CN111591475A - 空间光电环境应力综合加载可靠性试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种空间光电环境应力综合加载的可靠性试验系统及方法。系统包括：空间光电环境模拟装置，用于提供宇宙模拟空间和太阳模拟光，所述太阳模拟光包括可见光和红外光，所述太阳模拟光中的红外光和可见光的方向一致；控制装置，设置在所述空间光电环境模拟装置之外，用于控制所述宇宙模拟空间的真空度加载到真空度预设仿真值，控制所述太阳模拟光的可见光光照强度加载到光照强度预设仿真值，及控制所述太阳模拟光的红外光热流强度加载到热流强度预设仿真值。方法是使用上述系统的可靠性试验方法。本申请实施例解决了传统的红外探测系统的可靠性试验系统对红外探测系统在空间环境应力的模拟不完整的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及光电测试技术领域，具体地，涉及一种空间光电环境应力综合加载的可靠性试验系统及方法。
背景技术
空间环境是诱发航天产品在轨故障的主要原因，因此，空间环境可靠性试验是航天产品必须开展的可靠性研究工作。在地面模拟的空间环境中，对航天产品进行试验，是目前研究航天产品空间环境效应和空间环境可靠性、保障航天武器系统可靠工作最重要的技术手段和方法。
红外探测系统近年广泛用于航天产品。红外探测系统对空间压力、光照、热辐射环境变化极为敏感，环境变化直接导致探测系统内、外杂光变化，从而影响其可靠性。
目前红外探测系统的可靠性试验主要参考电子产品试验项目，空间环境条件主要考虑了真空度、温度等试验条件，缺少光照环境、瞬态温度场环境条件下的可靠性考核试验。即传统的红外探测系统的可靠性试验系统对红外探测系统在空间环境应力的模拟不完整。
因此，传统的红外探测系统的可靠性试验系统对红外探测系统在空间环境应力的模拟不完整，是本领域技术人员急需要解决的技术问题。
在背景技术中公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此其可能包含没有形成为本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。
发明内容
本申请实施例提供了一种空间光电环境应力综合加载的可靠性试验系统及方法，以解决传统的红外探测系统的可靠性试验系统对红外探测系统在空间环境应力的模拟不完整的技术问题。
本申请实施例提供了一种空间光电环境应力综合加载的可靠性试验系统，用于对红外探测系统在空间环境应力下的可靠性进行试验，包括：
空间光电环境模拟装置，用于提供宇宙模拟空间和太阳模拟光，所述太阳模拟光包括可见光和红外光，所述太阳模拟光中的红外光和可见光的方向一致；
控制装置，设置在所述空间光电环境模拟装置之外，用于控制所述宇宙模拟空间的真空度加载到真空度预设仿真值，控制所述太阳模拟光的可见光光照强度加载到光照强度预设仿真值，及控制所述太阳模拟光的红外光热流强度加载到热流强度预设仿真值。
本申请实施例还提供了以下技术方案：
一种空间环境应力综合加载的可靠性方法，使用上述空间光电环境应力综合加载的可靠性试验系统进行可靠性试验的方法。
本申请实施例由于采用以上技术方案，具有以下技术效果：
红外探测系统的可靠性试验系统进行的可靠性试验的结果，是否能够真实反映红外探测系统的可靠性，很大一部分是依赖于红外探测系统的空间环境应力是否得到了足够的模拟。本申请实施例的可靠性试验系统，空间光电环境模拟装置提供了宇宙模拟空间和太阳模拟光，所述太阳模拟光包括可见光和红外光。这样，对空间环境应力进行了综合加载，一方面，宇宙模拟空间对宇宙真实空间的真空度加载进行模拟；另一方面，太阳模拟光加载对真实太阳光进行模拟，包括可见光和外红光的模拟，空间环境应力的模拟更接近真实的宇宙空间；即考虑了红外光对可靠性试验的影响；另外，还通过控制装置，对宇宙模拟空间的真空度进行仿真，对太阳模拟光的可见光光照强度进行仿真，对太阳模拟光的红外光热流强度进行仿真，即从量化的精细角度综合考虑了宇宙模拟空间的真空真空度，可见光光照强度和红外光热流强度对可靠性的影响，使得红外探测系统的空间环境应力的模拟更接近真实宇宙环境的空间环境应力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例的空间光电环境应力综合加载的可靠性试验系统的示意图；
图2为图1所示的可靠性试验系统的红外太阳模拟器的示意图；
图3为图2所示的红外太阳模拟器的局部放大示意图。
附图标记说明：
10空间光电环境模拟装置，20控制装置，30真空黑体，
100空间环境模拟室，110红外光学窗口，
210太阳模拟器，
220红外太阳模拟器，221反光镜，222黑体辐射源，223能量汇聚光路，
224视场光阑，225准直光路，225-1次镜，225-2主镜，
230波段组合器，
300单轴转台，310红外探测系统，
410地球模拟器，420角度调节装置，
510辐射表，520热流计，530保温罩。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
图1为本申请实施例的空间光电环境应力综合加载的可靠性试验系统的示意图。如图1所示，本申请实施例的可靠性试验系统，用于对红外探测系统在空间环境应力下的可靠性进行试验，包括：
空间光电环境模拟装置10，用于提供宇宙模拟空间和太阳模拟光，所述太阳模拟光包括可见光和红外光，所述太阳模拟光中的红外光和可见光的方向一致；
