RU219752U1 - Инфракрасный вакуумный радиометр - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к инфракрасной (ИК) оптической термометрии и может быть использована для контроля оптических характеристик поверхности источников излучения, использующихся в свою очередь для контроля оптико-электронной аппаратуры аэрокосмического или космического применения в условиях вакуума и низкофонового излучения.

Инфракрасный вакуумный радиометр содержит приемный канал с объективом, опорный канал с формирователем опорного излучения, приемник с системой охлаждения и вращающийся модулятор с отражающим покрытием, выполненный с возможностью попеременного направления на приемник излучения из приемного и опорного каналов. Радиометр снабжен подвижной платформой с фокусирующим зеркалом, выполненной с возможностью попеременного перекрытия и освобождения приемного канала. Формирователь опорного излучения выполнен в виде аналогичного фокусирующего зеркала, обеспечивающего возможность направления на приемник излучения от него самого.

Полезная модель позволяет повысить точность проводимых измерений мощности излучения от анализируемого источника за счет уменьшения опорного уровня излучения и исключения влияния на сигнал неконтролируемой мощности рассеянного излучения от объектива и поверхности модулятора. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к инфракрасной (ИК) оптической термометрии, и может быть использована для контроля оптических характеристик поверхности источников излучения, использующихся в свою очередь для контроля оптико-электронной аппаратуры аэрокосмического или космического применения в условиях вакуума и низкофонового излучения.

Из уровня техники известен модуляционный радиометр инфракрасного излучения, включающий сигнальный и опорный каналы, каждый из которых содержит оптическую систему и оптоэлектронный преобразователь, а также оптически связанный с сигнальным и опорным каналами модулятор излучения и соединенный с выходами каналов микропроцессор, определяющий разности мощностей тепловых излучений в сигнальном и опорном каналах (см. патент RU2345333, кл. G01J 5/00, опубл. 27.01.2009). Известный радиометр снабжен источником опорного излучения и блоком суммирования, модулятор установлен перед оптической системой, источник опорного излучения оптически связан с опорным каналом, а выход микропроцессора подключен к первому входу блока суммирования, второй вход которого соединен с опорным источником излучения. Недостатками известного устройства являются сложность изготовления источника опорного излучения и недостаточно высокая точность воспроизведения его интенсивности.

Из уровня техники известен оптический радиометр, содержащий оптический блок на основе секторного дискового модулятора, приемник излучения, а также блок усиления, синхронного детектирования и регистрации импульсных сигналов (см. патент RU138046, кл. G01J 5/00, опубл. 27.02.2014). В известном устройстве дисковый модулятор содержит прозрачный, зеркальный и черненый секторы, обеспечивающие поочередное пропускание измеряемого излучения, отражение излучения опорного излучателя и поступление в приемник излучений дополнительного излучения, формирующегося с обратной стороны черненого сектора в результате попадания на него измеряемого излучения, для компенсации изменения температуры внутри корпуса радиометра. Основным недостатком известного устройства является недостаточно высокая точность воспроизведения опорного излучения.

Для решения задачи высокоточного метрологического обеспечения непереносной оптико-электронной аппаратуры или аппаратуры дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), радиометр должен работать в вакууме и быть переносным. Для обеспечения максимальной обнаружительной способности чувствительным элементом такого радиометра должен быть полупроводниковый охлаждаемый приемник на машине Стерлинга. Поскольку эти приемники работают на переменном сигнале, то излучение, падающее на приемник во время закрытой фазы должно быть максимально низким для обеспечения минимальной погрешности измерений. Оптимальное решение при разработке такого рода радиометра - это использование жидкого азота для формирования опорного уровня излучения. Но это не всегда возможно, поскольку радиометр должен быть переносным.

