CN106370605A - 用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统，在现有真空热试验设备基础上研制载荷专用的光谱测试系统，解决测试光源无法更换、调整，测试光路与仪器不匹配的难题，实现试验过程中实时、灵活、有效的光学性能监测。通过选择特定光源和设置光源特性，满足仪器多个波段、多种光学参数的光谱测试。光谱测试装置易于安装，适用范围广；不改动原有试验设备，节省设备改造、定制费用，方便快捷；光源放置在真空热设备外部，可以随时调整、更换；通过更换测试光源、调整光源性能、参数，辅助仪器进行定标，可与在轨定标结果进行对比验证和校正。

Description

用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统

技术领域

本发明涉及真空热试验环境下光谱性能测试装置领域，具体是一种用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统。

背景技术

星载大气痕量气体监测仪是某对地观测卫星搭载的光学遥感载荷，探测地球大气及表面反射、散射的紫外/可见光辐射，获取紫外到可见波段的高光谱数据，从而反演气体成分的分布和变化，实现对全球大气，尤其是与环境相关的痕量气体的定量监测。仪器在研制阶段要完成多项可靠性与环境模拟试验，在试验中模拟载荷发射后在轨工作环境，监测产品在此环境中的工作状态，考核产品设计的合理性，检验其可靠性和性能指标。其中比较重要的是真空热试验，包括低气压放电、热真空、热平衡、真空低温保持试验等，试验时将产品放入真空热试验设备中，模拟在轨的高真空深冷空间环境，按照在轨工作模式工作，并实时监测其性能。作为高光谱遥感仪器，需要测试产品在不同光源下、不同波段的光学性能，如测量特征峰中心位置和半高宽等，从而得到其光谱范围、光谱分辨率、光谱漂移等性能指标。为此，需配合试验条件设计合适的光谱测试系统。真空热试验设备一旦启动试验即不能随意中断，因此试验过程中试验箱是不能开启的。光谱测试系统若使用内置光源，即测试光源放置在真空热设备内部，试验过程中无法更换和调整光源。若将测试光源外置，光线只能通过真空设备观察窗口照射进入，会遭遇两个困难：一、真空设备标准的观察窗口是钢化玻璃材质制成，在可见光波段透过率较高，在紫外波段透过率很低，光源发出的紫外波段光线无法透入，不适用于光学载荷仪器的性能测试；二、由于仪器放置在真空设备内的导轨平台上，其入光孔与真空设备窗口往往不在同一水平面上，且高度相差较大，外置光源光线无法进入仪器入光孔，也就无法进行测试。为解决测试光源无法更换、调整，测试光路与仪器不匹配的难题，实现试验过程中实时、灵活、有效的光学性能监测，研制了载荷专用的多谱段、多参数、可调节的光谱测试系统，获得载荷在多种光谱特征和光强的入射光条件下，多个波长的光学响应特性指标，从而检验、校准仪器光学系统性能。

发明内容 本发明的目的是提供一种用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统，通过针对性的设计，使测试系统具备良好的适用性、易用性，解决目前缺乏用于环境模拟试验的光学性能测试系统、测试工具使用困难、功能无法满足全面测试要求的难题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统，其特征在于：包括设置在真空热实验设备外部的可调光源装置、安装在真空热实验设备侧壁上的高透过率窗片，以及设置在真空热实验设备内的光路转折装置和具有入光孔的载荷仪器，其中：

可调光源装置包括三脚架，三脚架上转动安装有可调角度的转动机构，该转动机构上安装有可上下升降的升降台，升降台上设有测试光源模块，该测试光源模块在转动机构、升降台调整下光出射端对准真空热实验设备侧壁上的高透过率窗片；

光路转折装置包括水平设置的转接安装板，转接安装板上转动安装有转动调节机构，转动调节机构上竖向安装有支撑架，支撑架内设有两个呈上下相对排列的棱镜保持架，每个棱镜保持架分别各自通过横轴上下滑动及转动安装在支撑架内，每个棱镜保持架上分别设有直角棱镜，且直角棱镜的侧面分别被柔性装夹装置紧固在对应的棱镜保持架上，两直角棱镜各自一个直角边相对，其中下方的直角棱镜的另一个直角边对准真空热实验设备侧壁上的高透过率窗片，上方的直角棱镜的另一个直角边对准载荷仪器的入光孔；

