CN111562021A - 一种轻小型机载大视场面阵摆扫热红外成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻小型机载大视场面阵摆扫热红外成像系统，包括摆镜组件，光学组件，探测器组件，黑体组件，电子学组件和框架结构。所述热红外成像系统采用折转式光学设计，系统布局为U型。所述摆镜组件位于光学系统最前端，通过双面摆镜的侧摆扫实现大视场成像和机上绝对辐射定标。所述黑体组件位于摆镜正上方，采用高发射率面源黑体，黑体面与光学入瞳重合，半导体制冷器加热和制冷复合控温,可在较短时间周期内达到高低控温点。本发明可以满足轻小型化、定量化、高灵敏度、高分辨率机载热红外成像遥感需求。
Description
技术领域
本发明涉及航空遥感红外成像领域，具体涉及一种轻小型机载大视场面阵摆扫热红外成像系统。
背景技术
航空热红外成像系统在核电站温排水监测、城市热岛效应监测与预防、海洋搜救、环境污染监测、军事目标探测领域有着广泛应用，实用型机载热红外成像系统要求幅宽大、灵敏度高。在无人机应用领域，平台载重和续航能力有限，还要求仪器体积紧凑、重量轻。受红外探测器规模限制，长波红外相机单帧成像视场通常较小，一般通过光机扫描来实现大视场成像。常见的光机扫描方式分为三种：单元扫描式、多元并扫式以及面阵分幅式。采用面阵探测器的面阵分幅扫描方式具有多通道的优势，单次成像的像元数多，能够获得较长的像元驻留时间，比较有利于实现更高的系统灵敏度和空间分辨率。
已有公开文献报道面阵摆扫技术在机载大幅宽高分辨率红外成像仪中的应用，主要是利用连续运动的多帧图像配准后叠加来提高灵敏度(详见：《轻小型面阵摆扫热红外成像系统研究》.激光与红外，2015，45(10)；《面阵摆扫宽幅成像技术研究》.上海：中国科学院上海技术物理研究所，2015)。但是在这些文献中，未考虑红外相机的实时绝对辐射定标和系统的轻小型设计。
本发明通过控制红外光学系统的入瞳位置和U型系统布局，实现了一种结构紧凑、重量轻、能够实时内定标等优点的大视场长波红外成像系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种置高低温黑体于光学系统入曈位置的、U型紧凑结构布局的机载大视场面阵摆扫热红外成像系统，满足遥感应用领域对机载热红外成像系统轻小型化和定量化的需求。
本发明所采用的技术方案是：
一种轻小型机载大视场面阵摆扫热红外成像系统，包括摆镜组件，光学组件，探测器组件，黑体组件，电子学组件和框架结构。光学系统为折转式设计，结构呈U型紧凑布局。所述摆镜组件位于光学系统最前端，所述黑体组件位于其正上方，且黑体面与光学入瞳重合，由摆镜转动实现系统成像和机上定标。成像时，外部辐射经由所述摆镜组件和光学组件会聚于探测器组件，定标时，摆镜转动朝上与黑体面呈45°，使黑体充满视场。每个扫描周期内，分别通过摆镜的两个反射面进行连续多次对地成像和一次黑体数据采集，不同扫描周期可获取不同温度的黑体数据来对图像进行绝对辐射定标。电子学组件侧放于探测器组件左侧，框架结构用于固定以上各组件。
所述摆镜组件包括摆镜、步进电机、轴系结构、光栅编码器。所述摆镜为双面反射镜，材料为铝，采用一体化构型设计。
所述光学组件包括透镜组1、反射镜、透镜组2，为折转式构型。所述反射镜为铝镜，采用一体化构型设计，第3片透镜为球面镜，材料为硫化锌，其余透镜面均为高次非球面，材料为锗。
