一种基于面源黑体的某型红外动态模拟靶标研制

刘 莎 王占涛 汪 涛 林 森 王锴磊

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

一种基于面源黑体的某型红外动态模拟靶标研制

刘 莎 王占涛 汪 涛 林 森 王锴磊

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

基于某型导引头对目标体红外辐射特性和运动特性的仿真需求，研制了基于面源黑体的红外动态模拟靶标，用于模拟无穷远处的设定目标与背景温差，以及目标体在视场中的动态变化。介绍了该红外动态模拟靶标的基本原理、主要组成以及硬件系统设计和软件实现情况，并对其红外成像辐射特性以及动态性能指标进行了实验验证。

面源黑体 红外靶标 辐射特性 模拟温度

1 引 言

随着精确制导武器在现代战争中的地位不断提高，红外制导技术的开发与运用越来越受到国内外的重视[1]。红外导引头在装配和调试时，需要对导引头的目标识别、自动跟踪能力等性能参数进行仿真测试。红外目标模拟器是红外导引头半实物仿真系统中的重要组成部分，能够提供给导引头足够逼真的红外目标和场景的物理特性，包括光谱范围、辐照度大小、运动特性等[2]。目前多数红外动态目标模拟器采用DMD或电阻阵进行红外场景模拟[3]，这两种方法能够很好地实现红外动态目标建模和仿真，但是这两种系统复杂，造价高昂，且用于考核动态目标位置测量时，受视场角、分辨率以及光学系统畸变等影响，测量精度不如直接将静态模拟器置于动态平台上，目标靶相对模拟器静止，由平台带动模拟器运动，且后者操作更为简单、便捷。

针对某型红外导引头专项测试需要，本文提出一种基于面源黑体的由红外目标生成与目标运动两部分构成的红外动态模拟靶标的研制方法。

2 基本原理与设计条件

红外动态模拟靶标是基于面源黑体和透射式准直光路搭建而成，黑体源经入射光阑透射，由准直物镜形成准直的红外辐射，可以精确模拟无穷远处的多种红外目标和背景。

红外动态模拟靶标的光学参数必须要与导引头的光学参数相耦合，已知某型号导引头的视场角、入瞳直径、入瞳位置等红外光学参数，得出红外动态模拟靶标的主要技术指标如下：

焦距为：80mm；

出射光光束不平行度：<1′；

模拟温度范围：10℃～90℃；

温度精度：0.1℃；

黑体发射率：≥0.90；

基本原理如下，安装导引头于测试支架上并保持俯仰向或者偏航向固定不动，红外动态模拟靶标通过安装不同的目标靶，来模拟无穷远处的静态目标；借助运动伺服机构的一维旋转和振动，来模拟无穷远处的红外目标在视场内的位置变化和振动变化，从而为被测导引头的红外成像与信息处理测试提供静、动态测试条件。

3 设备组成及方案设计

红外动态模拟靶标主要由红外头光学准直系统、红外辐射光源、多目标靶标、方位转动机构、稳定基座以及综合控制器组成。如图1所示。

3.1 红外光学准直系统

根据导引头光学系统参数，工作时，红外动态模拟靶标在方位转动机构上进行转动，旋转角度必须与红外导引头光学系统最大视场相匹配；且红外靶标光学系统的出瞳参数必须与红外成像装置的入瞳参数相匹配才能达到最好的测试效果。红外动态靶标转动前后光机耦合分析如下图2所示。

转动前，靶标出瞳为CD，CD中点为导引头入瞳，EF为靶标光学系统第一面，转动后靶标出瞳为C′D′,转动后导引头入瞳也在靶标出瞳内。其中EF到CD之间的距离为出瞳距；AD与光轴夹角为视场角；靶标绕回转轴转动角度由导引头光学参数决定。