控制装置20，设置在所述空间光电环境模拟装置之外，用于控制所述宇宙模拟空间的真空度加载到真空度预设仿真值，控制所述太阳模拟光的可见光光照强度加载到光照强度预设仿真值，及控制所述太阳模拟光的红外光热流强度加载到热流强度预设仿真值。
红外探测系统的可靠性试验系统进行的可靠性试验的结果，是否能够真实反映红外探测系统的可靠性，很大一部分是依赖于红外探测系统的空间环境应力是否得到了足够的模拟。本申请实施例的可靠性试验系统，空间光电环境模拟装置提供了宇宙模拟空间和太阳模拟光，所述太阳模拟光包括可见光和红外光。这样，对空间环境应力进行了综合加载，一方面，宇宙模拟空间对宇宙真实空间的真空度加载进行模拟；另一方面，太阳模拟光加载对真实太阳光进行模拟，包括可见光和外红光的模拟，空间环境应力的模拟更接近真实的宇宙空间；即考虑了红外光对可靠性试验的影响；另外，还通过控制装置，对宇宙模拟空间的真空度进行仿真，对太阳模拟光的可见光光照强度进行仿真，对太阳模拟光的红外光热流强度进行仿真，即从量化的精细角度综合考虑了宇宙模拟空间的真空真空度，可见光光照强度和红外光热流强度对可靠性的影响，使得红外探测系统的空间环境应力的模拟更接近真实宇宙环境的空间环境应力。
实施中，如图1所示，可靠性试验系统还包括：
真空黑体30，固定在所述空间光电环境模拟装置内，且所述红外探测系统310的视场始终覆盖所述真空黑体的辐射面；
处理装置，根据多个真空黑体图像进行可靠性分析处理，得到被测的所述红外探测系统的可靠性；
其中，所述真空黑体图像是所述红外探测系统在空间环境应力达到各自的预设仿真值后采集得到的真空黑体图像，所述空间环境应力包括所述宇宙模拟空间的真空度，所述太阳模拟光的可见光光照强度，所述太阳模拟光的红外光热流强度。
在使用本申请实施例的可靠性试验系统进行可靠性试验之前，先需要调整空间环境应力，在空间环境应力未达到各自的预设仿真值前，即可靠性试验系统未能模拟红外探测系统的空间环境应力时，不进行可靠性试验；在空间环境应力达到各自的预设仿真值之后，即可靠性试验系统已经模拟红外探测系统的空间环境应力时，才开始进行可靠性试验。在开始进行可靠性试验后，红外探测系统采集得到真空黑体图像，处理装置根据多个真空黑体图像进行可靠性分析处理，得到被测的所述红外探测系统的可靠性。
实施中，如图1所示，空间光电环境模拟装置10包括：
空间环境模拟室100；
其中，所述空间环境模拟室100受控于所述控制装置，使得所述宇宙模拟空间的真空度加载到真空度预设仿真值。
这样，空间环境模拟室和控制装置相互配合，使得所述宇宙模拟空间的真空度加载到真空度预设仿真值。
实施中，如图1所示，所述空间环境模拟室具有红外光学窗口110；
所述空间光电环境模拟装置还包括：
太阳模拟器210，位于所述空间环境模拟室100内，用于提供平行的可见光；
红外太阳模拟器220，设置在所述红外光学窗口110之外且从所述红外光学窗口110向所述空间环境模拟室100内提供平行的红外光；
波段组合器230，用于将所述太阳模拟器210发出的可见光和所述红外太阳模拟器220发出的红外光合成形成所述太阳模拟光；
其中，所述太阳模拟器和所述红外太阳模拟器受控于所述控制装置，使得所述太阳模拟光的可见光光照强度加载到光照强度预设仿真值，及所述太阳模拟光的红外光热流强度加载到热流强度预设仿真值。
太阳模拟器用于提供平行的可见光，红外太阳模拟器用于提供平行的红外光，波段组合器将太阳模拟器发出的可见光和红外太阳模拟器发出的红外光合成形成模拟太阳光；所述太阳模拟器和所述红外太阳模拟器与所述控制装置配合，使得所述太阳模拟光的可见光光照强度加载到光照强度预设仿真值，及所述太阳模拟光的红外光热流强度加载到热流强度预设仿真值。
实施中，如图1所示，所述空间光电环境模拟装置还包括：
采集装置，所述采集装置包括辐射表510和热流计520，所述辐射表510用于采集所述太阳模拟光的可见光光照强度的实际值，所述热流计520用于采集所述太阳模拟光的红外光热流强度的实际值；
所述控制装置具体还用于根据所述太阳模拟光的可见光的实际光照强度和所述太阳模拟光的红外光传播的实际热流强度和各自的预设仿真值，控制所述太阳模拟器和所述红外太阳模拟器。
辐射表采集可见光光照强度的实际值，热流计采集红外光热流强度的实际值，并反馈至控制装置；控制装置根据可见光光照强度的实际值和红外光热流强度的实际值以及各自的预设仿真值，动态调整阳模拟器和红外太阳模拟器，进而动态调整可见光光照强度和红外光热流强度。
实施中，如图1所示，所述空间光电环境模拟装置还包括：
单轴转台300，用于固定红外探测系统，所述单轴转台300与所述太阳模拟器210相对且所述波段组合器230位于所述太阳模拟器和所述单轴转台之间，所述单轴转台的旋转中心位于所述太阳模拟器的主轴之上；
所述单轴转台300受控于所述控制装置20能够转动，使得所述太阳模拟光和所述红外探测系统的相对角度能够变化，以模拟真实太阳光与所述红外探测系统的相对角度的变化。
太阳模拟光的方向是固定不变的，单轴转台受控于所述控制装置能够转动，带动红外探测系统随之转动，这样就模拟了真实的红外探测系统和真实的太阳光的相对角度的变化。
实施中，如图1所示，所述红外光学窗口110的中心和所述单轴转台300的旋转中心的连线与所述太阳模拟器210的主轴的夹角φ满足以下关系式：
其中，α为所述红外探测系统的太阳规避角，θ为所述红外探测系统的太视场角。
单轴转台的旋转中心位于所述太阳模拟器的主轴之上的条件设置，使得红外探测系统位于模拟太阳光的中心轴上，更接近真实的太阳光宽度极大的真实场景；关系式
是对单轴转台设置位置的限定，即对红外探测系统的固定位置的限定，避免红外探测系统与波段组合器之间的距离过近。
