CN112730298B - 一种用于ftir前端的小型反射式离轴遥测校准系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于FTIR前端的小型反射式离轴遥测校准系统，包括窗口片、第一离轴抛物面反射镜、平面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、第三离轴抛物面反射镜、黑体、FTIR光谱仪、竖直转盘轴承、镜筒、顶部盖子和水平转盘轴承。本发明采用离轴反射式望远光路，与FTIR遥测常用的卡式望远镜相比，不存在孔径遮拦、能量利用率更高，可有效提高被动遥测的检测限度；采用空间布局，仪器360°水平、60°俯仰扫描时，仅需要望远物镜进行旋转与俯仰，扫描灵活、速度快；FTIR光谱仪保持不动，测量稳定性更好；降低体积和重量，提高抗震性，更好地实用于车载、机载；望远光路与黑体校准光路分时进行，且采用的离轴式设计，均可有效提高被动遥测的能量利用率。
Description
技术领域
本发明属于光学痕量检测技术领域，具体涉及一种用于FTIR前端的小型反射式离轴遥测校准系统。
背景技术
傅里叶变换红外(FTIR)技术在有毒有害气体及化学战剂的监测中得到了广泛应用，它能够快速连续在线监测，以及对多组分气体的同时监测，逐渐成为大气环境中有毒有害气体及化学战剂监测的主要手段。被动遥感技术利用待测对象自身的发射或它对太阳光或月球光的吸收，来对待测组分进行定性或定量测定，因而该技术更具有可流动性、灵活性、快速易操作等优点。在FTIR被动遥感中测量的是目标物体的绝对辐射量值，而仪器显示的却是辐射量的相对值，这要求在仪器使用前和使用过程中进行辐射定标与校正，算出仪器最佳响应函数和辐射偏置量。
现有校准背景的黑体主要有外置黑体和仪器内置黑体，外置黑体在机载，车载运动过程中很难实现校准；而内置黑体校准时，黑体校准系统与望远系统的辐射均要进入FTIR光谱仪形成冲突，现有技术通常采用45°半透半反分束镜将两路辐射分开，但被动遥测辐射本就非常微弱，这种能量分束镜极大降低了后端FTIR光谱仪可探测到的光谱能量，影响痕量检测的检测限。
中国专利公开号为“CN107064006A”，专利名称为“大气红外检测设备红外发射装置及红外接收装置”中，发射与接收装置采用的是卡式望远镜，存在孔径遮栏，影响能量利用率，该装置的两轴转台实现红外检测设备的整体俯仰和左右扫摆，红外检测设备的运动将会对仪器测量稳定性产生较大的影响。因此，目前亟需一种校准系统，能够解决现有FTIR的前置望远光路、黑体校准光路的辐射均要进入FTIR光谱仪能量利用率较低的问题。
发明内容
本发明提出一种用于FTIR前端的小型反射式离轴遥测校准系统，能够在有FTIR的前置望远光路、黑体校准光路的辐射均要进入FTIR光谱仪时，提高能量利用率较低的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种用于FTIR前端的小型反射式离轴遥测校准系统，该系统包括窗口片、第一离轴抛物面反射镜、平面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、第三离轴抛物面反射镜、黑体和FTIR光谱仪。
其中窗口片、第一离轴抛物面反射镜、平面反射镜以及第二离轴抛物面反射镜顺次组合为望远光路；窗口片安装在第一离轴抛物面反射镜的前方，平面反射镜与离轴抛物面反射镜位于同一光轴上，为第一光轴；第二离轴抛物面反射镜与平面反射镜位于同一光轴上，为第二光轴；第一光轴与第二光轴垂直设置。
第三离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜组合为黑体校准光路；第三离轴抛物面反射镜设置在黑体上方，第二离轴抛物面反射镜和第三离轴抛物面反射镜安装在同一光轴上，为第三光轴；第三光轴与第二光轴垂直设置。
待测对象发出的辐射经过望远光路后，出射辐射进入FTIR光谱仪。
黑体发出的辐射经过黑体校准光路后，出射辐射进入FTIR光谱仪。
进一步的，系统还包括竖直转盘轴承、镜筒、顶部盖子和水平转盘轴承。
水平转盘轴承固定设置在水平面上。
