CN215375078U - 用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的装置 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的装置，包括第一制冷机组件、第二制冷机组件和冷箱组件，所述第一制冷机组件和第二制冷机组件分别与冷箱组件相接，所述冷箱组件内部设置有光谱仪组件，所述光谱仪组件包括第一光谱仪、第二光谱仪和第三光谱仪，所述第一制冷机组件通过一柔性冷链分别连通第一光谱仪和第二光谱仪，所述第二制冷机组件通过一柔性冷链连通第三光谱仪，所述冷箱组件上设置有窗口安装基座，所述第一光谱仪、第二光谱仪和第三光谱仪围绕窗口安装基座排布。本专利通过采用两级制冷的方式进行制冷，有效的避免制冷机开机时间长的问题，保证真空深低温制冷，有效实现中长波红外高光谱遥感器的背景辐射抑制。

Description

用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的装置

技术领域

本专利涉及红外探测器领域，尤其涉及一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的制冷装置。

背景技术

高光谱成像技术是80年代发展起来的遥感技术，与传统的光谱仪不同的是，高光谱成像技术是集成像与光谱于一体(图谱合一)，以纳米级高光谱分辨率，在获取目标二维空间图像信息的同时，同步获取目标的连续精细光谱信息，使空间遥感的探测能力大为提高。而相较于可见、近红外、短波红外，中长波红外(5.0μm～15μm)高光谱成像技术具有独特的优势，光谱覆盖范围达到了近万纳米，能够获取目标自身的热辐射精细光谱信息，不仅可以有效地识别地物的成分，还可以有效的区分地物的构造特征，获取地物的温度及发射率等参数信息，可广泛应用于陆地、大气、海洋等观测中。

但根据维恩位移定律，峰值波长在中长波红外谱段5.0～12.5μm范围内的等效黑体温度值在240～3-70K(-3-3℃～97℃)，这个温度范围包含了地球表面上绝大多数物体，即几乎所有物体都能辐射这个波段区间的能量，因此中长波红外高光谱成像仪受背景辐射杂散光影响严重，如果不采取任何背景辐射抑制的情况下，目标信号能量将完全淹没在高光谱成像仪自身的杂散辐射噪声中。因此对于长波红外光谱仪器来说，中长波高光谱成像仪的性能水平很大程度上取决于背景辐射的抑制水平。

由热辐射的基本理论可知，物体的温度对其热辐射能量影响很大，物体的辐射能量随着物体温度的下降成指数倍的减少，因此光机系统制冷是抑制背景辐射十分有效的手段。高光谱成像仪的背景辐射99％来自于后端的光谱仪，如果对后端的光谱仪或者探测器进行制冷，将从源头减少系统的背景辐射量。传统的光机系统制冷方法一般采用单一热传导式制冷方式，即采用一种可实现真空系统的冷箱或杜瓦装置，利用制冷机通过冷链或冷头对中长波光谱仪或中长波红外探测器进行冷量的输出，以达到中长波红外背景辐射抑制及探测器正常工作所需的温度条件等，该方法实施简单、容易实现，对后端单一对象制冷时不受系统内其他对象的影响，能够使系统的背景辐射量迅速减小。但采用这种方式同时也存在系统单次开机所需的时间较长、制冷的效率低、所需的功耗大、占用资源多等缺点。

红外探测作为当下重要的宇宙科学及遥感探测方式被广泛应用。然而，现有中长波红外探测装置较为单一，多为用于实现长波探测的系统装置，为更好的抑制背景辐射，一般采用制冷的方式进行对背景辐射的抑制，且现有技术一般采用单一热传导式制冷方式，即采用一种可实现真空系统的冷箱装置，利用制冷机通过冷链对长波光谱仪进行冷量的输出，以达到长波红外探测的温度条件等。该技术的优点为实施简单、容易实现，对单一对象制冷不用顾及系统内其他对象的影响，而这种方式的缺点为系统单次开机所需的时间较长、制冷的效率低、所需的功耗大、占用资源多等缺点。

发明内容

本专利要解决的技术问题是针对中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制传统方法采用的单一热传导式制冷方式存在的制冷装置的开机时长、提高制冷效率及降低功耗等问题，提出一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的制冷装置，采用两级制冷，避免制冷机开机时长的问题，进行真空深低温制冷，有效实现中长波红外高光谱遥感器的背景辐射抑制。

