一种全液冷中波红外光学成像装置

1.本发明涉及红外热成像技术领域，具体涉及一种全液冷中波红外光学成像装置。


背景技术：

2.红外热成像技术在军事、天文、气象等各个领域有着越来越广泛的应用，随着制冷型红外探测技术的发展，对在多云、高温及强降雨等复杂气象条件下清晰成像提出更高的要求。但由于红外相机自身的功耗，结构件散热或者其光学系统的曲率、厚度和间隔也会随所处空间温度而改变，严重影响光学系统的成像质量。特别是无人智能化、复杂气象环境下连续工作优于24小时等军事上的迫切需求，红外相机需要进行全自动非均匀性校正设计。
3.目前，现有常规红外相机非均匀性校正方法主要有：1、利用校正挡片机构；2、对天空背景，调取相机映射表。然而在一些恶劣天气环境中，校正挡片温度分布不均匀、天空背景亮度不均匀、调取相机映射表抑制背景噪声能力有限等因素，进而影响非均匀性校正结果，降低中波红外光学镜头的成像质量，无法实现对远距离目标的清晰成像以及红外标定前的均匀校正，无法满足多云、高温及强降雨等复杂气象条件下的均匀校正。
4.公开号为cn114323307a的中国专利《一种红外标定装置以及测试设备》所提出的校正装置，通过半导体控温实现容置腔呈棋盘格排列，可使红外标定装置温度均匀。但是该装置仍然无法实现红外标定前的均匀校正，特别是在背景温差较大的情况下仍然会出现棋盘格温度不均匀的情况，无法实现在复杂气象条件下无人值守、便捷的光学校正。公开号为cn105552695a的中国专利《一种用于真空环境下的光学元件水冷装置》提出了一种反射式水冷装置，解决了真空环境下光学元件的散热问题。但是该装置是针对反射式光学元件的水冷结构，无法实现在复杂气象条件下的整机以及透射式光学元件制冷。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种全液冷中波红外光学成像装置，以解决现有常规红外相机非均匀性校正方法存在的受环境温度影响导致的成像质量下降以及校正不均匀、非均匀性校正难的问题。
6.本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：本发明的一种全液冷中波红外光学成像装置，包括：液冷壳体机构、中波红外相机、非均匀校正挡片机构、透射式光学元件液冷机构和液冷管组件；所述中波红外相机、非均匀校正挡片机构、透射式光学元件液冷机构和液冷管组件均安装在液冷壳体机构内部；所述非均匀校正挡片机构位于中波红外相机和透射式光学元件液冷机构之间；所述液冷壳体机构和透射式光学元件液冷机构之间通过液冷管组件相连。
7.进一步的，所述液冷壳体机构包括：壳体底板、安装在壳体底板左右两端的两个壳体面板、与两个壳体面板相连的三个液冷板机构；所述中波红外相机、非均匀校正挡片机构和透射式光学元件液冷机构均安装在壳体底板上。
8.进一步的，三个液冷板机构中，第一个液冷板机构安装在两个壳体面板上端，第二
个液冷板机构安装在两个壳体面板前端，第三个液冷板机构安装在两个壳体面板后端。
9.进一步的，每个液冷板机构包括：液冷底板、设置在液冷底板上的连接框架、设置在液冷底板上且位于连接框架内部的第一液冷槽、安装在连接框架上的液冷压盖、设置在液冷底板上的第一进液弯头和第一出液弯头、设置在液冷压盖上的散热片；所述第一进液弯头和第一出液弯头分别与第一液冷槽两端相连。
10.进一步的，三个液冷板机构中，第一个液冷板机构中第一液冷槽的第一出液弯头与第二个液冷板机构中第一液冷槽的第一进液弯头通过液冷管相连，第二个液冷板机构中第一液冷槽的第一出液弯头与第三个液冷板机构中第一液冷槽的第一进液弯头通过液冷管相连。
11.进一步的，所述液冷管组件包括：内腔进液弯头、内腔出液弯头、第一液冷管、第二液冷管和第三液冷管；所述内腔进液弯头和内腔出液弯头均安装在第三个液冷板机构内壁上，所述内腔进液弯头和内腔出液弯头通过第一液冷管、第二液冷管和第三液冷管与透射式光学元件液冷机构相连。