Из уровня техники известен спектрорадиометр, в котором излучение от калибруемой модели черного тела попадает на сдвоенный ИК приемник на машине Стирлинга и прерывается с помощью зеркального модулятора, посылая на вход приемника во время закрытой фазы излучение от модели черного тела при температуре жидкого азота (см. VNIIOFI Spectroradiometer Based On Circular Variable Filter For The Spectral Range From 2.5 μm Upto 14 μm. Proceedings of the 8th Temperature Symposium, October 21-24, 2002, Volume 7). Недостатком известного устройства является то, что оно может работать только в качестве компаратора и не может быть использовано в качестве эталонного переносного радиометра или спектрорадиометра, поскольку является стационарным спектрорадиометром и неотъемлемой частью конкретной установки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является инфракрасный вакуумный радиометр, содержащий приемный канал с объективом, опорный канал с формирователем опорного излучения, приемник с системой охлаждения и вращающийся модулятор с золотым отражающим покрытием, выполненный с возможностью попеременного направления на приемник излучения из приемного и опорного каналов, позволяющий проводить измерения относительной спектральной или интегральной яркости вдоль всей излучающей поверхности широкоапертурной модели черного тела в пределах спектрального диапазона от 1.0 до 20 мкм. (см. Facility for measuring the spatial uniformity of the radiant power of the surface of wide-aperture blackbody / S.P. Morozova and etc., Int Thermophys, 2017). Оптическая система такого радиометра со стороны входа излучения включает в себя диафрагму поля зрения, ИК фильтр (в случае необходимости), фокусирующий ИК объектив из BaF₂ и внутреннее термостатированное черное тело, стабилизированного при температуре 300°С с помощью Пельтье элемента и термостабилизатора. В качестве детектора используют двухцветный полупроводниковый приемник с чувствительным детектором InSb, работающим в диапазоне от 1 мкм до 5,6 мкм и детектором HgCdTe, работающим в диапазоне от 2 до 13÷20 мкм, в зависимости от образца. Детекторы работают при температуре 77 К и установлены один над другим на холодном пальце микрохолодильника на машине Стерлинга. Детектор расположен в фокальной плоскости ИК объектива и выбирается в зависимости от требуемого спектрального диапазона.

Основными недостатками известного устройства также является сложность изготовления и недостаточная точность проводимых измерений, обусловленные следующими обстоятельствами. Основной вклад мощности формируется из разницы потока излучения от анализируемого черного тела и внутреннего опорного черного тела. При этом температура опорного черного тела достаточно высока и это является основной погрешностью измеряемой мощности излучения. Лучший вариант, когда температура опорного излучателя находится при температуре жидкого азота, но в переносном радиометре внутри вакуумной камеры это технически нереализуемо. Понижение температуры опорного излучателя до -200°С принципиально возможно, но трудно реализуемо. Кроме того, для достижения стабилизации уровня опорного излучения размеры внутреннего тела должны быть достаточно большие, что требует использования в этом случае нескольких элементов Пельтье. Увеличение веса, габаритов и энергопотребления для переносного радиометра, работающего в режиме сканирования, неприемлемое решение, и приходится мириться с этой составляющей погрешности. Но остается еще два члена в результирующем уравнении, которые определяют дополнительную погрешность, которая к тому же непостоянна, поскольку модулятор в процессе работы нагревается, и поток излучения от него становится больше.

Таким образом, технической проблемой является устранение вышеуказанных недостатков и создание высокоточного компактного переносного ИК радиометра. Технический результат заключается в повышении точности проводимых измерений мощности излучения от анализируемого источника за счет уменьшения опорного уровня излучения и исключения влияния на сигнал неконтролируемой мощности рассеянного излучения от объектива и поверхности модулятора.

Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что инфракрасный вакуумный радиометр, содержащий приемный канал с объективом, опорный канал с формирователем опорного излучения, приемник с системой охлаждения и вращающийся модулятор с отражающим покрытием, выполненный с возможностью попеременного направления на приемник излучения из приемного и опорного каналов, снабжен подвижной платформой с фокусирующим зеркалом, выполненной с возможностью попеременного перекрытия и освобождения приемного канала, а формирователь опорного излучения выполнен в виде аналогичного фокусирующего зеркала, обеспечивающего возможность направления на приемник излучения от него самого. Указанные фокусирующие зеркала предпочтительно снабжены золотым покрытием со стороны приемника и расположены на двойном фокусном расстоянии от него. Оптическая ось фокусирующего зеркала формирователя опорного излучения предпочтительно расположена под углом 90 градусов к оптической оси приемного канала. Система охлаждения приемника предпочтительно выполнена в виде машины Стерлинга, обеспечивающей возможность поддержания температуры жидкого азота. Перед входным отверстием приемника предпочтительно установлена апертурная диафрагма. Приемник предпочтительно выполнен двухцветным в виде пары детекторов: детектора на основе InSb и детектора на основе CdHgTe.

На фиг. 1 представлена общая схема предлагаемого радиометра;

на фиг. 2 - зависимость напряжения, регистрируемого приемником, от времени при свободном приемном канале;

на фиг. 3 - зависимость напряжения, регистрируемого приемником, от времени при приемном канале, перекрытом подвижной платформой с фокусирующим зеркалом.

Инфракрасный вакуумный радиометр содержит приемный канал 1 и опорный канал 2, расположенные под прямым углом друг к другу, приемник 3 с апертурой 4 и вращающийся модулятор 5, выполненный с возможностью попеременного направления на двухцветный приемник 3 излучения из приемного 1 и опорного 2 каналов. Приемник 3 снабжен системой охлаждения в виде машины Стерлинга, обеспечивающей возможность под/держания температуры жидкого азота, с блоком питания 6 и мультиметром 7 для измерения температуры, регистрируемой парой ИК детекторов 8 (детектора на основе InSb и детектора на основе CdHgTe).

В приемном канале 1 расположена входная апертура 9, входной ИК объектив 10 и программно-управляемая подвижная платформа 11 с формирующим опорное излучение во время закрытой фазы зеркалом 12, фокусирующим на приемник его собственное излучение, выполненная с возможностью попеременного перекрытия и освобождения приемного канала 1. Такая конструкция обеспечивает возможность формирования режима открытой фазы, когда зеркало 12 выводится с оптической оси приемного канала 1 и излучение анализируемого источника 13 (поверхности широкоапертурной модели черного тела) фокусируется на детекторах 8, и режима закрытой фазы, когда зеркало 12 вводится на оптическую ось приемного канала 1 и на детекторах 8 фокусируется излучение приемника 3 при температуре жидкого азота.

В опорном канале 2 расположен формирователь опорного излучения во время открытой фазы в виде аналогичного фокусирующего зеркала 14, обеспечивающего возможность направления на приемник 3 его собственное излучение. Оптическая ось фокусирующего зеркала 14 расположена под углом 90 градусов к оптической оси приемного канала 1.

Фокусирующие зеркала 12, 14 снабжены золотым покрытием со стороны приемника 3 и расположены на двойном фокусном расстоянии от него.

Модулятор 5 расположен под углом 45 градусов к оптической оси приемного канала 1 и оснащен зеркальным золотым покрытием со стороны приемника 3. Вращение модулятора 5 обеспечивается с помощью мотора 15, подключенного к блоку питания 16 с узлом синхронизации.

К тому же блоку питания 16 через усилитель 17 и предусилители 18, 18' подключены ИК детекторы 8.

Радиометр работает следующим образом.

Во время открытой фазы, когда фокусирующее зеркало 12 выведено с оптической оси приемного канала 1, излучение от поверхности анализируемого источника 13 поступает через модулятор 5 на приемник 3, формируя сигнал открытой фазы

где U_со(оф) - сигнал детектора 8 при отверстии модулятора 5 на оси приемного канала 1 при открытой фазе;

U_сз(оф) - сигнал детектора 8 при зеркальной поверхности модулятора 5 на оси приемного канала 1 при открытой фазе;

где S_V/W - вольт-ваттная чувствительность детектора 8;

Р_мчт - поток ИК излучения, падающий на детектор 8 от анализируемого источника 13;

Р_ико - поток ИК излучения, падающий на детектор 8 от ИК объектива 10;

где Р_дет - поток ИК излучения, исходящий от приемника 3 в телесном угле фокусирующего зеркала 14 (конструктивно телесный угол фокусирующего зеркала равен апертурному углу детектора 8);

Р_фз - поток ИК излучения, падающий на детектор 8 от фокусирующего зеркала 14;

Р_зпм - поток ИК излучения, падающий на детектор 8 от зеркальной поверхности модулятора 5;

Для иллюстрации форма сигнала 11(оф) приведена на фиг. 2.

