Noise Reduction Optimization of Photoelectric Pod Based on High Pressure Refrigeration
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摘要:
介绍了一种高压制冷的红外制导系统应用情况，对密封的光电吊舱开展了降噪优化设计工作。针对光电转换器制冷器的回气孔设计问题，采用流体仿真方法得到了较优的结构参数值，并通过了系统联调验证，降低了系统背景噪声，提高了系统的探测灵敏度。仿真结果验证了优化方案的正确性和可行性，对光电武器类的系统设计具有工程指导意义。
Abstract:An infrared guidance system with high-pressure nitrogen refrigeration was introduced, and a noise reduction optimization design was conducted for a photoelectric pod with a sealed structure. To design an air return hole for a photoelectric converter refrigeration unit, fluid simulation methods were used to obtain optimized structural parameter values, system verification passes, background noise reduction, and improved system detection sensitivity. The simulation results verified the correctness and feasibility of the optimization scheme, which has engineering-guiding significance for the system design of photoelectric weapons.
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Keywords:
- electro-optical pod /
- refrigerated return nitrogen /
- cavity noise /
- optimal design
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0. 引言
在探测制导领域，主要包含雷达主动/半主动寻的制导、激光主动/半主动寻的制导、红外成像制导、微波寻的制导、电视指令寻的制导和复合制导等方式，结合当今信息化、隐身和空袭等复杂战场环境应用场景，在众多制导技术中，红外制导具有被动响应、隐蔽性强、良好的抗干扰能力、制导精度高等十分明显的优势，尤其是在末端防御方面应用广泛，因此亟需重视红外精确制导相关技术研究[1]。
某型弹载光电吊舱红外制导系统主要是用于对空中典型喷管类目标所辐射出的红外能量进行探测和跟踪，主要由整流罩热防护、光学系统、信息处理和结构布局等多学科构成[2-3]。其中光学系统在制导系统中占据极其重要的作用，而光电转换器是其中最核心关键的部件，其对目标的成像质量及分辨率直接影响到探测距离及跟踪精度[4]。目前国内研究重点关注光电转换器单机自身探测响应率、节流制冷器的制冷效能等方面的性能提升，未充分考虑到光电转换器装配集成至系统级的噪声响应情况。从光电转换器的制冷器结构布局方面开展单机与系统协同优化设计，探究制冷器不同低温回气结构对光电转换器的噪声响应影响，进一步的改进提升光电转换器单机的探测性能，从而提高整个光电吊舱系统的稳定跟踪能力。
1. 红外光电吊舱系统探测模型
本文涉及的光电吊舱光学系统主要由整流罩、主反射镜、次反射镜、偏心镜和光电转换器等部组件构成[5]，其采用玫瑰扫描工作机制，利用反向旋转的主次反射镜和偏心镜进行透光聚光，实现对目标的光学扫描，使其在光电转换器的焦平面上形成玫瑰状光斑，该光斑经光电转换器形成电脉冲信号，通过对该信号进行解算和跟踪处理，计算出目标辐射能量大小和目标位置，最终形成正比于目标视线角速度的导引信号，经处理后输出给控制系统驱动陀螺进动，用于实现对光电吊舱的闭环制导控制，图 1为光电吊舱系统的组成结构图。
光电转换器的特征机理表现为肖特基二极管的光电特性，当红外辐射能量照射到低温工作的光伏型锑化铟芯片时，锑化铟芯片吸收红外辐射后产生光生载流子，其在P区产生的电子及N区产生的空穴扩散生成PN结，光电子穿过肖特基结形成光电流，最后经电路处理后转换成目标能量位置等电信号。由于锑化铟芯片必须在极低温下工作，因此采用高压氮气经节流制冷器将锑化铟芯片冷却，从而实现对目标的探测及跟踪，图 2为节流制冷器的结构示意图。其中节流制冷器通过外界高压输入到毛细管，在毛细管外壁缠绕管翅式换热器，实现对芯片前端的节流制冷，制冷后的回气在管翅换热器缝隙间进行回流，最终通过制冷器的回气斜孔排出[6]。
根据光电转换器在红外光学系统中的安装要求，其固定在偏心镜筒内，形成一个长条形圆柱腔体，光电转换器的光敏探测元处于腔体正前端。本文通过构建光电转换器的密封腔流体模型，图 3为光电转换器腔体流体网格图，以吊舱实际工况作为边界条件，运用流体仿真方法对制冷器的回气孔进行结构参数优化设计，以降低系统背景噪声，提高系统的探测灵敏度。
2. 光电转换器的探测率理论分析
探测率D*通常可以表示为当光电转换器的有效接收面积为单位面积时，同时放大器的带宽为1 Hz时，单位功率的辐射所能获得的信噪比[7-8]。D*的数值越大表明光电转换器的探测灵敏度性能越好[9]。一般采用黑体辐射源测得的探测率作为黑体探测率，用符号D*表示，单位为cm⋅Hz1/2⋅W－1。
