一种低温红外探测系统

1.本发明涉及探测技术领域，特别是涉及一种低温红外探测系统。


背景技术：

2.红外探测具有全天候、抗干扰能力强的特点，是获取信息不可或缺的重要谱段。常规红外探测系统一般由光学系统、红外探测器、探测器冷却用的制冷机、探测器杜瓦及信号处理系统组成，探测器封装在杜瓦内由制冷机冷却至低温。
3.对于空间远距离微弱目标(如温度处于300k及以下的物体)的红外探测，一直是红外探测的难点。传统红外探测系统中光学系统处于室温环境，其自身也会发出热辐射，会被红外探测器探测到，而目标距离较远，光学系统产生的背景噪声往往要高于目标所处环境的背景噪声。特别是对于背景限红外探测而言，处于室温的光学系统热噪声是其主要噪声来源。根据维恩位移定律，被探测的物体和常温下光学系统的辐射峰值波段相近，光学系统的热噪声会降低系统的信噪比，从而增加了对微弱目标的探测难度。
4.传统红外探测系统对于空间远距离微弱目标存在探测困难的问题。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种低温红外探测系统，用于解决或部分解决传统红外探测系统对于空间远距离微弱目标存在探测困难的问题。
6.本发明实施例提供一种低温红外探测系统，包括红外探测器、光学子系统和杜瓦腔体，杜瓦腔体连接于冷源，还包括：调焦装置，所述红外探测器和所述光学子系统同时安装于所述杜瓦腔体的内部，且所述光学子系统与所述冷源可移动连接，所述调焦装置包括旋转臂，所述旋转臂的第一端与所述光学子系统相连，所述旋转臂的第二端穿出所述杜瓦腔体且与所述杜瓦腔体可移动连接。
7.在上述方案的基础上，所述光学子系统包括镜筒和设于所述镜筒内部的多个光学器件，所述镜筒的外侧套设有传导套，且所述镜筒与所述传导套可移动连接，所述传导套连接于冷源。
8.在上述方案的基础上，所述镜筒和所述传导套之间设有螺纹连接段，所述杜瓦腔体包括相连的杜瓦外壳和杜瓦前盖，所述旋转臂的第二端与杜瓦前盖可转动连接。
9.在上述方案的基础上，所述镜筒的外壁上沿周向设有凸块，且所述凸块沿所述镜筒的周向设有至少一个缺口，所述旋转臂的第一端连接有与所述缺口对应的拨叉，所述拨叉插入所述缺口中。
10.在上述方案的基础上，所述凸块位于所述传导套的端面和所述旋转臂的第一端端面之间，且所述凸块与所述传导套之间以及所述凸块与所述旋转臂的第一端端面之间分别具有间距。
11.在上述方案的基础上，所述拨叉与所述镜筒的外壁面之间具有间距；所述缺口的宽度大于所述拨叉的宽度。
12.在上述方案的基础上，所述杜瓦前盖上设有开口，所述开口的内壁具有台阶面，所述旋转臂的第二端外壁上设有凸沿，所述凸沿的一侧与所述台阶面相接，所述凸沿的另一侧与压圈相接，所述压圈与所述杜瓦前盖相连。
13.在上述方案的基础上，所述旋转臂的第二端呈开口状，且所述旋转臂的第二端连接有杜瓦窗口。
14.在上述方案的基础上，所述旋转臂的第二端可拆卸连接有调焦扳手。
15.在上述方案的基础上，所述镜筒的外壁和所述传导套的内壁之间在螺纹连接段以外的部位设有导热脂。
16.本发明实施例提供的一种低温红外探测系统，针对空间远距离微弱目标难以探测的难点，通过降低光学子系统温度，减少光学子系统背景噪声的方式，提高整个系统的灵敏度，从而提高探测系统的信噪比，从而实现对微弱目标的红外探测；另外，考虑到在降低光学子系统温度后会出现一定程度的离焦，通过设置调焦装置对低温光学子系统进行调节，使得低温下能够调焦可以保证低温下的像质。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例中杜瓦腔体的截面示意图；
