CN103954366A - 一种用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统。本系统包括红外信号传输光学系统、光调制器、红外探测器、AD信号采集卡、二维扫描装置、计算机控制单元；其中红外信号传输光学系统位于待校准面源黑体之前，安装在二维扫描转置上，红外信号传输光学系统的输出端与光调制器输入端连接；红外探测器用于接收光调制器的输出信息，其输出端经AD信号卡与计算机控制单元连接；待校准面源黑体、红外信号传输光学系统、光调制器、红外探测器、AD信号采集卡、二维扫描装置位于同一真空仓内。本发明能够实现真空低温条件下超大面源黑体校准的系统，填补了此项技术空白。

Description

一种用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统

技术领域

本发明属于红外辐射测量及校准技术领域，涉及在真空低温条件下的超大面源黑体性能指标校准系统的设计。

背景技术

目前，随着技术的发展，红外成像器的应用已经扩展至临近空间及外太空，这些系统包括空间侦察系统、临近空间预警系统、外太空红外导引打击系统、星载红外遥感系统等，这些空间应用的红外成像器在研制、生产、试验过程中，必须根据系统的工作环境，在地面真空低温环境中利用面源黑体对红外成像器进行精确的辐射定标和性能测试，以取得精确的标定系数，准确掌握红外成像器的各项性能指标，保证其性能指标达到预先设计值。

目前，许多太空条件下红外成像器的研制已经完成，进入到了真空红外辐射定标和性能测试阶段，该阶段使用的辐射定标和性能测试设备为面源黑体。由于辐射定标的效果将直接决定该红外成像器的最终技战术性能，而性能测试能够使设计和使用单位准确把握红外成像器的各项性能指标，因此，辐射定标和性能测试对于该型号具有重要意义，为了保证红外成像器辐射定标的精度和性能测试的可靠性，需要对面源黑体的相关指标进行校准。

此类红外成像器光学系统一般都具有焦距超长、孔径超大的特点，在对这些红外成像器进行辐射定标和性能测试过程中，为了覆盖红外成像器的光学孔径，必然要求使用的面源黑体具有超大的辐射面积；为了对红外成像器进行良好的非均匀性校正，保证红外成像探测器的所有探测单元对同样的辐射量值具有相同的响应，必然要求辐射定标用面源黑体具有较高的温场均匀性，以保证系统非均匀性校正的效果，使红外成像器具有较好的成像质量；为了在辐射定标及性能测试过程中尽量减少周围环境的影响，必然要求面源黑体的辐射面具有较低的反射率，以减少对周围环境的反射，对于黑体，由于发射率和反射率之和为1，因此，要求面源黑体具有较高的发射率，一般情况下要求其发射率大于0.96；为了保证辐射定标的精度和性能测试的可靠性，必然要求面源黑体具有极高的温度稳定性，以保证在某一段时间内被标定红外成像器观测到相同的红外辐射。因此，对于空间红外成像器辐射定标及性能测试用面源黑体，要求其具有超大辐射面积、较高的温场均匀性、较高的发射率、较好的温度稳定性。

在红外成像器辐射定标和性能测试过程中，面源黑体模拟不同温度的目标，为红外成像器提供标准的红外辐射，因此，面源黑体本身的温场均匀性、发射率、辐射亮度精度及温度稳定性等相关指标直接关系到定标及测试的准确性和可靠性。为了保证面源黑体为红外成像器提供均匀、稳定的红外辐射，需要利用校准设备对面源黑体的温场均匀性、发射率、辐射亮度精度及温度稳定性等相关性能参数进行校准，为红外成像器辐射定标和性能测试提供量值溯源，保证其量值传递准确可靠。

目前国内的一些计量机构在面源黑体辐射校准方面进行了相关研究。其中，中国计量院利用一台从法国HGH公司引进的RAD314双波段红外辐射计对面源黑体进行校准，然而，该红外辐射计只能在实验室环境工作，无法对真空低温条件下工作的面源黑体进行校准，不能满足特殊条件下的面源黑体校准。现有方法中，通过采用与标准黑体进行光谱辐亮度比对的方法，可以在-60℃～80℃范围内对面源黑体的辐射特性进行校准，然而，该设备作为面源黑体校准装置，难以移动的超大型面源黑体在真空环境下进行校准。

