CN103759588A - 基于双滤光片的红外双色目标模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于双滤光片的红外双色目标模拟装置及方法，属于红外仿真技术领域。本发明的基于双滤光片的红外双色景象模拟装置包括图像生成器(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)、滤光片组(6)、光学投影系统(7)和计算机(8)。本发明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。

Description

基于双滤光片的红外双色目标模拟装置及方法

技术领域

本发明属于红外仿真技术领域，涉及一种红外双色目标模拟装置及方法。

背景技术

近些年来红外双波段制导技术在探测制导领域已成为研究的主流。红外双色成像复合制导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并且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。在红外双波段复合制导技术研制的末期，对双波段系统设计制造优劣的检测是十分必要的。对双波段制导系统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

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，本发明提供了一种基于双滤光片的红外双色景象模拟装置及方法。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种基于双滤光片的红外双色目标模拟装置，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、滤光片组、光学投影系统和计算机，其中：

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组；经滤光片组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；步进电机的控制信号输出端控制滤光片组的旋转。

一种基于渐变滤光片的红外双色目标模拟装置实现红外双色目标模拟的方法，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组；同时，计算机控制步进电机控制器使得步进电机驱动滤光片组中的第一滤光片的角度，以调整第一滤光片与第二滤光片遮掩下对两个波段光波的通光面积，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N％E的B波段的红外光波；N为自然数，且N≤100；

调整好遮光角度后，计算机控制步进电机控制器使得步进电机驱动滤光片组中支架的旋转，所述支架的转速v的范围是：30转/秒≤v≤100转/秒；

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。

支架旋转时第一滤光片和第二滤光片的遮掩位置相对固定，即支架旋转时透过两种波段的能量的比例固定。

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B波段的红外光波与A波段的红外光波的能量比，其获取方式为：

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

本发明所述的基于双滤光片的红外双色目标模拟装置及方法，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是红外双色目标模拟装置的工作原理图；

图2是双滤光片组的结构图；

图3是双滤光片组的原理图；

图4是转动角为0°时，波段A和波段B的通光面积；

图5是转动角为90°时，波段A和波段B的通光面积；

图6是转动角为θ°时，波段A和波段B的通光面积。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

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双滤光片的红外双色目标模拟装置，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、滤光片组6、光学投影系统7和计算机8，其中：

计算机8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组6；经滤光片组6透射的光信号入射至光学投影系统7的光信号接收端；光学投影系统7发射红外双色目标图像；

计算机8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；滤光片组6为圆形，步进电机4用于驱动该滤光片组6中支架6.3，使其中心轴线作顺时针旋转运动，便于探测器接收到均匀的图像；在支架6.3不旋转时步进电机4也可以驱动并调整第一滤光片6.1绕中心旋转的角度，以改变和第二滤光片6.2的相对遮掩形式，从而控制生成的双波段能量比。

如图2所示，滤光片组6包含两个滤光片：第一滤光片6.1和第二滤光片6.2，它们一前一后放置在支架6.3中，步进电机4用于驱动滤光片组6的支架6.3，并绕其中心轴线时针旋转运动；第一滤光片6.1和第二滤光片6.2与支架6.3的轴线重合，第二滤光片6.2固定，第一滤光片6.1可以在步进电机4的控制下绕轴心顺时针旋转。

光学投影系统7采用两片式透镜组合形成的投影物镜，景象生成器5放置在投影物镜的焦平面上，使景象生成器5产生的光线经过投影物镜后能够以平行光的形式射出。与一般的投影系统工作原理一致。

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双滤光片的红外双色目标模拟装置作进一步说明。如图3所示，本实施方式中，第一滤光片6.1是圆形滤光片，分为两个部分，上半圆只能透过A波段光波，下半圆只能透过B波段光波，它可以在步进电机4的控制下绕轴心顺时针旋转；第二滤光片6.2是半圆形，固定在支架6.3上，只能透过A波段的光波。在计算机8接收到模拟图像指令时，根据所需模拟的图像波段与温度的信息，步进电机4首先调整第一滤光片6.1相对于初始状态的旋转角度，即改变第一滤光片6.1和第二滤光片6.2的相对遮掩面积以调整两个波段透过的能量比。为了使探测器获得均匀的图像，在能量比调整完成后步进电机4要控制支架6.3做匀速旋转，此时第一滤光片6.1和第二滤光片6.2均固定在支架6.3上，保证两波段透过的能量比不变。