实施中，如图1所示，所述空间光电环境模拟装置还包括：
地球模拟器410，与所述太阳模拟器210相对且所述单轴转台300位于所述波段组合器230和所述地球模拟器410之间；
角度调节装置420，所述地球模拟器410与所述角度调节装置420固定，所述角度调节装置420的旋转中心位于所述太阳模拟器210的主轴之上，所述角度调节装置420和所述单轴转台300在同一个平面内转动；
所述角度调节装置受控于所述控制装置能够转动，使得所述太阳模拟光和所示地球模拟器的相对角度能够变化，以模拟真实太阳光与真实地球辐射的高度角的变化。
模拟太阳光的方向是固定不变的，角度调节装置受控于所述控制装置能够转动，带动地球模拟器随之转动，这样就模拟了真实的地球和真实的太阳光的相对角度的变化。
实施中，如图1所示，所述红外太阳模拟器210发出的红外光以垂直于所述太阳模拟器220发出的可见光的方式进入所述空间环境模拟室；
所述波段组合器230保持所述太阳模拟器发出的可见光的方向不变，所述波段组合器将所述红外太阳模拟器发出的红外光的方向改变90度，且与所述太阳模拟器发出的可见光的方向一致。
这样，所述波段组合器将所述红外太阳模拟器发出的红外光的方向改变90度，即可实现模拟太阳光中的红外光和可见光的方向一致，结构简单，便于生产制造，也便于设置。
实施中，如图1所示，所述波段组合器包括：
板状的透光玻璃；
可见光高透膜，形成在所述透光玻璃朝向所述太阳模拟器的一侧；
红外光高反射膜，形成在所述透光玻璃朝向所述红外太阳模拟器的一侧；
所述波段组合器与所述太阳模拟器的主轴之间的夹角为45度；
其中，所述可见光高透膜能够透过波段为0.4～2微米的可见光，所述红外光高反射膜能够反射波段为2～14微米的红外光。
上述结构的波段组合器，结构简单，设置方便。
实施中，所述太阳模拟器的输出功率W1，所述红外太阳模拟器的输出功率W2满足以下关系式：
E＝W1×τ+W2×ρ；
E0＝W2×ρ；
其中，E0是所述红外探测系统所处的真实空间位置处接收到的真实太阳光中红外光辐射能量，E是所述红外探测系统所处的真实空间位置处接收到的真实太阳光总辐射能量，τ是所述可见光高透膜的透射率，ρ是所述红外光高反射膜的反射率。
使得W2×ρ等于E0，就是从能量上模拟了所述红外探测系统所处的真实空间位置处接收到的真实太阳光中红外光的辐射能量，使得W1×τ+W2×ρ等于E，就是从能量上模拟了所述红外探测系统所处的真实空间位置处接收到的真实太阳光的总辐射能量，从辐射能量的量上对所述红外探测系统所处的真实空间位置进行了模拟。
实施中，如图1所示，所述波段组合器230的有效口径覆盖所述红外光学窗口110；
其中，所述波段组合器的有效口径是所述波段组合器能够反射所述红外光的范围。
这样，红外太阳模拟器提供的平行的红外光，全部被波段组合器反射。
实施中，如图1所示，所述空间光电环境模拟装置还包括：
保温罩530，固定在所述单轴转台300之上，所述保温罩530内用于放置所述红外探测系统；
所述保温罩530在所述空间环境应力未达到各自的预设仿真值之前，关闭所述保温罩，以保持所述红外探测系统的温度；所述保温罩在所述空间环境应力加载到预设仿真值之后，打开所述保温罩，以使所述红外探测系统能够工作。
保温罩一方面，对红外探测系统起到了保温作用，另一方面，也减少了在空间环境应力未达到各自的预设仿真值之前对红外探测系统的干扰。
实施中，所述采集装置还包括温度传感器，用于贴在所述红外探测系统的外表面；
所述控制装置具体还用于通过所述温度传感器的数据对所述红外探测系统的温度进行监控以验证地面模拟的正确性。
对所述红外探测系统的温度进行监控的温度数据用于试验和仿真结果的比对分析，本申请实施例的目的是为可靠性试验建立一种光、热的试验环境，那么该环境与真实空间飞行环境是否一致，可以通过地面试验时监测被试红外系统表面温度数据，与实际空间飞行下红外系统表面温度的仿真数据进行比对，验证地面模拟的正确性。
下面针对处理装置进行说明。
所述处理装置，具体用于：
计算各个试验周期所述红外探测系统的非均匀性的实际值和噪声等效温差的实际值；
判断各个试验周期所述红外探测系统的非均匀性的实际值是否低于非均匀性下限值Y1，以及所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值是否低于噪声等效温差的下限值Y2：
当任一个试验周期所述红外探测系统的非均匀性的实际值等于或高于非均匀性下限值Y1，且所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值等于或高于噪声等效温差的下限值Y2时，则判定所述红外探测系统在对应的试验周期有效；
其中，所述试验周期是将试验总时长平均分成多个重复的时间段，所述试验总时长为所述红外探测系统在宇宙空间应用时规定的最长工作时间；
当任一个试验周期的所述红外探测系统的非均匀性的实际值低于非均匀性下限值Y1，和/或所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值低于噪声等效温差的下限值Y2时，则判定所述红外探测系统在对应试验周期失效。
这样，就能判断每一个试验周期，红外探测系统是有效还是失效，为可靠性的判断准备了条件。
实施中，所述处理装置，具体还用于：
根据所述红外探测系统在各个试验周期的有效状态和失效状态，统计得到所述红外探测系统的可靠度R(t)＝P(Y1≥L1，Y2≥L2)；
其中，所述可靠度是可靠性的概率度量，t是试验总时长，P(Y1≥L1，Y2≥L2)是所述红外探测系统处于Y1≥L1且Y2≥L2的有效状态的概率。
