一种星敏感器焦平面组件的制作方法
【专利摘要】一种星敏感器焦平面组件，包含：CCD探测器、PCB刚柔印制板和TEC制冷器机械固定在探测器支撑架上，PCB刚柔印制板中集成了驱动电路和视频信号处理电路，驱动电路电性连接CCD探测器，视频信号处理电路电性连接CCD探测器。本发明实现了组件的集成和小型化，实现对探测器的精确温度控制，形成探测器的良好散热通路，保证探测器各性能参数一致性好、长期稳定、可靠工作，可以获取信噪比良好的视频图像。
【专利说明】
一种星敏感器焦平面组件
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种星敏感器焦平面组件。
【背景技术】
[0002]星敏感器是一种姿态测量产品，主要用于确定空间飞行器相对于惯性坐标系的三轴姿态，具有精度高、稳定性好以及误差不随时间累计等优点，因而广泛应用在卫星、飞船等飞行器上。作为航天器姿态确定的核心单机，星敏感器按照结构划分，由光机组件、产品主结构、焦平面组件、电子学和软件五部分组成。其中，焦平面组件是星敏感器的关键单元，包含探测器、驱动及视频信号处理电路、制冷器和支撑结构。
[0003]由于空间环境复杂，星敏感器实际工作温度范围一般在-400C?40 0C之间，产品热变形大，CCD探测器容易受温度变化影响，导致电噪声增大，探测器性能变差。因此，焦平面组件设计的特点是为探测器提供良好的测量基准、驱动信号和对视频信号的处理能力，具有良好的热稳定性，使用TEC制冷器实现探测器的精确温度控制。通过合理的焦平面组件设计，可降低星敏感器测量误差，确保高精度星敏感器的性能稳定。
[0004]目前，国内星敏感器焦平面组件电子学设计主要采用探测器装配在传统PCB印制板上，探测器温度控制多采用被动散热方式。韩志学等在《航天返回与遥感》上(2012)发表的《一种高速高分辨率遥感相机全色/多光谱焦平面电路设计》中，公开的一种焦平面电路的核心部件探测器印制板仍采用FR4材料生产，在受力学和热影响下，探测器安装位置易发生变化，CCD探测器的传统散热途径只能是热传导和辐射散热，受结构和空间限制，散热效率低。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种星敏感器焦平面组件，实现了组件的集成和小型化，实现对探测器的精确温度控制，形成探测器的良好散热通路，保证探测器各性能参数一致性好、长期稳定、可靠工作，可以获取信噪比良好的视频图像。
[0006]为了达到上述目的，本发明提供一种星敏感器焦平面组件，包含:
探测器支撑架，用于支撑连接星敏感器焦平面组件内的各个部分；
CCD探测器，其机械固定在探测器支撑架上，用于敏感外部信息；
PCB刚柔印制板，其机械固定在探测器支撑架上，该PCB刚柔印制板中集成了驱动电路和视频信号处理电路;所述的驱动电路电性连接CCD探测器，其用于为CCD探测器提供必要的驱动时序信号和偏置电压;所述的视频信号处理电路电性连接CCD探测器，其用于输出CCD探测器的视频信号模拟量，提高信号驱动能力，去除视频信号中的直流分量，隔离前后级电路的相互影响；
TEC制冷器，其机械固定在探测器支撑架上，并接触CCD探测器，用于为CCD探测器提供良好的温度条件，改善图像信噪比；
对外连接器，其电性连接驱动电路、视频信号处理电路和TEC制冷器，用于将外部的驱动时序信号发送给驱动电路，将外部的制冷控制信号发送给TEC制冷器，并接收视频信号处理电路发送的视频信号，以及接收TEC制冷器发送的温度数据。
[0007]所述的探测器支撑架采用复合材料制成。
[0008]所述的C⑶探测器焊机在探测器支撑架上。
[0009]所述的探测器支撑架与PCB刚柔印制板通过带阻抗控制的连接器固定。
[0010]所述的驱动电路包含偏置电路和退耦电路。
[0011 ]所述的视频信号处理电路包含:
三极管基极保护电路，其输入端电性连接CCD探测器的输出端，用于保护射极跟随电路中的三极管，防止瞬态大电流通过烧毁三极管；
信号偏置电路，其输出端电性连接三极管基极保护电路的输入端，用于为CCD视频信号提供信号驱动能力；
