一種基于面源黑體的某型紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)研制

劉 莎 王占濤 汪 濤 林 森 王鍇磊

(北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

一種基于面源黑體的某型紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)研制

劉 莎 王占濤 汪 濤 林 森 王鍇磊

(北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

基于某型導(dǎo)引頭對目標(biāo)體紅外輻射特性和運動特性的仿真需求，研制了基于面源黑體的紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)，用于模擬無窮遠(yuǎn)處的設(shè)定目標(biāo)與背景溫差，以及目標(biāo)體在視場中的動態(tài)變化。介紹了該紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)的基本原理、主要組成以及硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件實現(xiàn)情況，并對其紅外成像輻射特性以及動態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行了實驗驗證。

面源黑體 紅外靶標(biāo) 輻射特性 模擬溫度

1 引 言

隨著精確制導(dǎo)武器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位不斷提高，紅外制導(dǎo)技術(shù)的開發(fā)與運用越來越受到國內(nèi)外的重視[1]。紅外導(dǎo)引頭在裝配和調(diào)試時，需要對導(dǎo)引頭的目標(biāo)識別、自動跟蹤能力等性能參數(shù)進(jìn)行仿真測試。紅外目標(biāo)模擬器是紅外導(dǎo)引頭半實物仿真系統(tǒng)中的重要組成部分，能夠提供給導(dǎo)引頭足夠逼真的紅外目標(biāo)和場景的物理特性，包括光譜范圍、輻照度大小、運動特性等[2]。目前多數(shù)紅外動態(tài)目標(biāo)模擬器采用DMD或電阻陣進(jìn)行紅外場景模擬[3]，這兩種方法能夠很好地實現(xiàn)紅外動態(tài)目標(biāo)建模和仿真，但是這兩種系統(tǒng)復(fù)雜，造價高昂，且用于考核動態(tài)目標(biāo)位置測量時，受視場角、分辨率以及光學(xué)系統(tǒng)畸變等影響，測量精度不如直接將靜態(tài)模擬器置于動態(tài)平臺上，目標(biāo)靶相對模擬器靜止，由平臺帶動模擬器運動，且后者操作更為簡單、便捷。

針對某型紅外導(dǎo)引頭專項測試需要，本文提出一種基于面源黑體的由紅外目標(biāo)生成與目標(biāo)運動兩部分構(gòu)成的紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)的研制方法。

2 基本原理與設(shè)計條件

紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)是基于面源黑體和透射式準(zhǔn)直光路搭建而成，黑體源經(jīng)入射光闌透射，由準(zhǔn)直物鏡形成準(zhǔn)直的紅外輻射，可以精確模擬無窮遠(yuǎn)處的多種紅外目標(biāo)和背景。

紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)的光學(xué)參數(shù)必須要與導(dǎo)引頭的光學(xué)參數(shù)相耦合，已知某型號導(dǎo)引頭的視場角、入瞳直徑、入瞳位置等紅外光學(xué)參數(shù)，得出紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

焦距為：80mm；

出射光光束不平行度：<1′；

模擬溫度范圍：10℃～90℃；

溫度精度：0.1℃；

黑體發(fā)射率：≥0.90；

基本原理如下，安裝導(dǎo)引頭于測試支架上并保持俯仰向或者偏航向固定不動，紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)通過安裝不同的目標(biāo)靶，來模擬無窮遠(yuǎn)處的靜態(tài)目標(biāo)；借助運動伺服機構(gòu)的一維旋轉(zhuǎn)和振動，來模擬無窮遠(yuǎn)處的紅外目標(biāo)在視場內(nèi)的位置變化和振動變化，從而為被測導(dǎo)引頭的紅外成像與信息處理測試提供靜、動態(tài)測試條件。

3 設(shè)備組成及方案設(shè)計

紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)主要由紅外頭光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)、紅外輻射光源、多目標(biāo)靶標(biāo)、方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)、穩(wěn)定基座以及綜合控制器組成。如圖1所示。

3.1 紅外光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)

