CN111721416A - 一种真空低温环境下红外辐射计用内标定源及温控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空低温环境下红外辐射计用内标定源及温控系统，所述内标定源包括调制扇(201)，通过电机(206)驱动；所述调制扇(201)由外壳包覆，所述外壳设置入射光路开口(207)，所述外壳的外层包括金属外壳(202)和隔热层(203)，所述外壳的内层为加热膜(204)。所述温控系统包括标定源控制器、功率输出器件和温度传感器，所述温度传感器实时采集外标定源温度，并实时反馈给标定源控制器，所述标定源控制器将内标定源温度实测值与设定值比较，输出控制信号，驱动所述功率输出器件输出功率，从而调节内标定源加热器件的功率，使得内标定源稳定在设定温度值。本发明阐述的内标定源作为红外辐射计的标定源，可实现实时标定，保证测量准确性。
Description
技术领域
本发明属于红外辐射测量、校准及定标技术领域，具体涉及一种真空低温环境下红外辐射计用内标定源及温控系统。
背景技术
目前，随着技术的发展，红外成像器的应用已经扩展至临近空间及外太空，这些系统包括空间红外观测系统、临近空间探测系统、星载红外遥感系统等，随着这些红外载荷技战术性能要求的逐步提高，高精度定量化探测已成为红外载荷进一步发展的必然趋势。
辐射参数定标是红外载荷实现定量化探测的基础与前提条件，通过辐射参数校准，可定量探测目标的辐射量值，使得红外载荷可通过辐射量值判断目标类型，极大的提高了红外载荷的探测能力，对于红外载荷具有极为重要的意义。同时，辐射参数校准使得多源、多时相数据融合及综合应用成为可能，提升了侦查系统、遥感系统等红外载荷的数据应用效率。
红外载荷中使用一个或多个红外探测器，这些红外探测器由于材料特性、生产制造工艺等因素的影响，其响应度会产生一定的差异，使得同一探测单元其探测性能存在一定的非线性，不同探测单元之间存在较大程度的非均匀性。此外，随着使用环境的变化，工作时间的增加，红外探测器的探测性能会产生不同程度的漂移。然而，红外探测器探测性能随时间的漂移，不同探测单元之间响应度的非均匀性，对实现定量化探测功能具有非常不利的影响，因此，为了实现定量化探测，必须对红外载荷进行辐射定标，对不同探测器之间的响应非均匀性、同一探测器性能随环境及时间的漂移等进行校正。
辐射参数定标主要分为发射前定标和在轨定标，其中，在轨定标主要是为了减小红外探测系统自身性能变化带来的影响，如光学镜面的污染会使光学效率降低，探测器的老化会影响探测器的响应率。为了确保实现高精度定量化探测，不仅需要在地面对红外载荷进行辐射参数校准，而且需要定时对其进行在轨辐射参数校准，以取得精确的标定系数，准确掌握红外载荷运行过程中的各项性能指标，确保整个运行过程中的探测数据准确性。
在对这些红外成像载荷进行在轨辐射参数定标及校准过程中，为了覆盖其温度探测范围，要求其具有宽的校准温度范围；为了实现高精度定量化探测，需要对其辐射参数进行多点校准，同时要求单点校准精度高；为了避免校准时间长，影响校准精度，需要进行快速校准。
另外，由于载荷不断向小型化、轻量化方向发展，对极小空间内的高精度辐射参数在轨校准的需求也越来越迫切，这就对在轨辐射参数校准技术提出了非常高的要求，同时要求参数定标及校准部件具有高的温度稳定性；要求辐射参数校准部件能够适应多种环境，包括机载环境、星载高真空环境等，并且要求其体积小，重量轻，具有极高的可靠性和良好的天地一致性。
传统在轨辐射参数校准，其校准点少，一般为一点或两点校准，校准温度范围窄，无法满足当前红外载荷的在轨辐射参数定标及校准需求，需要高性能的新型校准源，然而，校准源如果不进行量值溯源和传递，其量值无法保证准确，无法实现高精度的在轨校准，因此，为了保证校准源量值溯源准确，需要对其进行高精度的量值溯源和定标，这就需要用到真空低温环境下的红外辐射计，作为量值传递和红外辐射量值测量装置，确保量值溯源和量值测量准确，而内标定源则是红外辐射计实现定标和目标红外辐射测量的关键部件。