$$ {D^*} = \frac{{{{\rm{ \mathsf{ π} }}}{L^2} \cdot {V_{\text{s}}} \cdot \sqrt {\Delta f} }}{{\alpha \cdot \varepsilon \cdot \sigma \cdot ({T^4} - T_0^4){A_\phi } \cdot {V_{\text{n}}} \cdot \sqrt {{A_{\text{d}}}} }} $$ 式中：Vs和Vn分别表示信号与噪声电压值，mV；Δf表示系统带宽，Hz；Ad为光电转换器的有效光敏面积，cm2；ε为黑体辐射源的有效发射率；α为调制系数；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10－12 W·cm－2·K－4；T和T0分别为黑体温度与环境温度，K；Aϕ为黑体光阑孔面积，cm2；L为黑体光阑孔与光电转换器光敏面间的距离，cm。
因此，在系统带宽及光敏面等其它参数不变的情况下，通过降低噪声响应输出，可有效增加光电转换器的探测率，提高系统的灵敏阈。
3. 制冷回气孔的结构优化设计
3.1 倾斜角对窗口制冷特性的影响分析
为充分评估装配腔体内的气流压力及流速情况，通过对制冷器回气孔的倾斜角进行仿真分析[10-12]，根据图 4倾斜角与窗口制冷流速的仿真结果可知，随着开孔倾斜角的增大，窗口流速先下降后快速上升。表 1为倾斜角与腔内气压及流速对照表。
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图 4 倾斜角与制冷窗口气体流速关系图Figure 4. Diagram of the opening angle and the gas flow rate in the refrigeration window表 1 倾斜角与腔内气压及最大流速对照表Table 1. Comparison table of opening angle with cavity pressure and maximum flow velocityOpening angle Photosensitive surface pressure /MPa Maximum flow velocity of vent hole/(m/s) 75° 0.0944 1910 90° 0.0992 1791 105° 0.1057 1784 120° 0.1097 1871 135° 0.1123 1933 150° 0.1144 1946 165° 0.1154 1952 由图 5~图 7可知，同时结合不同倾斜角时的装配腔体对应的制冷窗口压力与速度云图，当回气孔开孔方向与轴心线的倾斜角为75°时，对应的腔体内压力为0.0944 MPa，窗口前端平均流速为6.39 m/s；倾斜角为120°时，腔体内压力为0.1097 MPa，窗口前端平均流速为3.45 m/s；倾斜角为165°时，腔体内压力为0.1154 MPa，窗口前端平均流速达到26.97 m/s。随着倾斜角的增加，腔体内的制冷回气压力逐渐增大，增加了窗口的制冷效果。因此，为减小窗口前端的热噪声，可将回气孔的开孔倾斜角增大，但随着倾斜角的增大，回气孔零件的斜孔加工难度会急剧增加，在实际生产过程中需充分考虑到零件的可制造性。
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图 5 θ＝75°时装配腔体内的速度流线图Figure 5. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at θ＝75°![]()
图 6 θ＝120°时装配腔体内的速度流线图Figure 6. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at θ＝120°![]()
图 7 θ＝165°时装配腔体内的速度流线图Figure 7. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at θ＝165°3.2 开孔数对窗口制冷特性的影响分析
制冷器回气孔的开孔数对光电转换器的光敏面窗口前端制冷效果有很大的影响作用。通过开展开孔数单变量因素流体仿真分析，可得到整个制冷器装配腔体内的流体情况。由图 8开孔数与制冷窗口的流速关系图可知，随着开孔数增加，制冷窗口的流速基本呈现逐渐下降趋势。表 2为开孔数与腔内气压及流速对照表。
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图 8 开孔数与制冷窗口气体流速关系图Figure 8. Diagram of the opening number and the gas flow rate in the refrigeration window表 2 开孔数与腔内气压及最大流速对照表Table 2. Comparison table of opening number with cavity pressure and maximum flow velocityOpening number Photosensitive surface pressure /MPa Maximum flow velocity of vent hole/(m/s) 2 0.1144 1947 3 0.1102 1301 4 0.1091 978.4 5 0.1075 769.6 6 0.1067 635.7 7 0.106 543.7 8 0.1055 473.5 由图 9~图 11可知，当开孔数为对称方向2个时，腔体内的压力为0.1144 MPa，窗口前端平均流速为7.54 m/s，制冷窗口的气流束密集汇聚；开孔数为5个时，此时腔体内的压力为0.1075 MPa，窗口前端平均流速为1.27 m/s，窗口端气流较均匀；开孔数为周向8个时，腔体内的压力为0.1055 MPa，窗口前端平均流速为0.38 m/s，对应的制冷窗口气流束稀疏。随着开孔数的增加，腔体内制冷回气压力逐渐下降，窗口前端制冷性能不足。因此，为使得装配腔体内的制冷回气较长时间保持在腔体内起到制冷降温作用，需控制回气孔的开孔数。
