一种红外热像仪测试系统的制作方法

1.本发明涉及红外测试领域，尤其涉及一种红外热像仪测试系统。


背景技术：

2.传统的高低温/变温条件下热像仪的性能测试系统是将热像仪及性能测试系统均放置于高低温箱中。即现有技术的特点是将整个系统(包括温差源、目标靶、靶盘及其转动机构、平行光管、载物平台、光具座及其他机械装置等)均放置于高低温箱中，这就会存在以下缺点：
3.1.在高低温/变温条件下，环境对测试系统的影响较大，整个测试系统都会发生热变化，这样测试系统本身就是一个不确定的系统。性能测试系统内部相关的各种机械构件、光学器件、黑体系统等都会随着环境温度的变化而变化，这就会导致温度的均匀性差、温度的测控难度增加、机械形变、有雾气等缺陷。总之，这种测试系统中存在的不确定因素太多，就使得整机性能测量的精度下降、可靠性降低，甚至测试结果根本不能说明热像仪的性能问题。
4.2.由于现有技术中的测试系统受高低温影响较大，系统稳定性较差，这就使得现有技术中的测试系统不能用于测试对系统稳定性要求较高的光学性能指标，例如高低温下光轴的稳定性。
5.3.现有技术中的测试系统测量功能单一，只能完成主观mrtd的测量，但是经试验发现，mrtd测量的结果也存在误差，且误差值较大，与室温测量的结果没有可比性，所以测量结果失去意义。其中，mrtd(minimum resolvable temperature difference)最小可分辨温差，是用来反映红外热像仪的温度灵敏度，同时还可反映其空间分辨率，还包括了观察者主观影响。
6.4.由于现有技术是将热像仪及性能测试系统均放置于高低温箱中，这就要求高低温箱体积要较大，同时还要求其中的平行光管的口径、焦距较小。
7.5.由于整个测试系统长期处于高低温、湿热环境下，就缩短了测试系统的使用寿命。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种可在同一系统中完成高低温环境以及室温环境下测试红外热像仪性能的测试系统，该系统具有较高的稳定性、可靠性、灵活性。
9.本发明的技术方案实现如下：一种红外热像仪测试系统，其特征在于，包括控制模块10、目标温度模拟模块20、红外准直光学模块30、温度转换模块40、显示模块50；所述控制模块10的一侧与所述目标温度模拟模块20一侧相连，用于控制所述目标温度模拟模块20输出模拟的辐射温度信号；所述控制模块10的另一侧与所述温度转换模块40一侧相连，用于控制所述温度转换模块40选择测试环境；所述红外准直光学模块30与所述目标温度模拟模块20另一侧相连，用于接收所述辐射温度信号，并将所述模拟的辐射温度信号转换为平行
光辐射温度信号并输出至与所述红外准直光学模块30另一侧相连的所述温度转换模块40；所述温度转换模块40另一侧连接待测红外热像仪60，用于产生室温测试环境以及高低温测试环境，并将接收到的所述平行光辐射温度信号投射到位于室温测试环境和/或高低温测试环境中的待测红外热像仪60上；所述显示模块50显示所述待测红外热像仪60发送来的红外热图。
10.进一步地，所述目标温度模拟模块20包括温度控制器21、目标黑体22、第一反射镜24、目标靶23以及背景黑体25；所述温度控制器21用于接收所述控制模块10的指令，使所述目标黑体22或所述背景黑体25产生与之对应的目标温度信号或背景温度信号产生目标温度信号。
11.进一步地，所述使所述目标黑体22产生目标温度信号包括：向所述目标黑体22或背景黑体25输出温度参数，所述温度参数包括预输出的目标温度值、背景温度值、采用的电压值以及电流值中的一种或其组合。
12.进一步地，所述用于接收所述辐射温度信号包括：所述目标温度模拟模块20将所述目标温度信号作为所述模拟的辐射温度信号经所述目标靶23上的小孔投射到所述第一反射镜24上，再经所述第一反射镜24反射后输出到所述红外准直光学模块30。
13.进一步地，所述目标温度模拟模块30还包括制冷单元26；所述制冷单元26接收所述温度控制器21的指令，向所述目标黑体输出温度参数。
14.进一步地，所述用于接收所述辐射温度信号还包括：所述背景温度信号经所述目标靶23的全反射面反射到所述第一反射镜24上，所述第一反射镜24汇合所述目标温度信号以及所述背景温度信号作为所述模拟的辐射温度信号，所述模拟的辐射温度信号经所述第一反射镜24反射后输出到所述红外准直光学模块30。
