CN103528440B - 基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置及方法，涉及红外仿真领域，特别涉及红外制导技术。解决了在半实物仿真时，采用两组景象生成器和投影系统导致的红外双波段目标模拟装置结构复杂以及成本高的问题。本发明中的计算机将目标图像发送至图像生成器，图像生成器输出红外视频信号，红外视频信号输入视频处理电路后转化为驱动信号并输入景象生成器，景象生成器输出全波段的动态红外图像光波信号至滤光片，经滤光片透射后输出能量均为E的A波段的红外光波和B波段的红外光波，两个波段的光波经渐变滤光片后，A波段的红外光波能量为E，B波段的红外光波能量为N%E，两光波经光学投影系统后输出红外双色目标图像。本发明适用于对图像的红外模拟。

Description

基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及红外仿真领域，特别涉及红外制导技术。

背景技术

在探测制导领域，红外双波段复合制导技术已成为研究的主流。红外双色成像复合制导能够全面提高导弹的全时日、全天候作战能力和抗干扰能力，且与传统的单色探测制导方式相比，增大系统的温度动态范围，提高伪装目标识别能力。在红外双波段复合制导技术中，对双波段系统优劣的检测是十分必要的。对双波段制导系统优劣的检测一般有两种方式：1、全实物仿真，即模拟真实目标景象，构造真实的目标环境。这种方式仿真度极高，但需要耗费大量的人力物力，制作周期很长。2、半实物仿真，即用计算机模拟生成真实的景象，也就是景象生成器产生虚拟影像供探测器接收。这种方式拥有很好的仿真度，且大大缩短了制作周期，制作工艺简单。因此半实物仿真技术受到科学界的青睐，同时带动了双波段目标模拟装置的设计与研究，并成为国内外学者研究的热点。

目前的双波段目标景象生成器原理基本相近，多数都是通过两组景象生成器和投影系统独立产生两个波段的景象后再通过耦合镜耦合产生双波段图像，通过一个透镜将两套系统的光路合成，可实现双波段的目标模拟，成像效果理想，但结构较复杂，元器件较多，杂散辐射较强，不能满足两波段图像耦合要求高的需求。

发明内容

本发明是为了解决在半实物仿真时，采用两组景象生成器和投影系统导致的红外双波段目标模拟装置结构复杂以及成本高的问题。现提供一种基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置及方法。

基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置，它包括图像生成器、视频处理电路、步进电机控制器、步进电机、景象生成器、滤光片、渐变滤光片、光学投影系统和计算机；

计算机的目标图像输出端与图像生成器的目标图像输入端连接；图像生成器的红外视频信号输出端与视频处理电路的红外视频信号输入端连接；视频处理电路的驱动信号输出端与景象生成器的驱动信号输入端连接；景象生成器输出动态红外图像光信号垂直入射至滤光片；经滤光片透射的光信号入射至渐变滤光片的渐变区；经渐变滤光片透射的光信号入射至光学投影系统的光信号接收端；光学投影系统发射红外双色目标图像；

计算机的控制指令输出端与步进电机控制器的控制指令输入端连接；步进电机控制器的控制信号输出端与步进电机的控制信号输入端连接；渐变滤光片为圆环形，步进电机用于驱动该渐变滤光片绕其中心轴线作顺时针旋转运动；

滤光片的中心轴线穿过渐变滤光片圆环部分的中心线。

渐变滤光片以圆心为中心沿圆周均匀划分为m个扇形区域，m为偶数；通过圆心的水平直径将渐变滤光片分为上下两部分，上半部分的扇形区域顺时针方向透过率递减，下半部分的扇形区域顺时针方向递增。

渐变滤光片透射两种不同波段的光波，分别为A波段和B波段；渐变滤光片对A波段的红外光波全部透射，对B波段的红外光波部分透射。

景象生成器采用电阻阵列或数字微镜元件DMD。

景象生成器使波段A的红外光波的能量与波段B的红外光波的能量都为E。

基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置实现红外双色景象模拟的方法，它包括以下步骤：

首先，计算机控制图像生成器产生与目标图像对应的红外视频信号，该红外视频信号经视频处理电路处理之后转化为景象生成器的驱动信号，经驱动信号驱动的景象生成器输出全波段的动态红外图像光波信号给滤光片；滤光片对接收到的全波段的动态红外图像光波信号进行滤波，获得能量为E的A波段的红外光波和能量为E的B波段的红外光波；

