火星礦物光譜分析儀（MMS）是我國開展首次火星探測(cè)任務(wù)配置的科學(xué)載荷之一，安裝于火星探測(cè)環(huán)繞器內(nèi)，在運(yùn)動(dòng)中對(duì)火星表面目標(biāo)進(jìn)行光譜遙感探測(cè)。512×320元短波紅外焦平面制冷組件是火星礦物光譜分析儀的重要件，用于高光譜成像。儀器突破了紅外背景抑制、高效分光組件、器上組合定標(biāo)等關(guān)鍵技術(shù)，集輕小型、低功耗、高性能于一身，以期實(shí)現(xiàn)探的更“精”、測(cè)的更“準(zhǔn)”的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和中國科學(xué)院大學(xué)組成的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“天問一號(hào)礦物光譜儀短波紅外焦平面制冷組件”為主題的文章。該文章第一作者為曾智江副研究員，主要從事紅外探測(cè)器封裝與集成技術(shù)的研究工作；通訊作者為李雪研究員，主要從事航天遙感用紅外光電探測(cè)器的基礎(chǔ)研究和組件技術(shù)的研究工作。

本文分析了火星礦物光譜儀512×320元紅外探測(cè)器制冷組件特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了紅外焦平面探測(cè)器、集成式杜瓦組件、制冷機(jī)等研制和技術(shù)難點(diǎn)。紅外組件成功應(yīng)用在“天問一號(hào)”火星探測(cè)器上，為我國下一步深空探測(cè)的紅外組件發(fā)展提供了一定的參考。

短波紅外焦平面制冷組件總體技術(shù)

由于火星探測(cè)任務(wù)的載荷數(shù)量多，將火星探測(cè)器運(yùn)至地球逃逸軌道需要大推力火箭，因而火星礦物光譜儀有效載荷需要盡量的輕巧、集成化程度高，故火星礦物光譜儀的紅外探測(cè)器制冷組件需要設(shè)計(jì)成小尺寸、輕質(zhì)、小功耗(Low SWaP)的集成組件。火星礦物光譜儀的短波紅外（SWIR）集成式探測(cè)器杜瓦制冷機(jī)組件（IDDCA）總體技術(shù)要求如表1所示。

表1 火星礦物光譜儀集成式探測(cè)器杜瓦制冷機(jī)組件總體技術(shù)

集成式探測(cè)器杜瓦制冷機(jī)組件特點(diǎn)

短波紅外探測(cè)器設(shè)計(jì)

火星礦物光譜分析儀用512×320元短波紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)方案為：紅外焦平面芯片由碲鎘汞外延材料通過n-on-p平面結(jié)工藝制備；采用CTIA輸入級(jí)讀出電路；以銦柱直接倒焊互連方式構(gòu)成512×320元紅外焦平面器件。采用開窗模式對(duì)512×320元紅外焦平面器件的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行積分、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和輸出，電路工作模式采用幀積分工作方式。表2為火星礦物光譜儀系統(tǒng)光學(xué)主要參數(shù)。

表2 火星礦物光譜儀系統(tǒng)光學(xué)主要參數(shù)

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)要求，可以得出杜瓦內(nèi)探測(cè)器的輸入光子能量。依此短波紅外焦平面總體設(shè)計(jì)，如波長(zhǎng)為3.4 μm時(shí)，其總噪聲與1.595 μm波段相同，其量子效率QE取0.3（該波段下量子效率指標(biāo)要求不小于30%），根據(jù)入射光子數(shù)則可推算信噪比。火星光譜儀512×320元短波紅外探測(cè)器的研制結(jié)果如表3所示，組件信噪比與設(shè)計(jì)指標(biāo)相吻合。

表3 火星光譜儀短波紅外探測(cè)器技術(shù)參數(shù)