因此，目前，对于真空低温条件下的超大面源黑体，其相关性能指标无法进行校准。

本发明介绍了一种能够实现真空低温条件下超大面源黑体校准的系统，解决了该项难题。发明内容

本发明的目的在于提供一种用于真空低温条件下对超大面源黑体相关性能指标进行测量及校准的系统。

如背景技术中所述，目前真空低温条件下无法对大型面源黑体进行校准，因此，该发明针对该项难题提出了创新性的技术。

本发明的技术方案为：

一种用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统，其特征在于包括红外信号传输光学系统、光调制器、红外探测器、AD信号采集卡、二维扫描装置、计算机控制单元；其中所述红外信号传输光学系统位于待校准面源黑体之前，安装在所述二维扫描转置上，所述红外信号传输光学系统的输出端与所述光调制器输入端连接，用于对待校准面源黑体的红外光线进行扫描并传输给所述光调制器；所述红外探测器用于接收所述光调制器的输出信息，其输出端经所述AD信号卡与所述计算机控制单元连接；其中待校准面源黑体、红外信号传输光学系统、光调制器、红外探测器、AD信号采集卡、二维扫描装置位于同一真空仓内。

进一步的，所述光调制器与所述红外探测器之间设有一调制盘和参考黑体；所述调制盘具有周期分布的通孔，通孔之间的非透光部分设有反射镜，所述调制盘通过其上的通孔和反射镜周期性的将所述光调制器的输出信息和所述参考黑体的辐射能量传输到所述红外探测器。

进一步的，所述真空仓内还包括一前置放大器和一锁相放大器；所述红外信号传输光学系统的输出端依次经所述前置放大器、锁相放大器、所述AD信号卡与所述计算机控制单元连接。

进一步的，所述红外信号传输光学系统与所述待校准面源黑体之间或所述红外信号传输光学系统与所述光调制器之间设有一可移动的挡屏。

进一步的，所述红外信号传输光学系统包括一反射镜和会聚光学系统，所述会聚光学系统与所述待测面源黑体之间的距离为1～3m；所述反射镜安装在所述二维扫描装置上，用于将所述待校准面源黑体的红外光线反射至所述会聚光学系统。

进一步的，所述红外信号传输光学系统包括一红外光纤和一聚光镜头；所述聚光镜头位于所述红外光纤一端的前端，用于将采集的光线会聚输入到所述红外光纤，所述红外光纤另一端与所述光调制器连接；所述红外光纤和一聚光镜头安装在所述二维扫描装置上；所述红外光纤为内部中空并涂覆AgCl。

进一步的，所述真空舱内设有一标准面源黑体，用于对所述待测面源黑体进行标定；所述真空舱内设有一组均匀性校准黑体，用于对所述待测面源黑体进行均匀性校正。

本发明为基于扫描辐射计的校准方案，如图1所示，主要由转接接口、光学系统、光调制器、红外探测器、前置放大器、锁相放大器、AD信号采集、两维扫描转台、计算机及控制系统等部分组成。

本发明基于扫描辐射计的校准方案，超大面源黑体发出的红外光线经过平面镜的反射(根据具体的实施方式，可以有平面反射镜如图6，也可以没有平面反射镜如图5和图7)和会聚透镜会聚后被光调制器调制成频率为1K的脉冲光信号，被红外探测器接收，红外探测器输出的脉冲信号由前置放大器放大后，由锁相放大器处理成直流信号，A/D采集卡采集锁相放大器的输出直流信号，将其转化成数字信号存储至计算机。

在系统中使用调制盘(即光调制器，其形式如图3所示，该调制盘通过中心孔安装在电机轴上，由电机带动旋转，从而切断或者使光线通过，其放置于探测器前)对信号进行调制，可以加大信号的信噪比，同时避免系统处理电路零点漂移的影响；在调制信号时使用了参考黑体(该黑体安装在调制盘旁边，该黑体的信号为参考信号)，可以进一步稳定信号的背景噪声，从而降低系统的噪声等效温差(NETD)。

面源黑体发出的红外辐射经折转反射镜及转接法兰后，由校准装置光学系统成像在红外面阵探测器上，经后处理电路处理后，由校准装置软件根据特定的算法进行数据处理后得到测量结果，而后输出。

为了保证校准装置自身的均匀性，需要设置均匀性校准黑体系统对其进行均匀性校正，该校正黑体系统共包括三个校正黑体，分别为低温校准黑体、高温校准黑体和常温校准黑体，通过切换机构切换实现校准装置的三点非均匀性校正(三个黑体的切换是通过反射镜的转动进行切换)。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明弥补了在真空条件下对面源黑体进行校准的技术空白，能够对于真空低温条件下的超大面源黑体的相关性能指标进行校准和测量。

