基于shutter调制原理的超低温真空红外辐射计的制作方法

1.本发明属于红外辐射技术领域，具体涉及一种基于shutter调制原理的超低温真空红外辐射计。


背景技术：

2.随着红外技术的发展，红外探测技术的应用已经扩展至临近空间以及外太空，主要用于红外遥感系统、空间侦查系统、临近空间预警系统等方面。红外载荷是红外侦查预警、遥感探测中使用的重要的设备，在发射前，红外载荷需要在地面进行辐射标定实验，根据实验结果改进设计，减少反复。红外载荷性能测试设备是红外载荷进行辐射标定实验中关键设备，红外载荷性能测试设备可以模拟红外载荷在轨观测的目标如对地建筑物、自然景观的观测、空间卫星、空间站等，这些目标温度极低因此其红外辐射能量非常微弱，在常温环境下微弱的红外目标辐射会被杂散辐射和光学系统自身热辐射所淹没，无法探测到目标红外辐射能量，所以需要红外载荷性能测试设备工作环境与在轨空间一致，即处于真空低温环境。
3.为了保证低温红外载荷性能测试设备输出辐射量值准确，需要使用一套准确的超微弱红外辐射测量系统对其进行标定，其工作环境与低温红外载荷性能测试设备一致。现有校准方法采用低温真空黑体作为标准器，红外辐射计作为量值传递设备，将其量值传递至低温红外载荷性能测试设备，低温红外载荷性能测试设备实现低温红外载荷的性能参数测试。当前低温真空下的红外辐射计多采用真空斩波器作为信号调制装置，但是真空斩波器在超低温环境中需要持续工作，在调制时斩波器叶片会不断产生热量，斩波器自身热辐射在辐射计内部无法导出，虽然可以对转动的叶片进行温度控制和温度采集，但是其精度仅为0.1℃，无法满足高精度低温红外辐射量值传递的要求，给微弱信号探测带来较大的测量误差。因此，需要设计一套真空低温环境下超微弱红外辐射计，实现空间环境下超低温红外载荷辐射能量的校准。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供了一种基于shutter调制原理的超低温真空红外辐射计，解决现有红外辐射计难以满足超低温微弱红外载荷辐射校准的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于shutter调制原理的超低温真空红外辐射计，包括调制组件、光机结构、红外探测器及电子学组件；所述调制组件放置在待测设备与光机结构之间，包括shutter调制器和shutter挡板，所述shutter调制器控制shutter挡板以固定频率移动，间歇式遮挡待测设备的辐射能量传递；所述光机结构用于汇聚辐射能量；所述红外探测器及电子学组件用于定量化采集和处理辐射能量。
6.进一步地，所述shutter调制器包括支撑架、切换导轨、滑块、传动连杆、控制电机；所述切换导轨水平安装在所述支撑架上，所述滑块安装在所述切换导轨上；所述控制电机安装在所述支撑架上，所述控制电机通过传动连杆驱动所述滑块沿所述切换导轨做水平往
复运动；所述shutter挡板竖直安装在所述shutter调制器的滑块上。
7.进一步地，所述支撑架包括一立板，所述控制电机安装在所述立板背面且控制电机转轴垂直穿过所述立板，所述切换导轨水平安装所述立板前面；所述传动连杆包括短连杆和长连杆，所述短连杆、长连杆的一端叠放通过销轴连接，两连杆可相对销轴转动，所述短连杆自由端与控制电机转轴连接，所述长连杆自由端与滑块固定。
8.进一步地，所述滑块与所述切换导轨上下边缘通过卡槽配合；所述shutter挡板与所述滑块之间安装隔热块；所述控制电机为高低温步进电机，所述控制电机外包裹双层隔热屏蔽膜。
9.进一步地，所述shutter挡板包括内部设置空腔的辐射板，所述辐射板上设置连通内部空腔的制冷剂出入口；所述辐射板表面喷涂超黑材料高发射率涂层，所述辐射板靠近光机结构侧面设置微锥结构。
10.进一步地，所述光机结构整体设置在壳体中，所述壳体外盘绕制冷管路。
11.进一步地，所述光机结构包括主反射镜、次反射镜、殷钢连接杆、壳体、制冷管路；所述主反射镜、次反射镜分别通过支撑底座安装在壳体内，所述主反射镜、次反射镜支撑底座之间通过殷钢连接杆连接，所述主反射镜用于汇聚入射能量，所述次反射镜用于光路折转；所述壳体靠近shutter挡板一侧留有辐射入口，所述壳体外部盘绕制冷管路，所述制冷管路预留制冷剂出入口。
12.进一步地，所述红外探测器安装在光机结构出射方向，包括探测器面、制冷连接杆、探测器制冷器、探测器支撑架、探测器支撑底座；所述探测器面布置在壳体内，用于接收次反射镜出射的光，所述探测器面固定在制冷连接杆一端，所述制冷连接杆另一端穿过壳体安装在探测器制冷器上，所述探测器制冷器通过支撑架安装在支撑底座上，所述探测器支撑底座与次反射镜支撑底座之间通过殷钢连接杆连接。
