一种带有红外制冷机的红外相机的可靠性管理系统及方法与流程

1.本发明涉及相机领域，具体涉及一种带有红外制冷机的红外相机的可靠性管理系统及方法。


背景技术：

2.红外探测器是红外相机系统的核心器件，为了提高红外相机的探测灵敏度，同时也为了抑制探测器的背景噪声，红外探测器通常工作在低温环境下。红外探测器为倒装焊结构,探测器的光敏元阵列和硅读出电路采用倒焊互连的方式通过铟柱实现电气、机械连接。如果红外探测器在加电工作时低温环境未保障到位，由于探测器各材料对温度非常敏感，其线膨胀系数存在差异，各材料收缩不匹配，将引起应力集中现象，容易造成铟柱断裂、相邻材料间分层裂开等问题。
3.一般情况下红外相机需要采用制冷机为其提供100多k、甚至几十k的低温环境，为了保障红外相机的可靠性，需遵循先制冷机开机后红外探测器加电的顺序操作，这种情况下红外探测器可以正常执行成像任务，但是这种在轨使用方法没有考虑红外相机的可靠性以及制冷机的在轨使用寿命。首先，根据红外探测器的特点，红外制冷机不宜频繁开关，以减少对红外探测器带来的热冲击，因此每次接收到成像任务后执行制冷机开机、红外焦面加电的操作增加了红外焦面损害的风险、降低了红外相机的可靠性；而且，低温制冷很大程度要依靠机械压缩机，因此红外制冷机的寿命一般是有限的，包括制冷机的在轨使用时长和制冷机开关机次数，特别是制冷机开关机次数，因此这种每次接收到成像任务后执行制冷机开机、红外焦面加电的操作减少了制冷机支持成像的次数。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种带有红外制冷机的红外相机的可靠性管理系统及方法，当在轨红外相机处于短期、频繁执行成像任务的工况时，能够解决制冷机在轨寿命低；以及红外焦平面在轨使用时由于焦面过温、焦面误加电引起的安全性低的技术问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
6.一种红外相机的可靠性管理系统，包括：主控模块、第一制冷机驱动模块、第二制冷机驱动模块、第一温度测量模块、第二温度测量模块、制冷机、红外焦面；
7.所述制冷机与所述红外焦面耦合安装以进行冷量传输，所述制冷机用于为红外焦面提供低温工作环境，所述红外焦面用于接收热辐射信号实现红外成像；
8.所述第一制冷机驱动模块、第二制冷机驱动模块分别通过通信总线耦接于所述主控模块，并产生驱动控制信号送往制冷机；所述第一制冷机驱动模块用于产生制冷机的主份驱动控制信号；所述第二制冷驱动模块用于产生制冷机的备份驱动控制信号；
9.所述第一温度测量模块、第二温度测量模块分别通过通信总线耦接于所述主控模块，并通过红外焦面处的传感器测量红外焦面温度；所述第一温度测量模块用于产生红外焦面的主份温度测量信号；所述第二温度测量模块用于产生红外焦面的备份温度测量信
号；
10.所述主控模块用于采集制冷机的红外焦面温度、计算并记录制冷机的工作时长，根据制冷机的红外焦面温度、制冷机的工作时长并结合接收的指令情况切换红外相机的工作模式。
11.优选地，所述红外相机的工作模式包括待机模式、制冷模式和成像模式。
12.优选地，所述主控模块包括电压监测单元、温度监测单元、计时单元、记录单元；
13.所述电压监测单元用于预设电压阈值vh，获取所述预设电压阈值vh与第一制冷驱动模块的电压va的第一电压比较结果，获取所述预设电压阈值vh与第二制冷机驱动模块的第二电压比较结果；基于所述第一电压比较结果或所述第二电压比较结果，确定所述制冷机的状态；所述状态包括开机及关机；
14.所述温度监测单元用于预设红外焦面温度阈值temh，获取所述预设红外焦面温度阈值temh与第一温度测量模块的红外焦面温度tema的第一温度比较结果；获取所述预设红外焦面温度阈值temh与第二温度测量模块的红外焦面温度temb的第二温度比较结果；基于第一温度比较结果及第二温度比较结果，确定所述红外焦面的状态是否为温度超限，并基于所述红外焦面的状态确定红外相机的工作模式；
15.所述计时单元用于预设制冷机工作时间阈值timeh，基于所述电压监测单元的电压监测信息，获取由所述第一制冷驱动模块获取的制冷机的第一工作时长，计为timea；获取由所述第二制冷驱动模块获取的制冷机的第二工作时长，计为timeb；基于所述制冷机工作时间阈值timeh与第一工作时长timea的第一时长比较结果，或制冷机工作时间阈值timeh与第二工作时长timeb的第二时长比较结果，确定所述制冷机的开机时长是否超限，并基于所述制冷机的开机时长确定所述红外相机的工作模式；
