一种长波红外多普勒差分干涉仪冷光学系统技术方案

本发明专利技术提供了一种长波红外多普勒差分干涉仪冷光学系统，解决现有干涉仪在非低温下工作时，光学系统的背景热辐射产生噪声影响成像效果的问题。该系统包括光学系统、低温真空杜瓦系统、对置式斯特林制冷系统、金属波纹管及探测系统；低温真空杜瓦系统包括真空杜瓦及设在真空杜瓦内的防辐射屏罩、支撑板、导热板及多个绝热支撑柱；防辐射屏罩和光学系统均设在导热板上；对置式斯特林制冷系统的冷指穿过真空杜瓦、防辐射屏罩与导热板连接；金属波纹管一端固定在真空杜瓦上，另一端连有连接盘；探测系统包括固定在真空杜瓦外壁上探测器安装支架和通过二维精密调整台设在探测器安装支架上的探测器，且探测器的冷屏连接于连接盘的中心孔处。

【技术实现步骤摘要】
一种长波红外多普勒差分干涉仪冷光学系统
本专利技术涉及一种多普勒差分干涉仪，具体涉及一种长波红外多普勒差分干涉仪冷光学系统。
技术介绍
地球大气环境是一个十分复杂的动态系统，具有生物赖以生存的空气的物理、化学和生物学特征，其中由太阳辐射引起的温度、湿度、风速等特征是探测大气环境的重要参数。中高层大气风场探测是表征大气环境及大气动力学特征的重要手段，对于精准天气预报、航空航天事业的顺利进行都有着重要的意义。多普勒差分干涉技术以迈克尔逊干涉技术为原型，在空间外差干涉技术的基础上改进而来，通过傅里叶变换反演干涉条纹相位得到风速等信息。其近年来发展迅速，已成为被动风场探测技术的热点。长波红外作为多普勒差分干涉技术的应用波段，对于大气风场探测具有重要的意义，但目前对于多普勒差分干涉技术中的长波红外波段研究工作仍相对较少。长波红外多普勒差分干涉仪的设计难点主要在于背景热辐射，一切高于绝对零度的物体都会有热辐射，因此在光机内表面都是背景热辐射源，常温300K时，光机系统自身的热辐射对信号干扰及其严重，当微弱的目标信号分光之后会被光机系统自身产生的背景热辐射覆盖。在光学系统设计的过程中，设定光学系统的使用背景为低温环境，以此来消除长波红外干涉仪的背景热辐射源。当温度从常温降至低温时，由于系统结构件与光学件材料热膨胀系数不匹配，会产生较大的热应力和热变形，进而产生干涉条纹倾斜、调制度降低和影响相位反演精度等问题。对于地面目标来讲，大部分处于300K左右，根据布朗克公式，目标的辐射峰值位于10μm附近。此时，如果光学系统的内部光学元件机械结构也处于室温，那么仪器内部自身波的辐射会成为红外波段观测的杂散光主要来源，因此，要实现高灵敏度、低噪声观测，需要将红外设备进行制冷处理，一是通过制冷红外焦平面，使得红外探测器的暗电流噪声得到抑制；二是通过冷光学技术将光学系统制冷，降低探测器感知的热背景辐射。结构设计时，在确保常规光学系统设计需要考虑的结构强度、高精度定位和结构稳定性外，还需重点考虑光学系统的背景热辐射抑制设计，即冷光学设计。为实现长波红外系统高灵敏度、低噪声探测，需要保证探测器的热生暗电流降低到与天空背景相比较可以被忽略的水平；探测器感知到的热背景辐射必须降低到与天空背景或探测器暗电流二者中较大者相比较可以被忽略的水平，因此迫切需要设计一种将光学系统中热噪声敏感部分进行低温制冷设计的结构。
技术实现思路
为了解决现有长波红外多普勒差分干涉仪在非低温下工作时，光学系统的背景热辐射产生噪声，影响光谱成像效果的技术问题，本专利技术提供了一种长波红外多普勒差分干涉仪冷光学系统。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种长波红外多普勒差分干涉仪冷光学系统，包括光学系统，所述光学系统包括沿光路依次设置的前置光学组件、干涉仪光学组件和后置成像光学组件，其特殊之处在于：还包括低温真空杜瓦系统、对置式斯特林制冷系统、金属波纹管及探测系统；所述低温真空杜瓦系统包括箱式结构的真空杜瓦及设置在真空杜瓦内的支撑组件和防辐射屏罩；所述支撑组件包括支撑板、导热板及多个绝热支撑柱；所述绝热支撑柱的下部与真空杜瓦的底面连接，上部与支撑板连接