CN106226759B - 一种跟踪稳定度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种跟踪稳定度测试装置及方法，整个测试装置有目标模拟组件、跟踪稳定度测量组件、运动模拟组件三部分组成。目标模拟组件位于跟踪稳定度测量组件的上方，目标模拟组件中的小口径平行光管与跟踪稳定度测量组件中的长焦距平行光管光轴平行，两者之间在高低方向的距离可根据被测光电跟踪成像设备的需要具体调整。被测光电跟踪成像设备位于运动模拟组件的上方，且被测光电跟踪成像设备位于目标模拟组件和跟踪稳定度测量组件的前方，被测光电跟踪成像设备位于小口径平行光管和长焦距平行光管出口处。本发明可以解决光电跟踪成像设备跟踪稳定度这一关键技术指标的实验室内的测试和评价问题，且具有较高的测量精度。

Description

一种跟踪稳定度测试装置及方法

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，涉及一种在实验室内对光电跟踪成像设备的跟踪稳定度测试的装置和检测方法。

背景技术

光电跟踪成像设备是以光学成像和光电子探测为工作原理，具有目标探测、自动跟踪和动态成像的设备和装置。根据其工作平台可分为：机载光电跟踪成像设备、球载光电跟踪成像设备、舰载光电跟踪成像设备、星载光电跟踪成像设备以及地基光电跟踪成像设备，主要用于飞机、车辆、轮船、星体及其他目标的探测、跟踪及成像。光电跟踪成像设备的探测及成像对象为运动目标，此处的运动目标是被探测及成像的目标相对电跟踪成像设备是运动的，可能有以下几种情况：(1)目标运动，光电跟踪成像设备静止；(2)目标静止，光电跟踪成像设备运动；(3)目标运动，光电跟踪成像设备运动。光电跟踪成像设备旨在获得目标的高分辨率、高清晰度的图像。为了获得目标的高分辨率的图像，光电跟踪成像设备的成像相机通常需要具有较大口径(入瞳直径达到几百到一千毫米)、较长的焦距(焦距达到几米)，为了获得目标的高清晰度的图像，需要光电跟踪成像设备具有较好的跟踪能力，具有较高的跟踪稳定度，减小动态像移对成像清晰度的影响，因此，跟踪稳定度是光电跟踪成像设备最为关键的技术指标。光电跟踪成像设备在研制过程的跟踪参数调试、出厂测试均需要测试跟踪稳定度这一关键性能指标。由于光电跟踪成像设备具有较高的空间分辨力，为减小动态像移的影响，光电跟踪成像设备通常具有较短的曝光时间，曝光时间通常在毫秒量级，为保证成像清晰就要提高光电跟踪成像设备的跟踪能力，以减小像移带来的影响，通常需要将像移控制在0.2像元以内。光电跟踪成像设备的高分辨力特性，通常又赋予其大面帧特性，但受通信及存储资源的约束，一般光电跟踪成像设备的帧频都比较低，一般不超高50Hz。如何测量光电跟踪成像设备在对目标进行动态跟踪成像过程中，在毫秒级曝光时间内的像移，如何解决这个具有高空间分辨力、高时间分辨力、动态测量三重难点的问题，成为科研工作者的一大难题。目前，还没有查到能够在实验室内完成大口径、长焦距光电跟踪成像设备跟踪稳定度测试和评价的设备及方法。

发明内容

为了能够在实验室内完成大口径、长焦距光电跟踪成像设备跟踪稳定度测试和评价，本发明提供一种在实验室内测试光电跟踪成像设备跟踪稳定度的装置及测试方法。

本发明解决技术问题的技术方案是：

本发明提供一种光电跟踪成像设备跟踪稳定度的测试装置，包括目标模拟组件、跟踪稳定度测量组件及运动模拟组件，其特殊之处在于：

所述目标模拟组件包括小口径平行光管1、目标靶或多个目标切换靶轮2、光谱辐射度计5、均匀光源6及多功能计算机7，

所述小口径平行光管1为被测光电跟踪成像设备提供准直光束，其出射光束直径应大于被测光电跟踪成像设备探测相机的入瞳直径，其光谱范围应覆盖被测光电跟踪成像设备探测相机的工作谱段范围；