下面参照图4-6说明两个滤光片不同遮掩形式下改变的能量比：

第一滤光片6.1可以绕着轴心作顺时针或逆时针θ角度的旋转(0≤θ≤180)，由于滤光片上只有特定的部分能透过A波段和B波段的光波，第一滤光片6.1在旋转角度后和固定的第二滤光片6.2在相互遮挡下就形成了只能透过波段A和只能透过波段B的部分。转过的角度θ不同，透过A波段的面积和透过B波段的面积就不同，由于透过的能量大小只与透过面积有关，因此改变两个滤光片的遮掩面积就能改变两个波段透过的能量比。又由于特定温度下的黑体或灰体辐射两个波段的能量比是定值，所以模拟出特定的能量比也就意味着模拟出特定温度下的黑体或灰体辐射。

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双滤光片的红外双色目标模拟装置作进一步说明。本实施方式中，景象生成器5采用电阻阵列或数字微镜元件DMD。

景象生成器5采用电阻阵列或数字微镜元件DMD，即DigitalMicro Mirror Device。

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目标模拟装置作进一步说明。本实施方式中，景象生成器5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E0。

具体实施方式五：本实施方式中，基于双滤光片的红外双色目标模拟装置实现红外双色目标模拟的方法，包括以下步骤：

首先，计算机8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组6；滤光片组6对接收到的全波段的动态红外图像光波信号；

同时，计算机8控制步进电机控制器3使得步进电机4驱动渐变第一滤光片6.1旋转θ角度，改变和第二滤光片6.2的遮掩面积，即两个波段的通过能量，旋转后相对于支架6.3固定。步进电机4驱动支架6.3以速度v做匀速圆周运动，所述支架6.3的转速v的范围是：20转/秒≤v≤120转/秒；所述滤光片组6中的支架6.3转动方向为顺时针旋转；

这样，滤光片组6对接收到的红外全波段图像进行滤波，改变波段A和波段B的透过的能量，获得能量为E的A波段和能量为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7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4-6说明渐变滤光片的工作过程：

当能量为E₀的A波段的红外光波和能量为E₀的B波段的红外光波进入滤光片组6时，第一滤光片6.1相对于初始位置旋转θ角度，这样第一滤光片6.1和第二滤光片6.2相互遮掩下，调整波段A和波段B的能量透过率，输出波段A的能量为输出波段B的能量为

为了生成能量分布均匀的图像，步进电机4驱动支架6.3绕其中心轴线以转速v作顺时针旋转运动，所述转速v与景象生成器5的帧频相互匹配，转速v的范围为：20转/秒≤v≤120转/秒；这样滤光片组6就输出了能量为E的A波段和能量为N％E的B波段红外图像。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的基于双滤光片的红外双色目标模拟装置实现红外双色目标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。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式五所述的基于双滤光片的红外双色目标模拟装置实现红外双色目标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：

$M(\mathrm{\λ},T)=\frac{8\mathrm{\π}{\mathrm{hc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λkT}}}-1}.$

其中M(λ，T)为特定温度特定波长下的辐射出射度，h＝6.626×10^-34J·s为普朗克常数，c＝3×10⁸m/s为光速，k＝1.3806×10^-23J/K为玻尔兹曼常量，T为设定温度，λ为选定波长。

经过计算得到A波段的光波和B波段的光波的能量比值。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式五所述的基于双滤光片的红外双色目标模拟装置实现红外双色目标模拟的方法的进一步说明。本实施方式中，所述的第一滤光片6.1旋转的角度θ，θ的计算公式可由

