本发明涉及光谱仪背景噪声处理领域，特别涉及一种光谱仪背景噪声抑制系统。
背景技术：
光谱成像仪是一种图谱合一的光电仪器，能够同时获取目标的光谱信息和空间几何信息，系统信噪比是表征仪器辐射灵敏度的重要指标，影响仪器系统信噪比的因素有很多，例如仪器工作条件、仪器设计参数、仪器噪声(目标信号光子噪声，背景噪声，电路随机干扰噪声)等。在以上三项影响因素中，前两项与信噪比的关系可以直接用信噪比计算模型直接计算出，仪器噪声中的信号光子噪声由入射光信号确定，而背景噪声难于用固定的模型计算得出，也容易被忽视，背景噪声的影响根据仪器的工作波段、工作状态等因素有关，一般当入射信号远远高于仪器背景辐射信号贡献时，可以忽略仪器的背景辐射影响，当仪器的背景辐射高于或接近入射光辐射强度的影响时，背景辐射对信噪比的影响是不容忽视的，尤其是对与大气探测类高光谱分辨率的仪器，强辐射背景下的弱吸收信号探测必须考虑降低仪器背景辐射影响的措施。
发明人通过研究发现，对光谱仪器自身的光机结构辐射对于系统辐射灵敏度的影响究竟有多显著，可根据高光谱成像仪的结构特点来分析，光谱仪的光机结构通常由光学镜片、狭缝、分光元件(通常为光栅或棱镜)、探测器组件、支撑结构等组成。探测器除了接收到瞬时视场内的目标信号外，还会接收到光机结构、光学元件、探测器杜瓦外壳的自身热辐射。由于光学元件具有较高的反射率，因此其贡献的自身辐射是可以忽略不计的。为了减小冷损，杜瓦腔体的内表面通常也都经过抛光处理，具有较低的发射率。狭缝安装在望远镜的焦面上，作为系统的光阑。望远镜的结构背景辐射通过狭缝进人光谱仪后，正好能够被光谱仪的结构吸收，因此仪器光机结构的背景辐射主要来自光谱仪内部。相关的研究和试验结果表明，随着环境温度的降低，在积分时间和增益不变的条件下，探测器暗背景响应随之大幅下降，因此降低光谱仪光机结构的温度是降低光谱仪背景噪声的必要措施。
目前已知有两种公开的技术方案可以用于去除光谱仪背景噪声问题，这两种技术方案主要用于深空探测光谱仪器，第一种是探测器采用机械制冷机进行制冷，同时利用大型的辐射制冷器对光谱仪本体进行制冷，进而达到降低背景热噪声的目的，但是通过大型的辐射制冷器对光谱仪本体整体进行制冷，结构复杂，安装和实施都难度较大，同时由于连接环节低温热管的使用，使得成本大增。第二种是探测器采用机械制冷机进行制冷，同时利用液态惰性气体通过管路循环的方式对光谱仪本体进行制冷，进而达到降低背景噪声的目的，同样通过循环管路对光谱仪本体进行制冷，随设备携带的液态惰性气体容量有限，寿命较短，同时由于其循环管路的使用，结构复杂且可靠性低，所以目前急需发展一种设计简单、可靠性高、研制周期快速的热控装置来降低光谱仪的背景噪声。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明实施例提供了一种光谱仪背景噪声抑制系统，降低光谱仪结构背景的温度，从而降低背景噪声，保证光谱仪的成像质量
一种光谱仪背景噪声抑制系统，包括：光谱仪主体、探测器组件，所述光谱仪主体的外部包覆多层隔热组件并在入光窗口处预留空隙，所述探测器组件通过隔热措施安装在所述光谱仪本体上，所述探测器组件包括探测器、与为所述探测器制冷的制冷机及外壳，所述探测器与所述通光窗口对应，所述制冷机通过导热组件与所述外壳导热安装。
可选地，所述探测器组件还具有加热器、温度传感器以及温度控制器，所述加热器设置在所述探测器组件内部，所述温度控制器根据所述温度传感器采集的温度值对所述加热器进行闭环温度控制，并在温度值低于预设阈值时控制加热器对探测器组件进行温度补偿至目标温度。
可选地，所述导热组件采用导热铝块。
可选地，所述导热组件和所述外壳之间设有导热填料。
可选地，所述光谱仪主体上设有辐射冷板，所述辐射冷板与所述光谱仪主体隔热安装，所述探测器组件通过热管与所述辐射冷板连接。
可选地，所述热管的一端部分贴合在所述外壳上，所述热管的另一端部分贴合在所述辐射冷板上。
可选地，所述外壳具有第一散热涂层，所述辐射冷板的表面设有第二散热涂层。
可选地，所述制冷机采用牛津型斯特林制冷机或脉管循环制冷机。
可选地，所述多层隔热组件包括多层镀铝薄膜、镀铝聚酯薄膜和/或镀铝聚酰亚胺薄膜。