同时，计算机控制步进电机控制器使得步进电机驱动渐变滤光片旋转，所述渐变滤光片的转速v的范围是：20转/秒≤v≤100转/秒；所述渐变滤光片的转动方向为顺时针旋转；

然后，渐变滤光片对接收到的A波段的红外光波全部透射，并对接收到的B波段的红外光波部分透射，获得能量为N%E的B波段的红外光波；N为自然数，且N≤100；

最后，光学投影系统接收能量为E的A波段的红外光波和能量为N%E的B波段的红外光波，并输出由能量为E的A波段的红外光波和能量为N%E的B波段的红外光波形成的红外双色目标图像。

全波段的动态红外图像光波信号中的每一波段的光波能量不相等。

所述的A波段的红外光波的波段为1-2μm、3-5μm或8-12μm中的任意波段；B波段的红外光波的波段为1-2μm、3-5μm或8-12μm中的任意波段。

所述能量为N%E的B波段的红外光波中的N%为A波段的红外光波与B波段的红外光波的能量比，其获取方式为：

将温度值、A波段的红外光波的波段值和B波段的红外光波的波段值代入普朗克公式，经过计算得出A波段的红外光波和B波段的红外光波的能量比。

本发明所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置及方法，只采用一组景象生成器和一组光学投影系统就完成了两个波段的模拟成像，即A波段的红外光波和B波段的红外光波，解决了红外双波段目标模拟装置结构复杂的问题，并且使成本降低了50%以上。

附图说明

图1是具体实施方式一、六中红外双色景象模拟装置的工作原理图。

图2是具体实施方式二、六中渐变滤光片的原理图。

图3是具体实施方式六中基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置实现红外双色景象模拟的方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置，它包括图像生成器1、视频处理电路2、步进电机控制器3、步进电机4、景象生成器5、滤光片6、渐变滤光片7、光学投影系统8和计算机9；

计算机9的目标图像输出端与图像生成器1的目标图像输入端连接；图像生成器1的红外视频信号输出端与视频处理电路2的红外视频信号输入端连接；视频处理电路2的驱动信号输出端与景象生成器5的驱动信号输入端连接；景象生成器5输出动态红外图像光信号垂直入射至滤光片6；经滤光片6透射的光信号入射至渐变滤光片7的渐变区；经渐变滤光片7透射的光信号入射至光学投影系统8的光信号接收端；光学投影系统8发射红外双色目标图像；

计算机9的控制指令输出端与步进电机控制器3的控制指令输入端连接；步进电机控制器3的控制信号输出端与步进电机4的控制信号输入端连接；渐变滤光片7为圆环形，步进电机4用于驱动该渐变滤光片7绕其中心轴线作顺时针旋转运动；

滤光片6的中心轴线穿过渐变滤光片7圆环部分的中心线。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置作进一步说明，本实施方式中，渐变滤光片以圆心为中心沿圆周均匀划分为m个扇形区域，m为偶数；通过圆心的水平直径将渐变滤光片分为上下两部分，上半部分的扇形区域顺时针方向透过率递减，下半部分的扇形区域顺时针方向递增。

参照图2说明渐变滤光片的透过率：

渐变滤光片划分为m个区域，每一个区域对应一个度数，m为偶数；通过圆心的水平直径将渐变滤光片分为上下两部分；从C区域到D区域顺时针方向度数为0°～180°递增，即透过率递增；从D区域到C区域顺时针方向度数为180°～0°递减，即透过率递减。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置作进一步说明，本实施方式中，

渐变滤光片6透射两种不同波段的光波，分别为A波段和B波段；渐变滤光片7对A波段的红外光波全部透射，对B波段的红外光波部分透射。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置作进一步说明，本实施方式中，景象生成器采用电阻阵列或数字微镜元件DMD。

景象生成器采用电阻阵列或数字微镜元件DMD，即Digital Micro Mirror Device。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置作进一步说明，本实施方式中，景象生成器使A波段的红外光波的能量与B波段的红外光波的能量都为E。