推得，

$\mathrm{\θ}=180\·\frac{1-N\%}{1+N\%}.$

具体实施方式九：为了更好的理解本发明所述的基于双滤光片的红外双色目标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3.4-3.8μm，B波段的红外光波选取4.4-4.8μm。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，分别为波段A的下限波长和上限波长，λ′₁＝4.4μm，λ′₂＝4.8μm分别为波段B的下限波长和上限波长，T＝1000K为温度，π＝3.1415926…，h＝6.626×10^-34J·s为普朗克常数，c＝3×10⁸m/s为光速，k＝1.3806×10^-23J/K为玻尔兹曼常数。由计算公式

可以计算出转角θ＝21.36°。

计算机8的目标图像输出端输出目标图像至图像生成器1的目标图像输入端，同时，计算机8输出步进电机控制指令至步进电机控制器3，步进电机控制器3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4，步进电机4先驱动第一滤光片6.1转动θ角度，滤光片旋转后，与支架6.3相对固定，同时步进电机4驱动支架6.3以转速v顺时针旋转，速度v与景象生成器5的帧频相匹配；

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 (10)

1.基于双滤光片的红外双色目标模拟装置，其特征在于所述红外双色目标模拟装置包括图像生成器(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)、滤光片组(6)、光学投影系统(7)和计算机(8)，其中：

计算机(8)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组(6)；经滤光片组(6)透射的光信号入射至光学投影系统(7)的光信号接收端；光学投影系统(7)发射红外双色目标图像；

计算机(8)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；步进电机(4)的控制信号输出端控制滤光片组(6)的旋转。

2.根据权利要求1所述的基于双滤光片的红外双色目标模拟装置，其特征在于所述滤光片组(6)包含两个滤光片：第一滤光片(6.1)和第二滤光片(6.2)，它们一前一后放置在支架(6.3)中，步进电机(4)用于驱动滤光片组(6)的支架(6.3)，并绕其中心轴线时针旋转运动；第一滤光片(6.1)和第二滤光片(6.2)与支架(6.3)的轴线重合，第二滤光片(6.2)固定，第一滤光片(6.1)可以在步进电机(4)的控制下绕轴心顺时针旋转。

3.根据权利要求1所述的基于双滤光片的红外双色目标模拟装置，其特征在于所述第一滤光片(6.1)是圆形滤光片，分为两个部分，上半圆只能透过A波段光波，下半圆只能透过B波段光波；第二滤光片(6.2)是半圆形，只能透过A波段的光波。

4.根据权利要求3所述的基于双滤光片的红外双色目标模拟装置，其特征在于所述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。

5.根据权利要求1所述的基于双滤光片的红外双色目标模拟装置，其特征在于所述景象生成器(5)采用电阻阵列或数字微镜元件DMD。

6.一种基于渐变滤光片的红外双色目标模拟装置实现红外双色目标模拟的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

首先，计算机(8)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组(6)；同时，计算机(8)控制步进电机控制器(3)使得步进电机(4)驱动滤光片组(6)中的第一滤光片(6.1)的角度，改变第一滤光片(6.1)与第二滤光片(6.2)遮掩下对两个波段光波的通光面积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N％E的B波段的红外光波；

调整好遮光角度后，计算机(8)控制步进电机控制器(3)使得步进电机(4)驱动滤光片组(6)中支架(6.3)的旋转；

最后，光学投影系统(7)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目标模拟装置实现红外双色目标模拟的方法，其特征在于所述N为自然数，且N≤100。

8.根据权利要求6所述的基于渐变滤光片的红外双色目标模拟装置实现红外双色目标模拟的方法，其特征在于所述支架(6.3)的转速v的范围是：30转/秒≤v≤100转/秒。

9.根据权利要求6所述的基于渐变滤光片的红外双色目标模拟装置实现红外双色目标模拟的方法，其特征在于所述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。

10.根据权利要求6所述的基于渐变滤光片的红外双色目标模拟装置实现红外双色目标模拟的方法，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B波段的红外光波与A波段的红外光波的能量比，其获取方式为：

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

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