一種星敏感器焦平面組件的制作方法
【專利摘要】一種星敏感器焦平面組件，包含：CCD探測器、PCB剛柔印制板和TEC制冷器機械固定在探測器支撐架上，PCB剛柔印制板中集成了驅動電路和視頻信號處理電路，驅動電路電性連接CCD探測器，視頻信號處理電路電性連接CCD探測器。本發(fā)明實現了組件的集成和小型化，實現對探測器的精確溫度控制，形成探測器的良好散熱通路，保證探測器各性能參數一致性好、長期穩(wěn)定、可靠工作，可以獲取信噪比良好的視頻圖像。
【專利說明】
一種星敏感器焦平面組件
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種星敏感器焦平面組件。
【背景技術】
[0002]星敏感器是一種姿態(tài)測量產品，主要用于確定空間飛行器相對于慣性坐標系的三軸姿態(tài)，具有精度高、穩(wěn)定性好以及誤差不隨時間累計等優(yōu)點，因而廣泛應用在衛(wèi)星、飛船等飛行器上。作為航天器姿態(tài)確定的核心單機，星敏感器按照結構劃分，由光機組件、產品主結構、焦平面組件、電子學和軟件五部分組成。其中，焦平面組件是星敏感器的關鍵單元，包含探測器、驅動及視頻信號處理電路、制冷器和支撐結構。
[0003]由于空間環(huán)境復雜，星敏感器實際工作溫度范圍一般在-400C?40 0C之間，產品熱變形大，CCD探測器容易受溫度變化影響，導致電噪聲增大，探測器性能變差。因此，焦平面組件設計的特點是為探測器提供良好的測量基準、驅動信號和對視頻信號的處理能力，具有良好的熱穩(wěn)定性，使用TEC制冷器實現探測器的精確溫度控制。通過合理的焦平面組件設計，可降低星敏感器測量誤差，確保高精度星敏感器的性能穩(wěn)定。
[0004]目前，國內星敏感器焦平面組件電子學設計主要采用探測器裝配在傳統PCB印制板上，探測器溫度控制多采用被動散熱方式。韓志學等在《航天返回與遙感》上(2012)發(fā)表的《一種高速高分辨率遙感相機全色/多光譜焦平面電路設計》中，公開的一種焦平面電路的核心部件探測器印制板仍采用FR4材料生產，在受力學和熱影響下，探測器安裝位置易發(fā)生變化，CCD探測器的傳統散熱途徑只能是熱傳導和輻射散熱，受結構和空間限制，散熱效率低。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供一種星敏感器焦平面組件，實現了組件的集成和小型化，實現對探測器的精確溫度控制，形成探測器的良好散熱通路，保證探測器各性能參數一致性好、長期穩(wěn)定、可靠工作，可以獲取信噪比良好的視頻圖像。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種星敏感器焦平面組件，包含:
探測器支撐架，用于支撐連接星敏感器焦平面組件內的各個部分；
CCD探測器，其機械固定在探測器支撐架上，用于敏感外部信息；
PCB剛柔印制板，其機械固定在探測器支撐架上，該PCB剛柔印制板中集成了驅動電路和視頻信號處理電路;所述的驅動電路電性連接CCD探測器，其用于為CCD探測器提供必要的驅動時序信號和偏置電壓;所述的視頻信號處理電路電性連接CCD探測器，其用于輸出CCD探測器的視頻信號模擬量，提高信號驅動能力，去除視頻信號中的直流分量，隔離前后級電路的相互影響；
TEC制冷器，其機械固定在探測器支撐架上，并接觸CCD探測器，用于為CCD探測器提供良好的溫度條件，改善圖像信噪比；
對外連接器，其電性連接驅動電路、視頻信號處理電路和TEC制冷器，用于將外部的驅動時序信號發(fā)送給驅動電路，將外部的制冷控制信號發(fā)送給TEC制冷器，并接收視頻信號處理電路發(fā)送的視頻信號，以及接收TEC制冷器發(fā)送的溫度數據。
[0007]所述的探測器支撐架采用復合材料制成。
[0008]所述的C⑶探測器焊機在探測器支撐架上。
[0009]所述的探測器支撐架與PCB剛柔印制板通過帶阻抗控制的連接器固定。
[0010]所述的驅動電路包含偏置電路和退耦電路。
[0011 ]所述的視頻信號處理電路包含:
三極管基極保護電路，其輸入端電性連接CCD探測器的輸出端，用于保護射極跟隨電路中的三極管，防止瞬態(tài)大電流通過燒毀三極管；