根據(jù)導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，工作時，紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)在方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)上進(jìn)行轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)角度必須與紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)最大視場相匹配；且紅外靶標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)的出瞳參數(shù)必須與紅外成像裝置的入瞳參數(shù)相匹配才能達(dá)到最好的測試效果。紅外動態(tài)靶標(biāo)轉(zhuǎn)動前后光機耦合分析如下圖2所示。

轉(zhuǎn)動前，靶標(biāo)出瞳為CD，CD中點為導(dǎo)引頭入瞳，EF為靶標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)第一面，轉(zhuǎn)動后靶標(biāo)出瞳為C′D′,轉(zhuǎn)動后導(dǎo)引頭入瞳也在靶標(biāo)出瞳內(nèi)。其中EF到CD之間的距離為出瞳距；AD與光軸夾角為視場角；靶標(biāo)繞回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角度由導(dǎo)引頭光學(xué)參數(shù)決定。

由于紅外靶標(biāo)安置在方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)上配合導(dǎo)引頭進(jìn)行全視場圖像測試，因此需要紅外靶標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)提供大出瞳孔徑和出瞳距。設(shè)計難點在于：①相對孔徑大(F#數(shù)小于1)，像差校正比較困難。因此在滿足有效輻射靶面的基礎(chǔ)上應(yīng)綜合考慮視場、焦距、材料以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計；②出瞳孔徑和視場角大，造成光學(xué)系統(tǒng)的透鏡元件直徑較大，由于邊緣視場在光學(xué)系統(tǒng)上的投射高度過大，影響邊緣視場的像質(zhì)。因此在設(shè)計上以滿足靶標(biāo)目標(biāo)區(qū)域(0.707視場)為主，最大程度的校正邊緣視場(背景)的像差，以滿足使用要求。

根據(jù)光路可逆原理，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)采用4片鏡設(shè)計，利用非球面技術(shù)經(jīng)反復(fù)優(yōu)化，最終獲得滿足要求的成像效果，Zemax軟件設(shè)計結(jié)果見下圖3。

3.2 紅外輻射光源

輻射強度是紅外導(dǎo)引頭性能測試中的重要指標(biāo)，紅外輻射光源用于產(chǎn)生輻射能量，紅外輻射光源性能的好壞直接影響仿真的質(zhì)量。3μm～5μm紅外仿真通常采用面源黑體作為紅外光源[4]。本文通過對面源黑體輻射溫度的控制，模擬無窮遠(yuǎn)處目標(biāo)的輻射特性。采用半導(dǎo)體制冷器(TEC)作為被控黑體參考源，具有熱慣性小、制冷制熱時間快的特點，半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，便于組成自動控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

TEC有效輻射面尺寸為Φ50mm，輻射表面經(jīng)噴砂處理后，通過噴涂常溫高發(fā)射率漆涂層的工藝，保證面源黑體輻射源發(fā)射率(常溫范圍內(nèi)發(fā)射率可達(dá)0.93以上)。半導(dǎo)體制冷片通過導(dǎo)熱硅脂與輻射板粘接，能夠有效提高工作效率和輻射溫度均勻性。背板選用紫銅板，其不僅起到支撐作用，同時借助散熱風(fēng)扇，能實現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷器的有效散熱，保證其正常工作。

本文采用日本島電公司的智能溫控儀表SR253模塊作為溫度控制器，SR253輸出不同的脈寬調(diào)制信號PWM來驅(qū)動控制器，控制半導(dǎo)體制冷器的加熱和制冷，具有控溫精度高、溫度穩(wěn)定、升降溫速度快等特點。SR253能夠接收一路PT100信號，通過校準(zhǔn)修正后，測溫精度0.02℃，可滿足對光源輻射溫度的需求；圖5為TEC黑體源控制原理框圖。

背景測溫采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鉑電阻測溫傳感器進(jìn)行測量采集，鉑電阻測溫具有性能穩(wěn)定、測量范圍廣、精度高等特點，采用4線式測溫方法進(jìn)行測溫，可以減小連接導(dǎo)線電阻隨溫度變化造成的測量誤差。恒流源驅(qū)動電路為鉑電阻傳感器Pt100供電，將溫度引起的Pt100阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓枯敵?，通過放大電路將檢測出的微弱電壓變化量進(jìn)行放大后采集并轉(zhuǎn)換為溫度值。溫度傳感器和變送模塊安裝在靶標(biāo)發(fā)生器上，通過串行接口和綜合控制器傳送數(shù)據(jù)。

