1.本发明涉及光学测量技术领域，更具体地说，它涉及基于单点探测的低温红外材料折射率测量装置及测量方法。
背景技术：2.由于红外技术的广泛应用，红外光学系统瞄准系统的优越性被各国科研人员发现，适用于航空航天红外材料低温真空环境下的红外材料可靠性问题的研究。
3.现有的折射率测量仪主要由秒级自准直光管、精密转台、温控系统、平行光管、瞄准系统和光源组件组成，在测试条件发生变化的情况下，通过转动测试棱镜的角度使得瞄准系统中前后的质心位置保持一致，最后通过自准直光管测量测试棱镜的转动角度，并通过相关计算得到测试棱镜的折射率变化情况，整个测试过程所需仪器设备较多、光路复杂、应用成本高，进而影响到测量精度；此外，瞄准系统一般采用阵列探测器进行质心位置检测，在连续测量过程中存在效率低，且阵列探测器的应用成本高。
4.因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的基于单点探测的低温红外材料折射率测量装置及测量方法是我们目前急需解决的问题。
技术实现要素：5.为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于单点探测的低温红外材料折射率测量装置及测量方法，整个测量过程无需自准直光管进行对照处理，测量过程的光路相对简单，测量精度和效果较高，应用成本较低。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.第一方面，提供了基于单点探测的低温红外材料折射率测量装置，包括：
8.红外光源组件，用于输出预设波长的红外光；
9.旋转台，置于真空恒温器中，并在旋转时同步调整测试棱镜的旋转角度；
10.分光镜，红外光穿过分光镜后传输至测试棱镜，且分光镜对经测试棱镜背面反射膜反射后原路返回的光线反射输出；
11.瞄准装置，通过单点探测器获取随测试棱镜的旋转角度变化的表征光斑中心坐标的信号幅值；
12.处理器，用于依据信号幅值和旋转台的旋转角度，以加权平均方法计算得到测试棱镜在调整旋转角度后的偏向角度，并根据偏向角度确定当前温度下的折射率。
13.进一步的，所述红外光源组件包括红外单色仪、高温腔黑体、斩光盘、离轴镜和平面镜；
14.通过离轴镜将从红外单色仪出口狭缝出射的发散型单色光转变成准直平行光后，通过平面镜反射射入测试棱镜。
15.进一步的，所述红外光的波长范围为2um到14um。
16.进一步的，所述分光镜为半透半反镜。
17.进一步的，所述瞄准装置配置有前置放大器和锁相放大器；
18.当红外光聚到单点探测器的光敏面中心后，通过前置放大器放大处理，并经锁相放大器处理后输出，以确定表征光束输出信号最大位置的信号幅值。
19.第二方面，提供了基于单点探测的低温红外材料折射率测量方法，包括以下步骤：
20.s1：通过红外光源组件输出预设波长的红外光；
21.s2：将旋转台置于真空恒温器中，并在旋转时同步调整测试棱镜的旋转角度；
22.s3：红外光穿过分光镜后传输至测试棱镜，且分光镜对经测试棱镜背面反射膜反射后原路返回的光线反射输出；
23.s4：通过单点探测器获取随测试棱镜的旋转角度变化的表征光斑中心坐标的信号幅值；
24.s5：依据信号幅值和旋转台的旋转角度，以加权平均方法计算得到测试棱镜在调整旋转角度后的偏向角度，并根据偏向角度确定当前温度下的折射率。
25.进一步的，所述偏向角度的计算公式具体为：
[0026][0027]
其中，r表示表征光斑中心坐标的信号幅值；t表示测量周期；ri表示在第i次采样时获取的幅值信息；ui表示在第i次采样时获取的旋转台的旋转角度。
[0028]
进一步的，所述偏向角度的计算公式具体为：
[0029][0030]
其中，r表示表征光斑中心坐标的信号幅值；t表示测量周期；ri表示在第i次采样时获取的幅值信息；ui表示在第i次采样时获取的旋转台的旋转角度；k表示校准系数，由测量仪器设备决定。
[0031]
进一步的，所述幅值信息的获取过程具体为：
[0032]
获取单个采样周期内连续的幅值信息；
[0033]
对连续的幅值信息进行排序；
[0034]
过滤排序前列和排序后列的预设百分比的幅值信息；
[0035]
计算剩余幅值信息的均值，得到最终的幅值信息。
[0036]
进一步的，所述预设百分比为20％-25％。
[0037]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0038]
1、本发明提出的基于单点探测的低温红外材料折射率测量装置，通过单点探测器采用连续的表征光斑中心坐标的信号幅值，并结合旋转台的旋转角度进行加强平均计算，整个测量过程无需自准直光管进行对照处理，测量过程的光路相对简单，测量精度和效果
较高，应用成本较低；
[0039]
2、本发明提出的基于单点探测的低温红外材料折射率测量方法，采用单点探测器和相关算法实现了测试棱镜的偏向角度的连续测量，相比传统应用阵列探测器而言，应用成本更低；
[0040]