测试光源模块的出射光从高透过率窗片进入真空热实验设备内，并入射至光路转折装置中下方的直角棱镜，测试光源模块的出射光依次经过下方的直角棱镜90度反射、上方的直角棱镜90度反射后，从入光孔入射至载荷仪器，实现对载荷仪器光学性能的测试。

所述的用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统，其特征在于：可调光源装置中，测试光源模块的光出射端上设有光圈、衰减部件、滤光部件、准直部件，测试光源模块的光源种类可更换，可选用汞灯、或卤素灯、或氙灯、或全波段高亮度元素灯，光源功率、光圈大小、衰减系数、滤光参数、准直特性等皆可调节，更好的适应仪器光谱测试需求。

所述的用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统，其特征在于：高透过率窗片采用紫外熔融石英玻璃窗片，其厚度要求足够承受真空试验设备产生的负压；高透过率窗片两面边缘倒角，在高透过率窗片正反两面靠近边缘处垫密封橡胶圈。

所述的用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统，其特征在于：光路转折装置是在真空热实验设备内部真空热环境下工作的部件，所用材料皆为航天试验许用材料。

所述的用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统，其特征在于：两直角棱镜分别使用紫外熔融石英，且在直角面分别镀增透膜，满足光谱测试要求；直角棱镜热膨胀系数很小，并通过柔性装夹装置柔性安装在棱镜保持架上，可减少温度快速变化的影响。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

（1）在现有真空热试验设备基础上研制载荷专用的光谱测试系统。将测试光源外置，利用升降及角度调节装置调整光源的立体方位和视角，配合内置的光路转折装置，使得测试光源光线进入仪器入光孔，实现试验中实时、灵活的光学性能监测。通过选择特定光源和设置光源特性，满足仪器多个波段、多种光学参数的光谱测试。

（2）光谱测试装置易于安装，适用范围广；结构简单稳固，安全可靠；不改动原有试验设备，节省设备改造、定制费用，经济性好；只需拆装更换窗片，安装辅助测试系统，无需进行其他改动，方便快捷；光源放置在真空热设备外部，可以随时调整、更换，灵活有效。

（3）通过更换测试光源、调整光源性能、参数，辅助仪器进行定标，实现探测中心波长的周期性校准，校正探测器的光谱特性变化。可利用光谱测试系统与在轨定标结果进行对比验证和校正。

附图说明

图1为本发明的装置及光路侧视示意图。

图2为本发明的光路转折装置示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统，包括有外置可调光源装置、高透过率窗片14以及光路转折装置。测试时可调光源装置放置在真空热试验设备外部，可调光源装置包括作为支撑的三脚架9，三脚架9平台上装有可调角度的转动机构10，转动机构10上装有升降台11，升降台11上放置测试光源模块12。转动机构10可调整光源的角度，升降台11可调节光源的高度，使得光源发出的光线在合适的高度垂直于高透过率窗片14进入试验箱内。

测试光源模块12的前端包括光圈、衰减、滤光、准直等部件。其光源种类可更换，可选用汞灯、卤素灯、氙灯、以及定制的全波段高亮度元素灯。光源功率、光圈大小、衰减系数、滤光参数、准直特性等皆可调节，更好的适应仪器光谱测试需求。

测试光源模块12发出的光通过安装在真空热试验设备侧壁13上的窗片14进入试验设备内部。高透过率窗片14使用高质量的紫外熔融石英玻璃窗片替换试验设备原有观察窗片，在深紫外波段有很高的透过率，满足光谱测试要求；几乎没有激光诱导荧光，适于采用激光光源作光路调试；窗片厚度为20mm，足够承受真空试验设备产生的负压；高透过率窗片14两面边缘倒角，在窗片正反两面靠近边缘处垫密封橡胶圈，减少应力集中；高透过率窗片14材料热膨胀系数低，耐热震性能良好，试验环境温度变化对其影响不大。