由于红外靶标安置在方位转动机构上配合导引头进行全视场图像测试，因此需要红外靶标光学系统提供大出瞳孔径和出瞳距。设计难点在于：①相对孔径大(F#数小于1)，像差校正比较困难。因此在满足有效辐射靶面的基础上应综合考虑视场、焦距、材料以及结构的设计；②出瞳孔径和视场角大，造成光学系统的透镜元件直径较大，由于边缘视场在光学系统上的投射高度过大，影响边缘视场的像质。因此在设计上以满足靶标目标区域(0.707视场)为主，最大程度的校正边缘视场(背景)的像差，以满足使用要求。

根据光路可逆原理，准直光学系统采用4片镜设计，利用非球面技术经反复优化，最终获得满足要求的成像效果，Zemax软件设计结果见下图3。

3.2 红外辐射光源

辐射强度是红外导引头性能测试中的重要指标，红外辐射光源用于产生辐射能量，红外辐射光源性能的好坏直接影响仿真的质量。3μm～5μm红外仿真通常采用面源黑体作为红外光源[4]。本文通过对面源黑体辐射温度的控制，模拟无穷远处目标的辐射特性。采用半导体制冷器(TEC)作为被控黑体参考源，具有热惯性小、制冷制热时间快的特点，半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，便于组成自动控制系统。结构示意如图4所示。

TEC有效辐射面尺寸为Φ50mm，辐射表面经喷砂处理后，通过喷涂常温高发射率漆涂层的工艺，保证面源黑体辐射源发射率(常温范围内发射率可达0.93以上)。半导体制冷片通过导热硅脂与辐射板粘接，能够有效提高工作效率和辐射温度均匀性。背板选用紫铜板，其不仅起到支撑作用，同时借助散热风扇，能实现对半导体制冷器的有效散热，保证其正常工作。

本文采用日本岛电公司的智能温控仪表SR253模块作为温度控制器，SR253输出不同的脉宽调制信号PWM来驱动控制器，控制半导体制冷器的加热和制冷，具有控温精度高、温度稳定、升降温速度快等特点。SR253能够接收一路PT100信号，通过校准修正后，测温精度0.02℃，可满足对光源辐射温度的需求；图5为TEC黑体源控制原理框图。

背景测温采用标准工业铂电阻测温传感器进行测量采集，铂电阻测温具有性能稳定、测量范围广、精度高等特点，采用4线式测温方法进行测温，可以减小连接导线电阻随温度变化造成的测量误差。恒流源驱动电路为铂电阻传感器Pt100供电，将温度引起的Pt100阻值变化转变为电压变化量输出，通过放大电路将检测出的微弱电压变化量进行放大后采集并转换为温度值。温度传感器和变送模块安装在靶标发生器上，通过串行接口和综合控制器传送数据。

3.3 方位转动机构

方位转动机构由工作台面、轴系、电机、光学编码器。电机提供驱动力矩，光学编码器提供位置和速度反馈。

方位转动机构控制系统按照模块化设计原则，采用成熟的控制技术，确保系统的高可靠性、安全性、易操作性及易维护性。采用了基于RTX实时系统的控制模式，简化控制过程，节省机柜空间，用全数字化控制策略，完成高性能计算机控制下的电机直接驱动转台的数字伺服功能。反馈回路部分，选用高速、高精度、高可靠性的光电码盘，经过计数卡测角细分、分配装置得到位置数据，可以满足系统的速度、位置等静态精度要求，方位转动机构控制系统结构原理图见图7所示。

控制系统核心是高性能控制计算机，一方面可为操作者提供人机界面；实时监视方位转动机构的速率、位置运行状态；在异常情况下对系统的安全提供有效的保护措施并发出声、光报警信号；数据处理、保存及其它功能。另一方面，控制计算机通过RTX实时控制系统在每个控制周期内(1ms)采集两轴编码器的角度编码值，根据控制规律计算实时控制量，并通过PCI1723(16位)模数转换卡，向伺服驱动器发出每个控制周期内的控制电压，同时接受用户的同步触发信号，锁存码盘数据。