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图 9 N＝2时装配腔体内的速度流线图Figure 9. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at N＝2![]()
图 10 N＝5时装配腔体内的速度流线图Figure 10. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at N＝5![]()
图 11 N＝8时装配腔体内的速度流线图Figure 11. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at N＝83.3 回气孔径对窗口制冷特性的影响分析
光电转换器的回气孔开孔直径将影响到装配腔体内的出口气体流速及压力分布，通过对光电转换器装配腔体模型的流体仿真分析，可以得出小孔径的回气孔出口端流速及压力较大，压力积聚在制冷器出气气路中难以快速进行释放，对制冷气管的耐压提出了很高的要求。由图 12孔径与制冷窗口流速关系图可知，随着开孔直径增大，在光敏窗口前端的制冷气体流速下降，其中孔径与腔内气压及最大出口流速关系对照表见表 3。
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图 12 孔径与制冷窗口气体流速关系图Figure 12. Diagram of the opening diameter and the gas flow rate in the refrigeration window表 3 孔径与腔内气压及最大流速对照表Table 3. Comparison table of opening diameter with cavity pressure and maximum flow velocityOpening diameter/mm Photosensitive surface pressure /MPa Maximum flow velocity of vent hole/(m/s) 0.5 0.1097 1871 0.75 0.1057 806.5 1.0 0.1038 446.9 1.25 0.1029 305.7 1.5 0.1025 227.7 1.75 0.1022 194.7 2.0 0.1019 183.6 根据图 13~图 18流速及气压流线图，当开孔直径为0.5 mm时，对应的窗口前端制冷回流气体平均流速为3.45 m/s，回气孔最大流速达到1871 m/s，腔内气压为0.1097 MPa；开孔直径为1.25 mm时，对应的窗口前端制冷回流气体平均流速为0.28 m/s，回气孔最大流速降至305.7 m/s，腔内气压为0.1029 MPa；而开孔直径为2 mm时，窗口前端平均流速仅为0.23 m/s，回气孔最大流速为183.6 m/s，腔内气压为0.1019 MPa。因此，较小孔径下带来的高流速能够快速完成腔体内制冷回气的置换过程，有利于降低窗口的背景噪声。
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图 13 ϕ＝0.5 mm时装配腔体内的速度流线图Figure 13. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at ϕ＝0.5 mm![]()
图 14 ϕ＝0.5 mm时装配腔体内的气压流线图Figure 14. Pressure streamline diagram in the assembly chamber at ϕ＝0.5 mm![]()
图 15 ϕ＝1.25 mm时装配腔体内的速度流线图Figure 15. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at ϕ＝1.25 mm![]()
图 16 ϕ＝1.25 mm时装配腔体内的气压流线图Figure 16. Pressure streamline diagram in the assembly chamber at ϕ＝1.25 mm![]()
图 17 ϕ＝2.0 mm时装配腔体内的速度流线图Figure 17. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at ϕ＝2.0 mm![]()
图 18 ϕ＝2.0 mm时装配腔体内的气压流线图Figure 18. Pressure streamline diagram in the assembly chamber at ϕ＝2.0 mm3.4 光电吊舱系统的联调验证
基于上文中对制冷器回气孔结构形式的优化设计分析，综合考虑实际加工情况，采用直径为ϕ1 mm、双对称及150°开孔角的设计方案，并将该零件按设计要求加工并装配集成光电吊舱系统进行输出噪声测试验证。图 19为优化改进后的制冷器零件实物图。
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图 19 结构优化后的制冷器零件实物Figure 19. Photo of the refrigerator parts after structural optimization优化改进前光电吊舱系统背景噪声测试结果如图 20所示，全过程噪声输出偏大、毛刺多，噪声输出幅值达到3.8 V；改进后的背景噪声测试结果如图 21，噪声输出明显降低，噪声幅值为2.5 V，背景噪声下降了34.2%。
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图 20 改进前的光电吊舱系统噪声响应Figure 20. Noise response diagram of photoelectric pod system before improvement![]()
图 21 改进后的光电吊舱系统噪声响应Figure 21. Noise response diagram of the improved photoelectric pod system4. 光电吊舱系统的流场分析