圖1為火星光譜儀512×320元短波紅外探測(cè)器實(shí)物照片。

圖1 火星光譜儀512×320元短波紅外探測(cè)器

集成式紅外組件杜瓦

火星礦物光譜儀的集成式杜瓦是紅外探測(cè)器工作的必要保護(hù)屏障和光電性能傳輸?shù)挠行аb置，為其提供真空、低溫環(huán)境，同時(shí)實(shí)現(xiàn)探測(cè)器與整機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的后光路耦合匹配。在杜瓦冷平臺(tái)上安裝焦平面探測(cè)器、濾光片支撐、濾光片、冷光闌等。杜瓦冷平臺(tái)的力學(xué)支撐采用高強(qiáng)度單點(diǎn)冷指結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用抗徑向沖擊的斜支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體如圖2所示。火星礦物光譜儀紅外杜瓦組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)體現(xiàn)三個(gè)方面：1）輕量化抗沖擊集成式封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2）組件內(nèi)分光設(shè)計(jì)；3）異形冷平臺(tái)設(shè)計(jì)。

圖2 512×320短波紅外探測(cè)器杜瓦組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

為了確保火星礦物探測(cè)的特定要求，即需滿足14 grms（20~2000 Hz）量級(jí)隨機(jī)振動(dòng)、1400 g量級(jí)機(jī)械沖擊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)冷平臺(tái)減重、冷屏輕量化設(shè)計(jì)，提高抗沖擊能力，有效降低冷指負(fù)載，以提高組件環(huán)境力學(xué)后的可靠裕度。杜瓦內(nèi)冷指頂部的零部件及其質(zhì)量如表4所示。

表4 杜瓦內(nèi)冷指頂部的零部件及其質(zhì)量

冷平臺(tái)未進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化前，其質(zhì)量為10.74 g，優(yōu)化后為6.92 g；冷屏采用電鑄工藝成型，其厚度為0.1 mm，質(zhì)量比機(jī)加工冷屏（約2.57 g）減輕一半。

為了確保杜瓦內(nèi)冷屏進(jìn)行有效分光，且減小分光時(shí)濾光片支架的遮擋，確保集成化和微型化封裝要求，采用單片三波段的集成化分波段鍍膜的全新設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)要求如圖3所示（尺寸單位：mm），濾光片鍍膜區(qū)域A、B、C波段具體的通光范圍見表1。

圖3 濾光片分區(qū)設(shè)計(jì)要求

由于光譜儀探測(cè)目標(biāo)信號(hào)較弱，需要較長(zhǎng)的積分時(shí)間獲取目標(biāo)信息。火星礦物光譜儀的紅外探測(cè)器積分時(shí)間典型值為40 ms，如果在圓形平面冷平臺(tái)上直接膠結(jié)紅外探測(cè)器，則容易在40 ms長(zhǎng)積分時(shí)間時(shí)產(chǎn)生圓形狀噪聲斑，實(shí)際熱噪聲分布如圖4所示。

圖4 集成式探測(cè)器杜瓦制冷機(jī)組件在40 ms積分時(shí)間下噪聲分布圖

考慮到天問一號(hào)衛(wèi)星環(huán)繞器和著陸器在火星軌道分離，探測(cè)器組件需要承受1400 g的沖擊，因而探測(cè)器耦合支撐的冷平臺(tái)需進(jìn)行輕量化和集成化設(shè)計(jì)。圖5為探測(cè)器安裝的冷平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，中心區(qū)域采用應(yīng)力隔離設(shè)計(jì)，有效消除制冷機(jī)周期性運(yùn)動(dòng)對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生的熱噪聲。測(cè)量不同型號(hào)集成式制冷機(jī)形成熱噪聲斑直徑，其大小約為冷指直徑的0.83倍左右，且降低制冷機(jī)充氣壓力，噪聲強(qiáng)度減弱，熱噪聲形成應(yīng)該與冷平臺(tái)受到的氣缸內(nèi)氣體膨脹周期性壓力相關(guān)。

圖5 噪聲隔離冷平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6為探測(cè)器粘接在新型冷平臺(tái)上的噪聲情況。冷平臺(tái)通過釬焊與冷指密封連接，確保力學(xué)強(qiáng)度和可靠性。

圖6 噪聲隔離設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的40 ms積分時(shí)間的探測(cè)器噪聲分布圖