3、本发明通过对采样周期内连续的幅值信息进行排序、过滤处理，并以均值作为最终的幅值信息，能够有效降低仪器设备所带来的误差影响，使得整个测量结果更加稳定、可靠。
附图说明
[0041]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0042]
图1是本发明实施例中的工作原理图；
[0043]
图2是本发明实施例中的流程图；
[0044]
图3是本发明实施例中的测量结果示意图。
[0045]
附图中标记及对应的零部件名称：
[0046]
101、红外单色仪；102、高温腔黑体；103、离轴镜；104、平面镜；105、分光镜；106、真空恒温器；107、旋转台；108、瞄准装置。
具体实施方式
[0047]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0048]
实施例1：基于单点探测的低温红外材料折射率测量装置，如图1所示，包括红外光源组件、旋转台107、分光镜105、瞄准装置108和处理器。
[0049]
其中，红外光源组件，用于输出波长范围在2um-14um之间的红外光。旋转台107，置于真空恒温器106中，并在旋转时同步调整测试棱镜的旋转角度。分光镜105为半透半反镜，红外光穿过分光镜105后传输至测试棱镜，且分光镜105对经测试棱镜背面反射膜反射后原路返回的光线反射输出。瞄准装置108，通过单点探测器获取随测试棱镜的旋转角度变化的表征光斑中心坐标的信号幅值。处理器，用于依据信号幅值和旋转台107的旋转角度，以加权平均方法计算得到测试棱镜在调整旋转角度后的偏向角度，并根据偏向角度确定当前温度下的折射率。
[0050]
红外光源组件包括红外单色仪101、高温腔黑体102、斩光盘、离轴镜103和平面镜104；通过离轴镜103将从红外单色仪101出口狭缝出射的发散型单色光转变成准直平行光后，通过平面镜104反射射入测试棱镜。
[0051]
瞄准装置108配置有前置放大器和锁相放大器；当红外光聚到单点探测器的光敏面中心后，通过前置放大器放大处理，并经锁相放大器处理后输出，以确定表征光束输出信号最大位置的信号幅值。
[0052]
实施例2：基于单点探测的低温红外材料折射率测量方法，如图2所示，包括以下步骤：
[0053]
s1：通过红外光源组件输出预设波长的红外光；
[0054]
s2：将旋转台107置于真空恒温器106中，并在旋转时同步调整测试棱镜的旋转角度；
[0055]
s3：红外光穿过分光镜105后传输至测试棱镜，且分光镜105对经测试棱镜背面反射膜反射后原路返回的光线反射输出；
[0056]
s4：通过单点探测器获取随测试棱镜的旋转角度变化的表征光斑中心坐标的信号幅值；
[0057]
s5：依据信号幅值和旋转台107的旋转角度，以加权平均方法计算得到测试棱镜在调整旋转角度后的偏向角度，并根据偏向角度确定当前温度下的折射率。
[0058]
具体的，单点质心探测的测试计算为功率加权法。以信号幅值为加权系数进行加权求和，计算转角偏移量的加权平均值，可以求得幅值中心位置对应的转角值，可以类比对一个物体求质心的过程。以此来表示瞄准状态下峰值所对应的偏移量，将采集到的信号幅值与对于转角值(也为旋转台107的旋转角度)的波形图看做一个指点，信号幅值由其纵坐标表示，其对于的转角值由横坐标表示，那么将这些点的锁相放大器接收到的幅值乘以相对于的转角值后求和。
[0059]
作为一种可选的实施方式，偏向角度的计算公式具体为：
[0060][0061]
其中，r表示表征光斑中心坐标的信号幅值；t表示测量周期；ri表示在第i次采样时获取的幅值信息；ui表示在第i次采样时获取的旋转台107的旋转角度。
[0062]
作为另一种可选的实施方式，考虑测量仪器设备的精度影响，可通过历史测量数据确定校准系数，偏向角度的计算公式具体为：
[0063][0064]
其中，r表示表征光斑中心坐标的信号幅值；t表示测量周期；ri表示在第i次采样时获取的幅值信息；ui表示在第i次采样时获取的旋转台107的旋转角度；k表示校准系数，由测量仪器设备决定。
[0065]
为了降低仪器设备所带来的误差影响，使得整个测量结果更加稳定、可靠，可对幅值信息进行预处理，具体过程为：获取单个采样周期内连续的幅值信息；对连续的幅值信息进行排序；过滤排序前列和排序后列的预设百分比的幅值信息；计算剩余幅值信息的均值，得到最终的幅值信息。例如，滤除排序前四分之一和后四分之一的数据。
[0066]
如图3所示，基于以往实验结果，选择最优的实验条件，通过连续不间断测量25组数据测试数据得出1.99
″
的实验精度，具有较高的稳定性。此外，测量方法可以替代红外焦
平面相机进行红外材料折射率测试，利用单点质心瞄准算法能够使得瞄准精度接近2
″
。
[0067]
工作原理：本发明通过单点探测器采用连续的表征光斑中心坐标的信号幅值，并结合旋转台107的旋转角度进行加强平均计算，整个测量过程无需自准直光管进行对照处理，测量过程的光路相对简单，测量精度和效果较高，应用成本较低；采用单点探测器和相关算法实现了测试棱镜的偏向角度的连续测量，相比传统应用阵列探测器而言，应用成本更低。
