CN111678608A - 一种高精度腔体红外发射率测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高精度腔体红外发射率测量系统及测试方法，包括：短波红外激光器和长波红外激光器发出光束分别经过短波红外激光功率稳定器和长波红外激光功率稳定器稳束后，分别透过密封罐体的第一窗口和第二窗口后到达所述密封罐体罐内，分别经过第一反射镜和第二反射镜反射后，经斩波器调制，经过调制后的光束通过积分球入光口进入积分球，再通过积分球出光口离开所述积分球，离开所述积分球的光束经过遮光光阑到达待测腔体内；被待测腔体反射的光进入所述积分球，进入所述积分球内的光通量通过传感器接收，所述传感器接收到的信号经前置放大电路和锁相放大电路调制放大后被计算机采集。本发明得到腔体的光谱发射率数值。
Description
技术领域
本发明涉及光辐射测量领域，具体地，涉及一种高精度腔体红外发射率测量系统及测试方法，更为具体地，涉及各类红外腔体的发射率测量，尤其是各类高精度的红外辐射源用的黑体腔发射率的检测。
背景技术
随着定量化遥感技术的不断发展，卫星红外载荷的探测精度也随之不断提高。目前，星上红外载荷主要通过高精度黑体来实现红外辐射的定标，这也对黑体精度提出了更高的要求。当前黑体辐射源的辐亮度值主要通过测量黑体的发射率和辐射温度，然后通过普朗克公式计算得到黑体的辐亮度值，因此黑体发射率测量的精度将会直接影响黑体的辐亮度精度。
当前黑体辐射源主要通过专业的几何设计加喷涂高发射率的红外涂层来实现较高的发射率，常用的黑体发射率定量化方法主要是通过已知的几何结构和涂层发射率，然后通过蒙特卡洛等方法来计算黑体的发射率。与此同时，随着红外辐射计的不断发展，国内部分单位也开展了比对法黑体红外发射率的测量方法研究，通过与已知发射率的黑体进行比对，实现发射率的测量，但是对黑体的状态要求较高，测量的精度较低。
因此建立一种直接的、高精度、快速的腔体红外发射率测量方法，是当前亟需解决的问题。
专利文献CN102565116A(申请号：201210013968.9)公开了一种非透明材料法向光谱发射率测量装置，本发明的技术方案要点是，在圆柱形腔体内设有石墨加热体，石墨加热体通有水冷电极，水冷电极连通有直流电源，在圆柱形腔体顶部设有半球形水冷法兰，与石墨加热体顶部的凹槽对应的半球形水冷法兰上均布有观测孔，在两侧的观测孔外部分别安装有探测器和斩波器、反射镜，探测器和斩波器通过导线分别与微处理器控制系统连接，微处理器控制系统通过导线与人工智能调节器连接，人工智能调节器通过导线与直流电源连接，半球形水冷法兰上的中间观测孔外部设有球面反射镜，与球面反射镜配合装配的有傅里叶红外光谱仪和计算机，在半球形水冷法兰上设有抽真空装置。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高精度腔体红外发射率测量系统及测量方法。
根据本发明提供的一种高精度腔体红外发射率测量系统，包括：
短波红外激光器1和长波红外激光器2发出光束分别经过短波红外激光功率稳定器3和长波红外激光功率稳定器4稳束后，分别透过密封罐体21的第一窗口5和第二窗口6后到达所述密封罐体21罐内，分别经过第一反射镜7和第二反射镜8反射后，经斩波器9调制，经过调制后的光束通过积分球入光口10进入积分球11，再通过积分球出光口12离开所述积分球11，离开所述积分球11的光束经过遮光光阑13到达待测腔体14内；被待测腔体14反射的光进入所述积分球11，进入所述积分球11内的光通量通过传感器22接收，所述传感器22接收到的信号经前置放大电路23和锁相放大电路24调制放大后被计算机25采集。
优选地，所述斩波器9采用电磁振荡模式按照预设的调制频率驱动叶片开合，实现光束的调制。
优选地，所述积分球11采用铝合金作为基体材料，内表面做漫发射处理后镀金；所述积分球11安装于旋转平台15和三维移动平台16上，实现所述积分球11的X轴、Y轴、Z轴三个方向的平动和绕Z轴方向的转动，使得所述待测腔体14口径与所述积分球出光口12的精准对接；
所述待测腔体14安装于旋转平台17和三维移动平台18上，实现所述待测腔体14的X轴、Y轴、Z轴三个方向的平动和绕Z方向的转动，使得所述待测腔体14口径与所述积分球出光口12的精准对接。
