CN111366243B - 用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，属于红外相机探测能力测试技术领域；包括调整架、冷屏、目标黑体、背景黑体、加热片、热开关、第一制冷机、第二制冷机、分子泵机组、第一压缩机、冷水机组、第二压缩机、氦气瓶、支撑架、温控仪和线性电源；用于星载红外相机动态范围的地面测试，是火星探测的重要配套设备；本发明实现了控制背景黑体温度控制小于40K，控制目标黑体的温度范围为40K～420K变化，控温精度±0.1K，两台黑体温度独立可控；本发明模拟了超低温目标的温度变化，实现了检测红外相机对超低温目标的探测能力。

Description

用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备

技术领域

本发明属于，涉及用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，属于红外相机探测能力测试技术领域。

背景技术

光电成像及目标识别技术在航空航天领域应用较为广泛，通常采用可见光实现，可见光图像具有分辨率高、探测距离远等优点，但受制于光照条件，无法在非光照区成像。红外成像原理上是热成像，探测的是目标的温度变化，不受光照条件限制，可以做到全天时成像，具有较大的优势，早期因为红外探测器技术较为落后，分辨率不高、响应率较低，限制了其广泛使用，近些年随着红外探测器技术的发展，红外在空间领域的应用也开始受到重视。

红外成像虽然不受光照影响，但受目标温度的约束，目标温度越低，其辐射功率越低，成像效果越差；在做目标识别时，还有背景的影响，目标和背景的温差越大，成像对比度越高；在接近绝对零度的太空背景下进行红外探测及目标识别时，通常只需要考虑目标的温度，红外对高温目标的探测较容易测试，但对超低温目标的探测，需要有特定的背景。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，实现对目标和背景黑体同时成像，模拟了超低温目标的温度变化，实现了检测红外相机对超低温目标的探测能力。

本发明解决技术的方案是：

用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，包括调整架、冷屏、目标黑体、背景黑体、加热片、热开关、第一制冷机、第二制冷机、分子泵机组、第一压缩机、冷水机组、第二压缩机、氦气瓶、支撑架、温控仪和线性电源；其中，支撑架水平放置；调整架和冷屏均安装在支撑架的上表面；冷屏为轴向水平放置的中空柱体结构；冷屏的轴向一端指向调整架；背景黑体固定安装在冷屏轴向远离调整架一端的内壁；目标黑体安装在背景黑体指向调整架的一侧；热开关设置在目标黑体与背景黑体之间；加热片设置在目标黑体的侧壁上；第一制冷机、第二制冷机均设置在冷屏轴向远离调整架一端的外壁；分子泵机组设置在冷屏轴向远离调整架一端；第一制冷机依次与第一压缩机、冷水机组连通；第二制冷机依次与第二压缩机、冷水机组连通；氦气瓶设置在支撑架底部；温控仪安装在支撑架的上表面；线性电源设置在温控仪的顶端。

在上述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，所述冷屏轴向指向调整架的一端设置有观测窗口。

在上述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，所述第一制冷机和第二制冷机均与目标黑体连通，实现对目标黑体的第一阶段加热。

在上述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，氦气瓶与热开关连通，实现将氨气充入热开关中。

在上述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，通过温控仪实现观测目标黑体和背景黑体的温度。

在上述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，所述加热片与线性电源连通；通过线性电源控制加热片实现对目标黑体的第二阶段加热。

在上述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，所述分子泵机组与冷屏内腔连通，实现对冷屏内腔进行抽真空处理。

在上述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，所述测试设备的工作过程为：

通过分子泵机组对冷屏内腔进行抽真空处理；打开氦气瓶，将氦气瓶中的氨气充满热开关；开启第一压缩机和第一制冷机，实现对背景黑体进行降温处理；开启第二压缩机和第二制冷机，实现对目标黑体的降温处理；将外部待测装置固定安装在调整架指向冷屏的侧壁处；通过温控仪观测背景黑体与目标黑体的温度；当背景黑体与目标黑体温度均降至阈值a时，停止对背景黑体和目标黑体的降温处理；并通过第二制冷机对目标黑体进行第一段加热处理；直至目标黑体的温度升至b时；抽空热开关内的氦气，防止目标黑体的高温反相传导至背景黑体；打开线性电源，控制加热片实现对目标黑体进行第二阶段加热，直至升至温度c；实现对深空背景的环境模拟。

在上述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，安装外部待测装置时，调节调整架实现外部待测装置的光学中心与目标黑体的中心一致。