根据光电吊舱系统的工作机制，将20 MPa高压氮气输入到光电转换器的制冷器内进行等熵绝热节流制冷，低温回流气体从制冷器回气孔流出，在装配腔体内扩散后最终进入光电吊舱腔体，当腔体内压力持续增加至泄压阀开启阈值时，泄压阀正常开启工作。根据图 22、图 23吊舱系统流体仿真结果可知，当边界条件为开孔数2个、回气孔径为0.5 mm和倾斜角150°时，光电吊舱腔体内的压力为0.132 MPa，满足整流罩的耐压安装强度不大于0.2 MPa要求。制冷回流气体在腔体内运行轨迹，在光电吊舱的后腔内形成局部回旋涡流，经泄气阀出口与大气压相通，而腔体的前端光学区域内回流均匀平稳。
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图 22 光电吊舱系统腔内速度流线图（N＝2、ϕ＝0.5 mm、θ＝150°）Figure 22. Velocity streamline diagram of the photoelectric pod system cavity at N＝2, ϕ＝0.5 mm, θ＝150°![]()
图 23 光电吊舱系统腔内压力流线图（N＝2、ϕ＝0.5 mm、θ＝150°）Figure 23. Pressure streamline diagram of the photoelectric pod system cavity at N＝2, ϕ＝0.5 mm, θ＝150°综上，在系统总体设计时，需充分考虑腔体内气压平衡，在满足光电吊舱腔体密封存储要求下，需合理设置泄压阀的开启阈值压力，防止舱内压力过高，造成整流罩承压强度受损。在满足结构强度、气密性等条件下，将腔体内的低温回流气压维持在相对较高的水平对整个红外光学系统探测率和灵敏阈有一定的提升作用。
5. 结语
本文通过对一种密封腔体结构形式的光电吊舱红外光学系统展开分析，从制冷器的回气孔孔径、开孔数和开孔倾斜角等方面进行降噪优化设计，借用流体仿真分析方法确定相关参数变量值。通过提高腔体内制冷气压，能够降低系统背景噪声，从而提升红外光学系统的灵敏阈，该优化方案已在光电吊舱系统联调中得到了验证应用。
在针对光电吊舱开展总体设计时，除单方面考核器件的光电探测性能要求外，需综合考虑光、机、电和流体等多方面耦合因素的影响，譬如整流罩的耐压强度、泄压阀的开启压力、光学成像品质等相关要求，充分运用仿真手段进行辅助设计，缩短型号研制周期，提升研制效率，以适应航天高质量快速发展的新要求。
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图 4 倾斜角与制冷窗口气体流速关系图
Figure 4. Diagram of the opening angle and the gas flow rate in the refrigeration window
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图 5 θ＝75°时装配腔体内的速度流线图
Figure 5. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at θ＝75°
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图 6 θ＝120°时装配腔体内的速度流线图
Figure 6. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at θ＝120°
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图 7 θ＝165°时装配腔体内的速度流线图
Figure 7. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at θ＝165°
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图 8 开孔数与制冷窗口气体流速关系图
Figure 8. Diagram of the opening number and the gas flow rate in the refrigeration window
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图 9 N＝2时装配腔体内的速度流线图
Figure 9. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at N＝2
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图 10 N＝5时装配腔体内的速度流线图
Figure 10. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at N＝5
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图 11 N＝8时装配腔体内的速度流线图
Figure 11. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at N＝8
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图 12 孔径与制冷窗口气体流速关系图
Figure 12. Diagram of the opening diameter and the gas flow rate in the refrigeration window
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图 13 ϕ＝0.5 mm时装配腔体内的速度流线图
Figure 13. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at ϕ＝0.5 mm
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图 14 ϕ＝0.5 mm时装配腔体内的气压流线图