12.进一步的，所述透射式光学元件液冷机构包括：安装在壳体底板上的镜架、分别安装在镜架左右两端的第一透射液冷镜座和第二透射液冷镜座、对称安装在镜架左端上表面的第一透射进液弯头和第一透射出液弯头、对称安装在镜架右端上表面的第二透射出液弯头和第二透射进液弯头；所述第一透射液冷镜座外表面设有第二液冷槽；所述第一透射液冷镜座用于安装中波红外相机镜头中的透射式光学元件镜组一；所述第二透射液冷镜座外表面设有第三液冷槽；所述第二透射液冷镜座用于安装中波红外相机镜头中的透射式光学元件镜组二。
13.进一步的，所述第三个液冷板机构中第一液冷槽的第一出液弯头与内腔进液弯头通过液冷管相连，内腔进液弯头与第一透射进液弯头通过第一液冷管相连，第一透射出液弯头与第二透射进液弯头通过第二液冷管相连，第二透射出液弯头与内腔出液弯头通过第三液冷管相连，第一个液冷板机构中第一液冷槽的第一进液弯头与内腔出液弯头通过液冷管相连。
14.进一步的，所述非均匀校正挡片机构包括：安装在壳体底板上的底座、垂直安装在底座上的第一安装架和第二安装架、安装在第一安装架上端左侧的驱动电机、安装在第二安装架上端右侧的电位计、两端分别通过轴承安装在第一安装架和第二安装架上端左侧的旋转轴、套装在旋转轴中间位置的把轮，所述把轮位于第一安装架和第二安装架之间，所述驱动电机输出轴和电位计测量端分别与旋转轴两端相连；所述把轮圆周方向上设有多个均匀分布的安装孔，其中一个安装孔作为通光孔，其他安装孔中均安装有遮光片；校正时，启动驱动电机驱动把轮旋转使不同遮光片对准中波红外相机，校正完成后，启动驱动电机驱动把轮旋转使空白的安装孔对准中波红外相机。
15.进一步的，所述液冷压盖与连接框架连接处安装密封条进行静密封；所述第一透射液冷镜座与镜架连接处安装密封圈进行静密封；所述第二透射液冷镜座与镜架连接处安装密封圈进行静密封。
16.本发明的有益效果是：1、通过透射式光学元件液冷机构的设计，可有效降低内部透射式光学元件温度，使光学镜片处于低温恒温状态，保持光学镜片温度恒定，有效地抑制环境温度变化对中波
红外相机镜头成像质量的影响，提升中波红外相机镜头在复杂气象条件下的工作性能以及环境适应能力，提高成像质量。
17.2、通过液冷壳体机构的设计，实现对液冷壳体以及中波红外相机的整体全液冷控温功能，可有效抑制环境温度变化对内部中波红外相机性能的影响，保证非均匀校正挡片机构温度均匀，从而抑制液冷壳体、中波红外相机镜头受热不均匀产生的变形以及非均匀校正挡片机构温度不均匀化的问题。
18.3、通过液冷壳体机构的设计，可使内部非均匀校正挡片机构不再受外部环境温度变化的影响，提高了非均匀校正挡片机构抵抗环境温度变化的能力，从而提高非均匀校正挡片机构对全液冷中波红外光学成像装置的非均匀校正效果，实现对远距离目标的清晰成像。
19.4、本发明实现了全液冷中波红外光学成像装置的全液冷设计，能够保持装置腔内温度恒定，使装置不再受环境温度变化的影响，提高了全液冷中波红外光学成像装置对多云、高温及强降雨等复杂气象条件的工作性能和环境适应能力；与现有技术相比，本发明的图像亮暗不均匀度降低4倍以上，提升了复杂气象条件下全液冷中波红外光学成像装置连续工作24小时的成像质量。
20.5、本发明结构简单，易于实现。
附图说明
21.图1为本发明的一种全液冷中波红外光学成像装置的立体结构示意图。
22.图2为本发明的一种全液冷中波红外光学成像装置的内部结构示意图。
23.图3为液冷壳体机构的立体结构示意图。
24.图4为液冷板机构的结构示意图。
25.图5为液冷底板的结构示意图。
26.图6为透射式光学元件液冷机构的立体结构示意图。
27.图7为透射式光学元件液冷机构的剖面图。
28.图8为第一透射液冷镜座的结构示意图。