在上述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，所述a为30K；b为350K；c为420K。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明的采用了测试设备；实现了背景黑体温度低于40K；目标黑体温度范围为40K～420K；温度控制精度为±0.1K；

(2)本发明的观测窗口可适用红外全波段，腔体长度可适应不同被测品；

(3)本发明采用了冷屏真空腔，减少冷量损耗的同时，也阻隔了外界热辐射；

(4)本发明在目标黑体和制冷机冷头端加了气隙式热开关，可确保目标黑体处在高温段时不损伤制冷机。

附图说明

图1为本发明测试设备结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供了一种用于在深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备。它主要用于星载红外相机动态范围的地面测试，是火星探测的重要配套设备。如图1所示，测试红外相机对低温目标探测能力的设备，包括调整架1、冷屏4、目标黑体7、背景黑体8、加热片9、热开关10、第一制冷机11、第二制冷机12、分子泵机组13、第一压缩机14、冷水机组15、第二压缩机16、氦气瓶17、支撑架18、温控仪19和线性电源20；其中，支撑架18水平放置；调整架1和冷屏4均安装在支撑架18的上表面；冷屏4为轴向水平放置的中空柱体结构；冷屏4的轴向一端指向调整架1；背景黑体8固定安装在冷屏4轴向远离调整架1一端的内壁；目标黑体7安装在背景黑体8指向调整架1的一侧；热开关10设置在目标黑体7与背景黑体8之间；加热片9设置在目标黑体7的侧壁上；第一制冷机11、第二制冷机12均设置在冷屏4轴向远离调整架1一端的外壁；分子泵机组13设置在冷屏4轴向远离调整架1一端；第一制冷机11依次与第一压缩机14、冷水机组15连通；第二制冷机12依次与第二压缩机16、冷水机组15连通；氦气瓶17设置在支撑架18底部；温控仪19安装在支撑架18的上表面；线性电源20设置在温控仪19的顶端。冷屏4轴向指向调整架1的一端设置有观测窗口3。第一制冷机11和第二制冷机12均与目标黑体7连通，实现对目标黑体7的第一阶段加热。氦气瓶17与热开关10连通，实现将氨气充入热开关10中。通过温控仪19实现观测目标黑体7和背景黑体8的温度。所述加热片9与线性电源20连通；通过线性电源20控制加热片9实现对目标黑体7的第二阶段加热。分子泵机组13与冷屏4内腔连通，实现对冷屏4内腔进行抽真空处理。

测试设备的工作过程为：

通过分子泵机组13对冷屏4内腔进行抽真空处理；打开氦气瓶17，将氦气瓶17中的氨气充满热开关10；开启第一压缩机14和第一制冷机11，实现对背景黑体8进行降温处理；开启第二压缩机16和第二制冷机12，实现对目标黑体7的降温处理；将外部待测装置2固定安装在调整架1指向冷屏4的侧壁处；安装外部待测装置2时，调节调整架1实现外部待测装置2的光学中心与目标黑体7的中心一致。通过温控仪19观测背景黑体8与目标黑体7的温度；当背景黑体8与目标黑体7温度均降至阈值a时，a为30K；停止对背景黑体8和目标黑体7的降温处理；并通过第二制冷机12对目标黑体7进行第一段加热处理；直至目标黑体7的温度升至b时；b为350K；抽空热开关10内的氦气，防止目标黑体7的高温反相传导至背景黑体8；打开线性电源20，控制加热片9实现对目标黑体7进行第二阶段加热，直至升至温度c；c为420K。实现对深空背景的环境模拟。

本发明的主要功能有：控制背景黑体8温度控制小于40K，控制目标黑体7的温度范围为30K～420K变化，控温精度±0.1K，两台黑体温度独立可控；预装观测窗口3能透过8～14um波段的长波红外，观测窗口3可更换成透过其他谱段的窗口；观测窗口3外配备两轴位置调节机构，用于将产品对准观察窗口。

本发明提供了小于40K的大面板黑体，用于模拟深空背景，目标黑体7温度变化范围为30K～420K，用于模拟天体目标，待测品置于观察窗口外，对目标和背景黑体同时成像，不断调节目标黑体温度，可模拟测试待测品在深空背景下对低温目标的探测能力。另外本发明的观测窗口设计成可更换形式，预装为长波红外窗口，更换窗口后，可对短波及中波红外进行测试。

为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案是：在真空腔体中，利用高辐射率的黑体面板模拟背景和目标，采用两台制冷机分别对目标和背景进行制冷，待目标和背景均达到预设的温度时，将待测品置于观测窗口外，对腔体内的目标和背景黑体进行成像，保持背景温度不变，逐步提高目标温度，红外相机持续成像，分析成像效果即可达到测试目的。

