多波段紅外輻射自動測量系統的製作方法
2023-08-11 17:51:26
專利名稱：多波段紅外輻射自動測量系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種紅外輻射測量技術，具體涉及一種多波段紅外輻射自動測量 系統，尤其應用於對海水溫度實時監控。
背景技術：
用紅外方法測量物體溫度是一門比較成熟的技術，國內外對各種紅外輻射計的研 究也比較多，其中自帶參考黑體的測量精度不受環境溫度的變化，而不帶參考黑體的測量 精度通常隨工作環境的不同而改變。紅外輻射計在外場工作時，容易受到如下因素影響測量精度。I受環境溫度的改變，或探測器晶片、處理電路老化等原因探測器響應係數發生變 化；II紅外光學系統膜層老化導致光學系統透過率發生變化；III輻射計內部殼體溫度發生變化導致探測器接收的光學零件表面剩餘反射的背 景紅外輻射通量發生變化。這些因素綜合在一起可嚴重影響儀器的精度。紅外輻射計在測量目標溫度時，選擇的波段通常為長波波段，這是由目標 輻射特性決定的，在此波段內，物體測量通常能以較少的成本獲取高的精度，例如 CIRIMS (9· 6μπι 11. 5 μ m)，SISTER (10. 8 μ m)，ISAR((9.6ym 11. 5ym) 然而，不同紅 外波段的發射率存在著差異，與之相對應的相同溫度下物體的紅外輻射出射度也有變化， 星載的紅外光譜輻射計或紅外成像輻射計在對地探測時，根據探測對象的不同，光譜探測 範圍除了長波紅外，還包括中波紅外等較寬的工作波段。因此，單一的波段在衛星定標測量 時具有一定的局限性。目前，國外的紅外輻射測量設備根據工作原理的不同各有利弊，包含多個波段的 設備主要有M-AERI (3μπι 18 μ m)為傅立葉紅外光譜輻射測試設備，AVHRR(3. 8μπι 10. 6 μ m)為紅外成像輻射測溫設備，但這兩種儀器，設備構造複雜，價格昂貴，不適宜在外 場惡劣條件下的普及應用；法國的CE312設備體積小，靈敏度高，便於攜帶，但由於其不帶 參考黑體則測量精度通常隨工作環境的不同而改變，同時也需要根據其測溫原理人為操 作，無法實現自動觀測；ISAR是專門研製的海水表面溫度觀測設備，其自帶兩個校準黑體， 能夠實現自動觀測海水表面溫度的要求，但其只在長波波段測量。而國內目前還沒有類似 的適用於外場惡劣條件下測量複雜背景下物體輻射的測量設備，尤其是無法適時自動測量 複雜背景下被測物在不同波段內的紅外輻射特性，發展戶外惡劣條件下的高精度的定標設 備。
實用新型內容本實用新型提供了一種多波段紅外輻射自動測量系統，該多波段紅外輻射自動測 量系統作為國內外同類技術的自主創新成果，參考借鑑國外相關設備設計、應用的成果和經驗，密切結合實際的使用用途，發展戶外惡劣條件下的高精度的定標設備，自帶兩個參考 黑體，波段範圍涵蓋中波紅外和長波紅外的多個波段，既可提高測量精度，又可以用於衛星 數據的定標，在技術上選擇合理的器件和設計方案，降低開發成本，達到普及使用的目的， 通過可靠性設計，適時自動測量複雜背景下被測物在不同波段內的紅外輻射特性，完全滿 足長期無故障自動觀測輻射定標測量的需求。