方位转动机构控制算法采用基于RTX实时系统的控制模式，简化了控制过程，节省机柜空间，能够可靠地实现控制策略，保证系统的暂态和稳态过程，使系统的动态、静态性能得到充分的保证；同时，能够基于Windows-XP操作系统平台，开发方便、直观的人机器交互界面。

状态监控单元用来实现各种控制信号的次序切入功率放大单元，D/A信号、驱动器使能信号；它可用手动方式切换，也可通过计算机I/O口进行切换。采用光纤内存反射卡与远控计算机通信。

3.4 多目标靶标

靶标采用金属靶板设计，金属靶板的成像面是一层发射率很高的黑色涂层，保持与环境温度相同；金属靶板背面是一层反射率很高的金属涂层(镀金)，以减小黑体辐射对靶板温度的影响；因此金属靶板实体的温度即是环境温度，镂空部分的温度即是目标温度。

靶标形状的加工采用慢走丝电火花线切割技术，通过电极丝和靶板之间产生的电火花电蚀靶板来完成复杂形状的镂空切割。在结构上，根据使用需要可更换不同图案靶标的要求，专门设计了靶标快速更换装置，使靶标组件成为独立的模块，采用拔插的方式装入系统中，并采取了螺钉固定措施，保证使用过程中靶标部分的稳定；并设计了靶标调校环节，可以通过装配过程中调节定位每组模块的靶标位置，准确控制系统的出瞳距离，保证更换不同靶标后系统的使用效果。

靶标示意图如下图8所示。

3.5 综合控制器

综合控制器将红外辐射光源控制和方位转动机构控制集成在一个机箱中，综合控制器可对红外辐射光源和方位转动机构进行独立控制，包含黑体控制器单元、环境温度采集单元、电机伺服控制单元、工控机等若干模块，实现对黑体温度控制、环境温度传感器温度采集与处理、方位转动机构伺服控制等功能要求[5]。综合控制器原理框图见图9。

3.6 稳定基座

稳定基座用于红外靶标和方位转动机构的承载，主要由基座、升降机构、调平底脚和安装接口组成。通过升降机构和调平底脚，能够实现红外靶标中心光轴高度和水平的调整。

4 软件设计

伺服控制软件基于windows下的RTX嵌入式实时系统设计，采用VC编辑器，进行模块化、分系统设计方式，使程序的结构清晰、可读性、扩展性强。

完成对转台的实时控制，保证转台的性能。软件的主要功能为：

(1)接受用户的指令对转台系统进行运动控制；

(2)接入光学编码器的角度，计算控制率，通过D/A输出系统的控制量到控制电箱；

(3)通过特定算法，控制逻辑，避免系统在加电时出现震动，断电时出现系统飞车的现象。确保系统的安全和可靠性；

(4)通过共享内存方式向人机交互软件返回必要数据信息；

(5)读取黑体和环境温度采集器温度，设定黑体温度或与环境的温差。

伺服控制软件主要控制操作都是在一标准时间中断内执行，中断时间为1ms。中断体内首先从高速串口内接收指令，根据指令判断用户指令的工作模式和运行参数，然后根据设定值，按照一定控制算法计算出模拟量输出，同时设置了在不同工作状态下的程序限制，上位机程序流程如图10所示，下位机中断程序流程如图11所示。软件用户操作界面如下图12所示。

5 试验验证

由于红外光学准直系统在设计、生产、装调过程中，存在系统误差，面源黑体的辐射强度在经过透射式光学系统时存在能量损耗，因此，必须对整机进行指标测试。参照红外目标模拟器光学计量检定规程[6]，表征红外动态模拟靶标性能好坏的主要技术指标有：光谱辐照度、温度精度、均匀性、动态定位精度等。

5.1 光谱辐照度

本文采用高性能红外光谱辐射计SR-5000对红外动态模拟靶标的整体辐照度进行测量[7]，探测器为InSb，光谱波段为3μm～5μm。为尽可能消除系统和传递误差的影响，需要先用标准黑体对SR-5000进行现场标定，标准黑体温度设定在323K(50℃)，距离3.54m。定标后立即对红外动态模拟靶标进行测量，通过调整辐射计的FOV和距离，使得动态靶标完全包含在辐射计的有效视场中。测量原理如下图13所示。测量得到中心波长4μm的光谱辐照度约为7.184×10-10W/cm2/μm。