3.3 方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)

方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)由工作臺面、軸系、電機、光學(xué)編碼器。電機提供驅(qū)動力矩，光學(xué)編碼器提供位置和速度反饋。

方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)控制系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計原則，采用成熟的控制技術(shù)，確保系統(tǒng)的高可靠性、安全性、易操作性及易維護(hù)性。采用了基于RTX實時系統(tǒng)的控制模式，簡化控制過程，節(jié)省機柜空間，用全數(shù)字化控制策略，完成高性能計算機控制下的電機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)臺的數(shù)字伺服功能。反饋回路部分，選用高速、高精度、高可靠性的光電碼盤，經(jīng)過計數(shù)卡測角細(xì)分、分配裝置得到位置數(shù)據(jù)，可以滿足系統(tǒng)的速度、位置等靜態(tài)精度要求，方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖見圖7所示。

控制系統(tǒng)核心是高性能控制計算機，一方面可為操作者提供人機界面；實時監(jiān)視方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)的速率、位置運行狀態(tài)；在異常情況下對系統(tǒng)的安全提供有效的保護(hù)措施并發(fā)出聲、光報警信號；數(shù)據(jù)處理、保存及其它功能。另一方面，控制計算機通過RTX實時控制系統(tǒng)在每個控制周期內(nèi)(1ms)采集兩軸編碼器的角度編碼值，根據(jù)控制規(guī)律計算實時控制量，并通過PCI1723(16位)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，向伺服驅(qū)動器發(fā)出每個控制周期內(nèi)的控制電壓，同時接受用戶的同步觸發(fā)信號，鎖存碼盤數(shù)據(jù)。

方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)控制算法采用基于RTX實時系統(tǒng)的控制模式，簡化了控制過程，節(jié)省機柜空間，能夠可靠地實現(xiàn)控制策略，保證系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程，使系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)性能得到充分的保證；同時，能夠基于Windows-XP操作系統(tǒng)平臺，開發(fā)方便、直觀的人機器交互界面。

狀態(tài)監(jiān)控單元用來實現(xiàn)各種控制信號的次序切入功率放大單元，D/A信號、驅(qū)動器使能信號；它可用手動方式切換，也可通過計算機I/O口進(jìn)行切換。采用光纖內(nèi)存反射卡與遠(yuǎn)控計算機通信。

3.4 多目標(biāo)靶標(biāo)

靶標(biāo)采用金屬靶板設(shè)計，金屬靶板的成像面是一層發(fā)射率很高的黑色涂層，保持與環(huán)境溫度相同；金屬靶板背面是一層反射率很高的金屬涂層(鍍金)，以減小黑體輻射對靶板溫度的影響；因此金屬靶板實體的溫度即是環(huán)境溫度，鏤空部分的溫度即是目標(biāo)溫度。

靶標(biāo)形狀的加工采用慢走絲電火花線切割技術(shù)，通過電極絲和靶板之間產(chǎn)生的電火花電蝕靶板來完成復(fù)雜形狀的鏤空切割。在結(jié)構(gòu)上，根據(jù)使用需要可更換不同圖案靶標(biāo)的要求，專門設(shè)計了靶標(biāo)快速更換裝置，使靶標(biāo)組件成為獨立的模塊，采用拔插的方式裝入系統(tǒng)中，并采取了螺釘固定措施，保證使用過程中靶標(biāo)部分的穩(wěn)定；并設(shè)計了靶標(biāo)調(diào)校環(huán)節(jié)，可以通過裝配過程中調(diào)節(jié)定位每組模塊的靶標(biāo)位置，準(zhǔn)確控制系統(tǒng)的出瞳距離，保證更換不同靶標(biāo)后系統(tǒng)的使用效果。