具体实施方式六、参照图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中，基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置实现红外双色景象模拟的方法，它包括以下步骤：

首先，计算机9控制图像生成器1产生与目标图像对应的红外视频信号，该红外视频信号经视频处理电路2处理之后转化为景象生成器5的驱动信号，经驱动信号驱动的景象生成器5输出全波段的动态红外图像光波信号给滤光片6；滤光片6对接收到的全波段的动态红外图像光波信号进行滤波，获得能量为E的A波段的红外光波和能量为E的B波段的红外光波；

同时，计算机9控制步进电机控制器3使得步进电机4驱动渐变滤光片7旋转，所述渐变滤光片7的转速v的范围是：20转/秒≤v≤100转/秒；所述渐变滤光片7的转动方向为顺时针旋转；

然后，渐变滤光片7对接收到的A波段的红外光波全部透射，并对接收到的B波段的红外光波部分透射，获得能量为N%E的B波段的红外光波；N为自然数，且N≤100；

最后，光学投影系统8接收能量为E的A波段的红外光波和能量为N%E的B波段的红外光波，并输出由能量为E的A波段的红外光波和能量为N%E的B波段的红外光波形成的红外双色目标图像。

参照图2说明渐变滤光片的工作过程：

渐变滤光片划分为m个区域，每一个区域对应一个度数，m为偶数；通过圆心的水平直径将渐变滤光片分为上下两部分；从C区域到D区域顺时针方向度数为0°～180°递增，即透过率递增；从D区域到C区域顺时针方向度数为180°～0°递减，即透过率递减。

当能量为E的A波段的红外光波和能量为E的B波段的红外光波进入渐变滤光片的第m个区域时，渐变滤光片对能量为E的A波段的光波透过率为100%；

为了获得能量为N%E的B波段的光波，通过步进电机驱动渐变滤光片绕其中心轴线以转速v作顺时针旋转运动，所述转速v的范围为：20转/秒≤v≤100转/秒；此时能量为E的B波段的红外光波进入渐变滤光片的n个区域，n≤m，通过n个区域渐变率的叠加，使能量为E的B波段的红外光波的透过率减小，就得到了能量为N%E的B波段的红外光波。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置实现红外双色景象模拟的方法的进一步说明，本实施方式中，

全波段的动态红外图像光波信号中的每一波段的光波能量不相等。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式六所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置实现红外双色景象模拟的方法的进一步说明，本实施方式中，

所述的A波段的红外光波的波段为1-2μm、3-5μm或8-12μm中的任意波段；B波段的红外光波的波段为1-2μm、3-5μm或8-12μm中的任意波段。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式六所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置实现红外双色景象模拟的方法的进一步说明，本实施方式中，

所述能量为N%E的B波段的红外光波中的N%为A波段的红外光波与B波段的红外光波的能量比，其获取方式为：

将温度值、A波段的红外光波的波段值和B波段的红外光波的波段值代入普朗克公式，经过计算得出A波段的红外光波和B波段的红外光波的能量比。

根据黑体辐射的原理，在一定温度下目标图像在两个波段内的辐射能量的比值是定值N%，将温度值、A波段的波段值和B波段的波段值代入普朗克公式，经过计算得到A波段的光波和B波段的光波的能量比值。

具体实施方式十：为了更好的理解本发明所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置的工作过程，下面举出一个实施例：根据不同温度下波段的能量比N%不同，当模拟不同温度下的目标图像时，对应有不同的N%值。

取温度为1000K，A波段的红外光波选取3.4-3.8um，B波段的红外光波选取4.4-4.8um。根据普朗克公式，即

$E=\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}M(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}=\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}\frac{8\mathrm{\π}{\mathrm{hc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{\frac{\mathrm{hc}}{e^{\mathrm{\λkT}}-1}}\·\mathrm{d\λ}$

$N\%E=\underset{{{\mathrm{\λ}}^{\′}}_1}{\overset{{{\mathrm{\λ}}^{\′}}_2}{\∫}}M(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}=\underset{{{\mathrm{\λ}}^{\′}}_1}{\overset{{{\mathrm{\λ}}^{\′}}_2}{\∫}}\frac{8\mathrm{\π}{\mathrm{hc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λkT}}}-1}\·\mathrm{d\λ}$