为实现上述目的，本专利提供如下技术方案：

一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的制冷装置,其包括第一制冷机组件、第二制冷机组件和冷箱，所述第一制冷机组件和第二制冷机组件分别与冷箱相接，所述冷箱内部设置有光谱仪组件，所述光谱仪组件包括第一光谱仪、第二光谱仪和第三光谱仪，所述第一制冷机组件通过一柔性冷链分别连通第一光谱仪和第二光谱仪，所述第二制冷机组件通过一柔性冷链连通第三光谱仪，所述冷箱上设置有窗口安装基座，所述第一光谱仪、第二光谱仪和第三光谱仪围绕窗口安装基座排布。来自自高光谱遥感主光学望远镜会聚的光经过窗口安装基座的分光转折镜结构分光后分别进入第一光谱仪、第二光谱仪、第三光谱仪，通过制冷气管和抽真空进行一级制冷，再通过制冷机组件通过柔性冷链进行二级制冷，并分别利用探测器组件获取相应的得到背景辐射抑制的目标探测信息。

进一步的，所述冷箱组件为可独立制冷的冷箱。

进一步的，所述冷箱组件包括冷箱箱体、冷箱盖板、冷箱支撑架、第一柔性链和第二柔性链，所述第一柔性链连通第一制冷机组件及第一光谱仪和第二光谱仪，所述第二柔性链连通第二制冷机组件及第三光谱仪，所述冷箱盖板盖设在冷箱箱体上，所述光谱仪组件固定在冷箱箱体的底座上，所述冷箱箱体的底部设置有冷箱支撑架。

进一步的，所述冷箱箱体侧边设置有第一抽真空接口和第二抽真空接口，所述第一抽真空接口和第二抽真空接口分开设置。

进一步的，所述冷箱盖板与冷箱箱体之间设置有密封圈。

进一步的，所述冷箱盖板的上表面设置有冷箱热管安装面，所述冷箱热管安装面的形状沿着正对第一光谱仪、第二光谱仪和第三光谱仪的排布位置设置。

进一步的，所述第一光谱仪、第二光谱仪和第三光谱仪的底部均设置有光谱仪支撑杯，所述第一光谱仪、第二光谱仪和第三光谱仪分别通过光谱仪支撑杯固定在冷箱的底座上。

进一步的，所述光谱仪支撑杯包括支撑杯主体、上贴片、上螺套、下压环、下贴片和辅助固定螺钉，所述上贴片和下贴片分别设置在支撑杯主体的上下端面，所述支撑杯主体呈中空圆台形，所述支撑杯主体的下端面四周设置有裙边，所述下压环设置在裙边上方，所述支撑杯主体的上端中心设置有上螺套，所述支撑杯主体的上端还设置有上辅助固定螺钉，所述上螺套通过螺丝固定光谱仪组件，所述支撑杯主体的下端的裙边通过下辅助固定螺钉与冷箱的底座固定连接。

进一步的，所述支撑杯主体为环氧玻璃钢材质的结构，所述支撑杯主体的内外表面设置有镀铝薄膜层。

进一步的，所述支撑杯主体的上部和支撑杯主体底部的裙边外均为殷钢钢丝结构。

与现有技术相比，本专利的有益效果是：

本专利利用制冷气管和抽真空进行一级制冷，再利用制冷机组件通过柔性冷链进行二级制冷，能有效的避免制冷机开机时长的问题，有效实现真空深低温制冷；在冷箱箱体上的窗口安装基座设有分光转折镜结构，并在冷箱里设置三台光谱仪，采用两条柔性冷链同时为三台光谱仪提供制冷，可同时实现中波、长波和甚长波波段红外光谱仪的背景辐射抑制，使得制冷效率大大提升，降低了制冷功耗；且在冷箱内部设置光谱仪支撑杯、采用“零”线性膨胀系数的特种殷钢材料制成冷箱以及再冷箱底部设置支撑架等多方面协同，保证冷箱内部从环境温度降低到所需深低温时装置材料放气少，冷箱内温度均匀、真空度高，各结构受温度变化引起的变形小、位移少，有效保障冷箱内部的制冷效果，为中长波红外高光谱遥感器光谱仪和探测器提供持续稳定的真空深低温环境，有效实现中长波红外高光谱遥感器背景辐射的抑制，为中长波红外高光谱遥感器高灵敏度、高精度探测提供必要的条件保障。

