一种用于红外天光背景测量的装置和方法与流程

本发明涉及一种红外能量测量，尤其涉及一种用于红外天光背景测量的装置和方法。

背景技术：

天光又名天空背景，是宇宙背景辐射、大气发射以及大气散射的共同结果，对地基天文观测的影响非常大，特别对于红外天文观测设备，其相应的建设和设计，必须得有红外波段的背景强度监测数据，是决定红外观测设备能够达到的极限星等，评估一个候选台址是否合适建设相应设备的重要参考依据，也为将来挑选可能的观测目标提供指导。

红外天光测量的目标信号是天空的背景信号，即天光信号，属于对天文观测中噪声信号的测量，其强度十分微弱。下表为国际同行在世界上最好的几个观测站点测得的红外天光背景的强度：

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于红外天光背景测量的装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的用于红外天光背景测量的装置，包括依次连接的扫描反射镜模块、斩波器模块、光学模块、探测器模块、信号读出和数据采集模块，所述光学模块和探测器模块设有深度制冷模块，所述光学模块连接有滤光片切换模块，所述扫描反射镜模块、斩波器模块和滤光片切换模块连接有电控模块。

本发明的上述的用于红外天光背景测量的装置实现红外天光背景测量的方法：

红外天光背景信号从扫描反射镜模块进入系统，经过斩波器模块、光学模块达到探测器进行光电信号的转换探测，信号读出和数据采集模块对探测器信号进行高增益放大和模数转换，并利用数字锁相技术获得信号强度；

深度制冷模块对光学模块和探测器模块进行高真空绝热封装并提供深度制冷以减小背景辐射噪声和抑制探测器本底噪声获得更高的信噪比；

滤光片切换模块提供滤光片的切换功能，电控模块提供扫描反射镜模块的指向控制，斩波器的速度控制以及滤光片切换控制。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的用于红外天光背景测量的装置和方法，对光信号和电信号进行了一系列处理，完成对红外天光背景的测量，具有非常大的灵活性。适用于各种需要在强度极低的红外波段的能量测量，解决了微弱红外天光背景测量的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于红外天光背景测量的装置的结构框图；

图2为本发明实施例提供的用于红外天光背景测量的装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中的扫描反射镜模块结构示意图；

图4为本发明实施例中的斩波器模块示意图；

图5为本发明实施例中的光学结构示意图；

图6为本发明实施例中的光学模块示意图；

图7为本发明实施例中的滤光片切换模块示意图；

图8为本发明实施例中的电控模块框图；

图9为本发明实施例中的信号读出和数据采集模块框图。

图中：

反射平面镜1，平面镜固定结构11，转轴12，反射镜驱动电机13，扫描反射镜模块支撑结构14，轴承15；

斩波器叶片21，叶片防护罩22，斩波器驱动电机23，电感式传感器24，通光孔25，固定结构26；

反射平面镜1，封窗玻璃2，第一透镜3，第一滤光片4，第二透镜5，第三透镜6，第二滤光片7，探测器8；

光学支架31，消杂散挡板32，消杂散螺纹33，探测器支撑导热结构34，光学镜筒35，前放板36；

位置传感器41，滤光片转轮42，涡轮蜗杆43，ptee轴承44，转轮支撑结构45，刀口法兰46，磁耦合旋转导入器47，转轮驱动电机48；

单片机51，转轮电机驱动52，位置传感器41，反射镜电机驱动54，电感式传感器24，斩波器电机驱动56；

高增益放大61，模数转换62。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的用于红外天光背景测量的装置，其较佳的具体实施方式是：

包括依次连接的扫描反射镜模块、斩波器模块、光学模块、探测器模块、信号读出和数据采集模块，所述光学模块和探测器模块设有深度制冷模块，所述光学模块连接有滤光片切换模块，所述扫描反射镜模块、斩波器模块和滤光片切换模块连接有电控模块。

所述扫描反射镜模块包括反射平面镜、平面镜固定结构、转轴、反射镜驱动电机、扫描反射镜模块支撑结构、轴承；所述反射平面镜通过平面镜固定结构固定并安装在转轴的一端，所述转轴通过轴承安装在扫描反射镜模块支撑结构上，转轴的另一端安装反射镜驱动电机，反射镜驱动电机固定在扫描反射镜模块支撑结构上。