可选地，所述导热填料为氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼或碳化硅中的一种或多种。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例中提供的光谱仪背景噪声抑制系统，在光谱仪主体外部包覆多层隔热组件，探测器组件包括探测器和制冷两部分，探测器通过制冷机制冷，探测器组件与光谱仪主体隔热安装，减少探测器组件与光谱仪本体之间温度相互影响，制冷机通过导热铝块与探测器组件外壳导热安装，连接界面填充导热填料减小接触热阻，探测器组件外壳喷涂散热涂层用于热源散热，辐射冷板与光谱仪主体之间隔热安装，辐射冷板与探测器组件通过热管连接，连接界面填充导热填料，辐射冷板表面喷涂散热涂层，由于未针对整个光谱仪本体采取复杂的制冷措施，同时对探测器与制冷机进行了单独的封装，且对封装外壳进行了局部的被动辐射制冷，具有结构简单、可靠性高、寿命长且研制周期短的优点，并且通过实际使用检验，已将本方案应用于实际工程型号，产品在轨运行正常，温度满足指标要求，成像质量优异。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的一种光谱仪背景噪声抑制系统的结构示意图。
附图标记：
光谱仪主体1，多层隔热组件2，探测器组件3，探测器4，制冷机5，导热铝块6，辐射冷板7，热管8。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
相关术语解释：
背景噪声：光谱仪在接收外部辐射信号的同时，还接收仪器自身热辐射信号和探测器暗电流信号，上述两种信号均称为背景信号，由背景信号产生的噪声，主要是霰粒噪声称之为背景噪声。
热控：通过合理设计热量的传递路径，特别是热量的输入与输出，调整空间光学遥感器的温度在空间和时间上的分布，从而保障其成像质量要求。有时，热控也可以与温度控制通用。
光谱仪：光谱仪又称分光仪，广泛为认知的为直读光谱仪。以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。它由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。
结合图1所示，本发明实施例中提供的一种光谱仪背景噪声抑制系统，包括：光谱仪主体1、探测器组件3，所述光谱仪主体1的外部包覆多层隔热组件2并在入光窗口及安装点处预留空隙，空隙可以采用镂空的方式开口，便于通光和安装，所述探测器组件3通过隔热措施安装在所述光谱仪本体上，所述探测器组件3包括探测器4、与为所述探测器4制冷的制冷机5及外壳，所述探测器4与所述入光窗口对应，所述制冷机5通过导热组件与所述外壳导热安装。
为了更好的控制探测器组件3的温度，所述探测器组件3还具有加热器、温度传感器以及温度控制器，所述加热器设置在所述探测器组件3内部，所述温度控制器根据所述温度传感器采集的温度值对所述加热器进行闭环温度控制，并在温度值低于预设阈值时控制加热器对探测器组件3进行温度补偿至目标温度，探测器组件3的目标温度是零下30℃左右的温度水平，避免温度过低对设备造成的损坏或者实验数据的不准确，当然还可以根据需要在光谱仪主体1中增加同样的加热组件，对光谱仪主体1进行温度补偿，光谱仪主体1的目标温度是零下10℃左右的温度水平，可以根据需要选择，对此不做限定。
可选地，导热组件可以将制冷机5在工作过程中产生的热量及时通过外壳传递到探测器组件3外界，所以导热组件优选导热率高的材料，导热组件采用导热铝块6，还可以采用导热绝缘弹性橡胶，导热绝缘弹性橡胶采用硅橡胶基材，氮化硼、氧化铝等陶瓷颗粒为填充剂，导热效果非常好。同等条件下，热阻抗要小于其它导热材料，具有柔软、干净、无污染、放射性、高绝缘性的特点，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。
为增强导热效果，在所述导热组件和所述外壳之间设有导热填料，导热填料可以有氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅等一种或多种，其中，尤以微米级氧化铝、硅微粉为主体，纳米氧化铝，氮化物作为高导热领域的填充粉体，氧化锌还可以做导热硅脂填料使用。
