红外成像目标模拟器现场原位校准技术初探

黄剑侠，徐毓雄，赵自文

红外成像目标模拟器现场原位校准技术初探

黄剑侠，徐毓雄，赵自文

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471000）

红外成像目标模拟器广泛应用于红外成像系统综合性能参数的考核评价和仿真试验中。通过分析目标模拟器各项技术指标，找出模拟目标图像关键量值的评价方法，确定红外成像目标模拟器的校准方案。为提高辐射量值的测量精度，采用光电比对技术和分波段采集数据技术，并在校准装置中设置冷屏光阑以减少杂散辐射对测试结果的影响。该校准装置是在光谱辐射计工作原理基础上采用阵列探测器，并通过数据采集和图像处理软件得到满意的校准结果。

红外成像；目标模拟器；校准装置；光电比对；阵列探测器

0 引言

红外导引系统在综合性能参数测试中应用红外成像目标模拟器，红外成像目标模拟器以高帧频高分辨率数字图像来模拟各种类型和姿态的红外目标，以考核红外导引系统的探测距离、最小可分辨温差、最小可探测温差、跟踪能力等综合性能技术指标[1-4]。红外成像目标模拟器还应用于系统仿真试验，验证红外成像系统的动态指标等。红外成像目标模拟器的工作波段，红外图形的灰度等级、辐射亮度及均匀性、目标图像几何畸变等参数能否真实复现目标信息，将会影响仿真试验的效果和目标的判断。目前由于红外成像目标模拟器校准方法和校准手段的缺失，致使红外成像目标模拟器的光学量值没有统一，直接影响着红外成像系统综合性能参数的评价。

红外成像目标模拟器出瞳处的辐射照度值可以用红外光谱辐射计进行积分辐照度的测量，但红外光谱辐射计使用单元红外探测器，对于红外成像目标无法进行成像处理，红外成像目标模拟器除了波长上的积分辐射照度量值外，还具有几何图像特性和微阵列辐射亮度及均匀性的量值要求，仅仅校准目标图像的积分辐照度值，显然无法满足红外成像目标模拟器的校准需求。若用红外热像仪校准红外目标模拟器的辐射量值，由于红外热像仪的工作原理及设计算法主要关注红外热图像的均匀性及空间分辨能力，不能标定辐射能量，也无法使用。红外成像目标模拟器属于光机电一体化的重要测试设备，均固定在产品测试平台上，位置、光路、电路均已调整好，不能随意移动或拆卸。因此，研究红外成像目标模拟器的现场原位校准技术，实现校准状态与导弹测试状态同环境、同位置、同条件，实现红外图像辐射量值的统一，准确评价红外热图像输出质量，对保证红外型导弹产品的研制生产试验具有重要意义。

国内围绕红外目标模拟器的校准开展的研究工作较多，以哈尔滨工业大学为代表，开展此方面的研究有近10年的时间，辐射照度计的研制虽经过了几代，但仍采用单元探测器，仅局限于红外目标的积分辐射量值，没有红外成像方面实质性的突破[5]。国外相关资料中，有关红外靶标投影仪（标准的红外成像目标模拟器）的校准也是采用红外光谱辐射计进行辐亮度、辐照度的测量，红外光谱辐射计的探测器也是单元探测器，校准的量值是靶标图像的光谱辐射亮度和积分辐射亮度，对于靶标图像的空间分辨率及微阵列辐射量值方面没有涉及。国外成像光谱仪在遥感测试方面有着广泛的应用，但是其应用环境与红外成像目标的校准有很大的差异。关于红外成像目标模拟器的图像畸变、微阵列辐射亮度等量值校准还未见相关资料。

1 红外成像目标模拟器的生成机理分析

红外成像目标模拟器主要是由MOS电阻阵列生成红外图像和DMD微镜阵列生成红外图像两种类型。目标模拟器通过计算机软件生成典型的目标图像模型，并将其转换为灰度图像数据，该图像数据通过光纤或视频光端机传输到驱动控制盒，驱动控制盒内的逻辑电路接收图像数据，按照规定的时序，将图像数据转换为相应模拟电压信号，同时产生各种逻辑脉冲信号，从而驱动红外图像生成装置生成红外图像。通过红外成像子系统将红外视景图像投射到红外凝视成像导引头的入瞳处，使其看到清晰无闪烁的红外视景图像。尽管其图像生产机理各不相同，但是从以上两种红外成像目标模拟器生成红外图像的机理可以看出，都有图像生成子系统、驱动电路、生成热图像的微型阵列、输出图形都需要光学系统（投影系统或准直系统）。从规格、量值上来说，两者都有空间分辨率、工作波段、图像灰度级、最小等效黑体温度、最高等效黑体温度、图像几何畸变等量值要求。从生成红外图像的效果上来说，都具有一定的辐射照度量值被红外型导弹产品进行接收和解析。上述两种类型的红外成像目标模拟器的规格和关键量值如下：