计算出A波段的红外光波的与B波段的红外光波的能量比：

N%=(0.333297W/cm²)/(0.464454W/cm²)=0.769，即N值的大小为N=76.9。

其中λ₁=3.4μm,λ₂=3.8μm,λ₁'=4.4μm,λ'₂=4.8μm，T=1000K，π=3.14159…，h=6.626_×10^-34Ji_s，_c=3_×10⁸ _m/_s，k=1.3806_×10^-23J/K。

转速v的获取方式：

由计算公式，经过计算得到渐变滤光片的转速，转速范围为20转/秒≤v≤100转/秒；

其中v为滤光片旋转速度单位为转/秒，ρ(m)为滤光片上第m个区域的透过率，T为探测器的响应时间，T的取值与选用的探测器有关。由于探测器响应时间和滤光片的透过率均为已知量，根据上式就可以通过N%值来确定滤光片的转动速度v。一般情况下，渐变滤光片的转速范围为20转/秒≤v≤100转/秒。

计算机的目标图像输出端输出目标图像至图像生成器的目标图像输入端，同时，计算机输出输出步进电机控制指令至步进电机控制器，步进电机控制器将所述步进电机控制指令转化为步进电机控制信号并发送至步进电机，从而控制步进电机顺时针旋转，步进电机驱动渐变滤光片以转速v顺时针旋转；

所述目标图像经图像生成器处理后生成红外视频信号；所述的红外视频信号由图像生成器的红外视频信号输出端输出至视频处理电路的红外视频信号输入端；所述的红外视频信号经视频处理电路转化后生成驱动信号，经驱动信号驱动的景象生成器输出全波段的动态红外图像光波信号且垂直入射至滤光片；

滤光片只输出A波段的红外光波和B波段的红外光波，其余波段截止。

经滤光片透射后输出能量为E的A波段的红外光波和能量为E的B波段的红外光波；所述的能量为E的A波段的红外光波和能量为E的B波段的红外光波入射至渐变滤光片的渐变区；

渐变滤光片对A波段的红外光波透过率为100%，对B波段的红外光波透过率衰减。

此时能量为E的B波段的红外光波进入渐变滤光片的n个区域，通过n个区域渐变率的叠加，使能量E的B波段的红外光波的透过率减小，就得到了能量为N%E的B波段的红外光波。

经渐变滤光片透射后输出量为E的A波段的红外光波和能量为N%E的B波段的红外光波且由光学投影系统的光信号接收端接收，最后光学投影系统垂直发射所需的红外双色目标图像。

Claims (8)

1.基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置，其特征在于：它包括图像生成器(1)、视频处理电路(2)、步进电机控制器(3)、步进电机(4)、景象生成器(5)、滤光片(6)、渐变滤光片(7)、光学投影系统(8)和计算机(9)；

计算机(9)的目标图像输出端与图像生成器(1)的目标图像输入端连接；图像生成器(1)的红外视频信号输出端与视频处理电路(2)的红外视频信号输入端连接；视频处理电路(2)的驱动信号输出端与景象生成器(5)的驱动信号输入端连接；景象生成器(5)输出动态红外图像光信号垂直入射至滤光片(6)；经滤光片(6)透射的光信号入射至渐变滤光片(7)的渐变区；经渐变滤光片(7)透射的光信号入射至光学投影系统(8)的光信号接收端；光学投影系统(8)发射红外双色目标图像；

计算机(9)的控制指令输出端与步进电机控制器(3)的控制指令输入端连接；步进电机控制器(3)的控制信号输出端与步进电机(4)的控制信号输入端连接；渐变滤光片(7)为圆环形，步进电机(4)用于驱动该渐变滤光片(7)绕其中心轴线作顺时针旋转运动；

滤光片(6)的中心轴线穿过渐变滤光片(7)圆环部分的中心线；

滤光片只输出A波段的红外光波和B波段的红外光波，其余波段截止；

所述的A波段的红外光波的波段为1-2μm、3-5μm或8-12μm中的任意波段；B波段的红外光波的波段为1-2μm、3-5μm或8-12μm中的任意波段。

2.根据权利要求1所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置，其特征在于：渐变滤光片以圆心为中心沿圆周均匀划分为m个扇形区域，m为偶数；通过圆心的水平直径将渐变滤光片分为上下两部分，上半部分的扇形区域顺时针方向透过率递减，下半部分的扇形区域顺时针方向递增。

