一種基于面源黑體的某型紅外動態模擬靶標研制

劉 莎 王占濤 汪 濤 林 森 王鍇磊

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

一種基于面源黑體的某型紅外動態模擬靶標研制

劉 莎 王占濤 汪 濤 林 森 王鍇磊

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

基于某型導引頭對目標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模擬靶標，用于模擬無窮遠處的設定目標與背景溫差，以及目標體在視場中的動態變化。介紹了該紅外動態模擬靶標的基本原理、主要組成以及硬件系統設計和軟件實現情況，并對其紅外成像輻射特性以及動態性能指標進行了實驗驗證。

面源黑體 紅外靶標 輻射特性 模擬溫度

1 引 言

隨著精確制導武器在現代戰爭中的地位不斷提高，紅外制導技術的開發與運用越來越受到國內外的重視[1]。紅外導引頭在裝配和調試時，需要對導引頭的目標識別、自動跟蹤能力等性能參數進行仿真測試。紅外目標模擬器是紅外導引頭半實物仿真系統中的重要組成部分，能夠提供給導引頭足夠逼真的紅外目標和場景的物理特性，包括光譜范圍、輻照度大小、運動特性等[2]。目前多數紅外動態目標模擬器采用DMD或電阻陣進行紅外場景模擬[3]，這兩種方法能夠很好地實現紅外動態目標建模和仿真，但是這兩種系統復雜，造價高昂，且用于考核動態目標位置測量時，受視場角、分辨率以及光學系統畸變等影響，測量精度不如直接將靜態模擬器置于動態平臺上，目標靶相對模擬器靜止，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生成與目標運動兩部分構成的紅外動態模擬靶標的研制方法。

2 基本原理與設計條件

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

紅外動態模擬靶標的光學參數必須要與導引頭的光學參數相耦合，已知某型號導引頭的視場角、入瞳直徑、入瞳位置等紅外光學參數，得出紅外動態模擬靶標的主要技術指標如下：

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℃；

黑體發射率：≥0.90；

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

3 設備組成及方案設計

紅外動態模擬靶標主要由紅外頭光學準直系統、紅外輻射光源、多目標靶標、方位轉動機構、穩定基座以及綜合控制器組成。如圖1所示。

3.1 紅外光學準直系統

根據導引頭光學系統參數，工作時，紅外動態模擬靶標在方位轉動機構上進行轉動，旋轉角度必須與紅外導引頭光學系統最大視場相匹配；且紅外靶標光學系統的出瞳參數必須與紅外成像裝置的入瞳參數相匹配才能達到最好的測試效果。紅外動態靶標轉動前后光機耦合分析如下圖2所示。

轉動前，靶標出瞳為CD，CD中點為導引頭入瞳，EF為靶標光學系統第一面，轉動后靶標出瞳為C′D′,轉動后導引頭入瞳也在靶標出瞳內。其中EF到CD之間的距離為出瞳距；AD與光軸夾角為視場角；靶標繞回轉軸轉動角度由導引頭光學參數決定。

由于紅外靶標安置在方位轉動機構上配合導引頭進行全視場圖像測試，因此需要紅外靶標光學系統提供大出瞳孔徑和出瞳距。設計難點在于：①相對孔徑大(F#數小于1)，像差校正比較困難。因此在滿足有效輻射靶面的基礎上應綜合考慮視場、焦距、材料以及結構的設計；②出瞳孔徑和視場角大，造成光學系統的透鏡元件直徑較大，由于邊緣視場在光學系統上的投射高度過大，影響邊緣視場的像質。因此在設計上以滿足靶標目標區域(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。

根據光路可逆原理，準直光學系統采用4片鏡設計，利用非球面技術經反復優化，最終獲得滿足要求的成像效果，Zemax軟件設計結果見下圖3。

3.2 紅外輻射光源

輻射強度是紅外導引頭性能測試中的重要指標，紅外輻射光源用于產生輻射能量，紅外輻射光源性能的好壞直接影響仿真的質量。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，模擬無窮遠處目標的輻射特性。采用半導體制冷器(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，半導體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，便于組成自動控制系統。結構示意如圖4所示。

TEC有效輻射面尺寸為Φ50mm，輻射表面經噴砂處理后，通過噴涂常溫高發射率漆涂層的工藝，保證面源黑體輻射源發射率(常溫范圍內發射率可達0.93以上)。半導體制冷片通過導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，同時借助散熱風扇，能實現對半導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輸出不同的脈寬調制信號PWM來驅動控制器，控制半導體制冷器的加熱和制冷，具有控溫精度高、溫度穩定、升降溫速度快等特點。SR253能夠接收一路PT100信號，通過校準修正后，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。

