CN109459215B - 用于空间目标远近场光学特性测量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于空间目标远近场光学特性测量的装置，包括球形容器和通光光程筒，通过接筒连接，接筒上设有闸板阀；球形容器上有赤道测量面和第二测量面，第二测量面与接筒的中轴线在同一平面内，通光光程筒中轴线位于第二测量面下0.5m；光学测量设备自通光光程筒远端经过通光光程筒、接筒和球形容器向测量目标照射，测量目标位于所述第二测量面上；测量设备视场、测量目标尺寸、接筒长度和闸板阀尺寸相互约束。本发明通过设计球形主容器与圆柱形通光光程筒的结合，在不加大球形容器的同时，使得远光学场测量成为现实。同时通过合理设计测量位置、光程、各设备通光口径、长度等，使得测量视场全覆盖。

Description

用于空间目标远近场光学特性测量的装置

技术领域

本发明涉及空间目标特性测量领域的测量环模设备，特别涉及用于空间目标远场光学特性测量的装置。

背景技术

空间环境模拟试验中需要对目标进行多角度的观测，同时又要求测量设备到测量目标的距离一致，否则会引起测量的误差，所以球形容器设计是保证各个测量设备到测试目标的距离一致的最佳选择；同时，为降低环境模拟引入的测量误差，需要设计的球形容器尺寸很大。

而有时候，空间目标远场光学特性分析需要远场测量，这样一方面就要求球形容器设计的比较大，即便如此，球形容器由于工艺等原因不可能做的很大，所以有时球形容器不能满足远场测量要求。所以为满足光学模拟测量的远场条件，即光学特性测量设备需要离目标的距离(光程)更长，仅靠直接增加球形容器尺寸的方法不可取，会导致整个真空容器变得更大，工艺上很难实现，成本剧增。

发明内容

所以为了实现远场测量，本发明提出了一种用于空间目标远近场光学特性测量的装置，其采取的方法是在主容器(即球形容器)基础上针对光程需求增加一段副容器(即通光光程筒)，使其长度满足光程需要；同时合理排布主容器与副容器的结构，在保证系统原有功能的基础上，在副容器与主容器之间设计闸板阀结构，实现两个容器间的真空通断。

本发明的技术方案如下：一种用于空间目标远近场光学特性测量的装置，其特征在于：包括球形容器和通光光程筒两部分，两者之间通过接筒连接，所述接筒上设置有闸板阀；通过所述球形容器实现光学特性近场测量，通过所述通光光程筒实现光学特性远场测量；

所述球形容器上设置有赤道测量面和第二测量面，所述第二测量面位于赤道测量面下，所述赤道测量面和第二测量面上设置有光学特性观测窗口；

所述第二测量面与接筒的中轴线在同一平面内，所述通光光程筒中轴线位于所述第二测量面下；

光学测量设备自所述通光光程筒远端经过所述通光光程筒、接筒和球形容器对测量目标测试测量目标；

所述测量设备视场、测量目标满足下述条件：测量设备视场完整覆盖测量目标，选配视场角度：0.25°、0.5°、1°、2°、4°；测量目标俯仰角度：-90°～+90°。

进一步地，所述赤道测量面观测窗口用于观测测量目标近场光学特性，所述第二测量面观测窗口用于观测测量目标远场光学特性。

进一步地，以定义一坐标系为参照，设置各观测窗口：坐标系原点在所述球形容器的球心处，X-Y平面位于赤道测量面内，X轴与球形容器侧门轴线重合或平行，正向指向侧门方向，Y轴与连接通光光程筒的轴线平行，正向指向通光光程筒，Z轴垂直于X-Y平面，正向向上。

进一步地，所述测量设备视场角度Φ与测量目标高度H、测量设备距离测量目标距离M之间存在以下关系：

2tgΦ*M＝H

同时，测量设备视场角度Φ与闸板阀通光孔径尺寸D、接筒长L之间存在以下关系：

2tgΦ*通光光程筒长<D<2tgΦ*(通光光程筒长+接筒长)。

进一步地，所述球形容器由球壳板分区拼装而成，分为上极区、上温带区、下温带区、下极区，其中各区由若干小块球壳板拼装而成。

进一步地，所述上极区和下极区球壳板采用足球瓣式组合，所述上温带区、下温带区球壳板采用橘瓣式组合。

进一步地，所述上极区和下极区都由7块球壳板组成，上极区板宽12度，下极区板宽16度；所述上温带区和下温带区均由20块球壳板组成，板宽18度，下温带板长60度，上温带板长50度。