为了进一步增强外壳的散热能力，在光谱仪主体1上设有辐射冷板7，辐射冷板7与所述光谱仪主体1隔热安装，探测器组件3通过热管8与所述辐射冷板7连接，具体地，热管8的一端部分贴合在外壳上，热管8的另一端部分贴合在所述辐射冷板7上，可以通过增大接触面积提高导热率，对于辐射冷板7，将工作元件制冷，达到向周边环境进行冷辐射制冷的目的，辐射冷板7也称为负辐射板，用来制冷的介质主要是冷水、蒸发剂(氟利昂、液氨)等，本领域普通技术人员应当了解，此处不作赘述。
需要说明的是，本发明中提到的隔热安装是指将两个物体之间的热循环和热传递途径切断，避免发生热量转移，具体手段可以是采用隔热材料进行物理隔离，对此不做限定。
热管8利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管8将发热物体的热量迅速传递到热源外，热管8的结构由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封，热管8的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管8的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不己，热量由热管8的一端传至另—端。热管8在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：⑴热量从热源通过热管8管壁和充满工作液体的吸液芯传递到(液-汽)分界面；⑵液体在蒸发段内的(液-汽)分界面上蒸发；⑶蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；⑷蒸汽在冷凝段内的汽.液分界面上凝结：⑸热量从(汽-液)分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：⑹在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段，在加热热管8的蒸发段，管芯内的工作液体受热蒸发，并带走热量，该热量为工作液体的蒸发潜热，蒸汽从中心通道流向热管8的冷凝段，凝结成液体，同时放出潜热，在毛细力的作用下，液体回流到蒸发段。这样，就完成了一个闭合循环，从而将大量的热量从加热段传到散热段。当加热段在下，冷却段在上，热管8呈竖直放置时，工作液体的回流靠重力足可满足，无须毛细结构的管芯，本领域普通技术人员应当了解，此处不作赘述。
为了进一步增强散热能力，在所述外壳涂布第一散热涂层，所述辐射冷板7的表面涂布第二散热涂层，散热涂层采用散热材料涂布而成，是一种提高物体表面的散热效率，降低体系温度的特种涂料，通过提高物体表面辐射效率(特别是提高红外辐射效率)，增强物体散热性能。具有成本低，实施起来简单。辐射散热降温涂料直接施工到要散热降温的物体表面，辐射散热降温涂料能够以8-13.5μm红外波长向大气空间辐射物体上的热量，降低物体表面和内部温度，散热降温明显。涂料散热不受周围介质影响，涂料散热可以在真空环境中使用。涂料在起到辐射降温的同时，还可以增加自洁性、绝缘性、防腐性、防水性、抗酸碱等性能。
可选地，所述制冷机5采用牛津型斯特林制冷机或脉管循环制冷机，制冷机还可以采用压缩式制冷机、吸收式制冷机、蒸汽喷射式制冷机，半导体制冷。其中压缩式制冷机依靠压缩机的作用提高制冷剂的压力以实现制冷循环，按制冷剂种类又可分为蒸气压缩式制冷机(以液压蒸发制冷为基础，制冷剂要发生周期性的气-液相变)和气体压缩式制冷机(以高压气体膨胀制冷为基础，制冷剂始终处于气体状态)两种，现代制冷机以蒸气压缩式制冷机应用最广。吸收式制冷机。依靠吸收器-发生器组(热化学压缩器)的作用完成制冷循环，又可分为氨水吸收式、溴化锂吸收式和吸收扩散式。蒸汽喷射式制冷机。依靠蒸汽喷射器(喷射式压缩器)的作用完成制冷循环。半导体制冷器。利用半导体的热-电效应制取冷量，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。