19.图2为本发明实施例中镜筒内部光学器件的具体示意图；
20.图3为本发明实施例中镜筒的外部示意图；
21.图4为本发明实施例中镜筒与传导套连接的示意图；
22.图5为本发明实施例中镜筒和传导套以及旋转臂的连接示意图；
23.图6为本发明实施例中低温红外探测系统的截面示意图；
24.图7为本发明实施例中低温红外探测系统的整体示意图；
25.图8为本发明实施例中调焦扳手的设置示意图。
26.附图标记说明：
27.其中，1、杜瓦前盖；2、杜瓦窗口；3、第一透镜；4、旋转臂；5、镜筒；6、第二透镜；7、光瞳；8、第三透镜；9、红外探测器；10、基板；11、冷源；12、滤光片；13、传导套；14、杜瓦外壳；15、凸块；16、台阶面；17、密封结构；18、压圈；19、缺口；20、调焦扳手；21、螺纹连接段。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.参考图1，本发明实施例提供一种低温红外探测系统，该低温红外探测系统包括红外探测器9、光学子系统、杜瓦腔体和冷源11，杜瓦腔体连接于冷源11。该低温红外探测系统还包括：调焦装置。光学子系统和红外探测器9同时安装于杜瓦腔体的内部，且光学子系统与冷源11可移动连接。调焦装置包括旋转臂4，旋转臂4的第一端与光学子系统相连，旋转臂4的第二端穿出杜瓦腔体且与杜瓦腔体可移动连接。
31.将光学子系统放入到探测器杜瓦腔体中，并将光学子系统与冷源11相连，使得光学子系统能够获得冷源11的冷量，从而使光学子系统处于低温环境，能够有效减少噪声，提高探测灵敏度。进一步地，本实施例考虑到光学子系统一般包括锗透镜，其温度折射率系数很大，对温度变化很敏感。在常温下调试之后的光学子系统在降低光学子系统温度后会出现一定程度的离焦；本实施例提出设置调焦装置对低温光学子系统进行调节，使得低温下能够调焦可以保证低温下的像质。
32.探测系统中的红外探测器9一般固定连接于冷源11，本实施例设置光学子系统可相对冷源11移动，从而可通过光学子系统的移动调节与红外探测器9之间的相对距离，达到调焦的效果。旋转臂4为调焦装置的主要部件，旋转臂4穿出杜瓦腔体且与杜瓦腔体可移动连接，使得能够在杜瓦腔体的外部通过移动旋转臂4带动光学子系统移动进行调焦。
33.本实施例提供的一种低温红外探测系统，针对空间远距离微弱目标难以探测的难点，通过降低光学子系统温度，减少光学子系统背景噪声的方式，提高整个系统的灵敏度，从而提高探测系统的信噪比，从而实现对微弱目标的红外探测；另外，考虑到在降低光学子系统温度后会出现一定程度的离焦，通过设置调焦装置对低温光学子系统进行调节，使得低温下能够调焦可以保证低温下的像质。
34.进一步地，本实施例提供的一种低温红外探测系统中，光学子系统工作温度稳定，不受外界环境温度变化影响，减少系统的非均匀性校正；光学子系统与红外探测器9共用冷源11，还可以取消传统的杜瓦冷屏，光学子系统不受冷屏f数的影响，具有大视场，结构紧凑的特点。其中，冷源11不限定于低温制冷剂(液氮、液氧、液氦等低温液体)，也包括低温制冷机(斯特林制冷机、脉冲管制冷机、gm制冷机等)，具体不做限定。
35.进一步地，本实施例中旋转臂4的第一端与光学子系统可拆卸连接。本实施例考虑到光学子系统与冷源11相连处于低温状态，而旋转臂4的第二端穿出杜瓦腔体伸入周围环境中使得旋转臂4为常温状态，如果旋转臂4与光学子系统始终保持连接，必然会影响光学子系统的低温状态。进而可在需要调焦时，移动旋转臂4与光学子系统相连进行调焦；而在不需要调焦时，可移动旋转臂4与光学子系统断开连接，从而防止旋转臂4对光学子系统的低温产生影响，保证光学子系统的低温状态。
