空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统技术方案

本发明专利技术公开了一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，该系统包括空间环境模拟舱(1)、校准源(2)、光路折转镜(4)、真空标准辐射源(5)、量值传递用辐射计(7)；所述的光路折转镜(4)将校准源(2)或真空标准辐射源(5)发出的红外辐射光反射入量值传递用辐射计(7)，由其测量两者的辐射量值，并通过调节使两者信号相等，即可认为真空标准辐射源和校准源的辐射量值相等。本发明专利技术可实现在轨定标用校准源的在轨多点、高精度、宽温度范围、快速量值溯源与传递，确保红外载荷用校准源的量值准确。

【技术实现步骤摘要】
空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统
本专利技术属于红外辐射测量、校准及定标
，涉及一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统。
技术介绍
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，这些系统包括空间红外观测系统、临近空间探测系统、星载红外遥感系统等，随着这些红外载荷技战术性能要求的逐步提高，高精度定量化探测已成为红外载荷进一步发展的必然趋势。辐射参数定标是红外载荷实现定量化探测的基础与前提条件，通过辐射参数校准，可定量探测目标的辐射量值，使得红外载荷可通过辐射量值判断目标类型，极大的提高了红外载荷的探测能力，对于红外载荷具有极为重要的意义。同时，辐射参数校准使得多源、多时相数据融合及综合应用成为可能，提升了侦查系统、遥感系统等红外载荷的数据应用效率。红外载荷中使用一个或多个红外探测器，这些红外探测器由于材料特性、生产制造工艺等因素的影响，其响应度会产生一定的差异，使得同一探测单元其探测性能存在一定的非线性，不同探测单元之间存在较大程度的非均匀性。此外，随着使用环境的变化，工作时间的增加，红外探测器的探测性能会产生不同程度的漂移。然而，红外探测器探测性能随时间的漂移，不同探测单元之间响应度的非均匀性，对实现定量化探测功能具有非常不利的影响，因此，为了实现定量化探测，必须对红外载荷进行辐射定标，对不同探测器之间的响应非均匀性、同一探测器性能随环境及时间的漂移等进行校正。辐射参数定标主要分为发射前定标和在轨定标，其中，在轨定标主要是为了减小红外探测系统自身性能变化带来的影响，如光学镜面的污染会使光学效率降低，探测器的老化会影响探测器的响应率。为了确保实现高精度定量化探测，不仅需要在地面对红外载荷进行辐射参数校准，而且需要定时对其进行在轨辐射参数校准，以取得精确的标定系数，准确掌握红外载荷运行过程中的各项性能指标，确保整个运行过程中的探测数据准确性。在对这些红外成像载荷进行在轨辐射参数定标及校准过程中，为了覆盖其温度探测范围，要求其具有宽的校准温度范围；为了实现高精度定量化探测，需要对其辐射参数进行多点校准，同时要求单点校准精度高；为了避免校准时间长，影响校准精度，需要进行快速校准。另外，由于载荷不断向小型化、轻量化方向发展，对极小空间内的高精度辐射参数在轨校准的需求也越来越迫切，这就对在轨辐射参数校准技术提出了非常高的要求，同时要求参数定标及校准源具有高的温度稳定性；要求辐射参数校准源能够适应多种环境，包括机载环境、星载高真空环境等，并且要求其体积小，重量轻，具有极高的可靠性和良好的天地一致性。传统在轨辐射参数校准，其校准点少，一般为一点或两点校准，校准温度范围窄，无法满足当前红外载荷的在轨辐射参数定标及校准需求，需要高性能的新型校准源，然而，校准源如果不进行量值溯源和传递，其量值无法保证准确，无法实现高精度的在轨校准，因此，为了保证校准源量值溯源准确，需要对其进行高精度的量值溯源和定标。
技术实现思路