发明内容
本发明需解决技术问题是提供一种真空低温环境下红外辐射计用内标定源及温控系统。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种真空低温环境下红外辐射计用内标定源，采取技术方案如下：
所述内标定源包括调制扇，通过电机驱动；所述调制扇由外壳包覆，所述外壳设置入射光路开口，所述外壳的外层包括金属外壳和隔热层，所述外壳的内层为加热膜。
所述调制扇和加热膜内壁涂覆碳纳米管材料。
一种真空低温环境下红外辐射计用内标定源温控系统，：包括数据处理部件、标定源控制器、功率输出器件和温度传感器，所述数据处理部件通过通信接口自动设定内标定源的温度，所述温度传感器实时采集内标定源温度，并实时反馈给标定源控制器，所述标定源控制器将内标定源温度实测值与设定值比较，输出控制信号，驱动所述功率输出器件输出功率，从而调节内标定源加热器件的功率，使得内标定源稳定在设定温度值。
本发明阐述的内标定源作为红外辐射计的标定源，可实现实时标定，保证测量准确性。同时结合外标定源，可实现在轨定标用校准源的在轨多点、高精度、宽温度范围、快速量值溯源或辐射量值测量，确保红外载荷用校准源的量值准确，保证红外载荷在轨定标的准确性，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为红外辐射计组成原理框图；
图2为本发明内标定源组成结构示意图；
图3为本发明标定源温控系统工作原理框图。
具体实施方式
本发明所述真空低温环境为液氮制冷真空舱内的环境，真空舱内壁温度为77K。
红外辐射计由以下几个主要部件构成：光学系统、内标定源、外标定源、红外探测器组件、锁相放大器、定标源控制器、数据采集处理及控制器。如图1所示。
所述内标定源、外标定源用于红外辐射计的定标，外标定源为真空标准黑体；内标定源为与调制扇集成的运动真空标准黑体；
所述光学系统用于收集目标光线；
所述调制扇放置在光学系统与红外探测器组件之间，对被测光辐射进行调制，其作用是将直流光辐射调制为脉冲光辐射，并产生同步信号，作为锁相放大器的同步输入；
所述前置放大器将红外探测器组件的输出信号进行放大，输出给锁相放大器，锁相放大器处理后，形成与被测目标红外辐射量值成正比的信号，由AD采集，经由计算机及软件处理，形成测量结果。
所述定标源控制器用于内标定源、外标定源的温度控制。
下面结合附图对本发明内标定源具体实施方式进行详细阐述。
所述内标定源为调制扇叶片，通过电机206驱动，其结构如图2所示。所述调制扇201由外壳包覆，所述外壳设置入射光路开口207，除测试光路外，调制扇201其余部位由外壳包覆，外壳的外层为金属外壳202和隔热层203，外壳内层为加热膜204，所述加热膜204作用是通过对调制扇201叶片进行热辐射加热，控制调制扇201温度，当调制扇201温度稳定后，由于调制扇201热的惯性作用和高速转动，调制扇201叶片暴露在光路开口位置时间很短，因此可以认为调制扇201每个叶面的温度一致。与调制扇201相邻的内壁上，安装多个温度传感器，用于对加热膜204温度进行测量，调制扇和加热膜204内壁涂覆高发射率碳纳米管材料，有效提高热交换效率。
内标定原理是通过调制扇叶片的热辐射交替照明红外探测器获得标定信号响应输出。红外辐射调制使得原来恒定的辐射通量转换成随时间断续的辐射通量，便于信号的放大、处理和检测，能够有效提高信噪比，抑制零点漂移，需要使用电机驱动调制扇，使其具有一定的调制频率。
考虑到常规电机结构、运动方式、体积及功耗方面的因素，不适合用于真空低温下切换机构的驱动。综合考虑后，选用微型电机作为驱动元件，微型电机的性能要求侧重于运行和启动的力学指标。由于微型电机的种类繁多，参考了几种微型电机，选用瑞士maxon公司生产的A－max 26－110714。该电机的主要参数如表1所示。
表1 A－max26－110714电机主要参数
调制扇主要性能指标如表2所示。
表2调制扇主要性能指标