附图说明

图1为本专利装置的轴测示意图；

图2为本专利装置的光谱仪位置示意图；

图3为本专利装置的冷箱示意图；

图4为本专利装置的柔性冷链位置示意图；

图5为本专利装置的光谱仪支撑杯示意图；

图6为图5中A-A处的剖视图。

具体实施方式

下面将结合本专利实施例中的附图，对本专利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专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利保护的范围。

如图1-6所示，本具体实施方式披露了一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的制冷装置，包括第一制冷机组件1、第二制冷机组件2和冷箱组件3，第一制冷机组件1和第二制冷机组件2分别与冷箱组件3相接，冷箱组件3内部设置有光谱仪组件3-6，光谱仪组件3-6包括第一光谱仪3-6-1、第二光谱仪3-6-2和第三光谱仪3-6-3，第一制冷机组件1通过一柔性冷链分别连通第一光谱仪3-6-1和第二光谱仪3-6-2，第二制冷机组件2通过一柔性冷链连通第三光谱仪3-6-3，冷箱组件3上设置有窗口安装基座3-1-3，第一光谱仪3-6-1、第二光谱仪3-6-2和第三光谱仪3-6-3围绕窗口安装基座3-1-3排布。采用柔性冷链为热传导的传导介质，三个光谱仪采用两条柔性冷链，可行的，其中一条为中低温度(120K～160K)制冷，另一条为深低温度(90K～120K)制冷，两条冷链都具有柔性的功能，即利用冷链的柔性环节来抵消掉温度从常温至深低温时温度引起的热变形，较好的保证了常温到低温环境下系统的稳定性，采用柔性冷链进行制冷为本装置的二级制冷结构，冷箱组件3的制冷为一级制冷。来自自高光谱遥感主光学望远镜会聚的光经过窗口安装基座的分光转折镜结构分光后分别进入第一光谱仪、第二光谱仪、第三光谱仪，并分别利用探测器组件获取相应的得到背景辐射抑制的目标探测信息。

本专利提供的是一款用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的制冷装置，用于中长波光谱仪环境温度100K低温的实现，常用冷箱的布局形式而言主要可以分为单个光谱仪单个冷箱和三个光谱仪放在一个冷箱中。本专利采用一体化盖板配合箱体的结构形式，可以使得装置更加便于维修且适用方便，占用资源少。

冷箱组件3为可独立制冷的冷箱，冷箱盖板3-1上部设有安装热管的安装面及1处抽真空装置安装孔，此部分可实现系统内的一级制冷；光谱仪组件为真空深低温系统装置内存在的受冷对象，光谱仪组件包括第一光谱仪3-6-1、第二光谱仪3-6-2和第三光谱仪3-6-3三种，均采用“零”线性膨胀系数的特种殷钢材料制作而成。

冷箱组件3包括冷箱箱体3-1、冷箱盖板3-2、冷箱支撑架3-3、第一柔性链3-4和第二柔性链3-5，第一柔性链3-4连通第一制冷机组件1及第一光谱仪3-6-1和第二光谱仪3-6-2，第一柔性链3-4连通第三光谱仪3-6-3，冷箱盖板3-2盖设在冷箱箱体3-1上，光谱仪组件3-6固定在冷箱箱体3-1的底座上，冷箱箱体3-1的底部设置有冷箱支撑架3-3。冷箱箱体3-1和冷箱盖板3-2均采用“零”线性膨胀系数的特种殷钢材料制作而成，通过选取“零”膨胀系数的材料，极大的保证了系统内从常温环境降低到深低温环境后冷箱自身热胀冷缩时系统其它关联部件不受影响。冷箱箱体3-1为腔体结构，其底部设有7处用于支撑的安装孔，侧壁设有6处安装探测器、抽真空装置及制冷机的安装孔。冷箱箱体3-1侧边设置有第一抽真空接口3-1-1和第二抽真空接口3-1-2，第一抽真空接口3-1-1和第二抽真空接口3-1-2分开设置。第一抽真空接口3-1-1和第二抽真空接口3-1-2分别用于接抽真空装置，抽真空装置分为两个，一个主要用来实施抽真空，另一个在作为实施抽真空功能备份的同时并兼顾真空度检测的作用。