1）工作波段：红外成像目标模拟器的发光元件是MOS电阻阵列或DMD微镜阵列，其工作波段为全波段，由于成像质量的要求和红外材料的奇缺，因此模拟器的工作波段主要由光学系统决定，均为中波段。

2）微阵列：现有国产的MOS电阻阵红外成像目标模拟器的阵列为256×256，随后会采用国外的512×512阵列，现有DMD微镜红外成像目标模拟器的阵列为640×512。

3）图像畸变：畸变是光学系统的一种单色像差，理想的光学系统应该是线性系统，能够将物空间的“物”不折不扣地成像在像空间而形成理想的“像”，畸变属于大视场的几何像差，是在全视场范围内实际像面对理想像面的变化量与理想像面的比值。对于红外成像目标模拟器来说，其红外目标模型的建立、图像数据的传输、光学系统的成像质量、光电转换的传递函数，最终都会对输出的红外图像的畸变产生影响。因此，用图像畸变作为综合误差来评价红外图像的成像质量，具有一定的代表性，图像畸变的典型值为10%。

4）输出图像最小等效温差：模拟红外目标的图像，通过最大等效黑体温度和最小等效黑体温度以及图像的灰度等级来表示红外图像的辐射亮度和辐射的细腻程度。输出图像最小等效温差越小对于模拟的目标特性会更加真实。现有红外成像目标模拟器的最小等效温差约为30mK。

红外成像目标模拟器现场原位校准技术研究，主要针对目标模拟器的规格和关键量值以及现场原位开展工作。红外成像目标模拟器输出的目标图像除了以上关键量值技术指标以外，还有目标的动态特性以及干扰信号特性等。研制与之相应的红外成像目标模拟器校准装置，实现红外成像目标模拟器的现场原位校准，统一红外图像的辐射量值和客观评价红外热图像模拟质量。

2 红外成像目标模拟器现场原位校准装置方案设计

2.1 红外成像目标特性参数的校准方法

由MOS电阻阵或DMD微镜阵列生成的红外图像均来自于各种建立起来的目标数学模型，生成的红外图像用于导弹产品性能参数的考核，因此红外成像目标模拟器的技术指标是否满足规定要求，是否客观评价导弹产品的工作状态及技战指标至关重要。对红外成像目标模拟如何校准，特别是针对此类目标模拟器固定在现场、安装在各型转台及测试平台上等特点如何实施现场原位校准开展工作。因此，研制红外成像目标模拟器校准装置要综合考虑各方面的因素来设计校准方案。

校准红外成像目标模拟器首先要接收目标模拟器输出的目标热图像，也就是说，红外目标模拟器的出瞳就是校准装置光学系统的入瞳，并保证校准装置的物方视场完全覆盖红外目标模拟器的像方视场。校准装置的光谱响应范围应覆盖目标模拟器的光谱使用范围，目标模拟器的高空间分辨率需要校准装置具备高成像质量，同时还要考虑衍射限的影响，因此校准装置光学系统应满足上述要求，否则目标热图像的图像畸变参数无法得到真实的计量。目标热图像通过灰度级体现目标红外辐射特性的细节，等效黑体温度体现目标图像的辐射量值，红外辐射量值的测量采用光电比对技术，减少周围环境的辐射影响以达到精确测量，因此，在校准方法实现上拟采用内置准直黑体辐射源进行光电比对并增加多波段测量技术，实现目标图像红外辐射量值的准确校准。

2.2 红外成像目标模拟器校准装置

校准装置的设计思路是采用光电比对技术将来自红外成像目标的辐射量值与内置准直辐射量值进行实时比对、采用分波段采集，以获取相对准确可靠的测量数据，来实现高精度的红外图像特性参数的校准。因此，整套校准装置包含准直光学系统、成像光学系统、转镜组件、滤光片组件、准直黑体辐射系统、焦平面探测器系统、工装结构、系统控制及数据采集处理单元等。校准装置组成框图如图1所示。