光路转折装置由转接安装板1、转动调节机构2、支撑架3、直角棱镜4、直角棱镜5、高度和角度可调的棱镜保持架6、7、以及柔性装夹装置8组成。光路转折装置通过转接安装板1紧固在真空热试验箱内，转动调节机构2可调整旋转角度，从而改变转动调节机构2上支撑架3的放置角度。支撑架3两侧壁上加工有长槽，可容纳两个棱镜保持架6、7上下滑动调节高度。两个棱镜保持架6、7可绕自身横轴旋转，从而调节内部直角棱镜的角度。直角棱镜4和5分别置于上下两个棱镜保持架6、7上，直角棱镜斜面的两端锐角处被棱镜保持架限位，直角棱镜两侧面则被柔性装夹装置8紧固。通过调整转动调节机构2的转角位置、棱镜保持架6、7的高度和俯仰角度，调节入射光线光路，使得光线分别经过两个直角棱镜4、5的90度反射后，准确射入载荷仪器15的入光孔16中。

直角棱镜4和5分别使用紫外熔融石英且在直角面镀增透膜，满足光谱测试要求。直角棱镜4和5热膨胀系数很小，并通过柔性装夹装置8柔性安装在棱镜保持架上，可减少温度快速变化的影响。光路转折装置是在试验设备内部真空热环境下工作的部件，所用材料皆为航天试验许用材料，没有使用油、脂等挥发性材料，不会对仪器产生污染。在试验正式开始前，真空热试验箱仍未封闭，可以安装和调试光路转折装置，待光路调整完毕后再关闭试验箱开始试验。

Claims (5)

1.用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统，其特征在于：包括设置在真空热实验设备外部的可调光源装置、安装在真空热实验设备侧壁上的高透过率窗片，以及设置在真空热实验设备内的光路转折装置和具有入光孔的载荷仪器，其中：

可调光源装置包括三脚架，三脚架上转动安装有可调角度的转动机构，该转动机构上安装有可上下升降的升降台，升降台上设有测试光源模块，该测试光源模块在转动机构、升降台调整下光出射端对准真空热实验设备侧壁上的高透过率窗片；

光路转折装置包括水平设置的转接安装板，转接安装板上转动安装有转动调节机构，转动调节机构上竖向安装有支撑架，支撑架内设有两个呈上下相对排列的棱镜保持架，每个棱镜保持架分别各自通过横轴上下滑动及转动安装在支撑架内，每个棱镜保持架上分别设有直角棱镜，且直角棱镜的侧面分别被柔性装夹装置紧固在对应的棱镜保持架上，两直角棱镜各自一个直角边相对，其中下方的直角棱镜的另一个直角边对准真空热实验设备侧壁上的高透过率窗片，上方的直角棱镜的另一个直角边对准载荷仪器的入光孔；

测试光源模块的出射光从高透过率窗片进入真空热实验设备内，并入射至光路转折装置中下方的直角棱镜，测试光源模块的出射光依次经过下方的直角棱镜90度反射、上方的直角棱镜90度反射后，从入光孔入射至载荷仪器，实现对载荷仪器光学性能的测试。

2.根据权利要求1所述的用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统，其特征在于：可调光源装置中，测试光源模块的光出射端上设有光圈、衰减部件、滤光部件、准直部件，测试光源模块的光源种类可更换，可选用汞灯、或卤素灯、或氙灯、或全波段高亮度元素灯，光源功率、光圈大小、衰减系数、滤光参数、准直特性等皆可调节，更好的适应仪器光谱测试需求。

3.根据权利要求1所述的用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统，其特征在于：高透过率窗片采用紫外熔融石英玻璃窗片，其厚度要求足够承受真空试验设备产生的负压；高透过率窗片两面边缘倒角，在高透过率窗片正反两面靠近边缘处垫密封橡胶圈。

4.根据权利要求1所述的用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统，其特征在于：光路转折装置是在真空热实验设备内部真空热环境下工作的部件，所用材料皆为航天试验许用材料。

5.根据权利要求1所述的用于星载大气痕量气体监测仪的数光谱测试系统，其特征在于：两直角棱镜分别使用紫外熔融石英，且在直角面分别镀增透膜，满足光谱测试要求；直角棱镜热膨胀系数很小，并通过柔性装夹装置柔性安装在棱镜保持架上，可减少温度快速变化的影响。