优选地，所述待测腔体14的口径小于所述积分球出光口12尺寸时，则安装遮光光阑13，所述遮光光阑13与所述待测腔体14的出光口通过工装紧密连接，两者再通过旋转平台17和三维移动平台18实现与积分球出光口12的精准对接；当所述待测腔体14的口径大于等于积分球出光口尺寸时，则无需安装遮光光阑13。
优选地，所述旋转平台15、三维移动平台16和旋转平台17以及三维移动平台18都是通过运动控制器19和计算机25控制。
优选地，所述密闭罐体21为圆柱结构，采用不锈钢作为基体，所述密闭罐体21内壁涂有黑色消杂光涂层；消光陷阱20安装于罐壁上，与主光路同轴，距离所述积分球出光口12为预设距离；所述密闭罐体21内壁装有热沉。
优选地，所述短波红外激光器1的波长为1.32μm，短波红外激光功率稳定器3为相应波段功率稳定器，稳定性优于1‰；
所述的长波红外激光器2的波长为10.6μm，长波红外激光功率稳定器4为相应波段功率稳定器，稳定性优于1‰。
优选地，所述传感器22为PbS和MCT两路探测器。
根据本发明提供的一种高精度腔体红外发射率测量系统测量方法，运用上述所述的高精度腔体红外发射率测量系统执行如下步骤：
步骤M1：将标准参考盖板26安装于所述积分球出光口12处，激光光束经主光路入射至所述标准参考盖板26上，经所述积分球11匀光后，所述传感器22得到信号值Vr，其中，所述标准参考盖板26的反射率为Rr；
步骤M2：将所述标准参考盖板26移除，安装待测腔体14和遮光光阑13，将相同的激光光束经主光路入射至待测腔体14内，部分激光光束被反射溢出的光经积分球出光口12进入所述积分球11匀光后，所述传感器22得到的信号值为Vs；
步骤M3：将待测腔体14移除，遮光光阑13保留并固定，将相同的激光光束经主光路入射至消光陷阱20，背景杂光进入积分球11匀光后，传感器22得到的信号值为Vap；
步骤M4：将待测腔体14和遮光光阑13一起移除，将相同的激光光束经激光主光路入射至消光陷阱20，背景杂光进入积分球11匀光后，传感器22得到的信号值为Vback；
第五步：待测腔体14的发射率计算公式如下所示：
优选地，所述激光主光路包括：调整激光主光路的入射角度，得到不同角度下的待测腔体的发射率值；当入射角度为0时，得到待测腔体法向发射率值。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过光电传感器，采用直接法进行腔体反射率的测量，从而得到腔体的发射率，为理论计算值提供测量依据；
2、本发明使得腔体的发射率通过合理的标准传递，可以溯源至国家计量院一级标准；
3、本发明通过更换不同的激光光源，可以得到腔体的光谱发射率数值；
4、本发明通过合理设计，实现了背景杂散光的抵扣，提高了测量的精度；
5、本发明通过调整待测腔体+积分球整体系统与入射激光主光路的角度，可以实现不同角度下的发射率测量；
6、本发明具有结构简单、通用性高、应用方便、精度高、响应快的优点，可以有效的解决腔体发射率测量在现实中的问题，并且通过波段的扩展可以实现更多的功能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为发射率测量系统原理图；
图2为发射率测量流程图；
图3为非法向测量原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
针对当前黑体红外腔体发射率测量方法少，测量精度低的情况，提供了一种高精度腔体红外发射率测量系统。
根据本发明提供的一种高精度腔体红外发射率测量系统，包括：如图1所示，
短波红外激光器1和长波红外激光器2发出光束分别经过短波红外激光功率稳定器3和长波红外激光功率稳定器4稳束后，分别透过密封罐体21的第一窗口5和第二窗口6后到达所述密封罐体21罐内，分别经过第一反射镜7和第二反射镜8反射后，经斩波器9调制，经过调制后的光束通过积分球入光口10进入积分球11，再通过积分球出光口12离开所述积分球11，离开所述积分球11的光束经过遮光光阑13到达待测腔体14内；被待测腔体14反射的光进入所述积分球11，进入所述积分球11内的光通量通过传感器22接收，所述传感器22接收到的信号经前置放大电路23和锁相放大电路24调制放大后被计算机25采集。
具体地，所述斩波器9采用电磁振荡模式按照预设的调制频率驱动叶片开合，实现光束的调制，调制频率为50Hz。