16.所述记录模块，用于获取所述计时单元的信息，对制冷机的使用情况进行记录。
17.优选地，所述基于所述第一电压比较结果或所述第二电压比较结果，确定所述制冷机的状态，是指若va》vh或vb》vh，则确定所述制冷机的状态为开机；否则，确定制冷机的状态为关机。
18.优选地，所述基于第一温度比较结果及第二温度比较结果，确定所述红外焦面的状态是否为温度超限，并基于所述红外焦面的状态确定红外相机的工作模式，是指若tema》temh，并且temb》temh，则确定所述红外焦面的状态为温度超限，将红外相机切换为制冷模式。
19.优选地，所述基于所述制冷机工作时间阈值timeh与第一工作时长timea的第一时长比较结果，或制冷机工作时间阈值timeh与第二工作时长timeb的第二时长比较结果，确定所述制冷机的开机时长是否超限，并基于所述制冷机的开机时长确定所述红外相机的工作模式，是指若timea》timeh或timeb》timeh，则确定所述制冷机的开机时长超限，所述红外相机切换为待机模式。
20.本发明所提供的一种红外相机的可靠性管理方法，所述管理方法基于如前所述的红外相机的可靠性管理系统，所述方法包括：
21.步骤s201：基于所述第一温度测量模块的红外焦面温度tema、以及第二温度测量模块的红外焦面温度temb，控制所述红外相机的工作模式；
22.步骤s202：基于所述制冷机的第一工作时长timea、或所述制冷机的第二工作时长
timeb，控制所述红外相机的工作模式。
23.优选地，所述步骤s201，包括：当所述红外相机接收到成像开始指令，且温度监测单元连续n次采集到的红外焦面温度tema小于预设红外焦面温度阈值temh时，所述红外相机由制冷模式切换为成像模式；
24.当所述红外相机接收到成像开始指令，且温度监测单元连续n次采集到的红外焦面温度temb小于预设红外焦面温度阈值temh时，所述红外相机由制冷模式切换为成像模式；
25.当温度监测单元连续n次采集到红外焦面温度tema及红外焦面温度temb，若红外焦面温度tema均大于预设红外焦面温度阈值temh，并且红外焦面温度temb均大于温度阈值temh，则所述红外相机进行过温保护，由成像模式切换为制冷模式；
26.当接收到成像停止指令时，所述红外相机由成像模式切换为制冷模式。
27.优选地，所述步骤s202，包括：
28.当接收到制冷机开机指令时，所述红外相机由待机模式切换为制冷模式；
29.当接收到制冷机关机指令时，所述红外相机由制冷模式切换为待机模式；
30.设置变量制冷机工作时长timea，所述制冷机工作时长timea的数据由计时单元记录；所述制冷机开机时，所述电压监测单元即启动对所述第一电压va的采集，当电压监测单元连续n次采集到第一电压va大于制冷机电压阈值vh时，触发所述制冷机工作时长timea从0开始计时；计时后，若timea的计时尚未到达阈值timeh，并出现电压监测单元连续n次采集到制冷机的驱动电压va小于制冷机电压阈值vh，则触发所述制冷机工作时长timea停止计时；若timea的计时到达阈值timeh，则制冷机工作时长timea停止计时，自动发送第一制冷机驱动模块断电指令；timea停止计时后，制冷机由制冷模式转为待机模式，记录单元完成制冷机使用情况记录，计时单元timea清零；
31.设置变量制冷机工作时长timeb，所述制冷机工作时长timeb的数据由计时单元记录；所述制冷机开机时，所述电压监测单元即启动对所述第一电压vb的采集，当电压监测单元连续n次采集到第二电压vb大于制冷机电压阈值vh时，触发所述制冷机工作时长timeb从0开始计时；计时后，若timeb的计时尚未到达阈值timeh，并出现电压监测单元连续n次采集到制冷机的驱动电压va小于制冷机电压阈值vh，则触发所述制冷机工作时长timeb停止计时；若timeb的计时到达阈值timeh，则制冷机工作时长timeb停止计时，自动发送第一制冷机驱动模块断电指令；timeb停止计时后，制冷机由制冷模式转为待机模式，记录单元完成制冷机使用情况记录，计时单元timeb清零。