36.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，本实施例中光学子系统包括镜筒5和设于镜筒5内部的多个光学器件；镜筒5的外侧套设有传导套13，且镜筒5与传导套13可移动连接，传导套13连接于冷源11。镜筒5通过传导套13与冷源11进行导热传热，光学器件与镜筒5同样进行导热传热，从而实现光学子系统的低温。镜筒5与旋转臂4的第一端相连。传导套13可固定连接于冷源11，从而通过移动镜筒5，使得镜筒5相对传导套13产生移动，实现镜
筒5相对冷源11产生移动，进行调焦。通过移动镜筒5整体带动光学子系统进行移动。红外探测器9和传导套13安装于同一冷源11，冷源11可以为液氮、机械制冷机及其他可获得低温的制冷形式。
37.进一步地，参考图2，本实施例提供一种透射式光学子系统。该光学子系统包括沿镜筒5的轴向依次连接在镜筒5内部的滤光片12、第三透镜8、光瞳7、第二透镜6和第一透镜3；其中，滤光片12靠近红外探测器9设置。透射式光学子系统结构紧凑、视场角大，便于和红外探测器9封装集成。光学器件通过胶粘的方式和镜筒5固定。
38.光学子系统也可为其他光学系统，具体不做限定；优选的，光学子系统为便于封装集成设置的光学系统，以便于通过旋转臂4来带动光学子系统移动实现调焦。
39.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，镜筒5和传导套13之间设有螺纹连接段21。杜瓦腔体包括相连的杜瓦外壳14和杜瓦前盖1，旋转臂4的第二端与杜瓦前盖1可转动连接。镜筒5通过转动可相对传导套13进行轴向的移动。可通过转动旋转臂4实现镜筒5的转动。由于传导套13是固定的，镜筒5转动会实现焦距的前后调节。
40.进一步地，光学子系统与冷源11之间的可移动连接也可为其他结构，例如可设置导轨或轨道与冷源11相连，设置光学子系统与导轨或轨道可移动连接等；此时，可设置旋转臂4的第二端与杜瓦前盖1可滑动连接。另外，镜筒5和传导套13之间也可不通过螺纹连接实现可移动连接，镜筒5和传导套13之间同样可通过导轨或轨道等结构实现可移动连接；光学子系统与冷源11之间的具体连接结构不做限定。
41.进一步地，旋转臂4也可伸出杜瓦外壳14并与杜瓦外壳14转动连接，以实现带动镜筒5转动进行焦距的调节。
42.在上述实施例的基础上，进一步地，镜筒5的外壁和传导套13的内壁之间在螺纹连接段21以外的部位设有导热脂。参考图1，镜筒5的前端即靠近杜瓦前盖1的一端外部与传导套13之间设为螺纹连接段21，镜筒5中后端和传导套13滑动接触，接触界面填充导热脂，可保证良好的热接触；同时镜筒5处于低温下又能转动。
43.为使低温冷源11的冷量能够有效传导到光学器件上，要保证两者之间的热传导效率，而两者之间的热传导效率主要由传导套13和低温冷源11之间的热接触、传导套13和镜筒5之间的热接触及镜筒5和光学器件之间的热接触决定的。镜筒5和传导套13之间在螺纹连接段21之外的部位采用滑动接触，且在接触见面增加导热脂，来保证两者的热传导。
44.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图3，镜筒5的外壁上沿周向设有凸块15，且凸块15沿镜筒5的周向设有至少一个缺口19，旋转臂4的第一端连接有与缺口19对应的拨叉，拨叉插入缺口19中。拨叉为连接在旋转臂4的第一端的拨块或拨片等，拨叉插入缺口19中，从而通过转动旋转臂4，拨叉可与缺口19相配合带动镜筒5转动。