Figure 14. Pressure streamline diagram in the assembly chamber at ϕ＝0.5 mm
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图 15 ϕ＝1.25 mm时装配腔体内的速度流线图
Figure 15. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at ϕ＝1.25 mm
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图 16 ϕ＝1.25 mm时装配腔体内的气压流线图
Figure 16. Pressure streamline diagram in the assembly chamber at ϕ＝1.25 mm
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图 17 ϕ＝2.0 mm时装配腔体内的速度流线图
Figure 17. Velocity streamline diagram in the assembly chamber at ϕ＝2.0 mm
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图 18 ϕ＝2.0 mm时装配腔体内的气压流线图
Figure 18. Pressure streamline diagram in the assembly chamber at ϕ＝2.0 mm
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图 19 结构优化后的制冷器零件实物
Figure 19. Photo of the refrigerator parts after structural optimization
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图 20 改进前的光电吊舱系统噪声响应
Figure 20. Noise response diagram of photoelectric pod system before improvement
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图 21 改进后的光电吊舱系统噪声响应
Figure 21. Noise response diagram of the improved photoelectric pod system
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图 22 光电吊舱系统腔内速度流线图（N＝2、ϕ＝0.5 mm、θ＝150°）
Figure 22. Velocity streamline diagram of the photoelectric pod system cavity at N＝2, ϕ＝0.5 mm, θ＝150°
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图 23 光电吊舱系统腔内压力流线图（N＝2、ϕ＝0.5 mm、θ＝150°）
Figure 23. Pressure streamline diagram of the photoelectric pod system cavity at N＝2, ϕ＝0.5 mm, θ＝150°
表 1 倾斜角与腔内气压及最大流速对照表
Table 1 Comparison table of opening angle with cavity pressure and maximum flow velocity
Opening angle Photosensitive surface pressure /MPa Maximum flow velocity of vent hole/(m/s) 75° 0.0944 1910 90° 0.0992 1791 105° 0.1057 1784 120° 0.1097 1871 135° 0.1123 1933 150° 0.1144 1946 165° 0.1154 1952 
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表 2 开孔数与腔内气压及最大流速对照表
Table 2 Comparison table of opening number with cavity pressure and maximum flow velocity
Opening number Photosensitive surface pressure /MPa Maximum flow velocity of vent hole/(m/s) 2 0.1144 1947 3 0.1102 1301 4 0.1091 978.4 5 0.1075 769.6 6 0.1067 635.7 7 0.106 543.7 8 0.1055 473.5
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表 3 孔径与腔内气压及最大流速对照表
Table 3 Comparison table of opening diameter with cavity pressure and maximum flow velocity
Opening diameter/mm Photosensitive surface pressure /MPa Maximum flow velocity of vent hole/(m/s) 0.5 0.1097 1871 0.75 0.1057 806.5 1.0 0.1038 446.9 1.25 0.1029 305.7 1.5 0.1025 227.7 1.75 0.1022 194.7 2.0 0.1019 183.6
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