CN104749658B - 一种计量标准装置的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种计量标准装置的光学系统，其包括：光路切换舱，所述光路切换舱与至少一个信号源进行连接；平面反射镜，其将所述至少一个信号源的信号反射至第一低温光路；探测器舱，其与所述第一低温光路连接；所述探测器舱通过第二低温光路连接至傅立叶光谱仪。本发明的计量标准装置的光学系统具有扩展性强，不确定度水平高等特点，为我国红外遥感亮度温度的溯源提供了重要保障，满足我国红外遥感的量值溯源需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种国家计量标准装置的光学系统，尤其是涉及一种应用于风云卫星的红外遥感亮度温度国家计量标准装置的光学系统。
背景技术
风云气象卫星的研制工作始于上世纪70年代，经历了30多年的发展，目前实现了四个系列的9颗卫星的发射和正常工作，成为了世界气象卫星观测系统的重要组成部分。随着气候变化、天气预报、环境监测的要求越来越高，测量的精度就变得越来越重要了。例如，目前对于光谱辐亮度和海洋表面温度监测的不确定度要求为0.1K和每十年0.04K的稳定性，相对于对地观测系统红外谱段的稳定性优于0.01K。
风云气象卫星红外谱段的亮度温度不确定度要求也在不断提高，已经由早期的1K，提高到现在的0.7K，未来十年将会提高到0.1K。随着我国对地观测卫星的不断发展和风云系列卫星数据质量的大幅提升，我国的对地观测系统的发展趋势由定性测量到定量测量、由局部观测到全球观测，由单参量观测到复杂参量协同观测，对地观测数据系统的各载荷的量值需要统一的单位，即国际单位(SI)，因此建立红外遥感亮度温度国家标准具有重要的现实意义，而对于标准装置来说，其光学系统的设计对于其测量精度的提高具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于红外遥感卫星亮度温度国家计量标准装置的光学系统，以满足对亮度温度不确定度的要求。
本发明提供了一种计量标准装置的光学系统，其包括：
光路切换舱，所述光路切换舱与至少一个信号源进行连接；
平面反射镜，其将所述至少一个信号源的信号反射至第一低温光路；
探测器舱，其与所述第一低温光路连接；
所述探测器舱通过第二低温光路连接至傅立叶光谱仪。
其中，所述至少一个信号源包括标准变温黑体和零点黑体。
其中，所述探测器舱中进一步包括有离轴椭球镜。
其中，所平面反射镜位于光路切换舱的中心。
其中，所述傅立叶光谱仪与第二低温光路之间采用金刚石窗片隔离。
其中，所述离轴椭球镜位于六维电控移动台上。
本发明的计量标准装置的光学系统具有扩展性强，标定黑体的口径大，不确定度水平高等特点，为我国红外遥感亮度温度的溯源提供了重要保障，满足我国红外遥感的量值溯源需求。
附图说明
图1计量标准装置的整体结构示意图；
图2光路切换舱的结构示意图；
图3标准变温黑体的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
如图1所示为本发明的红外亮度温度计量标准装置，该红外亮度温度标准装置适用于我国风云气象卫星红外遥感载荷研究。该红外亮度温度标准装置采用液氮冷却真空实验舱和真空测量光路，实现低温度背景的工作环境，标准黑体的温度范围覆盖(190-340)K，可以满足我国风云气象卫星红外载荷定标黑体的量值溯源需求，作为进一步的扩展温度范围(100-700)K，可以基本满足我国红外遥感载荷定标黑体的量值溯源需求。
如图1所示，所述红外亮度温度计量标准装置包括被校黑体真空低温舱1、光路切换舱2、真空标准变温黑体3、液氮冷却“零点”黑体(未图示)、真空低温光路、傅立叶光谱仪测量系统和真空抽气系统。