本发明的显著效果在于：设计了球形主容器与圆柱形通光光程筒的结合，在不加大球形容器的同时，使得远光测量成为现实。同时通过合理设计测量面与观察窗、测量位置、光程、各设备通光口径与长度等，使得测量无死角，测量场全覆盖。

附图说明

图1为远场测量主容器(球形容器)与副容器(通光光程筒)的连接示意图；

图2为球形容器结构拼装正视图；

图3为球形容器顶部拼装俯视图；

图4为球形容器为参照建立的坐标系；

图5为赤道面上主要观测窗口排布；

图6为第二测量面上主要窗口排布；

图7为俯视观光光程筒主要窗/接口排布图；

图8为正视观通光光程筒主要窗/接口图；

图9为闸板阀结构图；

图10为误差补偿测量目标位移图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，在一具体实施例中，本发明提供一球形容器1作为主容器，直径约18m；在球形容器一侧开口，通过接筒3连接通光光程筒2作为副容器。通光光程筒2的轴向长度视需要设计，实施例中取12m，用于延长测量光路，使光谱仪测量视场能够完整覆盖被测目标，满足对目标的光谱辐射测量需求。通过控制接筒3上的闸板阀4，控制球形容器1与通光光程筒2的连通。测量时，光学测量设备通过通光光程筒2对球形容器1内第二测量面的目标进行测量。

大直径球形真空容器，作为光学特性测量模拟试验系统的主体机构，主要用于近场测量。在容器中设置太阳模拟器，以及用于模拟除太阳光以外辐射源的背景辐射模拟器。由于容器是球形设计，尺寸又比较大，所以结构设计方案和加工成型工艺较难实现。根据现行加工能力，为了减少焊缝，尽量取大的球壳板、少的球壳板数，如图2所示，由上到下分为4区结构组装焊接，第一区为上极区I，第二区为上温带区II，第三区为下温带区III，第四区为下极区IV，分区后球壳板弧度小，变形小。上极区I与上温带区II无缝焊接，上极区I设置顶部大门，顶部大门与上极区I罐体之间采用法兰连接；上温带区II与下温带区III之间无缝焊接，下温带区III与下极区IV之间无缝焊接，上极区I和下极区IV为球体的上、下两个小球冠；下温带区III主要开设侧面大门和小门等，供设备和人员进出，侧门比较小，所以可以用一整块壳板基本可以成型。

每个区也是采用小版块组焊，如图3所示，上极区I(即顶部大门)和下极区IV都由7块球壳板组成，采用足球瓣式组合，只是跨度不一样大，上极区I板宽12度，下极区板宽16度；上温带区II和下温带区III均为20块球壳板组成，如图2所示，采用橘瓣式组合，板宽18度，只是下温带区板长60度，上温带板长50度，以上“度”表示板的弧度。这样的分区以及板块组合巧妙设计，极大地减少了拼接数量，增强了大尺寸球罐的强度。

如图1所示，球形容器1，设置赤道测量面和第二测量面，赤道测量面是过球心的水平面，实施例中选取第二测量面位于赤道测量面下3m，两平面平行；容器主要在赤道测量面上和第二测量面上设置光学特性观测窗口。

赤道测量面观测窗口主要用于观测主容器内目标近场光学特性，第二测量面主要观测主容器内目标远场光学特性，远程光电场来源于通光光程筒2，鉴于光学筒的高度，由第二测量面水平向外连接通光光程筒2。

本系统优点是：(1)可直接测量光学特征量主要包括：时空高相关的目标表面温度、辐射温度、目标表面辐射亮度、远场总辐射强度、目标光谱辐射强度和方向辐射亮度等，及上述各光学量随时间和空间的变化量；(2)系统可复现阳光、阴影、顺光、逆侧光、侧光等几何关系(在容器中设置太阳模拟器，以及用于模拟除太阳光以外辐射源的背景辐射模拟器)，进行目标光学特性测量；(3)系统具备测量典型目标近场、远场光学特征的能力，可测量其它类型目标、空间目标的近场成像特性；(4)系统可测量等效黑体辐射温度低于200K的目标光学特性。