通过对试验总时长内每个试验周期，红外探测系统是有效还是失效进行统计，能够得到所述红外探测系统的可靠度。
实施中，所述可靠性数据处理装置在计算各个试验周期的所述红外探测系统的非均匀性的实际值，具体还用于：
计算单个试验周期的各个所述真空黑体图像的灰度方差σk和平均灰度
其中，
计算单个试验周期的各个所述真空黑体图像的第K帧输出图像的非均匀性
计算单个试验周期的各个真空黑体图像的非均匀性的平均值
作为单个试验周期的所述红外探测系统的非均匀性的实际值；
其中，i、j分别为图像像元的行、列序号，m为图像行像元总数，n为图像列像元总数，所述真空黑体图像是单个试验周期内所述红外探测系统连续采集的100帧真空黑体图像，k的取值遍历1至100，Gk(i,j)是第k帧真空黑体图像的第i行第j列的图像像元的灰度。
这样，能够计算出单个试验周期的所述红外探测系统的非均匀性的实际值。
实施中，所述可靠性数据处理装置在计算各个试验周期的所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值时，具体用于：
计算红外探测系统的在(i,j)点的第一真空黑体图像的噪声GT1(i,j)，噪声平均值
其中，第一真空黑体图像是将真空黑体温度调整为T1＝30℃，温度稳定后，连续采集的100帧图像；
计算红外探测系统的在(i,j)点的第二真空黑体图像的噪声GT2(i,j)，噪声平均值
其中，第二真空黑体图像是将真空黑体温度调整为T2＝31℃，温度稳定后，连续采集的100帧图像；
计算在(i,j)点的噪声等效温差
其中，ΔT＝T2－T1，
其中，i、j分别为图像像元的行、列序号，k的取值遍历1至100。
该方法为传统经典的噪声等效温差的测试方法。这样，能够计算出噪声等效温差。
红外太阳模拟器具有如下特征。图2为图1所示的可靠性试验系统的红外太阳模拟器的示意图；图3为图2所示的红外太阳模拟器的局部放大示意图。
关于红外太阳模拟器的结构。图2为图1所示的空间光电环境模拟系统的红外太阳模拟器的示意图；图3为图2所示的红外太阳模拟器的局部放大示意图。
实施中，如图2和图3所示，所述红外太阳模拟器包括顺次设置的反光镜221，黑体辐射源222，能量汇聚光路223，视场光阑224和准直光路225；
所述黑体辐射源222辐射出的能量，一部分经所述反光镜221反射到所述能量汇聚光路223之前，一部分直接传递到所述能量汇聚光路223之前，合成形成更大面积的合成辐射源，即经所述反光镜反射的能量和直接传递的能量在所述能量汇聚光路之前形成合成辐射源；之后，所述能量汇聚光路223汇聚所述合成辐射源，在所述准直光路225的焦点处形成充满所述视场光阑的黑体辐射源的像；再之后，所述准直光路225将所述视场光阑处的黑体辐射源的像准直到无穷远，并在所述红外太阳模拟器的出曈处形成平行的红外光，作为所述红外太阳模拟器发出的红外光；
其中，所述准直光路由次镜225-1和主镜225-2构成。
这样，所述黑体辐射源作为一个较小的光源，经过反光镜，能量汇聚光路，视场光阑和准直光路的作用，形成了红外太阳模拟器发出的平行的红外光。
实施中，如图2和图3所示，所述视场光阑224设置在所述准直光路的焦点处。这样，所述准直光路就能够实现将所述视场光阑处的黑体辐射源的像准直到无穷远。
实施中，所述准直光路的焦距是510毫米，所述视场光阑的透光孔的直径为20毫米。
实施中，所述能量汇聚光路放大倍率为2.5倍，所述能量汇聚光路的焦距为23.89毫米，所述能量汇聚光路将8毫米×8毫米的所述合成辐射源成像至所述准直光路的焦点处。
实施中，所述黑体辐射源位于所述能量汇聚光路前方16.8毫米；
所述黑体辐射源距离所述反光镜的球心径向离轴的距离为2毫米，使得所述黑体辐射源及其经所述反光镜反射回的像形成直径为8毫米×8毫米的所述合成辐射源。
实施中，所述反光镜的反光面是半径为30毫米的内球面，所述内球面镀金膜，反射率大于等于96％，所述金膜之外镀保护膜；
所述反光镜的基材采用石英玻璃，表面加工精度为
其中，λ是波段为2～14微米的红外光的中心波长。
保护膜对金膜起到保护作用，提高金膜的耐用性，反光镜的表面加工精度越高，反射率越高。
实施中，所述黑体辐射源采用卤钨灯，所述卤钨灯的额定工作电压为24伏，额定功率为250瓦特，所述卤钨灯的灯丝尺寸为4毫米×8毫米。
具体的，所述能量汇聚光路采用三片硫化锌镜片组成，其中，硫化锌镜片是红外产品中典型光学材料，在可见光和长波段红外波段具有优异的透射率。
黑体辐射源选型与设计的思路如下：
黑体辐射源是决定辐射能量高低的关键器件，由黑体辐射理论可知，当发射率固定不变时，辐射面温度和辐射面面积共同决定了辐射能量高低。将卤钨灯的灯丝视为一个微小的面源辐射体，由光源制造行业经验可知，钨制灯丝额定电压下工作时，表面平均温度为3000K(K为开氏温度的单位)，黑体辐射源可以为空间光电环境模拟系统提供的辐射总能量正比于灯丝的辐射面积，同时，灯丝的辐射面积正比于光源的电功率大小。
对一般卤钨灯来说，辐射功率不单纯决定于电压或电流的任一物理量，而决定于
(本方案电源采用稳压电源，适用此公式)，或I2R，R为灯丝电阻率，灯丝辐射面积越大，电阻值越小，辐射源功率越高。准直光路的焦距510mm时，要满足所述红外太阳模拟器的出曈处辐照度等于真实太阳红外辐照度，可以计算出辐射面积应不小于2.24cm2，按照汇聚光路的放大功率为2.5倍的设计思路，逆光路计算可知，灯丝面积应不小于0.1792cm2，在比对照明行业标准灯丝尺寸后，选定24V，250W，灯丝尺寸4mm×8mm(mm是毫米)，该辐射面积灯丝经球面反射镜反射后，反射像与源灯丝合并，将辐射面扩大一倍，此时辐射功率不但能够等于真实太阳红外辐射，且还有一定余量，实际使用中，辐射源低于额定功率使用，在满足出瞳处辐照度的同时，有效延长了辐射源使用寿命，提高了红外太阳模拟器工作的稳定性。
