CN104849023A - 一种高精度多波段动态目标模拟器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度多波段动态目标模拟器装置，包括底座，还包括设置在底座上的光源装置和载物台，载物台上设置有靶标盘，靶标盘由设置在载物台上的靶标盘旋转电机驱动旋转，靶标盘的沿旋转圆周开设有若干个靶标，载物台上开设有圆形孔，光源装置的出射光穿过圆形孔以及旋转至圆形孔位置处的靶标后投射在次离轴非球面反射镜，次离轴非球面反射镜将反射光投射在主离轴非球面反射镜上进行二次反射。本发明满足了高精度多波段多靶标的测试要求，小型便携、成本低，在体积300*260*240mm、重量6Kg的前提下，模拟可见光/红外目标运动的角度精度达到0.0001°，满足各种静态、动态指标的检测需要。

Description

一种高精度多波段动态目标模拟器装置

技术领域

本发明属于光电探测跟踪系统性能检测领域，具体涉及一种高精度多波段动态目标模拟器装置，应用于红外、电视探测跟踪系统的静态、动态性能指标检测领域。

背景技术

高精度多波段动态目标模拟器由光源、靶标、伺服运动机构及光学系统组成。

动态目标模拟器是用于模拟无限远运动目标的装置，常见的设计原理是，将某种目标特征图案的靶标置于光学系统的焦平面位置，靶标图案经过光学系统中镜片组的反射或折射后，形成平行光输出，从而模拟无限远处的静态目标，再通过机械运动机构控制整个光学系统的运动模拟出动态目标。它普遍应用在电视探测跟踪、红外探测跟踪系统的性能指标检测领域。为了保证光学平行度的高精度，必须提高平行光管的焦距。普通的平行光管采用球面反射镜一次反射或一个离轴非球面镜加一个平面反射镜二次发射的光路设计，在一定口径及焦距要求下，加工出来的平行光管的长度、体积都比较大，而且，普通的平行光管都采用光学玻璃制作镜片，由于光学玻璃密度高，导致镜片重量大，加工成本高。为了保证模拟目标运动的高精度，必须设计高精度的机械运动结构，常规的机械传动难以达到微米级的精度要求，而且由于要驱动整个光学系统一起运动，导致机械机构庞大。因此，常见的动态目标模拟器由于其体积重量大，只能放在工厂或实验室使用，无法满足便携在线检测需求。

中国发明专利CN201110098357.4 提供了一种高精度光学动态靶标装置，其技术途径是采用激光自准直仪模拟无穷远点目标，将激光自准直仪安装在旋转臂上，通过控制旋转臂的转动和多个反射镜的反射来模拟动态目标。这种方法旋转臂的体积较大，而且激光自准直仪及多个反射镜都是安装在旋转臂上，旋转臂的运动会带来光路的偏移，而且靶标图案单一，通过旋转臂的运动也只能模拟目标的锥形运动轨迹，具有局限性。

中国发明专利CN200810050586.7提出将目标转鼓、第一反射镜和偏流镜三者固定在转动工作台上，光源的光线照射在目标板上，目标板经第一反射镜反射后成像于偏流镜上，可以模拟无限远目标，再通过控制转动工作台来实现目标的运动。这种方法也是通过控制靶标和光路系统的整体运动来实现目标的动态模拟，同样存在体积重量偏大、精度不高的局限性。

《激光与红外》2011年第41卷第1期论文《红外动态目标模拟器驱动及控制系统设计》中所述的红外动态目标模拟器系统是采用微反射镜阵列(DMD)来产生动态目标场景，将DMD器件的像面置于光学系统的焦平面位置，从而模拟无穷远的红外动态场景。这种方法采用进口DMD器件，成本非常高，对输入控制信号要求高，开发难度大，难以量产推广，而且该系统只能模拟红外动态目标，不能模拟可见光目标。

《北京理工大学学报》2012年第32卷第8期论文《红外点源目标模拟器》中所述的红外点源目标模拟器是采用改变光栏孔的直径，模拟不同大小的目标，通过转动方向镜控制目标在导引头视场内的位置，模拟目标的运动，实现了对红外目标运动特性的模拟。这种方法是采用方向镜的转动来改变出射光束的方向，出射光束的转动角是方向镜转动角度的2倍，因此目标运动精度难以提高，而且该系统只是模拟红外目标，不能模拟可见光目标。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种高精度多波段的动态目标模拟器装置。解决普通动态目标模拟器体积重量大、靶标单一、波段单一、成本高等问题。可用于电视、红外探测跟踪系统检测领域，模拟可见光波段、红外波段的无限远动态目标，具有精度高、多波段、体积小、重量轻、成本低等优点，可应用于光电探测跟踪系统的静态、动态性能指标的检测。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种高精度多波段动态目标模拟器装置，包括底座，还包括设置在底座上的光源装置和载物台，载物台上设置有靶标盘，靶标盘由设置在载物台上的靶标盘旋转电机驱动旋转，靶标盘的沿旋转圆周开设有若干个靶标，载物台上开设有圆形孔，光源装置的出射光穿过圆形孔以及旋转至圆形孔位置处的靶标后投射在次离轴非球面反射镜，次离轴非球面反射镜将反射光投射在主离轴非球面反射镜上进行二次反射。

