本發(fā)明屬于長(zhǎng)波紅外測(cè)量,具體涉及一種光學(xué)系統(tǒng)及便攜式長(zhǎng)波紅外大氣輻射時(shí)空變化快速測(cè)量裝置。
背景技術(shù):
1、大氣輻射的時(shí)空變化是指給定天頂角大氣輻射亮度隨時(shí)間的變化、大氣輻射亮度隨天頂角的空間變化、不同天頂角大氣輻射隨時(shí)間變化等。大氣輻射的時(shí)空變化會(huì)產(chǎn)生輻射亮度的低頻漲落,將作為變化的背景疊加在天體、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)等空基和天基被測(cè)目標(biāo)上,降低目標(biāo)測(cè)量精度。因此,在天文觀測(cè)、軍事國(guó)防等領(lǐng)域,對(duì)大氣輻射的時(shí)空變化進(jìn)行快速測(cè)量非常必要。傳統(tǒng)的大氣輻射測(cè)量裝置包括傅立葉光譜儀、輻射計(jì)等主要問(wèn)題包括:測(cè)量裝置體積和質(zhì)量大,不便于攜帶,且通常只能以較慢的速率測(cè)量給定天頂角大氣輻射亮度隨時(shí)間變化;要獲取大氣輻射亮度隨天頂角變化需要使測(cè)量光路在天頂角方向進(jìn)行掃描,無(wú)法獲得不同天頂角在同一時(shí)刻的大氣輻射亮度數(shù)據(jù),極大地降低了測(cè)量效率和準(zhǔn)確性。
2、現(xiàn)有中國(guó)專利cn108955874a中提供了一種用于窄波段連續(xù)紅外光譜掃描的天光背景測(cè)量裝置和方法,通過(guò)掃描反射鏡對(duì)目標(biāo)天區(qū)的紅外天光背景進(jìn)行測(cè)量,該裝置和方法主要用于測(cè)量近紅外波段天光背景;測(cè)量光路的功能為聚焦,不具有空間分辨能力,只能測(cè)量給定天頂角處的天光背景,不同天頂角的天光背景需要通過(guò)掃描反射鏡引導(dǎo)進(jìn)入測(cè)量光路,獲取的大氣輻射空間分布并非來(lái)自同一時(shí)刻,降低了大氣輻射空間分布測(cè)量的效率和準(zhǔn)確性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)系統(tǒng)及便攜式長(zhǎng)波紅外大氣輻射時(shí)空變化快速測(cè)量裝置。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
3、一種光學(xué)系統(tǒng),包括沿光路傳輸方向依次設(shè)置的第一透鏡、濾光片和第二透鏡,所述第一透鏡和第二透鏡之間的距離為20-30mm,光學(xué)系統(tǒng)的焦距范圍為40-50mm。
4、優(yōu)選的,所述濾光片的中心波長(zhǎng)為8-12μm,所述第一透鏡為彎月型透鏡。所述第二透鏡形狀不限,優(yōu)選為彎月型透鏡。
5、一種便攜式長(zhǎng)波紅外大氣輻射時(shí)空變化快速測(cè)量裝置,包括上述光學(xué)系統(tǒng),所述濾光片位于探測(cè)器冷屏的頂端,第二透鏡位于探測(cè)器冷屏的擋光環(huán)處,所述探測(cè)器冷屏下端連接有過(guò)渡塊,過(guò)渡塊下方設(shè)有殼體,殼體為一端封閉開(kāi)口,另一端封閉的筒型結(jié)構(gòu),
6、過(guò)渡塊通過(guò)支撐柱與殼體的開(kāi)口端連接,殼體內(nèi)設(shè)有斯特林制冷模塊,斯特林制冷模塊的冷端與過(guò)渡塊中支撐柱圍繞的下端面連接,殼體的開(kāi)口端上設(shè)有杜瓦瓶,
7、過(guò)渡塊位于探測(cè)器冷屏內(nèi)的端面上設(shè)有探測(cè)器;過(guò)渡塊保證探測(cè)器的均勻冷卻;過(guò)渡塊是高導(dǎo)熱系數(shù)的?al2o3陶瓷材料;
8、所述支撐柱、過(guò)渡塊、探測(cè)器冷屏均位于杜瓦瓶?jī)?nèi);優(yōu)選的,所述支撐柱由kevlar纖維材料構(gòu)成制成,此材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高且導(dǎo)熱系數(shù)低,支撐柱對(duì)過(guò)渡塊起到固定作用,同時(shí)可以防止杜瓦外殼的熱量傳遞到過(guò)渡塊,防止漏冷;
9、殼體封閉端下方依次連接轉(zhuǎn)臺(tái)和轉(zhuǎn)臺(tái)底座;所述轉(zhuǎn)臺(tái)能夠使測(cè)量裝置沿天頂角方向轉(zhuǎn)動(dòng);
10、所述杜瓦瓶遠(yuǎn)離斯特林制冷模塊的一端設(shè)有窗框,
11、所述第一透鏡位于窗框內(nèi)。第一透鏡和殼體配合實(shí)現(xiàn)了對(duì)杜瓦瓶的兩端封閉,提供了真空密閉空間,