3.根据权利要求1所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置，其特征在于：

渐变滤光片(6)透射两种不同波段的光波，分别为A波段和B波段；渐变滤光片(7)对A波段的红外光波全部透射，对B波段的红外光波部分透射。

4.根据权利要求1所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置，其特征在于：景象生成器采用电阻阵列或数字微镜元件DMD。

5.根据权利要求1所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置，其特征在于：景象生成器使A波段的红外光波的能量与B波段的红外光波的能量都为E。

6.利用权利要求1所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置实现红外双色景象模拟的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

首先，计算机(9)控制图像生成器(1)产生与目标图像对应的红外视频信号，该红外视频信号经视频处理电路(2)处理之后转化为景象生成器(5)的驱动信号，经驱动信号驱动的景象生成器(5)输出全波段的动态红外图像光波信号给滤光片(6)；滤光片(6)对接收到的全波段的动态红外图像光波信号进行滤波，获得能量为E的A波段的红外光波和能量为E的B波段的红外光波；

同时，计算机(9)控制步进电机控制器(3)使得步进电机(4)驱动渐变滤光片(7)旋转，所述渐变滤光片(7)的转速v的范围是：20转/秒≤v≤100转/秒；所述渐变滤光片(7)的转动方向为顺时针旋转；

根据不同温度下波段的能量比N％不同，当模拟不同温度下的目标图像时，对应有不同的N％值；

取温度为1000K，A波段的红外光波选取3.4-3.8um，B波段的红外光波选取4.4-4.8um；根据普朗克公式，即

$E=\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}M(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}=\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}\frac{8\mathrm{\π}{\mathrm{hc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λkT}}}-1}\·\mathrm{d\λ}$

$N\%E=\underset{{{\mathrm{\λ}}^{\′}}_1}{\overset{{{\mathrm{\λ}}^{\′}}_2}{\∫}}M(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}=\underset{{{\mathrm{\λ}}^{\′}}_1}{\overset{{{\mathrm{\λ}}^{\′}}_2}{\∫}}\frac{8\mathrm{\π}{\mathrm{hc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λkT}}}-1}\·\mathrm{d\λ}$

计算出A波段的红外光波的与B波段的红外光波的能量比：

N％＝(0.333297W/cm²)/(0.464454W/cm²)＝0.769，即N值的大小为N＝76.9；

其中λ₁＝3.4μm,λ₂＝3.8μm,λ'₁＝4.4μm,λ'₂＝4.8μm，T＝1000K，π＝3.14159…，h＝6.626×10^-34J·s，c＝3×10⁸m/s，k＝1.3806×10^-23J/K；

转速v的获取方式：

由计算公式，经过计算得到渐变滤光片的转速，转速范围为20转/秒≤v≤100转/秒；

其中v为滤光片旋转速度单位为转/秒，ρ(m)为滤光片上第m个区域的透过率，T为探测器的响应时间，T的取值与选用的探测器有关；由于探测器响应时间和滤光片的透过率均为已知量，根据上式就可以通过N％值来确定滤光片的转动速度v；

然后，渐变滤光片(7)对接收到的A波段的红外光波全部透射，并对接收到的B波段的红外光波部分透射，获得能量为N％E的B波段的红外光波；N为自然数，且N≤100；

最后，光学投影系统(8)接收能量为E的A波段的红外光波和能量为N％E的B波段的红外光波，并输出由能量为E的A波段的红外光波和能量为N％E的B波段的红外光波形成的红外双色目标图像。

7.根据权利要求6所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置实现红外双色目标模拟的方法，其特征在于：全波段的动态红外图像光波信号中的每一波段的光波能量不相等。

8.根据权利要求6所述的基于渐变滤光片的红外双色景象模拟装置实现红外双色景象模拟的方法，其特征在于：所述能量为N％E的B波段的红外光波中的N％为A波段的红外光波与B波段的红外光波的能量比，其获取方式为：

将温度值、A波段的红外光波的波段值和B波段的红外光波的波段值代入普朗克公式，经过计算得出A波段的红外光波和B波段的红外光波的能量比。