45.为使镜筒5能够转动，设计了旋转臂4，旋转臂4上设计有拨叉，与镜筒5上的缺口19配合，转动旋转臂4通过拨叉可带动镜筒5转动，左右转动旋转臂4可实现镜筒5的前后移动，实现光学器件和红外探测器9之间距离的变动，从而实现焦距的调节。
46.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图4和图5，凸块15位于传导套13的端面和旋转臂4的第一端端面之间，且凸块15与传导套13之间以及凸块15与旋转臂4的第一端端面之间分别具有间距。从而提供镜筒5沿轴向两个方向移动的空间，可实现镜筒5在两个方向上的移动，提高焦距调节的灵活性。
47.传导套13的前端可呈开口状，镜筒5可从传导套13的前端插入传导套13中，在螺纹连接段21与传导套13螺纹连接，且使得凸块15与传导套13的前端端面之间在镜筒5轴向上具有间距。旋转臂4的第一端连接有拨叉，拨叉插入凸块15上的缺口19中，拨叉的设置应不影响镜筒5的沿轴向移动；且拨叉应具有一定的长度，保证在镜筒5转动过程中能够始终与缺口19实现配合。从而旋转臂4只需转动即可实现镜筒5的位置调节，旋转臂4无需沿镜筒5的轴向移动。可降低旋转臂4与杜瓦前盖1之间的连接难度，便于实现旋转臂4与杜瓦前盖1之间的连接。
48.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图5，拨叉与镜筒5的外壁面之间具有间距；缺口19的宽度大于拨叉的宽度。即缺口19沿镜筒5周向的宽度大于拨叉沿镜筒5周向的宽度。使得可通过转动旋转臂4，实现拨叉与镜筒5以及凸块15的完全不接触。实现旋转臂4与镜筒5的可拆卸连接结构。在调焦完成时，可转动旋转臂4使得拨叉位于缺口19中间，拨叉的两侧均不与两侧的凸块15接触，拨叉同时也不与镜筒5的外壁接触，从而断开旋转臂4与镜筒5之间的连接，实现热解耦，保证光学子系统的温度稳定性。
49.由于旋转臂4处于室温状态而镜筒5处于低温状态，为此需要焦距调节时，旋转臂4和镜筒5才进行接触，当调节完成后两者应断开连接，故在设计时保证旋转臂4拨叉与镜筒5的外壁面不接触，即两者在径向方向上不接触；拨叉在缺口19中与凸块15在周向可左右各留有1.5mm缝隙；当焦距调整完成后，将旋转臂4回旋一定角度，使旋转臂4和镜筒5断开连接，从而实现两者之间的热绝缘。
50.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1和图6，杜瓦前盖1上设有开口，开口的内壁具有台阶面16，旋转臂4的第二端外壁上设有凸沿，凸沿的一侧与台阶面16相接，凸沿的另一侧与压圈18相接，压圈18与杜瓦前盖1相连。
51.旋转臂4通过压圈18轴向固定在杜瓦前盖1上面，两者只是旋转臂4轴向方向的限位，两者之间在周向是可以相互滑动的。旋转臂4的凸沿设于杜瓦前盖1上开口中的台阶面16和压圈18之间，凸沿与台阶面16和压圈18可不用连接，使得旋转臂4可在台阶面16和压圈18之间自由转动。压圈18可与杜瓦前盖1通过胶粘或螺钉等实现连接，对旋转臂4在轴向上实现限位固定。
52.旋转臂4的第二端和杜瓦前盖1之间设有密封结构17。具体的，可在旋转臂4第二端的凸沿和杜瓦前盖1上开口中的台阶面16之间设置密封圈等密封结构17，以保证杜瓦腔体的真空环境。具体的。旋转臂4的第二端设计有o圈槽，通过旋转臂4上的凸沿和杜瓦前盖1台阶面16之间实现动密封，保证旋转臂4转动时整个杜瓦不漏气。进一步地，凸沿和台阶面16之间以及凸沿和压圈18之间还可设置润滑材料层，以保证旋转臂4的顺利转动。