附图说明

图1为扫描辐射计型校准装置原理图。

其中：1.被校准面源黑体；2.转接接口；3.平面反射镜；4.光学系统；5.调制器；6.红外探测器；7前置放大器；8.锁相放大器；9.AD信号采集；10.计算机控制、数据处理单元；11.两维转台；12.校准结果输出；13.参考黑体。

图2为扫描辐射计型校准装置的工作示意图。

图3为调制盘示意图。

图4为面源黑体现场应用示意图。

图5为扫描方案1示意图。

图6为扫描方案2示意图。

图7为扫描方案3示意图。

图8为校准系统软件构架模块。

图9为面源黑体现场应用及校准方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的最佳实施例作进一步描述：

本发明是基于扫描辐射计的校准方案，主要由转接接口、光学系统、光调制器、红外探测器、前置放大器、锁相放大器、AD信号采集、两维扫描转台、计算机及控制系统等部分组成。

基于扫描辐射计的校准方案实现如下：扫描辐射计型校准装置的工作示意图如附图2所示，两维扫描机构带动光纤及光学镜头，对黑体整个辐射面进行扫描，并测量某些预定征点的辐射量值，经过标定，同时还可以得到其辐射温度。

由于整个系统都在具有冷背景的真空舱内工作，需要对系统各部件进行真空适应性设计，主要包括以下三方面：(根据具体的实施方式，其它部件可以放置在真空舱内，当然也可以放置在真空舱以外，一般来说，计算机放置于真空舱外，其余都放置于真空舱内，关于这方面的信息，可以参考附图)

a.扫描机构需要利用专用的真空电机，其它材料也应选用放气率低的材料，并用专用的真空脂进行处理，保证其在真空舱内稳定可靠工作；

b.普通单元探测器无法在真空下工作，因此，需调研各探测器生产及研究机构，选择能在真空环境下工作的探测器，或者对现有探测器进行改造以使其能在真空环境下稳定工作；

c.调制部件也需要进行专门的设计，譬如采用真空专用电机，改进散热设计等，才能在真空条件下工作。

d.工作现场电磁环境复杂，且真空舱体积较大，造成电气连接电缆长度较长，而探测器输出信号较弱，因此，在具体实施过程中，需对整个电气部件进行良好的屏蔽，以避免外界对其进行干扰，此外，采用调制加锁相放大的相关检测方法，保证微弱信号的提取。

所使用的两维扫描机构为两维转台，由于其工作环境特殊，需进行专门设计。其扫描范围应大于700mm×1800mm，分辨率应优于0.1mm，采用细分控制的步进电机即可进行满足分辨率的要求。

平面镜镀铝膜，可提高反射率并能够满足设备对环境的适用性。为了保证反射镜结构强度，采用融石英材料，平面反射镜直径约100mm，面形精度控制在λ/10。

调制盘如附图3所示，在调制盘的遮挡部分安装平面反射镜，并采用参考黑体，使探测器交替接收目标和参考黑体的辐射能量。参考黑体采用高精度的Pt100温度传感器进行温度采集，计算机实时将该温度数据代入辐射能量的计算公式，从而得到准确的辐射温度。

目前，红外探测器种类繁多，这些厂家及研究单位生产的探测器大多为大气环境下使用，需选择能够在真空条件下工作的探测器，比如美国Judson公司生产的J19系列的TE3:5-66C-R250U型HgCdTe探测器，为热电制冷探测器。

红外辐射测量系统NETD的计算公式为(该公式为推到出的公式)：

$\mathrm{NETD}=\frac{\mathrm{\π}{f}^{\′2}}{\mathrm{\δ}{\mathrm{\τ}}_0{D}^{*}{A}_e\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ΔT}}}{\left(\frac{\mathrm{\Δf}}{A_d}\right)}^{1/2}$

对于校准装置，假设光学系统物镜的焦距ｆ′＝32.5ｃｍ；信号过程因子δ＝0.67，光学镜头及传光系统的透过率τ₀＝0.7，光学有效入瞳Ａｅ＝38.465ｃｍ²；系统等效噪声带宽Δｆ＝1Ｈｚ；波段微分辐射出射度ΔＰ/ΔＴ,以0℃计算:0.9×10^-5Ｗｃｍ^-2Ｋ^-1。