竖直转盘轴承与镜筒通过框架相连，二者之间的连接部分为平面反射镜的安装空间。
顶部盖子覆盖竖直转盘轴承与镜筒之间的连接部分；竖直转盘轴承相对顶部盖子旋转，旋转角度-30°～+30°；顶部盖子的底部固定在水平转盘轴承上。
平面反射镜设置于平面反射镜的安装空间内，且平面反射镜通过支架与水平转盘轴承固定连接。
进一步的，FTIR光谱仪的波速为4000～400CM-1。
进一步的，窗口片的材料选用ZNSE。
进一步的，平面反射镜、第三离轴抛物面反射镜的反射面均镀金，折射率大于95％。
进一步的，第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、第三离轴抛物面反射镜的入射辐射与出射辐射的传播方向均偏转90°；第二离轴抛物面反射镜绕其反射面中心点进行旋转。
有益效果：
1、本发明采用离轴反射式望远光路，与FTIR遥测常用的卡式望远镜相比，不存在孔径遮拦、能量利用率更高，可有效提高被动遥测的检测限度。
2、本发明采用空间布局，仪器360°水平、60°俯仰扫描时，本系统仅需要望远物镜进行旋转与俯仰即可。扫描更加灵活、速度更快；FTIR光谱仪保持不动，测量稳定性更好。
3、本发明降低了体积和重量，提高了抗震性，能更好的实用于车载、机载。
4、本发明提出的装置的望远光路与黑体校准光路分时进行，且采用的离轴式设计不存在孔径遮拦，均可有效提高被动遥测的能量利用率。
附图说明
图1为FTIR前端的遥测校准系统光路示意图。
图2为本发明望远光路示意图。
图3为本发明黑体校准光路示意图。
图4为本发明提出的望远光路的扫描装置示意图。
图5为本发明FTIR前端的遥测校准系统光路仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
FTIR前端的遥测校准系统光路如图1所示。该系统包括窗口片1、第一离轴抛物面反射镜2、平面反射镜3、第二离轴抛物面反射镜4、第三离轴抛物面反射镜5、黑体6和FTIR光谱仪7。
其中窗口片1、第一离轴抛物面反射镜2、平面反射镜3以及第二离轴抛物面反射镜4顺次组合为望远光路；窗口片1安装在第一离轴抛物面反射镜2的前方，平面反射镜3与离轴抛物面反射镜2位于同一光轴上，为第一光轴；第二离轴抛物面反射镜4与平面反射镜3位于同一光轴上，为第二光轴；第一光轴与第二光轴垂直设置。
第三离轴抛物面反射镜5和第二离轴抛物面反射镜4组合为黑体校准光路；第三离轴抛物面反射镜5设置在黑体6上方，第二离轴抛物面反射镜4和第三离轴抛物面反射镜5安装在同一光轴上，为第三光轴；第三光轴与第二光轴垂直设置。
待测对象发出的辐射经过望远光路后，出射辐射进入FTIR光谱仪7；黑体6发出的辐射经过黑体校准光路后，出射辐射进入FTIR光谱仪7。
本发明实施例中，系统还包括竖直转盘轴承8、镜筒9、顶部盖子10和水平转盘轴承11；水平转盘轴承11固定设置在水平面上；竖直转盘轴承8与镜筒9通过框架相连，二者之间的连接部分为平面反射镜3的安装空间；顶部盖子10覆盖竖直转盘轴承8与镜筒9之间的连接部分；竖直转盘轴承8相对顶部盖子10旋转，旋转角度-30°～+30°；顶部盖子10的底部固定在水平转盘轴承11上；平面反射镜3设置于平面反射镜3的安装空间内，且平面反射镜3通过支架与水平转盘轴承11固定连接。
如图2所示，望远光路为空间结构，望远系统包括窗口片1、第一离轴抛物面反射镜2、平面反射镜3、第二离轴抛物面反射镜4和FTIR光谱仪7。
窗口片1、第一离轴抛物面反射镜2、平面反射镜3以及第二离轴抛物面反射镜4顺次组合为望远光路；窗口片1安装在第一离轴抛物面反射镜2的前方，平面反射镜3与离轴抛物面反射镜2位于同一光轴上，为第一光轴；第二离轴抛物面反射镜4与平面反射镜3位于同一光轴上，为第二光轴；第一光轴与第二光轴垂直设置。
第一离轴抛物面反射镜2为望远物镜，第二离轴抛物面反射镜4为望远目镜，平面反射镜3仅用来改变光路传播方向，将平面结构转变为空间结构。设第二离轴抛物面反射镜4的反射焦距为R，若望远光路的放大倍率为N，则第一离轴抛物面反射镜2的反射焦距为N×R，则望远光路的总长应不小于(N+1)×R，平面反射镜3将光路传播方向改变后，望远光路的总长由竖直与水平两个方向共同承担，有效降低了仪器的高度。水平方向承担的总长为仪器降低的高度，即第一离轴抛物面反射镜2与平面反射镜3的反射面中心点距离。
