CN109655163B - 一种共视场多波段辐射强度时变特性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种共视场多波段辐射强度时变特性的测量装置，包括用于限制测量视场的限光孔、用于改变传输角度的平凸透镜、不同分光波长的多个45°分色镜、用于透过不同波段的光的多个滤光片和用于进行光电转换的多个探测器；限光孔和平凸透镜同轴设置，并在其轴线方向上间隔设置有多个45°分色镜，距离平凸透镜最远的所述分色镜的反射和透射光路上均设置有一个滤光片和一个探测器；除去距离平凸透镜最远的所述分色镜之外的任意所述分色镜的反射光路上均增设有一个所述分色镜，增设的所述分色镜的反射和透射光路上均设置有一个滤光片和一个探测器。本发明中的装置可以实现目标在紫外‑近红外波长范围内多个波段的辐射强度时变特性的共视场测量。

Description

一种共视场多波段辐射强度时变特性测量装置

技术领域

本发明属于辐射测量技术领域，尤其涉及一种共视场多波段辐射强度时变特性测量装置。

背景技术

超高速碰撞、高超声速燃烧、高温气体流动等研究通常要通过测量碰撞火球、燃烧气体及高温气流中的典型原子、分子、离子等在特征辐射波段的辐射强度的时变特性，来分析火球温度、燃料燃烧效率、气体的辐射特性等，以支持碰撞辐射建模、燃烧验证分析、流场参数分析、超高速目标特性分析、高温气体的非平衡效应研究等。

辐射强度时变特性测量系统由辐射强度时变特性测量装置、数据采集处理系统、标定系统等组成。辐射强度时变特性测量装置实现测量视场、测量波段限定，并将目标的时变光辐射强度转换为时变电信号；数据采集处理系统完成测量装置输出电信号的采集、记录和处理分析；标定装置实现辐射强度与电信号的定量关系转换。

目前普遍采用的辐射强度时变特性测量装置有：(1)光纤+滤光片+探测器形式；(2)双狭缝+滤光片+探测器形式；(3)透镜/反射镜+滤光片+探测器形式。

第一类辐射强度时变特性测量装置采用一分多光纤，接收端为单头，多路光纤并在一起，基本解决了多波段测量同视场问题，但由于光纤出光口出光直接通过滤光片再入射到探测器上，通过滤光片的入射光有相当大部分的入射角大于5°，超出了滤光片对入射光角度的限制要求，使得透过滤光片的光并非检测给出的带宽和透过率，使不需要的光照射到探测器上，而且大角度入射到探测器上的光与接近垂直入射的光的响应灵敏度也不同。此外，由于光纤和标定光源能量的限制，使得对探测器测量曲线范围内的值难以全量程标定。综合造成测量数据的处理存在探测器实际测量波长范围和光谱响应及滤光片光谱透过率的不确定、标定曲线不全覆盖测量量程等问题。

第二类和第三类辐射强度时变特性测量装置基本解决了标定曲线不全覆盖测量量程等问题，但各波段测量视场不同，而且同样没有考虑入射光照射到滤光片上和照射到探测器上的入射角等问题，综合造成测量数据的处理存在探测器实际测量波长范围和光谱响应及滤光片光谱透过率的不确定、各波段测量视场不同等问题，使得数据误差较大和做数据相关性分析困难。

综上，这三类测量装置测量数据处理过程中，没有考虑这些问题的影响，使得数据可信度不保证。

因此，需要提供一种既满足视场相同、照射到滤光片和探测器上的入射角小又能满足全量程标定的共视场多波段辐射强度时变特性测量装置。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种同视场、小入射角又能满足全量程标定的共视场多波段辐射强度时变特性测量装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种共视场多波段辐射强度时变特性的测量装置，所述测量装置包括用于限制测量视场的限光孔、用于改变通过所述限光孔的辐射光的传输角度的平凸透镜、用于将透过所述平凸透镜的辐射光分成不同波段的光的多个45°分色镜、用于透过不同波段的光的多个滤光片和用于将透过所述滤光片的光进行光电转换的多个探测器；所述限光孔和所述平凸透镜同轴设置，在所述限光孔和所述平凸透镜的轴线方向上间隔设置有多个45°分色镜，多个所述45°分色镜中沿轴线方向距离所述平凸透镜最远的所述45°分色镜的反射光路和透射光路上均设置有一个所述滤光片和一个所述探测器；除去沿轴线方向距离所述平凸透镜最远的所述45°分色镜之外的任意所述45°分色镜的反射光路上均增设有一个45°分色镜，增设的所述45°分色镜的反射光路和透射光路上均设置有一个所述滤光片和一个所述探测器。