经过计算，如果采用JUDSON公司的TE3:5-66C-R250U型探测器，其ＮＥＴＤ为0.049K，可根据具体的NETD要求选择红外探测器。

校准装置需要进行标定，在进行标定时，将一个标准面源黑体放在扫描辐射计型校准装置一定距离处，黑体设定一个温度，采集一个相应的能量值，再把黑体设置为另外一个温度值，再采集能量值，以此类推，完成校准装置信号值与辐射温度值及辐射量值的对应标定。

系统软件在Windows2000系统下的VC++平台下编制，具有运行稳定、操作界面简单易学等特点，计算机的计算速度满足软件数据处理的要求。

软件的编制最大可能的智能化，减少人员操作，按照一键式设计，减少按键的数量，当操作者按下测量键的时候，设备自动完成所有操作，大大提高自动化水平。

在实际应用时，需要根据现场情况确定应用方式。附图4为某面源黑体现场应用示意图，面源黑体放置于真空舱中，在距离黑体辐射面1m的位置放置一个1300mm×1300mm的挡屏，由于现场空间限制，校准装置与面源黑体之间的距离最大为3m。在黑体升降温及稳定过程中，挡板遮挡住面源黑体的辐射面，当需要对被测红外载荷进行测试时，将挡板移开，使被测红外载荷能够观测到黑体辐射面。

在具体实现中，校准装置的放置可以有实现方式：1.放置于挡屏与面源黑体之间；2.放置于挡屏左侧(以附图4中的位置为准)。

两种放置方式共对应三种扫描方式，分别介绍如下：

扫描方案1：校准装置放置于挡屏与面源黑体之间，校准装置放置于真空二维平移扫描台上，二维平移扫描台通过真空舱法兰实现与外部控制器的电气连接。根据预先设定的测量位置，控制器控制扫描机构使校准装置对准并测量相应位置的辐射量值，测量完所有预定位置后，再对其进行进一步的数据处理，示意图如附图5所示。

扫描方案2：校准装置放置于挡屏左侧，在面源黑体和校准装置之间设置两维扫描镜，根据预先设定的角度，将面源黑体的某些特征点的红外辐射反射至校准装置中，从而进行测量。示意图如附图6所示。

扫描方案3：校准装置放置于挡屏左侧，利用红外光纤将面源黑体特定点产生的辐射导入校准装置，将光纤头部及集光镜头放置在二维扫描机构上，通过二维扫描机构的扫描，从而测量面源黑体不同点的辐射量值。所使用的导光器件选择北京玻璃研究院代理的进口红外光纤，光纤直径为1mm，内部中空，并涂覆AgCl，传光效率高，能够适应真空环境，其最长长度可达5m。光纤两端配有光学镜头，以一定孔径角收集面源黑体的红外辐射，并经其投射至探测器上。示意图如附图7所示。

为了保证校准装置本身的均匀性，需要利用三个高均匀性的校正黑体对探测进行非均匀性校正，三个黑体温度各不相同，分别为常温校正黑体、低温校正黑体和高温校正黑体，位于镜架的上、下、侧面，切换机构为一个反射镜，通过旋转实现校正黑体的切换，实现对探测器的三点非均匀性校正。

针对校准系统的技术指标，设计的红外光学成像系统全视场角为36°，允许误差为±0.2°，其横向视场角大于面源黑体所需的最小横向视场角，主要用来对面源黑体进行成像。根据设计输入数据进行设计，初步设计结果见附图8，附图9，结构较紧凑。光学镜头共由三个镜片组成，考虑无热化因素，保证在使用环境温度范围内MTF变化不超过15％。

光学成像系统的成像清晰度主要根据在一定空间频率处的光学传递函数来进行评价。由于红外焦平面探测器的像元素大小为30um，则对红外成像空间成像质量的考察从截止频率1000/60＝16.7lp/mm开始，考虑到加工和装调的误差，即使我们从17lp/mm开始评价，在最大视场处截止频率处的平均光学传递函数也大于0.5。在小于1°视场的范围内，光学传递函数接近衍射极限。考虑校准装置光学系统在边缘视场处的光学传递函数，以及光学加工装调的误差，校准装置光学系统能够满足校准装置对面源黑体清晰成像的要求。

红外光学系统的畸变也是需要考察的一个重要指标，镜头的最大畸变不超过1.6％，考虑装调误差，光学成像镜头的最大畸变可以做到小于3％。光学镜头设计完成后，送专业加工单位进行加工，严格控制加工质量，加工完成后进行镀模，可以防水防擦痕。同时在镜头内加入一定量的干燥剂，以利于增强环境适应性。

