CN111721417B - 一种真空低温环境下应用的红外辐射计及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空低温环境下应用的红外辐射计，包括外标定源、光学系统、内标定源和调制扇、红外探测器组件、前置宽带放大器、锁相放大器、数据采集处理及控制器。所述内标定源、外外标定源用于红外辐射计的定标；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，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。本发明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。

Description

一种真空低温环境下应用的红外辐射计及测量方法
技术领域
本发明属于红外辐射测量、校准及定标技术领域，涉及一种真空低温环境下应用的红外辐射计。
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。
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应用的红外辐射计及测量方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种真空低温环境下应用的红外辐射计，采取技术方案如下：
包括外标定源、光学系统、内标定源和调制扇、红外探测器组件、锁相放大器、标定源控制器、数据采集处理及控制器，
所述内标定源、外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辐射光线；
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；
所述红外探测器组件自带前置放大器，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；
所述数据采集处理及控制器包括AD采集部件，完成锁相放大器输出信号的AD采集，经由计算机及软件处理，形成测量结果；
所述标定源控制器实现内标定源、外标定源的温度控制。
进一步，所述光学系统采用单片非球面锗镜作为成像透镜，在所述透镜上镀2～5μm或8～12μm增透膜。
进一步，所述外标定源为方形面型黑体，包括辐射板、加热制冷器件、热平衡板及散热器，所述上述部件依次紧密接触，并通过支撑结构紧固在一起。
进一步，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。
进一步，所述标定源控制器为两套，功能相同，分别用于内标定源、外标定源的温度控制，所述标定源控制器将温度传感器实时反馈的内标定源、外标定源温度实测值与设定值比较，输出控制信号，驱动功率输出器件输出功率，从而调节内标定源、外标定源加热及制冷器件的功率，使得内标定源、外标定源稳定在设定温度值。
一种真空低温环境下应用的红外辐射计的测量方法，包括如下步骤：
步骤1.调制扇放置到光学系统成像位置处，后置探测器组件尽量靠近调制扇处；
步骤2.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，标定源控制器控制内标定源的加热控制，当加热膜加热后通过热辐射使得调制扇温度上升；当调制扇加热达到温度稳定后，在调制扇的辐射下探测器组件输出信号DNB，
DNB＝LB×RD (1)
其中，RD为探测器组件及后续电路总的辐射亮度响应度，LB为稳定后调制扇辐射亮度；
步骤3.将调制扇离开探测器组件，外标定源辐射通过光学系统投设置探测器组件，获得探测器组件输出信号DNC为
DNC＝TO×LC×RD (2)
其中，LC为外标定源辐射亮度，TO为光学系统透过率，
锁相放大器输出DNC与DNB两者的差值△DNC，得到辐射计响应度Rr
△DNC＝DNC-DNB，
DNC＝LC×Rr＝△DNC+DNB
Figure BDA0002000739980000051
步骤4.改变外标定源工作温度，使之辐射亮度输出变为LC-1，LC-2…LC-n，计算出调制扇辐射下探测器组件输出信号DNB或辐射计响应度Rr；
步骤5.获得被测目标辐射亮度Lt，具体为：
设定标后的测试过程中光学系统透过率TO没有发生变化，被测目标辐射亮度为Lt，辐射计响应输出为DNt，根据辐射响应关系：
由公式(3)式得：
DNt＝Lt×Rr (4)
锁相放大器输出为调制扇背景辐射与信号辐射信号的差值△DNt，即，
△DNt＝DNt-DNB， (5)
根据公式(3)、(4)和(5)，被测目标辐射亮度Lt为：
Figure BDA0002000739980000061