所述斩波器模块包括斩波器叶片、叶片防护罩、斩波器驱动电机、测量叶片位置和速度的电感式传感器、固定结构，所述斩波器叶片安装在斩波器驱动电机的驱动轴上，斩波器驱动电机安装在固定结构上，同时斩波器驱动电机下方安装电感式传感器，所述叶片防护罩上有通光孔并安装在斩波器叶片外面，斩波器叶片上通光孔与叶片防护罩上的通光孔对应配合。

所述光学模块包括反射平面镜、封窗玻璃、第一透镜、第一滤光片、第二透镜、第三透镜、第二滤光片和探测器，所述第一透镜、第一滤光片、第二透镜、第三透镜、第二滤光片、探测器装于所述深度制冷模块的真空绝热结构中；

红外天光背景首先经过所述反射平面镜反射经过封窗玻璃进入所述第一透镜、第二透镜、第三透镜，最后汇聚到所述探测器上，所述第二滤光片为一个低通滤光片，用于去除长波成分，所述第一滤光片用于进行测量天光的波段选择。

所述光学模块的镜筒结构中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜安装在光学镜筒上，同时光学镜筒内部设计有消杂散挡板、消杂散螺纹，所述第一滤光片安装在所述滤光片切换模块上，所述滤光片切换模块安装在光学镜筒中间部位，整个光学镜筒通过光学支架安装在深度制冷模块的真空绝热腔壁上，所述探测器通过支撑导热结构连接到制冷机冷头上。

所述滤光片切换模块包括位置传感器、滤光片转轮、涡轮蜗杆、ptee轴承、转轮支撑结构、刀口法兰、磁耦合旋转导入器和转轮驱动电机，第一滤光片4安装在滤光片转轮42上，滤光片转轮42通过ptee轴承44安装在转轮支撑结构45上，蜗轮蜗杆43安装在ptee轴承44的转动轴上，蜗杆的另一端连接到位于真空腔外的磁耦合旋转导入器47上，磁耦合旋转导入器47一端安装在刀口法兰46上，另一端安装有转轮驱动电机48，转轮驱动电机48受电控模块控制。

所述电控模块包括单片机、转轮电机驱动、位置传感器、反射镜电机驱动、斩波器电机驱动和电感式传感器，所述单片机给转轮电机驱动信号，驱动滤光片转轮电机运转，位置传感器把滤光片转轮的位置信息传送给单片机，单片机根据滤光片位置进行滤光片转轮的反馈控制和根据指令驱动滤光片转轮使滤光片转动到指定位置。单片机根据指令给反射镜电机驱动驱动信号，驱动扫描反射镜电机转动，使得扫描反射镜指向指定位置，单片机根据指令给斩波器电机驱动以驱动信号，驱动斩波器电机转动，使得斩波器叶片以指定速度转动，电感式传感器反馈斩波器叶片信号给单片机以计算斩波器叶片速度，并反馈控制斩波器电机驱动，使得斩波器叶片转动在指定速度，同时把速度反馈给数字锁相模块进行数字锁相处理。

所述信号读出和数据采集模块包括高增益放大、模数转换，所述探测器的微弱信号通过高增益放大进行放大，然后进入模数转换进行高精度模数转换，转换完的数据进入单片机，单片机根据电感式传感器给的信号计算斩波器速度，并进行数字锁相计算，获得信号的幅度值。

本发明的上述的用于红外天光背景测量的装置实现红外天光背景测量的方法，其较佳的具体实施方式是：

红外天光背景信号从扫描反射镜模块进入系统，经过斩波器模块、光学模块达到探测器进行光电信号的转换探测，信号读出和数据采集模块对探测器信号进行高增益放大和模数转换，并利用数字锁相技术获得信号强度；