冷箱盖板3-2与冷箱箱体3-1之间设置有密封圈3-2-1，通过设置密封圈，从而确保装置的密封性，确保真空度，优选的，两者之间可以靠螺栓连接，其之间靠硅橡胶密形圈密封。

冷箱盖板3-2的上表面设置有冷箱热管安装面3-2-2，冷箱热管安装面3-2-2的形状沿着正对第一光谱仪3-6-1、第二光谱仪3-6-2和第三光谱仪3-6-3的排布位置设置。

第一光谱仪3-6-1、第二光谱仪3-6-2和第三光谱仪3-6-3的底部均设置有光谱仪支撑杯3-7，第一光谱仪3-6-1、第二光谱仪3-6-2和第三光谱仪3-6-3分别通过光谱仪支撑杯3-7固定在冷箱3的底座上。

光谱仪支撑杯3-7包括支撑杯主体3-7-0、上贴片3-7-1、上螺套3-7-2、下压环3-7-3下贴片3-7-4和辅助固定螺钉3-7-5，上贴片3-7-1和下贴片3-7-4分别设置在支撑杯主体3-7-0的上下端面，支撑杯主体3-7-0呈中空圆台形，支撑杯主体3-7-0的四周支撑面为薄壁支撑面，支撑杯主体3-7-0的下端面四周设置有裙边，下压环3-7-3设置在裙边上方，支撑杯主体3-7-0的上端中心设置有上螺套3-7-2，支撑杯主体3-7-0的上端还设置有上辅助固定螺钉3-7-5，上螺套3-7-2通过螺丝固定光谱仪组件3-6，支撑杯主体3-7-0的下端的裙边通过下辅助固定螺钉3-7-6与冷箱组件3的底座固定连接。光谱仪支撑杯3-7介于冷箱内底板与光谱仪底板间，其采用中空圆台形的结构，可以具有较高的强度，可以稳定地为光谱仪提供支撑。

支撑杯主体3-7-0为环氧玻璃钢材质的结构，支撑杯主体3-7-0的内外表面设置有镀铝薄膜层，通过设置镀铝薄膜层，可以有效的降低支撑杯的辐射漏热。可行的，支撑杯主体3-7-0采用薄壁结构，采用这种高热阻的材料及薄壁结构形式，可极大的减少光谱仪漏热。支撑杯主体3-7-0的上部和支撑杯主体3-7-0底部的裙边外均为殷钢钢结构，采用殷钢钢结构可以极大的确保支撑的强度。

本专利采用一、二级制冷的方式进行，即采用热辐射及热传导的方式为系统内受冷对象制冷，先采用一级制冷的方式将冷箱制冷到273K左右，再使用二级制冷的方式将受冷对象制冷到所需的温度。本专利系统内所采用材料多为“零”线性膨胀系数的特种殷钢材料极大的减小了由温度引起的热变形及位移；本专利制冷效率高，通过对于冷链的调整可以适应不同的温度需求；本专利可利用狭小的空间同时为三台光谱仪制冷，利用率高、热量利用率高，分级制冷需求的制冷机的功耗同比降低很多。本专利制冷对象灵活，适用范围广，即可以对三个光谱仪同时制冷，也可以分开对其单独制冷，相对于传统的单独制冷形式，本专利有着所耗资源少、成本低、效率低、效果好的优点。

以上结合附图对本专利的实施方式作了详细说明，但本专利不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本专利原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本专利的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的装置，包括第一制冷机组件(1)、第二制冷机组件(2)和冷箱组件(3)，其特征在于，