本发明阐述的一种真空低温环境下应用的红外辐射计及测量方法，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。
红外辐射计的技术指标如下：
1)工作波段：2μm～5μm；
2)测量参数：辐射温度、辐射亮度；
3)测量目标温度范围：200K～500K(辐射亮度测量范围按照测量目标温度范围对应的黑体产生的辐射亮度确定)；
4)标定方式：内标定和外标定；
5)测量不确定度：≤0.1K；
6)被测目标距离：1.5m至无穷远(1.5m处测量面积大小约为23.0mm～34.6mm)。
附图说明
图1为本发明红外辐射计组成原理框图；
图2为本发明光学设计结构图；
图3为本发明常温常压下光学设计结果；
图4为本发明真空低温条件下光学设计结果；
图5为本发明外标定源辐射部件结构图；
图6为本发明调制扇及加热结构图；
图7为本发明标定源控制器工作原理框图；
图8为探测器D＊曲线图；
图9为锁相放大器原理框图；
图10为本发明红外辐射计信号采集/处理、传输以及软件工作原理框图；
图11为本发明辐射计测量示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方式作进一步描述：
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。
本发明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。此外，还包括机械结构、系统附件等，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。
所述机械结构为真空机械结构，其热膨胀系数极小，并进行了柔性连接设计，可适应真空低温环境，保证系统整体性能。
此外，还包括通信接口，所述通信接口实现计算机与控制器或其它部件之间的通信。
下面结合附图对上述各部件进行详细阐述。
所述光学系统为真空低温环境下工作的光学系统，采用无热设计，确保温度工作范围，根据红外辐射计技术指标，所述光学系统设计输入如下：
1)视场：16mm(1.5m距离处)；
2)F数(f/D)：1.56；
3)光阑直径：2mm；
4)光学口径：80mm(焦距f＝125mm)；
5)表面镀膜：2μm～5μm增透膜。
为了保证系统可靠性，缩小系统体积，使装调及调整简洁，所述光学系统采用单片非球面锗镜或其他光学材料作为成像透镜，同时在透镜上镀2～5μm或8～12μm增透膜，光学设计结构如图2所示，常温常压下和真空低温环境下的设计结果分别如图3和图4所示。
光学设计结果如表1所示。
表1光学设计结果
常温常压(20℃，1个大气压) 真空低温环境(－200℃，1×10<sup>－4</sup>Pa)
f/mm 126.942 130.848
F# 1.79 1.85
1500mm处像距/mm 134.95 139.541
∞处像距/mm 123.216 127.036
由于该光学系统是在常温下装配的，而使用环境为真空低温，由表1可知，可利用位移机构对该光学系统进行距离调焦和温度调焦，来保证到达光斑大小一致，距离调焦最大调节量为12.505mm，温度调焦最大调节量为4.591mm。
所述外标定源和内标定源作为系统的标定源，可实现实时标定，保证测量准确性，其中外标定源为高发射率、高精度真空面源黑体，内标定源为与调制扇集成的运动真空标准黑体，利用辐射加热调制扇，可实现调制扇温度控制，利用外标定源和内标定源，可对系统进行在线实时标定。
外标定源主要技术参数如下：
黑体温度：环境温度～70℃可控可调；
发射率：大于0.95；
尺寸：方形有效区域边长90mm。
所述外标定源为一个方形面型黑体或者腔型黑体。
所述外标定源为方形面型黑体形式，在铝基或铝基加热板外涂高发射率材料以及隔热材料和支撑系统构成，为了提高发射率，基板上加工微锥结构，发射率达到0.98。
所述外标定源为腔型黑体形式，在铜基辐射腔喷涂高发射率材料，配合机械支撑结构，为了保证发射率，一般腔长比大于6，发射率大于0.999。
如图5所示，外标定源为一个方形面型黑体，包括辐射板201、加热制冷器件202、热平衡板203及散热器204，所述上述部件依次紧密接触，并通过支撑结构205紧固在一起。
所述辐射板201采用微锥结构，喷涂高发射率碳纳米管材料涂层，实现高均匀性、高发射率。
为了保证非均匀性校正黑体的均匀性，辐射板201采用导热性好的紫铜板，并且设计厚度10mm以上，同时，通过机械加工具备平面较高的平面度和表面质量，并在接触面上涂敷真空导热脂，使其与驱动器件保持充分接触，保证其受热均匀。
热平衡板203及散热器204采用硬铝材料，可以减轻辐射部件的重量，同时可以保证加热制冷器件202和辐射板201紧密充分接触，同时起到支撑辐射板201的作用，散热器204为铝型材散热器，与热平衡板203紧密接触，通过辐射冷却方式散热。