所述被校黑体真空低温舱1具有较大的直径和长度，优选该被校黑体真空低温舱1的内径为850mm，其长度为1000mm，可以满足直径750mm以内的大口径黑体的量值溯源需求。该被校黑体真空舱的尺寸能够适用于不同尺寸的被校黑体，所述真空低温舱1的尺寸基本上能够满足所有卫星上的定标黑体的溯源需求；在所述被校黑体真空低温舱1内部安装有液氮冷却热沉，所述低温舱的内表面喷高发射率黑漆涂层，以此来降低背景辐射，底部安装的平移推车4可以在水平方向移动方便装卸待测黑体，用于被校黑体的支撑和位置调节。所述平移推车4位于一对轨道之上，该平移推车4可以在轨道上移动，被校黑体可被放置在平移推车4上，可采用移动台或移动架等现有技术的位置调整手段，对所述被校黑体的位置进行调整，所述被校黑体真空低温舱1的一端具有可打开的端盖，当端盖打开时，所述平移推车4位于靠近端口的位置，被校黑体被放置在平移推车上后，通过电路控制，所述平移推车向被校黑体真空低温舱1的另一端进行移动，当移动到预定的测量位置后，所述平移推车被固定，之后将端盖固定在真空低温舱1的端口上，在端口和端盖之间可设置法兰或密封垫圈，采用紧固件将端盖与端口进行固定，在端盖的中央可设置有提拉部件，用于对所述端盖进行操作。所述被校黑体真空低温舱1的另一端与光路切换舱2进行连接，在所述另一端上具有开口，在该开口处具有与所述光路切换舱2进行连接的法兰。
光路切换舱2的主要作用是实现被校黑体真空低温舱1、标准变温黑体3、液氮冷却零点黑体与红外光谱仪测量光路的连接，并通过旋转平面镜实现辐射源光路切换。光路切换舱2是一个可以选择不同测量信号源的光学舱。所述光路切换舱2为六面体形状，优选该光路切换舱2为立方体形状，在光路切换舱2的面上具有供光线通过的光路通道，在光路切换舱2的内部具有浸泡液氮的热沉，所述热沉的外壁具有与所述光路切换舱2相配合的形状，可为六面体或圆柱体形状，其中，所述热沉的内壁为球形，球形的内部结构保证了光路切换舱结构的对称性，从而实现了切换舱内的温度均匀性。
图2为图1中的切换舱2的放大结构示意图，对光路切换舱的内部结构进行进一步的说明，所述光路切换舱2包括：外壳201、接口法兰202、液氮腔203、上端法兰204和光阑套筒205等部件。其中，外壳201为方形壳体，优选为正方体，所述壳体的材料可使用不锈钢或其他适合的材质。在方形壳体的六个面上各有一个接口法兰202，每个接口法兰202距离正方体的中心长度相同。所述热沉优选为液氮腔，所述液氮腔203位于光路切换舱的内部，为了便于温度的传递，通常采用高热导率的材料，优选使用黄铜材质。液氮腔203为中空结构，其外表面为方形、内表面为球形，中间的空腔用于贮存液氮。这种结构可以增加液氮腔的容积，同时能够保证液氮腔内部温度的均匀性。液氮腔203的每个侧面上都具有开口，液氮腔203的六个开口与光路切换舱的六个接口法兰相通并同轴。液氮腔203的内壁喷涂高发射率黑漆。液氮腔203先从光路切换舱2的上部装入，再安装上端法兰204，接着将光阑套筒205固定在液氮腔上。使用时，光路切换舱后部的开口法兰用于安装平面反射镜，平面发射镜位于装置的中心位置并可以绕安装轴做360度的旋转，平面反射镜与安装轴成45度夹角摆放。
如图1所示，在光路切换舱2的四个面上具有光路通道，该相应的光路通道位置处设置法兰与其他部件连接，其中，光路切换舱2的第一侧面与被校黑体真空低温舱1连接，在相对的第二侧面上与标准变温黑体3通过法兰连接，在垂直方向的光路切换舱2的第三侧面上，光路切换舱2通过法兰与零点黑体连接(未图示)，在于零点黑体相对的光路切换舱2的第四侧面上可以设置其他装置。在光路切换舱2的第六侧面连接到光路测量部分，所述光路切换舱2的第六侧面通过真空闸板阀门6与低温真空管路7连接。由于光路切换舱2的内部为球形结构，在球形结构的中心位置设置有平面反射镜，其中，连接所有黑体开口位置距离光路转换舱的中心距离相同，具体而言，标准变温黑体3、零点黑体、被校黑体与球形结构的中心位置的距离相同，平面反射镜5安装在光路转换舱的中心，其可以做360度旋转，通过旋转平面反射镜选择测量信号的来源，通过平面反射镜5的旋转，可分别将标准变温黑体3、零点黑体、被校黑体的信号反射到低温真空管路7中。另外，在光路切换舱2的第五侧面上设置支撑和动作控制部件，所述控制部件控制平面反射镜的旋转角度，其中光路切换舱2的第六侧面与所述第五侧面相对，作为另一种选择，也可以在第四侧面上设置支撑和动作控制部件。前述光路切换舱2的侧面的连接关系根据具体的光路设计的要求可以进行改变，相对之间的连接关系不是唯一的限定。