如上所述的次离轴非球面反射镜的材质为玻璃；所述的主离轴非球面反射镜的材质为硬铝。

如上所述的光源装置包括设置在载物台上的光源切换导轨，光源切换导轨的滑块上依次设置有可见光光源和红外辐射源，还包括驱动滑块往复运动的光源切换电机。

如上所述的载物台通过二维平移台机构体设置在底座上。

本装置包括两可见光与红外两种光源，可见光光源与红外辐射源水平并排固定于光源切换导轨的上端，两者的中心位置在一条水平线上，通过光源切换电机的转动可控制光源切换导轨的水平移动，实现光源的切换。二维平移台机构体采用滚珠螺杆传动方式，通过平移台X轴运动电机带动X轴滚珠螺杆的转动，实现载物台面在X轴方向上的平移，通过平移台Y轴运动电机带动Y轴滚珠螺杆的转动，实现载物台面在Y轴方向上的平移，同时控制X轴、Y轴电机的转动实现控制载物台在二维平面上的任意轨迹运动。载物台面上有圆形通孔，用于透过光源的光。靶标盘的圆周面上固定有多个不同图案的靶标，靶标盘固定于靶标盘旋转电机轴，靶标盘旋转电机机身固定于载物台，且其转动轴与载物台上的圆孔动配合，通过靶标盘旋转电机的转动可将不同图案的靶标对准到载物台上的圆形通孔位置，用于检测不同动态、静态指标时的靶标切换。主离轴非球面反射镜与次离轴非球面反射镜的反射面相对，构成二次折叠光路系统，其焦平面位于旋转靶盘的靶标平面位置。通过光源切换导轨的水平移动切换要用的光源，从光源发射出的光束照射到载物台的圆形通孔，透过通孔处旋转靶盘的靶标后，照射到次离轴非球面反射镜，经过一次反射后进入主离轴非球面反射镜，经第二次反射后输出，将通孔处的靶标变换为无穷远目标，通过控制二维平移台的二维运动实现了目标的任意轨迹运动。

为了保证光学系统的高精度，在有限的体积空间里采用两次折叠的光路来保证光路的长焦距要求，采用反射面为凹面的主离轴非球面反射镜减少光路中心的盲区面积，从而提高像质和平行度，采用反射面为凸面的次离轴非球面反射镜将焦距延长，充分利用空间。

为了保证机械运动结构的高精度，采用滚珠螺杆传动方式实现二维平移台机构的X、Y轴运动，采用预设钢轨设计来保整平移运动的真直度，采用微步进电机来实现单步运动的控制精度，单步精度达到1.25um，重复精度达到1um。

为了降低主离轴非球面反射镜的加工成本，舍去了光学方程的高次方，降低主离轴非球面反射镜的加工难度。采用次离轴非球面反射镜配对参数设计，弥补由于舍去光学方程的高次方带来的像质损失。

为了减轻平行光管装置的重量，采用硬铝材料来加工主离轴非球面反射镜，使该镜片的重量减少37.2%，同时，加工成本也降低55%。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明采用光源切换导轨设计、二维精密控制平移台设计、旋转靶盘设计及离轴非球面光路设计，满足了高精度多波段多靶标的测试要求，小型便携、成本低，在体积300*260*240mm、重量6Kg的前提下，模拟可见光/红外目标运动的角度精度达到0.0001°，而且可以自动切换多种形状的靶标，满足各种静态、动态指标的检测需要。为了减轻动态目标模拟器装置的重量，采用硬铝材料来加工主离轴非球面反射镜，使该镜片的重量减少37.2%，同时，加工成本也降低55%。

附图说明

图1为一种高精度多波段动态目标模拟器装置的结构示意图。

其中：1-可见光光源，2-红外辐射源，3-光源切换导轨，4-光源切换电机，5-平移台X轴运动电机，6-平移台Y轴运动电机，7-二维平移台机构体，8-靶标盘旋转电机，9-靶标盘，10-载物台，11-靶标，12-底座，13-次离轴非球面反射镜，14-主离轴非球面反射镜。

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详细描述：

一种高精度多波段动态目标模拟器装置，包括底座12，还包括设置在底座12上的光源装置和载物台10，载物台10上设置有靶标盘9，靶标盘9由设置在载物台10上的靶标盘旋转电机8驱动旋转，靶标盘9的沿旋转圆周开设有若干个靶标11，载物台10上开设有圆形孔，光源装置的出射光穿过圆形孔以及旋转至圆形孔位置处的靶标11后投射在次离轴非球面反射镜13，次离轴非球面反射镜13将反射光投射在主离轴非球面反射镜14上进行二次反射。次离轴非球面反射镜13的材质为玻璃；所述的主离轴非球面反射镜14的材质为硬铝。光源装置包括设置在载物台10上的光源切换导轨3，光源切换导轨3的滑块上依次设置有可见光光源1和红外辐射源2，还包括驱动滑块往复运动的光源切换电机4。载物台10通过二维平移台机构体7设置在底座12上。