29.图9为第二透射液冷镜座的结构示意图。
30.图10为非均匀校正挡片机构的立体结构示意图。
31.图11为非均匀校正挡片机构的剖面图。
32.图12为本发明的一种全液冷中波红外光学成像装置的光学图像校正效果图。图中，a-e表示图像中的不同位置。
33.图中，1、液冷壳体机构，1.1、液冷板机构，1.2、壳体面板，1.3、壳体底板，1.1.1、第一进液弯头，1.1.2、第一出液弯头，1.1.3、液冷压盖，1.1.4、液冷底板，1.1.5、第一液冷槽，1.1.6、连接框架，1.1.7、散热片；2、中波红外相机；3、非均匀校正挡片机构，3.1、驱动电机，3.2、旋转轴，3.3、把轮，3.4、遮光片，3.5、电位计，3.6、支架，3.7、第一轴承，3.8、第二轴承；4、透射式光学元件液冷机构，4.1、第一透射液冷镜座，4.2、第一透射进液弯头，4.3、第一透射出液弯头，4.4、镜架，4.5、第二透射出液弯头，4.6、第二透射进液弯头，4.7、
第二透射液冷镜座；5、液冷管组件，5.1、内腔进液弯头，5.2、内腔出液弯头，5.3、第一液冷管，5.4、第二液冷管，5.5、第三液冷管。
具体实施方式
34.以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
35.如图1和图2所示，本发明的一种全液冷中波红外光学成像装置，主要包括：液冷壳体机构1、中波红外相机2、非均匀校正挡片机构3、透射式光学元件液冷机构4和液冷管组件5。其中，中波红外相机2采用现有技术。中波红外相机2、非均匀校正挡片机构3、透射式光学元件液冷机构4和液冷管组件5均安装在液冷壳体机构1内部，中波红外相机2位于液冷壳体机构1内部左侧，透射式光学元件液冷机构4位于液冷壳体机构1内部右侧，非均匀校正挡片机构3位于中波红外相机2和透射式光学元件液冷机构4之间；液冷壳体机构1和透射式光学元件液冷机构4之间通过液冷管组件5相连，使透射式光学元件液冷机构4与液冷壳体机构1相连通，实现全液冷设计。
36.如图3所示，液冷壳体机构1主要包括：液冷板机构1.1、壳体面板1.2、壳体底板1.3和安装孔1.4。壳体面板1.2的数量为两个，其中一个壳体面板1.2上设置有安装孔1.4；两个壳体面板1.2分别安装在壳体底板1.3左右两端；液冷板机构1.1的数量为三个，这三个液冷板机构1.1的结构组成均相同；其中第一个液冷板机构1.1安装在两个壳体面板1.2上端；第二个液冷板机构1.1安装在两个壳体面板1.2前端，第二个液冷板机构1.1下端安装在壳体底板1.3前端；第三个液冷板机构1.1安装在两个壳体面板1.2后端，第三个液冷板机构1.1下端安装在壳体底板1.3后端；中波红外相机2、非均匀校正挡片机构3、透射式光学元件液冷机构4均安装在壳体底板1.3上。
37.如图4和图5所示，每个液冷板机构1.1均包括：第一进液弯头1.1.1、第一出液弯头1.1.2、液冷压盖1.1.3、液冷底板1.1.4、第一液冷槽1.1.5、连接框架1.1.6和散热片1.1.7；连接框架1.1.6设置在液冷底板1.1.4外表面，第一液冷槽1.1.5设置在液冷底板1.1.4外表面，并且第一液冷槽1.1.5位于连接框架1.1.6内部；液冷压盖1.1.3安装在连接框架1.1.6上，将第一液冷槽1.1.5封装于液冷压盖1.1.3内部，同时，液冷压盖1.1.3与连接框架1.1.6的连接处加装密封条进行静密封，防止液体泄露；液冷压盖1.1.3上设置有散热片1.1.7，以增加散热面积；第一进液弯头1.1.1和第一出液弯头1.1.2均设置在液冷底板1.1.4上表面边缘；第一进液弯头1.1.1和第一出液弯头1.1.2分别与第一液冷槽1.1.5两端相连。通过在液冷板机构1.1内循环足够量的冷却液可实现全液冷中波红外光学成像装置腔内温度恒定设计。