32.有益效果：
33.(1)本发明提出了一种红外相机的可靠性管理系统，该系统通过主控模块、第一制冷机驱动模块、第二制冷机驱动模块、第一温度测量模块、第二温度测量模块、制冷机、红外焦面的设置，有利于制冷机在轨的长寿命运行。
34.(2)本发明提出了带有红外制冷机的红外相机的可靠性管理方法，涉及对红外相机制冷机的关机控制，不会由于红外相机频繁、短期的成像任务带来制冷机的频繁开关，有利于制冷机在轨的长寿命运行。
35.(3)本发明对红外相机的温度监测闭环进行控制，提高了红外相机的可靠性，确保红外焦面在轨使用时不会由于焦面过温以及焦面误加电引起的安全性问题。
附图说明
36.图1为带有红外制冷机的红外相机的可靠性管理系统组成框图；
37.图2为带有红外制冷机的红外相机的可靠性管理系统工作模式转换关系示意图。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
39.本发明一种带有红外制冷机的红外相机的可靠性管理系统的方案，该方案能够解决制冷机频繁开关、以及红外焦面在轨使用时的安全问题。
40.如图1所示，本发明提供的一种带有红外制冷机的红外相机的可靠性管理系统，包括主控模块、第一制冷机驱动模块、第二制冷机驱动模块、第一温度测量模块、第二温度测量模块、制冷机、红外焦面；
41.所述制冷机与所述红外焦面耦合安装以进行冷量传输，所述制冷机用于为红外焦面提供低温工作环境，所述红外焦面用于接收热辐射信号实现红外成像；
42.所述第一制冷机驱动模块、第二制冷机驱动模块分别通过通信总线耦接于所述主控模块，并产生驱动控制信号送往制冷机；所述第一制冷机驱动模块用于产生制冷机的主份驱动控制信号；所述第二制冷驱动模块用于产生制冷机的备份驱动控制信号；
43.所述第一温度测量模块、第二温度测量模块分别通过通信总线耦接于所述主控模块，并通过红外焦面处的传感器测量红外焦面温度；所述第一温度测量模块用于产生红外焦面的主份温度测量信号；所述第二温度测量模块用于产生红外焦面的备份温度测量信号；
44.所述主控模块用于采集制冷机的红外焦面温度、计算并记录制冷机的工作时长，根据制冷机的红外焦面温度、制冷机的工作时长并结合接收的指令情况切换红外相机的工作模式。
45.本实施例中，所述红外相机的工作模式包括待机模式、制冷模式和成像模式。
46.进一步地，所述主控模块包括电压监测单元、温度监测单元、计时单元、记录单元。
47.所述电压监测单元用于预设电压阈值vh，获取所述预设电压阈值vh与第一制冷驱动模块的电压va的第一电压比较结果，获取所述预设电压阈值vh与第二制冷机驱动模块的第二电压比较结果；基于所述第一电压比较结果或所述第二电压比较结果，确定所述制冷机的状态；所述状态包括开机及关机。
48.本实施例中，电压va为第一制冷驱动模块获取的制冷机的驱动电压，电压vb为第二制冷驱动模块获取的制冷机的驱动电压。
49.所述温度监测单元用于预设红外焦面温度阈值temh，获取所述预设红外焦面温度阈值temh与第一温度测量模块的红外焦面温度tema的第一温度比较结果；获取所述预设红外焦面温度阈值temh与第二温度测量模块的红外焦面温度temb的第二温度比较结果；基于第一温度比较结果及第二温度比较结果，确定所述红外焦面的状态是否为温度超限，并基于所述红外焦面的状态确定红外相机的工作模式。
50.所述计时单元用于预设制冷机工作时间阈值timeh，基于所述电压监测单元的电压监测信息，获取由所述第一制冷驱动模块获取的制冷机的第一工作时长，计为timea；获取由所述第二制冷驱动模块获取的制冷机的第二工作时长，计为timeb；基于所述制冷机工
作时间阈值timeh与第一工作时长timea的第一时长比较结果，或制冷机工作时间阈值timeh与第二工作时长timeb的第二时长比较结果，确定所述制冷机的开机时长是否超限，并基于所述制冷机的开机时长确定所述红外相机的工作模式。
51.所述记录模块，用于获取所述计时单元的信息，对制冷机的使用情况进行记录。
52.进一步地，所述基于所述第一电压比较结果或所述第二电压比较结果，确定所述制冷机的状态，是指若va》vh或vb》vh，则确定所述制冷机的状态为开机；否则，确定制冷机的状态为关机。