[0068]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0069]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0070]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0071]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0072]
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.基于单点探测的低温红外材料折射率测量装置，其特征是，包括：红外光源组件，用于输出预设波长的红外光；旋转台(107)，置于真空恒温器(106)中，并在旋转时同步调整测试棱镜的旋转角度；分光镜(105)，红外光穿过分光镜(105)后传输至测试棱镜，且分光镜(105)对经测试棱镜背面反射膜反射后原路返回的光线反射输出；瞄准装置(108)，通过单点探测器获取随测试棱镜的旋转角度变化的表征光斑中心坐标的信号幅值；处理器，用于依据信号幅值和旋转台(107)的旋转角度，以加权平均方法计算得到测试棱镜在调整旋转角度后的偏向角度，并根据偏向角度确定当前温度下的折射率。2.根据权利要求1所述的基于单点探测的低温红外材料折射率测量装置，其特征是，所述红外光源组件包括红外单色仪(101)、高温腔黑体(102)、斩光盘、离轴镜(103)和平面镜(104)；通过离轴镜(103)将从红外单色仪(101)出口狭缝出射的发散型单色光转变成准直平行光后，通过平面镜(104)反射射入测试棱镜。3.根据权利要求1所述的基于单点探测的低温红外材料折射率测量装置，其特征是，所述红外光的波长范围为2um到14um。4.根据权利要求1所述的基于单点探测的低温红外材料折射率测量装置，其特征是，所述分光镜(105)为半透半反镜。5.根据权利要求1所述的基于单点探测的低温红外材料折射率测量装置，其特征是，所述瞄准装置(108)配置有前置放大器和锁相放大器；当红外光聚到单点探测器的光敏面中心后，通过前置放大器放大处理，并经锁相放大器处理后输出，以确定表征光束输出信号最大位置的信号幅值。6.基于单点探测的低温红外材料折射率测量方法，其特征是，包括以下步骤：s1：通过红外光源组件输出预设波长的红外光；s2：将旋转台(107)置于真空恒温器(106)中，并在旋转时同步调整测试棱镜的旋转角度；s3：红外光穿过分光镜(105)后传输至测试棱镜，且分光镜(105)对经测试棱镜背面反射膜反射后原路返回的光线反射输出；s4：通过单点探测器获取随测试棱镜的旋转角度变化的表征光斑中心坐标的信号幅值；s5：依据信号幅值和旋转台(107)的旋转角度，以加权平均方法计算得到测试棱镜在调整旋转角度后的偏向角度，并根据偏向角度确定当前温度下的折射率。7.根据权利要求6所述的基于单点探测的低温红外材料折射率测量方法，其特征是，所述偏向角度的计算公式具体为：
其中，r表示表征光斑中心坐标的信号幅值；t表示测量周期；r
i
表示在第i次采样时获取的幅值信息；u
i
表示在第i次采样时获取的旋转台(107)的旋转角度。8.根据权利要求6所述的基于单点探测的低温红外材料折射率测量方法，其特征是，所述偏向角度的计算公式具体为：其中，r表示表征光斑中心坐标的信号幅值；t表示测量周期；r
i
表示在第i次采样时获取的幅值信息；u
i
表示在第i次采样时获取的旋转台(107)的旋转角度；k表示校准系数，由测量仪器设备决定。9.根据权利要求7或8所述的基于单点探测的低温红外材料折射率测量方法，其特征是，所述幅值信息的获取过程具体为：获取单个采样周期内连续的幅值信息；对连续的幅值信息进行排序；过滤排序前列和排序后列的预设百分比的幅值信息；计算剩余幅值信息的均值，得到最终的幅值信息。10.根据权利要求9所述的基于单点探测的低温红外材料折射率测量方法，其特征是，所述预设百分比为20％-25％。
技术总结本发明公开了基于单点探测的低温红外材料折射率测量装置及测量方法，涉及光学测量技术领域，其技术方案要点是：包括：红外光源组件，输出红外光；旋转台，置于真空恒温器中，并调整测试棱镜的旋转角度；分光镜，红外光穿过分光镜后传输至测试棱镜，且分光镜对经测试棱镜背面反射膜反射后原路返回的光线反射输出；瞄准装置，通过单点探测器获取随测试棱镜的旋转角度变化的信号幅值；处理器，用于依据信号幅值和旋转台的旋转角度，以加权平均方法计算得到测试棱镜在调整旋转角度后的偏向角度，并根据偏向角度确定当前温度下的折射率。本发明无需自准直光管进行对照处理，测量过程的光路相对简单，测量精度和效果较高，应用成本较低。应用成本较低。应用成本较低。
技术研发人员：倪磊 蒋东旭 廖璇 向北平 杨应洪 余家欣
受保护的技术使用者：西南科技大学
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