38.三个液冷板机构1.1中的第一液冷槽1.1.5通过串联方式相连，使冷却液循环流动，实现液冷壳体机构1的循环液冷功能。其中，第一个液冷板机构1.1中的第一液冷槽1.1.5、第二个液冷板机构1.1中的第一液冷槽1.1.5和第三个液冷板机构1.1中的第一液冷槽1.1.5通过各自的第一进液弯头1.1.1和第一出液弯头1.1.2以及液冷管串联在一起。具体的，第一个第一液冷槽1.1.5的第一出液弯头1.1.2与第二个第一液冷槽1.1.5的第一进液弯头1.1.1通过液冷管相连，第二个第一液冷槽1.1.5的第一出液弯头1.1.2与第三个第一液冷槽1.1.5的第一进液弯头1.1.1通过液冷管相连。
39.如图2所示，液冷管组件5主要包括：内腔进液弯头5.1、内腔出液弯头5.2、第一液冷管5.3、第二液冷管5.4和第三液冷管5.5。其中，内腔进液弯头5.1、内腔出液弯头5.2均安装在三个液冷板机构1.1中第三个液冷板机构1.1内壁上，内腔进液弯头5.1、内腔出液弯头5.2通过第一液冷管5.3、第二液冷管5.4和第三液冷管5.5与透射式光学元件液冷机构4相连。
40.如图6至图9所示，透射式光学元件液冷机构4主要包括：第一透射液冷镜座4.1、第一透射进液弯头4.2、第一透射出液弯头4.3、镜架4.4、第二透射出液弯头4.5、第二透射进液弯头4.6和第二透射液冷镜座4.7；镜架4.4安装在壳体底板1.3上；第一透射液冷镜座4.1和第二透射液冷镜座4.7分别安装在镜架4.4左右两端，第一透射进液弯头4.2和第一透射出液弯头4.3对称安装在镜架4.4左端上表面，第二透射出液弯头4.5和第二透射进液弯头4.6对称安装在镜架4.4右端上表面。第一透射液冷镜座4.1内部中空，第一透射液冷镜座4.1内部设置有透射式光学元件安装孔一4.1.2，中波红外相机2镜头中的透射式光学元件镜组一2.1安装在第一冷却镜座4.1内部的透射式光学元件安装孔一4.1.2中；第一透射液冷镜座4.1右端外表面设置有第二液冷槽4.1.1，第一透射进液弯头4.2和第一透射出液弯头4.3分别与第二液冷槽4.1.1两端相连；第二透射液冷镜座4.7内部中空，第二透射液冷镜座4.7内部设置有透射式光学元件安装孔二4.7.2，中波红外相机2镜头中的透射式光学元件镜组二2.2安装在第二透射液冷镜座4.7内部的透射式光学元件安装孔二4.7.2中，并且透射式光学元件镜组二2.2中最外侧光学镜片位于安装孔1.4中；第二透射液冷镜座4.7外表面设置有第三液冷槽4.7.1，第二透射出液弯头4.5和第二透射进液弯头4.6分别与第三液冷槽4.7.1两端相连；镜架4.4内部中空，镜架4.4左端内部设置有第一透射液冷镜座安装孔，第一透射液冷镜座4.1右端插入镜架4.4的第一透射液冷镜座安装孔中并用螺钉压紧，第一透射液冷镜座4.1与镜架4.4的连接处加装o型密封圈，可实现静密封，防止液体泄露；镜架4.4右端内部设置有第二透射液冷镜座安装孔，第二透射液冷镜座4.7插入镜架4.4的第二透射液冷镜座安装孔中并用螺钉压紧，第二透射液冷镜座4.7与镜架4.4的连接处加装o型密封圈，可实现静密封，防止液体泄露。
41.第三个第一液冷槽1.1.5的第一出液弯头1.1.2与内腔进液弯头5.1通过液冷管相连，内腔进液弯头5.1与第一透射进液弯头4.2通过第一液冷管5.3相连，第一透射出液弯头4.3与第二透射进液弯头4.6通过第二液冷管5.4相连，第二透射出液弯头4.5与内腔出液弯头5.2通过第三液冷管5.5相连，第一个第一液冷槽1.1.5的第一进液弯头1.1.1与内腔出液弯头5.2通过液冷管相连。