53.进一步地，所述基于第一温度比较结果及第二温度比较结果，确定所述红外焦面的状态是否为温度超限，并基于所述红外焦面的状态确定红外相机的工作模式，是指若tema》temh，并且temb》temh，则确定所述红外焦面的状态为温度超限，将红外相机切换为制冷模式。本实施例中，红外相机切换为制冷模式的方式包括所述红外相机保持制冷模式，或由成像模式转为制冷模式。
54.进一步地，所述基于所述制冷机工作时间阈值timeh与第一工作时长timea的第一时长比较结果，或制冷机工作时间阈值timeh与第二工作时长timeb的第二时长比较结果，确定所述制冷机的开机时长是否超限，并基于所述制冷机的开机时长确定所述红外相机的工作模式，是指若timea》timeh或timeb》timeh，则确定所述制冷机的开机时长超限，所述红外相机切换为待机模式。本实施例中，红外相机切换为待机模式的方式为由制冷模式切换为待机模式。
55.本发明还提供了一种带有红外制冷机的红外相机的可靠性管理方法，所述管理方法基于如前所述的红外相机的可靠性管理系统，如图2所示。所述方法包括：
56.步骤s201：基于所述第一温度测量模块的红外焦面温度tema、以及第二温度测量模块的红外焦面温度temb，控制所述红外相机的工作模式；其中：
57.当所述红外相机接收到成像开始指令，且温度监测单元连续n次采集到的红外焦面温度tema小于预设红外焦面温度阈值temh时，所述红外相机由制冷模式切换为成像模式；
58.当所述红外相机接收到成像开始指令，且温度监测单元连续n次采集到的红外焦面温度temb小于预设红外焦面温度阈值temh时，所述红外相机由制冷模式切换为成像模式；
59.当温度监测单元连续n次采集到红外焦面温度tema及红外焦面温度temb，若红外焦面温度tema均大于预设红外焦面温度阈值temh，并且红外焦面温度temb均大于温度阈值temh，则所述红外相机进行过温保护，由成像模式切换为制冷模式；
60.当接收到成像停止指令时，所述红外相机由成像模式切换为制冷模式。
61.步骤s202：基于所述制冷机的第一工作时长timea、或所述制冷机的第二工作时长timeb，控制所述红外相机的工作模式；其中：
62.当接收到制冷机开机指令时，所述红外相机由待机模式切换为制冷模式；
63.当接收到制冷机关机指令时，所述红外相机由制冷模式切换为待机模式；
64.设置变量制冷机工作时长timea，所述制冷机工作时长timea的数据由计时单元记录；所述制冷机开机时，所述电压监测单元即启动对所述第一电压va的采集，当电压监测单元连续n次采集到第一电压va大于制冷机电压阈值vh时，触发所述制冷机工作时长timea从
0开始计时；计时后，若timea的计时尚未到达阈值timeh，并出现电压监测单元连续n次采集到制冷机的驱动电压va小于制冷机电压阈值vh，则触发所述制冷机工作时长timea停止计时；若timea的计时到达阈值timeh，则制冷机工作时长timea停止计时，自动发送第一制冷机驱动模块断电指令；timea停止计时后，制冷机由制冷模式转为待机模式，记录单元完成制冷机使用情况记录，计时单元timea清零；
65.也就是说，本实施例中，timea的开始与停止与采集的va相关，红外成像开始，电路工作正常的情况下采集到的va会大于vh，如果采集到n次va大于vh，这时计时单元记录的timea开始从0计时。在采集到n次va小于vh时，timea停止。之所以能够连续n次采集到低于vh，是由于由于某种因素，已经发送了制冷机关机指令，也就是说，只要发送了制冷机关机指令，就会连续n次采集到va小于vh。
66.对于timea的计时到达阈值timeh的情况，是指并未出现连续n次采集到va小于vh的情况，则timea一直计时，直到时间达到阈值timeh。
67.设置变量制冷机工作时长timeb，所述制冷机工作时长timeb的数据由计时单元记录；所述制冷机开机时，所述电压监测单元即启动对所述第一电压vb的采集，当电压监测单元连续n次采集到第二电压vb大于制冷机电压阈值vh时，触发所述制冷机工作时长timeb从0开始计时；计时后，若timeb的计时尚未到达阈值timeh，并出现电压监测单元连续n次采集到制冷机的驱动电压va小于制冷机电压阈值vh，则触发所述制冷机工作时长timeb停止计时；若timeb的计时到达阈值timeh，则制冷机工作时长timeb停止计时，自动发送第一制冷机驱动模块断电指令；timeb停止计时后，制冷机由制冷模式转为待机模式，记录单元完成制冷机使用情况记录，计时单元timeb清零。