所述目标靶或目标切换靶轮2置于小口径平行光管1的焦面位置，均匀光源6置于目标靶或目标切换靶轮2的后方均匀照亮目标；光谱辐射度计5的探头位于均匀光源6的出口处，且探头光轴垂直于均匀光源6出口所在平面，实现出口能量的测量；多功能计算机7分别与目标切换靶轮2、光谱辐射度计5、均匀光源6电气连接，用于控制目标切换靶轮实现目标切换、光谱辐射度计5数据的采集及均匀光源6亮度的控制与调节；

所述跟踪稳定度测量组件包括面阵探测器8、长焦距平行光管9、光学平台10及单星模拟器11，

长焦距平行光管9、面阵探测器8、多功能计算机7、光学平台10及单星模拟器11组成一个角度测量系统，长焦距平行光管9位于光学平台10上，面阵探测器8置于长焦距平行光管9的焦面位置，面阵探测器8与多功能计算机7电性连接完成面阵探测器8的积分时间及帧频的设置、信号的采集及分析；单星模拟器11固定在被测光电跟踪成像设备12上，其光轴与被测光电跟踪成像设备成像相机15及探测相机13的光轴平行，单星模拟器11与长焦距平行光管9基本等高；

所述运动模拟组件包括二维速率仿真转台执行机构16、二维速率仿真转台D/A转换卡18、二维速率仿真转台控制箱19及控制计算机22，

被测光电跟踪成像设备12位于二维速率仿真转台执行机构16上方，所述控制计算机依次通过二维速率仿真转台D/A转换卡18、二维速率仿真转台控制箱19与二维速率仿真转台执行机构16连接，实现目标不同运动参数的模拟。

以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还做出以下优化限定。

当被测光电跟踪成像设备工作平台的振动对跟踪稳定度没有影响或影响较小可以忽略时，装置中起工作平台振动模拟功能的部件可以省略，若被测光电跟踪成像设备工作平台的振动对跟踪稳定度有较大影响，则振动模拟功能的部件不能够省略，否则目标运动模拟不真实，影响测试结果的可信度。

基于此，本发明的运动模拟组件还包括振动模拟器执行机构17、振动模拟器D/A转换卡20及振动模拟器控制箱21，振动模拟器执行机构17 16位于二维速率仿真转台执行机构的下方；所述控制计算机22依次通过振动模拟器D/A转换卡20、振动模拟器控制箱21与振动模拟器执行机构17连接，实现光电跟踪成像设备工作平台高频及低频振动的模拟。

进一步的，本发明测试装置还包括与多功能计算机连接的滤光片切换靶轮3，所述滤光片切换靶轮3置于目标切换靶轮2的后方，并位于均匀光源6的前方，所述滤光片切换靶轮3主要实现目标光谱特性的模拟，能够安装多个带通滤光片，能够通过计算机控制实现不同滤光片之间的切换。

再进一步的，本发明的测试装置还包括与多功能计算机连接的密度片切换靶轮4，密度片切换靶轮4置于滤光片切换靶轮3的后方或目标切换靶轮2的后方，并位于均匀光源6的前方，主要实现目标能量的模拟，能够安装多个均匀密度滤光片，能够通过计算机控制实现不同均匀密度滤光片之间的切换。

基于上述的装置对光电跟踪成像设备跟踪稳定度的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将单星模拟器固定在被测光电跟踪成像设备上，并使单星模拟器光轴与被测光电跟踪成像设备12的探测相机13的光轴平行；

(2)将被测光电跟踪成像设备固定在二维速率仿真转台执行机构16上，此时单星模拟器11的中心与长焦距平行光管的中心等高，通过调整工装使被测光电跟踪成像设备的方位旋转轴与二维速率仿真转台执行机构16的方位旋转轴同轴；