深度制冷模块对光学模块和探测器模块进行高真空绝热封装并提供深度制冷以减小背景辐射噪声和抑制探测器本底噪声获得更高的信噪比；

滤光片切换模块提供滤光片的切换功能，电控模块提供扫描反射镜模块的指向控制，斩波器的速度控制以及滤光片切换控制。

包括步骤：

a、扫描反射镜指向观测天区：

扫描反射镜模块实现对0～180°天区的扫描观测，驱动电机受电控模块的控制驱动转轴旋转带动反射平面镜指向不同的天区，指向角度为0～180度；

b、入射信号交流化处理：

通过反射镜的信号进入斩波器模块，对入射信号进行交流化操作，斩波器把系统接收到的近似常值慢变光信号变换为随时间变化的光信号，并使其携带目标信息的特征，使有效信号避开噪声频段，提高信噪比；

c、对红外天光背景信号进行聚焦增强和波段选择：

交流化之后的信号进入光学模块，信号经过光学模块，最后聚焦到探测器上，使用深度制冷模块对探测器和光学镜片进行深度制冷，减少辐射噪声和探测器本底噪声，镜片的固定板使用聚四氟乙烯材料；

滤光片切换模块设置在镜筒的中部位置，整个机构设计工作在-196℃～-30℃的范围内，转轮、支架和转轴均使用低热膨胀系数的金属材料4j36；

d、对探测器和光学模块进行深度制冷：

使用深度制冷模块对光学模块和探测器进行高真空绝热封装以及深度制冷，包括真空绝热结构以及深度制冷机及相应结构；

e、对装置进行指向操作控制：

使用电控模块接收各传感器信号，对扫描反射镜指向、斩波器速度设置、滤光片切换进行控制，包括反射镜指向控制，斩波器速率控制，滤光片切换控制，完成对整个装置的指向操作控制；

f、对探测器信号进行读出和数据采集：

使用信号读出和采集模块对探测器信号进行高增益放大，模数转换之后，与斩波器速度数据一起进入数字锁相模块进行处理，获得天光背景强度数据。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明设计的红外天光背景测量装置，对红外探测器和光学系统进行高真空绝热结构设计，利用深度制冷机对探测器进行深度制冷至77k以下，抑制探测器的噪声以提高系统的信噪比；利用光学斩波器对红外天光背景信号交流化处理之后进行光学聚焦增强和波段选择；利用高增益放大器和数字锁相技术对探测器信号进行读出和数据处理，完成对天空微弱红外天光背景的测量。

本发明利用高真空绝热结构封装红外探测器和相应光学模块以及深度制冷机对探测器进行深度制冷至77k以下，抑制探测器的噪声和光学系统背景噪声；利用光学模块对天光背景系统进行聚焦，利用斩波器对所探测信号交流化并去除光学背景噪声；最后利用高增益放大器和数字锁相技术，完成微弱的红外天光背景信号的测量。

本发明的红外天光背景测量装置，包括对测量天区进行选择的扫描反射镜模块，对红外天光背景信号进行交流化的斩波器模块，汇聚红外天光背景信号和选择光学波段的光学模块，切换滤光片的滤光片切换模块，进行光电信号转换的红外探测器模块，对红外探测器和光学系统进行高真空绝热及制冷的深度制冷模块，对探测器信号进行高增益放大读出的信号读出和数据采集模块以及对扫描反射镜指向、滤光片切换、斩波器速度设置的电控模块。

本发明提出的红外天光背景测量装置，使用扫描反射镜模块对红外天光背景的测量天区进行选择，指向所需测量天区，天光背景经过扫描反射镜模块，进入斩波器模块，斩波器对入射信号交流化即由一个相对微弱稳定的信号转化为一个交流信号进入到光学模块的光学镜片进行聚焦，同时信号通过位于镜片组中间的滤光片进行波段选择，所选波段的信号经过光学模块镜片组之后汇聚到红外探测器，此探测器安装在经过深度制冷模块制冷的冷头上；信号读出和数据采集模块对红外探测器上的信号进行高增益放大后模数转换为数字信号进行数字锁相处理。为了抑制背景辐射噪声和探测器的本底噪声，探测器模块和光学模块封装在深度制冷模块的高真空绝热结构中，探测器模块和光学模块受深度制冷模块的深度制冷。电控模块控制扫描反射镜的指向，斩波器速度设定，滤光片切换。整个装置可以进行天区指向的设置，斩波器频率的设置，滤光片选择的控制，制冷机制冷温度的控制，以适应天区的选择，光学波段的选择等不同情况下的应用。

应用上述红外天光背景测量装置的方法如下：

步骤(一)扫面反射镜指向观测天区

扫描反射镜模块实现对0～180°天区的扫描观测。扫描反射镜模块由反射平面镜，反射平面镜固定结构，轴承，转轴，反射镜驱动电机和扫描反射镜模块支撑结构组成。反射镜转轴使用双轴承方案，可以最大程度减少轴承空隙所造成的角度偏差。驱动电机受电控模块的控制驱动转轴旋转带动反射平面镜指向不同的天区，指向角度为0～180度。