具体地，所述积分球11直径为Φ200mm，采用铝合金作为基体材料，内表面做漫发射处理后镀金，反射率≥92％；所述的积分球入光口10直径为Φ5mm，所述的积分球出光口12直径为Φ50mm，所述积分球11安装于旋转平台15和三维移动平台16上，实现所述积分球11的X轴、Y轴、Z轴三个方向的平动和绕Z轴方向的转动，使得所述待测腔体14口径与所述积分球出光口12的精准对接；
所述待测腔体14安装于旋转平台17和三维移动平台18上，实现所述待测腔体14的X轴、Y轴、Z轴三个方向的平动和绕Z方向的转动，使得所述待测腔体14口径与所述积分球出光口12的精准对接。
具体地，所述待测腔体14的口径小于所述积分球出光口12尺寸时，则安装遮光光阑13，所述遮光光阑13与所述待测腔体14的出光口通过工装紧密连接，两者再通过旋转平台17和三维移动平台18实现与积分球出光口12的精准对接；当所述待测腔体14的口径大于等于积分球出光口尺寸时，则无需安装遮光光阑13。
具体地，所述旋转平台15、三维移动平台16和旋转平台17以及三维移动平台18都是通过运动控制器19和计算机25控制。
具体地，所述密闭罐体21为圆柱结构，采用不锈钢作为基体，直径Φ3000mm，长4000mm，所述密闭罐体21内壁涂有黑色消杂光涂层；消光陷阱20安装于罐壁上，与主光路同轴，距离所述积分球出光口12为2000mm以上，从而达到良好的消光效果；根据测量波段的拓展，所述密闭罐体21内壁装有热沉，根据需要可以通液氮、液氦等介质辅助制冷。
所述的锁相放大电路24可以经将经斩波器9调制后的固定频率信号锁相放大，传输给计算机25，从而将弱信号放大，实现较好的信噪比。
具体地，所述短波红外激光器1的波长为1.32μm，短波红外激光功率稳定器3为相应波段功率稳定器，稳定性优于1‰；
所述的长波红外激光器2的波长为10.6μm，长波红外激光功率稳定器4为相应波段功率稳定器，稳定性优于1‰。
具体地，所述传感器22为PbS和MCT两路探测器。
根据本发明提供的一种高精度腔体红外发射率测量系统测量方法，运用上述所述的高精度腔体红外发射率测量系统执行如下步骤：
将安装腔体情况下的探测器信号值与安装标准参考盖板情况下的信号值，在扣除背景影响后的比值，就可以得到腔体的反射率。在假设黑体腔不透明的情况下，根据基尔霍夫定律可知，当腔体处于热辐射平衡状态下，腔体的发射率等于1减去反射率。
步骤M1：如图2(a)所示，将标准参考盖板26安装于所述积分球出光口12处，激光光束经主光路入射至所述标准参考盖板26上，经所述积分球11匀光后，所述传感器22得到信号值Vr，其中，所述标准参考盖板26的反射率经国家计量院标定，数值为Rr；
步骤M2：如图2(b)所示，将所述标准参考盖板26移除，安装待测腔体14和遮光光阑13，将相同的激光光束经主光路入射至待测腔体14内，少量激光光束被反射溢出的光经积分球出光口12进入所述积分球11匀光后，所述传感器22得到的信号值为Vs；
步骤M3：如图2(c)所示，将待测腔体14移除，遮光光阑13保留并固定，将相同的激光光束经主光路入射至消光陷阱20，背景杂光进入积分球11匀光后，传感器22得到的信号值为Vap；
步骤M4：如图2(d)所示，将待测腔体14和遮光光阑13一起移除，将相同的激光光束经激光主光路入射至消光陷阱20，背景杂光进入积分球11匀光后，传感器22得到的信号值为Vback；
第五步：待测腔体14的发射率计算公式如下所示：
具体地，所述激光主光路包括：通过驱动旋转平台15、三维移动平台16和旋转平台17、三维移动平台18，使得积分球(11)、遮光光阑(13)、待测腔体(14)的法线处于同一直线，同时与激光主光路成角度a调整激光主光路的入射角度，得到不同角度下的待测腔体的发射率值；如图3所示，当入射角度为0时，得到待测腔体法向发射率值。
实施例2
实施例1是实施例2的变化例
所述的透过第一窗口5和透过第二窗口6都采用ZnSe材料，直径为Φ50mm，透过率≥70％。所述的第一反射镜7和第二反射镜子8采用铝基镀金工艺，反射率≥92％。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种高精度腔体红外发射率测量系统，其特征在于，包括：
