专利名称：多波段红外辐射自动测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种红外辐射测量技术，具体涉及一种多波段红外辐射自动测量 系统，尤其应用于对海水温度实时监控。
背景技术：
用红外方法测量物体温度是一门比较成熟的技术，国内外对各种红外辐射计的研 究也比较多，其中自带参考黑体的测量精度不受环境温度的变化，而不带参考黑体的测量 精度通常随工作环境的不同而改变。红外辐射计在外场工作时，容易受到如下因素影响测量精度。I受环境温度的改变，或探测器芯片、处理电路老化等原因探测器响应系数发生变 化；II红外光学系统膜层老化导致光学系统透过率发生变化；III辐射计内部壳体温度发生变化导致探测器接收的光学零件表面剩余反射的背 景红外辐射通量发生变化。这些因素综合在一起可严重影响仪器的精度。红外辐射计在测量目标温度时，选择的波段通常为长波波段，这是由目标 辐射特性决定的，在此波段内，物体测量通常能以较少的成本获取高的精度，例如 CIRIMS (9· 6μπι 11. 5 μ m)，SISTER (10. 8 μ m)，ISAR((9.6ym 11. 5ym) 然而，不同红 外波段的发射率存在着差异，与之相对应的相同温度下物体的红外辐射出射度也有变化， 星载的红外光谱辐射计或红外成像辐射计在对地探测时，根据探测对象的不同，光谱探测 范围除了长波红外，还包括中波红外等较宽的工作波段。因此，单一的波段在卫星定标测量 时具有一定的局限性。目前，国外的红外辐射测量设备根据工作原理的不同各有利弊，包含多个波段的 设备主要有M-AERI (3μπι 18 μ m)为傅立叶红外光谱辐射测试设备，AVHRR(3. 8μπι 10. 6 μ m)为红外成像辐射测温设备，但这两种仪器，设备构造复杂，价格昂贵，不适宜在外 场恶劣条件下的普及应用；法国的CE312设备体积小，灵敏度高，便于携带，但由于其不带 参考黑体则测量精度通常随工作环境的不同而改变，同时也需要根据其测温原理人为操 作，无法实现自动观测；ISAR是专门研制的海水表面温度观测设备，其自带两个校准黑体， 能够实现自动观测海水表面温度的要求，但其只在长波波段测量。而国内目前还没有类似 的适用于外场恶劣条件下测量复杂背景下物体辐射的测量设备，尤其是无法适时自动测量 复杂背景下被测物在不同波段内的红外辐射特性，发展户外恶劣条件下的高精度的定标设 备。

实用新型内容本实用新型提供了一种多波段红外辐射自动测量系统，该多波段红外辐射自动测 量系统作为国内外同类技术的自主创新成果，参考借鉴国外相关设备设计、应用的成果和经验，密切结合实际的使用用途，发展户外恶劣条件下的高精度的定标设备，自带两个参考 黑体，波段范围涵盖中波红外和长波红外的多个波段，既可提高测量精度，又可以用于卫星 数据的定标，在技术上选择合理的器件和设计方案，降低开发成本，达到普及使用的目的， 通过可靠性设计，适时自动测量复杂背景下被测物在不同波段内的红外辐射特性，完全满 足长期无故障自动观测辐射定标测量的需求。