所述探测器组件采用长波红外面阵探测器，由机械制冷机制冷。
所述黑体组件包括面源黑体、半导体制冷器、黑体隔热支撑、散热翅片、风扇、测温电阻、黑体支撑座。所述面源黑体发射率大于98％，由表面微结构和均匀喷涂工艺实现。所述半导体制冷器外轮廓与所述面源黑体相同，上下表面薄涂导热硅脂分别与所述面源黑体的背面和所述散热翅片的背面紧贴，实现加热和制冷复合控温。所述黑体隔热支撑由低热导率材料加工而成，内侧面粘贴高反射率铝箔，与所述面源黑体外侧面粘贴的铝箔之间形成薄空气层。所述风扇固定于所述散热翅片中心，纯铜翅片沿径向均布在所述风扇周围。所述测温电阻为铂电阻。
所述电子学组件包括供电电源、摆镜控制电路、黑体控制电路、探测器成像电路、整机温控电路。实现电源转化、系统供电、摆镜电机控制、探测器成像数据采集与存储、黑体闭环控温、整机温控等功能。
所述框架结构由铝合金一体化加工而成，表面黑色阳极氧化，与上述各组件均通过螺栓连接固定。
本发明具有如下优点：
系统布局紧凑，体积小、重量轻，能够实现机上高精度绝对辐射定标。双面反射镜可提高扫描效率；黑体置于光学入曈处有利于黑体小型化设计，降低系统对黑体辐射面均匀性的要求。本发明尤其适用于无人机等对体积重量要求较高的机载平台。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的系统结构框图。
图2是本发明的一个实施例的光学设计图。
图3是本发明的一个实施例的面阵摆扫成像原理图。
图4是本发明的一个实施例的穿轨扫描视场设置图。
图5是本发明的一个实施例的黑体组件的结构示意图，其中：(a)图为黑体组件的剖视图；(b)图为黑体组件的轴测图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
参见图1、图2，本机载轻小型大视场面阵摆扫热红外成像系统，包括摆镜组件1，光学组件2，探测器组件3，黑体组件4，电子学组件5，框架结构6。光学系统为折转式构型，结构呈U型紧凑布局。摆镜组件1位于光学系统最前端，黑体组件4位于其正上方，且黑体面与光学系统入瞳重合，由摆镜转动实现系统成像和机上定标。成像时，外部辐射经由摆镜组件1和光学组件2会聚于探测器组件3，定标时，摆镜转动朝上与黑体面呈45°，使黑体充满视场。电子学组件5侧放于探测器组件3左侧，框架结构6用于固定以上各组件。参见图3、图4，对于每个扫描周期，分别通过摆镜的两个反射面依次进行5次对地成像和1次黑体数据采集，位置如图中a、b、c、d、e、f所示，获取穿轨方向一个扫描行的大视场扫描图像和黑体一个温度点的数据，不同扫描周期可获取不同温度的黑体数据来对图像进行绝对辐射定标。
摆镜组件1包括摆镜、步进电机、轴系结构、光栅编码器。摆镜为双面反射铝镜，采用一体化构型设计，由高精度光机加工保证两个反射面的面型和结构对称性。
光学组件2包括透镜组1中的第1片透镜2-1、第2片透镜2-2、反射镜2-3、透镜组2中的第3片透镜2-4和第4片透镜2-5，光学组件2为折转式构型。反射镜2-3为铝镜，采用一体化构型设计，第3片透镜2-4为球面镜，材料为硫化锌，其余透镜面均为高次非球面，材料为锗。4片透镜外径依次为29mm、24mm、25mm、24mm。
探测器组件采用320*256长波红外HgCdTe面阵探测器，波段范围8～12μm，由机械制冷机保证焦平面温度在120k以下。
