CN112415489B - 一种星载固体隙标准具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种星载固体隙标准具，包括镜框、镜片、挡片、热敏电阻、加热片和滤光片，镜片包括平行设置的第一镜片、第二镜片和用于填充第一镜片、第二镜片之间固体隙的固体层，挡片通过胶粘的方式将镜片与镜框固定，热敏电阻和加热片用于调节标准具温度以改变标准具中心波长。本发明中信号光透过标准具镜片和滤光片，噪声光被标准具镜片和滤光片反射，从而实现信号光和噪声光的分离；通过改变标准具的温度可改变标准具的峰值波长，可实现在轨状态下标准具峰值波长和激光波长的匹配。本发明可实现带宽窄，≤40pm，峰值透过率高，≥80％，既满足系统信噪比需求，又保证信号光传输效率满足需求，同时保持标准具镜片的力学稳定性和热稳定性。

Description

一种星载固体隙标准具
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种星载固体隙标准具。
背景技术
星载气溶胶探测激光雷达工作过程中，其接收探测系统接收大气后向散射回波信号中含有大量太阳背景辐射，将降低激光雷达系统探测信噪比，影响数据的反演效果，激光雷达在白天的工作性能，需滤除回波信号中的太阳背景辐射。常用的滤波器件为干涉滤光片，干涉滤光片的带宽通常≥0.2nm，透过率小于0.6，国外有小于0.2nm带宽的滤光片，但对国内禁运。为了提高激光雷达探测系统的信噪比，通过星载固体隙标准具可实现40pm带宽的滤波，有效抑制太阳背景辐射。
发明内容
本发明是为了解决星载激光雷达在白天工作时，受太阳背景辐射导致系统探测信噪比下降的情况，提供一种星载固体隙标准具，实现对太阳背景噪声的抑制。本发明包括固体隙标准具镜片和滤光片，信号光透过标准具镜片和滤光片，噪声光被标准具镜片和滤光片反射，从而实现信号光和噪声光的分离；通过改变标准具的温度可改变标准具的峰值波长，可实现在轨状态下标准具峰值波长和激光波长的匹配；标准具镜片通过胶柱固定与挡片，镜片表面与挡片距离为0.2mm，保持标准具镜片的力学稳定性，减少标准具镜片的结构应力；标准具镜片材料的热膨胀系数与结构材料的热膨胀系数一致，保证标准具的热稳定性。
本发明提供一种星载固体隙标准具，包括镜框，设置在镜框内部的镜片，用于将镜片固定在镜框内部的挡片，设置在镜框外表面用于调节标准具温度的热敏电阻、加热片和设置在镜框内侧与镜片相邻的滤光片；
镜片包括平行设置的第一镜片、第二镜片和用于填充第一镜片、第二镜片之间固体隙的固体层；
镜片和滤光片用于将入射到标准具的信号光透过并将入射到标准具的噪声光反射；
热敏电阻和加热片用于调节标准具温度以改变标准具中心波长。
本发明所述的一种星载固体隙标准具，作为优选方式，挡片包括第一挡片和第二挡片，第一挡片通过胶粘的方式将镜片一侧与镜框固定，第二挡片通过胶粘的方式将镜片另一侧与镜框固定。
本发明所述的一种星载固体隙标准具，作为优选方式，第一镜片、第二镜片均为石英夹片，固体层为石英薄片。
本发明所述的一种星载固体隙标准具，作为优选方式，石英夹片直径为50.8mm、厚度为9.5mm，石英薄片直径为50.8mm、厚度为0.24mm。
本发明所述的一种星载固体隙标准具，作为优选方式，滤光片为532nm滤光片，滤光片口径为50.8mm、带宽为400pm、带外抑制OD6@500-1100nm。
本发明所述的一种星载固体隙标准具，作为优选方式，第一镜片与第一挡片之间、第二镜片与第二挡片之间均通过硅橡胶固定。
本发明所述的一种星载固体隙标准具，作为优选方式，第一挡片到第一镜片表面的距离为0.2mm，第二挡片到第二镜片表面的距离为0.2mm。
本发明所述的一种星载固体隙标准具，作为优选方式，镜框和挡片均为钛合金材料。
本发明所述的一种星载固体隙标准具，作为优选方式，热敏电阻和加热片将标准具的温度控制在20～50℃、温控精度≤0.5℃。