优选地，所述辐射光的传输角度不大于1.5°。

优选地，在所述限光孔和所述平凸透镜的轴线方向上的多个所述45°分色镜呈正交设置。

优选地，在所述限光孔和所述平凸透镜的轴线方向上的所述45°分色镜与增设在各自的反射光路上的所述45°分色镜平行或正交设置。

优选地，所述45°分色镜的法线方向相对所述限光孔和所述平凸透镜的轴线呈45°。

优选地，所述滤光片的轴线与所述限光孔和所述平凸透镜的轴线共轭。

优选地，所述探测器的光敏面轴线与所述限光孔和所述平凸透镜的轴线共轭。

优选地，所述限光孔包括第一限光孔和第二限光孔，所述第一限光孔、所述第二限光孔和所述平凸透镜之间均同轴设置。

优选地，所述平凸透镜采用透紫外石英玻璃或氟化钙玻璃制成；所述滤光片的OD值不小于4。

本发明与现有技术相比至少具有如下的有益效果：

(1)本发明中的所述测量装置包括的45°分色镜组、滤光片组、探测器组共用限光孔与平凸透镜组成的入射光路，确保了多波段辐射强度时变特性测量的视场相同，能够用于目标辐射光在同一视场下在紫外-近红外辐射波长范围内的多个波段的辐射强度的时变特性的测量。

(2)本发明中的所述测量装置采用平凸透镜，调节了辐射光(入射光)传输到45°分色镜、滤光片和探测器上的入射角，确保了分光波长、滤光波长和反射率、透射率及探测器光谱响应率的一致和可确定性，减少了测量数据处理难度及不确定性；本发明中平凸透镜的设置考虑了对紫外-近红外波长光传输角度的调整范围。

(3)本发明中的所述测量装置分光采用具有高反射和高透射率的45°分色镜(分别达到90％以上)，能够确保所测波段光辐射在经过多个分色镜后衰减量低于50％，且每一分光光路上的辐射带宽得到有效减少；在本发明中，同时滤光片选用带内具有高透射、带外具有高抑制(OD值通常在4以上)的滤光片，有效提高了到达探测器光敏面上的光辐射信噪比，显著优于直接在辐射测量光路上布置滤光片的信噪比。

(4)本发明的一些优选实施方案中，在限光孔和平凸透镜的轴线方向上设置的多个45°分色镜呈正交交替布置(呈正交设置)，有效避免了光在经过多个45°分色镜透射后传输路线会出现较大偏移的问题。

(5)本发明中的共视场(同视场)多波段辐射强度时变特性测量装置为开展超高速碰撞火球、高超声速燃烧气体、高温流动气体紫外-近红外辐射在同视场下的多波段辐射强度的时变特性测量提供了手段，为开展超高速碰撞火球温度时变特性分析、高超声速燃烧气体和高温流动气体等特征组份温度时变特性分析、高温气体非平衡效应分析、高超声速目标辐射特性分析获取准确可信的试验测量数据提供了保障。

附图说明

本发明附图仅仅为说明目的提供，图中的尺寸不一定与实际产品一致。

图1是本发明一个具体实施方式中的共视场多波段辐射强度时变特性测量装置的布局及基本光路示意图。

图2是图1中设置在限光孔和平凸透镜的轴线方向上的多个45°分色镜呈正交设置时对光传输路径的修正示意图。

图3是图1中A部分的放大图。

图中：1：第一限光孔；2：第二限光孔；3：平凸透镜；4：45°分色镜；5：滤光片；6：探测器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种共视场多波段辐射强度时变特性测量装置，图1是本发明一个具体实施方式中的共视场多波段辐射强度时变特性测量装置的布局及基本光路示意图；图2是图1中设置在限光孔和平凸透镜的轴线方向上的多个45°分色镜呈正交设置时对光传输路径的修正示意图；图3是图1中A部分的放大图；其中，α表示视场角，β表示传输角度，图1中的45°分色镜未示意出厚度，图2中的45°分色镜示意出了厚度。