对于多层隔热组件2进行介绍，多层隔热组件2可以由具有高反射能力的反射材料和间隔层材料组成，所述多层隔热组件2可以包括多层镀铝薄膜、镀铝聚酯薄膜和/或镀铝聚酰亚胺薄膜，通过增加反射材料的层数可以减小辐射传热的传热量，但反射材料层数的增加会导致反射层间物理接触的概率增加，从而导致固体传热量的增加；增加间隔材料层可以减少固体传热的传热量；气相介质传热则与体系内的真空环境相关，当真空度较高时，体系中大部分的气体分子被去除，因此与前两种传热方式相比，气相介质传热量很小。另外，将高反射率的薄膜材料和导热率很低的间隔材料复合，便可起到较好的隔热效果，用于反射屏的材料主要有两类：一类是金属箔，如铝箔、铜箔、金箔、镍箔、钼箔、不锈钢箔等；另一类是表面蒸镀金属层的塑料薄膜，如蒸镀有金或铝的聚脂薄膜或聚酰亚胺薄膜。铝箔和镀铝聚脂薄膜成本低、生产工艺成熟、表面发射率低，表面的氧化铝薄膜使其具有良好的稳定性，是应用最多的两种反射屏材料。从隔热性能来看，铝箔要比镀铝聚脂薄膜好1～2.5倍，但抗撕强度不及后者，至少要厚25～125μm才可实际使用，而镀铝聚脂薄膜强度较好。在使用温度不高的情况下，镀铝聚脂薄膜应用最多，铝箔主要用于温度较高的场合。
隔热材料分为多孔材料、热反射材料和真空材料三类。前者利用材料本身所含的孔隙隔热，因为空隙内的空气或惰性气体的导热系数很低，如泡沫材料、纤维材料等；热反射材料具有很高的反射系数，能将热量反射出去，如金、银、镍、铝箔或镀金属的聚酯、聚酰亚胺薄膜等。真空绝热材料是利用材料的内部真空达到阻隔对流来隔热。常用泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉、真空隔热板来隔热，人造地球卫星是在高温、低温交变的环境中运动，可以使用高反射性能的多层隔热材料，一般是由几十层镀铝薄膜、镀铝聚酯薄膜、镀铝聚酰亚胺薄膜组成，气凝胶毡是新型的隔热材料，其为纳米级孔径的多孔材料，多用于管道保温、设备保温等，该材料的导热系数常温为0.018W/(K·m)，低温下可至0.009W/(K·m)。真空隔热板是最新的隔热材料，导热系数极低仅为0.004.所以在保温节能上面效果突出，纳基隔热软毡是一种隔热性能极强的软质工业隔热材料。
多层隔热组件2材料可以选用聚酯、聚酰亚胺、吡龙和吡龙/聚酰亚胺混合薄膜等。对于多层隔热反射屏基底材料来说，有机薄膜材料使用时多层卷绕、包覆，而且在薄膜两表面均镀铝，所以空间应用时，考虑到紫外线和原子氧的作用，多层隔热组件2最外层面膜上都有ITO膜，辐射可以穿透多层隔热材料，考虑到抗辐射的问题，在多层缠绕的卫星多层隔热材料反射屏基底材料中，聚酯薄膜使用寿命为10a左右，采用吡龙和聚酰亚胺材料薄膜作为卫星多层隔热材料反射屏基底材料，可以使用15～20a。
本发明实施例中提供的光谱仪背景噪声抑制系统，在光谱仪主体1外部包覆多层隔热组件2，探测器组件3包括探测器4和制冷机5两部分，探测器4通过制冷机5制冷，探测器组件3与光谱仪主体1隔热安装，减少探测器组件与光谱仪本体之间温度相互影响，制冷机5通过导热铝块6与探测器组件3外壳导热安装，连接界面填充导热填料减小接触热阻，探测器组件3外壳喷涂散热涂层用于热源散热。辐射冷板7与光谱仪主体1之间隔热安装，辐射冷板7与探测器组件3通过热管8连接，连接界面填充导热填料，辐射冷板7表面喷涂散热涂层。光谱仪本体1和探测器组件3的结构件上安装电加热器用于上述组件温度过低时的温度补偿，电加热器通过温度传感器由热控控制器进行闭环控温，由于未针对整个光谱仪本体采取复杂的制冷措施，同时对探测器与制冷机进行了单独的封装，且对封装外壳进行了局部的被动辐射制冷，具有结构简单、可靠性高、寿命长且研制周期短的优点，并且通过实际使用检验，已将本方案应用于实际工程型号，产品在轨运行正常，温度满足指标要求，成像质量优异。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上对本发明所提供的一种光谱仪背景噪声抑制系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。