具体的，真空度预设仿真值，光照强度预设仿真值，热流强度预设仿真值等等，各种空间环境应力的预设仿真值是预设的。各种空间环境应力的预设仿真值得到的途径是，通过计算不同季节、不同轨道高度、一天中不同时刻、红外探测系统不同姿态下的太阳辐射热流、地球辐射热流、太阳光照的情况，仿真分析不同环境应力条件下红外探测系统内外杂光，统计出最内外杂光影响最大时的最恶劣环境条件以及空间环境应力数值，作为红外探测系统在多种真实的空间光电环境条件下的空间环境应力的预设仿真值。因此，通过将可靠性试验系统的试验环境设置为预设仿真值对应的试验环境，能够实现对多种真实的空间光电环境条件的仿真。
具体的，空间环境模拟室提供宇宙模拟空间以模拟宇宙空间的真空状态、3.5K(K是卡尔文温度单位，0K是绝对零度，宇宙空间可等效为3.5K黑体温度)宇宙辐射环境的试验空间。
具体的，太阳模拟器提供的是平行的可见光，红外太阳模拟器提供的是平行的红外光。真实的太阳提供的是发散光，真是的太阳和真实的地球之间的距离十分遥远，真实的太阳光照射到地球时，真实的太阳光基本是平行光。因此，太阳模拟器和红外太阳模拟器直接提供平行的可见光和平行的红外光，就不再需要考虑真实的太阳和真实的地球之间距离的模拟。
具体的，地球模拟器采用加热带或灯阵的传统型的地球模拟器。
具体的，红外光学窗口开设在空间环境模拟室的墙壁上，为红外太阳模拟器提供红外光进入空间环境模拟室的光照路径。
实施例二
本申请实施例的一种空间环境应力综合加载的可靠性试验方法，是实施例一空间光电环境应力综合加载的可靠性试验系统进行可靠性试验的方法，包括如下步骤：
步骤S100：获取所述红外探测系统采集的多个真空黑体图像；其中，所述真空黑体图像是空间环境应力各自达到各自的预设仿真值后，所述红外探测系统根据预设规则采集的真空黑体的图像；
步骤S200：根据多个真空黑体图像进行可靠性分析处理，得到被测的所述红外探测系统的可靠性。
实施中，步骤S200具体包括：
步骤S210：计算各个试验周期所述红外探测系统的非均匀性的实际值和噪声等效温差的实际值；
步骤S220：判断各个试验周期所述红外探测系统的非均匀性的实际值是否低于非均匀性下限值Y1，以及所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值是否低于噪声等效温差的下限值Y2：
当任一个试验周期所述红外探测系统的非均匀性的实际值等于或高于非均匀性下限值Y1，且所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值等于或高于噪声等效温差的下限值Y2时，则判定所述红外探测系统在对应的试验周期有效；
当任一个试验周期的所述红外探测系统的非均匀性的实际值低于非均匀性下限值Y1，和/或所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值低于噪声等效温差的下限值Y2时，则判定所述红外探测系统在对应试验周期失效；
其中，所述试验周期是将试验总时长平均分成多个重复的时间段，所述试验总时长为所述红外探测系统在宇宙空间应用时规定的最长工作时间。
实施中，步骤S200具体还包括：根据多个真空黑体图像进行可靠性分析处理，得到被测的所述红外探测系统的可靠性的步骤具体还包括：
步骤S230：根据所述红外探测系统在各个试验周期的有效状态和失效状态，统计得到所述红外探测系统的可靠度R(t)＝P(Y1≥L1，Y2≥L2)；
其中，所述可靠度是可靠性的概率度量，t是试验总时长，P(Y1≥L1，Y2≥L2)是所述红外探测系统处于Y1≥L1且Y2≥L2的有效状态的概率。
实施中，步骤S210具体包括如下步骤：
步骤S211-1：计算单个试验周期的各个所述真空黑体图像的灰度方差σk和平均灰度
其中，
i、j分别为图像像元的行、列序号，m为图像行像元总数，n为图像列像元总数，所述真空黑体图像是单个试验周期内所述红外探测系统连续采集的100帧真空黑体图像，k的取值遍历1至100，Gk(i,j)是第k帧真空黑体图像的第i行第j列的图像像元的灰度；
步骤S211-2：计算单个试验周期的各个所述真空黑体图像的第K帧输出图像的非均匀性
步骤S211-3：计算单个试验周期的各个真空黑体图像的非均匀性的平均值
作为单个试验周期的所述红外探测系统的非均匀性的实际值；其中，所述真空黑体图像是单个试验周期内所述红外探测系统连续采集的200帧真空黑体图像。
实施中，步骤S210具体包括如下步骤：
步骤S212-1：计算红外探测系统的在(i,j)点的第一真空黑体图像的噪声GT1(i,j)，噪声平均值
其中，第一真空黑体图像是将真空黑体温度调整为T1＝30℃，温度稳定后，连续采集的100帧图像；
步骤S212-2：计算红外探测系统的在(i,j)点的第二真空黑体图像的噪声GT2(i,j)，噪声平均值
其中，第二真空黑体图像是将真空黑体温度调整为T2＝31℃，温度稳定后，连续采集的100帧图像；
步骤S212-3：计算在(i,j)点的噪声等效温差
其中，ΔT＝T2－T1，
其中，i、j分别为图像像元的行、列序号，k的取值遍历1至100。