如图4所示，通过建立一坐标系作为参照，详细予以说明各测量窗口的位置。

定义坐标系：坐标系原点选在球形容器1的球心处，X-Y平面位于赤道面内，X轴与Φ5m的容器侧门轴线重合或平行，正向指向侧门方向，Y轴与连接通光光程筒2的轴线平行，正向指向通光光程筒，Z轴垂直于X-Y平面，正向向上，X-Y-Z三轴满足右手定则。

一)赤道面上主要观测窗口排布见下表，如图5所示：

二)第二测量面上主要观测窗口见下表，如图6所示：

为保障典型尺寸目标远场光学特性的测量，设计通光光程筒2，利用该光程筒能够增加一倍以上的测量光程，保证测量精度，同时在筒内还可以进行真假目标与拦截器过程模拟试验。通光光程筒2装置结构外形呈水平卧式圆筒形结构，实施例中选取筒内径Φ5.6m(大门法兰尺寸根据这个尺寸设计)，大门设置在端部，和底封头选用标准椭球形结构，筒体总长约12m左右。前端碟形封头中间开有约Ф2m的接筒3，通过双向闸板阀4与球形容器主体对接，另一端为Φ5.6m全开式活动大门，采用可移动式龙门框架形式开启和关闭。通光光程筒筒体、大门、封头安装液氮热沉，侧壁开有真空泵、电气接口、光学窗口以及试验观察窗口，便于各种测量设备安装，在通筒内部设有光学平台，放置测量设备。容器壁开孔较多，包括与主罐对接接口、低温泵接口，以及其它各类泵阀门接管、观察窗口、光学测量窗口、试验测控电缆窗口等。

三)通光光程筒2主要窗/接口见下表，如图7、图8所示：

以上各容器窗口的位置和数量可根据实际测试需要布置，并非做唯一限定，本发明充分证明的是在远近测量容器上都可以设置多个测量观察窗口，用于实现远近程测量，以及多角度测量。球形容器各个方向到中心的距离相等，所以可实现多角度等距离测量。

接筒3沿球形容器1的第二测量面向坐标系Y轴正方向接出，用于与通光光程筒2连接，实施例中接筒3中轴线与球形容器第二测量面重合。

为了控制球形容器1与通光光程筒2的隔离或接通，在接筒3上设置了闸板阀4，如图9所示。测量时，光学测量设备通过通光光程筒对主容器内第二测量面上的测量目标进行测量。闸板阀4有效通光孔径与光学测量设备视场、最大可测量目标尺寸和接筒长度都有关系，四者之间相互制约，所以必须协调设计闸板阀4的尺寸。

