CN114719970A - 一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪，包括色散单元、观测镜头、总控单元、温控单元、仪器壳体等。色散单元包含三个光谱模块，光谱范围覆盖可见‑短波红外波段，均固定于仪器壳体底面。本发明通过温控单元、加热器和外层保温结构对仪器壳体进行整体温控，防止出现因为平流层低温导致电路无法正常工作、机械结构形变、内部水汽凝结影响观测等问题；通过热电制冷器对色散单元进行精确温控，消除大范围温差对探测器测量稳定性的影响；通过在仪器壳体内部和色散单元内部分别布设温度传感器，实时测量壳体内部温度和色散单元内部温度，总控单元、热电制冷器、温控单元、加热器、温度传感器组成闭环控制系统，完成仪器的精密温控。
Description
技术领域
本发明属于光谱辐射度测量仪器领域，具体涉及一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪。
背景技术
在目前的场地定标方法中辐亮度基法的定标精度最高。辐亮度基法是将一台标定过的稳定辐射计搭载在场地上空一定高度的飞行平台上，在卫星经过场地时刻同时对场地成像，保证观测几何同卫星遥感器基本相同，得到场地上空飞机高度处的辐亮度。然后对飞行的高度至大气层顶的大气吸收和散射影响进行订正，得到大气层顶的辐亮度。飞行器飞行的高度一般在3000m以上，而大部分水汽和气溶胶集中在大气下部，因此所需的大气订正比在地面附近测量时要小得多。辐射计所在高度越高，大气订正越小。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪，以解决高精度光谱辐亮度参考辐射仪搭载于气球在平流层高空条件下进行飞行科学试验时的环境适应性问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪，包括色散单元、观测镜头、总控单元、温控单元和仪器壳体；其中，所述色散单元的光谱范围覆盖可见-短波红外波段，并固定于所述仪器壳体底面；所述观测镜头固定于所述色散单元前部；所述仪器壳体的底面贴合有加热器；所述色散单元的底面通过热电制冷器与所述仪器壳体的底面固定，其内部还设置有温度传感器；所述仪器壳体内部布设温度传感器；所述总控单元和温控单元分别用于所述高精度光谱辐亮度参考辐射仪的总控和温控的电路实现。
进一步地，所述色散单元包括三个光谱模块，三个光谱模块内部均布设温度传感器。
进一步地，所述观测镜头前端对准所述仪器壳体上的光学窗口，所述仪器外壳除所述光学窗口外包裹一层聚氨酯保温材料。
进一步地，所述三个光谱模块底面与所述热电制冷器的接触面、所述热电制冷器与仪器壳体底面的接触面均涂有导热硅脂；所述三个光谱模块的底面与所述仪器壳体的底面之间除去所述热电制冷器的空隙部分，采用低导热系数的聚甲醛隔热板，隔绝所述三个光谱模块的底面与仪器壳体的底面的热交换；所述三个光谱模块外侧的其余表面均采用聚氨酯保温材料与外界隔绝。
进一步地，所述仪器壳体在高空低温环境下通过所述加热器进行温控，设定阈值温度，在工作模式下低于所述阈值温度时利用所述加热器进行加热，高于所述阈值温度时停止加热。
进一步地，通过所述温控单元及所述仪器壳体的保温材料对所述仪器壳体进行整体温控。
进一步地，所述热电制冷器用于对所述色散单元进行精确温控，保障辐亮度的测量精度。
进一步地，所述仪器壳体内部和色散单元内部的温度传感器实时测量仪器壳体的内部温度和色散单元的内部温度，所述总控单元、热电制冷器、温控单元、加热器、温度传感器组成闭环控制系统，完成精密温控。
进一步地，所述高精度光谱辐亮度参考辐射仪通过转接板固定在高空气球的载荷舱上，其与所述转接板通过金属的螺钉进行固定，在所述螺钉底面和圆周安装聚酰亚胺隔热垫。
进一步地，所述加热器采用分布式设置，其与所述仪器壳体的贴合面设置导热硅脂。
本发明的优点是：
本发明通过温控单元、加热器和外层保温结构对仪器壳体进行整体温控，防止出现因为平流层低温(-50℃以下)导致电路无法正常工作、机械结构形变、内部水汽凝结影响观测等问题；通过热电制冷器对色散单元进行精确温控，消除大范围温差对探测器测量稳定性的影响；通过在仪器壳体内部和色散单元内部分别布设温度传感器，实时测量壳体内部温度和色散单元内部温度，主控单元、热电制冷器、温控单元、加热器、温度传感器组成闭环控制系统，完成仪器的精密温控。本发明通过设计对仪器整体温控和对色散单元精密温控的双重温控，实现高精度光谱辐亮度参考辐射仪的高稳定高精度观测。
附图说明
图1为本发明的高精度光谱辐亮度参考辐射仪俯视图；
图2为本发明的高精度光谱辐亮度参考辐射仪剖面图；
图3为本发明的高精度光谱辐亮度参考辐射仪剖面图；
图4为本发明的高精度光谱辐亮度参考辐射仪整机温控流程图；
图5为本发明的高精度光谱辐亮度参考辐射仪色散单元温控流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的高精度光谱辐亮度参考辐射仪包括总控单元1、色散单元2、温控单元4、加热器5、观测镜头6、仪器壳体3等。所述色散单元2包含三个光谱模块，光谱范围覆盖可见-短波红外波段，波长为400～2500nm。所述三个光谱模块均固定于所述仪器壳体3底面。所述观测镜头6固定于所述色散单元2前部，观测镜头6前端对准仪器壳体3上的光学窗口11。总控单元1和温控单元4分别用于所述高精度光谱辐亮度参考辐射仪总控单元和温控单元的电路实现。所述加热器5采用分布式设计，均匀贴合在仪器壳体3底面，贴合面涂导热硅脂，用于低温环境下对整机进行加热温控。