13.进一步地，所述调制组件、光机结构、红外探测器整体设置在真空冷舱中，所述电子学组件设置在真空冷舱外；所述shutter挡板包括内部设置空腔的辐射板，所述辐射板上设置连通内部空腔的制冷剂出入口，所述光机结构整体设置在壳体中，所述壳体外盘绕制冷管路，在真空冷舱外设置液氮罐，液氮罐连通shutter挡板制冷剂出入口、光机结构制冷管路制冷剂出入口。
14.本发明还提供了一种基于shutter调制原理的超低温真空红外辐射计测试方法，采用上述超低温真空红外辐射计，所述测试方法包括如下步骤
15.将shutter挡板作为标准黑体，控制其稳定在第一温度；
16.控制shutter挡板以第一固定频率进行调制，采集对应的电压信号值；
17.调整shutter挡板稳定在第n温度，n≥2，重复前述过程，完成校准；
18.将超低温真空红外辐射计对准待测设备，并使其光轴与待测设备光轴重合；
19.待测设备完成开机预热并稳定在某一温度；
20.控制shutter挡板第二固定频率进行调制，监测shutter挡板的温度，待其稳定；
21.采集当前待测设备的电压信号值，根据校准结果，将电压信号值转换为辐射温度值，完成待测设备的测试。
22.本发明与现有技术相比的有益效果：
23.(1)本发明将调制组件放置在辐射计光机结构外，用以替代斩波器，同时辐射计光
机结构整体外包液氮管路进行二次制冷，极大的降低了由于调制系统给系统带来的热影响。
24.(2)调制组件的挡板上设计微锥结构、喷涂高发射率涂层，内部设计整体式液氮腔，提高其发射率和温度测量精度，进一步提高了系统的灵敏度和动态范围。
25.(3)调制组件结构简单,便于控制，加工成本低。
附图说明
26.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明具体实施例提供的超低温真空红外辐射计的结构示意图；
28.图2为本发明具体实施例提供的调制组件结构示意图；
29.图3为本发明具体实施例提供的超低温真空红外辐射计的光机结构示意图。
30.其中，上述附图包括以下附图标记：
31.1、挡板；2、传动连杆；3、支撑架；4、底板；5、探测器制冷器；6、探测器支撑架；7、探测器制冷连接杆；8、壳体；9、辐射计液氮管路出口；10、辐射计液氮管路入口；11、控制电机；12、挡板液氮入口；13、挡板液氮出口；14、隔热块；15、切换导轨；16、主反射镜；17、主反射镜支撑底座；18、次反射镜；19、次反射镜支撑底座；20、殷钢连接杆；21、探测器面；22、探测器支撑底座。
具体实施方式
32.下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
33.在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
34.现有超低温微弱红外信号处理技术主要采用斩波器，斩波器在超低温环境中需要持续工作，其自身热辐射在辐射计内部无法导出，且斩波片的温度无法精确控制及测量，对系统微弱信号探测带来较大的测量误差。针对现有技术问题，本发明将调制组件放置在辐射计光机结构外用以替代斩波器，且对辐射计光机结构整体外包液氮管路进行二次制冷，极大的降低了由于调制系统给系统带来的热影响，而且对挡板进行特殊设计，提高其发射率和温度测量精度，进一步提高了系统的灵敏度和动态范围。
35.本发明提供了一种基于shutter调制原理的超低温真空红外辐射计，包括调制组件、光机结构、红外探测器及电子学组件；调制组件放置在待测设备与光机结构之间，包括shutter调制器和shutter挡板，shutter调制器控制shutter挡板以固定频率移动，间歇式遮挡待测设备的辐射能量传递；光机结构用于汇聚辐射能量；红外探测器及电子学组件用于定量化采集和处理辐射能量。将调制组件放置在辐射计光机结构外，用以替代斩波器，降
低了由于调制系统给系统带来的热影响。
36.进一步地，shutter调制器包括支撑架、切换导轨、滑块、传动连杆、控制电机；切换导轨水平安装在支撑架上，滑块安装在切换导轨上；控制电机安装在支撑架上，控制电机通过传动连杆驱动滑块沿切换导轨做水平往复运动；shutter挡板竖直安装在shutter调制器的滑块上。shutter调制器通过选择电机频率控制shutter挡板移动频率。