5.2 温度精度

由于本设备温度指标要求低于常温，因此选用德国InfraTec制冷型红外热像仪对模拟靶标进行温度模拟范围以及发射率的测试，测试结果见表1。

由测试结果可知，该模拟靶标的模拟温度范围可达5℃～90℃，温度精度0.1℃，平均发射率0.92，优于指标要求。

5.3 温度均匀性

采用红外热像仪对待测黑体在5℃，25℃，55℃，85℃四个工作温度点以及一定口径范围内的温度均匀性进行测试，测试方法为：将黑体温度控制在5℃，并达到稳定，在Ф20mm圆周内等分取9个参照点，根据各点温度计算实测均值，偏差ΔTi等于实测均值减去要求值，按相同方法依次测试被测黑体在25℃，55℃，85℃的温度均匀性，并计算偏差ΔTi，参照行业内对温度均匀性的评价标准，定义最大偏差|ΔTi|max为温度均匀性[8]。测试结果见表2。

5.4 动态定位精度

将多齿分度台安装于工作台面上。调整多齿分度台回转中心与转轴回转中心重合，其偏差小于0.01mm 。自准直仪对准多齿分度台上的反光镜面，并调整自准直仪，使其十字线竖丝与转台轴线平行。将转台位置归零，在自准直仪上读取显示数据a1，电控状态下控制转台转过360°/23°，多齿分度台反向转动360°/23°，在自准仪上读数a2，以此类推。以360°/23°为间隔共测23点，得到一组数据a1，a2，a3，…，a23。电控状态下控制转台反向转动一圈，同理得到一组数据b1，b2，b3，…，b23。将数据记入表3。

定位精度数据处理按公式(1)计算

(1)

定位精度：+Δai(+Δbi)max，-Δai(+Δbi)min。

表3 位置精度及重复性 (″)

续表3 (″)

由测试结果可知，动态定位精度正向最大为0.9″，负向最大为-1.9″，定位重复性为±0.27 ″。

5.5 系统联调

红外动态模拟靶标与相匹配的红外成像装置进行联调仿真，分别搭配坦克靶和组合靶的成像结果如下图14所示。

6 结束语

本文研制的红外动态模拟靶标采用透射式光学系统、面源黑体红外辐射源、多目标靶标和方位转动机构，实现了对红外目标辐射特性和运动特性的模拟。检测结果表明，该红外动态模拟靶标中心波长

的辐射度为7.184×10-10W/cm2/μm，黑体模拟温度范围5℃～90℃，发射率0.92，动态定位精度小于2″，定位重复性0.27″，满足系统设计时的技术指标要求。

[1] 白洪斌，胡凡俊. 红外制导技术发展综述[J]. 科技信息，2009(19)：29.

[2] 邹营营，邱丽荣等，便携式红外目标模拟器的研制[J]. 光学技术，2015,41(2).

[3] 崔怀超，袁宏武，韩裕生. 基于DMD成像系统的红外小目标仿真[J]. 红外，2012,33(1).

[4] 董时，冯进良等. 小型面源黑体在红外目标模拟器的应用[J]. 长春理工大学学报(自然科学版)，2012,35(2).

[5] 魏晓珺，周海龙，李艳等. 一种便携式红外目标模拟器[J]. 四川兵工学报，2013,34(6).

[6] 国防科工委科技与质量司．光学计量[M]．北京: 原子能出版社，2002．

[7] 梁培，高教波. 红外目标模拟器的光谱辐照度校准[J]. 激光与红外，2003,33(3).

[8] 王双进. 红外目标模拟器系统的研究和设计[D]. 传感器技术，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

刘莎(1987-)，女，硕士研究生，工程师，主要研究方向：光电测量，地面瞄准系统测试。

1000-7202(2017) 02-0010-08

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.03

TN216

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