校准装置软件系统分为参数校准、温度定标和非均匀性校正三个模块，具体的软件模块构架如附图8所示。

校准系统软件在每次进行标定或测量前，都要进行非均匀性校正，以保证校准系统自身具有较高的均匀性。根据得到的校正系数，对采集到的红外热图像进行校正。对校正后的图像进行二维图像灰度分布分析。根据图像灰度与辐射亮度或辐射温度的对应关系得出具体的测量结果。由于使用环境温度一般为25℃，故按经验估计校正的精度较高。

同时，需要定期对校准系统进行辐射定标，以保证校准系统的测温准确性。

附图9为某面源黑体现场应用示意图。面源黑体放置于真空舱中，在距离黑体辐射面1m的位置放置一个1300mm×1300mm的挡屏，由于现场空间限制，校准装置与面源黑体之间的距离最大为3m。在黑体升降温及稳定过程中，挡板遮挡住面源黑体的辐射面，当需要对被测红外成像仪进行测试时，将挡板移开，使被测红外成像器能够观测到黑体辐射面。

在具体实现中，校准装置的放置可以有两种实现方式：a.放置于真空舱内；b.放置于真空舱外。

如果校准装置放置于真空舱内，需要考虑校准装置的真空适应性，并且也需要法兰进行电气转接，同时，操作人员需要从真空舱外部对内部设备进行控制。

如果校准装置放置于真空舱外，需在真空舱内设置折转反射镜进行光路折转，同时利用真空舱上的法兰进行转接，可以使校准装置能够观测到面源黑体的整个辐射面。

以上两种方案可根据具体的应用情况灵活选择。尽管已参照最佳实施方式描述了本发明的技术方案，但是本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围并不局限于这些具体实施方式，在不偏离本发明的基本原理的情况下，可以对所述实施方式以及其中的具体技术特征－例如各个模块进行拆分、组合或改变，拆分、组合或改变后的技术方案仍将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统，其特征在于包括红外信号传输光学系统、光调制器、红外探测器、AD信号采集卡、二维扫描装置、计算机控制单元；其中所述红外信号传输光学系统位于待校准面源黑体之前，安装在所述二维扫描转置上，所述红外信号传输光学系统的输出端与所述光调制器输入端连接，用于对待校准面源黑体的红外光线进行扫描并传输给所述光调制器；所述红外探测器用于接收所述光调制器的输出信息，其输出端经所述AD信号卡与所述计算机控制单元连接；其中待校准面源黑体、红外信号传输光学系统、光调制器、红外探测器、AD信号采集卡、二维扫描装置位于同一真空仓内。

2.如权利要求1所述的用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统，其特征在于所述光调制器与所述红外探测器之间设有一调制盘和参考黑体；所述调制盘具有周期分布的通孔，通孔之间的非透光部分设有反射镜，所述调制盘通过其上的通孔和反射镜周期性的将所述光调制器的输出信息和所述参考黑体的辐射能量传输到所述红外探测器。

3.如权利要求1或2所述的用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统，其特征在于所述真空仓内还包括一前置放大器和一锁相放大器；所述红外信号传输光学系统的输出端依次经所述前置放大器、锁相放大器、所述AD信号卡与所述计算机控制单元连接。

4.如权利要求1所述的用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统，其特征在于所述红外信号传输光学系统与待校准面源黑体之间或所述红外信号传输光学系统与所述光调制器之间设有一可移动的挡屏。

5.如权利要求1或4所述的用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统，其特征在于所述红外信号传输光学系统包括一反射镜和会聚光学系统，所述会聚光学系统与待测面源黑体之间的距离为1～3m；所述反射镜安装在所述二维扫描装置上，用于将待校准面源黑体的红外光线反射至所述会聚光学系统。

6.如权利要求1所述的用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统，其特征在于所述红外信号传输光学系统包括一红外光纤和一聚光镜头；所述聚光镜头位于所述红外光纤一端的前端，用于将采集的光线会聚输入到所述红外光纤，所述红外光纤另一端与所述光调制器连接；所述红外光纤和一聚光镜头安装在所述二维扫描装置上；所述红外光纤为内部中空并涂覆AgCl。

7.如权利要求1所述的用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统，其特征在于所述真空舱内设有一标准面源黑体，用于对待测面源黑体进行标定；所述真空舱内设有一组均匀性校准黑体，用于对待测面源黑体进行均匀性校正。