本专利技术需解决技术问题是提供一种空间环境下高精度校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，采取技术方案如下：包括空间环境模拟舱、校准源、真空平移台及转台、光路折转镜、真空标准辐射源、测量窗口、量值传递用辐射计和供电系统；所述真空标准辐射源为系统计量标准辐射源，位于空间环境模拟舱壁；所述校准源为标定及量值传递溯源的对象，为红外光源，位于空间环境模拟舱内的真空平移台及转台上；所述真空平移台及转台为校准源提供平移、转动功能；所述的光路折转镜为光路切换机构，为光学反射镜面，将校准源或真空标准辐射源发出的红外辐射红反射，经测量窗口射入量值传递用辐射计；所述量值传递用辐射计包括红外光谱辐射计和红外积分辐射计，所述红外光谱辐射计用于测量校准源和真空标准辐射源在特定波段内的光谱特性，实现校准源的光谱特性校准；所述红外积分辐射计用于测量校准源和真空标准辐射源在特定波段内的积分辐射特性，实现校准源的积分辐射特性校准。本专利技术阐述的一种空间环境下高精度定量化标定及量值传递系统及方法，可实现在轨定标用校准源的在轨多点、高精度、宽温度范围、快速量值溯源与传递，确保红外载荷用校准源的量值准确，保证红外载荷在轨定标的准确性，具有广泛的应用前景。本专利技术能够达到的技术指标主要有：(1)工作波段：3μm～5μm，8μm～12μm；(2)校准点数：≥20个；(3)稳定性：0.4K/h；(4)辐射温度范围及测量不确定度：270K～750K，测量不确定度0.5K(k＝2)(环境温度248K～252K)；(5)发射率测量不确定度：0.03(k＝2)；(6)环境要求：温度范围250K～300K，真空度优于5×10－3Pa。附图说明图1为本专利技术空间环境下定量化标定及量值传递系统组成原理图。图2为本专利技术空间环境模拟系统组成图。图3为本专利技术真空标准辐射源发射腔腔型示意图。图4为本专利技术真空标准辐射源加热制冷模块示意图。图5为本专利技术真空标准辐射源控制系统原理图。图6为本专利技术红外辐射计工作原理框图；图7为本专利技术光学系统结构示意图。图8为本专利技术常温常压下光学设计结果；图9为本专利技术真空低温条件下光学设计结果；图10为本专利技术外标定源辐射部件结构图；图11为本专利技术调制扇及加热结构图；图12为本专利技术标定源控制器工作原理框图；图13为探测器D＊曲线图；图14为锁相放大器原理框图；图15为本专利技术红外辐射计信号采集/处理、传输以及软件工作原理框图；图16为本专利技术辐射计测量示意图；图17为本专利技术空间环境试校准及性能验证图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的最佳实施例作进一步描述：本专利技术空间环境下定量化标定及量值传递系统组成原理图如附图1所示，包括空间环境模拟舱1、校准源2、真空平移台及转台3、光路折转镜4、真空标准辐射源5、测量窗口6、量值传递用辐射计7、高精度供电系统等，其中量值传递用辐射计7包括红外光谱辐射计和红外积分辐射计。所述真空标准辐射源5为标准辐射源，位于空间环境模拟舱1壁，通过密封法兰与空间环境模拟舱1连接。所述的校准源2，即为标定及量值溯源的对象，一般为红外光源，利用本专利技术可对其辐射温度、辐射温场均匀性、辐射方向、辐射光谱特性等各类特性的定量标定，同时可实现功率与温度之间的曲线标定，完成标定后的校准源，可作为标准源实现星载红外载荷的辐射参数在轨校准或地面校准。所述校准源2位于空间环境模拟舱1内的真空平移台及转台3上，所述真空平移台及转台3实现运动功能，为校准源2定量标定过程中的量值比对和辐射方向特性标定提供平移、转动等辅助功能。所述的光路折转镜4为光路切换机构，为光学反射镜面，将校准源2或真本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，包括空间环境模拟舱(1)、校准源(2)、真空平移台及转台(3)、光路折转镜(4)、真空标准辐射源(5)、测量窗口(6)、量值传递用辐射计(7)和供电系统；/n所述真空标准辐射源(5)为系统计量标准辐射源，位于空间环境模拟舱(1)壁；/n所述校准源(2)为标定及量值传递溯源的对象，为红外光源，位于空间环境模拟舱(1)内的真空平移台及转台(3)上；/n所述真空平移台及转台(3)为校准源(2)提供平移、转动功能；/n所述的光路折转镜(4)为光路切换机构，为光学反射镜面，将校准源(2)或真空标准辐射源(5)发出的红外辐射光反射，经测量窗口(6)射入量值传递用辐射计(7)；/n所述量值传递用辐射计(7)包括红外光谱辐射计和红外积分辐射计，所述红外光谱辐射计用于测量校准源(2)和真空标准辐射源(5)在特定波段内的光谱特性，实现校准源(2)的光谱特性校准；所述红外积分辐射计用于测量校准源(2)和真空标准辐射源(5)在特定波段内的积分辐射特性，实现校准源(2)的积分辐射特性校准。/n