37.进一步地，支撑架包括一立板，控制电机安装在立板背面且控制电机转轴垂直穿过立板，切换导轨水平安装立板前面；传动连杆包括短连杆和长连杆，短连杆、长连杆的一端叠放通过销轴连接，两连杆可相对销轴转动，短连杆自由端与控制电机转轴连接，长连杆自由端与滑块固定。通过传动连杆将电机转动转换为滑块的水平运动。
38.进一步地，shutter挡板包括内部设置空腔的辐射板，辐射板上设置连通内部空腔的制冷剂出入口。由于空腔均匀布在shutter挡板内部，工作时，空腔整体通入液氮等制冷剂，可快速实现热平衡，控制shutter挡板的低温温度。
39.进一步地，辐射板表面喷涂超黑材料高发射率涂层，辐射板靠近光机结构侧面设置微锥结构。该设计可提高shutter挡板发射率、减小环境影响，使其作为标准黑体，对待测设备进行校准。
40.进一步地，光机结构整体设置在壳体中，壳体外盘绕制冷管路，对光机结构进行二次制冷，降低热影响。
41.下面结合一个具体实施例对本发明进行详细描述。
42.如图1所示，本发明提供了一种基于shutter调制原理的超低温真空红外辐射计，包括调制组件、红外辐射计光机结构、红外探测器及后端电子学组件。调制组件包括shutter调制器和shutter挡板。shutter调制器用于控制shutter挡板按固定频率移动、间歇式遮挡待测设备辐射传递，可以实现shutter挡板以固定频率进行调制；shutter挡板还可作为标准黑体实现超低温红外辐射能量的精确校准。红外辐射计光机结构实现辐射能量的汇聚。红外探测器及电子学组件实现辐射能量的定量化采集。
43.如图2所示，shutter调制器包括支撑架3、控制电机11、切换导轨15、滑块、传动连杆2。支撑架3上设置立板，控制电机11安装在立板背面且转轴垂直穿过立板；切换导轨15为长条结构，水平安装立板前面，滑块安装在切换导轨15上，可沿切换导轨15水平往复移动。传动连杆2包括短连杆和长连杆，短连杆、长连杆的一端叠放通过销轴连接，两连杆可相对销轴转动，短连杆自由端与控制电机转轴固定，长连杆自由端与滑块固定，控制电机转动，带动传动连杆驱动滑块沿切换导轨15水平移动。
44.本实施例中，滑块与切换导轨15上下边缘通过卡槽配合，该结构简便，易加工。控制电机11为高低温步进电机，可以在液氮温度正常工作，工作时功率在毫瓦级别，且在控制电机外边包裹双层隔热屏蔽膜，使其产生的辐射影响将为最小。电机驱动传动连杆2实现0hz～10hz的频率调制。
45.如图2所示，shutter挡板1竖直安装在shutter调制器的滑块上，为了避免温度影响，shutter挡板1与滑块之间安装隔热块14。
46.shutter挡板1包括辐射板、挡板液氮入口12、挡板液氮出口13，辐射板内部为液氮腔，挡板液氮入口12、挡板液氮出口13安装在辐射板上、与液氮腔连通。辐射板表面喷涂超黑材料高发射率涂层，发射率可达到0.98以上。辐射板靠近光机结构侧面采用微锥结构，即
设置若干锥形小突起，用于增加发射率、减小环境影响。为了实时监测shutter挡板1工作温度，shutter挡板1还安装有铂电阻温度计，采用pt100铂电阻温度计，测温精度0.01℃。
47.液氮腔均匀布在挡板内部，正常工作时液氮由红外辐射计的液氮分流进入，液氮在固定流速下，一定时间内可实现热平衡。
48.如图1、3所示，红外辐射计光机结构设置在调制组件与红外探测器中间，包括主反射镜16、次反射镜18、殷钢连接杆20、壳体8、液氮管路及其他光机结构件组成。主反射镜16可以将入射能量进行汇聚；次反射镜18在光路中实现光路的折转，提高系统的空间利用率；主反射镜16、次反射镜18通过主反射镜支撑底座17、次反射镜支撑底座19安装在壳体8内(主反射镜16、次反射镜18通过支撑底座安装在壳体8底板上)，一根殷钢连接杆20放置在主反射镜支撑底座18、次反射镜支撑底座14之间，由于殷钢具有较低的线膨胀系数，在较宽温度变化时不会影响光路的空间间隔；壳体8靠近shutter挡板1一侧留有辐射入口；液氮管路盘绕在壳体8上，预留辐射计液氮管路入口10、液氮管路出口9，液氮管路根据辐射计的外形进行盘制，能够实现辐射计整体的制冷，保证系统的高灵敏度，本实施例中，壳体8在无辐射入口的板面上盘绕了两组液氮管路，一组盘绕在背板上，一组盘绕顶板、底板及侧板。
49.如图3所示，红外探测器安装在红外辐射计光机结构出射方向，包括探测器面21、制冷连接杆7、探测器制冷器5、探测器支撑架6、探测器支撑底座22。探测器面21布置在壳体8内，用于接收次反射镜18反射的光，探测器面21固定在制冷连接杆7一端，制冷连接杆7另一端穿过辐射计壳体8安装在探测器制冷器5上，探测器制冷器5通过探测器支撑架6安装在探测器支撑底座22上，探测器支撑底座22与次反射镜支撑底座19之间通过殷钢连接杆连接。