在本申请及其实施例的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“高度”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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (24)
1.一种空间光电环境应力综合加载的可靠性试验系统，用于对红外探测系统在空间环境应力下的可靠性进行试验，其特征在于，包括：
空间光电环境模拟装置，用于提供宇宙模拟空间和太阳模拟光，所述太阳模拟光包括可见光和红外光，所述太阳模拟光中的红外光和可见光的方向一致；
控制装置，设置在所述空间光电环境模拟装置之外，用于控制所述宇宙模拟空间的真空度加载到真空度预设仿真值，控制所述太阳模拟光的可见光光照强度加载到光照强度预设仿真值，及控制所述太阳模拟光的红外光热流强度加载到热流强度预设仿真值。
2.根据权利要求1所述的可靠性试验系统，其特征在于，还包括：
真空黑体，固定在所述空间光电环境模拟装置内，且所述红外探测系统的视场始终覆盖所述真空黑体的辐射面；
处理装置，用于根据多个真空黑体图像进行可靠性分析处理，得到被测的所述红外探测系统的可靠性；
其中，所述真空黑体图像是所述红外探测系统在空间环境应力达到各自的预设仿真值后采集得到的真空黑体图像，所述空间环境应力包括所述宇宙模拟空间的真空度，所述太阳模拟光的可见光光照强度，所述太阳模拟光的红外光热流强度。
3.根据权利要求2所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述空间光电环境模拟装置包括：
空间环境模拟室；
其中，所述空间环境模拟室受控于所述控制装置，使得所述宇宙模拟空间的真空度加载到真空度预设仿真值。
4.根据权利要求3所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述空间环境模拟室具有红外光学窗口；
所述空间光电环境模拟装置还包括：
太阳模拟器，位于所述空间环境模拟室内，用于提供平行的可见光；
红外太阳模拟器，设置在所述红外光学窗口之外且从所述红外光学窗口向所述空间环境模拟室内提供平行的红外光；
波段组合器，用于将所述太阳模拟器发出的可见光和所述红外太阳模拟器发出的红外光合成形成所述太阳模拟光；
其中，所述太阳模拟器和所述红外太阳模拟器受控于所述控制装置，使得所述太阳模拟光的可见光光照强度加载到光照强度预设仿真值，及所述太阳模拟光的红外光热流强度加载到热流强度预设仿真值。
5.根据权利要求4所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述空间光电环境模拟装置还包括：
采集装置，所述采集装置包括辐射表和热流计，所述辐射表用于采集所述太阳模拟光的可见光光照强度的实际值，所述热流计用于采集所述太阳模拟光的红外光热流强度的实际值；
所述控制装置具体还用于根据可见光光照强度的实际值和红外光热流强度的实际值和各自的预设仿真值，控制所述太阳模拟器和所述红外太阳模拟器。
6.根据权利要求5所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述空间光电环境模拟装置还包括：
单轴转台，用于固定红外探测系统，所述单轴转台与所述太阳模拟器相对且所述波段组合器位于所述太阳模拟器和所述单轴转台之间，所述单轴转台的旋转中心位于所述太阳模拟器的主轴之上；
所述单轴转台受控于所述控制装置能够转动，使得所述太阳模拟光和所述红外探测系统的相对角度能够变化，以模拟真实太阳光与所述红外探测系统的相对角度的变化。
7.根据权利要求6所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述红外光学窗口的中心和所述单轴转台的旋转中心的连线与所述太阳模拟器的主轴的夹角φ满足以下关系式：
其中，α为所述红外探测系统的太阳规避角，θ为所述红外探测系统的太视场角。
8.根据权利要求7所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述空间光电环境模拟装置还包括：
地球模拟器，与所述太阳模拟器相对且所述单轴转台位于所述波段组合器和所述地球模拟器之间；
角度调节装置，所述地球模拟器与所述角度调节装置固定，所述角度调节装置的旋转中心位于所述太阳模拟器的主轴之上，所述角度调节装置和所述单轴转台在同一个平面内转动；
所述角度调节装置受控于所述控制装置能够转动，使得所述太阳模拟光和所示地球模拟器的相对角度能够变化，以模拟真实太阳光与真实地球辐射的高度角的变化。
9.根据权利要求8所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述红外太阳模拟器发出的红外光以垂直于所述太阳模拟器发出的可见光的方式进入所述空间环境模拟室；
所述波段组合器保持所述太阳模拟器发出的可见光的方向不变，所述波段组合器将所述红外太阳模拟器发出的红外光的方向改变90度，且与所述太阳模拟器发出的可见光的方向一致。
10.根据权利要求9所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述波段组合器包括：
板状的透光玻璃；
可见光高透膜，形成在所述透光玻璃朝向所述太阳模拟器的一侧；
红外光高反射膜，形成在所述透光玻璃朝向所述红外太阳模拟器的一侧；
所述波段组合器与所述太阳模拟器的主轴之间的夹角为45度；
其中，所述可见光高透膜能够透过波段为0.4～2微米的可见光，所述红外光高反射膜能够反射波段为2～14微米的红外光。