42.冷却液循环过程：冷却液通过第一个第一液冷槽1.1.5的第一进液弯头1.1.1一次性注入，然后依次经过第一个第一液冷槽1.1.5、第一个第一液冷槽1.1.5的第一出液弯头1.1.2、第二个第一液冷槽1.1.5的第一进液弯头1.1.1、第二个第一液冷槽1.1.5、第二个第一液冷槽1.1.5的第一出液弯头1.1.2、第三个第一液冷槽1.1.5的第一进液弯头1.1.1、第三个第一液冷槽1.1.5、第三个第一液冷槽1.1.5的第一出液弯头1.1.2循环后进入内腔进液弯头5.1，再依次通过第一液冷管5.3、第一透射进液弯头4.2、第二液冷槽4.1.1、第一透射出液弯头4.3、第二液冷管5.4、第二透射进液弯头4.6、第三液冷槽4.7.1、第二透射出液弯头4.5、第三液冷管5.5、内腔出液弯头5.2循环后进入第一个第一液冷槽1.1.5的第一进液弯头1.1.1，由
此完成一个循环过程。通过冷却液的循环流动，实现透射式光学元件液冷机构4的整体控温功能，冷却液的流量可根据控温要求和光学结构进行设计。
43.如图10和图11所示，非均匀校正挡片机构3采用圆周式切换设计，主要包括：驱动电机3.1、旋转轴3.2、把轮3.3、遮光片3.4、电位计3.5、支架3.6、第一轴承3.7和第二轴承3.8；支架3.6安装在壳体底板1.3上；支架3.6主要包括：底座3.6.1、第一安装架3.6.2和第二安装架3.6.3，底座3.6.1安装在壳体底板1.3上，第一安装架3.6.2和第二安装架3.6.3均垂直安装在底座3.6.1上；驱动电机3.1安装在第一安装架3.6.2上端左侧；电位计3.5安装在第二安装架3.6.3上端右侧；旋转轴3.2通过轴承安装在支架3.6上，即旋转轴3.2一端通过第一轴承3.7安装在第一安装架3.6.2上端左侧，第一轴承3.7外环固定在第一安装架3.6.2内孔中，第一轴承3.7内环固定在旋转轴3.2上；旋转轴3.2另一端通过第二轴承3.8安装在第二安装架3.6.3上端左侧，第二轴承3.8外环固定在第二安装架3.6.3内孔中，第二轴承3.8内环固定在旋转轴3.2上；驱动电机3.1输出轴与旋转轴3.2一端相连，电位计3.5测量端与旋转轴3.2另一端相连；把轮3.3中心孔套装在旋转轴3.2中间位置，把轮3.3位于第一安装架3.6.2和第二安装架3.6.3之间，把轮3.3的四分之三露出第一安装架3.6.2和第二安装架3.6.3，把轮3.3剩余四分之一被第一安装架3.6.2和第二安装架3.6.3遮挡。沿着把轮3.3圆周方向上设置有多个均匀分布的安装孔，在本实施方式中，设置有6个安装孔，其中5个安装孔中均可安装遮光片3.4，另外1个安装孔中不安装任何部件作为通光孔；校准时可根据实际工况旋转把轮3.3，使用遮光片3.4对准中波红外相机2的主光路实现遮挡，即遮光片3.4两面分别对准中波红外相机2的光电探测器探测窗口和中波红外相机2镜头，进行非均匀校正；校准完成后，驱动电机3.1带动旋转轴3.2旋转把轮3.3，将未安装任何部件的安装孔即通光孔对准中波红外相机2的主光路实现通光；启动驱动电机3.1带动旋转轴3.2转动，同时带动把轮3.3、电位计3.5一起转动，电位计3.5用于测量把轮3.3旋转角度，通过闭环控制可实现把轮3.3的精确转动。
44.为了验证本发明的一种全液冷中波红外光学成像装置的有效性，通过以下试验验证了本发明的校正效果，所得校正数据如表1所示，校正结果如图12所示，利用本发明的一种全液冷中波红外光学成像装置校正后，图像亮暗不均匀度为14.4%；与现有技术进行对比可知，本发明的图像亮暗不均匀度降低4倍以上，提升了复杂气象条件下全液冷中波红外光学成像装置连续工作24小时的成像质量，大大提升了全液冷中波红外光学成像装置对多云、高温及强降雨等复杂气象条件的环境适应能力，提高了全液冷中波红外光学成像装置的成像质量和工作性能。
45.表1在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
46.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。