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    重庆时时彩3星组选: 用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统.pdf

    关 键 词:
    用于 真空 低温 条件下 大面 黑体 校准 系统
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    摘要
    申请专利号:

    CN201410174852.2

    申请日:

    2014.04.28

    公开号:

    CN103940519A

    公开日:

    2014.07.23

    当前法律状态:

    驳回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):G01J 5/52申请公布日:20140723|||实质审查的生效IPC(主分类):G01J 5/52申请日:20140428|||公开
    IPC分类号: G01J5/52 主分类号: G01J5/52
    申请人: 北京振兴计量测试研究所
    发明人: 张玉国; 魏建强; 孙红胜; 杨旺林; 刘亚平
    地址: 100074 北京市丰台区7200信箱21分箱
    优先权:
    专利代理机构: 北京君尚知识产权代理事务所(普通合伙) 11200 代理人: 余长江
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410174852.2

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2018.10.09|||2014.08.20|||2014.07.23

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的驳回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统。本系统包括转接接口、折转光学系统、成像镜组、调焦镜组、红外面阵探测器、信号处理单元;待测面源黑体与所述折转光学系统位于同一真空舱内,所述成像镜组通过所述转接接口与所述真空舱连接;所述折转光学系统位于待测面源黑体之前,用于将待测面源黑体的红外光线反射入所述成像镜组输入端口,所述成像镜组输出光线经所述调焦镜组输入所述红外面阵探测器,其输出端经AD信号卡与所述信号处理单元连接。本发明能够实现真空低温条件下超大面源黑体校准的系统,填补了此项技术空白。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统,其特征在于包括转接接口、折转光学系统、成像镜组、调焦镜组、红外面阵探测器、信号处理单元;待测面源黑体与所述折转光学系统位于同一真空舱内,所述成像镜组通过所述转接接口与所述真空舱连接;所述折转光学系统位于待测面源黑体之前,用于将待测面源黑体的红外光线反射入所述成像镜组输入端口,所述成像镜组输出光线经所述调焦镜组输入所述红外面阵探测器,其输出端经AD信号卡与所述信号处理单元连接。

    2.  如权利要求1所述的用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统,其特征在于所述红外面阵探测器与所述调焦镜组之间设有一切换装置和一组均匀性校准黑体,所述切换装置用于将不同的所述均匀性校准黑体的红外光线反射入所述红外面阵探测器。

    3.  如权利要求1或2所述的用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统,其特征在于所述折转光学系统与待校准面源黑体之间或所述折转光学系统与所述成像镜组之间设有一可移动的挡屏。

    4.  如权利要求1所述的用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统,其特征在于所述成像镜组与所述调焦镜组通过机械接口连接。

    5.  如权利要求4所述的用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统,其特征在于所述机械接口为利用电机驱动的凸轮接口。

    6.  一种用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统,其特征在于包括转接接口、成像镜组、调焦镜组、红外面阵探测器、信号处理单元;待测面源黑体与所述成像镜组位于同一真空舱内,所述成像镜组通过所述转接接口与所述真空舱连接;所述成像镜组输出光线经所述调焦镜组输入所述红外面阵探测器,其输出端经AD信号卡与所述信号处理单元连接。

    7.  如权利要求6所述的用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统,其特征在于所述红外面阵探测器与所述调焦镜组之间设有一切换装置和一组均匀性校准黑体,所述切换装置用于将不同的所述均匀性校准黑体的红外光线反射入所述红外面阵探测器。