本实用新型的技术方案如下该多波段红外辐射自动测量系统包括扫描装置、分光装置、红外探测装置和控制 系统/电路，其中扫描装置、分光装置、红外探测装置依次设置于辐射入射方向的光路上； 扫描装置由运动部分和固定部分组成，其中运动部分包括保护窗和旋转反射镜，固定部分 包括双黑体校正组件；所述保护窗设置于辐射入射方向的光路的最前端，旋转反射镜与保 护窗相对位置恒定，双黑体校正组件由常温黑体、控温黑体以及各自独立的电源和控制系 统组成；分光装置包括在光路上依次设置的中继镜和分光镜；红外探测装置由长波探测组 件和中波探测组件构成；设保护窗至旋转反射镜之间的光路为A段光路，旋转反射镜至分光镜之间的光路 为B段光路，分光镜至长波探测器之间的光路为C段光路，分光镜至中波探测器之间的光路 为D段光路，则由A段光路的光轴与B段光路的光轴形成的平面与旋转反射镜镜面垂直，且 旋转反射镜和保护窗能够受控以B段光轴为中心轴旋转；在保护窗的旋转视场范围内分布 有外部干扰辐射区、被测目标辐射区、常温黑体辐射区和控温黑体辐射区，上述四个辐射区 在旋转反射镜旋转至对应位置时与其形成的光路的光轴位于同一平面且相交于旋转反射 镜上同一点。所述外部干扰辐射区作为旋转反射镜扫描外部干扰辐射的通道，例如，当被测 目标为海水(水温)，则外部干扰主要是海水表面反射的来自天空的辐射，因此，可选择旋 转反射镜镜面向上的某个区域为外部干扰辐射区，旋转反射镜镜面向下的某个区域为被测 目标辐射区。上述长波探测组件包括在光路上依次设置的长波滤光镜、长波聚焦透镜和长波探 测器，中波探测组件包括在光路上依次设置的中波滤光镜、中波聚焦透镜和中波制冷探测 器；所述长波滤光镜是由多块不同波段范围的带通滤光片组合集成，各带通滤光片位置能 够受控移动。上述长波滤光镜是由多块不同波段范围的带通滤光片按照中心对称排布组成的 滤光镜转盘，滤光镜转盘由旋转马达驱动，C段光路每次只通过其中一块带通滤光片。上述B段光路的光轴与旋转反射镜镜面呈45度角，保证了经旋转反射镜的入射光 路和出射光路成90度，便于自动测量系统整体的空间设计。上述运动部分封装作为扫描反射组件，光路上自中继镜后整体密封，并充氮保护， 用固体干燥剂保持内部光学系统和探测器干燥。上述分别位于常温黑体辐射区和控温黑体辐射区的两个黑体源为常温面源黑体 和控温面源黑体，扫描反射组件与两个黑体源的辐射出射口之间的距离皆不大于10mm。上述长波聚焦透镜的耦合参数与长波探测器保持一致，所述中波聚焦透镜的耦合 参数与中波制冷探测器保持一致。上述保护窗外表面镀类金刚石高效红外增透膜，旋转反射镜表面镀银外反膜并外 加介质保护。[0021]上述控制系统/电路包括对旋转反射镜的控制、滤光镜转盘的控制。上述长波探测器为热释电探测器，中波制冷探测器为中波HgCdTe探测器。本实用新型优点总结如下1、采用双黑体实时校正系统消除红外辐射计内部辐射和探测响应的不一致性，达 到实时较正的目的；2、使用光谱分光以及波段调制扫描技术，选用两个中、长波探测器与之匹配，增加 了可测量的光学通道，有效形成对更多的长波和中波波段的辐射定标测量；3、内部的光学系统通过合适的光路变换，压缩了黑体辐射腔所要求的辐射尺寸， 降低了黑体设计、制造的难度，提高了可控制的精度；4、本产品通过可靠性设计，完全可以满足长期无故障自动观测辐射定标测量的需 求，也由此使其具有更广泛的用途。