注：

[1]测量设备视场：光谱仪的视场光阑，为测量半视场。

[2]可测量目标尺寸：以锥体目标为例，该尺寸指锥体高度。

[3]接筒长度：接筒直筒段长度。

[4]闸板阀尺寸：闸板阀有效通光孔径。

[5]接筒有效通光孔径：接筒与主容器的接口位置孔径。

测量设备视场、最大可测量目标尺寸和接筒长度、闸板阀尺寸存在以下几何关系：

1)测量设备视场一定时，接筒长度越长，最大可测量目标尺寸越大。

2)接筒长度一定时，设备视场与最大可测量目标尺寸成正比，视场越大，可测量目标尺寸越大。

3)闸板阀尺寸主要由测量设备视场决定，选取的测量视场越大，闸板阀越大；闸板阀位置越靠近光程筒，尺寸可适当调小。

所以，根据上述实施例中球形容器直径18m，通光光程筒长12m、直径5.6m时总体规划和系统布局，设计的约束条件有：

A、被测目标尺寸：目标高度不大于2m，底部直径小于0.7m；

B、测量设备视场应完整覆盖被测目标；

C、测量设备可选配视场：0.25°、0.5°、1°、2°、4°；

D、闸板阀尺寸：不能超过2m；

E、测量设备距离被测目标距离：20.2m+接筒长；

F、接筒长度可设计范围：不短于2.5m，不长于4m；

G、目标俯仰方向运动范围：0～135°

在此基础上进行设计计算：

目标光谱特性测量要求目标能够完整存在于测量设备视场内。测量设备视场角度Φ与被测目标高度H(底部直径0.7m以内)和接筒长L之间存在以下关系：

2·tgΦ·(20.2+L)＝H

式中20.2m+接筒长是测量设备距离被测目标距离。

同时，为保证测量设备视场中不要存在接筒内壁，测量设备视场Φ与闸板阀通光孔径尺寸D之间，有以下关系：

2·tgΦ·12＜D＜2·tgΦ·(12+L)

试中数值12指通光光程筒长。

因此，分2°视场、4°视场两种情况分别计算分析。

一)测量视场2°情况

测量视场2°时，计算接筒长、可测量目标高度与闸板阀通光孔径之间关系，结果如表4：

表4 2°视场时目标尺寸、接筒长与闸板阀尺寸间对应关系

测量设备视场	可测量目标高度	接筒长度	闸板阀尺寸
				2°	1.55m	2m	0.84m<D<1.08m
2°	1.6m	3m	0.84m<D<1.17m
				2°	1.76m	5m	0.84m<D<1.25m
2°	2m	8.44m	0.84m<D<1.54m

从节约成本和试验空间角度，接筒不应做得太长。因此，进一步对接筒长2m、3m、5m、测量设备视场无法完全覆盖目标时，对辐射测量影响进行分析。当接筒较短，在目标竖直放置进行测量时，会出现目标的头部小区域无法进入测量视场，造成测量设备接收的目标总辐射减少。

综合上述计算，结论如下：

(1)采用2°视场对目标进行测量，当接筒长5m时，测量设备视场可全覆目标，不存在由视场覆盖引入的测量偏差；当接筒长3m时，引入的测量偏差小于等于1％，当接筒长2m时，引入的测量偏差小于1.5％。

(2)采用2°视场对底部直径小于等于0.7m、高小于等于2m的目标进行测量，当接筒长5m时，由视场不完全覆盖引入的测量偏差小于等于2％，当接筒长3m时，引入的测量偏差小于4％，当接筒长2m时，引入的测量偏差约5.1％。

(3)依据接筒的设计约束，接筒设计为3m较为合理，此时，闸板阀有效通光孔径在0.84m<D<1.17m范围内选取，接筒有效通光孔径应大于1.2m。

二)测量视场4°情况

为使测量设备视场全覆盖目标，可选配更大视场进行测量，即4°视场。

测量视场4°时，计算接筒长、可测量目标高度与闸板阀通光孔径之间关系，结果如表5：

表5 4°视场时目标尺寸、接筒长与闸板阀尺寸间对应关系

测量设备视场	可测量目标高度	接筒长度	闸板阀尺寸
				4°	3m	1.25m	1.68m<D<1.95m
4°	3.1m	2m	1.68m<D<2.06m
				4°	3.25m	3m	1.68m<D<2.2m
4°	3.4m	4m	1.68m<D<2.34m
				4°	3.53	5m	1.68m<D<2.48m

从表中可以看到：

1)当选用4°视场测量时，可测量目标尺寸较2°视场大幅增加，可满足现阶段飞行器的测量需求。

2)选用4°视场测量时，闸板阀尺寸需求相应增大，考虑闸板阀可加工尺寸不大于2m，要求闸板阀与光程筒距离小于2.3m。

3)选用4°视场测量时，接筒有效通光孔径^[5]需求相应增大，例如，接筒长3m时，需接筒有效通光口径2.2m。

从节约成本和试验空间角度，接筒不应太长且口径不宜太大。因此，进一步分析接筒内壁有部分辐射进入测量设备视场的情况，对目标总辐射测量的影响。当接筒孔径较小时，接筒内壁部分辐射会进入测量设备视场，与目标辐射一同作为测量结果输出，造成测量结果与目标真实辐射偏离。