本发明所述的一种星载固体隙标准具，作为优选方式，标准具的全部材料都满足抗辐照需求，标准具可耐受正弦振动和随机振动。
标准具所选用镜片材料、膜系材料、结构材料、胶满足抗辐照需求，可耐受总剂量16krad(Si)。
星载固体隙标准具可耐受14G正弦振动和7Grms随机振动。
星载固体隙标准具带宽窄，≤40pm，噪声光仅40pm波长范围内透过标准具，保证信号光中噪声光的比例满足系统信噪比需求。
星载固体隙标准具峰值透过率高，≥80％，保证80％及以上能量的信号光透过星载固体隙标准具，保证信号光传输效率满足需求。
本发明具有以下优点：
(1)本发明中标准具镜片为固体隙标准具，镜框外贴有热敏电阻和加热片，可通过改变标准具的温度可改变标准具的峰值波长，可实现在轨状态下标准具峰值波长和激光波长的匹配；
(2)本发明中标准具镜片通过胶柱固定与挡片，镜片表面与挡片距离为0.2mm，保持标准具镜片的力学稳定性，减少标准具镜片的结构应力；
(3)本发明中标准具镜片材料的热膨胀系数与结构材料的热膨胀系数一致，保证标准具的热稳定性。
附图说明
图1为一种星载固体隙标准具第一示意图；
图2为一种星载固体隙标准具第二示意图；
图3为一种星载固体隙标准具镜片示意图；
图4为一种星载固体隙标准具实施例3透过率曲线图；
图5为一种星载固体隙标准具实施例3实际测试曲线图；
图6为一种星载固体隙标准具实施例3仿真曲线图。
附图标记：
1、镜框；2、镜片；21、第一镜片；22、第二镜片；23、固体层；3、挡片；31、第一挡片；32、第二挡片；4、热敏电阻；5、加热片；6、滤光片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1-3所示，一种星载固体隙标准具，包括镜框1，设置在镜框1内部的镜片2，用于将镜片2固定在镜框1内部的挡片3，设置在镜框1外表面用于调节标准具温度的热敏电阻4、加热片5和设置在镜框1内侧与镜片2相邻的滤光片6；
镜片2包括平行设置的第一镜片21、第二镜片22和用于填充第一镜片21、第二镜片22之间固体隙的固体层23；
镜片2和滤光片6用于将入射到标准具的信号光透过并将入射到标准具的噪声光反射；
热敏电阻4和加热片5用于调节标准具温度以改变标准具中心波长。
实施例2
如图1-3所示，一种星载固体隙标准具，包括镜框1，设置在镜框1内部的镜片2，用于将镜片2固定在镜框1内部的挡片3，设置在镜框1外表面用于调节标准具温度的热敏电阻4、加热片5和设置在镜框1内侧与镜片2相邻的滤光片6；
镜片2包括平行设置的第一镜片21、第二镜片22和用于填充第一镜片21、第二镜片22之间固体隙的固体层23；
镜片2和滤光片6用于将入射到标准具的信号光透过并将入射到标准具的噪声光反射；
热敏电阻4和加热片5用于调节标准具温度以改变标准具中心波长；
挡片3包括第一挡片31和第二挡片32，第一挡片31通过胶粘的方式将镜片2一侧与镜框1固定，第二挡片32通过胶粘的方式将镜片2另一侧与镜框1固定；
第一镜片21、第二镜片22均为石英夹片，固体层23为石英薄片；
第一镜片21与第一挡片31之间、第二镜片22与第二挡片32之间均通过硅橡胶固定。
实施例3
如图1-3所示，一种星载固体隙标准具，包括镜框1，设置在镜框1内部的镜片2，用于将镜片2固定在镜框1内部的挡片3，设置在镜框1外表面用于调节标准具温度的热敏电阻4、加热片5和设置在镜框1内侧与镜片2相邻的滤光片6；
镜片2包括平行设置的第一镜片21、第二镜片22和用于填充第一镜片21、第二镜片22之间固体隙的固体层23；
镜片2和滤光片6用于将入射到标准具的信号光透过并将入射到标准具的噪声光反射；
第一镜片21、第二镜片22均为石英夹片，固体层23为石英薄片；
石英夹片直径为50.8mm、厚度为9.5mm，石英薄片直径为50.8mm、厚度为0.24mm；