图1为天空背景对海水辐射测量影响示意图；图2为扫描反射组件及其工作原理示意图；图3为扫描装置结构及原理示意图，其中a为扫描装置的结构示意图(立体内部 结构示意)，b为扫描装置的工作原理示意图；图4为本实用新型的红外光学系统结构和光路示意图；图5为滤光镜转盘结构示意图。图6为本实用新型系统整体示意图。附图标号说明1-扫描反射组件，11-旋转反射镜，12-保护窗，2-常温黑体，3_控温黑体，4_驱动 单元，5-后方光学系统，6-红外探测器，51-中继镜，52-分光镜，53-长波滤光镜(滤光镜 转盘)，530-带通滤光片，54-长波聚焦耦合透镜，55-中波滤光镜，56-中波聚焦耦合透镜， 61-长波探测器，62-中波制冷探测器，7-A段光路，8-B段光路，9-C段光路，IO-D段光路。
具体实施方式
本实用新型提供的多波段红外辐射自动测量系统主要采用旋转反射镜扫描高、常 温黑体、天空和海水表面的工作方式。在这里，来自天空的辐射视为外部干扰辐射，来自海 水的辐射视为被测目标辐射。扫描控温黑体、常温黑体可以实时修正红外探测系统的光电 响应系数，消除红外光学系统透过率变化或环境温度变化，探测器响应系数变化带来的影 响；扫描天空和海水表面修正海空背景辐射对海水辐射测温的影响。参考图6系统整体示意图，外部场景和实时校正标准源通过扫描组件依次进入红 外光学系统观察视场，光学系统将外部的红外辐射聚焦在红外探测器探测面上，红外探测 器根据红外辐射通量的大小输出与之相对应的电压或电流值，经前置放大器预处理后，将 微小的电压或电流值转换为红外辐射成正比的电压值，中央控制器和定时器通过时序控制 信号采集及数据处理运算组件，分别采集外部场景和黑体每个目标在不同波段的电压值， 经A/D转换后，量化为响应数据，经过RS485串口传输相关数据到控制总台并显示，达到对 海水表面温度进行监控的目的。[0038]另外，自动保护装置用于保护本实用新型的测量系统本体不受外界环境如天气情 况等的损伤。例如，本实用新型设置于舰艇上，当海上暴风雨时，则自动保护装置可提供加 盖遮蔽，防雷电处理或直接关闭保护窗等。详细实现方法包括如下部分1、场景红外辐射分离和标准辐射源实时校正场景包含海水和天空，海水为待测的目标，天空作为背景。实时校正黑体源为两个 不同温度的黑体，其中一个黑体为常温黑体，温度固定，另一个黑体为控温黑体。两个黑体 为面源黑体，辐射腔具有大于0. 998的发射率，温度均勻性和温度控制精度> 0. IK0在方案 中采用扫描天空和标准辐射源的方法主要为了实现场景海水红外辐射和天空辐射的分离， 通过标准辐射源实时校正辐射计响应系数。具体原理如下场景分离图1说明了红外辐射计(多波段红外辐射自动测量系统)在测量海水红外辐射时 需要考虑的一些因素。如果海水表面是一个完美的辐射体，那么可直接测量其光谱辐射，根 据普朗克公式计算海水的温度，然而，海水的发射率稍稍小于1，它根据辐射波长和辐射角 的稍有不同，因此，进入辐射计的红外辐射包含大气的一小部分辐射。为了能准确测量海水 的辐射，必须同时测得下方海水反射作为背景的大气辐射，确切知道海水表面发射率ε的 数值。根据以往的研究和测试，平静的海水在9μπι-12μπι波段范围内，在天顶角θ <40° 范围内，发射率ε具有最大值>0.98。红外辐射计内置不同的波段滤光片，在测量时，选择需要测量的波段通道，测量向 上的大气红外辐射，测量向下的海水红外辐射和海平面反射的大气红外辐射，测量的天顶 角θ <40°，天空背景和海平面反射的天空背景像同属一个区域。设定向下测量的红外辐射为Md_，Μ
lV1 down ~V 1 ^
Zt2-Zt1(1)式中，ε λ为海水的表面在指定波长的发射率，Lsra为海水表面的同温度黑体 的红外辐射出射度，即
Ihc2
L—=.