53.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图6和图7，旋转臂4的第二端呈开口状，且旋转臂4的第二端连接有杜瓦窗口2。杜瓦窗口2可通过胶粘等方式固定于旋转臂4的第二端开口处。进一步地，旋转臂4的第一端同样可设有开口，旋转臂4的第一端可套设在镜筒5的外部。可保证光线的顺利通过。
54.参考图7，杜瓦外壳14的前端与杜瓦前盖1可通过螺钉等实现可拆卸固定连接。杜瓦外壳14的后端可连接于冷源11。
55.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图8，旋转臂4的第二端可拆卸连接有调焦扳手20。便于对旋转臂4进行施力以进行调焦。具体的，旋转臂4的第二端和调焦扳手20之间
可设置匹配的凹凸结构实现二者的传动连接且便于拆卸。例如，可在旋转臂4的第二端端面和调焦扳手20的端面之间设置匹配的凹凸结构，此时旋转臂4的第二端端面可与杜瓦前盖1的端面平齐设置；也可设置旋转臂4的第二端端面伸出杜瓦前盖1，调焦扳手20套设于旋转臂4的第二端，可在旋转臂4的第二端外壁和调焦扳手20的内壁之间设置匹配的凹凸结构。旋转臂4和调焦扳手20之间的连接结构不做限定，以能实现二者传动连接且便于拆卸为目的。通过调焦扳手20转动旋转臂4可实现镜筒5在真空低温下的前后移动，改变光学镜组和红外探测器9之间的距离，从而实现焦距的调节。
56.在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种低温调焦装置，可实现透射式红外低温光学系统焦距在低温下的实时调节。该透射式低温光学调焦装置包括杜瓦外壳14、杜瓦前盖1、杜瓦窗口2、旋转臂4、压圈18、光学镜组、镜筒5及传导套13组成。
57.透射式低温光学系统作为制冷型红外探测系统的光学部分，与红外探测器9一样都需要工作在低温下(120k温度以下)。为减少系统的体积，红外探测器9和光学系统采用共冷源11设计，探测器可固定在基板10上，基板10与低温冷源11直接接触。光学镜筒5通过传导套13与冷源11接触面相连，传导套13与低温冷源11固定安装，低温冷源11在冷却红外探测器9的同时将光学系统冷却至低温。此外为保证探测器和光学系统在工作时不因低温而结雾，两者需在真空低温环境下工作。
58.而光学设计时考虑系统焦距调节的复杂性，通过调节后截距的方式可弥补系统的离焦达到较好的像质。为此，透射式低温光学低温调焦需解决光学镜筒5在真空低温环境下能够实现与探测器焦面之间实现前后移动的问题。采取的方式为在镜筒5和传导套13前端分别加工一段螺纹，两者螺纹形成螺纹副，可以相互转动。为使镜筒5能够相互转动设计了旋转臂4，旋转臂4有拨叉，镜筒5外侧有缺口19，旋转臂4的转动可实现镜筒5的转动，为保证在低温下进行实时调焦，需要保证良好的真空密封和良好的导热条件。在旋转臂4上设计有o圈密封槽，通过o圈实现旋转臂4和杜瓦前盖1的动密封，保证调焦时的真空条件。调焦完成后应尽量减少系统的漏热，此时使旋转臂4回旋一定角度，使旋转臂4和镜筒5断开热连接，保证光学系统的温度稳定性。
59.本实施例针对现有低温光学系统大多缺少适应的调焦装置，提供一种可用于低温光学系统的调焦装置。因为红外透镜材料的折射率对温度很敏感，现有低温系统的调焦大多属于常温装调低温使用的情形，在实际使用时会存在一定的误差，并不能保证低温下焦距的准确。本实施例目的是解决透射式低温光学系统低温调焦的问题，保证光学系统在低温下的光学性能。