挡片3包括第一挡片31和第二挡片32，第一挡片31通过胶粘的方式将镜片2一侧与镜框1固定，第二挡片32通过胶粘的方式将镜片2另一侧与镜框1固定；
第一镜片21与第一挡片31之间、第二镜片22与第二挡片32之间均通过硅橡胶固定；
第一挡片31到第一镜片21表面的距离为0.2mm，第二挡片32到第二镜片22表面的距离为0.2mm；
镜框1和挡片3均为钛合金材料；
热敏电阻4和加热片5用于调节标准具温度以改变标准具中心波长；
热敏电阻4和加热片5将标准具的温度控制在20～50℃、温控精度≤0.5℃；
滤光片6为532nm滤光片，滤光片6口径为50.8mm、带宽为400pm、带外抑制OD6@500-1100nm；
标准具的全部材料都满足抗辐照需求，标准具可耐受正弦振动和随机振动。
实施例4
如图1-3所示，一种星载固体隙标准具，包括镜框1，设置在镜框1内部的镜片2，用于将镜片2固定在镜框1内部的挡片3，设置在镜框1外表面用于调节标准具温度的热敏电阻4、加热片5和设置在镜框1内侧与镜片2相邻的滤光片6；
镜片2包括平行设置的第一镜片21、第二镜片22和用于填充第一镜片21、第二镜片22之间固体隙的固体层23；
镜片2和滤光片6用于将入射到标准具的信号光透过并将入射到标准具的噪声光反射；
第一镜片21、第二镜片22均为石英夹片，固体层23为石英薄片；
石英夹片直径为50.8mm、厚度为9.5mm，石英薄片直径为50.8mm、厚度为0.24mm；
采用suprasil 311牌号的石英材料，具有较强的抗辐照能力，经过实际测试，其抗辐照能力优于85krad(Si)；
挡片3包括第一挡片31和第二挡片32，第一挡片31通过胶粘的方式将镜片2一侧与镜框1固定，第二挡片32通过胶粘的方式将镜片2另一侧与镜框1固定；
第一镜片21与第一挡片31之间、第二镜片22与第二挡片32之间均通过硅橡胶固定；
第一挡片31到第一镜片21表面的距离为0.2mm，第二挡片32到第二镜片22表面的距离为0.2mm；
镜框1和挡片3均为钛合金材料；
热敏电阻4和加热片5用于调节标准具温度以改变标准具中心波长；
热敏电阻4和加热片5将标准具的温度控制在20～50℃、温控精度≤0.5℃；
滤光片6为532nm滤光片，滤光片6口径为50.8mm、带宽为400pm、带外抑制OD6@500-1100nm；
标准具的全部材料都满足抗辐照需求，所选用镜片材料、膜系材料、结构材料、胶满足抗辐照需求，可耐受总剂量16krad(Si)；
标准具可耐受正弦振动和随机振动，可耐受14G正弦振动和7Grms随机振动
本实施例的设计方法及仿真和实际测试结果如下：
(1)石英夹片厚度下式计算获得：
其中，λ为工作波长、n为石英折射率、FSR为自由光谱范围。
工作波长为532nm，石英折射率为1.461，自由光谱范围为400pm，计算获得星载固体隙标准具石英夹片厚度0.24mm。
(2)星载固体隙标准具带宽由下式计算获得：
其中，FWHM为带宽、T为标准具石英夹片表面的透过率。
在自由光谱范围确定的情况下，带宽随标准具峰值透过率变化，峰值透过率越低，标准具带宽越窄。
标准具石英夹片表面的透过率为27％时，标准具的带宽优于40pm。
(3)星载固体隙标准具峰值透过率由下式计算获得：
其中，Tpk为标准具的峰值透过率，A为标准具光损耗。
根据测试，标准具的光损耗为0.0052，计算获得标准具理论的峰值透过率为0.96，＞0.8的设计要求。
(4)星载固体隙标准具的透过率曲线由下式给出：
仿真获得的标准具透过率曲线如图4所示，星载固体隙标准具实际测试曲线如图5所示，
星载固体隙标准具实际测试指标如下：
标准具带宽为33.5pm；
峰值透过率为80％；
自由光谱范围389nm；
石英夹片厚度为0.25mm。
(5)星载固体隙标准具为应力敏感器件，需隔离星载固体隙标准具的结构应力，在设计过程中，采用胶柱隔离星载固体隙标准具和结构之间的应力，通过控制胶柱的厚度以及均匀性保证星载固体隙标准具不存在局部形变。