所述加热制冷器件202为阻性加热片和半导体制冷器。
阻性加热片作为加热部件，其绝缘材料为硅橡胶，为防止低温脆化损坏，造成与辐射板短路，须将加热片固化在云母片上与辐射板接触，加热片具体技术指标：
1)外观尺寸：75mm×75mm×4mm，引线高3mm；
2)工作电压：120V；
3)电阻：28.8Ω(±5％)；
4)功率：500W；
5)引线：8米，采用氩弧焊接。
温度传感器用于外标定源测温，其测温准确度和一致性决定外标定源测温精度，选用Pt100低温传感器，Pt100封装前厂家进行一致性筛选，并通过计量测试数据筛选准确度高的温度传感器，提高外标定源测温精度，所述Pt100引线为3线制，长度为8米，选用低温环境中的AF250－0.12多股电缆，直接焊接在真空舱内部插头上。
由于外标定源的工作环境为真空低温环境，因此，为了保证温度传感器与被测辐射板201实现完全热耦合，在装配过程中，需解决以下难题：
a)材料及其状态的选择。在选择导热材料时，需要对其可凝性挥发物指标进行严格的控制，避免可凝性挥发物形成污染，同样需要考虑材料的状态，需要与工艺兼容；
b)封装方式的选择。在具体选择时，需要进行试验验证，以选择封装方式，安装孔与温度传感器之间的相对尺寸需要进行验证，需要同时保证封装的易实施性和热传导的高效率；
c)接触面质量保证。为了使接触面均匀致密，确保温度传感器与被测辐射板的低热阻，需要保证接触面积大、接触致密，不存在气泡、不均匀接触等现象。
采用以下措施，解决以上难题：
a)材料及其状态的选择。目前，在热传导装配过程中，常用填料如表2所示。
表2导热填料性能对比简表
Figure BDA0002000739980000121
在表2中，所有材料均无法直接应用于本发明。为了实现温度传感器的封装，选择金属铟的粉末态作为封装材料。
b)封装方式的选择。在本发明中，选用安装孔配合熔融金属铟粉末的封装方式实现温度传感器的封装，利用金属铟粉末将温度传感器与辐射板连接起来，实现完善的热耦合。采用的方案是将温度传感器与金属铟粉末同时放置在安装孔内，加热使金属铟粉末熔化，待其冷却后，实现温度传感器与辐射板通过凝固金属铟连接，实现紧密完善耦合。
c)接触面质量保证。在封装过程中，为了保证温度传感器与辐射板接触均匀致密，并且尽可能增大接触面积，需要在金属铟粉末熔化后，采用周期性晃动等工艺消除液态金属铟粉末内的气泡，同时采用多次重复添加金属铟粉末方法，直至金属铟粉末将温度传感器与辐射板缝隙完全填充，并采用真空密封防震胶对安装孔和温度传感器导线进行密封固定，确保其装配在整个寿命周期内性能稳定。
外标定源安装在光学系统的外侧，需要标定时外标定源覆盖光学系统，测量时利用切换机构将其挪开。
为了方便对红外辐射计系统进行整机标定，需要通过切换机构将外标定源引入测量光路中，同时标定结束后再通过切换机构将外标定源引出测试光路，从而实现真空低温环境下设备外标定功能。
在真空低温环境下，为了提高机构工作的可靠性，尽量减少该机构中运动部件。综合考虑，采用真空步进电机驱动齿轮齿条的传动方式。为了对切换机构进行智能化控制，采用电动控制实现精确定位和调整。
考虑到该切换机构需要在真空低温环境下正常工作，这里分成两个部分来考量机构的环境适应性。首先为了满足真空环境，步进电机中的润滑油脂选用低挥发性的真空润滑脂，同时将各运动部件表面采用低挥发性真空润滑脂或涂覆固体润滑剂；其次需要主动热控技术来保障所需步进电机正常工作温度。由于低挥发性真空润滑脂虽能对运动部件在真空下起到润滑作用，防止了冷焊现象的发生，但是低挥发性的油脂会对辐射计或者待测面源黑体造成污染，综合考虑后采用固体润滑剂二硫化钼，即将二硫化钼粉末分散于有机粘合剂体系中，再通过涂装工艺在运动部件的摩擦表面形成一层微米厚度的润滑涂层，从而降低部件的摩擦和磨损。二硫化钼物理化学性质如表3所示。
表3二硫化钼物理化学性质
Figure BDA0002000739980000141
下面计算下该切换机构的驱动能力与电机的驱动力矩。
外标定源的质量为m＝1.50kg，则在齿轮上产生的正压力fN＝μ·N＝μ·m·g＝0.1×1.5×10N＝1.5N，齿轮分度圆半径r＝42mm，齿轮齿条减速比i＝3.2，传递效率η＝85％，安全系数SF＝1.8，则有驱动力矩：
M＝fN·r/(i·η·SF)＝0.011Nm (1)
综合考虑，选择phytron公司的HV42.200.2.5型号电机。该类型电机的性能参数如表4所示。
表4 HV42.200.2.5电机参数
电机型号 使用温度 真空度/Pa 驱动电流/A 驱动电压/V 驱动力矩/mN·m
42.200.2.5 －20～200℃ 10<sup>－7</sup> 2.5 70 120