综合上述计算，结论如下：

(1)采用4°视场测量，需相应增大闸板阀尺寸，要求闸板阀与光程筒距离小于2.3m，闸板阀尺寸可控制在2m以下。

(2)采用4°视场测量，若接筒内壁铺设热沉，则接筒通光孔径与闸板阀孔径可保持一致。

(3)采用4°视场测量，若接筒内壁不铺设热沉，接筒通光孔径大于闸板阀孔径，具体尺寸由接筒长度决定，例如接筒长3m时接筒孔径应大于2.2m，接筒长5m时，接筒孔径应大于2.48m。

(4)若接筒内壁铺设热沉，具体要求为：以闸板阀为分界，靠近主容器半边接筒铺设热沉，靠近光程筒半边接筒不用铺设。

三)补偿计算

根据上述分析，当目标有少部分辐射未进入测量设备时，可适当增大目标与测量设备的距离，被测目标向远离测量设备方向后撤，如图10所示；当目标有部分超出测量设备时，可适当减小目标与测量设备的距离，被测目标向靠近测量设备方向前移。

综合上述分析，给出针对接筒和闸板阀的设计如下：

1)若总体可接受5％以上测量偏差，建议采用2°视场测量，设计接筒长3m，闸板阀通光孔径小于1.2m。能够满足底部直径小于等于0.7m、高小于等于2m的目标光谱总辐射特性测量。

2)若总体不能接受5％以上测量偏差，建议采用4°视场测量，设计接筒长3m，闸板阀通光孔径小于2m且与光程筒距离小于2.3m。以闸板阀为分界，接筒内壁靠近主容器半边铺设热沉。

Claims (7)

1.一种用于空间目标远近场光学特性测量的装置，其特征在于：包括球形容器和通光光程筒两部分，两者之间通过接筒连接，所述接筒上设置有闸板阀；通过所述球形容器实现光学特性近场测量，通过所述通光光程筒实现光学特性远场测量；

所述球形容器上设置有赤道测量面和第二测量面，所述第二测量面位于赤道测量面下，所述赤道测量面和第二测量面上设置有光学特性观测窗口；

所述第二测量面与接筒的中轴线在同一平面内，所述通光光程筒中轴线位于所述第二测量面下；

光学测量设备自所述通光光程筒远端经过所述通光光程筒、接筒和球形容器对测量目标进行测量；

所述测量设备视场、测量目标满足下述条件：测量设备视场完整覆盖测量目标，选配视场角度：0.25°、0.5°、1°、2°、4°；测量目标俯仰角度：-90°～+90°。

2.根据权利要求1所述的用于空间目标远场近光学特性测量的装置，其特征在于：所述赤道测量面观测窗口用于观测测量目标近场光学特性，所述第二测量面观测窗口用于观测测量目标远场光学特性。

3.根据权利要求1或2所述的用于空间目标远近场光学特性测量的装置，其特征在于：

以定义一坐标系为参照，设置各观测窗口：坐标系原点在所述球形容器的球心处，X-Y平面位于赤道测量面内，X轴与球形容器侧门轴线重合或平行，正向指向侧门方向，Y轴与连接通光光程筒的轴线平行，正向指向通光光程筒，Z轴垂直于X-Y平面，正向向上。

4.根据权利要求1所述的用于空间目标远近场光学特性测量的装置，其特征在于：所述测量设备视场角度Φ与测量目标高度H、测量设备距离测量目标距离M之间存在以下关系：

2tgΦ*M＝H

同时，测量设备视场角度Φ与闸板阀通光孔径尺寸D、接筒长L之间存在以下关系：

2tgΦ*通光光程筒长<D<2tgΦ*(通光光程筒长+接筒长)。

5.根据权利要求1所述的用于空间目标远近场光学特性测量的装置，其特征在于，所述球形容器由球壳板分区拼装而成，分为上极区、上温带区、下温带区、下极区，其中各区由若干小块球壳板拼装而成。

6.根据权利要求5所述的用于空间目标远近场光学特性测量的装置，其特征在于，所述上极区和下极区球壳板采用足球瓣式组合，所述上温带区、下温带区球壳板采用橘瓣式组合。

7.根据权利要求5或6所述的用于空间目标远近场光学特性测量的装置，其特征在于，所述上极区和下极区都由7块球壳板组成，上极区板宽12度，下极区板宽16度；所述上温带区和下温带区均由20块球壳板组成，板宽18度，下温带板长60度，上温带板长50度。