(3)通过调整小口径平行光管1与长焦距平行光管9之间的垂直距离，使小口径平行光管1的中心与被测光电跟踪成像设备12的探测相机13的中心等高；长焦距平行光管9的焦距应满足公式(1)，

式中，f₉为长焦距平行光管9的焦距；d为面阵探测器8的像元尺寸；f_p为面阵探测器8的帧频；ω为被测光电跟踪成像设备12的跟踪稳定度的估计值；k₁为跟踪稳定度测量精度相关的系数，一般k₁≥3；

(4)对二维速率仿真转台执行机构16调平，使二维速率仿真转台执行机构能够自由停止在任何一个位置；

(5)根据被成像目标的几何尺寸及距离，按公式(2)计算需要的目标靶板，驱动目标切换靶轮2使合适的目标板位于小口径平行光管焦面；

式中，x′为需要的目标板尺寸；x为被成像目标的实际尺寸；f₁为小平行光管的焦距；L为被成像目标的距离；

(6)根据被测目标的光谱特性，通过驱动滤光片切换靶轮3选择合适的干涉型带通滤光片，使小口径平行光管1发出的模拟目标的光谱与被测目标的光谱一致；

(7)通过调整均匀光源的亮度和密度片切换靶轮4，使小口径平行光管1发出的模拟目标的能量与被测目标的能量一致；能量一致是指模拟目标与被测目标的在被测光电跟踪成像设备12的探测相机13入瞳处的有效辐照度值相等；模拟目标在被测光电跟踪成像设备探测相机入瞳处的有效辐照度值的计算见公式(3)：

式中，E为探测相机入瞳处的有效辐照度值；D为选取目标的等效直径；f₁为小口径平行光管的焦距；L(λ)为光谱辐射度计测量积分球光源出光口处的光谱辐亮度值；τ₁(λ)为小口径平行光管的光谱透过率；τ₃(λ)为干涉型带通滤光片的光谱透过率；τ₄(λ)为密度片的光谱透过率，λ₁被测光电跟踪成像设备的探测相机工作谱段的起始波长，λ₂被测光电跟踪成像设备的探测相机工作谱段的截止波长；

(8)通过控制计算机22输入被测光电跟踪成像设备工作平台振动功率谱，功率谱密度经过振动模拟器D/A转换卡20、振动模拟器控制箱21驱动振动模拟器17振动，以完成被测设备工作平台的振动模拟，或通过控制计算机22输入振动的时域参数，模拟特定频率的平台振动，通过测试各频率振动条件下被测设备的跟踪稳定度，考核被测光电跟踪成像设备对不同振动频率的抑制能力；

(9)根据被测目标相对光电跟踪成像设备的视向运动角速度、视向运动角加速度，在控制计算机22输入控制参数，经过二维速率仿真转台D/A转换卡18、二维速率仿真转台控制箱19后驱动二维速率仿真转台执行机构16做二维转动，以完成被测目标相对光电跟踪成像设备视向运动的模拟，或通过控制计算机22输入运动的时域参数，模拟特定频率的正弦振动，通过测试各频率正弦运动条件下被测设备的跟踪稳定度，考核被测光电跟踪成像设备对不同频率运动的跟踪能力；

(10)在振动模拟器17、二维速率仿真转台执行机构16按设定参数工作的同时，被测光电跟踪成像设备对小口径平行光管模拟目标进行自动跟踪，单星模拟器11开机工作，长焦距平行光管9对单星模拟器目标进行成像；

按公式(4)计算面阵探测器8的帧频，并进行帧频设置，面阵探测器8对信号接收转换，经多功能计算机7采集与分析，完成被测光电跟踪成像设备跟踪稳定度的精确测试与评价，

式中，f_p为面阵探测器8的帧频；τ_int为被测光电跟踪成像设备成像相机的积分时间；k₂为采样率裕度相关的系数，一般k₂＞2。

为了获得连续的测量数据，按公式(5)计算面阵探测器的分辨率，

N1＝Δθ·f₉/d (5)