所述内标定源为调制扇叶片，通过电机606驱动，其结构如图6所示。所述调制扇601由外壳包覆，所述外壳设置入射光路开口607，除测试光路外，调制扇601其余部位由外壳包覆，外壳的外层为金属外壳602和隔热层603，包覆内层为加热膜604，所述加热膜604作用是通过对调制扇601叶片进行热辐射加热，控制调制扇601温度，当调制扇601温度稳定后，由于调制扇601热的惯性作用和高速转动，调制扇601叶片暴露在光路开口位置时间很短，因此可以认为调制扇601每个叶面的温度一致。与调制扇601相邻的内壁上，安装多个温度传感器605，用于对加热膜604温度进行测量，调制扇和加热膜604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－max26－110714。该电机的主要参数如表5所示。
表5 A－max26－110714电机主要参数
电机型号 外径×长度/(mm×mm) 额定功率/W 线圈最高允许温度/℃
A－max26－110714 26×45 4 125
调制扇主要性能指标如表6所示。
表6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％
所述标定源控制器实现内标定源、外标定源的温度控制，内标定源、外标定源需要设计成温度独立可控的黑体辐射源，在具体实现时，两个控制器可以设计成两套同样的温控系统，采用同一套供电系统，但是在实际工作过程中，两个标定源可以单独控制，相互之间不会产生干扰。标定源控制器工作原理框图如图7所示。
图7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、外标定源的温度。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、外标定源的温度，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或外标定源阻性加热片或者半导体制冷器的功率。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、外标定源自然散热功率与加热功率相等，使得内标定源、外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。
可采用两路控制，可满足内标定源和外标定源温度控制需求。加热控制系统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。
所述红外探测组件为单元红外制冷探测器，选择MCT三级电制冷探测器，并自带前置放大器。考虑真空低温环境适应性，采用碲镉汞探测器，碲镉汞探测器相应波段可调制，性能优异，典型碲镉汞探测器的光谱响应率曲线如图8所示，探测器品种及性能如表7所示。
表7探测器品种及性能
Figure BDA0002000739980000181
根据图8和表7，确定PVI－3TE－5型探测器能够满足本项目需求，该探测器的主要技术指标为：
1)波段：2μm～5μm；
2)工作温度(室温20℃下)：－60℃；
3)单位探测率(D＊)：优于1011；
4)光敏面直径：2mm。
为了确保其可靠工作，需要对探测器进行主动热控和被动热控，来保证探测器具有足够的信噪比。
所述前置放大器，前置放大器仅对探测器转换的电信号进行了初步放大，在放大信号的同时噪声也同样得到放大。在测量中，噪声是一种不希望的干扰，它是限制和影响测量系统的灵敏度、精确度和重复性的重要因素。对弱信号放大和传递影响最大的是元器件中的热噪声、散粒噪声所形成的白噪声及1/f低频噪声，特别是光电探测器中的固有噪声，限制了探测器的探测能力。主放大器除了要将信号电平放大到与A/D转换饱和电平相匹配，以保证信号处理系统具有足够的动态范围、A/D转换具有足够高的分辨率外，再一个重要功能是抑制噪声提高信噪比，增强系统探测能力。
所述锁相放大器为一个低噪声窄带放大器，其电路主要包括滤波器、相移器、检波器等，原理框图见图9。
锁相放大器为成熟技术，可选用相关仪器，本发明需要达到的技术指标包括：
1)工作频率：f0＝500Hz～120kHz；
2)输入模式：单端输入或差分输入；
3)带宽：10％(f0×10％)；
4)共模抑制比：100dB＠1kHz；
5)满刻度灵敏度：10nV。
锁相放大器需要与调制扇配合使用，调制扇产生同步信号，将同步信号(参考信号)通过信号线引入到锁相放大器的不同接口。
数据采集处理及控制器采用高精度AD采集部件，主要实现AD采集功能、信号处理、数字信号输出、综合控制等功能。采集完成后，由软件完成辐射校正计算，并能够实现数据显示、打印等其它界面处理功能。
AD采集部件需要达到的指标如下：
1)其主要性能：
2)输入通道数：16通道(单端)，8通道(双端)；
3)转换精度：16位；