标准变温黑体3作为真空红外亮度温度的量值标准器，其覆盖的温度范围为100-700K，进一步优选其覆盖的温度范围为190K-340K。如图3所示，所述标准变温黑体包括真空外壳301，在所述真空外壳301内设置有防辐射屏302，在所述防辐射屏302内设置有黑体腔304，在所述黑体腔304与所述防辐射屏302之间设置有多个隔热支撑，在所述黑体腔304的一端安装有黑体锥底，所述黑体锥底被压入或旋入到所述黑体腔304中，所述黑体锥底的外表面可以形成螺纹，在黑体腔的内壁上形成有配合的螺纹；在所述黑体锥底靠近黑体腔的一侧形成凹槽，所述凹槽的口部具有第一宽度，该第一宽度小于所述黑体腔304的内径，所述凹槽的底部具有第二宽度，所述第二宽度小于第一宽度，在远离所述凹槽底部的位置处设置有温度计阱，用于测量所述黑体锥底的温度，为了提高黑体的发射率，在所述凹槽的侧壁上加工有连续的V形槽，所述V形槽，通过沿着黑体锥底的凹槽的开口处依次加工出连续的V形槽，直到该凹槽的底部，因此，在所述黑体锥体的凹槽的侧壁形成围绕侧壁盘旋延伸的的连续V形槽，通过在侧壁上设置V形槽可以明显提高黑体腔的发射率。
如图3中所示，在所述黑体腔304的外侧壁上设置控温循环管路303，所述控温循环管路303在所述黑体腔304上缠绕设置，所述控温循环管路303中采用水或其他降温的流体，该流体优选为液氮，该控温循环管路303在后法兰306上设置有进出口308，通过液体在所述控温循环管路303中的流动调整所述黑体腔304的温度，在所述在黑体腔的侧壁及底部设计多处温度计阱，在所述温度计阱中安装有温度计，通过安装的温度计测量黑体腔温度，通过多个温度计阱的设置，能够对所述黑体腔的不同位置处的温度进行监控和测量。
如图3所示，在黑体腔的靠近前法兰305的开口处设置有光阑，在光阑的靠近一侧设置有杂散光抑制管307，其对杂散光进行控制；在黑体腔的靠近后法兰306的一侧端口处通过旋入的方式设置黑体锥体，在后法兰306的中间位置设置有真空抽气口309。
本发明的标准变温黑体装置，在黑体腔的侧壁及底部设计多处温度计井，用于安装温度计测量黑体腔温度。黑体腔外侧的防辐射屏具有降低热辐射作用，通过减小热交换保证黑体温度稳定性。
本发明的标准变温黑体装置，在黑体腔的侧壁及底部设计多处温度计井，用于安装温度计测量黑体腔温度。黑体腔外侧的防辐射屏具有降低热辐射作用，通过减小热交换保证黑体温度稳定性。
本发明的标准变温黑体3采用恒温循环器控制空腔温度，优选其黑体空腔开口直径为30mm，空腔内径为40mm，底部采用60°锥角，空腔深度为300mm。空腔内部喷涂高发射率黑漆Nextel Velvet 811-21。通过蒙特卡罗软件STEEP3计算，当黑漆涂层发射率为0.95时，空腔发射率可达0.9999。空腔前、中和后部分别设置了9个测温点，采用高精度的铂电阻温度计来监测黑体空腔温度均匀性，腔底采用标准铂电阻温度计作为黑体的标准温度值。所有的温度计的电阻由Fluke高分辨测温电桥1595A采集。利用内径为10mm的铜管嵌入黑体空腔的外壁，并且采用金属锡固定，提高导热性。黑体空腔外部由喷金的防辐射屏和聚四氟乙烯构成，在提供支撑的同时，也降低了黑体温度与外壳温度的相互影响。
液氮冷却零点黑体辐射源利用真空内置杜瓦瓶，将黑体空腔浸泡在液氮中，并与真空隔离，使其保持液氮温度。以此作为傅立叶光谱仪的参考零点。优选其黑体空腔口径为30mm，内径为40mm，腔深250mm，腔底采用倒锥的方式，锥角为75°。通过蒙特卡罗软件STEEP3计算，当黑漆涂层发射率为0.95时，空腔发射率可达0.9997。
所述光路切换舱2的第六侧面通过真空闸板阀门6与低温真空管路7连接，所述低温真空管路7包括第一管段、第二管段和第三管段，所述第三管段的一端与所述第二管段连接，所述第三管段的另一端与探测器舱8的第一接口进行连接，在与所述探测器舱8的第一接口相邻的位置处设置有第二接口，所述第二接口与真空管路11连接，所述真空管路的一端与所述第二接口连接，所述真空管路11的另一端通过至少一组光学部件与傅里叶真空光谱仪连接，在所述探测器舱8的中心设置有离轴椭球镜，所述离轴椭球镜9位于六维电控移动台10上，在所述六维电控移动台10的控制下，所述离轴椭球镜9可以根据光路调整需要进行各个角度的调整。