式中，N1为面阵探测器8的行和列分辨率；Δθ为被测光电跟踪成像设备的跟踪误差；f₉为长焦距平行光管9的焦距；d为面阵探测器8的像元尺寸。

步骤10)中被测光电跟踪成像设备跟踪稳定度按公式(6)和(7)计算，

式中，Δω_i,i+1为第i帧图像到第i+1帧图像时间段内跟踪稳定度；(X_i,Y_i)，(X_i+1,Y_i+1)分别为目标在第i帧图像、第i+1帧图像上的成像位置；d为面阵探测器8的像元尺寸；f₉为长焦距平行光管9的焦距；f_p为面阵探测器8的帧频；

式中，Δω为被测光电跟踪成像设备在一个周期内跟踪稳定度；N为一个周期内的数据总数。

本发明具有以下积极效果：

(1)本发明可以解决光电跟踪成像设备(尤其是大口径高分辨率光电跟踪成像设备)跟踪稳定度这一关键技术指标的实验室内的测试和评价问题，且具有较高的测量精度。

(2)对被探测目标的几何、能量、光谱特性进行了精确模拟，提高了目标特性的模拟精度，提高了跟踪稳定度的测试结果的可信度。

(3)采用模拟目标固定不动，被测光电跟踪成像设备基座转动的方法模拟了目标与被测设备之间的相对视向运动，克服了大口径长焦距平行光管运动困难及运动后像质难以保证的问题。

(4)完成了光电跟踪成像设备工作平台的振动模拟，不仅可以模拟高频振动还可以模拟低频振动，较真实的模拟了被测设备工作条件下的振动环境，可提高测试结果的可信度。

(5)可根据被测光电跟踪成像设备工作平台的振动的功率谱密度，驱动振动模拟器执行机构完成振动的精确模拟，进而完成跟踪稳定度的测试。也可以在时域内设置振动的幅值和频率，驱动振动模拟器执行机构完成特定振动环境的模拟，考核被测光电跟踪成像设备对特定振动的抑制和适应能力。

(6)用大口径长焦距平行光管作为光信号接受装置，解决了跟踪稳定度的测量精度不足的问题。

(7)用面阵高帧频探测器实现信号的转换，解决了跟踪稳定度测试对时间分辨率的超高要求。

(8)通过在被测设备上固定单星模拟器，完成了被测光电跟踪成像设备转动角度精确传递。

附图说明

图1光电跟踪成像设备跟踪稳定度测试装置组成及布局图。

其中附图标记为，1-小口径平行光管，2-目标切换靶轮，3-滤光片切换靶轮，4-密度片切换靶轮，5-光谱辐射度计，6-均匀光源，7-多功能计算机，8-面阵探测器，9-长焦距平行光管，10-光学平台，11-单星模拟器，12-被测光电跟踪成像设备，13-探测相机，14-二维跟踪执行机构，15-成像相机，16-二维速率仿真转台执行机构，17-振动模拟器执行机构，18-二维速率仿真转台D/A转换卡，19-二维速率仿真转台控制箱，20-振动模拟器D/A转换卡，21-振动模拟器控制箱，22是控制计算机。

具体实施方式

对于机载、球载、舰载、星载光电跟踪成像设备而言，工作平台振动将引起探测相机及成像相机视轴的抖动，影响光电跟踪成像设备对目标的跟踪精度、跟踪稳定度及成像清晰度。为了在实验室内精确评价光电跟踪成像设备的跟踪稳定度，给出其在外场的具体性能，在设计测试装置时需要考虑目标几何特性、能量特性及光谱特性、目标运动参数、光电跟踪成像设备工作平台的振动、光电跟踪成像设备的空间分辨力、光电跟踪成像设备的曝光时间、光电跟踪成像设备的跟踪精度等影响光电跟踪成像设备跟踪稳定度测试结果的因素。为了对光电跟踪成像设备跟踪稳定度进行检测，不仅需要完成运动目标的模拟，而且还需要具有以下功能：(1)无穷远目标模拟；(2)模拟目标的光束直径大于探测相机的入瞳直径，不会因跟踪误差影响获得的目标信号强度；(3)模拟光电跟踪成像设备工作平台的振动，在较真实振动环境下评价被测设备的性能；(4)模拟目标的视向运动角速度及角加速度，评价不同运动参数条件下，光电跟踪成像设备的跟踪稳定度；(5)模拟目标的几何特性；(6)模拟目标的能量特性；(7)模拟目标的光谱特性；(8)根据被测光电跟踪成像设备的空间分辨力，合理确定测量设备的分辨力，确保测量精度满足要求；(9)根据被测光电跟踪成像设备的曝光时间，合理确定测量设备的测量频率，确保测量的时间分辨力满足要求；(10)根据被测光电跟踪成像设备的跟踪精度，合理确定测量设备的视场角，保证测量量程满足要求。