【技术特征摘要】
1.一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，包括空间环境模拟舱(1)、校准源(2)、真空平移台及转台(3)、光路折转镜(4)、真空标准辐射源(5)、测量窗口(6)、量值传递用辐射计(7)和供电系统；
所述真空标准辐射源(5)为系统计量标准辐射源，位于空间环境模拟舱(1)壁；
所述校准源(2)为标定及量值传递溯源的对象，为红外光源，位于空间环境模拟舱(1)内的真空平移台及转台(3)上；
所述真空平移台及转台(3)为校准源(2)提供平移、转动功能；
所述的光路折转镜(4)为光路切换机构，为光学反射镜面，将校准源(2)或真空标准辐射源(5)发出的红外辐射光反射，经测量窗口(6)射入量值传递用辐射计(7)；
所述量值传递用辐射计(7)包括红外光谱辐射计和红外积分辐射计，所述红外光谱辐射计用于测量校准源(2)和真空标准辐射源(5)在特定波段内的光谱特性，实现校准源(2)的光谱特性校准；所述红外积分辐射计用于测量校准源(2)和真空标准辐射源(5)在特定波段内的积分辐射特性，实现校准源(2)的积分辐射特性校准。


2.根据权利要求1所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，还包括空间环境模拟综合控制系统，所述空间环境模拟综合控制系统包括泵子系统、阀子系统、传感及反馈子系统、制冷及加热子系统；所述传感及反馈子系统对空间环境模拟舱的环境参数进行监控，根据需要控制环境状态，输出控制信号，控制泵子系统和阀子系统，从而实现环境气压的控制，同时输出控制信号作为制冷和加热子系统的输入信号，从而控制加热和制冷功率，实现环境温度的控制。


3.根据权利要求1所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，所述空间环境模拟舱(1)为双层舱，内外舱壁夹层内设置真空加热和制冷部件，其中加热采用电加热方式，制冷采用液氮制冷方式。


4.根据权利要求1或3所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，所述空间环境模拟舱(1)内部喷涂高发射率涂层。


5.根据权利要求1所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，所述校准源(2)位于校准环境舱(8)内，所述校准环境舱(8)用于模拟校准源(2)工作过程中所处的实际环境。


6.根据权利要求1所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，所述空间环境模拟舱(1)放置于气浮减震平台(9)上。


7.根据权利要求6所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，所述气浮减震平台(9)为气浮式隔振光学平台，为台面和支撑两部分，台面为铁磁不锈钢，内部采用蜂窝结构，支撑部分采用气浮式支撑。


8.根据权利要求1所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，所述光路折转镜(4)安装于旋转结构上，旋转结构与光学镜片膨胀系数接近，采用柔性连接。


9.根据权利要求1或8所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，所述光路折转镜(4)基底材料为低热膨胀系数的材料，表面镀相应波段的高反射膜。


10.根据权利要求1所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，所述测量窗口(6)采用液氮制冷。


11.根据权利要求1所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，包括：所述真空标准辐射源(5)包括辐射模块、加热制冷模块、控制器，所述辐射模块用于产生红外辐射；加热制冷模块用于对所述辐射模块进行制冷或加热；控制器用于控制加热制冷模块对所述辐射模块进行制冷或加热，使所述辐射模块维持预设温度，以使所述辐射模块产生与预设温度对应的红外辐射。


12.根据权利要求11所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，所述真空标准辐射源(5)辐射模块包括辐射腔，所述辐射腔腔型为锥口圆柱内锥腔，腔底锥角设计为120°。


13.根据权利要求12所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，所述辐射腔腔体加工成同心螺纹，材料全部为紫铜材料。


14.根据权利要求12所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，所述加热制冷模块主要包括：加热器(401)、制冷系统(402)、温度传感器(404)、隔热层(403)；所述辐射腔、加热器(401)紧密接触，外层为隔热层(403)；所述温度传感器(404)位于加热器(401)底部的安装孔内；
所述加热器(401)、温度传感器(404)、隔热层(403)位于支撑框内，所述制冷系统(402)用于对支撑框进行制冷；
所述制冷系统(402)采用封闭循环制冷，包括：制冷液存储罐、循环泵、制冷器、低温比例电磁阀和管路。


15.根据权利要求14所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，所述控制器为PID控制器，通过温度传感器时时采集辐射腔内温度，传送给控制器与设定温度进行比较，采用PID控制，输出控制信号，改变低温比例电磁阀的开度，自动调节制冷液流量以改变辐射腔制冷效率，同时改变功率输出部件的输出功率，从而调节加热器功率，实现辐射腔制冷和温度稳定的闭环控制。


16.根据权利要求1所述的一种空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统，其特征在于，所述红外积分辐射计包括外标定源、光学系统、内标定源和调制扇、红外探测器组件、锁相放大器、标定源控制器、数据采集处理及控制器；
所述内标定源、外标定源用于所述红外积分辐射计定标，外标定源为真空标准黑体；内标定源为与调制扇集成的运动真空标准黑体；
所述光学系统用于收集红外辐射光线；
所述调制扇放置在光学系统与红外探测器组件之间，对被测光辐射进行调制，用于将直流光辐射调制为脉冲光辐射，并产生同步信号，作为锁相放大器的同步输入；
所述红外探测器组件自带前置放大器，所述前置放大器将红外探测器组件的输出信号进行放大，输出给锁相放大器，锁...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉国，孙红胜，张鑫，吴柯萱，孙广尉，
申请(专利权)人：北京振兴计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11