CN113670453A - 一种真空低温环境用红外辐射计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种真空低温环境用红外辐射计，包括真空冷舱及舱内平台上按照光路传播方向依次设置的消杂光遮光罩、主镜、真空斩波器、视场光阑、次镜、制冷型红外探测器，待校准设备通过法兰安装在真空冷舱侧壁上对准消杂光遮光罩，制冷型红外探测器的杜瓦瓶瓶盖上设置进液氮管路和出氮气管路，分别与真空冷舱法兰盘上的进液氮管路和出氮气管路连通。本发明采用真空冷舱模拟真空低温环境，采用制冷型红外探测器探测超微弱红外辐射信号，能够测量200K～400K的超微弱宽温度范围红外辐射，可为红外载荷性能测试设备提供有效保障。

Description

一种真空低温环境用红外辐射计

技术领域

本发明属于红外辐射领域，具体涉及一种真空低温环境用红外辐射计。

背景技术

随着航天技术的发展，越来越多的红外载荷应用于空间探测，应用领域包括军事、地球遥感、海洋探测、高分对地观测等。辐射参数校准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。同时，辐射参数校准提升了侦查系统、遥感系统等红外载荷的数据应用效率。

红外载荷性能测试设备是红外载荷、红外导引头等光电探测系统的主要标定设备。红外载荷性能测试设备的稳定性和精确性，直接影响了红外载荷的技术指标和性能。随着红外载荷朝在轨深冷空间发展，探测的目标主要有地面建筑物、自然景观以及空间卫星、空间站等。这些目标的红外辐射能量非常微弱，为了探测微弱红外辐射，红外载荷性能测试设备工作环境需与在轨空间环境保持一致，在常温环境下微弱的目标信号会被环境噪声和系统自身热辐射所淹没，无法探测到目标信号，因此红外载荷性能测试设备也在朝着低温方向发展。

红外载荷性能测试设备在生产及出厂测试时，为了保证红外载荷性能测试设备的优良工作性能，需要对其进行温差校准，提高设备精度，为实现定量化探测精度，校准状态须与在轨校准状态一致，以保证校准的有效性。因此需要校准装置能够在真空低温环境下稳定可靠工作，保证红外辐射量值准确可靠，因此，急需建立一套真空低温环境用红外辐射计对低温红外载荷性能测试设备进行温差校准。

发明内容

本发明提供一种真空低温环境用红外辐射计，能够解决现有在轨空间红外载荷性能测试设备校准难题，可以实现200K～400K红外辐射探测，保证红外辐射量值准确可靠。

本发明解决上述问题采用的技术方案如下：

一种真空低温环境用红外辐射计，包括真空冷舱以及在所述真空冷舱内平台上按照光路传播方向依次设置的消杂光遮光罩、主镜、真空斩波器、视场光阑、次镜、制冷型红外探测器，待校准设备通过法兰安装在所述真空冷舱侧壁上对准消杂光遮光罩；所述制冷型红外探测器的杜瓦瓶瓶盖上设置进液氮管路和出氮气管路，分别与真空冷舱法兰盘上的进液氮管路和出氮气管路通过波纹管连通，所述进液氮管路直通杜瓦瓶底部探测器处。

进一步的，所述主镜、次镜组成的光学系统为格里高利两反射式，所述视场光阑设置在光学系统的一次像面处。

进一步的，所述真空斩波器外部采用多层隔热结构。

进一步的，所述主镜、次镜、真空冷舱平台上设置温度传感器。

进一步的，所述杜瓦瓶瓶盖与瓶体采用螺纹连接，所述出氮气管路、进液氮管路与瓶盖连接处、瓶盖与瓶体连接处、各管路与波纹管连接处均用缠绕生料带进行密封。

进一步的，所述制冷型红外探测器包括制冷型中波探测器和制冷型长波探测器，探测波段分别为3μm～5μm和8μm～12μm。

进一步的，所述真空冷舱外还设置有超微弱信号放大处理系统和计算机，所述超微弱信号放大处理系统采集制冷型红外探测器的光电信号处理后输出至计算机。

进一步的，所述超微弱信号放大处理系统包括前置放大器和锁相放大器，所述前置放大器用于目标信号放大，所述锁相放大器用于信号相干检测处理。

进一步的，所述主镜、次镜采用低膨胀系数的微晶玻璃材料，所述真空冷舱中机械结构均采用低膨胀系数的殷钢材料，所述进液氮管路、出氮气管路、瓶盖、波纹管均为不锈钢材料。

进一步的，所述主镜为离轴抛物镜，所述次镜为离轴椭球面镜，所述主镜、次镜组成的光学系统入瞳口径95mm，工作波段为3μm～5μm、8μm～12μm，焦距为400mm，视场角为1mrad；所述制冷型红外探测器光敏面为0.5mm×0.5mm。