如图1所示，整个测试装置有目标模拟组件、跟踪稳定度测量组件、运动模拟组件三部分组成。目标模拟组件位于跟踪稳定度测量组件的上方，目标模拟组件中的小口径平行光管与跟踪稳定度测量组件中的长焦距平行光管光轴平行，两者之间在高低方向的距离可根据被测光电跟踪成像设备的需要具体调整。被测光电跟踪成像设备位于运动模拟组件的上方，且被测光电跟踪成像设备位于目标模拟组件和跟踪稳定度测量组件的前方，被测光电跟踪成像设备位于小口径平行光管和长焦距平行光管出口处。

目标模拟组件的主要功能是实现无穷远目标的形状、等效尺寸、能量、光谱的高精度模拟，为被测光电跟踪成像设备提供跟踪及成像目标。跟踪稳定度测量组件的主要功能是实现被测光电跟踪成像设备跟踪稳定度的高精度高时间分辨率的测量。

目标模拟组件由小口径平行光管1、目标切换靶轮2、滤光片切换靶轮3、密度片切换靶轮4、光谱辐射度计5、均匀光源6、多功能计算机7组成。小口径平行光管1、目标切换靶轮2、滤光片切换靶轮3、密度片切换靶轮4、光谱辐射度计5、均匀光源6、多功能计算机7构成了一个目标模拟器，可以模拟具有不同几何形状、不同光谱特性、不同辐射强度的无穷远目标。

小口径平行光管1为被测光电跟踪成像设备提供准直光束，其出射光束直径应大于被测光电跟踪成像设备探测相机的入瞳直径，其光谱范围应覆盖被测光电跟踪成像设备探测相机的工作谱段范围。目标切换靶轮2主要实现不同目标之间的自动切换，能够安装多个目标，能够通过计算机控制实现不同目标之间的切换。滤光片切换靶轮3主要实现目标光谱特性的模拟，能够安装多个带通滤光片，能够通过计算机控制实现不同滤光片之间的切换。密度片切换靶轮4主要实现目标能量的模拟，能够安装多个均匀密度滤光片，能够通过计算机控制实现不同均匀密度滤光片之间的切换。光谱辐射度计5主要实现积分球出口能量的测量。均匀光源6主要提供具有高面均匀性、高角均匀性的辐射源，均匀照亮目标。多功能计算机7主要实现目标切换靶轮2、滤光片切换靶轮3、密度片切换靶轮4的控制，实现光谱辐射度计5数据的采集、均匀光源6亮度的控制与调节。

目标切换靶轮2置于小口径平行光管1的焦面位置，滤光片切换靶轮3置于目标切换靶轮2的后方，密度片切换靶轮4置于滤光片切换靶轮3的后方，均匀光源6置于密度片切换靶轮4的后方，光谱辐射度计5的探头位于均匀光源6的出口处，且探头光轴垂直于均匀光源6出口所在平面，多功能计算机7分别与目标切换靶轮2、滤光片切换靶轮3、密度片切换靶轮4、光谱辐射度计5、均匀光源6电气连接。目标切换靶轮2、滤光片切换靶轮3、密度片切换靶轮4可以根据具体需要选择其中的一个或多个，或仅用一个目标靶。