12、所述窗框外側(cè)通過(guò)螺紋連接有環(huán)形風(fēng)刀。螺紋的連接處可以作為定標(biāo)時(shí)的出風(fēng)口,優(yōu)選的,所述環(huán)形風(fēng)刀和窗框螺紋連接處設(shè)有控溫模塊,用于測(cè)量第一透鏡表面溫度,使其溫度均勻。
13、所述環(huán)形風(fēng)刀頂端設(shè)有防塵蓋,防塵蓋和環(huán)形風(fēng)刀通過(guò)磁鐵連接。
14、所述防塵蓋的側(cè)壁上設(shè)有出氣孔,防塵蓋的內(nèi)表面為灰體?;殷w為輕微氧化后的金屬,灰體作為內(nèi)表面,用于測(cè)量裝置的外場(chǎng)定標(biāo),保證定標(biāo)時(shí)不超出探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍。
15、所述環(huán)形風(fēng)刀、控溫模塊、轉(zhuǎn)臺(tái)、探測(cè)器均電性連接有處理器模塊,所述處理器模塊用于探測(cè)器數(shù)據(jù)的采集、處理;控制風(fēng)刀的風(fēng)量和溫度以及轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。所述控溫模塊采集螺紋連接處的溫度后,將溫度傳輸給處理器,通過(guò)與設(shè)定溫度的比較,進(jìn)而控制風(fēng)刀的出風(fēng)量和出風(fēng)溫度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)第一透鏡表面和防塵蓋內(nèi)表面溫度的控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定標(biāo)。
16、利用上述快速測(cè)量裝置進(jìn)行大氣輻射測(cè)量的方法,包括以下步驟:
17、步驟1:在測(cè)量開(kāi)始前將防塵蓋關(guān)閉,控制斯特林制冷模塊對(duì)杜瓦瓶以及內(nèi)部的元件進(jìn)行冷卻,通過(guò)風(fēng)刀使第一透鏡表面和防塵蓋內(nèi)表面到達(dá)指定溫度,開(kāi)始定標(biāo);
18、步驟2:打開(kāi)防塵蓋,測(cè)量裝置指向任意方位角,天頂角7.5°位置,無(wú)需掃描天區(qū),大氣輻射測(cè)量裝置可以同時(shí)快速測(cè)量從正天頂?shù)?5°天頂角區(qū)間的大氣輻射。
19、本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)采用3?個(gè)光學(xué)元件,包含兩片透鏡以及一個(gè)紅外濾光片,紅外濾光片置于兩透鏡之間,充分考慮到生產(chǎn)加工、機(jī)械裝調(diào)難度和制造成本問(wèn)題,所以第一片透鏡到第二片透鏡中間要留有一定的距離(20-30mm),為了方便濾光片和探測(cè)器冷屏安裝調(diào)整,同時(shí)為了與視場(chǎng)角匹配,為了提高系統(tǒng)的分辨能力,應(yīng)該把f數(shù)控制在較小范圍(一般小于2.5),最終設(shè)定光學(xué)系統(tǒng)焦距范圍為?40-50mm。
20、本發(fā)明快速測(cè)量裝置放棄了現(xiàn)有技術(shù)中的平面透鏡作為封窗,而創(chuàng)造性的采用第一透鏡作為封窗。對(duì)于大氣輻射測(cè)量裝置來(lái)說(shuō),封窗透鏡的外側(cè)是空氣環(huán)境,內(nèi)側(cè)是真空環(huán)境,封窗透鏡的內(nèi)外兩側(cè)氣壓不同,產(chǎn)生氣壓差。氣壓差將從外向內(nèi)給封窗透鏡施加壓力,透鏡的窗框也會(huì)承受大氣壓力從而擠壓透鏡邊緣,導(dǎo)致透鏡封窗發(fā)生形變。同時(shí),由于真空腔內(nèi)冷屏和探測(cè)器需要低溫制冷,由于輻射換熱及微弱的熱傳導(dǎo),透鏡封窗溫度將低于環(huán)境溫度,但高于冷屏上光學(xué)元件溫度。因此,透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)需要綜合考慮氣壓、溫度梯度對(duì)像差的影響。由于壓力方向?yàn)橛赏庀騼?nèi),熱膨脹方向由內(nèi)向外,本發(fā)明中第一透鏡采用彎月型透鏡,平衡內(nèi)外壓差和熱膨脹引形變?cè)斐傻挠绊?;彎月型透鏡邊緣采用平板結(jié)構(gòu),便于同窗框密閉連接,保證密閉性,保證成像質(zhì)量。