11.根据权利要求10所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述太阳模拟器的输出功率W1，所述红外太阳模拟器的输出功率W2满足以下关系式：
E＝W1×τ+W2×ρ；
E0＝W2×ρ；
其中，E0是所述红外探测系统所处的真实空间位置处接收到的真实太阳光中红外光辐射能量，E是所述红外探测系统所处的真实空间位置处接收到的真实太阳光总辐射能量，τ是所述可见光高透膜的透射率，ρ是所述红外光高反射膜的反射率。
12.根据权利要求11所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述波段组合器的有效口径覆盖所述红外光学窗口；
其中，所述波段组合器的有效口径是所述波段组合器能够反射所述红外光的范围。
13.根据权利要求12所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述空间光电环境模拟装置还包括：
保温罩，固定在所述单轴转台之上，所述保温罩内用于放置所述红外探测系统；
所述保温罩在所述空间环境应力未达到各自的预设仿真值之前，关闭所述保温罩，以保持所述红外探测系统的温度；所述保温罩在所述空间环境应力加载到预设仿真值之后，打开所述保温罩，以使所述红外探测系统能够工作。
14.根据权利要求13所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述采集装置还包括温度传感器，用于贴在所述红外探测系统的外表面；
所述控制装置具体还用于通过所述温度传感器的数据对所述红外探测系统的温度进行监控以验证地面模拟的正确性。
15.根据权利要求2至14任一所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述处理装置，具体用于：
计算各个试验周期所述红外探测系统的非均匀性的实际值和噪声等效温差的实际值；
判断各个试验周期所述红外探测系统的非均匀性的实际值是否低于非均匀性下限值Y1，以及所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值是否低于噪声等效温差的下限值Y2：
当任一个试验周期所述红外探测系统的非均匀性的实际值等于或高于非均匀性下限值Y1，且所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值等于或高于噪声等效温差的下限值Y2时，则判定所述红外探测系统在对应的试验周期有效；
其中，所述试验周期是将试验总时长平均分成多个重复的时间段，所述试验总时长为所述红外探测系统在宇宙空间应用时规定的最长工作时间。
16.根据权利要求15所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述处理装置，具体用于：
在判断各个试验周期所述红外探测系统的非均匀性的实际值是否低于非均匀性下限值Y1，以及所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值是否低于噪声等效温差的下限值Y2时：
当任一个试验周期的所述红外探测系统的非均匀性的实际值低于非均匀性下限值Y1，和/或所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值低于噪声等效温差的下限值Y2时，则判定所述红外探测系统在对应试验周期失效。
17.根据权利要求16所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述处理装置，具体还用于：
根据所述红外探测系统在各个试验周期的有效状态和失效状态，统计得到所述红外探测系统的可靠度R(t)＝P(Y1≥L1，Y2≥L2)；
其中，所述可靠度是可靠性的概率度量，t是试验总时长，P(Y1≥L1，Y2≥L2)是所述红外探测系统处于Y1≥L1且Y2≥L2的有效状态的概率。
18.根据权利要求17所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述可靠性数据处理装置在计算各个试验周期的所述红外探测系统的非均匀性的实际值，具体还用于：
计算单个试验周期的各个所述真空黑体图像的灰度方差σk和平均灰度
其中，
计算单个试验周期的各个所述真空黑体图像的第K帧输出图像的非均匀性
计算单个试验周期的各个真空黑体图像的非均匀性的平均值
作为单个试验周期的所述红外探测系统的非均匀性的实际值；
其中，i、j分别为图像像元的行、列序号，m为图像行像元总数，n为图像列像元总数，所述真空黑体图像是单个试验周期内所述红外探测系统连续采集的100帧真空黑体图像，k的取值遍历1至100，Gk(i,j)是第k帧真空黑体图像的第i行第j列的图像像元的灰度。
19.根据权利要求18所述的可靠性试验系统，其特征在于，所述可靠性数据处理装置在计算各个试验周期的所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值时，具体用于：
计算红外探测系统的在(i,j)点的第一真空黑体图像的噪声GT1(i,j)，噪声平均值
其中，第一真空黑体图像是将真空黑体温度调整为T1＝30℃，温度稳定后，连续采集的100帧图像；
计算红外探测系统的在(i,j)点的第二真空黑体图像的噪声GT2(i,j)，噪声平均值
其中，第二真空黑体图像是将真空黑体温度调整为T2＝31℃，温度稳定后，连续采集的100帧图像；
