成像光谱仪真空低温环境下性能检测装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及光学成像仪技术领域，具体地，涉及一种成像光谱仪真空低温环境下性能检测装置及其测试方法。

背景技术

成像光谱技术是把二维成像技术和光谱技术有机的结合起来，运用光谱通道进行图像的采集、显示、处理和分析解释，既能对目标的形态成像，又能提取物体的光谱曲线信息。成像光谱仪在出厂前，需对其关键系统指标性能进行验证，确保满足设计指标要求。因此，成像光谱仪性能检测研究是成像光谱仪研制的重要组成部分。

以往国内成像光谱仪的指标测试均在实验室常温常压环境下进行，成像光谱仪发射入轨后，工作环境为真空，工作温度也与实验室不同。在真空环境下，仪器中光学组件的透过率曲线、滤光片的光谱曲线、光栅的衍射效率等均会发生变化，因此在真空和常压下，以及真空不同温度下，关键指标测试结果会发生偏移。因此在成像光谱仪完成装调后，必须在真空低温环境下对系统关键指标进行复测，以保证发射入轨后仪器的成像质量。

成像光谱仪的视场扫描常用方法是利用高精度转台：成像光谱仪放置于高精度转台，对转台进行角度控制，实现成像光谱仪视场的扫描。但是，受限于转台的尺寸和重量较大，转运和搭建存在难度。并且每个真空罐与转台有着特殊的接口，因此，转台较难实现便携性、安装接口的普适性，大大制约在真空低温环境下试验开展。

经现有技术检索发现，中国发明专利公布号为CN112284687A，公开了一种适用于深空探测成像光谱仪的成像模拟系统和方法，本发明系统包括低温箱、透光窗口、摆镜、反射镜、步进电机、低温箱控制器、低温箱数据和控制线，步进电机控制器，步进电机数据和控制线，该系统通过步骤(1)确定成像场景，安置成像光谱仪，连接各组件之间的数据和控制线；(2)确定低温箱的温度控制曲线；(3)确定摆镜的转动速度曲线；(4)高光谱数据采集和三维模型数据采集；(5)高光谱数据辐射定标和几何校正；(6)根据所获取的辐射亮度图像，从图像和三维模型数据中选择验证点评价模拟成像环境下辐射和几何畸变。该专利技术就存在上述相关问题。

因此，针对成像光谱仪在真空、低温、全视场、全孔径等真实工作环境下进行性能测试的需求，需要建立全新的测试装备，提供标准化测试方案，兼顾便携性和普适性，填补国内这一领域内空白。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种成像光谱仪真空低温环境下性能检测装置及其测试方法。

根据本发明提供的一种成像光谱仪真空低温环境下性能检测装置，包括真空罐体和罐外隔振平台；

所述真空罐体内设有平行光管、二维指向镜以及罐内隔振平台，所述罐内隔振平台上固定设置成像光谱仪，所述成像光谱仪对应设置在所述二维指向镜正下方，所述平行光管对应所述二维指向镜设置；

所述真空罐体上设有光学窗口，所述光学窗口对应设置在所述平行光管上方，所述罐外隔振平台内设有目标板和提供均匀照明光源的积分球光源，所述目标板对应设置在所述积分球光源与所述光学窗口之间。

一些实施方式中，所述罐外隔振平台内设有为所述目标板提供承载平台的五轴运动平台，所述孔状目标板设置于所述五轴运动平台的靶标工作位置。

一些实施方式中，所述平行光管采用无中心遮拦的离轴三反光学系统，所述平行光管上设有进光口和出光口，所述进光口对应设置在所述光学窗口下方，所述二维指向镜平行设置所述出光口一侧。

一些实施方式中，所述二维指向镜采用大口径高指向精度的真空二维指向技术设置，所述二维指向镜的二维指向范围≥±5°，所述二维指向镜的指向稳定性为2”，所述二维指向镜的指向镜面型为OPD RMS≤1/15λ(λ＝0.6238μm)，所述二维指向镜的工作温度为20℃～25℃。