本发明的有益效果：

本发明提出的真空低温环境用红外辐射计，采用真空冷舱模拟真空低温环境对红外载荷性能测试设备进行校准，采用制冷型红外探测器探测超微弱红外辐射信号，真空度可至10^-3Pa，工作温度可至100K，能够测量200K～400K的超微弱宽温度范围红外辐射，可为红外载荷性能测试设备提供有效保障。

本发明采用的制冷型红外探测器，具有响应时间短、灵敏度高、响应波长宽、受限背景噪声小的优点，可以遏制暗电流的产生，提高探测器的信噪比，有效提高超微弱信号探测性能，解决微弱信号容易被背景噪声淹没的问题。

本发明改进采用制冷型红外探测器的杜瓦瓶，液氮通过真空冷舱壁的法兰进液氮管进入探测器，杜瓦瓶溢出的氮气会通过真空舱壁的法兰出氮气管排出真空冷舱外，保证制冷型红外探测器在真空低温环境中长时间工作。

本发明光路传播中采用消杂光遮光罩、视场光阑有效抑制杂散辐射。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中真空低温环境用红外辐射计的结构示意图；

图2为本发明实施例中制冷型红外探测器杜瓦瓶结构示意图；

包括以下附图标记：

1主镜、2消杂光遮光罩、3真空斩波器、4视场光阑、5制冷型红外探测器、6次镜、7真空冷舱、8超微弱信号放大处理系统、9计算机、10待校准设备、51瓶体、52瓶盖、53进液氮管路、54出氮气管路、71法兰盘、72法兰盘进液氮管路、73法兰盘出氮气管路、74波纹管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式详细地描述本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供的真空低温环境用红外辐射计，包括主镜1、消杂光遮光罩2、真空斩波器3、视场光阑4、制冷型红外探测器5、次镜6、真空冷舱7、超微弱信号放大处理系统8、计算机9、待校准设备10，真空冷舱7内平台上按照光路传播方向依次设置消杂光遮光罩2、主镜1、真空斩波器3、视场光阑4、次镜6、制冷型红外探测器5，待校准设备10通过法兰安装在真空冷舱7侧壁上对准消杂光遮光罩2，超微弱信号放大处理系统8设置在真空冷舱7外，采集制冷型红外探测器5的光电信号处理后输出至计算机9。其中，主镜1、次镜6组成的光学系统用于将红外辐射会聚至制冷型红外探测器5；消杂光遮光罩2用于抑制外部杂散光进入红外辐射计；真空斩波器3用于调制光信号；视场光阑4用于抑制光学系统视场外的杂散辐射；制冷型红外探测器5用于探测超微弱红外辐射信号，将光信号转为电信号；真空冷舱7用于提供真空低温环境；超微弱信号放大处理系统8用于信号放大以及信号相干检测处理；计算机9用于数据采集、相关数据计算、显示输出处理结果等。

本实施例中，主镜1、次镜6组成的光学系统为离轴两反射式，具体为格里高利两反射式光学系统，将视场光阑4设置在光学系统的一次像面处，具有好的杂光消除效果。光学系统入瞳口径95mm；工作波段3μm～5μm，8μm～12μm；焦距400mm；视场角1mrad；主镜1为离轴抛物镜，次镜6为离轴椭球面镜；光学系统成像光斑直径在0.1mm时径向能量已经接近100％，能量集中度良好，光学系统不平行度小于3′。

为了保证主镜1、次镜6组成的光学系统在真空低温环境中所产生的变形量不会影响成像质量，整体光机结构中，光学镜片主镜1、次镜6采用低膨胀系数的微晶玻璃材料，光路中所有机械结构均采用低膨胀系数的殷钢36材料。本实施例中整体光机结构进行高低温环境仿真，如表1所示，镜片在110K、10^-3Pa条件下x轴、y轴、z轴三个方向上位移变化量均很小，不会对光学系统成像质量造成影响。

表1仿真分析后位移变化量结果

真空斩波器3为发热部件，外部采用多层隔热结构防止散热。

制冷型红外探测器5选用双波段探测器，分别为制冷型中波探测器和制冷型长波探测器，探测波段分别为3μm～5μm、8μm～12μm，光敏面为0.5mm×0.5mm。制冷型红外探测器5封装在杜瓦瓶中，采用液氮进行制冷，液氮注入杜瓦瓶对探测器进行制冷，探测器工作温度为液氮沸点77K。由于探测器需在注入液氮后才能正常工作，如果直接将灌满液氮的探测器放入真空冷舱内，在真空冷舱抽真空时，氮气会从探测器的进液氮口溢出导致真空度无法下降，并且注满液氮的探测器工作时间较短，真空冷舱制冷时间较长会导致在系统没有降温到仿真要求的温度点时，探测器中的液氮会全部消耗无法正常工作。