背景測溫采用標準工業鉑電阻測溫傳感器進行測量采集，鉑電阻測溫具有性能穩定、測量范圍廣、精度高等特點，采用4線式測溫方法進行測溫，可以減小連接導線電阻隨溫度變化造成的測量誤差。恒流源驅動電路為鉑電阻傳感器Pt100供電，將溫度引起的Pt100阻值變化轉變為電壓變化量輸出，通過放大電路將檢測出的微弱電壓變化量進行放大后采集并轉換為溫度值。溫度傳感器和變送模塊安裝在靶標發生器上，通過串行接口和綜合控制器傳送數據。

3.3 方位轉動機構

方位轉動機構由工作臺面、軸系、電機、光學編碼器。電機提供驅動力矩，光學編碼器提供位置和速度反饋。

方位轉動機構控制系統按照模塊化設計原則，采用成熟的控制技術，確保系統的高可靠性、安全性、易操作性及易維護性。采用了基于RTX實時系統的控制模式，簡化控制過程，節省機柜空間，用全數字化控制策略，完成高性能計算機控制下的電機直接驅動轉臺的數字伺服功能。反饋回路部分，選用高速、高精度、高可靠性的光電碼盤，經過計數卡測角細分、分配裝置得到位置數據，可以滿足系統的速度、位置等靜態精度要求，方位轉動機構控制系統結構原理圖見圖7所示。

控制系統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；實時監視方位轉動機構的速率、位置運行狀態；在異常情況下對系統的安全提供有效的保護措施并發出聲、光報警信號；數據處理、保存及其它功能。另一方面，控制計算機通過RTX實時控制系統在每個控制周期內(1ms)采集兩軸編碼器的角度編碼值，根據控制規律計算實時控制量，并通過PCI1723(16位)模數轉換卡，向伺服驅動器發出每個控制周期內的控制電壓，同時接受用戶的同步觸發信號，鎖存碼盤數據。

方位轉動機構控制算法采用基于RTX實時系統的控制模式，簡化了控制過程，節省機柜空間，能夠可靠地實現控制策略，保證系統的暫態和穩態過程，使系統的動態、靜態性能得到充分的保證；同時，能夠基于Windows-XP操作系統平臺，開發方便、直觀的人機器交互界面。

狀態監控單元用來實現各種控制信號的次序切入功率放大單元，D/A信號、驅動器使能信號；它可用手動方式切換，也可通過計算機I/O口進行切換。采用光纖內存反射卡與遠控計算機通信。

3.4 多目標靶標

靶標采用金屬靶板設計，金屬靶板的成像面是一層發射率很高的黑色涂層，保持與環境溫度相同；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境溫度，鏤空部分的溫度即是目標溫度。

靶標形狀的加工采用慢走絲電火花線切割技術，通過電極絲和靶板之間產生的電火花電蝕靶板來完成復雜形狀的鏤空切割。在結構上，根據使用需要可更換不同圖案靶標的要求，專門設計了靶標快速更換裝置，使靶標組件成為獨立的模塊，采用拔插的方式裝入系統中，并采取了螺釘固定措施，保證使用過程中靶標部分的穩定；并設計了靶標調校環節，可以通過裝配過程中調節定位每組模塊的靶標位置，準確控制系統的出瞳距離，保證更換不同靶標后系統的使用效果。

靶標示意圖如下圖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動機構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動機構進行獨立控制，包含黑體控制器單元、環境溫度采集單元、電機伺服控制單元、工控機等若干模塊，實現對黑體溫度控制、環境溫度傳感器溫度采集與處理、方位轉動機構伺服控制等功能要求[5]。綜合控制器原理框圖見圖9。