本實用新型的技術方案如下該多波段紅外輻射自動測量系統包括掃描裝置、分光裝置、紅外探測裝置和控制 系統/電路，其中掃描裝置、分光裝置、紅外探測裝置依次設置於輻射入射方向的光路上； 掃描裝置由運動部分和固定部分組成，其中運動部分包括保護窗和旋轉反射鏡，固定部分 包括雙黑體校正組件；所述保護窗設置於輻射入射方向的光路的最前端，旋轉反射鏡與保 護窗相對位置恆定，雙黑體校正組件由常溫黑體、控溫黑體以及各自獨立的電源和控制系 統組成；分光裝置包括在光路上依次設置的中繼鏡和分光鏡；紅外探測裝置由長波探測組 件和中波探測組件構成；設保護窗至旋轉反射鏡之間的光路為A段光路，旋轉反射鏡至分光鏡之間的光路 為B段光路，分光鏡至長波探測器之間的光路為C段光路，分光鏡至中波探測器之間的光路 為D段光路，則由A段光路的光軸與B段光路的光軸形成的平面與旋轉反射鏡鏡面垂直，且 旋轉反射鏡和保護窗能夠受控以B段光軸為中心軸旋轉；在保護窗的旋轉視場範圍內分布 有外部幹擾輻射區、被測目標輻射區、常溫黑體輻射區和控溫黑體輻射區，上述四個輻射區 在旋轉反射鏡旋轉至對應位置時與其形成的光路的光軸位於同一平面且相交於旋轉反射 鏡上同一點。所述外部幹擾輻射區作為旋轉反射鏡掃描外部幹擾輻射的通道，例如，當被測 目標為海水(水溫)，則外部幹擾主要是海水表面反射的來自天空的輻射，因此，可選擇旋 轉反射鏡鏡面向上的某個區域為外部幹擾輻射區，旋轉反射鏡鏡面向下的某個區域為被測 目標輻射區。上述長波探測組件包括在光路上依次設置的長波濾光鏡、長波聚焦透鏡和長波探 測器，中波探測組件包括在光路上依次設置的中波濾光鏡、中波聚焦透鏡和中波製冷探測 器；所述長波濾光鏡是由多塊不同波段範圍的帶通濾光片組合集成，各帶通濾光片位置能 夠受控移動。上述長波濾光鏡是由多塊不同波段範圍的帶通濾光片按照中心對稱排布組成的 濾光鏡轉盤，濾光鏡轉盤由旋轉馬達驅動，C段光路每次只通過其中一塊帶通濾光片。上述B段光路的光軸與旋轉反射鏡鏡面呈45度角，保證了經旋轉反射鏡的入射光 路和出射光路成90度，便於自動測量系統整體的空間設計。上述運動部分封裝作為掃描反射組件，光路上自中繼鏡後整體密封，並充氮保護， 用固體乾燥劑保持內部光學系統和探測器乾燥。上述分別位於常溫黑體輻射區和控溫黑體輻射區的兩個黑體源為常溫面源黑體 和控溫面源黑體，掃描反射組件與兩個黑體源的輻射出射口之間的距離皆不大於10mm。上述長波聚焦透鏡的耦合參數與長波探測器保持一致，所述中波聚焦透鏡的耦合 參數與中波製冷探測器保持一致。上述保護窗外表面鍍類金剛石高效紅外增透膜，旋轉反射鏡表面鍍銀外反膜並外 加介質保護。[0021]上述控制系統/電路包括對旋轉反射鏡的控制、濾光鏡轉盤的控制。上述長波探測器為熱釋電探測器，中波製冷探測器為中波HgCdTe探測器。本實用新型優點總結如下1、採用雙黑體實時校正系統消除紅外輻射計內部輻射和探測響應的不一致性，達 到實時較正的目的；2、使用光譜分光以及波段調製掃描技術，選用兩個中、長波探測器與之匹配，增加 了可測量的光學通道，有效形成對更多的長波和中波波段的輻射定標測量；3、內部的光學系統通過合適的光路變換，壓縮了黑體輻射腔所要求的輻射尺寸， 降低了黑體設計、製造的難度，提高了可控制的精度；4、本產品通過可靠性設計，完全可以滿足長期無故障自動觀測輻射定標測量的需 求，也由此使其具有更廣泛的用途。