靶標(biāo)示意圖如下圖8所示。

3.5 綜合控制器

綜合控制器將紅外輻射光源控制和方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)控制集成在一個機箱中，綜合控制器可對紅外輻射光源和方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)進(jìn)行獨立控制，包含黑體控制器單元、環(huán)境溫度采集單元、電機伺服控制單元、工控機等若干模塊，實現(xiàn)對黑體溫度控制、環(huán)境溫度傳感器溫度采集與處理、方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)伺服控制等功能要求[5]。綜合控制器原理框圖見圖9。

3.6 穩(wěn)定基座

穩(wěn)定基座用于紅外靶標(biāo)和方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)的承載，主要由基座、升降機構(gòu)、調(diào)平底腳和安裝接口組成。通過升降機構(gòu)和調(diào)平底腳，能夠?qū)崿F(xiàn)紅外靶標(biāo)中心光軸高度和水平的調(diào)整。

4 軟件設(shè)計

伺服控制軟件基于windows下的RTX嵌入式實時系統(tǒng)設(shè)計，采用VC編輯器，進(jìn)行模塊化、分系統(tǒng)設(shè)計方式，使程序的結(jié)構(gòu)清晰、可讀性、擴展性強。

完成對轉(zhuǎn)臺的實時控制，保證轉(zhuǎn)臺的性能。軟件的主要功能為：

(1)接受用戶的指令對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)進(jìn)行運動控制；

(2)接入光學(xué)編碼器的角度，計算控制率，通過D/A輸出系統(tǒng)的控制量到控制電箱；

(3)通過特定算法，控制邏輯，避免系統(tǒng)在加電時出現(xiàn)震動，斷電時出現(xiàn)系統(tǒng)飛車的現(xiàn)象。確保系統(tǒng)的安全和可靠性；

(4)通過共享內(nèi)存方式向人機交互軟件返回必要數(shù)據(jù)信息；

(5)讀取黑體和環(huán)境溫度采集器溫度，設(shè)定黑體溫度或與環(huán)境的溫差。

伺服控制軟件主要控制操作都是在一標(biāo)準(zhǔn)時間中斷內(nèi)執(zhí)行，中斷時間為1ms。中斷體內(nèi)首先從高速串口內(nèi)接收指令，根據(jù)指令判斷用戶指令的工作模式和運行參數(shù)，然后根據(jù)設(shè)定值，按照一定控制算法計算出模擬量輸出，同時設(shè)置了在不同工作狀態(tài)下的程序限制，上位機程序流程如圖10所示，下位機中斷程序流程如圖11所示。軟件用戶操作界面如下圖12所示。

5 試驗驗證

由于紅外光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)在設(shè)計、生產(chǎn)、裝調(diào)過程中，存在系統(tǒng)誤差，面源黑體的輻射強度在經(jīng)過透射式光學(xué)系統(tǒng)時存在能量損耗，因此，必須對整機進(jìn)行指標(biāo)測試。參照紅外目標(biāo)模擬器光學(xué)計量檢定規(guī)程[6]，表征紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)性能好壞的主要技術(shù)指標(biāo)有：光譜輻照度、溫度精度、均勻性、動態(tài)定位精度等。

5.1 光譜輻照度

本文采用高性能紅外光譜輻射計SR-5000對紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)的整體輻照度進(jìn)行測量[7]，探測器為InSb，光譜波段為3μm～5μm。為盡可能消除系統(tǒng)和傳遞誤差的影響，需要先用標(biāo)準(zhǔn)黑體對SR-5000進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度設(shè)定在323K(50℃)，距離3.54m。定標(biāo)后立即對紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)進(jìn)行測量，通過調(diào)整輻射計的FOV和距離，使得動態(tài)靶標(biāo)完全包含在輻射計的有效視場中。測量原理如下圖13所示。測量得到中心波長4μm的光譜輻照度約為7.184×10-10W/cm2/μm。

5.2 溫度精度

由于本設(shè)備溫度指標(biāo)要求低于常溫，因此選用德國InfraTec制冷型紅外熱像儀對模擬靶標(biāo)進(jìn)行溫度模擬范圍以及發(fā)射率的測試，測試結(jié)果見表1。

由測試結(jié)果可知，該模擬靶標(biāo)的模擬溫度范圍可達(dá)5℃～90℃，溫度精度0.1℃，平均發(fā)射率0.92，優(yōu)于指標(biāo)要求。