在整个真空低温光路中采用平面反射镜和离轴椭球镜组成的低温光路，从平面反射镜反射的光线通过所述低温真空光路7的三个管段进入到探测器舱8中，入射到所述离轴椭球镜9，通过离轴椭球镜9的光学变换，将光线导向所述探测器舱8的第二接口，从所述第二接口进入到真空光路11中，之后通过所述至少一组光学部件，进入到傅立叶真空光谱仪中。其中，所述离轴椭球镜优选可采用口径为170mm，厚度为10mm的高纯度无氧铜，两个焦距分别为2758mm和1400mm，夹角为40°，离轴量为597.12mm，顶点曲率半径R＝-1642mm，其表面通过镀金处理。该光路系统可收集黑体辐射源的光谱辐射信号，并将其反射汇聚进入真空傅立叶光谱仪中。光路切换舱和离轴镜舱之间的低温真空管路7采用液氮冷却，并且设置多个液氮冷却的光阑来降低杂散光的影响，其中所述多个液氮冷却的光阑分别为光路连接处，例如在真空闸板阀门6和所述真空低温光路7的第一管段之间，第一管段与第二管段之间，第二管段与第三管段之间，第三管段与所述第一接口之间均设置有光阑，并且在所述真空管路11与第二接口之间也设置有液氮冷却的光阑。
所述傅立叶光谱仪12优选采用德国布鲁克Vertex 80V真空型傅立叶光谱仪，光谱分辨率为0.2cm-1，光谱范围优选为1-1000μm，主要的检测器有DTGS非制冷型检测器，InSb和MCT等液氮制冷型检测器，以及Si-Bolometer液氦制冷型远红外检测器。所述傅立叶光谱仪12与真空光路11之间采用金刚石窗片隔离。
真空抽气系统优选采用德国莱宝的磁悬浮分子泵MAG2200和涡旋干泵SC60D，抽速分别为2200L/s和60m3/h。可以满足真空舱无油污和1*10-3Pa的真空度的要求。
本发明的红外遥感亮度温度标准装置，其温度范围覆盖190-340K，光谱范围1-1000μm，不确定度为50mK@300K/10μm(k＝2)。该装置具有扩展性强，标定黑体的口径大，不确定度水平高等特点，为我国红外遥感亮度温度的溯源提供了重要保障，满足我国红外遥感的量值溯源需求。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种计量标准装置的光学系统，其包括：
被校黑体真空低温舱，所述被校黑体真空低温舱能够适用于不同尺寸的被校黑体，底部安装的平移推车用于被校黑体的支撑和位置调节；光路切换舱，所述光路切换舱与至少一个信号源进行连接，所述光路切换舱通过真空闸板阀门与第一低温光路连接；
平面反射镜，其将所述至少一个信号源的信号反射至第一低温光路；
探测器舱，其与所述第一低温光路连接；
所述探测器舱通过第二低温光路连接至傅立叶光谱仪，其特征在于：所述被校黑体真空低温舱的一端具有可打开的端盖，所述被校黑体真空低温舱的另一端与光路切换舱进行连接；
所述光路切换舱为六面体形状，所述光路切换舱的外壳的六个面上各有一个接口法兰，所述光路切换舱包括液氮腔，所述液氮腔为中空结构，其外表面为方形、内表面为球形，中间的空腔用于贮存液氮，所述液氮腔的每个侧面上都具有开口，所述液氮腔的六个开口与光路切换舱的六个接口法兰相通并同轴；所述液氮腔的内壁喷涂高发射率黑漆。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述至少一个信号源包括标准变温黑体和零点黑体。
3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述探测器舱中进一步包括有离轴椭球镜。
4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所平面反射镜位于光路切换舱的中心。
5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述傅立叶光谱仪与第二低温光路之间采用金刚石窗片隔离。
6.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于：所述离轴椭球镜位于六维电控移动台上。
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