15.进一步地，所所述目标温度模拟模块20还包括制冷单元26，所述制冷单元26接收所述温度控制器21的指令，向所述目标黑体22和所述背景黑体25输出温度参数。
16.进一步地，将所述目标黑体22的发射面封装于一个充氮气的箱体27内，和/或将所述背景黑体25的发射面封装于一个充氮气的箱体27内；所述目标黑体22和所述背景黑体25通过所述箱体27上的红外窗口28与所述待测红外热像仪60耦合。
17.进一步地，所述将所述模拟的辐射温度信号转换为平行光辐射温度信号并输出至与所述红外准直光学模块30另一侧相连的所述温度转换模块40包括：其中所述红外准直光学模块30为离轴抛物面镜，所述离轴抛物面镜用于接收所述模拟的辐射温度信号，将所述模拟的辐射温度信号转换为平行光辐射温度信号输出至所述温度转换模块40。
18.进一步地，所述温度转换模块40包括温度转换控制器41、高低温测试箱44、第二反射镜42以及移动轨道43；所述高低温测试箱44，用于产生高低温测试环境；所述温度转换控制器41用于接收所述控制模块10的指令，控制所述移动轨道43运动，使位于所述移动轨道43上的所述第二反射镜42运动选择所述平行光辐射温度信号进入高低温测试环境或者室温测试环境。
19.进一步地，所述温度转换模块40还包括形变检测模块，所述形变检测模块用于检测所述高低温测试箱内光学平台发生形变的情况。
20.进一步地，所述形变检测模块包括第三反射镜47、光电自准直仪45以及五棱镜46；所述第三反射镜47安装在所述光学平台的光具座48上；所述光电自准直仪45发射的光信号
经所述五棱镜46后传送至所述第三反射镜47，由所述第三反射镜47反射后，再经所述五棱镜46反射回所述光电自准直仪45，由所述光电自准直仪45检测所述光学平台的形变情况。
21.本发明相比较于现有技术中存在如下优点：
22.1.在同一测试系统中既可实现室温环境下测试红外热像仪的性能，同时还可实现高低温环境下测试红外热像仪的性能。
23.2.本发明技术方案还提高了模拟的辐射温度的精准度，充分考虑具体应用环境对测试结果的影响，将环境的背景温度叠加至目标温度中，也提高了测试系统的稳定性和可靠性。
24.3.由于模拟目标温度的信号是在高低温箱外产生的，这就可缩小高低温箱的体积，而目标温度模拟模块、红外准直光学模块尺寸也是可调的，均可根据用户需求定制相应尺寸，提高了系统的灵活性。
附图说明
25.图1为本发明红外热像仪测试系统的结构示意图；
26.图2为本发明中目标温度模拟模块的第一种实现方式的结构示意图；
27.图3为本发明中目标温度模拟模块的第二种实现方式的结构示意图；
28.图4为本发明中目标温度模拟模块的第三种实现方式的构结构示意图；
29.图5为本发明中目标温度模拟模块的第四种实现方式的结构示意图；
30.图6为本发明中带充氮气箱体的黑体的示意图；
31.图7为本发明中目标靶的结构示意图；
32.图8为本发明中温度转换模块的结构示意图；
33.图9为本发明中形变检测模块的结构示意图；
34.图10为本发明中光具座的结构示意图；
35.图11为本发明中红外准直光学模块工作原理示意图。
具体实施方式
36.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
37.如图1所示，红外热像仪测试系统，包括控制模块10、目标温度模拟模块20、红外准直光学模块30、温度转换模块40、显示模块50。控制模块10与目标温度模拟模块20相连，控制目标温度模拟模块20输出模拟的辐射温度信号；控制模块10还与温度转换模块40相连，控制温度转换模块40选取测试环境。其中，红外准直光学模块30接收辐射温度信号，将辐射温度信号转换为平行光辐射温度信号输出至温度转换模块40。温度转换模块40，用于产生室温测试环境以及高低温测试环境，并将接收到的平行光辐射温度信号投射到位于室温测试环境或者高低温测试环境中的待测红外热像仪60上。待测红外热像仪60接收平行光辐射温度信号，根据平行光辐射温度信号将模拟的辐射温度信号转换为红外热图，并输出至显示模块50显示发送来的红外热图。本发明的技术方案就可在同一测试系统中既实现室温环境下测试红外热像仪的性能，同时还实现高低温环境下测试红外热像仪的性能。