根据图1可知，可见光光源1与红外辐射源2水平并排固定于光源切换导轨3的上端，两者的中心位置在一条水平线上，通过光源切换电机4的转动可控制光源切换导轨3的水平移动，实现光源的切换。二维平移台机构体7采用滚珠螺杆传动方式，通过平移台X轴运动电机5带动X轴滚珠螺杆的转动，实现载物台面在X轴方向上的平移，通过平移台Y轴运动电机6带动Y轴滚珠螺杆的转动，实现载物台面在Y轴方向上的平移，同时控制平移台X轴运动电机5和平移台Y轴运动电机6的转动实现控制载物台在二维平面上的任意轨迹运动。载物台10的台面上有圆形通孔，用于透过光源的光。靶标盘9的圆周面上固定有多个不同图案的靶标11，靶标盘9固定于靶标盘旋转电机8的电机轴，靶标盘旋转电机8的机身固定于载物台10，且其转动轴与载物台10上的圆孔动配合，通过靶标盘旋转电机8的转动可将不同图案的靶标11对准到载物台10上的圆形通孔位置，用于检测不同动态、静态指标时的靶标11切换。主离轴非球面反射镜14与次离轴非球面反射镜13的反射面相对，构成二次折叠光路系统，其焦平面位于旋转靶盘的靶标平面位置。通过光源切换导轨3的水平移动切换要用的光源，从光源发射出的光束照射到载物台的圆形通孔，透过圆形通孔处旋转靶标盘9的靶标11后，照射到次离轴非球面反射镜13，经过一次反射后进入主离轴非球面反射镜14，经第二次反射后输出，将通孔处的靶标11变换为无穷远目标，通过控制二维平移台的二维运动实现了目标的任意轨迹运动。

为了保证光学系统的高精度，在有限的体积空间里采用两次折叠的光路来保证光路的长焦距要求，采用反射面为凹面的主离轴非球面反射镜14减少光路中心的盲区面积，从而提高像质和平行度，采用反射面为凸面的次离轴非球面反射镜13将焦距延长，充分利用空间。

为了保证机械运动结构的高精度，采用滚珠螺杆传动方式实现二维平移台机构7的X、Y轴运动，采用预设钢轨设计来保证平移运动的真直度，采用微步进电机来实现单步运动的控制精度。

为了降低主离轴非球面反射镜14的加工成本，舍去了光学方程的高次方，降低主离轴非球面反射镜14的加工难度。采用次离轴非球面反射镜13配对参数设计，弥补由于舍去光学方程的高次方带来的像质损失。

为减轻平行光管装置的重量，主离轴非球面反射镜14采用7075型硬铝（铝镁锌铜合金）材料来加工，具有超高的强度；次离轴非球面反射镜13采用玻璃材料来加工。

本发明的动态目标模拟器是便携式装置，因此，在结构安装上要充分考虑防振、抗冲击要求。为此，光源切换导轨3、二维精密控制平移台7及靶标盘9靶标11的安装位置要严格调试，通过螺钉固定；主离轴非球面反射镜14的铝质镜片和次离轴非球面反射镜13的玻璃镜片均采用实心密闭的构造，都有相应配套的镜片连接座与之相连，镜片连接座采用高强度材料，与所要固定的镜片严格配套，使冲击力、振动力在镜面机体上均匀分布，减轻镜片变形及损坏的可能性。先将镜片与连接座配套固定，然后将带有微调节机构的连接座固定在机壳上，所有安装固定螺丝均进行胶结。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种高精度多波段动态目标模拟器装置，包括底座（12），其特征在于，还包括设置在底座（12）上的光源装置和载物台（10），载物台（10）上设置有靶标盘（9），靶标盘（9）由设置在载物台（10）上的靶标盘旋转电机（8）驱动旋转，靶标盘（9）的沿旋转圆周开设有若干个靶标（11），载物台（10）上开设有圆形孔，光源装置的出射光穿过圆形孔以及旋转至圆形孔位置处的靶标（11）后投射在次离轴非球面反射镜（13），次离轴非球面反射镜（13）将反射光投射在主离轴非球面反射镜（14）上进行二次反射。

2.根据权利要求1所述的一种高精度多波段动态目标模拟器装置，其特征在于，所述的次离轴非球面反射镜（13）的材质为玻璃；所述的主离轴非球面反射镜（14）的材质为硬铝。

3.根据权利要求1所述的一种高精度多波段动态目标模拟器装置，其特征在于，所述的光源装置包括设置在载物台（10）上的光源切换导轨（3），光源切换导轨（3）的滑块上依次设置有可见光光源（1）和红外辐射源（2），还包括驱动滑块往复运动的光源切换电机（4）。

4.根据权利要求1所述的一种高精度多波段动态目标模拟器装置，其特征在于，所述的载物台（10）通过二维平移台机构体（7）设置在底座（12）上。