(6)星载固体隙标准具具有中心波长调节能力，通过对星载固体隙标准具进行热设计，控制星载固体隙标准具的温度，可实现对中心波长改变，改变由下式给出：
其中，Δλ为波长的变化量，Δn为标准具镜片折射率随温度的变化量，为标准具镜片中薄片厚度变化量，
Δn＝β×ΔT
其中，ΔT为温度变化量，石英的温度折射率系数β＝10.1056×10-6/℃，ΔL＝d×α×ΔT
其中，石英的热膨胀系数α＝0.51×10-6/℃。
本实施例实现了标准具带宽窄，≤40pm，噪声光仅40pm波长范围内透过标准具，保证信号光中噪声光的比例满足系统信噪比需求；实现了峰值透过率高，≥80％，保证80％及以上能量的信号光透过星载固体隙标准具，保证信号光传输效率满足需求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种星载固体隙标准具，其特征在于：包括镜框(1)，设置在所述镜框(1)内部的镜片(2)，用于将所述镜片(2)固定在所述镜框(1)内部的挡片(3)，设置在所述镜框(1)外表面用于调节标准具温度的热敏电阻(4)、加热片(5)和设置在所述镜框(1)内侧与所述镜片(2)相邻的滤光片(6)；
所述镜片(2)包括平行设置的第一镜片(21)、第二镜片(22)和用于填充所述第一镜片(21)、第二镜片(22)之间固体隙的固体层(23)，所述第一镜片(21)、所述第二镜片(22)和所述固体层(23)的热膨胀系数相同；
所述镜片(2)和所述滤光片(6)用于将入射到标准具的信号光透过并将入射到所述标准具的噪声光反射；
所述热敏电阻(4)和所述加热片(5)用于调节所述标准具温度以改变所述标准具中心波长，如下式所示：
其中，λ为工作波长，Δλ为波长的变化量，n为镜片折射率，Δn为镜片折射率随温度的变化量，d为所述固体层(23)的厚度，Δd为所述固体层(23)的厚度变化量；
其中，Δn＝β×ΔT，ΔT为所述固体层(23)的温度变化量，β为所述固体层(23)的温度折射率系数。
2.根据权利要求1所述的一种星载固体隙标准具，其特征在于：所述挡片(3)包括第一挡片(31)和第二挡片(32)，所述第一挡片(31)通过胶粘的方式将所述镜片(2)一侧与所述镜框(1)固定，所述第二挡片(32)通过胶粘的方式将所述镜片(2)另一侧与所述镜框(1)固定。
3.根据权利要求1所述的一种星载固体隙标准具，其特征在于：所述第一镜片(21)、所述第二镜片(22)均为石英夹片，所述固体层(23)为石英薄片。
4.根据权利要求3所述的一种星载固体隙标准具，其特征在于：所述石英夹片直径为50.8mm、厚度为9.5mm，所述石英薄片直径为50.8mm、厚度为0.24mm。
5.根据权利要求1所述的一种星载固体隙标准具，其特征在于：所述滤光片(6)为532nm滤光片，所述滤光片(6)口径为50.8mm、带宽为400pm、带外抑制OD6@500-1100nm。
6.根据权利要求2所述的一种星载固体隙标准具，其特征在于：所述第一镜片(21)与所述第一挡片(31)之间、所述第二镜片(22)与所述第二挡片(32)之间均通过硅橡胶固定。
7.根据权利要求6所述的一种星载固体隙标准具，其特征在于：所述第一挡片(31)到所述第一镜片(21)表面的距离为0.2mm，所述第二挡片(32)到所述第二镜片(22)表面的距离为0.2mm。
8.根据权利要求1所述的一种星载固体隙标准具，其特征在于：所述镜框(1)和所述挡片(3)均为钛合金材料。
9.根据权利要求1所述的一种星载固体隙标准具，其特征在于：所述热敏电阻(4)和所述加热片(5)将所述标准具的温度控制在20～50℃、温控精度≤0.5℃。
10.根据权利要求1-9之一所述的一种星载固体隙标准具，其特征在于：所述标准具的全部材料都满足抗辐照需求，所述标准具可耐受正弦振动和随机振动。
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