38.如图2所示，目标温度模拟模块20包括温度控制器21、目标黑体22、第一反射镜24、
目标靶23。温度控制器21接收控制模块10的指令，向目标黑体22输出温度参数，温度参数可包括预输出的目标温度值、采用的电压值以及电流值中的一种或其组合。目标黑体22根据上述温度参数产生目标温度信号，将目标温度信号作为模拟的辐射温度信号经目标靶23上的小孔投射到第一反射镜24上，再经第一反射镜24反射后输出到红外准直光学模块30。
39.如图3所示，目标温度模拟模块20还包括背景黑体25。温度控制器21还接收控制模块10的指令，向背景黑体25输出温度参数，温度参数可包括预输出的背景温度值、采用的电压值以及电流值中的一种或其组合。背景黑体25根据上述温度参数产生背景温度信号，背景温度信号经目标靶23的全放射面反射到第一反射镜24上，第一反射镜24汇合目标温度信号以及背景温度信号作为模拟的辐射温度信号，模拟的辐射温度信号经第一反射镜24反射后输出到红外准直光学模块30。考虑背景温度对目标温度的影响，通过将目标温度信号和背景温度信号均反射到第一反射镜上，用以在第一反射镜上综合目标温度以及背景温度，这样就提高了模拟的辐射温度的精准度。
40.由于目标温度模拟模块20中的目标靶23除了要反射目标黑体22的红外光(即目标温度信号)，还要反射背景黑体25辐射的红外光(即黑体温度信号)，来模拟不同场景下目标体的温度，目标靶23采用表面镀金或镀银实现。
41.在应用中，目标温度模拟模块20还包括电动靶轮装置，电动靶轮装置能够将目标靶23精确地定位在准直仪的焦点上。电动靶轮装置也是接受控制模块10的指令而动作的。如图7所示，靶空间频率的计算如下：假设a为四杆靶的一个周期宽度，靶的长宽比为7：1，f为准直光学系统焦距，则目标靶23的空间频率f为：f＝f/2a。因此通过制作不同周期宽度的目标靶23，可以得到不同空间频率的四杆靶。
42.由于放置于空气中的低温黑体的发射面在低温条件下容易结露、结霜，低温结霜的解决方案如下：一种方法是向发射面表面吹干燥气体，但是由于表面的气体流动会使表面温度的均匀性受到影响；另一种方法则是将黑体(包括目标黑体22和/或背景黑体25)发射面封装在一个充满氮气的箱体27内，通过密封的红外窗口28将黑体同待测的单元耦合起来。红外窗口材料选用高透过率的玻璃材料或锗窗。
43.参见图6，将目标黑体22的发射面封装于一个充氮气的箱体27内，和/或，将背景黑体25的发射面封装于一个充氮气的箱体27内。目标黑体22、背景黑体25通过箱体27上的红外窗口28与待测红外热像仪60耦合，即红外辐射信号相结合。也就是说，由目标黑体22模拟输出的代表目标温度的红外光经由红外窗口28传递到待测红外热像仪60；或者，综合目标黑体22和背景黑体25后输出的代表目标温度的红外光经由红外窗口28传递到待测红外热像仪60。
44.在需要目标黑体22或者背景黑体25从高温向低温降温时，可通过温度控制器21输出的温度参数调整，由黑体自然降温，为了加快降温的效率，如图4、图5所示，目标温度模拟模块20中设置一制冷单元26。在图4所示方案中，制冷单元26接收温度控制器21的指令，向目标黑体22输出温度参数，加快目标黑体22降温。在图5所示方案中，制冷单元26接收温度控制器21的指令，向目标黑体22和背景黑体25输出温度参数，加快目标黑体22和背景黑体25降温。制冷单元26可以通过水冷(包括制冷剂，即冷却液)、风冷或者半导体制冷等方式实现。通过配置制冷单元26，利用冷却液实现热扩散。冷却液是由一个分离在外的冷却液体单元供给，并在制冷单元26后部的罩套内循环实现热扩散的。这就使黑体的温度(目标黑体22
和/或背景黑体25)大大低于利用风扇制冷的传统黑体的温度。
45.参见图2、图3、图4、图5，红外准直光学模块30为离轴抛物面镜31，离轴抛物面镜31接收模拟的辐射温度信号，将模拟的辐射温度信号转换为平行光辐射温度信号输出至温度转换模块40。
46.将目标靶23精确安装在准直光学模块的焦平面上，经红外准直光学模块30而模拟无穷远目标。红外准直光学模块30主要包括离轴抛物面反射镜，该镜面上镀有一层很硬的金属膜，以确保最佳的从可见光到远红外的透过率。