参见图5，黑体组件4包括面源黑体4-1、半导体制冷器4-2、黑体隔热支撑4-3、散热翅片4-4、风扇4-5、测温电阻4-6、黑体支撑座4-7。面源黑体4-1发射率大于98％，由表面微结构和均匀喷涂工艺实现。半导体制冷器4-2尺寸为φ40×3.5mm，外轮廓与所述面源黑体4-1相同，上下表面薄涂导热硅脂分别与面源黑体4-1背面和散热翅片4-4背面紧贴，实现加热和制冷复合控温。黑体隔热支撑4-3由白色工程塑料加工而成，内侧面粘贴高反射率铝箔，与面源黑体4-1外侧面粘贴的铝箔之间形成薄空气层。风扇4-5固定于散热翅片4-4中心，纯铜翅片沿径向均布在其周围。测温电阻4-6为Pt1000铂电阻。
所述电子学组件包括供电电源、摆镜控制电路、黑体控制电路、探测器成像电路、整机温控电路。实现系统供电、摆镜控制、探测器成像数据采集与存储、黑体闭环控温、整机温控等功能。
所述框架结构由铝合金一体化加工而成，表面黑色阳极氧化，与上述各组件均通过螺栓连接固定。
系统设计值如下：结构包络138*124*195(高度)mm，质量<5kg。
Claims (4)
1.一种轻小型机载大视场面阵摆扫热红外成像系统，包括摆镜组件(1)，光学组件(2)，探测器组件(3)，黑体组件(4)，电子学组件(5)，框架结构(6)，其特征在于：
所述的光学组件(2)为折转式构型，结构呈U型布局；所述摆镜组件(1)位于光学组件(2)的前端，所述黑体组件(4)位于其正上方，且黑体面与光学系统入瞳重合，由摆镜转动实现系统成像和机上定标；成像时，外部辐射经由所述摆镜组件(1)和光学组件(2)会聚于探测器组件(3)，定标时，摆镜转动朝上与黑体面呈45°，使黑体充满视场；每个扫描周期内，分别通过摆镜的两个反射面进行多次对地成像和一次黑体数据采集，不同扫描周期可获取不同温度的黑体数据来对图像进行绝对辐射定标；电子学组件(5)侧放于探测器组件(3)左侧；框架结构(6)用于固定以上各组件。
2.根据权利要求1所述的一种轻小型机载大视场面阵摆扫热红外成像系统，其特征在于：所述的摆镜组件(1)包括摆镜、步进电机、轴系结构、光栅编码器，摆镜为一体化构型的双面反射镜，材料为铝。
3.根据权利要求1所述的一种轻小型机载大视场面阵摆扫热红外成像系统，其特征在于：所述的光学组件(2)为折转式构型，包括透镜组1中的第1片透镜(2-1)、第2片透镜(2-2)、反射镜(2-3)、透镜组2中的第3片透镜(2-4)和第4片透镜(2-5)，所述的反射镜(2-3)为一体化构型的铝镜，第3片透镜(2-4)为球面镜，材料为硫化锌，其余透镜面均为高次非球面，材料为锗。
4.根据权利要求1所述的一种轻小型机载大视场面阵摆扫热红外成像系统，其特征在于：所述的黑体组件(4)包括面源黑体(4-1)、半导体制冷器(4-2)、黑体隔热支撑(4-3)、散热翅片(4-4)、风扇(4-5)、测温电阻(4-6)、黑体支撑座(4-7)，黑体组件(4)采用辐射均匀、发射率高的面源黑体(4-1)，半导体制冷器(4-2)外轮廓与所述面源黑体(4-1)相同，上下表面薄涂导热硅脂，分别与所述面源黑体(4-1)的背面和所述散热翅片(4-4)的背面紧贴，实现加热和制冷复合控温；所述黑体隔热支撑(4-3)由低热导率材料加工而成，内侧面粘贴高反射率铝箔，与所述面源黑体(4-1)外侧面粘贴的铝箔之间形成薄空气层，所述风扇(4-5)固定于所述散热翅片(4-4)中心，纯铜翅片沿径向均布在所述风扇(4-5)周围。
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