短波红外激光器(1)和长波红外激光器(2)发出光束分别经过短波红外激光功率稳定器(3)和长波红外激光功率稳定器(4)稳束后，分别透过密封罐体(21)的第一窗口(5)和第二窗口(6)后到达所述密封罐体(21)罐内，分别经过第一反射镜(7)和第二反射镜(8)反射后，经斩波器(9)调制，经过调制后的光束通过积分球入光口(10)进入积分球(11)，再通过积分球出光口(12)离开所述积分球(11)，离开所述积分球(11)的光束经过遮光光阑(13)到达待测腔体(14)内；被待测腔体(14)反射的光进入所述积分球(11)，进入所述积分球(11)内的光通量通过传感器(22)接收，所述传感器(22)接收到的信号经前置放大电路(23)和锁相放大电路(24)调制放大后被计算机(25)采集。
2.根据权利要求1所述的高精度腔体红外发射率测量系统，其特征在于，所述斩波器(9)采用电磁振荡模式按照预设的调制频率驱动叶片开合，实现光束的调制。
3.根据权利要求1所述的高精度腔体红外发射率测量系统，其特征在于，所述积分球(11)采用铝合金作为基体材料，内表面做漫发射处理后镀金；所述积分球(11)安装于旋转平台(15)和三维移动平台(16)上，实现所述积分球(11)的X轴、Y轴、Z轴三个方向的平动和绕Z轴方向的转动，使得所述待测腔体(14)口径与所述积分球出光口(12)的精准对接；
所述待测腔体(14)安装于旋转平台(17)和三维移动平台(18)上，实现所述待测腔体(14)的X轴、Y轴、Z轴三个方向的平动和绕Z方向的转动，使得所述待测腔体(14)口径与所述积分球出光口(12)的精准对接。
4.根据权利要求1所述的高精度腔体红外发射率测量系统，其特征在于，所述待测腔体(14)的口径小于所述积分球出光口(12)尺寸时，则安装遮光光阑(13)，所述遮光光阑(13)与所述待测腔体(14)的出光口通过工装紧密连接，两者再通过旋转平台(17)和三维移动平台(18)实现与积分球出光口(12)的精准对接；当所述待测腔体(14)的口径大于等于积分球出光口尺寸时，则无需安装遮光光阑(13)。
5.根据权利要求3所述的高精度腔体红外发射率测量系统，其特征在于，所述旋转平台(15)、三维移动平台(16)和旋转平台(17)以及三维移动平台(18)都是通过运动控制器(19)和计算机(25)控制。
6.根据权利要求1所述的高精度腔体红外发射率测量系统，其特征在于，所述密闭罐体(21)为圆柱结构，采用不锈钢作为基体，所述密闭罐体(21)内壁涂有黑色消杂光涂层；消光陷阱(20)安装于罐壁上，与主光路同轴，距离所述积分球出光口(12)为预设距离；所述密闭罐体(21)内壁装有热沉。
7.根据权利要求书1所述的高精度腔体红外发射率测量系统，其特征在于，所述短波红外激光器(1)的波长为1.32μm，短波红外激光功率稳定器(3)为相应波段功率稳定器，稳定性大于等于1‰；
所述的长波红外激光器(2)的波长为10.6μm，长波红外激光功率稳定器(4)为相应波段功率稳定器，稳定性大于等于1‰。
8.根据权利要求书1所述的高精度腔体红外发射率测量系统，其特征在于，所述传感器(22)为PbS和MCT两路探测器。
9.一种高精度腔体红外发射率测量系统测量方法，其特征在于，运用权力要求1至8任一所述的高精度腔体红外发射率测量系统执行如下步骤：
步骤M1：将标准参考盖板(26)安装于所述积分球出光口(12)处，激光光束经主光路入射至所述标准参考盖板(26)上，经所述积分球(11)匀光后，所述传感器(22)得到信号值Vr，其中，所述标准参考盖板(26)的反射率为Rr；
步骤M2：将所述标准参考盖板(26)移除，安装待测腔体(14)和遮光光阑(13)，将相同的激光光束经主光路入射至待测腔体(14)内，部分激光光束被反射溢出的光经积分球出光口(12)进入所述积分球(11)匀光后，所述传感器(22)得到的信号值为Vs；
步骤M3：将待测腔体(14)移除，遮光光阑(13)保留并固定，将相同的激光光束经主光路入射至消光陷阱(20)，背景杂光进入积分球(11)匀光后，传感器(22)得到的信号值为Vap；
步骤M4：将待测腔体(14)和遮光光阑(13)一起移除，将相同的激光光束经激光主光路入射至消光陷阱(20)，背景杂光进入积分球(11)匀光后，传感器(22)得到的信号值为Vback；
第五步：待测腔体(14)的发射率计算公式如下所示：
10.根据权利要求1所述的高精度腔体红外发射率测量系统测量方法，其特征在于，所述激光主光路包括：调整激光主光路的入射角度，得到不同角度下的待测腔体的发射率值；当入射角度为0时，得到待测腔体法向发射率值。
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