47.下面简单介绍红外准直光学模块30的参数设计，如图11所示，由抛物线方程y2＝4fx可以确定离轴量、焦距、离轴角度之间的关系：
[0048][0049]
其中，φ为离轴角度，b为离轴量，f为焦距。
[0050]
考虑抛物面镜通光口径为250mm，目标靶23到光路中心距离估计为a＝125+85＝210mm。光路中心到第一反射镜24中心的距离估计为c＝125+100＝225mm。设抛物面镜的焦距f＝2000mm，则离轴角度为：
[0051][0052]
离轴量近似计算：
[0053]
参见图8
‑
9，温度转换模块40包括温度转换控制器41、高低温测试箱44、第二反射镜42、移动轨道43。其中，高低温测试箱44，用于产生高低温测试环境。温度转换控制器41接收控制模块10的指令，控制移动轨道43运动，使位于移动轨道43上的第二反射镜42进行平行运动使得平行光辐射温度信号进入高低温测试环境或者室温测试环境。
[0054]
具体工作过程可描述如下：温度转换控制器41接收控制模块10的指令，控制移动轨道43运动，即控制移动轨道43上的第二反射镜42运动，当第二反射镜42移开时，由红外准直光学模块30射出的红外光(即平行光辐射温度信号)进入高低温测试环境，即红外光经由高低温测试箱44的红外窗进入到待测热像仪60的镜头；当第二反射镜42存在时，由红外准直光学模块30射出的红外光(即平行光辐射温度信号)经第二反射镜42反射到放置于室温环境测试平台上的待测热像仪60的镜头。这就实现了室温测试环境/高低温测试环境的选择。其中，第二反射镜42可沿着移动轨道43平动和沿着旋转轴转动。
[0055]
温度转换模块40中的高低温测试箱44可以完成高低温、湿度环境的模拟，箱体内可放置一个小型的光学平台。在高低温测试箱44中开一个窗口，窗口材料选用透过率较高的红外材料，窗口的直径根据平行光管的口径大小来确定，红外窗采用双层中空结构设计，中间夹层中充氮气，并设计有加热装置。
[0056]
进一步地，温度转换模块40还包括形变检测模块，形变检测模块用于检测高低温测试箱44内光学平台发生形变的情况。参见图9，形变检测模块包括第三反射镜47、光电自准直仪45、五棱镜46。第三反射镜47安装在光学平台的光具座48上；光电自准直仪45发射的光信号经五棱镜46后传送至第三反射镜47，由第三反射镜47反射后，再经五棱镜46反射回
光电自准直仪45，由光电自准直仪45检测光学平台的形变情况；五棱镜46，用于转变光电自准直仪45发射的光信号的传播方向。
[0057]
光学平台的设计充分考虑了高低温环境下的形变问题：一方面，在材料的选择上考虑热形变较小的材料；一方面，在结构设计上采用对称性和具有温度补偿特性的结构；一方面，设计了光学平台形变检测装置，这就可实时地测出光学平台发生形变的数值，从而依据形变数值完成补偿。
[0058]
光学平台在高低温环境下的形变检测采用光电自准直法，测试方法如图9所示：在高低温测试箱44内光学平台的光具座48上放置一个经过高低温处理的第三反射镜47，通过设置在高低温测试箱44外面的高精度光电自准直仪45实时检测反射回来的光点，检测获得高低温测试箱44内光学平台的热形变。五棱镜46的作用是将光电自准直检测光路转90度以避免光电自准直仪45对温度转换模块40发射过来的光路的遮挡。
[0059]
放置在光学平台上的光具座48结构如图10所示，结构采用轴对称结构设计，材料的选用如下：外部的两个支撑梁1采用高膨胀系数的材料，其余两个支撑梁2的均采用低膨胀系数的材料，其中l2比l1小得多，l3比l4小得多。例如，外部的两个支撑梁1采用高膨胀系数的铝：α1＝23(m/mk
×
10
‑6)，其余两个支撑梁的材料采用低膨胀系数的不锈钢：α2＝16.6(m/mk
×
10
‑6)。在热膨胀作用下，外部的两个支撑梁1比内部的两个支撑梁2长，使横梁向内倾斜，于是，光具座48中心的载物平台3下落，这样可达到补偿温度造成的膨胀。可根据α1和α2的数值计l1和l2、l3和l4的比例关系以获得最佳补偿效果。
[0060]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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。