4)线性度：0.003％；
5)可编程增益：1、2、4、8、16、32、64、128；
6)系统测量精度：0.01％；
7)DI和DO：8路，TTL兼容；
8)工作温度：－40℃～+85℃。
本发明选择CP－3000数据采集分析部件，集成AD采集、锁相放大、数字信号输出等功能，并具有运算处理功能，可满足以上技术指标，能够满足系统需求。
所述的通信接口一般为串口通信，包括RS232、RS485或者网口等，实现通信。
所述的计算机及软件，其中计算机选择普通计算机即可，软件为自行编制的软件，功能如下：
软件是辐射计的重要组成部分，负责辐射计硬件系统与下位机的控制和正常运行，上层软件将采用人机交互界面通过LabView或VB/VC++等语言编写，可以在Windows7 32位操作系统下编译运行，主要功能包括辐射计输出信号的采集、处理、传输和显示，内标定源温度控制、显示以及仪器的自校准动作执行等，另外还负责与下位机进行数据通讯。上层软件与下位机之间通过RS422串口进行数据通信和传输，真空试验舱须预留专用接口，以保证辐射计在真空环境试验条件下与外界进行长距离数据通信的可靠性。下位机采用汇编语言编写，负责接收上层软件下达的数据采集指令并获取辐射计输出的经A/D转换后的数字量化信号值，而后通过串口传输给数据采集控制计算机。如图10所示。
在真空低温环境下，当需要探测的红外辐射十分微弱时，探测仪器的背景辐射主要来自仪器本身的光学系统和支撑结构，其灵敏度受到系统自身辐射的严重影响，为减少这一热噪声，必须冷却光学系统及支撑结构，只有把光学系统及其相关部件冷却到一定程度，才能有效地减少背景辐射，发挥背景极限探测器的作用，大大提高探测系统的灵敏度。在低温状态下，工作的光学系统面临一系列问题，涉及材料特性、光学元件单元及系统整机性能变化、光学元件变形、低温污染等。在低温环境下，由于环境温度的变化，使得光学材料的光学、结构参数发生相应的变化，从而引起系统性能的变化，因此如果不考虑温度因素所带来的影响，将严重影响系统的运行可靠性与性能指标。与可见光光学材料相比，红外光学材料具有很高的折射率温度变化系数，温度变化对系统性能的影响更严重，要保证光学系统能够在较宽的温度范围内稳定工作，必须消除温度变化引起的光学系统变化。
光学镜筒确保在真空低温环境条件下，光学系统中各镜片的准确定位，要对光学系统有足够的支撑与防护的作用，同时要能够与其它部件联接成为高刚度整体。
设计及装调要考虑低应力安装、消杂光、光学装校的工艺性、环境的适应性。
作为系统中的关键部件，光学镜头的结构及材料的选择直接关系到系统性能优劣。
由于锗具有高折射率、低色散、容易加工、有良好的机械强度且不吸潮等优点，因而在红外光学元件(包括透镜、窗口、滤光片等)中成为很有吸引力的材料，其中最常用的是作为红外光学中的透镜。光学级锗的主要物理性质如表8所示。
表8光学锗的典型性质
折射指数 4.045(3μm)；4.0153(5μm)；4.002(10.6μm)
折射率温度系数 2.68×10<sup>－4</sup>/℃(～10μm)
吸收系数 0.0047(3μm)；0.029(11μm)
热膨胀系数 5.7×10<sup>－6</sup>/℃(25℃)；6.45×10<sup>－6</sup>/℃(225℃)
热导率 0.59W/(cm·℃)
密度 5.3g/cm<sup>3</sup>
比热 0.31J/(g·℃)
硬度 6.25(莫氏)
杨氏模量 14.8×10<sup>－6</sup>磅/英寸<sup>2</sup>
锗作为红外光学元件有两个显著特点：
A)折射率高且随波长、温度变化小。这在光学上有两个好处：一是对某一焦距而言，材料的折射率高，则透镜的曲率小，这对加工工艺和减少畸变都有好处；二是折射率高，降低了透镜厚度变化的灵敏性；
B)吸收系数低。这是作透镜和窗口的基本要求。
镜筒采用高稳性、高比刚度与高强度的复合材料合金，使其与光学镜面热膨胀系数接近，避免镜头结构对镜片产生较大的温度应力，并减少热控的压力。同时通过对此镜筒合理的加工工艺，可以保证相机镜头在长期工作中最有良好的尺寸稳定，保持良好的成像质量。在上述技术措施的基础上，对调整好的光学系统中的镜片与联接件用光学胶强化联接，防止力学交变负载所造成的松动。光学镜头筒是安装光学镜片的支撑体，而光学镜面的安装情况、光学镜筒的材料和加工与最终成像质量有很大的关系。综合考虑后采用TZM钼作为镜筒材料，TZM钼的物理属性如表9所示。
表9 TZM钼物理性质
密度 10.224g/cm<sup>3</sup>
弹性模量 320
屈服强度 560～1150
热膨胀系数 5.3×10<sup>－6</sup>
热导率 126W/(cm·℃)
泊松比 0.3