信號偏置電路，其輸出端電性連接三極管基極保護電路的輸入端，用于為CCD視頻信號提供信號驅動能力；
射極跟隨電路，其輸入端電性連接三極管基極保護電路的輸出端，用于保證信號不失真，進一步放大CCD視頻信號的驅動能力；
偏置電壓和保護電路，其輸出端電性連接射極跟隨電路的輸入端，用于對外部提供的偏置電壓進行電容濾波，確保偏置電壓的穩(wěn)定性；
視頻信號隔直電路，其輸入端電性連接射極跟隨電路的輸出端，用于去除CCD視頻信號中的直流分量，具有隔離作用；
信號輸出濾波電路，其輸入端電性連接視頻信號隔直電路的輸出端，用于對輸出信號進行濾波。
[0012]所述的PCB剛柔印制板從上至下依次包含:頂層、第一信號層、第一電源層、第二電源層、第二信號層和底層;所述的頂層上設置各種電路元器件，所述的第一信號層和第二信號層上設置信號線，所述的第一電源層和第二電源層上設置電源線，所述的底層上設置地線。
[0013]所述的信號線包含:獨立信號線、差分信號線和特殊信號線;所述的地線包含:模擬地線、數字地線、特殊信號地線、一次電源地線、二次電源地線和機殼地線;所述的模擬地線和數字地線之間采用電阻進行隔離;所述的數字地線和特殊信號地線之間采用電阻進行隔離;所述的一次電源地線和機殼地線之間采用電容隔離;所述的二次電源地線和機殼地線之間采用電容隔離;所述的一次電源地線和二次電源地線之間采用共模濾波電感隔離；模擬信號線和數字信號線相互隔離。
[0014]所述的TEC制冷器采用典型的BUCK降壓電路。
[0015]本發(fā)明實現了組件的集成和小型化，實現對探測器的精確溫度控制，形成探測器的良好散熱通路，保證探測器各性能參數一致性好、長期穩(wěn)定、可靠工作，可以獲取信噪比良好的視頻圖像。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明提供的一種星敏感器焦平面組件的結構示意圖。
[0017]圖2是PCB剛柔印制板的接地示意圖。
[0018]圖3是視頻信號處理電路的電路框圖。
【具體實施方式】
[0019]以下根據圖1?圖3，具體說明本發(fā)明的較佳實施例。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明提供一種星敏感器焦平面組件，包含:
探測器支撐架1，用于支撐連接星敏感器焦平面組件內的各個部分；
CCD探測器2，其機械固定在探測器支撐架I上，用于敏感外部信息；
PCB剛柔印制板3，其機械固定在探測器支撐架I上，該PCB剛柔印制板3中集成了驅動電路4和視頻信號處理電路5，剛柔結合，可以獲得穩(wěn)定的驅動電路和視頻信號處理電路，實現電子學的層疊化設計，最終實現產品小型化;所述的驅動電路4電性連接CCD探測器2，其用于為CCD探測器提供必要的驅動時序信號和偏置電壓;所述的視頻信號處理電路5電性連接CCD探測器2，其用于輸出CCD探測器的視頻信號模擬量，提高信號驅動能力，去除視頻信號中的直流分量，隔離前后級電路的相互影響；
TEC制冷器6，其機械固定在探測器支撐架I上，并接觸CCD探測器2，用于為CCD探測器提供良好的溫度條件，改善圖像信噪比。
[0021]所述的星敏感器焦平面組件還包含:對外連接器7，其電性連接驅動電路4、視頻信號處理電路5和TEC制冷器6，用于將外部的驅動時序信號發(fā)送給驅動電路4，將外部的制冷控制信號發(fā)送給TEC制冷器6，并接收視頻信號處理電路5發(fā)送的視頻信號，以及接收TEC制冷器6發(fā)送的溫度數據。
[0022]所述的探測器支撐架I采用復合材料制成，選用熱變形小(鈦合金材料熱變形基本一致)與導熱性能好的復合材料;將CCD探測器2直接焊接在探測器支撐架上，減少信傳輸路徑和外環(huán)境干擾，既實現了 CCD探測器2的安裝基準，又在探測器支撐架I上實現CCD探測器2的信號走線，避免了導線連接之間的信號干擾;該探測器支撐架I與PCB剛柔印制板3通過帶阻抗控制的連接器固定。
[0023 ]所述的驅動電路4包含偏置電路和退耦電路。
[0024]如圖3所示，所述的視頻信號處理電路5包含:
三極管基極保護電路501，其輸入端電性連接CCD探測器2的輸出端，用于保護射極跟隨電路503中的三極管，防止瞬態(tài)大電流通過燒毀三極管；