在本发明中，例如，如图1所示，所述测量装置包括限光孔(例如两个限光孔)、平凸透镜3、多个不同分光波长的45°分色镜4、多个滤光片5和多个探测器6，在本发明中，多个45°分色镜4组成了45°分色镜组，多个滤光片5组成了滤光片组，多个探测器6组成了探测器组。在本发明中，所述限光孔、平凸透镜3、45°分色镜4、滤光片5和探测器6例如可以安装在内部不反光的黑箱内，如此可以有效避免环境杂散光的影响。在本发明中，所述限光孔用于限制测量视场以及用于控制测量视场角α，使得测量视场内目标产生的光辐射通过所述限光孔照射到所述平凸透镜上，减少视场外的光的影响；所述平凸透镜3用于改变通过所述限光孔的辐射光的传输角度，在本发明中，可以利用合适焦距的平凸透镜3调节辐射光(入射光)的传输角度β，例如可以将辐射光的最大传输角度β(与平凸透镜3轴线的夹角)调整为小角度(例如传输角度β不大于1.5°)，以满足定量化测量时45°分色镜4、滤光片5、探测器6光敏面对光入射角的要求；多个不同分光波长的45°分色镜4用于将透过所述平凸透镜3的辐射光分成不同波段的光(多路不同颜色的光)，多个所述45°分色镜的设置能够依次将辐射光进行分色分向传输，例如，如图1所示；在本发明中，所述滤光片5用于透过不同波段的光，所述探测器6用于将透过所述滤光片5的光进行光电转换。在本发明中，“多个”指的是两个及两个以上。

在本发明中，所述限光孔和所述平凸透镜3同轴设置，以共同限制测量视场，在所述限光孔和所述平凸透镜3的轴线方向上间隔设置有多个45°分色镜4，多个所述45°分色镜4中沿轴线方向距离所述平凸透镜3最远的所述45°分色镜4的反射光路和透射光路上均设置有一个所述滤光片5和一个所述探测器6；除去沿轴线方向距离所述平凸透镜3最远的所述45°分色镜4之外的任意所述45°分色镜4的反射光路上均增设有一个45°分色镜4，增设的所述45°分色镜4的反射光路和透射光路上均设置有一个所述滤光片5和一个所述探测器6，例如，如图1所示；在本发明中，每个所述45°分色镜4均能将辐射光分成反射和透射两部分，两部分的波长分别为低通和高通；每个所述45°分色镜对应的分光波长根据需要测量的辐射波段进行合理选择，分光数量满足测量波段数量要求；在本发明中，所述滤光片5根据辐射光的测量波段和45°分色镜4的分光情况分置于相应分光光路上，实现不同波段的辐射光的提取；每个所述滤光片5对应的透过波段根据辐射测量波段进行选择；在本发明中，所述探测器6置于所述滤光片5后方，对相应波段的光辐射进行光电转换，以备数据采集处理系统进行测量记录；所述探测器6光谱响应波段选择满足测量波段要求，频率响应设计满足时变特性测量要求，光敏面面积选择满足入射光照射面积要求。

在本发明中，所述平凸透镜、所述45°分色镜、所述滤光片和所述探测器的合理设置，实现了多波段辐射强度时变特性的同视场测量；本发明采用平凸透镜，调节了入射光传输到45°分色镜、滤光片和探测器上的入射角，确保了分光波长、滤光波长和反射率、透射率及探测器光谱响应率的一致和可确定性，减少了测量数据处理难度及不确定性；本发明中所述测量装置的分光采用了具有高反射和高透射率的45°分色镜(分别达到90％以上)，确保了所测波段光辐射在经过多个分色镜后衰减量低于50％，每一分光光路上的辐射带宽得到有效减少，同时滤光片选用带内具有高透射、带外具有高抑制(例如OD值通常在4以上)的滤光片，有效提高了到达探测器光敏面上的光辐射信噪比，显著优于直接在辐射测量光路上布置滤光片的信噪比。

本发明针对不同测量视场角α、不同测量通道数、不同测量波段，可以通过调整限光孔、45°分色镜、滤光片、探测器匹配实现；本发明针对不同大小的测量视场角α要求，通过合理调节限光孔大小、限光孔的孔间距及与平凸透镜距离，平凸透镜焦距和口径大小等实现，对于不大于1.5°的传输角度要求需要合理设计限光孔孔径、孔间距及与平凸透镜距离和考虑平凸透镜在不同波长下的焦距及有效通光孔径实现，对于不同测量波段例如可以通过选择不同分光波长的45°分色镜和不同波段的滤光片实现，对时变辐射的光电转换例如可以通过合理选择探测器的光谱响应波段、响应时间、光谱响应灵敏度、光敏面积及放大器增益、带宽等实现。