；所述导热板设置在支撑板上；所述防辐射屏罩和光学系统均设置在导热板之上，且光学系统位于防辐射屏罩内；所述防辐射屏罩的外表面进行抛光处理，内表面进行黑色阳极化处理；所述防辐射屏罩和真空杜瓦与前置光学组件相对的位置均设有光学入口；所述防辐射屏罩和真空杜瓦与后置成像光学组件相对的位置均设有光学出口；所述对置式斯特林制冷系统的冷指依次穿过真空杜瓦、防辐射屏罩与导热板连接；所述金属波纹管位于真空杜瓦的光学出口和防辐射屏罩的光学出口之间，金属波纹管的一端固定在真空杜瓦内壁上，另一端设置有连接盘，连接盘上设有中心孔；所述探测系统设置在真空杜瓦外部且位于光学出口处，探测系统包括探测器安装支架和探测器，探测器安装支架固定在真空杜瓦外壁上，探测器通过二维精密调整台设置在探测器安装支架上，且探测器的冷屏与连接盘密封连接于所述中心孔处；二维精密调整台用于调整探测器二维方向的运动，实现探测器像面对焦调整。进一步地，所述导热板为T2材料的紫铜板；所述支撑板采用硬铝合金材料2A12T4；所述绝热支撑柱采用热导系数较低的钛合金TC4材料。进一步地，所述绝热支撑柱与支撑板连接处设有聚酰亚胺隔热套。进一步地，所述真空杜瓦采用不锈钢材料制作，壁厚为6～10mm；所述真空杜瓦包括箱体本体和上盖板，上盖板与箱体本体开口位置通过螺钉固定，箱体本体与上盖板之间设有O型密封圈。进一步地，所述防辐射屏罩为一薄壁金属罩结构，材料为硬铝合金2A12T4，厚度为2mm，防辐射屏罩外表面包裹聚酰亚胺薄膜和多层绝热材料。进一步地，所述真空杜瓦的光学入口处通过胶粘方式设有红外窗口玻璃，红外窗口玻璃的材料为锗。进一步地，所述探测系统还包括设置在真空杜瓦外侧的保护罩，且探测器安装支架和探测器均位于外部保护罩内部。进一步地，所述支撑板上设有多个凸台；所述导热板上设有多个与凸台配合的通孔，所述凸台穿过导热板上通孔与光学系统连接。进一步地，所述连接盘设置在金属波纹管内壁；所述导热板靠近对置式斯特林制冷系统的一端设有安装凸台，所述安装凸台伸出防辐射屏罩与冷指连接。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1、本专利技术将光学系统设置在真空杜瓦内，真空杜瓦可保证光学系统处于密封真空环境中；光学系统通过导热板、支撑板、绝热支撑柱固定在真空杜瓦上，导热板和支撑板双层不同质设计，分别实现导热和支撑功能，避免温度变化时因膨胀系数不匹配产生热应力使光学系统产生变形，有效减小温度变化对光学系统的元器件影响，同时通过热阻较大的小面积绝热支撑柱实现支撑，大大减小了光学系统与真空杜瓦内壁之间的热传导效率，有效减小了低温真空杜瓦系统的漏热量；以及导热板与真空杜瓦外部的对置式斯特林制冷系统相连通，实现光学系统的制冷，保证了内部光学系统的温度均匀性，减小在非低温下工作时光学系统背景温度辐射产生的噪声影响，提高光谱成像效果，以保证长波红外多普勒差分干涉仪相位反演精度和测风精度。2、本专利技术探测器通过二维精密调整台设置在探测器安装支架上，二维精密调整台用于调整探测器二维方向的移动，实现探测器像面对焦调整，能够保证探测器靶面和光学系统焦面的重合度，确保成像的优良；同时，探测器通过金属波纹管与真空杜瓦实现连接，金属波纹管一方面用以对光学出口位置进行密封，另一方面能够适应探测器二维微调位移需求。3、本专利技术导热板为紫铜板，在制冷系统工作时，能够快速进行热量交换，提高光学系统降温速度，并能保证温度变化时具有良好的温度均匀性。4、本专利技术真空杜瓦采用不锈钢材料，具有良好的耐腐蚀性，并且为规则的矩形箱体，无明显死角，能够保证抽真空的效率，利于提高降温速率。