| 调频范围/Hz | 相位稳定度/° | 频率输出精度 | |
| MC1F 15 | 30～1500 | 0.27 | ＜2％ |
温控系统实现内标定源的温度控制，包括标定源控制器、功率输出器件和温度传感器，工作原理框图如图3所示。
图3中，标定源控制器在工作前，根据实际要求，由数据处理部件通过通信接口自动设定内标定源的温度。工作时，为了保证测温精度，采用高精度温度传感器实时采集内标定源的温度，并实时反馈给标定源控制器。控制器将温度实测值与设定值比较，通过多段控制算法，得到输出控制信号。控制信号驱动功率输出器件输出功率，从而调节内标定源加热膜的功率。其中，控制信号输出与功率输出器件的输出功率成正比，通过不断调节功率输出器件的输出加热功率，确保内标定源自然散热功率与加热功率相等，使得内标定源达到动态平衡，稳定在设定温度值。
标定源控制器由控温仪表、加热控制模块、电连接器等组成，其中控温仪表作为控制器，是标定源控制器中的重要部件，采用日本岛电公司生产的SR23型控温仪，该控温仪在本发明标定源工作温度范围内的温度分辨率为0.01℃。该控温仪带有专家PID算法及自整定功能，具有双输入、双输出功能，其技术指标如下：
1)传感器输入类型：Pt100输入；
2)控制信号输出：双路输出，一路为0～10V，另一路为4～20mA(信号输入形式可自由选择)；
3)通信接口：RS485接口；
4)显示分辨率：0.01℃(－100℃～100℃)。
为了减小标定源对其他真空设备的电磁干扰，采用程控直流电源加热。程控电源选用衡孚公司定制的HF－500W－630型号电源，该电源具有输入电压范围宽、输出电压线性度好的特点，能够满足本系统应用，其技术指标如下：
1)输入电压：170－264VAC；
2)输入电压频率：47－63HZ；
3)控制信号：0－10VDC；
4)输出电压：0－120VDC；
5)输出功率：0－500W。
温控系统4U机箱，连接电缆在真空舱内的部分采用能耐低温环境的镀银多股铜线制作，并在真空舱的外端使用聚四氟带将其扎成一束，可降低电缆的真空放气率。为满足真空低温使用要求，电连接器选用693厂生产的军品级真空密封航插，该航插连接可靠，插接和分离方便，工作可靠性高，可满足本项目需求。
Claims (6)
1.一种真空低温环境下红外辐射计用内标定源，其特征在于：所述内标定源包括调制扇(201)，通过电机(206)驱动；所述调制扇(201)由外壳包覆，所述外壳设置入射光路开口(207)，所述外壳的外层包括金属外壳(202)和隔热层(203)，所述外壳的内层为加热膜(204)。
2.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下红外辐射计用内标定源，其特征在于：所述调制扇(201)和加热膜(204)内壁涂覆碳纳米管材料。
3.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下红外辐射计用内标定源，其特征在于：所述电机(206)为微型电机。
4.一种如权利要求1或2或3所述的一种真空低温环境下红外辐射计用内标定源温控系统，其特征在于：包括数据处理部件、标定源控制器、功率输出器件和温度传感器，所述数据处理部件通过通信接口自动设定内标定源的温度，所述温度传感器实时采集内标定源温度，并反馈给标定源控制器，所述标定源控制器将内标定源温度实测值与设定值比较，输出控制信号，驱动所述功率输出器件输出功率，从而调节内标定源加热膜的功率，使得内标定源稳定在设定温度值。
5.根据权利要求4所述的一种真空低温环境下红外辐射计用内标定源温控系统，其特征在于：采用程控直流电源供电。
6.根据权利要求4所述的一种真空低温环境下红外辐射计用内标定源温控系统，其特征在于：所述真空低温环境为液氮制冷真空舱内的环境，在真空舱内的连接电缆部分采用镀银多股铜线制作，在真空舱的外端使用聚四氟带将其扎成一束。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200929 |