60.该低温光学系统调焦装置能够在真空和低温的环境下使用；能够实现透射式低温光学系统焦距的实时调节；调焦装置在完成调焦后能够与低温光学系统进行热解耦，不影响光学系统的温度分布，从而维持光学焦面的稳定性。
61.在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种基于透射式低温光学的红外探测系统，可实现对空间远距离微弱目标的高灵敏度红外探测。根据黑体辐射定律，辐射能量与温度成4次方关系。因此本实施例通过降低光学系统的温度可大幅减少光学系统的热噪声，从而提高探测系统的信噪比，从而提高探测灵敏度，实现对微弱目标的有效探测。本实施例属于红外探测领域，涉及一种高灵敏度红外探测系统，适用于空间长波和甚长波红外探测。
62.本实施例提供的红外探测系统采用机械制冷机做冷源11，在冷却红外探测器9的同时把光学系统冷却至低温，并确保其低温下的成像质量，通过降低光学系统的热噪声，从而实现对微弱目标的有效探测。
63.具体的，一种基于透射式低温光学的红外探测系统包括制冷型红外探测器9、低温冷源11、传导套13、光学窗口、透射式低温光学系统、真空抽口、探测器电引线接口。低温冷源11如低温制冷剂(液氮)、机械制冷机等可以获得低温的装置提供低温冷量，通过热传导的方式将红外探测器9冷却至80k及以下温度。冷源11通过传导套13将冷量传递给光学系统，使光学系统降至低温。真空抽口(图中未示出)设于杜瓦外壳14或杜瓦前盖1上，用于实现杜瓦腔体的真空。探测器电引线接口(图中未示出)用于为红外探测器9供电。
64.低温光学系统由透射式光学系统、镜筒5、冷量传输装置即传导套13和低温调焦装置组成。光学系统和探测器共冷源11设计，在冷却探测器的同时将光学系统冷却至低温。根据黑体辐射定律，光学系统温度降低后，其自身辐射将大幅降低，将有利于减少探测系统的噪声提高信噪比。
65.冷源11可连接基板10。红外焦平面探测器安装于低温冷源11基板10上面，同时低温冷源11基板10上安装冷量传导套13。光学透镜组件安装于镜筒5，然后将整个光学组件安装在冷量传导套13上，并使光学系统的后截距保持在设计值。将真空杜瓦外壳14、真空杜瓦前盖1、光窗及调焦装置安装成一个整体，各部件连接处有o圈作为密封结构17，可以保证整个结构真空密封性，将调焦装置对准镜筒5的缺口19把真空杜瓦外壳14组件安装到低温冷源11的真空接口上。
66.透射式光学系统安装于杜瓦内部，与探测器共冷源11。目标信号通过窗口后经过光学系统后汇聚在红外焦平面探测器上。工作时，杜瓦内部处于真空状态，红外探测器9和光学系统同时被冷却至低温。由于光学系统，温度降低后大幅减少自身噪声，从而能够提升整个系统的信噪比，实现高灵敏度探测，由于透射式光学系统在低温下与室温下不同，光学系统在低温下工作时，焦距会发生变化，此时通过低温调焦装置进行低温下调焦，将光学系统焦距调整到合适位置时，调焦装置和光学系统断开连接，此时，低温光学系统能在低温下进行清晰地成像。该基于透射式低温光学的红外探测系统并不只针对本实施例中列举的光学系统。
67.该基于透射式低温光学系统的红外探测系统，设置探测器和光学系统共冷源11设计，具备低噪声、高灵敏度的特点；透射式低温光学系统，结构紧凑、视场大，解决了透射式低温成像的问题；具备低温下实时调焦的功能。可实现对微弱目标的有效探测，结构紧凑，视场角大，适用于体积重量受限而又需要高灵敏度红外探测的领域。
68.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。