步骤(二)入射信号交流化处理

通过反射镜反射的信号进入斩波器模块，对入射信号进行交流化操作。斩波器把系统接收到的近似常值慢变光信号变换为随时间变化的光信号，并使其携带目标信息的某些特征(幅度、相位等)的过程，可以使有效信号避开噪声频段，提高信噪比。斩波器模块由斩波器叶片，用于位置和速度检测的电感式传感器，斩波器驱动电机，具有通光孔的叶片防护罩以及固定结构组成。

步骤(三)对红外天光背景信号进行聚焦增强和波段选择

交流化之后的信号进入光学模块，光学模块由1片封窗玻璃，3片透镜，一片可调宽带滤光片，一片固定截止波长的低通滤光片组成。信号经过光学模块，最后聚焦到探测器上。整个光学镜片组封装在高真空绝热结构中构成一体化镜筒，并使用深度制冷模块对探测器和光学镜片进行深度制冷，减少辐射噪声和探测器本底噪声。镜片的固定板则使用聚四氟乙烯(ptfe)材料。该材料具有优良的真空性能，在室温下的蒸汽压和放气率很低，在25℃时的蒸汽压为10^-4pa，该材料摩擦系数很小，属于自给润滑型的氟塑料材料，可用于镜片的固定，即使在-80℃的低温下也能保持韧性。

滤光片切换模块设置在镜筒的中部位置，其设计尽可能的减小缝隙以减少杂散光的进入。红外天光强度测量首先安装三个波段的滤光片，因此需要设置四个孔位，其中一个孔位可用于测试探测器在其他波段或者波长的入射光的响应。设计采用转轮式结构实现滤光片的切换，整个机构设计工作在-196℃～-30℃的范围内，转轮、支架和转轴均使用低热膨胀系数的金属材料4j36。滤光片切换模块由滤光片转轮，位置传感器，转轴，驱动杆，真空转轴贯通件以及转轮驱动电机组成。转轮驱动电机受电控模块控制选择滤光片。

步骤(四)对探测器和光学模块进行深度制冷

使用深度制冷模块对光学模块和探测器高真空绝热封装以及深度制冷，包括真空绝热结构以及深度制冷机及相应结构。

步骤(五)对装置进行指向操作控制

使用电控模块接收各传感器信号，对扫描反射镜指向、斩波器速度设置、滤光片切换进行控制，包括反射镜指向控制，斩波器速率控制，滤光片切换控制等，完成对整个装置的指向操作控制。

步骤(六)对探测器信号进行读出和数据采集

使用信号读出和采集模块对探测器信号进行高增益放大，模数转换之后，与斩波器速度数据一起进入数字锁相模块进行处理，获得天光背景强度数据。此模块包括高增益前放板，由高精度adc，单片机组成的数据获取和处理板。

本装置对光信号和电信号进行了一系列的处理，完成对红外天光背景的测量。其控制部分和数据处理部分在单片机中实现，具有非常大的灵活性，成本低廉。

具体实施例：

如图1所示为本发明的红外天光背景测量装置的结构框图,包括扫描反射镜模块，斩波器模块，光学模块，探测器模块，深度制冷模块，滤光片切换模块，电控模块以及信号读出和数据采集模块组成。红外天光背景信号从扫描反射镜模块进入系统，经过斩波器模块，光学模块，达到探测器进行光电信号的转换探测，信号读出和数据采集模块对探测器信号进行高增益放大和模数转换，并利用数字锁相技术获得信号强度。深度制冷模块对光学模块和探测器模块进行高真空绝热封装并提供深度制冷以减小背景辐射噪声和抑制探测器本底噪声获得更高的信噪比。滤光片切换模块提供滤光片的切换功能，电控模块提供扫描反射镜模块的指向控制，斩波器的速度控制以及滤光片切换控制。图2为本发明的结构示意图。

扫描反射镜模块如图3所示，由反射平面镜1，平面镜固定结构11，转轴12，反射镜驱动电机13，扫描反射镜模块支撑结构14，轴承15组成。反射平面镜通过平面镜固定结构11固定，并安装在转轴12的一端，转轴12通过轴承15安装在扫描反射镜模块支撑结构14上，转轴12的另一端安装反射镜驱动电机13，同样固定在扫描反射镜模块支撑结构14上。