信號偏置電路502，其輸出端電性連接三極管基極保護電路501的輸入端，用于為CCD視頻信號提供信號驅動能力；
射極跟隨電路503，其輸入端電性連接三極管基極保護電路501的輸出端，用于保證信號不失真，進一步放大CCD視頻信號的驅動能力；
偏置電壓和保護電路504，其輸出端電性連接射極跟隨電路503的輸入端，用于對外部提供的偏置電壓進行電容濾波，確保偏置電壓的穩(wěn)定性；
視頻信號隔直電路505，其輸入端電性連接射極跟隨電路503的輸出端，用于去除CCD視頻信號中的直流分量，具有隔離作用；
信號輸出濾波電路506，其輸入端電性連接視頻信號隔直電路505的輸出端，用于對輸出信號進行濾波。
[0025]所述的視頻信號處理電路5采用射極跟隨方式，可以提高信號驅動能力，去除視頻信號中的直流分量，隔離前后級電路的相互影響；因為射極跟隨器具有高輸入電阻和低輸出電阻，能隔離前后級電路的相互影響，起緩沖作用，同時具有較大的電流放大倍數，所以可用作視頻信號處理的輸入級，射極跟隨器中的放大器采用低噪聲晶體管實現，電流放大倍數控制在100倍以內。
[0026]驅動電路4提供穩(wěn)定的驅動信號，且視頻信號處理電路5采用射極跟隨方式，使獲得的CCD視頻信號信噪比好，模擬信號無毛刺。
[0027]所述的PCBf!揉印制板3采用多層印制板結構，該PCBf!揉印制板3從上至下依次包含:頂層、第一信號層、第一電源層、第二電源層、第二信號層和底層;所述的頂層上設置各種電路元器件，所述的第一信號層和第二信號層上設置信號線，所述的第一電源層和第二電源層上設置電源線，所述的底層上設置地線；焦平面組件上的所有信號均采用多層印制板走線，沒有外接導線連接，便于信號線的阻抗設計，屏蔽外部干擾，減小各個功能模塊占用面積，實現電子學集成，由于印制板有柔性區(qū)，還可以實現層疊結構，進一步減小焦平面組件的尺寸。
[0028]所述的信號線包含:獨立信號線、差分信號線和特殊信號線;所述的地線包含:模擬地線、數字地線、特殊信號地線、一次電源地線、二次電源地線和機殼地線。
[0029]如圖2所示，本實施例中，所述的獨立信號線采用50歐姆阻抗設計;所述的差分信號線采用等長導線、100歐姆阻抗設計;所述的模擬地線和數字地線之間采用電阻(本實施例中，采用O歐姆電阻)進行隔離，所述的數字地線和特殊信號地線之間采用電阻(本實施例中，采用O歐姆電阻)進行隔離，考慮到信號回線和功率等因素的影響，所述的一次電源地線和機殼地線之間采用電容(本實施例中，采用瓷片電容)隔離，所述的二次電源地線和機殼地線之間采用電容(本實施例中，采用瓷片電容)隔離;模擬信號線和數字信號線相互隔離，分別在對應的模擬地線區(qū)域和數字地線區(qū)域內完成走線，所述的一次電源地線和二次電源地線之間采用共模濾波電感隔離，可以消除共模噪聲，最終提供穩(wěn)定的驅動信號和輸出良好的視頻信號。
[0030]所述的TEC制冷器6采用典型的BUCK降壓電路，直接對CCD探測器2和探測器支撐架
I制冷，發(fā)揮金屬材質導熱、散熱快的特性，提高制冷效率，CCD探測器2和探測器支撐架I之間有足夠的接觸面，制冷開啟后，制冷區(qū)域熱分布均勻，效率高，通過采用制冷閉環(huán)控制，可實現探測器溫度的精確控制。
[0031]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
1、焦平面組件采用集成設計，完成驅動信號和視頻信號前端處理和對探測器致冷，實現組件的小型化。
[0032]2、焦平面組件功能獨立，對外連接器接口明確，可作為星敏感器部組件直接插拔替換。
[0033]3、焦平面組件中的CXD探測器設置在探測器支撐架上，CXD探測器安裝平面度可進行定量測試，重復性好，可以組批生產。
[0034]4、探測器支撐架和PCB剛柔印制板的連接方式，結構體積小，信號完整性好，抗干擾能力強。
[0035]5、充分利用金屬材質的特性，通過低溫焊接，實現探測器支撐架與制冷器、探測器的剛性連接，具有良好的熱穩(wěn)定性、導熱性，可以將制冷器熱端產生的熱量快速傳導到基座上，減小光機組件由于熱變形產生的誤差，顯著提高星敏感器的低頻誤差精度。
[0036]盡管本發(fā)明的內容已經通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