圖1為天空背景對海水輻射測量影響示意圖；圖2為掃描反射組件及其工作原理示意圖；圖3為掃描裝置結構及原理示意圖，其中a為掃描裝置的結構示意圖(立體內部 結構示意)，b為掃描裝置的工作原理示意圖；圖4為本實用新型的紅外光學系統結構和光路示意圖；圖5為濾光鏡轉盤結構示意圖。圖6為本實用新型系統整體示意圖。附圖標號說明1-掃描反射組件，11-旋轉反射鏡，12-保護窗，2-常溫黑體，3_控溫黑體，4_驅動 單元，5-後方光學系統，6-紅外探測器，51-中繼鏡，52-分光鏡，53-長波濾光鏡(濾光鏡 轉盤)，530-帶通濾光片，54-長波聚焦耦合透鏡，55-中波濾光鏡，56-中波聚焦耦合透鏡， 61-長波探測器，62-中波製冷探測器，7-A段光路，8-B段光路，9-C段光路，IO-D段光路。
具體實施方式
本實用新型提供的多波段紅外輻射自動測量系統主要採用旋轉反射鏡掃描高、常 溫黑體、天空和海水表面的工作方式。在這裡，來自天空的輻射視為外部幹擾輻射，來自海 水的輻射視為被測目標輻射。掃描控溫黑體、常溫黑體可以實時修正紅外探測系統的光電 響應係數，消除紅外光學系統透過率變化或環境溫度變化，探測器響應係數變化帶來的影 響；掃描天空和海水表面修正海空背景輻射對海水輻射測溫的影響。參考圖6系統整體示意圖，外部場景和實時校正標準源通過掃描組件依次進入紅 外光學系統觀察視場，光學系統將外部的紅外輻射聚焦在紅外探測器探測面上，紅外探測 器根據紅外輻射通量的大小輸出與之相對應的電壓或電流值，經前置放大器預處理後，將 微小的電壓或電流值轉換為紅外輻射成正比的電壓值，中央控制器和定時器通過時序控制 信號採集及數據處理運算組件，分別採集外部場景和黑體每個目標在不同波段的電壓值， 經A/D轉換後，量化為響應數據，經過RS485串口傳輸相關數據到控制總臺並顯示，達到對 海水表面溫度進行監控的目的。[0038]另外，自動保護裝置用於保護本實用新型的測量系統本體不受外界環境如天氣情 況等的損傷。例如，本實用新型設置於艦艇上，當海上暴風雨時，則自動保護裝置可提供加 蓋遮蔽，防雷電處理或直接關閉保護窗等。詳細實現方法包括如下部分1、場景紅外輻射分離和標準輻射源實時校正場景包含海水和天空，海水為待測的目標，天空作為背景。實時校正黑體源為兩個 不同溫度的黑體，其中一個黑體為常溫黑體，溫度固定，另一個黑體為控溫黑體。兩個黑體 為面源黑體，輻射腔具有大於0. 998的發射率，溫度均勻性和溫度控制精度> 0. IK0在方案 中採用掃描天空和標準輻射源的方法主要為了實現場景海水紅外輻射和天空輻射的分離， 通過標準輻射源實時校正輻射計響應係數。具體原理如下場景分離圖1說明了紅外輻射計(多波段紅外輻射自動測量系統)在測量海水紅外輻射時 需要考慮的一些因素。如果海水表面是一個完美的輻射體，那麼可直接測量其光譜輻射，根 據普朗克公式計算海水的溫度，然而，海水的發射率稍稍小於1，它根據輻射波長和輻射角 的稍有不同，因此，進入輻射計的紅外輻射包含大氣的一小部分輻射。為了能準確測量海水 的輻射，必須同時測得下方海水反射作為背景的大氣輻射，確切知道海水表面發射率ε的 數值。根據以往的研究和測試，平靜的海水在9μπι-12μπι波段範圍內，在天頂角θ 0.98。紅外輻射計內置不同的波段濾光片，在測量時，選擇需要測量的波段通道，測量向 上的大氣紅外輻射，測量向下的海水紅外輻射和海平面反射的大氣紅外輻射，測量的天頂 角θ <40°，天空背景和海平面反射的天空背景像同屬一個區域。設定向下測量的紅外輻射為Md_，Μ
lV1 down ~V 1 ^
Zt2-Zt1(1)式中，ε λ為海水的表面在指定波長的發射率，Lsra為海水表面的同溫度黑體 的紅外輻射出射度，即
Ihc2
L—=.