集成制冷組件

集成組件的制冷機(jī)采用整體式斯特林制冷機(jī)結(jié)構(gòu)布局，旋轉(zhuǎn)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)壓縮機(jī)和一個(gè)膨脹機(jī)，控制電路采用獨(dú)立厚膜電路，電機(jī)、膨脹機(jī)、壓縮機(jī)之間成正交位分布。制冷工質(zhì)穿過壓縮機(jī)與膨脹機(jī)之間的聯(lián)通管道，在壓縮機(jī)和膨脹機(jī)工作空間中交替壓縮膨脹實(shí)現(xiàn)制冷。制冷工質(zhì)選用高純氦氣。該制冷機(jī)主要由制冷機(jī)本體、電機(jī)、厚膜控制電路組成。制冷機(jī)根據(jù)航天應(yīng)用要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)采用了特制的厚膜電路進(jìn)行制冷控制。制冷組件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 火星礦物光譜儀集成式探測(cè)器杜瓦制冷機(jī)組件結(jié)構(gòu)示意圖

為適用空間應(yīng)用的抗輻照需求，對(duì)制冷機(jī)控制電路進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，電路采用多層厚膜工藝，金屬全密雙列直插封裝方式，組裝密度高、體積小、可靠性高。最終研制的厚膜電路的尺寸（不含法蘭）為48 mm×45 mm×7 mm，質(zhì)量為56 g。

紅外制冷組件產(chǎn)品及性能指標(biāo)

通過上述各關(guān)鍵組部件的研制，成功獲得了性能良好紅外焦平面制冷組件，其主要性能參數(shù)見表5。

表5 短波集成式探測(cè)器杜瓦制冷機(jī)組件技術(shù)指標(biāo)

按照火星探測(cè)任務(wù)的環(huán)境試驗(yàn)要求，紅外焦平面探測(cè)器制冷組件完成了高低溫存儲(chǔ)、高低溫循環(huán)及熱真空等熱學(xué)試驗(yàn)，完成了鑒定級(jí)正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、機(jī)械沖擊及加速度等環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明探測(cè)器性能工作正常，杜瓦制冷組件性能正常。圖8為紅外制冷組件實(shí)物照片。

從表5可以看出，制冷機(jī)在常溫常壓下開機(jī)，到達(dá)90 K設(shè)定溫度的制冷時(shí)間為12 min，同時(shí)還對(duì)比了不同充氣壓力的制冷時(shí)間，從圖9所示的降溫曲線中可以看出，充氣壓力為42 bar、32 bar、25 bar、20 bar時(shí)，從制冷啟動(dòng)到開始穩(wěn)定控溫時(shí)間分別為12 min、15 min、18.5 min、24 min。

圖9 集成式探測(cè)器杜瓦制冷機(jī)組件不同充氣壓力下降溫時(shí)間曲線

圖10為火星礦物光譜儀用紅外探測(cè)器制冷杜瓦組件的光譜測(cè)試曲線和在光譜儀內(nèi)紅外成像照片。圖像中提取天空、建筑物表面、植被的光譜曲線，其中，1.0~2.0 μm光譜分辨率10.30 nm，2.0~3.4 μm光譜分辨率12.90 nm。

結(jié)論

集成式紅外探測(cè)器制冷組件的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、功耗小，在深空探測(cè)、星際探測(cè)的航天應(yīng)用中具有較大優(yōu)勢(shì)，其航天用組件工程研制應(yīng)用具有重要意義。著重分析了高靈敏度、高信噪比的面陣探測(cè)器，長(zhǎng)積分時(shí)間下抗噪聲干擾的杜瓦結(jié)構(gòu)，集成化長(zhǎng)壽命整體式微型制冷等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并完成了一系列力學(xué)、熱學(xué)的環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證。隨著“天問一號(hào)”順利發(fā)射升空并到達(dá)火星軌道，該研究為后續(xù)深空紅外光譜探測(cè)的組件研制提供了一定的參考。

這項(xiàng)研究獲得國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11427901）的資助和支持。

編輯：黃飛

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