一种深低温环境下模拟月壤反射光谱测量装置及方法
技术领域
本申请涉及深空探测地面研制试验
技术领域
,具体涉及一种深低温环境下模拟月壤反射光谱测量装置及方法。背景技术
月球表面永久阴影坑内探测一直是月表探测的热点,人类也寄希望于永久阴影坑内能找到水资源。月球表面永久阴影坑永远无法被太阳光照亮,对阴影坑进行原位探测时,需要使用光源照亮所探测的区域,但在设计照明光源和图像采集设备时,需要图像采集设备的响应光谱与阴影坑内月壤反射照明光源的反射光谱匹配。阴影坑内由于永远不被照亮,坑内月壤的温度在-230℃左右,该温度下月壤的反射特性未知,需要通过地面试验测量。
目前,使用液氮制冷的真空低温容器,其热沉所能达到的最低温度为-196℃,无法满足将模拟月壤降低至-230℃的需求,同时,深低温区,极小的热流也会对产品的降温产生很大的影响;以上问题亟待进行解决。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足,期望提供一种深低温环境下模拟月壤反射光谱测量装置及方法。
第一方面,本申请提供一种深低温环境下模拟月壤反射光谱测量装置,包括深低温真空容器;深低温真空容器的内部设有光谱测量设备和照明光源,外部设有接收组件;光谱测量设备位于保温保压的舱体内;舱体上对应光谱测量设备设有观察窗;照明光源安装在舱体的外部,位于观察窗处。
进一步的,接收装置包括上位机和温度采集设备;上位机与光谱测量设备和照明光源电连接。
进一步的,深低温真空容器内还设有托盘;托盘位于观察窗处,用于盛放模拟月壤;模拟月壤内设有与温度采集设备电连接的温度传感器。
进一步的,深低温真空容器的内部为10-3Pa量级的真空环境,温度低于-250℃。
进一步的,光谱测量设备的波长测量范围是380nm-780nm。
进一步的,观察窗在380nm-780nm波长范围内的光谱透过率大于0.9,并能承受至少一个大气压的压差。
第二方面,本申请提供一种深低温环境下模拟月壤反射光谱的测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
对应光谱测量设备放置标准反射率白板,其反射率光谱曲线为r0(λ);
常温常压环境下,开启照明光源,获取光谱测量设备的输出信号V0(λ);
对应光谱测量设备放置模拟月壤,其反射率光谱曲线为r(λ);
真空深低温环境下,开启照明光源,获取光谱测量设备的输出信号V1(λ);
根据公式:
V0(λ)=E(λ)*r0(λ)*O(λ)*R(λ);
V1(λ)=E(λ)*r(λ)*O(λ)*R(λ);
其中E(λ)为照明光源的辐射度,O(λ)为观察窗及光谱测量设备光学系统的光谱响应曲线,R(λ)为光谱测量设备电子学系统的光谱响应曲线;
因此,深低温环境下模拟月壤的反射率光谱r(λ)表示为:
本申请具有的优点和积极效果是:
本技术方案通过将光谱测量设备安装在有热防护的保温保压舱体内,可为光谱测量设备提供常温常压工作环境,且有效屏蔽保温保压舱产生的热流对被测深低温模拟月壤的影响,确保测量的准确性。进一步的,本技术方案使用具有氦热沉的真空低温容器,能够提供-250℃的温度边界,因此可以将模拟月壤的温度降至-230℃,真实模拟月表永久阴影坑内的情况,并有效获取该温度下模拟月壤的反射光谱。
附图说明
图1为本申请实施例提供的深低温环境下模拟月壤反射光谱测量装置及方法的结构示意图。
图中所述文字标注表示为:100-深低温真空容器;200-光谱测量设备;210-照明光源;220-舱体;300-上位机;310-温度采集设备;400-托盘;410-温度传感器。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案,下面结合附图对本申请进行详细描述,本部分的描述仅是示范性和解释性,不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
第一方面,请参考图1,本实施例提供一种深低温环境下模拟月壤反射光谱测量装置,包括深低温真空容器100;真空容器100的内部设有光谱测量设备200、照明光源210和托盘400,外部设有上位机300和温度采集设备310;上位机300与光谱测量设备200和照明光源210分别电连接,用于远程操控光谱测量设备200和照明光源210;温度采集设备310与温度传感器410电连接,温度传感器410安装在托盘400内。
优选的,深低温真空容器100可提供10-3Pa量级的真空环境,且热沉采用氦循环制冷,能够提供-250℃以下的低温边界,同时,热沉表面喷涂有吸收率优于0.9的热控黑漆。
在一优选实施例中,光谱测量设备200位于保温保压的舱体220内,在对舱体220做热防护后,既能保证光谱测量设备200处于常温常压的工作环境中,又能用于屏蔽舱体220产生的热流对对被测深低温模拟月壤的影响。
优选的,光谱测量设备200为可测量波长范围覆盖380nm~780nm的光谱仪,并可被上位机300远程控制。
优选的,舱体220上对应光谱测量设备200设有观察窗;观察窗上镀有增透膜,在380nm~780nm波长范围内的光谱透过率大于0.9,且能承受1个大气压的压差。
优选的,舱体220上对除观察窗外的区域整体包覆10单元多层隔热组件,且在外壁上粘贴有用于控温的电加热器;光谱测量设备200的控制线缆通过舱体220的法兰引出至舱体220的外部,舱体220内部的线缆使用常温线缆,舱体220的外部线缆使用低温线缆。
在一优选实施例中,照明光源210安装在舱体220的外部,位于观察窗的一侧;照明光源210的安装面粘贴有电加热器,光源面粘贴有测温点,用于对照明光源210进行温控,确保照明光源210能够正常开启和关闭。
优选的,照明光源210辐照光谱范围覆盖380nm~780nm波长范围,性能稳定。
在一优选实施例中,托盘400的材质为金属,作为模拟月壤的盛装容器,与深低温真空容器100的热沉接触放置;温度传感器410置于模拟月壤中,不与托盘400直接接触,用于测量模拟月壤的温度。
第二方面,本申请提供一种低温环境下模拟月壤反射光谱测量装置的测量方法,包括以下步骤:
将标准反射率白板放置在模拟月壤处,其反射率光谱曲线为r0(λ);
常温常压环境下,开启照明光源,获取光谱测量设备的输出信号V0(λ);
对应光谱测量设备200放置模拟月壤,其反射率光谱曲线为r(λ);
真空深低温环境下,开启照明光源,获取光谱测量设备的输出信号V1(λ);
根据公式:
V0(λ)=E(λ)*r0(λ)*O(λ)*R(λ);
V1(λ)=E(λ)*r(λ)*O(λ)*R(λ);
其中E(λ)为照明光源的辐射度,O(λ)为观察窗及光谱测量设备光学系统的光谱响应曲线,R(λ)为光谱测量设备电子学系统的光谱响应曲线;
因此,深低温环境下模拟月壤的反射率光谱r(λ)表示为:
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式,应当指出,由于文字表达的有限性,而客观上存在无限的具体结构,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进、润饰或变化,也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合;这些改进润饰、变化或组合,或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均应视为本申请的保护范围。
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