根据一些优选的实施方式，所述辐射光的传输角度不大于1.5°，例如，如图3所示，所述辐射光的传输角度用β表示。

根据一些优选的实施方式，在所述限光孔和所述平凸透镜3的轴线方向上的多个所述45°分色镜4呈正交设置，如此可以有效避免光在经过多个45°分色镜4透射后传输路线会出现较大偏移的问题，例如，如图2所示；在图2中，虚线表示未设置分色镜时的光线传播路径，实线表示设置有所述45°分色镜4的传播路径，一般入射光透过平行设置的具有厚度的45°分色镜4后，传播路径会发生偏移，而本发明优选为将沿所述限光孔和所述平凸透镜的轴线方向上的多个所述45°分色镜正交交替布置，解决了多个所述45°分色镜平行放置时，会不断加大偏移量的问题，本发明采用45°分色镜4正交交替布置的方式，使得达到所述探测器的光偏移量控制在较小范围内。

根据一些优选的实施方式，在所述限光孔和所述平凸透镜3的轴线方向上的所述45°分色镜4与增设在各自的反射光路上的所述45°分色镜4平行或垂直(正交)设置，例如，如图1所示。

根据一些优选的实施方式，所述45°分色镜4的法线方向相对所述限光孔和所述平凸透镜3的轴线呈45°，如此能够确保照射到45°分色镜上的辐射光满足45°分色镜对入射角45°±1.5°范围要求。

根据一些优选的实施方式，所述滤光片5的轴线与所述限光孔和所述平凸透镜3的轴线共轭，从而能够使辐射光满足所述滤光片对入射角0°±5°的要求。

根据一些优选的实施方式，所述探测器6的光敏面轴线与所述限光孔和所述平凸透镜3的轴线共轭。在本发明中，所述探测器例如可以选用具有高灵敏度的光电倍增管，光敏面积适当大于入射光照射面积，响应波长范围和放大电路增益根据需要设计。

根据一些优选的实施方式，所述限光孔包括第一限光孔1和第二限光孔2，例如，如图1所示，所述第一限光孔1和所述第二限光孔2的孔径依次设置在所述平凸透镜3的前方；所述第一限光孔1、所述第二限光孔2和所述平凸透镜3之间均同轴设置；同轴设置的两个所述限光孔和平凸透镜3共同控制测量视场角α。

根据一些优选的实施方式，所述平凸透镜3采用透紫外石英玻璃(紫外熔融石英玻璃)或氟化钙玻璃等制成；在本发明中，优选为采用紫外熔融石英玻璃、氟化钙玻璃等透紫外-近红外材料制成所述平凸透镜，如此可以更好地满足紫外-近红外辐射强度的测量要求。

根据一些优选的实施方式，所述滤光片5的OD值不小于4。

根据一些优选的实施方式，在所述限光孔和所述平凸透镜3的轴线方向上设置有四个所述45°分色镜4，例如，如图1所示，从而使得本发明中的所述45°分色镜组能够将入射光分成八个不同色段的光束。

特别说明的是，术语“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改(例如通过对轴线上45°分色镜和/或旁路上45°分色镜等部件的数量调整实现测量波段数量增减)，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种共视场多波段辐射强度时变特性的测量装置，其特征在于：

所述测量装置包括用于限制测量视场的限光孔、用于改变通过所述限光孔的辐射光的传输角度的平凸透镜、用于将透过所述平凸透镜的辐射光分成不同波段的光的多个45°分色镜、用于透过不同波段的光的多个滤光片和用于将透过所述滤光片的光进行光电转换的多个探测器；

所述限光孔和所述平凸透镜同轴设置，在所述限光孔和所述平凸透镜的轴线方向上间隔设置有多个45°分色镜，多个所述45°分色镜中沿轴线方向距离所述平凸透镜最远的所述45°分色镜的反射光路和透射光路上均设置有一个所述滤光片和一个所述探测器；

除去沿轴线方向距离所述平凸透镜最远的所述45°分色镜之外的任意所述45°分色镜的反射光路上均增设有一个45°分色镜，增设的所述45°分色镜的反射光路和透射光路上均设置有一个所述滤光片和一个所述探测器；

所述辐射光的传输角度不大于1.5°；

在所述限光孔和所述平凸透镜的轴线方向上的多个所述45°分色镜呈正交设置；

所述滤光片的轴线与所述限光孔和所述平凸透镜的轴线共轭；

所述探测器的光敏面轴线与所述限光孔和所述平凸透镜的轴线共轭。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

在所述限光孔和所述平凸透镜的轴线方向上的所述45°分色镜与增设在各自的反射光路上的所述45°分色镜平行或正交设置。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于：

所述45°分色镜的法线方向相对所述限光孔和所述平凸透镜的轴线呈45°。

4.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于：

所述限光孔包括第一限光孔和第二限光孔，所述第一限光孔、所述第二限光孔和所述平凸透镜之间均同轴设置。

5.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于：

所述平凸透镜采用透紫外石英玻璃或氟化钙玻璃制成；所述滤光片的OD值不小于4。

Images