FTIR在进行痕量检测前，为保证测量精度，需要对背景进行校准。如图2所示，待测对象发出的辐射经窗口片1、第一离轴抛物面反射镜2、平面反射镜3、第二离轴抛物面反射镜4后，进入FTIR光谱仪7，反演计算MCT探测器上接收到的辐射信号，得到待测对象的辐射温度T0。
如图3所示，黑体校准光路包括第二离轴抛物面反射镜4、第三离轴抛物面反射镜5、黑体6和FTIR光谱仪7。
第三离轴抛物面反射镜5和第二离轴抛物面反射镜4组合为黑体校准光路；第三离轴抛物面反射镜5设置在黑体6上方，第二离轴抛物面反射镜4和第三离轴抛物面反射镜5安装在同一光轴上，为第三光轴；第三光轴与第二光轴垂直设置。
将第二离轴抛物面反射镜4绕其反射面中心旋转至其焦点与第三离轴抛物面反射镜5的焦点位置重合，此时，黑体6发出的辐射经过第三离轴抛物面反射镜5、第二离轴抛物面反射镜4后，进入FTIR光谱仪7；调节黑体6的温度分别为T1＜T0、T2＞T0，得到T1、T2温度下的辐射信号，从而计算出不同波长下背景的温度系数k(v)与偏置量b(v)，得到背景的基线函数L(v)＝k(v)T+b(v)，对FTIR仪器进行背景校准。如图2所示，将第二离轴抛物面反射镜4绕其反射面中心旋转至其焦点与第一离轴抛物面反射镜2的焦点位置重合，此时，可以对远距离待测对象进行痕量检测，待测对象发出的辐射经窗口片1、第一离轴抛物面反射镜2、平面反射镜3、第二离轴抛物面反射镜4后，进入FTIR光谱仪7，从而得到光谱信息，分析出待测对象的成分与浓度。
用于望远光路的扫描装置如图4所示，该装置包括窗口片1、第一离轴抛物面反射镜2、平面反射镜3、竖直转盘轴承8、镜筒9、顶部盖子10和水平转盘轴承11。
如图4所示，扫描装置包括窗口片1、第一离轴抛物面反射镜2、平面反射镜3、竖直转盘轴承8、镜筒9、顶部盖子10和水平转盘轴承11。
水平转盘轴承11固定设置在水平面上；竖直转盘轴承8与镜筒9通过框架相连，二者之间的连接部分为平面反射镜3的安装空间；顶部盖子10覆盖竖直转盘轴承8与镜筒9之间的连接部分；竖直转盘轴承8相对顶部盖子10旋转，旋转角度-30°～+30°；顶部盖子10的底部固定在水平转盘轴承11上；平面反射镜3设置于平面反射镜3的安装空间内，且平面反射镜3通过支架与水平转盘轴承11固定连接。
水平方向上，水平转盘轴承11旋转，带动顶部帽子10，从而带动镜筒9在水平方向进行360°扫描，窗口片1、第一离轴抛物面反射镜2、平面反射镜3的相对位置不发生改变，则平面反射镜3向下的反射辐射可以被正常接收。竖直方向上，竖直转盘轴承8旋转，带动镜筒9在竖直方向进行俯仰扫描，窗口片1、第一离轴抛物面反射镜2绕竖直转盘轴承8的中心轴旋转，第一离轴抛物面反射镜2的出射辐射轴与竖直转盘轴承8的中心轴重合，则俯仰前后入射至平面反射镜3的辐射相当于绕辐射轴进行旋转，绕辐射轴旋转并不会影响后面辐射的传播方向，则平面反射镜3向下的反射辐射可以被正常接收。
本发明实施例中，待测对象发出的辐射经过窗口片1、第一离轴抛物面反射镜2、平面反射镜3、第二离轴抛物面反射镜4组成的望远光路，出射辐射进入FTIR光谱仪7；黑体发出的辐射经过第三离轴抛物面反射镜5、第二离轴抛物面反射镜4组成的黑体校准光路，出射辐射进入FTIR光谱仪7。本发明实施例中，黑体为泰安德美机电定制的DY-HT50-FT，辐射温度范围为-15～60°，辐射面直径为50mm。
本发明实施例中，所有离轴抛物面反射镜的偏心量等于其对应的中心曲率，则入射至离轴抛物面反射镜的辐射偏转90°后从离轴抛物面反射镜出射。若后端FTIR光谱仪7的入瞳为25mm，由光瞳对接原则可知，前端望远光路与黑体校准光路的出瞳为25mm，已知黑体辐射面直径50mm，得到黑体校准光路的放大倍率应为2倍。考虑到FTIR光谱仪能承受的最大视场，望远光路的放大倍率应不超过3倍，以3倍进行描述。
望远光路的放大倍率为3，黑体校准光路的放大倍率为2，两者共用第二离轴抛物面反射镜4，仿真取第二离轴抛物面反射镜4的中心曲率为60mm，则第一离轴抛物面反射镜2、第三离轴抛物面反射镜5对应的中心曲率分别为120mm、180mm。