鉴于苛刻的使用环境，首先需要选用热膨胀系数相近的镜体材料和镜筒材料，如上所述，镜体选用光学锗加工成形，镜筒材质选用TZM钼与之匹配，这样就能更容易做到光管组件径向的消热设计，也就是当组件在温度变化时由于透镜、镜座不同的径向膨胀或收缩而在光机元件内形成的应力减至最小。同时为了使得轴向设计做到无热化，需要通过柔性设计实现轴向透镜的固定。根据Roark提供的资料、反映轴向偏转Δ与总预载间关系的公式表示如下：
Δ＝(KA-KB)(P/t3) (2)
KA＝3(m2-1)[a4-b4-4a2b2ln(a/b)]/(4πm2EMa2)
Figure BDA0002000739980000241
P是总预载，t是法兰盘悬臂部分的厚度，a是悬臂部分最外侧的半径，b是最内侧的半径，m是法兰盘材料泊松比的倒数，EM是法兰盘材料的杨氏模量。法兰盘的柔量法兰盘的弹簧常数。利用该公式对系统设计进行验证，而后反复装调，直至系统达到要求。
在红外镜头的装调时需要确定像面位置，可使用长焦红外热像仪作为定焦工具，来更好地确定光机位置。
按照设计指标要求，红外辐射计能够在真空低温环境下(真空舱壁温度为77K)正常工作使用，同时也可以在普通实验室条件下(25℃)使用，这就要求系统中各部件均能对两个环境具有适应性，为了保证运动部件中驱动部分的使用温度范围，需要对系统中外标定源驱动机构、调制扇组件和瞄准系统进行必要的热控设计来满足系统工作要求。
热控设计采用主动热控和被动热控相结合的形式，根据测试环境的温度要求，模拟空间77K的温度，真空条件1×10－4Pa。主动热控采用分区加热片加热，加热片指标与标定源指标相同。
被动热控采用包覆多层隔热材料，通过电缆及连接器连接至真空罐外的电源上，通过调整电源的电压、电流保证其温度稳定，满足高、低温工况的使用要求。多层材料采用双面镀铝聚酯薄膜，薄膜之间采用网状织物作为间隔层，主要技术指标如下：
1)长度：0.1m～10m；
2)宽度：0.1m～1.2m；
3)层数：任意；
4)当量导热系数：10－4W/m·K。
瞄准系统为一台可见光相机，用于指定测试目标位置区域。由于红外光学系统的标称视场角为很小，因此，为了有一定的视场冗余，瞄准用CCD相机的视场角选择为2°，经过调研选型，最终选定维视图像公司的MV－130UC型相机，该相机性能指标如下：
1)视场角：2°；
2)分辨率：1280×1024；
3)传感器类型：CMOS，输出颜色为彩色；
4)帧频：10Hz；
5)接口：USB2.0；
6)尺寸：52mm×51mm×62mm。
由上述指标可以看出，该型相机分辨率高、体积小、输出色彩丰富，能够逼真显示被测区域的图像，非常适合本系统应用。
为了保证其在真空低温下稳定工作，需要对在其外部包覆多层隔热材料与加热片，通过主被动结合的方式，实现热控设计。
为了使其光轴能够与红外辐射计测试光轴一致，可以将其安装到红外镜头的镜筒上方且与红外辐射计光轴平行，来保证测试区域与CCD相机成像关系一致。这样做能更好的确定待测区域，通过带有十字丝的可见光相机所成图像方便操作者在真空舱外进行测试工作。
根据设计结果，确定信噪比分析的输入条件为：
辐射源：温度T＝200K，面积DS＝16mm(直径)，测量距离L＝1.0m。
光学系统：口径DO＝80mm(直径)，焦距f＝125mm(D/f＝1/1.56)，光学系统透过率TO＝0.8，根据物象关系，成像光斑尺寸为直径2mm，等于探测器尺寸。
探测器组件：探测器面积：直径＝2mm；D＊＝1011；调制频率f＝500Hz，带宽Δf＝50Hz。
光学系统输入辐射：根据Planck理论，3μm～5μm波段内，T＝200K黑体辐射输出辐射亮度为：LB＝0.0093W/(sr·m2)。
进入到光学入瞳内辐射通量H为：
Figure BDA0002000739980000261
将数据带入公式(4)，得：
H＝5.6×10－9W (5)
根据D＊定义，计算噪声等效光功率(NEP)为：
Figure BDA0002000739980000262
Figure BDA0002000739980000263
计算结果表明，入射到探测器上的辐射功率H＝5.6×10－9W远大于探测的噪声等效光功率NEP＝1.3×10－11W，两者比值：
Figure BDA0002000739980000264
结果表明，该辐射计可以满足真空低温环境下的辐射测量需求。
根据本发明总体指标，得到红外辐射计的技术指标如下：
1)工作波段：2μm～5μm；
2)测量参数：辐射温度、辐射亮度；
3)测量目标温度范围：200K～500K(辐射亮度测量范围按照测量目标温度范围对应的黑体产生的辐射亮度确定)；
4)标定方式：内标定和外标定；
5)测量不确定度：≤0.1K；
6)被测目标距离：1.5m至无穷远(1.5m处测量面积大小约为23.0mm～34.6mm)；
7)使用环境：能够在真空低温环境下使用，且对真空模拟环境舱无污染，同时可以在普通实验室条件下使用；