После измерения сигнала в открытой фазе фокусирующее зеркало 12 вводится на оптическую ось приемного канала 1, формируя сигнал закрытой фазы

где U_со(зф) - сигнал детектора 8 при отверстии модулятора 5 при закрытой фазе;

U_сз(зф) - сигнал детектора 8 при зеркальной поверхности модулятора 5 при закрытой фазе

где Р_дет - поток ИК излучения, исходящий от приемника 3 в телесном угле фокусирующего 14 зеркала;

Р_фз - поток ИК излучения, падающий на детектор 8 от фокусирующего зеркала;

где Р_дет - поток ИК излучения, исходящий от приемника 3 в телесном угле фокусирующего зеркала 14;

Р_фз - поток ИК излучения, падающий на детектор 8 от фокусирующего зеркала 14;

Р_зпм - поток ИК излучения, падающий на детектор 8 от зеркальной поверхности модулятора 5;

Для иллюстрации форма сигнала (зф) приведена на фиг. 3.

При завершении закрытой фазы вычисляется результирующий сигнал

Поскольку температуры и эффективные излучательные способности поверхностей инфракрасного объектива 10 и фокусирующего зеркала 14 практически одинаковы в пределах спектральной чувствительности детектора 8 можно достаточно достоверно считать, что мощности излучения этих поверхностей Р_ико и Р_фз равны.

Таким образом, благодаря предлагаемой конструкции и введения двухфазного режима измерения повышается точность измерения мощности излучения анализируемой поверхности широкоапертурной модели черного тела, поскольку она измеряется относительно стабильного уровня излучения поверхности приемника при температуре жидкого азота. При этом погрешность, связанная с высокой температурой источника опорного излучения исключается, так как исключается сам источник опорного уровня излучения, а также исключаются погрешности, связанные с изменением температуры модулятора, и погрешность, связанная с рассеянным излучением поверхности модулятора и объектива, как источников с низкой излучательной способностью и температурой окружающей среды.

Claims (6)

1. Инфракрасный вакуумный радиометр, содержащий приемный канал с объективом, опорный канал с формирователем опорного излучения, приемник с системой охлаждения и вращающийся модулятор с отражающим покрытием, выполненный с возможностью попеременного направления на приемник излучения из приемного и опорного каналов, отличающийся тем, что снабжен подвижной платформой с фокусирующим зеркалом, выполненной с возможностью попеременного перекрытия и освобождения приемного канала, а формирователь опорного излучения выполнен в виде аналогичного фокусирующего зеркала, обеспечивающего возможность направления на приемник излучения от него самого.

2. Радиометр по п. 1, отличающийся тем, что указанные фокусирующие зеркала снабжены золотым покрытием со стороны приемника и расположены на двойном фокусном расстоянии от него.

3. Радиометр по п. 1, отличающийся тем, что оптическая ось фокусирующего зеркала формирователя опорного излучения расположена под углом 90 градусов к оптической оси приемного канала.

4. Радиометр по п. 1, отличающийся тем, что система охлаждения приемника выполнена в виде машины Стерлинга, обеспечивающей возможность поддержания температуры жидкого азота.

5. Радиометр по п. 1, отличающийся тем, что перед входным отверстием приемника установлена апертурная диафрагма.

6. Радиометр по п. 1, отличающийся тем, что приемник выполнен двухцветным в виде пары детекторов: детектора на основе InSb и детектора на основе CdHgTe.