2
Λ5
其中τ λ为光学系统在特定波长的透过率。 当波段范围较窄时，τ λ、ε λ可视为常量，此时
Mdown =^xKea+(I-^K
J sky J
通过黑体标定时，Mdown = MtaX τ(4)
3其中为Mta黑体在温度TA时的红外辐射出射度，向上的红外辐射Mup，Mup = τ XLsky(5)通过黑体标定时，Mdown = MtbX τ(6) 其中Mtb为黑体在温度TB时的红外辐射出射度，根据(3) (6)式，可解得[0057]
权利要求一种多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于所述自动测量系统包括扫描装置、分光装置、红外探测装置和控制系统/电路；所述扫描装置、分光装置、红外探测装置依次设置于辐射入射方向的光路上；扫描装置由运动部分和固定部分组成，运动部分包括保护窗和旋转反射镜，固定部分包括双黑体校正组件；所述保护窗设置于辐射入射方向的光路的最前端，旋转反射镜与保护窗相对位置恒定，双黑体校正组件由常温黑体、控温黑体以及各自独立的电源和控制系统组成；分光装置包括在光路上依次设置的中继镜和分光镜；红外探测装置由长波探测组件和中波探测组件构成；设保护窗至旋转反射镜之间的光路为A段光路，旋转反射镜至分光镜之间的光路为B段光路，分光镜至长波探测器之间的光路为C段光路，分光镜至中波探测器之间的光路为D段光路，则由A段光路的光轴与B段光路的光轴形成的平面与旋转反射镜镜面垂直，且旋转反射镜和保护窗能够受控以B段光轴为中心轴旋转；在保护窗的旋转视场范围内分布有外部干扰辐射区、被测目标辐射区、常温黑体辐射区和控温黑体辐射区，上述四个辐射区在旋转反射镜旋转至对应位置时与其形成的光路的光轴位于同一平面且相交于旋转反射镜上同一点。
2.根据权利要求1所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于所述长波探测 组件包括在光路上依次设置的长波滤光镜、长波聚焦透镜和长波探测器，中波探测组件包 括在光路上依次设置的中波滤光镜、中波聚焦透镜和中波制冷探测器；所述长波滤光镜是 由多块不同波段范围的带通滤光片组合集成，各带通滤光片位置能够受控移动。
3.根据权利要求2所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于所述长波滤光 镜是由多块不同波段范围的带通滤光片按照中心对称排布组成的滤光镜转盘，滤光镜转盘 由旋转马达驱动，C段光路每次只通过其中一块带通滤光片。
4.根据权利要求2或3所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于所述B段 光路的光轴与旋转反射镜镜面呈45度角。
5.根据权利要求4所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于所述运动部分 封装作为扫描反射组件，光路上自中继镜后整体密封，并充氮保护，用固体干燥剂保持内部 光学系统和探测器干燥。
6.根据权利要求5所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于分别位于常温 黑体辐射区和控温黑体辐射区的两个黑体源为常温面源黑体和控温面源黑体，扫描反射组 件与两个黑体源的辐射出射口之间的距离皆不大于10mm。
7.根据权利要求6所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于所述长波聚焦 透镜的耦合参数与长波探测器保持一致，所述中波聚焦透镜的耦合参数与中波制冷探测器 保持一致。
8.根据权利要求7所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于所述保护窗外 表面镀类金刚石高效红外增透膜，旋转反射镜表面镀银外反膜并外加介质保护。
9.根据权利要求8所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于所述长波探测 器为热释电探测器，中波制冷探测器为中波HgCdTe探测器。
专利摘要本实用新型提供了一种多波段红外辐射自动测量系统，可适时自动测量复杂背景下被测物在不同波段内的红外辐射特性，完全满足长期无故障自动观测辐射定标测量的需求。该多波段红外辐射自动测量系统包括扫描装置、分光装置、红外探测装置和控制系统/电路，其中扫描装置、分光装置、红外探测装置依次设置于辐射入射方向的光路上；扫描装置包括可旋转的保护窗、旋转反射镜和固定的双黑体校正组件。本实用新型使用光谱分光以及波段调制扫描技术，选用两个中、长波探测器与之匹配，增加了可测量的光学通道，有效形成对更多的长波和中波波段的辐射定标测量；且压缩了黑体辐射腔所要求的辐射尺寸，降低了黑体设计、制造的难度，提高了可控制的精度。
文档编号G01J5/12GK201716111SQ20102013848
公开日2011年1月19日 申请日期2010年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者屈恩世, 张建, 曹剑中, 焦国华, 范哲源 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所