本发明中液氮需从真空冷舱7外注入至杜瓦瓶中为探测器制冷，杜瓦瓶挥发的氮气也需导出真空冷舱7，为了使制冷型红外探测器5正常工作并防止液氮在真空冷舱7中泄露，对杜瓦瓶进行改造。如图2所示，杜瓦瓶瓶盖52与瓶体51采用螺纹连接，瓶盖52上方设置进液氮管路53并直通杜瓦瓶底部探测器处，瓶盖52侧方设置出氮气管路54，杜瓦瓶的进液氮管路53和出氮气管路54与真空冷舱法兰盘71上的进液氮管路72和出氮气管路73分别通过波纹管74连通，各管路与波纹管采用螺纹连接。出氮气管路54、进液氮管路53与瓶盖52连接处、瓶盖52与瓶体51连接处、各管路与波纹管连接处均需缠好生料带，防止液氮、氮气泄露。杜瓦瓶的进液氮管路、出氮气管路、瓶盖均为不锈钢材料，波纹管也为不锈钢材料，在真空低温环境中不易变形损坏。改造后的杜瓦瓶，液氮通过真空冷舱壁的法兰进液氮管进入探测器，溢出的氮气由杜瓦瓶出氮气管通过真空舱壁的法兰出氮气管排出真空冷舱外，保证制冷型红外探测器在真空低温环境中长时间工作。对不同波段进行探测时，需要手动切换真空冷舱中的制冷型中、长波探测器。

为了准确控制真空冷舱7的环境温度，在主镜1、次镜6、真空冷舱平台上设置温度传感器，从舱外实时监测环境温度。另外，在使用时，已知待校准设备10的红外辐射性能，通过Tracepro软件对待校准设备10和真空低温环境用红外辐射计进行整体模拟，通过模拟系统各部件自发辐射及目标辐射，分析信噪比，获得校准时真空冷舱需要的环境温度。

超微弱信号放大处理系统8包括前置放大器和锁相放大器，前置放大器将目标信号放大，锁相放大器利用参考信号频率与输入信号频率相关、与噪声频率不相关进行信号相干检测处理，从噪声中提取有用信号。超微弱信号放大处理系统8通过分析处理目标红外辐射，抑制噪声。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种真空低温环境用红外辐射计，其特征在于，包括真空冷舱以及在所述真空冷舱内平台上按照光路传播方向依次设置的消杂光遮光罩、主镜、真空斩波器、视场光阑、次镜、制冷型红外探测器，待校准设备通过法兰安装在所述真空冷舱侧壁上对准消杂光遮光罩；所述制冷型红外探测器的杜瓦瓶瓶盖上设置进液氮管路和出氮气管路，分别与真空冷舱法兰盘上的进液氮管路和出氮气管路通过波纹管连通，所述进液氮管路直通杜瓦瓶底部探测器处。

2.如权利要求1所述的真空低温环境用红外辐射计，其特征在于，所述主镜、次镜组成的光学系统为格里高利两反射式，所述视场光阑设置在光学系统的一次像面处。

3.如权利要求1所述的真空低温环境用红外辐射计，其特征在于，所述真空斩波器外部采用多层隔热结构。

4.如权利要求1所述的真空低温环境用红外辐射计，其特征在于，所述主镜、次镜、真空冷舱平台上设置温度传感器。

5.如权利要求1所述的真空低温环境用红外辐射计，其特征在于，所述杜瓦瓶瓶盖与瓶体采用螺纹连接，所述出氮气管路、进液氮管路与瓶盖连接处、瓶盖与瓶体连接处、各管路与波纹管连接处均用缠绕生料带进行密封。

6.如权利要求1所述的真空低温环境用红外辐射计，其特征在于，所述制冷型红外探测器包括制冷型中波探测器和制冷型长波探测器，探测波段分别为3μm～5μm和8μm～12μm。

7.如权利要求1所述的真空低温环境用红外辐射计，其特征在于，所述真空冷舱外还设置有超微弱信号放大处理系统和计算机，所述超微弱信号放大处理系统采集制冷型红外探测器的光电信号处理后输出至计算机。

8.如权利要求7所述的真空低温环境用红外辐射计，其特征在于，所述超微弱信号放大处理系统包括前置放大器和锁相放大器，所述前置放大器用于目标信号放大，所述锁相放大器用于信号相干检测处理。

9.如权利要求1所述的真空低温环境用红外辐射计，其特征在于，所述主镜、次镜采用低膨胀系数的微晶玻璃材料，所述真空冷舱中机械结构均采用低膨胀系数的殷钢材料，所述进液氮管路、出氮气管路、瓶盖、波纹管均为不锈钢材料。

10.如权利要求1所述的真空低温环境用红外辐射计，其特征在于，所述主镜为离轴抛物镜，所述次镜为离轴椭球面镜，所述主镜、次镜组成的光学系统入瞳口径95mm，工作波段为3μm～5μm、8μm～12μm，焦距为400mm，视场角为1mrad；所述制冷型红外探测器光敏面为0.5mm×0.5mm。

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