而且此方法还未考虑以下几个方面的影响：

1.每个焦平面红外探测器的工作温度不同；

2.每个焦平面红外探测器配置不同处理电路，工作温度会有差异；

3.焦平面红外探测器所处的环境温度对其工作温度也会有影响。

综上所述将导致制冷型红外探测器达到稳定制冷工作温度但远远超出设定温度点，且实际使用情况不同该稳定制冷工作温度也是动态变化的。因此采用传统判定方法就不能准确判定制冷型红外探测器是否制冷好，出现误判的概率较高，影响制冷型红外探测器正常工作。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中难以准确判定制冷型红外探测器的制冷状态的缺陷，提供一种制冷型红外探测器的控制系统及其制冷判定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种制冷型红外探测器的控制系统，包括依次连接且组成环路的制冷型红外探测器、射极跟随器、a/d采样模块和微控制器，制冷型红外探测器包括制冷机和焦平面红外探测器；微控制器的输出端与制冷机相连，焦平面红外探测器的输出端与射极跟随器相连；其中：

焦平面红外探测器内置测温二极管，测温二极管随着焦平面红外探测器工作温度的变化而自身阻值发生变化，进而使焦平面红外探测器的输出电压发生变化；

射极跟随器用于对焦平面红外探测器的输出电压进行放大后输入a/d采样模块，由a/d采样模块进行数据采集；

微控制器，包括修正单元和综合判断单元，用于设定焦平面红外探测器完成制冷的工作温度区间，将a/d采样模块采集到的数据送到微控制器中的修正单元进行修正，并拟合出实际关系曲线，通过综合判断单元对数据局中的温度数据相对时间变化的斜率，焦平面探测器的工作温度，以及达到稳定制冷工作温度的时间三者进行比较，判定焦平面红外探测器是否已达到稳定制冷工作温度且稳定工作，进而计算制冷机的电机控制量，通过控制制冷机的电机运转速度，使焦平面红外探测器工作在制冷温度区间。

本发明提供一种制冷型红外探测器的控制系统的制冷判定方法，包括以下步骤：

s1、焦平面红外探测器内置的测温二极管随着焦平面红外探测器工作温度的变化而自身阻值发生变化，进而使焦平面红外探测器的输出电压发生变化；与温度相对应的输出电压经过射极跟随器放大后输入到a/d采样模块，由a/d采样模块进行数据采集；

s2、设置连续采样间隔时间，将每连续采集到的多个时刻的焦平面红外探测器工作温度对应的电压数据由微控制器的修正单元进行修正，拟合出实际关系曲线，再通过微控制器的综合判断单元对数据中的温度数据相对时间变化的斜率，焦平面探测器的工作温度，达到稳定制冷工作温度的时间三者进行比较，判定焦平面红外探测器是否已达到稳定制冷工作温度且稳定工作；

s3、在微控制器中设定焦平面红外探测器完成制冷的工作温度区间，将a/d采样模块采集到的数据送到微控制器进行计算，通过计算得到制冷机的电机控制量，通过控制制冷机的电机运转速度，使焦平面红外探测器工作在制冷温度区间。

进一步地，本发明的步骤s2中将连续采集到的3个时刻的焦平面红外探测器工作温度对应的电压数据通过微控制器进行比较。

进一步地，本发明的步骤s3中通过控制制冷机内部的功率模块，对制冷机的电机运转速度进行控制。

进一步地，本发明的步骤s2中通过修正单元对其工作温度和对应的电压数据关系进行拟合，焦平面红外探测器的实际工作温度与输出电压之间的函数关系为：

t＝-460.6631(kv)⁴+1052.8133(kv)³-812.6656(kv)²-227.7627(kv)+539.6459

其中，t为焦平面探测器的工作温度，v为输出电压，k为修正系数。

进一步地，本发明的步骤s2中设定的焦平面红外探测器完成制冷的工作温度区间为：[t10,t20]＝[50k,90k]，达到稳定制冷工作温度的时间t0＝10min，高温工作；8min，常温工作。

进一步地，本发明的步骤s3中判定是否达到稳定制冷工作温度且工作稳定的方法为：

设置连续采样间隔时间t,，t,＝tn+1-tn＝tn-tn-1，n取2，3，4……n，分别采集tn-1，tn，tn+1三个时刻的焦平面红外探测器的温度电压数据，经放大转换得到对应温度tn-1，tn，tn+1送至微控制器，由微控制器对相邻连续采样的温度数据相对时间变化的斜率进行比较，斜率计算公式为：

kn-1＝(tn-tn-1)/(tn-tn-1)

kn＝(tn+1-tn)/(tn+1-tn)

将|k1|和|k2|，|k2|和|k3|，……|kn-1|和|kn|比较；

若|kn|≥|kn-1|，但tn-1，tn，则判定焦平面红外探测器的制冷机故障；

若|kn|≤|kn-1|，即使tn-1，tn，tn+1∈[t10,t20]，则判定焦平面红外探测器虽达到稳定制冷工作温度但制冷机未达到稳定状态；

只有当|kn|≥|kn-1|，且tn-1，tn，tn+1∈[t10,t20]，tn+1≤t0三个条件同时满足，才判定焦平面红外探测器已达到稳定制冷工作温度，且工作稳定。