5、本专利技术在绝热支撑柱与支撑板连接处设有聚酰亚胺隔热套，进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种长波红外多普勒差分干涉仪冷光学系统，包括光学系统，所述光学系统包括沿光路依次设置的前置光学组件(2)、干涉仪光学组件(1)和后置成像光学组件(3)，其特征在于：还包括低温真空杜瓦系统(23)、对置式斯特林制冷系统(10)、金属波纹管(13)及探测系统(24)；/n所述低温真空杜瓦系统(23)包括箱式结构的真空杜瓦(8)及设置在真空杜瓦(8)内的支撑组件和防辐射屏罩(4)；/n所述支撑组件包括支撑板(6)、导热板(5)及多个绝热支撑柱(7)；所述绝热支撑柱(7)的下部与真空杜瓦(8)的底面连接，上部与支撑板(6)连接；所述导热板(5)设置在支撑板(6)上；/n所述防辐射屏罩(4)和光学系统均设置在导热板(5)之上，且光学系统位于防辐射屏罩(4)内；/n所述防辐射屏罩(4)的外表面进行抛光处理，内表面进行黑色阳极化处理；/n所述防辐射屏罩(4)和真空杜瓦(8)与前置光学组件(2)相对的位置均设有光学入口；/n所述防辐射屏罩(4)和真空杜瓦(8)与后置成像光学组件(3)相对的位置均设有光学出口；/n所述对置式斯特林制冷系统(10)的冷指(12)依次穿过真空杜瓦(8)、防辐射屏罩(4)与导热板(5)连接；/n所述金属波纹管(13)位于真空杜瓦(8)的光学出口和防辐射屏罩(4)的光学出口之间，金属波纹管(13)的一端固定在真空杜瓦(8)内壁上，另一端设置有连接盘(131)，连接盘(131)上设有中心孔(132)；/n所述探测系统(24)设置在真空杜瓦(8)外部且位于光学出口处，探测系统(24)包括探测器安装支架(16)和探测器(14)，探测器安装支架(16)固定在真空杜瓦(8)外壁上，探测器(14)通过二维精密调整台(15)设置在探测器安装支架(16)上，且探测器(14)的冷屏(141)与连接盘(131)密封连接于中心孔(132)处。/n...

【技术特征摘要】
1.一种长波红外多普勒差分干涉仪冷光学系统，包括光学系统，所述光学系统包括沿光路依次设置的前置光学组件(2)、干涉仪光学组件(1)和后置成像光学组件(3)，其特征在于：还包括低温真空杜瓦系统(23)、对置式斯特林制冷系统(10)、金属波纹管(13)及探测系统(24)；
所述低温真空杜瓦系统(23)包括箱式结构的真空杜瓦(8)及设置在真空杜瓦(8)内的支撑组件和防辐射屏罩(4)；
所述支撑组件包括支撑板(6)、导热板(5)及多个绝热支撑柱(7)；所述绝热支撑柱(7)的下部与真空杜瓦(8)的底面连接，上部与支撑板(6)连接；所述导热板(5)设置在支撑板(6)上；
所述防辐射屏罩(4)和光学系统均设置在导热板(5)之上，且光学系统位于防辐射屏罩(4)内；
所述防辐射屏罩(4)的外表面进行抛光处理，内表面进行黑色阳极化处理；
所述防辐射屏罩(4)和真空杜瓦(8)与前置光学组件(2)相对的位置均设有光学入口；
所述防辐射屏罩(4)和真空杜瓦(8)与后置成像光学组件(3)相对的位置均设有光学出口；
所述对置式斯特林制冷系统(10)的冷指(12)依次穿过真空杜瓦(8)、防辐射屏罩(4)与导热板(5)连接；
所述金属波纹管(13)位于真空杜瓦(8)的光学出口和防辐射屏罩(4)的光学出口之间，金属波纹管(13)的一端固定在真空杜瓦(8)内壁上，另一端设置有连接盘(131)，连接盘(131)上设有中心孔(132)；
所述探测系统(24)设置在真空杜瓦(8)外部且位于光学出口处，探测系统(24)包括探测器安装支架(16)和探测器(14)，探测器安装支架(16)固定在真空杜瓦(8)外壁上，探测器(14)通过二维精密调整台(15)设置在探测器安装支架(16)上，且探测器(14)的冷屏(141)与连接盘(131)密封连接于中心孔(132)处。


2.根据权利要求1所述长波红外多普勒差分干涉仪冷光学系统，其特征在于：所述导热板(5)为T2材料的紫铜板；
所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兆会，韩斌，畅晨光，武俊强，郝雄波，孙剑，冯玉涛，胡柄樑，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61