射极跟随电路，其输入端电性连接三极管基极保护电路的输出端，用于保证信号不失真，进一步放大CCD视频信号的驱动能力；
偏置电压和保护电路，其输出端电性连接射极跟随电路的输入端，用于对外部提供的偏置电压进行电容滤波，确保偏置电压的稳定性；
视频信号隔直电路，其输入端电性连接射极跟随电路的输出端，用于去除CCD视频信号中的直流分量，具有隔离作用；
信号输出滤波电路，其输入端电性连接视频信号隔直电路的输出端，用于对输出信号进行滤波。
[0012]所述的PCB刚柔印制板从上至下依次包含:顶层、第一信号层、第一电源层、第二电源层、第二信号层和底层;所述的顶层上设置各种电路元器件，所述的第一信号层和第二信号层上设置信号线，所述的第一电源层和第二电源层上设置电源线，所述的底层上设置地线。
[0013]所述的信号线包含:独立信号线、差分信号线和特殊信号线;所述的地线包含:模拟地线、数字地线、特殊信号地线、一次电源地线、二次电源地线和机壳地线;所述的模拟地线和数字地线之间采用电阻进行隔离;所述的数字地线和特殊信号地线之间采用电阻进行隔离;所述的一次电源地线和机壳地线之间采用电容隔离;所述的二次电源地线和机壳地线之间采用电容隔离;所述的一次电源地线和二次电源地线之间采用共模滤波电感隔离；模拟信号线和数字信号线相互隔离。
[0014]所述的TEC制冷器采用典型的BUCK降压电路。
[0015]本发明实现了组件的集成和小型化，实现对探测器的精确温度控制，形成探测器的良好散热通路，保证探测器各性能参数一致性好、长期稳定、可靠工作，可以获取信噪比良好的视频图像。
【附图说明】
[0016]图1是本发明提供的一种星敏感器焦平面组件的结构示意图。
[0017]图2是PCB刚柔印制板的接地示意图。
[0018]图3是视频信号处理电路的电路框图。
【具体实施方式】
[0019]以下根据图1?图3，具体说明本发明的较佳实施例。
[0020]如图1所示，本发明提供一种星敏感器焦平面组件，包含:
探测器支撑架1，用于支撑连接星敏感器焦平面组件内的各个部分；
CCD探测器2，其机械固定在探测器支撑架I上，用于敏感外部信息；
PCB刚柔印制板3，其机械固定在探测器支撑架I上，该PCB刚柔印制板3中集成了驱动电路4和视频信号处理电路5，刚柔结合，可以获得稳定的驱动电路和视频信号处理电路，实现电子学的层叠化设计，最终实现产品小型化;所述的驱动电路4电性连接CCD探测器2，其用于为CCD探测器提供必要的驱动时序信号和偏置电压;所述的视频信号处理电路5电性连接CCD探测器2，其用于输出CCD探测器的视频信号模拟量，提高信号驱动能力，去除视频信号中的直流分量，隔离前后级电路的相互影响；
TEC制冷器6，其机械固定在探测器支撑架I上，并接触CCD探测器2，用于为CCD探测器提供良好的温度条件，改善图像信噪比。
[0021]所述的星敏感器焦平面组件还包含:对外连接器7，其电性连接驱动电路4、视频信号处理电路5和TEC制冷器6，用于将外部的驱动时序信号发送给驱动电路4，将外部的制冷控制信号发送给TEC制冷器6，并接收视频信号处理电路5发送的视频信号，以及接收TEC制冷器6发送的温度数据。
[0022]所述的探测器支撑架I采用复合材料制成，选用热变形小(钛合金材料热变形基本一致)与导热性能好的复合材料;将CCD探测器2直接焊接在探测器支撑架上，减少信传输路径和外环境干扰，既实现了 CCD探测器2的安装基准，又在探测器支撑架I上实现CCD探测器2的信号走线，避免了导线连接之间的信号干扰;该探测器支撑架I与PCB刚柔印制板3通过带阻抗控制的连接器固定。
[0023 ]所述的驱动电路4包含偏置电路和退耦电路。
[0024]如图3所示，所述的视频信号处理电路5包含:
三极管基极保护电路501，其输入端电性连接CCD探测器2的输出端，用于保护射极跟随电路503中的三极管，防止瞬态大电流通过烧毁三极管；
信号偏置电路502，其输出端电性连接三极管基极保护电路501的输入端，用于为CCD视频信号提供信号驱动能力；