一些实施方式中，所述目标板采用孔状目标板，所述孔状目标板位于所述平行光管的焦面，所述孔状目标板的小孔尺寸小于成像光谱仪瞬时视场的1/8。

一些实施方式中，所述地面检测及控制器分别与所述积分球光源、所述平行光管、所述二维指向镜、所述成像光谱仪信号连接设置。

本发明还提供一种成像光谱仪真空低温环境下性能检测装置的测试方法，包括以下步骤：步骤1.搭建真空罐体罐内和罐外测试系统；

步骤2.调节真空罐体内外光路；

步骤3.常温常压状态下，对成像光谱仪的内方位元素、畸变进行测试；

步骤4.对真空罐体开始抽真空；

步骤5.真空常温状态下，对成像光谱仪的内方位元素、畸变进行测试；

步骤6.对真空罐体开始液氮降温；

步骤7.真空低温状态下，对成像光谱仪的内方位元素、畸变进行测试；

步骤8.对真空罐体开始回温复压；

步骤9.常温常压状态下，对成像光谱仪的内方位元素、畸变进行复测。

一些实施方式中，对所述成像光谱仪像面进行建模，所述成像光谱仪探测器包括空间维为A和光谱维为B，所述成像光谱仪模型化为由B个线阵相机组成，每个所述线阵相机的探测元均为A个，线阵成像视场一致，对成像光谱仪的内方位元素及畸变测试为对B个线阵相机进行测试。

一些实施方式中，对成像光谱仪的内方位元素、畸变进行测试，具体包括如下操作：所述积分球照射处于所述平行光管焦面的所述孔状目标板产生信号光，所述信号光通过所述光学窗口进入所述进光口，所述平行光管对所述信号光进行准直和扩束，所述信号光被整形后以大口径平行光方式从所述出光口出射平行光管，以此来模拟无穷远的点目标发出信号光，所述信号光经过所述二维指向镜后发生光路折转，光路向下进入成像光谱仪，在面阵探测器上进行成像。

一些实施方式中，通过改变二维指向镜的角度，来改变成像光谱仪相对于无穷远目标的相对角度，可使信号带沿空间维度运动，记录下二维指向镜转动角度及其对应的图像，通过图像处理，可以获得成像光谱仪各像元点对应的视场值，根据下公式可以获得成像光谱仪的主点、主距、畸变数值：

上式中，X

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明通过设置真空罐体，并在真空罐体外设置罐外隔振平台和地面检测及控制器，建立了成像光谱仪在轨空间环境下的主要性能检测装置，提供测试方案，还原成像光谱仪在轨环境下主要其性能表现情况，对关键部件的设计结果进行验证，并为后期其他指标的测试提供扩展性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明成像光谱仪真空低温环境下性能检测装置的结构示意图；

图2为本发明成像光谱仪真空低温环境下性能性能检测装置的测试方法的流程示意图；

图3为本发明成像光谱仪面阵探测面的建模示意图；

图4为本发明内方位元素及畸变测试原理图；

附图标记：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示为成像光谱仪真空低温环境下性能检测装置的结构示意图，包括真空罐体11和罐外隔振平台4，真空罐体11为成像光谱仪9提供真空、深冷环境，模拟真实在轨工作环境。真空罐体11内设有平行光管7、二维指向镜8以及罐内隔振平台10，罐内隔振平台10上固定设置成像光谱仪9，成像光谱仪9对应设置在二维指向镜8正下方，平行光管7对应二维指向镜8设置。

真空罐体11上设有光学窗口6，光学窗口6是真空罐体11内外光路传输通道，既保证真空罐体11的密封性要求，又提供光传输通道保证罐外产生的信号光能够全部传输进入罐内。光学窗口6对应设置在平行光管7上方，罐外隔振平台4内设有目标板2和提供均匀照明光源的积分球光源1，积分球光源1角分布均匀性和面分布均匀性均大于98％，积分球光源1的稳定性误差≤±2％/2h。