图1 校准装置组成框图

2.2.1 校准装置光学系统

校准装置的光学系统共有2部分，即准直光学系统和成像光学系统。准直光学系统将红外热图像准直成平行光，用于光电比对和分波段成像，成像光学系统将分波段后的图像再次成像在红外焦平面探测器上[1]。校准装置的视场应能覆盖现有红外成像目标模拟器的视场，因此，校准装置的准直光学系统拟采用连续变焦红外镜头，以覆盖现有几种红外成像目标模拟器的视场。成像光学系统受限于校准装置的空间尺寸拟采用F数为2的光学系统。为减少校准装置的杂散辐射和背景辐射，在光学系统合适的位置设置冷屏光阑。在水冷、风冷和半导体制冷等技术中，考虑方便和实用，选择风冷屏光阑。光学系统设计的总体成像质量要求为轴上光学传递函数精度控制在0.05。

2.2.2 校准装置光学组件

校准装置光学组件主要作用是分波段及光电比对，主要包含转镜组件、滤光片组件及准直黑体辐射组件。光电比对的前提要有一套稳定性很好的准直黑体辐射源，因此，校准装置拟采用由黑体辐射源、光阑盘、准直物镜组成的准直黑体辐射光源。通过转镜组件实现光路切换，构建光电比对环境。来实现红外成像目标的辐射量值的校准。为获得较好的测试数据和测量精度，同时设计一套带通滤光片组件，通过软件控制波段范围，来实现分波段测试的目的。

2.2.3 红外焦平面探测器系统

红外焦平面探测器是该校准装置的核心器件，被校目标模拟器的高空间分辨率、高光谱分辨率对校准装置的整体技术指标提出了较高要求，焦平面探测器应具有高空间分辨率、高响应速率、高信噪比[6]。经比较不同公司生产的红外焦平面探测器的技术指标，按照既满足校准装置的技术要求，又考虑性价比，本校准装置拟采用法国FLIR公司的制冷型中波红外热像仪机芯Mini-Core，其探测器类型是斯特林制冷碲镉汞（MCT），FPA规格640×512，不带镜头的NETD＜25mK，带有14bit的Camlink的数字视频输出口，内嵌功能强大的图像处理算法。

2.2.4 结构设计

为了实现红外成像目标模拟器的现场原位校准，在光学组件以及光学系统和探测器系统的布局上，需要精心设计。保证校准装置光学系统的光轴与导弹产品位标器的光轴重合，校准装置光学系统的入瞳与导弹产品的入瞳重合。因此，将光电比对系统中准直黑体辐射源的光路垂直向上设计，控制校准装置的截面尺寸，准直黑体辐射源和转镜组件以及滤光片组件均要控制尺寸和重量。校准装置与导弹产品的支架通过精心设计的工装来连接，保证稳定性和可调性。

2.2.5 测控系统

测控系统是校准装置的控制核心，测控系统主要承担该校准装置的参数设置、系统通讯、测量过程控制、数据采集处理计算等任务，该测控系统主要包含控制计算机、数据采集模块、驱动模块、控制模块、通讯模块等部分，是一套高度集成，多功能的自动控制系统。

2.3 实现红外成像目标模拟器校准过程的自动化

红外成像目标模拟器由计算机控制，参数设置、图像生成均实现了自动化，并且与导弹产品实现同步通讯。因此红外成像目标模拟器校准装置的自动化水平要与被校的红外成像目标模拟器相适应并实现现场原位校准。研制自动校准软件实现红外成像目标模拟器的自动校准。校准装置测控软件包含2部分，一部分是控制软件，另一部分是测试软件。控制软件配合测控系统实现校准装置的设置、系统内的通讯以及测量流程的控制，测试软件用于校准装置特征参数的计算评估和研判，判断校准结果是否满足被校对象技术指标要求。测控软件要具备友好的人机对话界面，便于测试人员的操作使用，软件设计采用模块化的设计思路，便于校准装置的调试及升级，软件模块主要包含参数设置模块、测量控制模块、结果分析评价模块、记录生成模块、数据查询模块等。