如图2所示，本发明的高精度光谱辐亮度参考辐射仪在高空低温环境下工作时，其整机外层除光学窗口11外包裹一层聚氨酯保温材料9，其导热系数低至0.02W/m·K。所述高精度光谱辐亮度参考辐射仪搭载于高空气球的载荷舱上，通过转接板10进行结构固定。所述高精度光谱辐亮度参考辐射仪与转接板10通过六颗螺钉13进行固定，为避免高精度光谱辐亮度参考辐射仪与转接板10通过金属的螺钉13进行热传导，在螺钉13底面和圆周安装聚酰亚胺隔热垫12。所述聚酰亚胺隔热垫12具有优越的机械性能、低膨胀系数和低导热系数。
如图3所示，色散单元2的三个光谱模块的底面均通过热电制冷器15与仪器壳体3底面固定。所述光谱模块底面与热电制冷器15的接触面、热电制冷器15与仪器壳体3底面的接触面均涂有导热硅脂，便于进行热传导。三个光谱模块的底面与仪器壳体3底面之间除去热电制冷器15的空隙部分，采用低导热系数的聚甲醛隔热板16，隔绝三个光谱模块底面与仪器壳体3底面的热交换。三个光谱模块外侧的其余表面均采用聚氨酯保温材料14与外界隔绝。此时色散单元2仅通过热电制冷器15与外界进行热交换，便于热电制冷器15对其进行精确温控。所述仪器壳体3内部布设温度传感器8，色散单元2的三个光谱模块内部也均布设温度传感器7。温度传感器8和7可实时测量仪器壳体3内部温度和色散单元2内部温度。总控单元1、热电制冷器15、温控单元4、加热器5、温度传感器8和7组成闭环控制系统，完成整机温控和色散单元2的精密温控。
如图4所示，本发明的高精度光谱辐亮度参考辐射仪的温控包括仪器壳体温控、色散单元温控、线阵探测器自身温控三部分。所述色散单元2内部还设置有线阵探测器，其为用于探测光谱信号的元器件。所述线阵探测器自带一级制冷。其中仪器壳体3在高空低温环境下通过加热器5和外层保温结构进行温控，设定阈值温度为15℃，工作模式下低于15℃时进行加热，高于15℃时停止加热，实现仪器壳体3内部±3℃的温控精度。
如图5所示，本发明的高精度光谱辐亮度参考辐射仪的色散单元2通过热电制冷器15进行精密温控。三个光谱模块的线阵探测器的工作温度分别为0℃、-10℃、-20℃，在仪器壳体3内部温度15℃左右的环境下，采用热电制冷器15进行精密温控。总控单元1、温控单元4、热电制冷器15、加热器5、温度传感器7和8构成一个闭环控制系统，实现色散单元2的线阵探测器优于±0.1℃的温控精度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪，其特征在于：包括色散单元、观测镜头、总控单元、温控单元和仪器壳体；其中，所述色散单元的光谱范围覆盖可见-短波红外波段，并固定于所述仪器壳体底面；所述观测镜头固定于所述色散单元前部；所述仪器壳体的底面贴合有加热器；所述色散单元的底面通过热电制冷器与所述仪器壳体的底面固定，其内部还设置有温度传感器；所述仪器壳体内部布设温度传感器；所述总控单元和温控单元分别用于所述高精度光谱辐亮度参考辐射仪的总控和温控的电路实现。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪，其特征在于：所述色散单元包括三个光谱模块，三个光谱模块内部均布设温度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪，其特征在于：所述观测镜头前端对准所述仪器壳体上的光学窗口，所述仪器外壳除所述光学窗口外包裹一层聚氨酯保温材料。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪，其特征在于：所述三个光谱模块底面与所述热电制冷器的接触面、所述热电制冷器与仪器壳体底面的接触面均涂有导热硅脂；所述三个光谱模块的底面与所述仪器壳体的底面之间除去所述热电制冷器的空隙部分，采用低导热系数的聚甲醛隔热板，隔绝所述三个光谱模块的底面与仪器壳体的底面的热交换；所述三个光谱模块外侧的其余表面均采用聚氨酯保温材料与外界隔绝。
5.根据权利要求1所述的一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪，其特征在于：所述仪器壳体在高空低温环境下通过所述加热器进行温控，设定阈值温度，在工作模式下低于所述阈值温度时利用所述加热器进行加热，高于所述阈值温度时停止加热。
6.根据权利要求3所述的一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪，其特征在于：通过所述温控单元及所述仪器壳体的保温材料对所述仪器壳体进行整体温控。
7.根据权利要求1所述的一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪，其特征在于：所述热电制冷器用于对所述色散单元进行精确温控，保障辐亮度的测量精度。
8.根据权利要求1所述的一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪，其特征在于：所述仪器壳体内部和色散单元内部的温度传感器实时测量仪器壳体的内部温度和色散单元的内部温度，所述总控单元、热电制冷器、温控单元、加热器、温度传感器组成闭环控制系统，完成精密温控。
9.根据权利要求1所述的一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪，其特征在于：所述高精度光谱辐亮度参考辐射仪通过转接板固定在高空气球的载荷舱上，其与所述转接板通过金属的螺钉进行固定，在所述螺钉底面和圆周安装聚酰亚胺隔热垫。
10.根据权利要求1所述的一种适用于高空低温环境的高精度光谱辐亮度参考辐射仪，其特征在于：所述加热器采用分布式设置，其与所述仪器壳体的贴合面设置导热硅脂。
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