罐外隔振平台4和罐内隔振平台10都为承载光学设备而研制，具有较好的隔振功能，为五轴运动平台3、光源、特征目标物、成像光谱仪9提供稳定承载环境。目标板2对应设置在积分球光源1与光学窗口6之间。罐外隔振平台4内设有为目标板2提供承载平台的五轴运动平台3，提供三个空间维度精细调节和俯仰、方位的两个维度的角度调节。孔状目标板2设置于五轴运动平台3的靶标工作位置。

目标板2采用孔状目标板2，孔状目标板2为性能测试所需的特征目标物，孔状目标板2位于平行光管7的焦面，孔状目标板2的小孔尺寸小于成像光谱仪9瞬时视场的1/8。地面检测及控制器5分别与积分球光源1、平行光管7、二维指向镜8、成像光谱仪9信号连接设置，进行性能控制和温度控制。

平行光管7采用适应真空低温环境下的无中心遮拦的离轴三反光学系统，平行光管7的口径≥Φ600mm，平行光管7的焦距≥10m，平行光管7的波像差RMS≤1/20λ(λ＝0.6238μm)，平行光管7的后截距≥1m，焦面位于真空罐体11外，将信号光进行准直和扩束。平行光管具有主动控温能力，工作温度：20℃～25℃。平行光管7上设有进光口和出光口，进光口对应设置在光学窗口6下方，二维指向镜8平行设置出光口一侧。

二维指向镜8采用大口径高指向精度的真空二维指向技术设置，实现真空低温环境下俯仰和方位两个维度高可靠性的转动。二维指向镜8的二维指向范围≥±5°，二维指向镜8的指向稳定性为2”，二维指向镜8的指向镜面型为OPD RMS≤1/15λ(λ＝0.6238μm)，二维指向镜8具有主动控温能力，工作温度为20℃～25℃。二维指向镜实现大口径光束的大角度折转，提供特定视场的入射光，覆盖成像光谱仪的成像视场。

如图2所示为成像光谱仪真空低温环境下性能检测装置的测试方法的流程示意图，包括以下步骤：步骤1.搭建真空罐体11罐内和罐外测试系统；

步骤2.调节真空罐体11内外光路；

步骤3.常温常压状态下，对成像光谱仪9的内方位元素、畸变进行测试；

步骤4.对真空罐体11开始抽真空；

步骤5.真空常温状态下，对成像光谱仪9的内方位元素、畸变进行测试；

步骤6.对真空罐体11开始液氮降温；

步骤7.真空低温状态下，对成像光谱仪9的内方位元素、畸变进行测试；

步骤8.对真空罐体11开始回温复压；

步骤9.常温常压状态下，对成像光谱仪9的内方位元素、畸变进行复测。

如图3所示为成像光谱仪面阵探测面的建模示意图，对成像光谱仪9像面进行建模，成像光谱仪9探测器包括空间维为A和光谱维为B，成像光谱仪9模型化为由B个线阵相机组成，每个线阵相机的探测元均为A个，线阵成像视场一致，对成像光谱仪9的内方位元素及畸变测试为对B个线阵相机进行测试。

对成像光谱仪9的内方位元素、畸变进行测试，具体包括如下操作：积分球照射处于平行光管7焦面的孔状目标板2产生信号光，信号光通过光学窗口6进入进光口，平行光管7对信号光进行准直和扩束，信号光被整形后以大口径平行光方式从出光口出射平行光管7，以此来模拟无穷远的点目标发出信号光，信号光经过二维指向镜8后发生光路折转，光路向下进入成像光谱仪9，如图4所示为内方位元素及畸变测试原理图，在面阵探测器上的成像情况如图4中的信号带。

通过改变二维指向镜8的角度，来改变成像光谱仪9相对于无穷远目标的相对角度，可使信号带沿空间维度运动，记录下二维指向镜8转动角度及其对应的图像，通过图像处理，可以获得成像光谱仪9各像元点对应的视场值，根据下公式可以获得成像光谱仪9的主点、主距、畸变数值：

上式中，X

通过分析比较：常温常压条件下、真空常温条件下、真空低温条件下，三种测试结果的差异，可分析真空度、温度对系统指标的影响方式，也可为成像光谱仪后续优化设计提供方向。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。