2
Λ5
其中τ λ為光學系統在特定波長的透過率。 當波段範圍較窄時，τ λ、ε λ可視為常量，此時
Mdown =^xKea+(I-^K
J sky J
通過黑體標定時，Mdown = MtaX τ(4)
3其中為Mta黑體在溫度TA時的紅外輻射出射度，向上的紅外輻射Mup，Mup = τ XLsky(5)通過黑體標定時，Mdown = MtbX τ(6) 其中Mtb為黑體在溫度TB時的紅外輻射出射度，根據(3) (6)式，可解得[0057]
權利要求一種多波段紅外輻射自動測量系統，其特徵在於所述自動測量系統包括掃描裝置、分光裝置、紅外探測裝置和控制系統/電路；所述掃描裝置、分光裝置、紅外探測裝置依次設置於輻射入射方向的光路上；掃描裝置由運動部分和固定部分組成，運動部分包括保護窗和旋轉反射鏡，固定部分包括雙黑體校正組件；所述保護窗設置於輻射入射方向的光路的最前端，旋轉反射鏡與保護窗相對位置恆定，雙黑體校正組件由常溫黑體、控溫黑體以及各自獨立的電源和控制系統組成；分光裝置包括在光路上依次設置的中繼鏡和分光鏡；紅外探測裝置由長波探測組件和中波探測組件構成；設保護窗至旋轉反射鏡之間的光路為A段光路，旋轉反射鏡至分光鏡之間的光路為B段光路，分光鏡至長波探測器之間的光路為C段光路，分光鏡至中波探測器之間的光路為D段光路，則由A段光路的光軸與B段光路的光軸形成的平面與旋轉反射鏡鏡面垂直，且旋轉反射鏡和保護窗能夠受控以B段光軸為中心軸旋轉；在保護窗的旋轉視場範圍內分布有外部幹擾輻射區、被測目標輻射區、常溫黑體輻射區和控溫黑體輻射區，上述四個輻射區在旋轉反射鏡旋轉至對應位置時與其形成的光路的光軸位於同一平面且相交於旋轉反射鏡上同一點。
2.根據權利要求1所述的多波段紅外輻射自動測量系統，其特徵在於所述長波探測 組件包括在光路上依次設置的長波濾光鏡、長波聚焦透鏡和長波探測器，中波探測組件包 括在光路上依次設置的中波濾光鏡、中波聚焦透鏡和中波製冷探測器；所述長波濾光鏡是 由多塊不同波段範圍的帶通濾光片組合集成，各帶通濾光片位置能夠受控移動。
3.根據權利要求2所述的多波段紅外輻射自動測量系統，其特徵在於所述長波濾光 鏡是由多塊不同波段範圍的帶通濾光片按照中心對稱排布組成的濾光鏡轉盤，濾光鏡轉盤 由旋轉馬達驅動，C段光路每次只通過其中一塊帶通濾光片。
4.根據權利要求2或3所述的多波段紅外輻射自動測量系統，其特徵在於所述B段 光路的光軸與旋轉反射鏡鏡面呈45度角。
5.根據權利要求4所述的多波段紅外輻射自動測量系統，其特徵在於所述運動部分 封裝作為掃描反射組件，光路上自中繼鏡後整體密封，並充氮保護，用固體乾燥劑保持內部 光學系統和探測器乾燥。
6.根據權利要求5所述的多波段紅外輻射自動測量系統，其特徵在於分別位於常溫 黑體輻射區和控溫黑體輻射區的兩個黑體源為常溫面源黑體和控溫面源黑體，掃描反射組 件與兩個黑體源的輻射出射口之間的距離皆不大於10mm。
7.根據權利要求6所述的多波段紅外輻射自動測量系統，其特徵在於所述長波聚焦 透鏡的耦合參數與長波探測器保持一致，所述中波聚焦透鏡的耦合參數與中波製冷探測器 保持一致。
8.根據權利要求7所述的多波段紅外輻射自動測量系統，其特徵在於所述保護窗外 表面鍍類金剛石高效紅外增透膜，旋轉反射鏡表面鍍銀外反膜並外加介質保護。
9.根據權利要求8所述的多波段紅外輻射自動測量系統，其特徵在於所述長波探測 器為熱釋電探測器，中波製冷探測器為中波HgCdTe探測器。
專利摘要本實用新型提供了一種多波段紅外輻射自動測量系統，可適時自動測量複雜背景下被測物在不同波段內的紅外輻射特性，完全滿足長期無故障自動觀測輻射定標測量的需求。該多波段紅外輻射自動測量系統包括掃描裝置、分光裝置、紅外探測裝置和控制系統/電路，其中掃描裝置、分光裝置、紅外探測裝置依次設置於輻射入射方向的光路上；掃描裝置包括可旋轉的保護窗、旋轉反射鏡和固定的雙黑體校正組件。本實用新型使用光譜分光以及波段調製掃描技術，選用兩個中、長波探測器與之匹配，增加了可測量的光學通道，有效形成對更多的長波和中波波段的輻射定標測量；且壓縮了黑體輻射腔所要求的輻射尺寸，降低了黑體設計、製造的難度，提高了可控制的精度。
文檔編號G01J5/12GK201716111SQ20102013848
公開日2011年1月19日 申請日期2010年3月23日 優先權日2010年3月23日
發明者屈恩世, 張建, 曹劍中, 焦國華, 範哲源 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所