本发明产生的有益效果是：本发明的制冷型红外探测器的控制系统及其制冷判定方法，考虑到制冷型红外探测器的个体差异、使用环境、配置的处理电路以及采集模块等差异导致其稳定制冷工作温度各不相同，采用本发明的这种制冷型红外探测器的制冷判定方法，扩大稳定制冷工作温度范围，确保现有制冷型红外探测器都适用；制冷型红外探测器的稳定制冷工作温度是动态变化的，采用本发明的这种制冷型红外探测器的制冷判定方法，设置时间间隔，实时采集焦平面红外探测器的温度电压数据，且将连续三次采集数据进行比较判定，有效减少传统判定方法误判概率，确保制冷型红外探测器正常工作。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的系统框图；

图2是本发明实施例的微控制器原理框图；

图3是本发明实施例的修正后的温度与电压关系拟合曲线图；

图4是本发明实施例的温度与时间关系曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的制冷型红外探测器的控制系统，包括依次连接且组成环路的制冷型红外探测器、射极跟随器、a/d采样模块和微控制器，制冷型红外探测器包括制冷机和焦平面红外探测器；微控制器的输出端与制冷机相连，焦平面红外探测器的输出端与射极跟随器相连；其中：

焦平面红外探测器内置测温二极管，测温二极管随着焦平面红外探测器工作温度的变化而自身阻值发生变化，进而使焦平面红外探测器的输出电压发生变化；

射极跟随器用于对焦平面红外探测器的输出电压进行放大后输入a/d采样模块，由a/d采样模块进行数据采集；

微控制器，包括修正单元和综合判断单元，用于设定焦平面红外探测器完成制冷的工作温度区间，将a/d采样模块采集到的数据送到微控制器中的修正单元进行修正，并拟合出实际关系曲线，通过综合判断单元对数据局中的温度数据相对时间变化的斜率，焦平面探测器的工作温度，以及达到稳定制冷工作温度的时间三者进行比较，判定焦平面红外探测器是否已达到稳定制冷工作温度且稳定工作，进而计算制冷机的电机控制量，通过控制制冷机的电机运转速度，使焦平面红外探测器工作在制冷温度区间。

如图2所示，本发明实施例的制冷型红外探测器的控制系统的制冷判定方法，包括以下步骤：

s1、焦平面红外探测器内置的测温二极管随着焦平面红外探测器工作温度的变化而自身阻值发生变化，进而使焦平面红外探测器的输出电压发生变化；与温度相对应的输出电压经过射极跟随器放大后输入到a/d采样模块，由a/d采样模块进行数据采集；

s2、设置连续采样间隔时间，将每连续采集到的多个时刻的焦平面红外探测器工作温度对应的电压数据(如表1)由微控制器的修正单元进行修正，拟合出实际关系曲线(如图3所示)，再通过微控制器的综合判断单元对数据中的温度数据相对时间变化的斜率k，焦平面探测器的工作温度t，达到稳定制冷工作温度的时间t三者进行比较，判定焦平面红外探测器是否已达到稳定制冷工作温度且稳定工作。

表1焦平面红外探测器的工作温度与输出电压数据表

s3、在微控制器中设定焦平面红外探测器完成制冷的工作温度区间，将a/d采样模块采集到的数据送到微控制器进行计算，通过计算得到制冷机的电机控制量，通过控制制冷机的电机运转速度，使焦平面红外探测器工作在制冷温度区间；

本发明的步骤s2中焦平面红外探测器的实际工作温度与输出电压之间的函数关系为：

t＝-460.6631(kv)⁴+1052.8133(kv)³-812.6656(kv)²-227.7627(kv)+539.6459

其中，t为焦平面探测器的工作温度，v为输出电压，k为修正系数。

本发明的步骤s3中设定的焦平面红外探测器完成制冷的工作温度区间为：[t10,t20]＝[50k,90k]，达到稳定制冷工作温度的时间t0＝10min(高温工作)，8min(常温工作)。

如图4所示，本发明的步骤s3中判定是否达到稳定制冷工作温度的方法为：设置连续采样间隔时间t,，t,＝tn+1-tn＝tn-tn-1，n取2，3，4……n，分别采集tn-1，tn，tn+1三个时刻的焦平面红外探测器的温度电压数据，经放大转换得到对应温度tn-1，tn，tn+1送至微控制器，由微控制器对相邻连续采样的温度数据相对时间变化的斜率进行比较，斜率计算公式为：

kn-1＝(tn-tn-1)/(tn-tn-1)

kn＝(tn+1-tn)/(tn+1-tn)

将|k1|和|k2|，|k2|和|k3|，……|kn-1|和|kn|比较；

若|kn|≥|kn-1|，但tn-1，tn，则判定焦平面红外探测器的制冷机故障。

若|kn|≤|kn-1|，即使tn-1，tn，tn+1∈[t10,t20]，则判定焦平面红外探测器虽达到稳定制冷工作温度但制冷机未达到稳定状态。

只有当|kn|≥|kn-1|，且tn-1，tn，tn+1∈[t10,t20]，tn+1≤t0三个条件同时满足，才可判定焦平面红外探测器已达到稳定制冷工作温度，且工作稳定。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。