3.6 穩定基座

穩定基座用于紅外靶標和方位轉動機構的承載，主要由基座、升降機構、調平底腳和安裝接口組成。通過升降機構和調平底腳，能夠實現紅外靶標中心光軸高度和水平的調整。

4 軟件設計

伺服控制軟件基于windows下的RTX嵌入式實時系統設計，采用VC編輯器，進行模塊化、分系統設計方式，使程序的結構清晰、可讀性、擴展性強。

完成對轉臺的實時控制，保證轉臺的性能。軟件的主要功能為：

(1)接受用戶的指令對轉臺系統進行運動控制；

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

(3)通過特定算法，控制邏輯，避免系統在加電時出現震動，斷電時出現系統飛車的現象。確保系統的安全和可靠性；

(4)通過共享內存方式向人機交互軟件返回必要數據信息；

(5)讀取黑體和環境溫度采集器溫度，設定黑體溫度或與環境的溫差。

伺服控制軟件主要控制操作都是在一標準時間中斷內執行，中斷時間為1ms。中斷體內首先從高速串口內接收指令，根據指令判斷用戶指令的工作模式和運行參數，然后根據設定值，按照一定控制算法計算出模擬量輸出，同時設置了在不同工作狀態下的程序限制，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

由于紅外光學準直系統在設計、生產、裝調過程中，存在系統誤差，面源黑體的輻射強度在經過透射式光學系統時存在能量損耗，因此，必須對整機進行指標測試。參照紅外目標模擬器光學計量檢定規程[6]，表征紅外動態模擬靶標性能好壞的主要技術指標有：光譜輻照度、溫度精度、均勻性、動態定位精度等。

5.1 光譜輻照度

本文采用高性能紅外光譜輻射計SR-5000對紅外動態模擬靶標的整體輻照度進行測量[7]，探測器為InSb，光譜波段為3μm～5μm。為盡可能消除系統和傳遞誤差的影響，需要先用標準黑體對SR-5000進行現場標定，標準黑體溫度設定在323K(50℃)，距離3.54m。定標后立即對紅外動態模擬靶標進行測量，通過調整輻射計的FOV和距離，使得動態靶標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

由于本設備溫度指標要求低于常溫，因此選用德國InfraTec制冷型紅外熱像儀對模擬靶標進行溫度模擬范圍以及發射率的測試，測試結果見表1。

由測試結果可知，該模擬靶標的模擬溫度范圍可達5℃～90℃，溫度精度0.1℃，平均發射率0.92，優于指標要求。

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的溫度均勻性進行測試，測試方法為：將黑體溫度控制在5℃，并達到穩定，在Ф20mm圓周內等分取9個參照點，根據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，參照行業內對溫度均勻性的評價標準，定義最大偏差|ΔTi|max為溫度均勻性[8]。測試結果見表2。

5.4 動態定位精度

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

定位精度數據處理按公式(1)計算

(1)

定位精度：+Δai(+Δbi)max，-Δai(+Δbi)min。

表3 位置精度及重復性 (″)

續表3 (″)

由測試結果可知，動態定位精度正向最大為0.9″，負向最大為-1.9″，定位重復性為±0.27 ″。

5.5 系統聯調

紅外動態模擬靶標與相匹配的紅外成像裝置進行聯調仿真，分別搭配坦克靶和組合靶的成像結果如下圖14所示。

6 結束語

本文研制的紅外動態模擬靶標采用透射式光學系統、面源黑體紅外輻射源、多目標靶標和方位轉動機構，實現了對紅外目標輻射特性和運動特性的模擬。檢測結果表明，該紅外動態模擬靶標中心波長

的輻射度為7.184×10-10W/cm2/μm，黑體模擬溫度范圍5℃～90℃，發射率0.92，動態定位精度小于2″，定位重復性0.27″，滿足系統設計時的技術指標要求。

[1] 白洪斌，胡凡俊. 紅外制導技術發展綜述[J]. 科技信息，2009(19)：29.

[2] 鄒營營，邱麗榮等，便攜式紅外目標模擬器的研制[J]. 光學技術，2015,41(2).

[3] 崔懷超，袁宏武，韓裕生. 基于DMD成像系統的紅外小目標仿真[J]. 紅外，2012,33(1).

[4] 董時，馮進良等. 小型面源黑體在紅外目標模擬器的應用[J]. 長春理工大學學報(自然科學版)，2012,35(2).

[5] 魏曉珺，周海龍，李艷等. 一種便攜式紅外目標模擬器[J]. 四川兵工學報，2013,34(6).

[6] 國防科工委科技與質量司．光學計量[M]．北京: 原子能出版社，2002．

[7] 梁培，高教波. 紅外目標模擬器的光譜輻照度校準[J]. 激光與紅外，2003,33(3).

[8] 王雙進. 紅外目標模擬器系統的研究和設計[D]. 傳感器技術，2001,20(11).

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，地面瞄準系統測試。

1000-7202(2017) 02-0010-08

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.03

TN216

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