运动模拟组件的主要功能是产生模拟目标与被测光电跟踪成像设备的相对运动，并模拟被测光电跟踪成像设备工作平台的振动。

跟踪稳定度测量组件由多功能计算机7、面阵探测器8、长焦距平行光管9、光学平台10、单星模拟器11组成。

长焦距平行光管9、面阵探测器8、多功能计算机7、光学平台10、单星模拟器11组成一个高精度的角度测量系统。长焦距平行光管9位于光学平台10上，面阵探测器8置于长焦距平行光管9的焦面位置，面阵探测器8与多功能计算机7电性连接。

面阵探测器8是一个大面阵，高帧频的成像器件，与长焦距平行光管9一起实现高精度的角度测量。

多功能计算机7完成面阵探测器8的积分时间及帧频的设置，完成其信号的采集及分析。

单星模拟器11固定在被测光电跟踪成像设备12上，其光轴与被测光电跟踪成像设备成像相机15及探测相机13的光轴平行，单星模拟器11与长焦距平行光管9基本等高，被测光电跟踪成像设备探测相机13与小口径平行光管1基本等高。

单星模拟器11是一个无穷远目标模拟器，模拟目标方向沿其光轴方向，且平行于被测光电跟踪成像设备探测相机13的光轴。

运动模拟组件由二维速率仿真转台执行机构16、振动模拟器执行机构17、二维速率仿真转台D/A转换卡18、二维速率仿真转台控制箱19、振动模拟器D/A转换卡20、振动模拟器控制箱21、控制计算机22组成。被测光电跟踪成像设备12位于二维速率仿真转台执行机构16上方，二维速率仿真转台执行机构16位于振动模拟器执行机构17的上方。二维速率仿真转台D/A转换卡18、二维速率仿真转台控制箱19与二维速率仿真转台执行机构16连接，与控制计算机22一起完成二维速率仿真转台执行机构16的控制，实现目标不同运动参数的模拟。振动模拟器D/A转换卡20、振动模拟器控制箱21与振动模拟器执行机构17连接，与控制计算机22一起完成振动模拟器执行机构17的控制，实现光电跟踪成像设备工作平台高频及低频振动的模拟。

通过在控制计算机22设置不同的控制参数，可以控制二维速率仿真转台执行机构的做匀速、均加速、正弦等运动，运动角速度、角加速度、正弦运动的频率可设置，用于模拟目标的不同运动状态。

通过在控制计算机22设置不同的控制参数，可以控制振动模拟器执行机构17做不同幅值和频率的振动，通过控制计算机22生成不同的功率谱也可直接设置时域中的运动参数，驱动振动模拟器执行机构做不同幅值、不同频率的振动，以模拟不同工作平台的振动，可以模拟平台的高频振动也可以模拟平台的低频振动。

被测光电跟踪成像设备12由探测相机13、二维跟踪执行机构14、成像相机15组成。

基于本发明的装置对光电跟踪成像设备跟踪稳定度的测试方法及步骤为:

(1)将单星模拟器固定在被测光电跟踪成像设备上，并使单星模拟器光轴与被测光电跟踪成像设备12的探测相机13的光轴平行。

(2)将被测光电跟踪成像设备通过专用工装固定在二维速率仿真转台执行机构16上，此时单星模拟器11的中心与长焦距平行光管的中心等高，通过调整工装使被测光电跟踪成像设备的方位旋转轴与二维速率仿真转台执行机构16的方位旋转轴同轴。

(3)通过调整小口径平行光管1与长焦距平行光管9之间的垂直距离，使小口径平行光管1的中心与被测光电跟踪成像设备12的探测相机13的中心等高。长焦距平行光管9的焦距应满足公式(1)。

式中，f₉为长焦距平行光管9的焦距；d为面阵探测器8的像元尺寸；f_p为为面阵探测器8的帧频；ω为被测光电跟踪成像设备12的跟踪稳定度的估计值；k₁为跟踪稳定度测量精度相关的系数，一般k₁≥3。