21、本發(fā)明快速測(cè)量裝置中探測(cè)器冷屏被設(shè)計(jì)為光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌,探測(cè)器冷屏上安裝濾光片和第二透鏡,探測(cè)器冷屏同時(shí)具有抑制雜散光的作用,探測(cè)器冷屏內(nèi)壁發(fā)黑以吸收紅外雜散光;探測(cè)器冷屏內(nèi)壁設(shè)置擋光環(huán),擋光環(huán)有透鏡夾持機(jī)構(gòu),可將第二透鏡安裝在冷屏內(nèi)部,第二透鏡既是光學(xué)系統(tǒng)成像組件,也是抑制紅外雜散光。防塵蓋內(nèi)表面為灰體,采用輕度氧化金屬材質(zhì),控制發(fā)射率在0.2~0.4之間,保證定標(biāo)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)源和天空輻射亮度不至于有太大差別,超出動(dòng)態(tài)范圍。窗框外側(cè)通過(guò)螺紋連接形式安裝具有制冷功能的風(fēng)刀,向透鏡封窗送冷空氣,使其冷卻并保證溫度均勻;定標(biāo)時(shí),磁吸式防塵蓋和風(fēng)刀端面無(wú)縫結(jié)合,通過(guò)風(fēng)刀給封窗(第一透鏡)和防塵蓋同時(shí)送冷風(fēng),使封窗(第一透鏡)和防塵蓋內(nèi)表面(定標(biāo)源)冷卻并同溫。
22、本發(fā)明裝置將成像光學(xué)系統(tǒng)集成到制冷型長(zhǎng)波焦平面紅外探測(cè)器的真空腔的結(jié)構(gòu)中,使其具有大視場(chǎng)成像功能,測(cè)量裝置具有便攜性,能夠滿足快速測(cè)量大氣輻射時(shí)空分布的需求。
1.一種光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,包括沿光路傳輸方向依次設(shè)置的第一透鏡、濾光片和第二透鏡,所述第一透鏡和第二透鏡之間的距離為20-30mm,光學(xué)系統(tǒng)的焦距范圍為40-50mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述濾光片的中心波長(zhǎng)為8-12μm,所述第一透鏡和第二透鏡均為彎月型透鏡。
3.一種便攜式長(zhǎng)波紅外大氣輻射時(shí)空變化快速測(cè)量裝置,其特征在于,包括權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)系統(tǒng),所述濾光片位于探測(cè)器冷屏的頂端,第二透鏡位于探測(cè)器冷屏的擋光環(huán)處,所述探測(cè)器冷屏下端連接有過(guò)渡塊,過(guò)渡塊下方設(shè)有殼體,殼體為一端封閉開(kāi)口,另一端封閉的筒型結(jié)構(gòu),過(guò)渡塊通過(guò)支撐柱與殼體的開(kāi)口端連接,殼體內(nèi)設(shè)有斯特林制冷模塊,斯特林制冷模塊的冷端與過(guò)渡塊中支撐柱圍繞的下端面連接,
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種便攜式長(zhǎng)波紅外大氣輻射時(shí)空變化快速測(cè)量裝置,其特征在于,所述窗框外側(cè)通過(guò)螺紋連接有環(huán)形風(fēng)刀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種便攜式長(zhǎng)波紅外大氣輻射時(shí)空變化快速測(cè)量裝置,其特征在于,所述環(huán)形風(fēng)刀頂端設(shè)有防塵蓋,防塵蓋和環(huán)形風(fēng)刀通過(guò)磁鐵連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種便攜式長(zhǎng)波紅外大氣輻射時(shí)空變化快速測(cè)量裝置,其特征在于,所述防塵蓋的側(cè)壁上設(shè)有出氣孔,防塵蓋的內(nèi)表面為灰體,防塵蓋采用輕度氧化金屬材質(zhì),發(fā)射率為0.2-0.4,用于對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行定標(biāo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種便攜式長(zhǎng)波紅外大氣輻射時(shí)空變化快速測(cè)量裝置,其特征在于,所述環(huán)形風(fēng)刀和窗框螺紋連接處設(shè)有控溫模塊,用于測(cè)量第一透鏡表面和防塵蓋的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種便攜式長(zhǎng)波紅外大氣輻射時(shí)空變化快速測(cè)量裝置,其特征在于,所述環(huán)形風(fēng)刀、控溫模塊、轉(zhuǎn)臺(tái)、探測(cè)器均電性連接有處理器模塊,所述處理器模塊用于探測(cè)器數(shù)據(jù)的采集、處理;控制風(fēng)刀的風(fēng)量和溫度以及轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。