【主權項】
1.一種星敏感器焦平面組件，其特征在于，包含: 探測器支撐架(I)，用于支撐連接星敏感器焦平面組件內的各個部分； C⑶探測器(2)，其機械固定在探測器支撐架(I)上，用于敏感外部信息； PCB剛柔印制板(3)，其機械固定在探測器支撐架(I)上，該PCB剛柔印制板(3)中集成了驅動電路(4)和視頻信號處理電路(5);所述的驅動電路(4)電性連接CXD探測器(2)，其用于為CCD探測器提供必要的驅動時序信號和偏置電壓;所述的視頻信號處理電路(5)電性連接CCD探測器(2)，其用于輸出CCD探測器的視頻信號模擬量，提高信號驅動能力，去除視頻信號中的直流分量，隔離前后級電路的相互影響； TEC制冷器(6)，其機械固定在探測器支撐架(I)上，并接觸CXD探測器(2)，用于為CXD探測器提供良好的溫度條件，改善圖像信噪比； 對外連接器(7 )，其電性連接驅動電路(4)、視頻信號處理電路(5 )和TEC制冷器(6 )，用于將外部的驅動時序信號發(fā)送給驅動電路(4)，將外部的制冷控制信號發(fā)送給TEC制冷器(6)，并接收視頻信號處理電路(5)發(fā)送的視頻信號，以及接收TEC制冷器(6)發(fā)送的溫度數據。2.如權利要求1所述的星敏感器焦平面組件，其特征在于，所述的探測器支撐架(I)采用復合材料制成。3.如權利要求1所述的星敏感器焦平面組件，其特征在于，所述的CCD探測器(2)焊機在探測器支撐架(I)上。4.如權利要求1所述的星敏感器焦平面組件，其特征在于，所述的探測器支撐架(I)與PCB剛柔印制板(3)通過帶阻抗控制的連接器固定。5.如權利要求1所述的星敏感器焦平面組件，其特征在于，所述的驅動電路(4)包含偏置電路和退耦電路。6.如權利要求1所述的星敏感器焦平面組件，其特征在于，所述的視頻信號處理電路(5)包含: 三極管基極保護電路(501)，其輸入端電性連接CCD探測器(2)的輸出端，用于保護射極跟隨電路(503)中的三極管，防止瞬態(tài)大電流通過燒毀三極管； 信號偏置電路(502 )，其輸出端電性連接三極管基極保護電路(501)的輸入端，用于為CCD視頻信號提供信號驅動能力； 射極跟隨電路(503)，其輸入端電性連接三極管基極保護電路(501)的輸出端，用于保證信號不失真，進一步放大CCD視頻信號的驅動能力； 偏置電壓和保護電路(504)，其輸出端電性連接射極跟隨電路(503)的輸入端，用于對外部提供的偏置電壓進行電容濾波，確保偏置電壓的穩(wěn)定性； 視頻信號隔直電路(505)，其輸入端電性連接射極跟隨電路(503)的輸出端，用于去除CCD視頻信號中的直流分量，具有隔離作用； 信號輸出濾波電路(506)，其輸入端電性連接視頻信號隔直電路(505)的輸出端，用于對輸出信號進行濾波。7.如權利要求1-6任意一項所述的星敏感器焦平面組件，其特征在于，所述的PCB剛柔印制板(3)從上至下依次包含:頂層、第一信號層、第一電源層、第二電源層、第二信號層和底層;所述的頂層上設置各種電路元器件，所述的第一信號層和第二信號層上設置信號線，所述的第一電源層和第二電源層上設置電源線，所述的底層上設置地線。8.如權利要求7所述的星敏感器焦平面組件，其特征在于，所述的信號線包含:獨立信號線、差分信號線和特殊信號線； 所述的地線包含:模擬地線、數字地線、特殊信號地線、一次電源地線、二次電源地線和機殼地線； 所述的模擬地線和數字地線之間采用電阻進行隔離； 所述的數字地線和特殊信號地線之間采用電阻進行隔離； 所述的一次電源地線和機殼地線之間采用電容隔離； 所述的二次電源地線和機殼地線之間采用電容隔離； 所述的一次電源地線和二次電源地線之間采用共模濾波電感隔離； 模擬信號線和數字信號線相互隔離。9.如權利要求1所述的星敏感器焦平面組件，其特征在于，所述的TEC制冷器(6)采用典型的BUCK降壓電路。
【文檔編號】H04N5/232GK105979158SQ201610555940
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月14日
【發(fā)明人】閆曉軍, 吳永康, 馬英超, 毛曉楠, 胡雄超
【申請人】上海航天控制技術研究所