CN109141628A - 一种星载光纤焦平面探测器装置 - Google Patents
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Abstract
一种星载光纤焦平面探测器装置，包括：入光焦面端、扰模光纤、温控盒、光纤出光头、准直镜筒、准直镜、衰减片、光电倍增管、热敏电阻、半导体制冷片、热管、散热板、高压电源与信号箱、温控电子学箱；入光焦面与扰模光纤相连；扰模光纤穿过温控盒与光纤出光头相连；光纤出光头插入准直镜筒；准直镜和衰减片安装于准直镜筒内；光电倍增管安装于准直镜筒后端；热敏电阻和半导体制冷片粘贴于光电倍增管外壳上；热管冷端粘贴于半导体制冷片背部，热端粘贴于散热板内侧；高压电源与信号箱与光电倍增管相连接；温控电子学箱与热敏电阻和半导体制冷片连接。本发明解决了卫星光学成像载荷在弱光条件下的探测器响应能力不足的难题。
Description
技术领域
本发明涉及低亮度可见光成像探测器领域，具体涉及一种星载光纤焦平面探测器装置。
背景技术
卫星光学载荷对地成像效果受太阳光照条件限制。当太阳相对于地物目标的高度角较低的晨昏区域或是在夜间月光照度下，地物目标亮度低，此时，常规的光学载荷无法对地成像。然而，在晨昏区域和夜间对地成像将极大提升卫星的探测覆盖效率，若实现弱光条件下的地物成像，则要求光学载荷采用的探测器具有极高的探测灵敏度。
常规的可见光CCD和CMOS探测器难以满足这一要求，采用常轨CCD和CMOS探测器的光学载荷一般需要太阳高度角大于30°时才能取得良好的信噪比，对地最小探测辐亮度约在10-5W·cm-2·sr-1量级。单独光电倍增管虽然具有光子级探测灵敏度，但其并非光学焦平面结构，难以直接用于成像光学载荷的光路设计。
因此，设计一种适用于星载成像光学载荷的高灵敏的光学焦平面探测器装置具有重要的应用价值。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星载光纤焦平面探测器装置，可用于扫描式光学成像载荷的高探测灵敏度光纤焦平面探测器装置。该装置使得每个光纤入光口对应一个像元，且全部光纤入光口在同一焦平面内，每根光纤采用独立的准直光路和光电倍增光探测，使得每个像元皆具有高灵敏度探测能力。
本发明所采用的技术方案如下：
一种星载光纤焦平面探测器装置，包括：入光焦面端、扰模光纤、温控盒、四组包括光纤出光头、准直镜筒、准直镜、衰减片、光电倍增管、热敏电阻、半导体制冷片、热管组成的像元、散热板、高压电源与信号箱、温控电子学箱；所述入光焦面与四根扰模光纤相连；所述四根扰模光纤穿过温控盒与四个光纤出光头相连；所述光纤出光头螺旋插入准直镜筒；所述准直镜和衰减片安装于准直镜筒内；所述光电倍增管螺旋插入准直镜筒；热敏电阻和半导体制冷片粘贴于光电倍增管外壳上；热管冷端粘贴于半导体制冷片背部，热端粘贴于散热板内侧；高压电源与信号箱通过电源导线和信号线与四个光电倍增管相连接；温控电子学箱通过导线与四个热敏电阻和四个半导体制冷片连接。
本发明的工作原理是：入光焦面端入光焦平面位于光学载荷光学系统光学焦平面处。光线从入光焦面端的入光焦平面上的光纤口进入光纤，每个光纤口即相当于一个探测像元；光线由光纤引入至准直镜筒，并从光纤出光头出射后，经准直镜筒内的准直镜准直为平行光，并经过衰减片入射光电倍增管；每个光电倍增管实现每个像元的高灵敏度响应；高压电源与信号箱向光电倍增管提供高压电源供电，并进行信号采集；温控电子学箱通过热敏电阻和半导体制冷片对光电倍增管进行闭环温控，从而保持每个探测像元的本底噪声稳定。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可以实现光纤入光口的平面排布，从而可用于成像光学系统，且可实现多像元并扫；
(2)本发明采用光纤入光口模拟像元，采用光电倍增管进光子检测，从而实现了多像元高灵敏度探测的目的，适用于弱光成像要求的光学载荷；
(3)本发明焦面部分与探测部分采用了光纤连接的分体设计，易于星上布局和热控设计。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的星载光纤焦平面探测器装置结构组成示意图；
图2为入光焦面端入射焦平面光纤口排布示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的星载光纤焦平面探测器装置，包括：入光焦面端1、扰模光纤2、温控盒3、光纤出光头4、准直镜筒5、准直镜6、衰减片7、光电倍增管8、热敏电阻9、半导体制冷片10、热管11、散热板12、高压电源与信号箱13、温控电子学箱14。入光焦面端1与四根扰模光纤2相连。四根扰模光纤2穿过温控盒3与四个光纤出光头4相连。光纤出光头4螺旋插入准直镜筒5。准直镜6和衰减片7安装于准直镜筒5内。光电倍增管8安装于准直镜筒5后端。热敏电阻9和半导体制冷片10粘贴于光电倍增管8外壳上。热管11冷端粘贴于半导体制冷片10背部，热端粘贴于散热板12内侧。高压电源与信号箱13通过电源导线和信号线与四个光电倍增管8相连接。温控电子学箱14通过导线与四个热敏电阻9和四个半导体制冷片10连接。