68.本实施例中，timeb的原理与timea相同，在此不再赘述。
69.本实施例中，所述记录单元完成制冷机使用情况记录包括将timea或timeb的值累加到制冷机工作时长中，制冷机开关机次数加1。
70.下面以一个具体的实施例说明本发明的带有红外制冷机的红外相机的可靠性管理系统及方法。
71.带有红外制冷机的红外相机的可靠性管理系统，包括主控模块、制冷机驱动模块a、制冷机驱动模块b、温度测量模块a、温度测量模块b和通信总线；主控模块包括计时单元、电压监测单元、温度监测单元。
72.红外相机的工作模式包括待机模式、制冷模式和成像模式；根据温度监测单元的测量结果，完成红外相机从制冷模式到成像模式的转换；根据计时单元的测量结果，完成红外相机从制冷模式到待机模式的转换。
73.电压监测单元：通过通信总线接收制冷机驱动模块a的电压va和制冷机驱动模块b的电压vb，提供设定阈值，所述设定值为制冷机驱动模块电压阈值vh，数值为0.5v，通过与设定阈值的比较以获取红外制冷机的开关机状态，va》vh或vb》vh则认为制冷机开机，否则制冷机关机；
74.温度监测单元：通过通信总线接收温度测量模块a测量的红外焦面温度tema和温度测量模块b测量的红外焦面温度temb，提供设定阈值，所述设定值为红外焦面温度阈值temh，数值范围为1mk至273k，通过与设定阈值的比较以进行红外焦面温度超限保护控制，tema》temh且temb》temh则认为温度超限，停留在制冷模式，或由成像模式转入制冷模式；
75.计时单元：通过电压监测单元对驱动模块a和驱动模块b的电压监测结果，获取制冷机的工作时长timea、timeb，提供设定阈值，所述设定值为红外制冷机工作时长阈值timeh，数值范围为10分钟至30天，通过与设定阈值的比较以进行制冷机开机时长保护控制，timea》timeh或timeb》timeh则认为制冷机开机时间超限，由制冷模式转入待机模式；
76.所述的温度测量值包括红外焦面温度tema和红外焦面温度temb，当红外相机接收到成像开始指令，且温度监测单元连续4次采集红外焦面温度tema小于温度阈值temh时，由制冷模式转入成像模式；当红外相机接收到成像开始指令，且温度监测单元连续4次采集红外焦面温度temb小于温度阈值temh时，由制冷模式转入成像模式；当温度监测单元连续4次采集红外焦面温度tema大于温度阈值temh且红外焦面温度temb大于温度阈值temh时，红外相机进行过温保护，由成像模式转入制冷模式。
77.所述制冷机开机时间包括制冷机工作时长timea和制冷机工作时长timeb，电压监测单元连续4次采集到制冷机的驱动电压va大于制冷机电压阈值vh，计时单元记录的制冷机工作时长timea从0开始计时，若尚未到达阈值timeh，出现电压监测单元连续4次采集到制冷机的驱动电压va小于制冷机电压阈值vh，计时单元记录的制冷机工作时长timea停止计时，若计时到达阈值timeh，则制冷机工作时长timea停止计时，自动发送制冷机驱动模块a断电指令，timea停止计时后，由制冷模式转为待机模式，记录单元完成制冷机使用情况记录，计时单元timea完成清零；电压监测单元连续4次采集到制冷机的驱动电压vb大于制冷机电压阈值vh，计时单元记录的制冷机工作时长timeb从0开始计时，若尚未到达阈值timeh，出现电压监测单元连续4次采集到制冷机的驱动电压vb小于制冷机电压阈值vh，计时单元记录的制冷机工作时长timeb停止计时，若计时到达阈值timeh，则制冷机工作时长timeb停止计时，自动发送制冷机驱动模块b断电指令，timeb停止计时后，由制冷模式转为待机模式，记录单元完成制冷机使用情况记录，计时单元timeb完成清零。
78.所述记录单元完成制冷机使用情况记录包括将timea或timeb的值累加到制冷机工作时长中，制冷机开关机次数加1。
79.以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。