射极跟随电路503，其输入端电性连接三极管基极保护电路501的输出端，用于保证信号不失真，进一步放大CCD视频信号的驱动能力；
偏置电压和保护电路504，其输出端电性连接射极跟随电路503的输入端，用于对外部提供的偏置电压进行电容滤波，确保偏置电压的稳定性；
视频信号隔直电路505，其输入端电性连接射极跟随电路503的输出端，用于去除CCD视频信号中的直流分量，具有隔离作用；
信号输出滤波电路506，其输入端电性连接视频信号隔直电路505的输出端，用于对输出信号进行滤波。
[0025]所述的视频信号处理电路5采用射极跟随方式，可以提高信号驱动能力，去除视频信号中的直流分量，隔离前后级电路的相互影响；因为射极跟随器具有高输入电阻和低输出电阻，能隔离前后级电路的相互影响，起缓冲作用，同时具有较大的电流放大倍数，所以可用作视频信号处理的输入级，射极跟随器中的放大器采用低噪声晶体管实现，电流放大倍数控制在100倍以内。
[0026]驱动电路4提供稳定的驱动信号，且视频信号处理电路5采用射极跟随方式，使获得的CCD视频信号信噪比好，模拟信号无毛刺。
[0027]所述的PCBf!揉印制板3采用多层印制板结构，该PCBf!揉印制板3从上至下依次包含:顶层、第一信号层、第一电源层、第二电源层、第二信号层和底层;所述的顶层上设置各种电路元器件，所述的第一信号层和第二信号层上设置信号线，所述的第一电源层和第二电源层上设置电源线，所述的底层上设置地线；焦平面组件上的所有信号均采用多层印制板走线，没有外接导线连接，便于信号线的阻抗设计，屏蔽外部干扰，减小各个功能模块占用面积，实现电子学集成，由于印制板有柔性区，还可以实现层叠结构，进一步减小焦平面组件的尺寸。
[0028]所述的信号线包含:独立信号线、差分信号线和特殊信号线;所述的地线包含:模拟地线、数字地线、特殊信号地线、一次电源地线、二次电源地线和机壳地线。
[0029]如图2所示，本实施例中，所述的独立信号线采用50欧姆阻抗设计;所述的差分信号线采用等长导线、100欧姆阻抗设计;所述的模拟地线和数字地线之间采用电阻(本实施例中，采用O欧姆电阻)进行隔离，所述的数字地线和特殊信号地线之间采用电阻(本实施例中，采用O欧姆电阻)进行隔离，考虑到信号回线和功率等因素的影响，所述的一次电源地线和机壳地线之间采用电容(本实施例中，采用瓷片电容)隔离，所述的二次电源地线和机壳地线之间采用电容(本实施例中，采用瓷片电容)隔离;模拟信号线和数字信号线相互隔离，分别在对应的模拟地线区域和数字地线区域内完成走线，所述的一次电源地线和二次电源地线之间采用共模滤波电感隔离，可以消除共模噪声，最终提供稳定的驱动信号和输出良好的视频信号。
[0030]所述的TEC制冷器6采用典型的BUCK降压电路，直接对CCD探测器2和探测器支撑架
I制冷，发挥金属材质导热、散热快的特性，提高制冷效率，CCD探测器2和探测器支撑架I之间有足够的接触面，制冷开启后，制冷区域热分布均匀，效率高，通过采用制冷闭环控制，可实现探测器温度的精确控制。
[0031]本发明具有以下优点:
1、焦平面组件采用集成设计，完成驱动信号和视频信号前端处理和对探测器致冷，实现组件的小型化。
[0032]2、焦平面组件功能独立，对外连接器接口明确，可作为星敏感器部组件直接插拔替换。
[0033]3、焦平面组件中的CXD探测器设置在探测器支撑架上，CXD探测器安装平面度可进行定量测试，重复性好，可以组批生产。
[0034]4、探测器支撑架和PCB刚柔印制板的连接方式，结构体积小，信号完整性好，抗干扰能力强。
[0035]5、充分利用金属材质的特性，通过低温焊接，实现探测器支撑架与制冷器、探测器的刚性连接，具有良好的热稳定性、导热性，可以将制冷器热端产生的热量快速传导到基座上，减小光机组件由于热变形产生的误差，显著提高星敏感器的低频误差精度。
[0036]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【主权项】