计算在(i,j)点的噪声等效温差
其中，ΔT＝T2－T1，
其中，i、j分别为图像像元的行、列序号，k的取值遍历1至100。
20.一种空间环境应力综合加载的可靠性试验方法，其特征在于，是权利要求1至19所述的空间光电环境应力综合加载的可靠性试验系统进行可靠性试验的方法，包括如下步骤：
获取所述红外探测系统采集的多个真空黑体图像；其中，所述真空黑体图像是空间环境应力各自达到各自的预设仿真值后，所述红外探测系统根据预设规则采集的真空黑体的图像；
根据多个真空黑体图像进行可靠性分析处理，得到被测的所述红外探测系统的可靠性。
21.根据权利要求20所述的可靠性试验方法，其特征在于，根据多个真空黑体图像进行可靠性分析处理，得到被测的所述红外探测系统的可靠性的步骤具体包括：
计算各个试验周期所述红外探测系统的非均匀性的实际值和噪声等效温差的实际值；
判断各个试验周期所述红外探测系统的非均匀性的实际值是否低于非均匀性下限值Y1，以及所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值是否低于噪声等效温差的下限值Y2：
当任一个试验周期所述红外探测系统的非均匀性的实际值等于或高于非均匀性下限值Y1，且所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值等于或高于噪声等效温差的下限值Y2时，则判定所述红外探测系统在对应的试验周期有效；
当任一个试验周期的所述红外探测系统的非均匀性的实际值低于非均匀性下限值Y1，和/或所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值低于噪声等效温差的下限值Y2时，则判定所述红外探测系统在对应试验周期失效；
其中，所述试验周期是将试验总时长平均分成多个重复的时间段，所述试验总时长为所述红外探测系统在宇宙空间应用时规定的最长工作时间。
22.根据权利要求21所述的可靠性试验方法，其特征在于，根据多个真空黑体图像进行可靠性分析处理，得到被测的所述红外探测系统的可靠性的步骤具体还包括：
根据所述红外探测系统在各个试验周期的有效状态和失效状态，统计得到所述红外探测系统的可靠度R(t)＝P(Y1≥L1，Y2≥L2)；
其中，所述可靠度是可靠性的概率度量，t是试验总时长，P(Y1≥L1，Y2≥L2)是所述红外探测系统处于Y1≥L1且Y2≥L2的有效状态的概率。
23.根据权利要求21所述的可靠性试验方法，其特征在于，在计算各个试验周期的所述红外探测系统的非均匀性的实际值的步骤具体包括如下步骤：计算单个试验周期的各个所述真空黑体图像的灰度方差σk和平均灰度
其中，
计算单个试验周期的各个所述真空黑体图像的第K帧输出图像的非均匀性
计算单个试验周期的各个真空黑体图像的非均匀性的平均值
作为单个试验周期的所述红外探测系统的非均匀性的实际值；
其中，i、j分别为图像像元的行、列序号，m为图像行像元总数，n为图像列像元总数，所述真空黑体图像是单个试验周期内所述红外探测系统连续采集的100帧真空黑体图像，k的取值遍历1至100，Gk(i,j)是第k帧真空黑体图像的第i行第j列的图像像元的灰度。
24.根据权利要求23所述的可靠性试验方法，其特征在于，在计算各个试验周期的所述红外探测系统的噪声等效温差的实际值的步骤具体包括如下步骤：
计算红外探测系统的在(i,j)点的第一真空黑体图像的噪声GT1(i,j)，噪声平均值
其中，第一真空黑体图像是将真空黑体温度调整为T1＝30℃，温度稳定后，连续采集的100帧图像；
计算红外探测系统的在(i,j)点的第二真空黑体图像的噪声GT2(i,j)，噪声平均值
其中，第二真空黑体图像是将真空黑体温度调整为T2＝31℃，温度稳定后，连续采集的100帧图像；
计算在(i,j)点的噪声等效温差
其中，ΔT＝T2－T1，
其中，i、j分别为图像像元的行、列序号，k的取值遍历1至100。
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| CN202010497370.6A CN111591475B (zh) | 2020-06-04 | 2020-06-04 | 空间光电环境应力综合加载可靠性试验系统及方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN113050456A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-06-29 | 中国人民解放军63660部队 | 一种用于临近空间浮空器地面仿真测试系统 |
| CN113148248A (zh) * | 2021-06-02 | 2021-07-23 | 北京理工大学 | 人造卫星温差发电系统的太空环境模拟平台及方法 |
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-
2020
- 2020-06-04 CN CN202010497370.6A patent/CN111591475B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
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| CN111591475B (zh) | 2022-01-18 |
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