8)电气接口：电气接口通过真空舱电气法兰连接。
本发明辐射计测量方法如下：
外标定源113校准后表面光谱辐射亮度为已知数据，利用外标定源可以定标内定标辐射系统的温度、辐射亮度和辐射计的响应度。如图11所标，调制扇601放置到光学系统114成像位置处，对成像光斑调制，后置探测器组件112尽量靠近调制扇601处。调制扇被加热膜604包覆，温度传感器111实时采集内标定源的温度，并实时反馈给标定源控制器，标定源控制器控制内标定源的加热控制，当加热膜604加热后通过热辐射使得调制扇601温度上升。当调制扇601加热达到温度稳定后，在调制扇601的辐射下探测器组件112输出信号DNB
DNB＝LB×RD (1)
当调制扇离开探测器组件，外标定源辐射通过光学系统照明探测器组件时，探测器组件输出为
DNC＝TO×LC×RD (2)
式中，RD为探测器组件及后续电路总的辐射亮度响应度，LB为稳定后调制扇辐射亮度，LC为外标定源辐射亮度，TO为光学系统透过率。由于锁相放大器输出为公式(1)和(2)两者的差值(△DNC)，因此得到辐射计响应度Rr
△DNC＝DNC-DNB其中
DNC＝LC×Rr＝△DNC+DNB
Figure BDA0002000739980000281
改变外标定源工作温度，使之辐射亮度输出变为LC-1，LC-2…LC-n可以解出公式(3)中DNB或响应度Rr。
如果认为定标后的测试过程中光学系统透过率TO没有发生变化，若被测目标辐射亮度为Lt，辐射计响应输出用DNt表示，根据辐射响应关系：
由公式(3)式得：
DNt＝Lt×Rr (4)
由于锁相放大器输出为调制扇背景辐射与信号辐射信号的差值△DNt，即，
△DNt＝DNt-DNB， (5)
根据公式(3)、(4)和(5)，被测目标辐射亮度Lt
Figure BDA0002000739980000282
公式(6)为最终辐射定标校准计算方程。

Claims (13)

1.一种真空低温环境下应用的红外辐射计,其特征在于：包括外标定源、光学系统、内标定源和调制扇、红外探测器组件、锁相放大器、标定源控制器、数据采集处理及控制器；
所述内标定源、外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辐射光线；
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，用于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；
所述红外探测器组件自带前置放大器，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；
所述数据采集处理及控制器包括AD采集部件，完成锁相放大器输出信号的AD采集，经由计算机及软件处理，形成测量结果；
所述标定源控制器实现内标定源、外标定源的温度控制；
所述外标定源为方形面型黑体，包括辐射板(201)、加热制冷器件(202)、热平衡板(203)及散热器(204)，所述上述部件依次紧密接触，并通过支撑结构(205)紧固在一起；
所述内标定源包括调制扇(601)，通过电机(606)驱动；所述调制扇(601)由外壳包覆，所述外壳设置入射光路开口(607)，所述外壳的外层包括金属外壳(602)和隔热层(603)，所述外壳的内层为加热膜(604)。
2.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下应用的红外辐射计,其特征在于：所述光学系统采用单片非球面锗镜作为成像透镜。
3.根据权利要求2所述的一种真空低温环境下应用的红外辐射计,其特征在于：在所述透镜上镀2～5μm或8～12μm增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下应用的红外辐射计,其特征在于：所述外标定源为腔型黑体形式，在铜基辐射腔喷涂高发射率材料,腔长比大于6，发射率大于0.999；所述辐射板(201)采用微锥结构，喷涂碳纳米管材料涂层；所述辐射板(201)采用紫铜板制作，厚度为10mm以上；在所述辐射板(201)接触面上涂敷真空导热脂，使其与驱动器件保持充分接触；所述热平衡板(203)及散热器(204)采用硬铝材料制作。
5.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下应用的红外辐射计,其特征在于：所述加热制冷器件(202)为阻性加热片和半导体制冷器，所述加热片固化在云母片上与外标定源的辐射板(201)接触,所述半导体制冷器件位于加热片与热平衡板(203)之间。