    说明书

    说明书用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统
    技术领域
    本发明属于红外辐射测量及校准技术领域,涉及在真空低温条件下的超大面源黑体性能指标校准系统的设计。
    背景技术
    目前,随着技术的发展,红外成像器的应用已经扩展至临近空间及外太空,这些系统包括空间侦察系统、临近空间预警系统、外太空红外导引打击系统、星载红外遥感系统等,这些空间应用的红外成像器在研制、生产、试验过程中,必须根据系统的工作环境,在地面真空低温环境中利用面源黑体对红外成像器进行精确的辐射定标和性能测试,以取得精确的标定系数,准确掌握红外成像器的各项性能指标,保证其性能指标达到预先设计值。
    目前,许多太空条件下红外成像器的研制已经完成,进入到了真空红外辐射定标和性能测试阶段,该阶段使用的辐射定标和性能测试设备为面源黑体。由于辐射定标的效果将直接决定该红外成像器的最终技战术性能,而性能测试能够使设计和使用单位准确把握红外成像器的各项性能指标,因此,辐射定标和性能测试对于该型号具有重要意义,为了保证红外成像器辐射定标的精度和性能测试的可靠性,需要对面源黑体的相关指标进行校准。
    此类红外成像器光学系统一般都具有焦距超长、孔径超大的特点,在对这些红外成像器进行辐射定标和性能测试过程中,为了覆盖红外成像器的光学孔径,必然要求使用的面源黑体具有超大的辐射面积;为了对红外成像器进行良好的非均匀性校正,保证红外成像探测器的所有探测单元对同样的辐射量值具有相同的响应,必然要求辐射定标用面源黑体具有较高的温场均匀性,以保证系统非均匀性校正的效果,使红外成像器具有较好的成像质量;为了在辐射定标及性能测试过程中尽量减少周围环境的影响,必然要求面源黑体的辐射面具有较低的反射率,以减少对周围环境的反射,对于黑体,由于发射率和反射率之和为1,因此,要求面源黑体具有较高的发射率,一般情况下要求其发射率大于0.96;为了保证辐射定标的精度和性能测试的可靠性,必然要求面源黑体具有极高的温度稳定性,以保证在某一段时间内被标定红外成像器观测到相同的红外辐射。因此,对于空间红外成像器辐射定标及性能测试用面源黑体,要求其具有超大辐射面积、较高的温场均匀性、较高的发射率、较好的温度稳定性。
    在红外成像器辐射定标和性能测试过程中,面源黑体模拟不同温度的目标,为红外成像器提供标准的红外辐射,因此,面源黑体本身的温场均匀性、发射率、辐射亮度精度及温度 稳定性等相关指标直接关系到定标及测试的准确性和可靠性。为了保证面源黑体为红外成像器提供均匀、稳定的红外辐射,需要利用校准设备对面源黑体的温场均匀性、发射率、辐射亮度精度及温度稳定性等相关性能参数进行校准,为红外成像器辐射定标和性能测试提供量值溯源,保证其量值传递准确可靠。
    目前国内的一些计量机构在面源黑体辐射校准方面进行了相关研究。其中,中国计量院利用一台从法国HGH公司引进的RAD314双波段红外辐射计对面源黑体进行校准,然而,该红外辐射计只能在实验室环境工作,无法对真空低温条件下工作的面源黑体进行校准,不能满足特殊条件下的面源黑体校准。现有方法中,通过采用与标准黑体进行光谱辐亮度比对的方法,可以在-60℃~80℃范围内对面源黑体的辐射特性进行校准,然而,该设备作为面源黑体校准装置,难以移动的超大型面源黑体在真空环境下进行校准。
    因此,目前,对于真空低温条件下的超大面源黑体,其相关性能指标无法进行校准。
    本发明介绍了一种能够实现真空低温条件下超大面源黑体校准的系统,解决了该项难题。
    发明内容
    本发明的目的在于提供一种用于真空低温条件下对超大面源黑体相关性能指标进行测量及校准的系统。
    如背景技术中所述,目前真空低温条件下无法对大型面源黑体进行校准,因此,该发明针对该项难题提出了创新性的技术。
    本发明的技术方案为:
    一种用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统,其特征在于包括转接接口、折转光学系统、成像镜组、调焦镜组、红外面阵探测器、信号处理单元;待测面源黑体与所述折转光学系统位于同一真空舱内,所述成像镜组通过所述转接接口与所述真空舱连接;所述折转光学系统位于待测面源黑体之前,用于将待测面源黑体的红外光线反射入所述成像镜组输入端口,所述成像镜组输出光线经所述调焦镜组输入所述红外面阵探测器,其输出端经AD信号卡与所述信号处理单元连接。
    进一步的,所述红外面阵探测器与所述调焦镜组之间设有一切换装置和一组均匀性校准黑体,所述切换装置用于将不同的所述均匀性校准黑体的红外光线反射入所述红外面阵探测器。
    进一步的,所述折转光学系统与待校准面源黑体之间或所述折转光学系统与所述成像镜组之间设有一可移动的挡屏。
    进一步的,所述成像镜组与所述调焦镜组通过机械接口连接。
    进一步的,所述机械接口为利用电机驱动的凸轮接口。
    一种用于真空低温条件下的超大面源黑体校准系统,其特征在于包括转接接口、成像镜组、调焦镜组、红外面阵探测器、信号处理单元;待测面源黑体与所述成像镜组位于同一真空舱内,所述成像镜组通过所述转接接口与所述真空舱连接;所述成像镜组输出光线经所述调焦镜组输入所述红外面阵探测器,其输出端经AD信号卡与所述信号处理单元连接。
    进一步的,所述红外面阵探测器与所述调焦镜组之间设有一切换装置和一组均匀性校准黑体,所述切换装置用于将不同的所述均匀性校准黑体的红外光线反射入所述红外面阵探测器。
    本发明是基于成像测量型的校准方案,其原理如图1所示,主要由转接接口、校准黑体系统、切换机构、光学系统(对应折转光学系统、成像镜组、调焦镜组)、红外面阵探测器、后处理电路、校准装置软件等部分组成。该方案利用经过高精度标定的、具有高均匀性的测温型红外热成像系统(该方案的测温型热像仪与公知测温型热像仪不同,即通过三个不同温度的非均匀性校正黑体对其进行实时校正,保证其均匀性,公知系统中没有校准黑体,只有简单的校准挡片)采集面源黑体辐射面上各点的红外辐射图像,并利用分析软件对采集到的红外目标图像进行自动化分析,可以快速得面源黑体的辐射均匀性、辐射温度等性能参数。
    面源黑体发出的红外辐射经折转反射镜及转接法兰后,由校准装置光学系统成像在红外面阵探测器上,经后处理电路处理后,由校准装置软件根据特定的算法进行数据处理后得到测量结果,而后输出。
    为了保证校准装置自身的均匀性,需要设置均匀性校准黑体系统对其进行均匀性校正,该校正黑体系统共包括三个校正黑体,分别为低温校准黑体、高温校准黑体和常温校准黑体,通过切换机构切换实现校准装置的三点非均匀性校正(三个黑体的切换是通过反射镜的转动进行切换)。
    与现有技术相比,本发明的积极效果为:
    本发明弥补了在真空条件下对面源黑体进行校准的技术空白,能够对于真空低温条件下的超大面源黑体的相关性能指标进行校准和测量。
    附图说明
    图1为基于成像测量型的校准方案原理图。
    其中:1.被校准面源黑体;2.光阑孔;3.转接接口;4.切换机构;5.低温校准黑体;6.常温校准黑体;7高温校准黑体;8.光学系统;9.红外面阵探测器;10.后处理电路;11.校准装置 软件及控制计算机;12.校准结果输出。
    图2为基于成像测量型的校准方案。
    图3为校准系统软件构架???。
    图4为面源黑体现场应用及校准方案示意图。
    具体实施方式
    下面结合附图对本发明的最佳实施例作进一步描述:
    本发明基于成像测量型的校准方案实现如下:如附图2所示,面源黑体发出的红外辐射依次折转光学系统、成像镜组、调焦镜组,到达红外探测器,非均匀性校正黑体组(根据具体的实施方案,会有所不同,请参考附图)由切换光学镜片进行切换,根据需要成像在红外探测器上。
    其中,折转光学系统放置于真空舱内部,将面源黑体的红外辐射进行折转,以便于从侧面法兰进行观测。成像镜组、调焦镜组设计成为两段式结构,两部分通过机械接口进行连接,组装拆卸快速简便,便于携带。
    成像镜组包括密封窗口和成像镜片,其中,密封窗口的作用为与法兰结合,实现真空舱内外的空间隔离,密封窗口内外具有一个大气压的压力差,因此,在设计密封窗口时,需要合理设计密封窗口的厚度,以保证足够的强度。