1.一种星敏感器焦平面组件，其特征在于，包含: 探测器支撑架(I)，用于支撑连接星敏感器焦平面组件内的各个部分； C⑶探测器(2)，其机械固定在探测器支撑架(I)上，用于敏感外部信息； PCB刚柔印制板(3)，其机械固定在探测器支撑架(I)上，该PCB刚柔印制板(3)中集成了驱动电路(4)和视频信号处理电路(5);所述的驱动电路(4)电性连接CXD探测器(2)，其用于为CCD探测器提供必要的驱动时序信号和偏置电压;所述的视频信号处理电路(5)电性连接CCD探测器(2)，其用于输出CCD探测器的视频信号模拟量，提高信号驱动能力，去除视频信号中的直流分量，隔离前后级电路的相互影响； TEC制冷器(6)，其机械固定在探测器支撑架(I)上，并接触CXD探测器(2)，用于为CXD探测器提供良好的温度条件，改善图像信噪比； 对外连接器(7 )，其电性连接驱动电路(4)、视频信号处理电路(5 )和TEC制冷器(6 )，用于将外部的驱动时序信号发送给驱动电路(4)，将外部的制冷控制信号发送给TEC制冷器(6)，并接收视频信号处理电路(5)发送的视频信号，以及接收TEC制冷器(6)发送的温度数据。2.如权利要求1所述的星敏感器焦平面组件，其特征在于，所述的探测器支撑架(I)采用复合材料制成。3.如权利要求1所述的星敏感器焦平面组件，其特征在于，所述的CCD探测器(2)焊机在探测器支撑架(I)上。4.如权利要求1所述的星敏感器焦平面组件，其特征在于，所述的探测器支撑架(I)与PCB刚柔印制板(3)通过带阻抗控制的连接器固定。5.如权利要求1所述的星敏感器焦平面组件，其特征在于，所述的驱动电路(4)包含偏置电路和退耦电路。6.如权利要求1所述的星敏感器焦平面组件，其特征在于，所述的视频信号处理电路(5)包含: 三极管基极保护电路(501)，其输入端电性连接CCD探测器(2)的输出端，用于保护射极跟随电路(503)中的三极管，防止瞬态大电流通过烧毁三极管； 信号偏置电路(502 )，其输出端电性连接三极管基极保护电路(501)的输入端，用于为CCD视频信号提供信号驱动能力； 射极跟随电路(503)，其输入端电性连接三极管基极保护电路(501)的输出端，用于保证信号不失真，进一步放大CCD视频信号的驱动能力； 偏置电压和保护电路(504)，其输出端电性连接射极跟随电路(503)的输入端，用于对外部提供的偏置电压进行电容滤波，确保偏置电压的稳定性； 视频信号隔直电路(505)，其输入端电性连接射极跟随电路(503)的输出端，用于去除CCD视频信号中的直流分量，具有隔离作用； 信号输出滤波电路(506)，其输入端电性连接视频信号隔直电路(505)的输出端，用于对输出信号进行滤波。7.如权利要求1-6任意一项所述的星敏感器焦平面组件，其特征在于，所述的PCB刚柔印制板(3)从上至下依次包含:顶层、第一信号层、第一电源层、第二电源层、第二信号层和底层;所述的顶层上设置各种电路元器件，所述的第一信号层和第二信号层上设置信号线，所述的第一电源层和第二电源层上设置电源线，所述的底层上设置地线。8.如权利要求7所述的星敏感器焦平面组件，其特征在于，所述的信号线包含:独立信号线、差分信号线和特殊信号线； 所述的地线包含:模拟地线、数字地线、特殊信号地线、一次电源地线、二次电源地线和机壳地线； 所述的模拟地线和数字地线之间采用电阻进行隔离； 所述的数字地线和特殊信号地线之间采用电阻进行隔离； 所述的一次电源地线和机壳地线之间采用电容隔离； 所述的二次电源地线和机壳地线之间采用电容隔离； 所述的一次电源地线和二次电源地线之间采用共模滤波电感隔离； 模拟信号线和数字信号线相互隔离。9.如权利要求1所述的星敏感器焦平面组件，其特征在于，所述的TEC制冷器(6)采用典型的BUCK降压电路。
【文档编号】H04N5/232GK105979158SQ201610555940
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】闫晓军, 吴永康, 马英超, 毛晓楠, 胡雄超
【申请人】上海航天控制技术研究所