3 红外成像目标模拟器校准不确定度预评估

3.1 辐照度测量不确定度分析

对于辐照度测量不确定度，其影响因素主要有电气系统不确定度、传递系统不确定度、杂散辐射和背景辐射的不确定度、数据处理不确定度等。

1）电气系统的不确定度主要来源于碲镉汞探测器内部的噪声、前置放大器的电路部分的影响、锁相放大器的电路部分的影响以及数据采集卡进行数值转换时A/D量化误差等等。经过对各个部件原理以及说明书的研究，碲镉汞探测器内部的噪声、前置放大器的电路影响、锁相放大器的电路部分的影响总不确定度小于0.1%，并且精度为16bit的数字采集卡进行数据转换时的A/D量化不确定度为0.25%。所以电气系统的不确定度经过计算之后为0.27%[1]。

2）传递系统的不确定度来源有很多，主要是准直标准黑体辐射源温度稳定性、均匀性、发射率以及使用积分函数对波长进行积分求取辐出度值时的误差等等。当控温精度在0.1℃，黑体有效发射率为0.99，经计算，由标准黑体发射率引起的误差在2%以内。

3）杂散辐射和背景辐射的不确定度主要来源校准装置红外光学成像系统自带的杂散辐射和目标辐射能量接近于室温辐射能量时的背景辐射。校准中采用光电比对技术的本身就减少了环境变化对测量结果的影响，系统中采用布置共轭冷屏光阑来控制光电比对的能量值，可以很大限度地去除杂散辐射和背景辐射对测量结果的影响。采取这些措施之后，可以把本装置受到的杂散辐射和背景辐射的影响控制在2%以内。

4）数据处理不确定度

数据处理误差产生的原因很多：第一就是数据采集卡采样时进行数据转换的误差，数据采集卡采样的电压值是一个源码值，这个源码值需要通过一定的规则转换为常用的电压值，这个过程会引入一部分误差；第二是在测量和计算过程中，辐照度值是计算出来，目标和标准黑体的辐射出射度值是通过普朗克公式对一定温度下波长进行上下限积分得出的，这个运算也会引入部分误差。

3.2 图像畸变测量不确定度分析

1）被测红外成像目标模拟器方面的图像转换传递函数、光学成像系统的光学传递函数等因素的影响。由被测件引入的测量不确定度控制在3%范围内；

2）校准装置自身光学系统的总成像质量（包括转镜、滤光片透射比的影响量）、焦平面探测器的缺陷像素数量及分布因素、图像采集失真度等因素[7]。由校准装置自身系统误差引入的测量不确定度控制在2%范围内。

4 应用前景

随着红外成像系统性能要求的不断提升，在系统的研制试验生产过程中就需要高精度、多功能、干扰手段多样的目标模拟器作测试保障。国内一些大学、科研机构针对市场需求已经研制出了多种红外成像目标模拟器，但这些目标模拟器的验收校准都没有一套方法来规范，多种技术指标没有校准手段进行考核验证，给产品质量的评价带来了相当大的影响。红外成像目标特性参数现场校准技术项目研究完成后，就可以对目标模拟器产生的红外热图像进行定量测试，用数据评价其能不能真实模拟红外目标，因此该项目具备非常好的应用前景。

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Yang Sen. The development of the infrared irradiance measurement instrument [D]. Harbin: Harbin industrial university, 2011, 6.

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Infrared Imaging Target Simulator Site in Situ Calibration Technology

HUANG Jian-xia，XU Yu-xiong，ZHAO Zi-wen

(,471000,)

Infrared imaging target simulator was widely used in the infrared imaging system comprehensive evaluation of performance parameters in the simulation experiment. Through the analysis of various technical indicators in target simulator, the key value of simulated target image evaluation method is found and the target simulator for infrared imaging calibration scheme is determined. In order to improve the radiation measuring accuracy of the value, photoelectric comparison technology and subband data gathering techniques are used, and the Refrigeration aperture in the calibration device is set to reduce the stray radiation effects on test results. The device is based on the working principle of the spectroradiometer using array detector, and use the data acquisition and image processing software to get satisfactory calibration results.

infrared imaging，target simulator，calibration device，photoelectric comparison，array detector

O436

A

1001-8891(2015)12-1032-04

2015-06-26；

215-07-28.

黄剑侠（1965-），女，高级工程师，主要从事红外目标模拟器校准方法研究。