    根据密封窗口设计理论,密封窗口的最小厚度由下式确定:
    Th=1.1P·(DIA)2MR]]>
    其中,Th为窗口的厚度,DIA为窗口直径,P为窗口所承受的压力差,单位为psi(一个大气压等于14.5psi),MR为材料的强度表征量,单位为psi,可通过查表获得,常用材料的MR值如下表所示:
    序号材料MR(psi)1Ge105002Si181003ZnSe80004ZnS14900
    调焦镜组通过机械接口与成像镜组连接,其采用凸轮接口,并利用电机驱动,实现电动调焦,以便于实现对面源黑体均匀性的离焦校准。
    为了保证校准装置本身的均匀性,需要利用三个高均匀性的校正黑体对探测进行非均匀性校正,三个黑体温度各不相同,分别为常温校正黑体、低温校正黑体和高温校正黑体,位于镜架的上、下、侧面,切换机构为一个反射镜,通过旋转实现校正黑体的切换,实现对探测器的三点非均匀性校正。
    针对校准系统的技术指标,设计的红外光学成像系统全视场角为36°,允许误差为±0.2°,其横向视场角大于面源黑体所需的最小横向视场角,主要用来对面源黑体进行成像。根据设计输入数据进行设计,初步设计结果见附图3、附图4,结构较紧凑。光学镜头共由三个镜片组成,考虑无热化因素,保证在使用环境温度范围内MTF变化不超过15%。
    光学成像系统的成像清晰度主要根据在一定空间频率处的光学传递函数来进行评价。由于红外焦平面探测器的像元素大小为30um,则对红外成像空间成像质量的考察从截止频率1000/60=16.7lp/mm开始,考虑到加工和装调的误差,即使我们从17lp/mm开始评价,在最大视场处截止频率处的平均光学传递函数也大于0.5。在小于1°视场的范围内,光学传递函数接近衍射极限??悸切W甲爸霉庋低吃诒咴凳映〈Φ墓庋Т莺?,以及光学加工装调的误差,校准装置光学系统能够满足校准装置对面源黑体清晰成像的要求。
    红外光学系统的畸变也是需要考察的一个重要指标,镜头的最大畸变不超过1.6%,考虑装调误差,光学成像镜头的最大畸变可以做到小于3%。光学镜头设计完成后,送专业加工单位进行加工,严格控制加工质量,加工完成后进行镀模,可以防水防擦痕。同时在镜头内加入一定量的干燥剂,以利于增强环境适应性。
    校准装置软件系统分为参数校准、温度定标和非均匀性校正三个???,具体的软件??楣辜苋绺酵?所示。
    校准系统软件在每次进行标定或测量前,都要进行非均匀性校正,以保证校准系统自身具有较高的均匀性。根据得到的校正系数,对采集到的红外热图像进行校正。对校正后的图像进行二维图像灰度分布分析。根据图像灰度与辐射亮度或辐射温度的对应关系得出具体的测量结果。由于使用环境温度一般为25℃,故按经验估计校正的精度较高。
    同时,需要定期对校准系统进行辐射定标,以保证校准系统的测温准确性。
    附图4为某面源黑体现场应用示意图。面源黑体放置于真空舱中,在距离黑体辐射面1m的位置放置一个1300mm×1300mm的挡屏,由于现场空间限制,校准装置与面源黑体之间的距离最大为3m。在黑体升降温及稳定过程中,挡板遮挡住面源黑体的辐射面,当需要对被测红外成像仪进行测试时,将挡板移开,使被测红外成像器能够观测到黑体辐射面。
    在具体实现中,校准装置的放置可以有两种实现方式:a.放置于真空舱内;b.放置于真空舱外。
    如果校准装置放置于真空舱内,需要考虑校准装置的真空适应性,并且也需要法兰进行电气转接,同时,操作人员需要从真空舱外部对内部设备进行控制。
    如果校准装置放置于真空舱外,需在真空舱内设置折转反射镜进行光路折转,同时利用真空舱上的法兰进行转接,可以使校准装置能够观测到面源黑体的整个辐射面。
    尽管已参照最佳实施方式描述了本发明的技术方案,但是本领域技术人员容易理解的是,本发明的?;し段Р⒉痪窒抻谡庑┚咛迨凳┓绞?,在不偏离本发明的基本原理的情况下,可以对所述实施方式以及其中的具体技术特征-例如各个??榻胁鸱?、组合或改变,拆分、组合或改变后的技术方案仍将落入本发明的?;し段е?。

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