斩波器模块如图4所示，由斩波器叶片21，叶片防护罩22，斩波器驱动电机23，电感式传感器24，通光孔25和固定结构26构成。斩波器叶片21安装在斩波器驱动电机23的驱动轴上，斩波器驱动电机23安装在固定结构26上，同时斩波器驱动电机23下方安装用于测量叶片位置和速度的电感式传感器24，叶片防护罩22上有通光孔25，安装在斩波器叶片21外面，安装时，斩波器叶片21的通光孔和叶片防护罩22上的通光孔25配合好。

本发明的光学结构如图5所示，由反射平面镜1，封窗玻璃2，第一透镜3，第一滤光片4，第二透镜5，第三透镜6，第二滤光片7，探测器8组成。第一透镜3，第一滤光片4，第二透镜5，第三透镜6，第二滤光片7，探测器8在深度制冷模块的高真空绝热结构中。红外天光背景首先经过反射平面镜1反射经过封窗玻璃2进入透镜镜片组3，5，6，最后汇聚到探测器8上，第二滤光片7为一个低通滤光片，去除长波泄漏，第一滤光片4进行测量天光的波段选择。配合图5的光学结构，光学模块的镜筒结构如图6所示，由第一透镜3，第二透镜5，第三透镜6，第一滤光片4，光学镜筒35，光学支架31，消杂散挡板32，消杂散螺纹33，滤光片切换模块，探测器8，探测器支撑导热结构34，前放板36组成。第一透镜3，第二透镜5，第三透镜6安装在光学镜筒35上，同时光学镜筒35内部设计有消杂散挡板32，消杂散螺纹33，第一滤光片4安装在滤光片切换模块上，滤光片切换模块安装在光学镜筒35中间部位。整个光学镜筒通过光学支架31安装在深度制冷模块的真空绝热腔壁上，探测器通过支撑导热结构连接到制冷机冷头上。

滤光片切换模块如图7所示，由位置传感器41，滤光片转轮42，涡轮蜗杆43，耐低温的ptee轴承44，转轮支撑结构45，刀口法兰46，磁耦合旋转导入器47和转轮驱动电机48组成。第一滤光片4安装在滤光片转轮42上，滤光片转轮42通过ptee轴承44安装在转轮支撑结构45上，蜗轮蜗杆43安装在ptee轴承44的转动轴上，蜗杆的另一端连接到位于真空腔外的磁耦合旋转导入器47上，磁耦合旋转导入器47一端安装在刀口法兰46上，另一端安装有转轮驱动电机48，转轮驱动电机48受电控模块控制。

电控模块如图8所示，由中心控制的单片机51，驱动滤光片转轮的转轮电机驱动52，采集滤光片位置的位置传感器41，驱动扫描反射镜指向的反射镜电机驱动54，驱动斩波器转动的斩波器电机驱动56和采集斩波器位置和速度的电感式传感器24构成。单片机51给转轮电机驱动52信号，驱动滤光片转轮电机运转，位置传感器41把滤光片转轮的位置信息传送给单片机51，单片机51根据滤光片位置进行滤光片转轮的反馈控制和根据指令驱动滤光片转轮使滤光片转动到指定位置。单片机51根据指令给反射镜电机驱动54驱动信号，驱动扫描反射镜电机转动，使得扫描反射镜指向指定位置。单片机51根据指令给斩波器电机驱动56以驱动信号，驱动斩波器电机转动，使得斩波器叶片以指定速度转动，电感式传感器24反馈斩波器叶片信号给单片机51以计算斩波器叶片速度，并反馈控制斩波器电机驱动56，使得斩波器叶片转动在指定速度，同时把速度反馈给数字锁相模块进行数字锁相处理。

信号读出和数据采集模块如图9所示，由探测器8，高增益放大61，模数转换62，单片机51和电感式传感器24组成。探测器8的微弱信号通过高增益放大61进行放大，然后进入模数转换62进行高精度模数转换，转换完的数据进入单片机51，单片机51根据电感式传感器24给的信号计算斩波器速度，并进行数字锁相计算，获得信号的幅度值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。