5.3 溫度均勻性

采用紅外熱像儀對待測黑體在5℃，25℃，55℃，85℃四個工作溫度點以及一定口徑范圍內(nèi)的溫度均勻性進(jìn)行測試，測試方法為：將黑體溫度控制在5℃，并達(dá)到穩(wěn)定，在Ф20mm圓周內(nèi)等分取9個參照點，根據(jù)各點溫度計算實測均值，偏差ΔTi等于實測均值減去要求值，按相同方法依次測試被測黑體在25℃，55℃，85℃的溫度均勻性，并計算偏差ΔTi，參照行業(yè)內(nèi)對溫度均勻性的評價標(biāo)準(zhǔn)，定義最大偏差|ΔTi|max為溫度均勻性[8]。測試結(jié)果見表2。

5.4 動態(tài)定位精度

將多齒分度臺安裝于工作臺面上。調(diào)整多齒分度臺回轉(zhuǎn)中心與轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心重合，其偏差小于0.01mm 。自準(zhǔn)直儀對準(zhǔn)多齒分度臺上的反光鏡面，并調(diào)整自準(zhǔn)直儀，使其十字線豎絲與轉(zhuǎn)臺軸線平行。將轉(zhuǎn)臺位置歸零，在自準(zhǔn)直儀上讀取顯示數(shù)據(jù)a1，電控狀態(tài)下控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過360°/23°，多齒分度臺反向轉(zhuǎn)動360°/23°，在自準(zhǔn)儀上讀數(shù)a2，以此類推。以360°/23°為間隔共測23點，得到一組數(shù)據(jù)a1，a2，a3，…，a23。電控狀態(tài)下控制轉(zhuǎn)臺反向轉(zhuǎn)動一圈，同理得到一組數(shù)據(jù)b1，b2，b3，…，b23。將數(shù)據(jù)記入表3。

定位精度數(shù)據(jù)處理按公式(1)計算

(1)

定位精度：+Δai(+Δbi)max，-Δai(+Δbi)min。

表3 位置精度及重復(fù)性 (″)

續(xù)表3 (″)

由測試結(jié)果可知，動態(tài)定位精度正向最大為0.9″，負(fù)向最大為-1.9″，定位重復(fù)性為±0.27 ″。

5.5 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)與相匹配的紅外成像裝置進(jìn)行聯(lián)調(diào)仿真，分別搭配坦克靶和組合靶的成像結(jié)果如下圖14所示。

6 結(jié)束語

本文研制的紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)采用透射式光學(xué)系統(tǒng)、面源黑體紅外輻射源、多目標(biāo)靶標(biāo)和方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)，實現(xiàn)了對紅外目標(biāo)輻射特性和運動特性的模擬。檢測結(jié)果表明，該紅外動態(tài)模擬靶標(biāo)中心波長

的輻射度為7.184×10-10W/cm2/μm，黑體模擬溫度范圍5℃～90℃，發(fā)射率0.92，動態(tài)定位精度小于2″，定位重復(fù)性0.27″，滿足系統(tǒng)設(shè)計時的技術(shù)指標(biāo)要求。

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Research on A Type of IR Dynamic Simulation DroneBased on Extend Blackbody

LIU Sha WANG Zhan-tao WANG Tao LIN Sen WANG Kai-lei

(Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology, Beijing 100076, China)

To meet the simulation requirement for the characteristics of the infrared radiation and the motion characteristics of target of a type of seeker, a IR dynamic simulation drone based on extend blackbody is designed, using for simulating setting target and background temperature difference, and the dynamic change of target in the field of view. The basic principle, major component, hardware system design and software realization of the IR drone are introduced, also the radiation characteristics of infrared imaging and dynamic performance index are verified experimentally.

Extend blackbody IR drone Radiation characteristics Analog temperature

2016-07-03，

2016-10-28

劉莎(1987-)，女，碩士研究生，工程師，主要研究方向：光電測量，地面瞄準(zhǔn)系統(tǒng)測試。

1000-7202(2017) 02-0010-08

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.03

TN216

A