为保证设备温控精度，在背景黑体和目标黑体上各设置了两个温度传感器。

为减小冷量损耗，使目标和背景的温度达标，采用冷屏4，减少冷量损耗的同时，也阻隔了外界热辐射。在目标黑体7和第二制冷机12冷头端加了气隙式热开关10，可确保目标黑体7处在高温段时不损伤第二制冷机12。为实现宽光谱测试，观测窗口3设计具有成上、下法兰的双层密封结构，便于拆卸更换。

本发明的优点和技术效果是：背景黑体温度低于40K；目标黑体温度范围为40K～420K；温度控制精度为±0.1K；观测窗口可适用红外全波段，腔体长度可适应不同被测品。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，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作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，其特征在于：包括调整架(1)、冷屏(4)、目标黑体(7)、背景黑体(8)、加热片(9)、热开关(10)、第一制冷机(11)、第二制冷机(12)、分子泵机组(13)、第一压缩机(14)、冷水机组(15)、第二压缩机(16)、氦气瓶(17)、支撑架(18)、温控仪(19)和线性电源(20)；其中，支撑架(18)水平放置；调整架(1)和冷屏(4)均安装在支撑架(18)的上表面；冷屏(4)为轴向水平放置的中空柱体结构；冷屏(4)的轴向一端指向调整架(1)；背景黑体(8)固定安装在冷屏(4)轴向远离调整架(1)一端的内壁；目标黑体(7)安装在背景黑体(8)指向调整架(1)的一侧；热开关(10)设置在目标黑体(7)与背景黑体(8)之间；加热片(9)设置在目标黑体(7)的侧壁上；第一制冷机(11)、第二制冷机(12)均设置在冷屏(4)轴向远离调整架(1)一端的外壁；分子泵机组(13)设置在冷屏(4)轴向远离调整架(1)一端；第一制冷机(11)依次与第一压缩机(14)、冷水机组(15)连通；第二制冷机(12)依次与第二压缩机(16)、冷水机组(15)连通；氦气瓶(17)设置在支撑架(18)底部；温控仪(19)安装在支撑架(18)的上表面；线性电源(20)设置在温控仪(19)的顶端。

2.根据权利要求1所述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，其特征在于：所述冷屏(4)轴向指向调整架(1)的一端设置有观测窗口(3)。

3.根据权利要求2所述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，其特征在于：氦气瓶(17)与热开关(10)连通，实现将氦气充入热开关(10)中。

4.根据权利要求3所述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，其特征在于：通过温控仪(19)实现观测目标黑体(7)和背景黑体(8)的温度。

5.根据权利要求4所述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，其特征在于：所述加热片(9)与线性电源(20)连通；通过线性电源(20)控制加热片(9)实现对目标黑体(7)的第二阶段加热。

6.根据权利要求5所述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，其特征在于：所述分子泵机组(13)与冷屏(4)内腔连通，实现对冷屏(4)内腔进行抽真空处理。

7.根据权利要求1-6之一所述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，其特征在于：所述测试设备的工作过程为：

通过分子泵机组(13)对冷屏(4)内腔进行抽真空处理；打开氦气瓶(17)，将氦气瓶(17)中的氦气充满热开关(10)；开启第一压缩机(14)和第一制冷机(11)，实现对背景黑体(8)进行降温处理；开启第二压缩机(16)和第二制冷机(12)，实现对目标黑体(7)的降温处理；将外部待测装置(2)固定安装在调整架(1)指向冷屏(4)的侧壁处；通过温控仪(19)观测背景黑体(8)与目标黑体(7)的温度；当背景黑体(8)与目标黑体(7)温度均降至阈值a时，停止对背景黑体(8)和目标黑体(7)的降温处理；并通过第二制冷机(12)对目标黑体(7)进行第一阶 段加热处理；直至目标黑体(7)的温度升至b时；抽空热开关(10)内的氦气，防止目标黑体(7)的高温反相传导至背景黑体(8)；打开线性电源(20)，控制加热片(9)实现对目标黑体(7)进行第二阶段加热，直至升至温度c；实现对深空背景的环境模拟。

8.根据权利要求7所述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，其特征在于：安装外部待测装置(2)时，调节调整架(1)实现外部待测装置(2)的光学中心与目标黑体(7)的中心一致。

9.根据权利要求8所述的用于深空背景下测试红外相机对低温目标探测能力的设备，其特征在于：所述a为30K；b为350K；c为420K。

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