所述第一制冷机组件(1)和第二制冷机组件(2)分别与冷箱组件(3)相接，所述冷箱组件(3)内部设置有光谱仪组件(3-6)；所述光谱仪组件(3-6)包括第一光谱仪(3-6-1)、第二光谱仪(3-6-2)和第三光谱仪(3-6-3)，所述第一制冷机组件(1)通过一柔性冷链分别连通第一光谱仪(3-6-1)和第二光谱仪(3-6-2)，所述第二制冷机组件(2)通过一柔性冷链连通第三光谱仪(3-6-3)，所述冷箱组件(3)上设置有窗口安装基座(3-1-3)，所述第一光谱仪(3-6-1)、第二光谱仪(3-6-2)和第三光谱仪(3-6-3)围绕窗口安装基座(3-1-3)排布。

2.根据权利要求1所述的一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的装置，其特征在于，所述冷箱组件(3)包括冷箱箱体(3-1)、冷箱盖板(3-2)、冷箱支撑架(3-3)、第一柔性链(3-4)和第二柔性链(3-5)，所述第一柔性链(3-4)连通第一制冷机组件(1)及第一光谱仪(3-6-1)和第二光谱仪(3-6-2)，所述第二柔性链(3-5)连通第三光谱仪(3-6-3)，所述冷箱盖板(3-2)盖设在冷箱箱体(3-1)上，所述光谱仪组件(3-6)通过光谱仪支撑杯(3-7)固定在冷箱箱体(3-1)的底座上，所述冷箱箱体(3-1)的底部设置有冷箱支撑架(3-3)。

3.根据权利要求2所述的一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的装置，其特征在于，所述冷箱箱体(3-1)侧边设置有第一抽真空接口(3-1-1)和第二抽真空接口(3-1-2)，所述第一抽真空接口(3-1-1)和第二抽真空接口(3-1-2)分开设置。

4.根据权利要求2所述的一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的装置，其特征在于，所述冷箱盖板(3-2)与冷箱箱体(3-1)之间设置有密封圈(3-2-1)。

5.根据权利要求2所述的一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的装置，其特征在于，所述冷箱盖板(3-2)的上表面设置有冷箱热管安装面(3-2-2)，所述冷箱热管安装面(3-2-2)的形状沿着正对第一光谱仪(3-6-1)、第二光谱仪(3-6-2)和第三光谱仪(3-6-3)的排布位置设置。

6.根据权利要求1所述的一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的装置，其特征在于，所述第一光谱仪(3-6-1)、第二光谱仪(3-6-2)和第三光谱仪(3-6-3)的底部均设置有光谱仪支撑杯(3-7)，所述第一光谱仪(3-6-1)、第二光谱仪(3-6-2)和第三光谱仪(3-6-3)分别通过光谱仪支撑杯(3-7)固定在冷箱组件(3)的底座上。

7.根据权利要求2或6所述的一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的装置，其特征在于，所述光谱仪支撑杯(3-7)包括支撑杯主体(3-7-0)、上贴片(3-7-1)、上螺套(3-7-2)、下压环(3-7-3)、下贴片(3-7-4)和辅助固定螺钉(3-7-5)，所述上贴片(3-7-1)和下贴片(3-7-4)分别设置在支撑杯主体(3-7-0)的上下端面，所述支撑杯主体(3-7-0)呈中空圆台形，所述支撑杯主体(3-7-0)的支撑面为薄壁支撑面，所述支撑杯主体(3-7-0)的下端面四周设置有裙边，所述下压环(3-7-3)设置在裙边上方，所述支撑杯主体(3-7-0)的上端中心设置有上螺套(3-7-2)，所述支撑杯主体(3-7-0)的上端还设置有上辅助固定螺钉(3-7-5)，所述上螺套(3-7-2)通过螺丝固定光谱仪组件(3-6)，所述支撑杯主体(3-7-0)的下端的裙边通过下辅助固定螺钉(3-7-6)与冷箱组件(3)的底座固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的装置，其特征在于，所述支撑杯主体(3-7-0)为环氧玻璃钢材质的结构，所述支撑杯主体(3-7-0)的内外表面设置有镀铝薄膜层。

9.根据权利要求7所述的一种用于中长波红外高光谱遥感器背景辐射抑制的装置，其特征在于，所述支撑杯主体(3-7-0)的上部和支撑杯主体(3-7-0)底部的裙边外均为殷钢结构。

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