50.本实施例中，红外探测器为长波点源红外探测器，探测器面大小0.7mm
×
0.7mm，比探测率为5
×
1010cmhz1/2w-1；探测器制冷器5为斯特林制冷机，根据斯特林电制冷原理可以在不加液氮的调节下对红外探测器进行制冷，保证其正常工作。
51.本实施例中，调制组件、红外辐射计光机结构、红外探测器安装在底板4上，整体设置在真空冷舱中。液氮罐设置在真空冷舱外，通过法兰与挡板液氮入口12、挡板液氮出口13、辐射计液氮入口10、辐射计液氮出口9连通。
52.电子学组件设置在真空冷舱外，包括前置放大器、锁相放大器，前置放大器将红外探测器探测到的辐射能量进行放大处理，提高系统信噪比；锁相放大器基于锁相放大理论，将参考频率下的微弱信号检出来进行定量化分析。
53.在本实施例中，超低温真空红外辐射计技术指标如下：
54.工作波段：8μm～12μm
55.探测温度范围：140k～410k
56.壳体辐射入口口径：80mm
57.主反射镜焦距：250mm
58.灵敏度：0.03k
59.辐射板辐射面大小90mm
×
90mm。
60.上述超低温真空红外辐射计：shutter调制器利用电机和传动机构实现shutter挡板的固定频率调制。shutter挡板在内部液氮工作下可以到达120k以下的低温，通过铂电阻温度计的测量可以得到精确的挡板温度，辐射板经过结构设计和涂层喷涂可以实现较高的
发射率。红外辐射计光机结构可以保证系统整体在较低环境温度下不会产生较大的变化，提高系统的稳定性。红外探测器接收到辐射能量后，基于弱信号调制的原理由前置放大器和锁相放大器处理，实现辐射能量的定量化采集。
61.上述基于shutter调制原理的超低温真空红外辐射计，进行校准的方法如下：
62.1、将真空低温标准黑体作为量值传递标准器，设置为某一温度，待其稳定；
63.2、将超低温真空红外辐射计对准真空低温标准黑体辐射出射口，并使其光轴与真空低温标准黑体辐射出射口中心轴重合，距离为10cm；
64.3、超低温真空红外辐射计shutter挡板以4hz的频率进行调制，并监测挡板的温度，待其稳定；
65.4、由超低温真空红外辐射计探测器采集当前电压信号值，即可确定当前标准辐射温度值对应的电压信号值；
66.5、将真空低温标准黑体设置为另一个温度值，待其温度稳定，重复步骤1～4，完成超低温真空红外辐射计的校准。
67.采用上述方法，通过选择高精度的真空低温标准黑体可以实现超低温真空红外辐射计的高精度校准。在校准精度需求不高时，也可以直接采用shutter挡板作为标准黑体，控制其稳定在某一温度，通过铂电阻温度计进行监测；控制shutter挡板以固定频率进行调制；采集当前电压信号值；调整shutter挡板温度，重复前述过程，采集对应的电压信号，实现校准。
68.上述基于shutter调制原理的超低温真空红外辐射计探测流程如下：
69.1、将超低温真空红外辐射计对准待测设备，并使其光轴与待测设备光轴重合，距离为10cm，
70.2、待测设备完成开机预热并稳定在某一温度；
71.3、超低温真空红外辐射计shutter挡板以4hz的频率进行调制，并监测挡板的温度，待其稳定；
72.4、由超低温真空红外辐射计探测器采集当前待测设备的电压信号值，根据校准结果，将电压信号值转换为辐射温度值，完成待测设备的测试。
73.本发明采用真空低温shutter挡板，可以对shutter挡板进行精确的控温，控温精度0.01℃，且可以制冷到很低的温度，最低温度80k，再结合shutter调节器进行频率调制，可以用shutter挡板来替代斩波器实现超微弱红外辐射信号的探测和校准。
74.如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
75.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
76.这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
77.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
78.本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。