6.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下应用的红外辐射计,其特征在于：所述外标定源还包括切换机构，所述切换机构采用真空步进电机驱动,所述真空步进电机中的运动部件润滑涂层采用固体润滑剂二硫化钼,所述润滑涂层形成方法，具体为：将所述二硫化钼粉末分散于有机粘合剂体系中，通过涂装工艺在运动部件的摩擦表面形成一层微米厚度的润滑涂层。
7.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下应用的红外辐射计,其特征在于：所述标定源控制器为两套，功能相同，分别用于内标定源、外标定源的温度控制，所述标定源控制器将温度传感器实时反馈的内标定源、外标定源温度实测值与设定值比较，输出控制信号，驱动功率输出器件输出功率，从而调节内标定源、外标定源加热及制冷器件的功率；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、外标定源自然散热功率与加热功率相等，使得内标定源、外标定源达到动态平衡，稳定在设定温度值。
8.根据权利要求7所述的一种真空低温环境下应用的红外辐射计,其特征在于：利用金属铟粉末作为封装材料，实现所述外标定源的温度传感器与辐射板(201)连接，包括如下步骤：
步骤1.将温度传感器与金属铟粉末同时放置在安装孔内；
步骤2.加热使金属铟粉末熔化，周期性晃动消除液态金属铟粉末内的气泡；
步骤3.多次重复添加金属铟粉末，直至金属铟粉末将对温度传感器与辐射板缝隙完全填充；
步骤4.采用真空密封防震胶对安装孔和温度传感器导线进行密封固定。
9.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下应用的红外辐射计,其特征在于：所述红外探测组件采用碲镉汞探测器。
10.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下应用的红外辐射计,其特征在于：所述光学系统镜体选用光学锗加工成形，镜筒材质选用TZM钼。
11.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下应用的红外辐射计,其特征在于：所述真空低温环境采用主动热控和被动热控相结合的形式，根据测试环境的温度要求，模拟空间77K的温度，真空条件1×10-4Pa，主动热控采用分区加热片加热；被动热控采用包覆多层隔热材料，通过调整电源的电压、电流保证其温度稳定。
12.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下应用的红外辐射计,其特征在于：还包括可见光相机，安装于光学系统的镜筒上方且与其光轴平行，视场角选择为2°。
13.基于权利要求1至12所述的任一种真空低温环境下应用的红外辐射计的测量方法,其特征在于：包括如下步骤：
步骤1.调制扇(601)放置到光学系统(114)成像位置处，后置探测器组件(112)尽量靠近调制扇(601)处；
步骤2.温度传感器(111)实时采集内标定源的温度，并实时反馈给标定源控制器,标定源控制器控制内标定源的加热控制，当加热膜(604)加热后通过热辐射使得调制扇(601)温度上升；当调制扇(601)加热达到温度稳定后，在调制扇(601)的辐射下探测器组件(112)输出信号DNB，
DNB＝LB×RD (1)
其中，RD为探测器组件及后续电路总的辐射亮度响应度，LB为稳定后调制扇辐射亮度；
步骤3.将调制扇(601)离开探测器组件(112)，外标定源(113)辐射通过光学系统(114)投设置探测器组件(112)，获得探测器组件(112)输出信号DNC为
DNC＝TO×LC×RD (2)
其中，LC为外标定源辐射亮度，TO为光学系统透过率，
锁相放大器输出DNC与DNB两者的差值ΔDNC，得到辐射计响应度Rr
ΔDNC＝DNC-DNB，
DNC＝LC×Rr＝ΔDNC+DNB
Figure FDA0002977525760000051
步骤4.改变外标定源(113)工作温度，使之辐射亮度输出变为LC-1，LC-2…LC-n，计算出调制扇(601)辐射下探测器组件(112)输出信号DNB或辐射计响应度Rr；
步骤5.获得被测目标辐射亮度Lt，具体为：
设定标后的测试过程中光学系统透过率TO没有发生变化，被测目标辐射亮度为Lt，辐射计响应输出为DNt，根据辐射响应关系：
由公式(3)式得：
DNt＝Lt×Rr (4)
锁相放大器输出为调制扇背景辐射与信号辐射信号的差值ΔDNt，即，
ΔDNt＝DNt-DNB，(5)
根据公式(3)、(4)和(5)，被测目标辐射亮度Lt为：
Figure FDA0002977525760000061
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