入光焦面端1入光焦平面位于光学载荷光学系统光学焦平面处。光线从入光焦面端1的入光焦平面上的光纤口进入光纤，每个光纤口即相当于一个探测像元；光线由扰模光纤引入至准直镜筒5，并从光纤出光头4出射后，经准直镜筒5内的准直镜6准直为平行光，并经过衰减片7入射光电倍增管8。该实施例光电倍增管8感光面直径d为8mm，扰模光纤出射数值孔径NA为0.37；由以下关系式可知准直镜6有效通光孔径D为8mm，焦距10.04mm。
d＝D
衰减片7用于光强的衰减调整，避免光电倍增管8出现饱和，并起到调整像元不均匀性粗调作用；每个光电倍增管8实现每个像元的高灵敏度响应。高压电源与信号箱13向光电倍增管8提供高压电源供电，并进行信号采集。温控电子学箱14通过热敏电阻9和半导体制冷片10对光电倍增管8进行闭环温控，从而保持每个探测像元的本底噪声稳定。光电倍增管8为非制冷型小型光电倍增管，外壳粘贴热敏电阻9和半导体制冷片10实现在轨10～25℃偏低温精确控制，从而避免本底噪声的波动。为了使得半导体制冷片10正常工作，需对半导体制冷片10进行散热，半导体制冷片10热面由热管11将热量导引至散热板12，散热板12则由卫星热控系统散热。散热板12绝热安装于温控盒3上；光电倍增管8与准直镜筒5绝热安装，避免漏热。光电倍增管8、热敏电阻9、半导体制冷片10和热管11采用隔热多层缠绕包裹，散热板12背面采用隔热多层覆盖。
图2为入光焦面端1入射焦平面光纤口排布示意图。该入射焦平面为方形扰模光纤嵌入入光焦面端1后整体抛光加工实现，其中光纤入光口(即像元)采用错位设计，避免紧凑拼接带来像元间的漏缝，在光学载荷的工程应用中，像元的错位则可通过每个像元对应视向量进行几何校正，不影响对地成像。
本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种星载光纤焦平面探测器装置，其特征在于，包括：入光焦面端(1)、四根扰模光纤(2)、温控盒(3)、包括光纤出光头(4)、准直镜筒(5)、准直镜(6)、衰减片(7)、光电倍增管(8)、热敏电阻(9)、半导体制冷片(10)、热管(11)的四个像元、散热板(12)、高压电源与信号箱(13)以及温控电子学箱(14)；所述入光焦面(1)与四根扰模光纤(2)相连，四根扰模光纤(2)穿过温控盒(3)与四个光纤出光头(4)相连，四个光纤出光头(4)分别螺旋插入四个准直镜筒(5)，四个准直镜(6)和四个衰减片(7)分别安装于四个准直镜筒(5)内，四个光电倍增管(8)分别安装于四个准直镜筒(5)后端，四个热敏电阻(9)和四个半导体制冷片(10)分别粘贴于四个光电倍增管(8)外壳上，四个热管(11)冷端分别粘贴于四个半导体制冷片(10)背部，热端分别粘贴于散热板(12)内侧，散热板(12)与温控盒(3)隔热安装，高压电源与信号箱(13)通过电源导线和信号线与四个光电倍增管(8)相连接，温控电子学箱(14)通过导线与四个热敏电阻(9)和四个半导体制冷片(10)连接。
2.根据权利要求1所述的星载光纤焦平面探测器装置，其特征在于，所述入光焦面端(1)材料为铝，扰模光纤(2)嵌入入光焦面端(1)延伸至入光面，入光面铝质表面和光纤入光口采用抛光工艺整体加工，形成光洁入光面。
3.根据权利要求1所述的星载光纤焦平面探测器装置，其特征在于，所述扰模光纤(2)采用方形匀化扰模光纤。
4.根据权利要求1所述的星载光纤焦平面探测器装置，其特征在于，所述入光焦面端(1)的入光焦平面光纤入光口采用交替布置。
5.根据权利要求1所述的星载光纤焦平面探测器装置，其特征在于，每根扰模光纤(2)皆从入光焦面端(1)入光焦平面引出，皆通过准直镜(6)、衰减片(7)准直后入射光电倍增管(8)。
6.根据权利要求1所述的星载光纤焦平面探测器装置，其特征在于，四片衰减片(7)衰减程度根据需要调整，采用不同衰减比的衰减片。
7.根据权利要求1所述的星载光纤焦平面探测器装置，其特征在于，四个光纤出光头(4)出光口处于准直镜(6)焦平面处，扰模光纤(2)的出射数值孔径、光电倍增管(8)、准直镜(6)焦距和有效通光孔径、感光面直径应满足以下关系式：
d＝D；
其中，NA为扰模光纤(2)数值孔径，D为准直镜有效通光孔径，f为准直镜有效焦距，d为光电倍增管(8)感光面直径。
8.根据权利要求1所述的星载光纤焦平面探测器装置，其特征在于，所述光电倍增管(8)采用非制冷型小型光电倍增管，其外壳粘贴热敏电阻(9)和半导体制冷片(10)实现10～25℃偏低温的精确控制。
9.根据权利要求1所述的星载光纤焦平面探测器装置，其特征在于，光电倍增管(8)、热敏电阻(9)、半导体制冷片(10)和热管(11)采用隔热多层缠绕包裹，散热板(12)背面采用隔热多层覆盖。
10.根据权利要求1所述的星载光纤焦平面探测器装置，其特征在于，为避免对光电倍增管(8)信号造成干扰，高压电源与信号箱(13)与温控电子学箱(14)相互独立。
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