现有3倍放大倍率的望远光路，待测对象发出的辐射经过窗口片1、第一离轴抛物面反射镜2、平面反射镜3、第二离轴抛物面反射镜4，出射辐射进入FTIR光谱仪7的入瞳。由光路可逆原则，对望远光路进行反向仿真，如图5所示，出射辐射能量分布均匀，，，。在没有轴外视场时，辐射光束平行度很好，仿真结果完全平行。辐射光束的平行度随着轴外视场的增大而逐渐变差。由于本发明采用的望远系统视场大小仅10mrad，辐射光束的平行度稍微变差对定性定量分析的影响可以忽略。
现有2倍放大倍率的黑体校准光路，黑体6发出的辐射经过第三离轴抛物面反射镜5、第四离轴抛物面反射镜4，出射辐射进入FTIR光谱仪7的入瞳。由光路可逆原则，对黑体校准光路进行反向仿真，如图5所示，出射辐射能量分布均匀，由于黑体校准光路不存在轴外视场，辐射光束的平行度很好，仿真结果完全平行。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于FTIR前端的小型反射式离轴遥测校准系统，其特征在于，该系统包括窗口片(1)、第一离轴抛物面反射镜(2)、平面反射镜(3)、第二离轴抛物面反射镜(4)、第三离轴抛物面反射镜(5)、黑体(6)和FTIR光谱仪(7)；
其中窗口片(1)、第一离轴抛物面反射镜(2)、平面反射镜(3)以及第二离轴抛物面反射镜(4)顺次组合为望远光路；所述窗口片(1)安装在所述第一离轴抛物面反射镜(2)的前方，平面反射镜(3)与所述离轴抛物面反射镜(2)位于同一光轴上，为第一光轴；第二离轴抛物面反射镜(4)与平面反射镜(3)位于同一光轴上，为第二光轴；第一光轴与第二光轴垂直设置；
第三离轴抛物面反射镜(5)和第二离轴抛物面反射镜(4)组合为黑体校准光路；第三离轴抛物面反射镜(5)设置在黑体(6)上方，所述第二离轴抛物面反射镜(4)和所述第三离轴抛物面反射镜(5)安装在同一光轴上，为第三光轴；第三光轴与第二光轴垂直设置；
待测对象发出的辐射经过望远光路后，出射辐射进入FTIR光谱仪(7)；
黑体(6)发出的辐射经过黑体校准光路后，出射辐射进入FTIR光谱仪(7)；
所述望远光路的总长分为竖直和水平两部分：所述第一离轴抛物面反射镜(2)与所述平面反射镜(3)的反射面中心点距离为水平部分，所述第二离轴抛物面反射镜与所述平面反射镜(3)的反射面中心点距离为竖直部分；
所述系统还包括扫描装置，所述扫描装置包括窗口片(1)、第一离轴抛物面反射镜(2)、平面反射镜(3)、竖直转盘轴承(8)、镜筒(9)、顶部盖子(10)和水平转盘轴承(11)；
水平转盘轴承(11)固定设置在水平面上；
所述竖直转盘轴承(8)与镜筒(9)通过框架相连，二者之间的连接部分为平面反射镜(3)的安装空间；
所述顶部盖子(10)覆盖竖直转盘轴承(8)与镜筒(9)之间的连接部分；所述竖直转盘轴承(8)相对顶部盖子(10)旋转，旋转角度-30°～+30°；所述顶部盖子(10)的底部固定在所述水平转盘轴承(11)上；
所述平面反射镜(3)设置于平面反射镜(3)的安装空间内，且平面反射镜(3)通过支架与所述水平转盘轴承(11)固定连接。
2.如权利要求1所述的一种用于FTIR前端的小型反射式离轴遥测校准系统，其特征在于，所述FTIR光谱仪(7)的波速为4000～400CM-1。
3.如权利要求1所述的一种用于FTIR前端的小型反射式离轴遥测校准系统，其特征在于，所述窗口片(1)的材料选用ZNSE。
4.如权利要求1所述的一种用于FTIR前端的小型反射式离轴遥测校准系统，其特征在于，所述平面反射镜(3)、第三离轴抛物面反射镜(5)的反射面均镀金，折射率大于95％。
5.如权利要求1所述的一种用于FTIR前端的小型反射式离轴遥测校准系统，其特征在于，所述第一离轴抛物面反射镜(2)、第二离轴抛物面反射镜(4)、第三离轴抛物面反射镜(5)的入射辐射与出射辐射的传播方向均偏转90°；所述第二离轴抛物面反射镜(4)绕其反射面中心点进行旋转。
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