(4)通过在二维速率仿真转台执行机构16上添加配重块，使其达到平衡，二维速率仿真转台执行机构能够自由停止在任何一个位置。

(5)根据被成像目标的几何尺寸及距离，按公式(2)计算需要的目标靶板，驱动目标切换靶轮2使合适的目标板位于小口径平行光管焦面。

式中，x′为需要的目标板尺寸；x为被成像目标的实际尺寸；f₁为小平行光管的焦距；L为被成像目标的距离。

(6)根据被测目标的光谱特性，通过驱动滤光片切换靶轮3选择合适的干涉型带通滤光片，使小口径平行光管1发出的模拟目标的光谱与被测目标的光谱一致。

(7)通过调整积分球的亮度和密度片切换靶轮4，使小口径平行光管1发出的模拟目标的能量与被测目标的能量一致。需要说明的是：这里的能量一致是指模拟目标与被测目标的在被测光电跟踪成像设备12的探测相机13入瞳处的有效辐照度值相等。模拟目标在被测光电跟踪成像设备探测相机入瞳处的有效辐照度值的计算见公式(3)。

式中，E为探测相机入瞳处的有效辐照度值；D为选取目标的等效直径；f₁为小口径平行光管的焦距；L(λ)为光谱辐射度计测量积分球光源出光口处的光谱辐亮度值；τ₁(λ)为小口径平行光管的光谱透过率；τ₃(λ)为干涉型带通滤光片的光谱透过率；τ₄(λ)为密度片的光谱透过率，λ₁被测光电跟踪成像设备的探测相机工作谱段的起始波长，λ₂被测光电跟踪成像设备的探测相机工作谱段的截止波长。

(8)通过控制计算机22输入被测光电跟踪成像设备工作平台振动功率谱，功率谱密度经过振动模拟器D/A转换卡20、振动模拟器控制箱21驱动振动模拟器17振动，以完成被测设备工作平台的振动模拟。也可以通过控制计算机22输入振动的时域参数，如振动的幅值、频率，模拟特定频率的平台振动，通过测试各频率振动条件下被测设备的跟踪稳定度，考核被测光电跟踪成像设备对不同振动频率的抑制能力。

(9)根据被测目标相对光电跟踪成像设备的视向运动角速度、视向运动角加速度，在控制计算机22输入控制参数，经过二维速率仿真转台D/A转换卡18、二维速率仿真转台控制箱19后驱动二维速率仿真转台执行机构16做二维转动，以完成被测目标相对光电跟踪成像设备视向运动的模拟。也可以通过控制计算机22输入运动的时域参数，如振动的幅值、频率，模拟特定频率的正弦振动，通过测试各频率正弦运动条件下被测设备的跟踪稳定度，考核被测光电跟踪成像设备对不同频率运动的跟踪能力。

(10)在振动模拟器17、二维速率仿真转台执行机构16按设定参数工作的同时，被测光电跟踪成像设备对小口径平行光管模拟目标进行自动跟踪，单星模拟器11开机工作，长焦距平行光管9对单星模拟器目标进行成像。按公式(4)计算面阵探测器8的帧频，并进行帧频设置，面阵探测器8对信号接收转换，经多功能计算机7采集与分析，完成被测光电跟踪成像设备跟踪稳定度的精确测试与评价。为了获得连续的测量数据，按公式(5)计算面阵探测器的分辨率。

式中，f_p为面阵探测器8的帧频；τ_int为被测光电跟踪成像设备成像相机的积分时间；k₂为采样率裕度相关的系数，一般k₂＞2。

假设被测光电跟踪成像设备的跟踪稳定度估计值为0.15°/s，跟踪精度为0.1°，成像相机的曝光时间为1ms，帧频为10Hz，像元尺寸为10μm×10μm。

则面阵探测器的帧频至少为：

取面阵探测器的帧频为2000帧/秒。

需要长焦距平行光管的焦距为：

需要的面阵探测器的分辨率为：

N1＝Δθ·f₉/d＝0.1·π/180·22.9·1000/0.01＝3996.8，即需要面阵探测器的分辨率为4000×4000。

(11)按公式(6)和(7)计算被测光电跟踪成像设备跟踪稳定度。

式中，Δω_i,i+1为第i帧图像到第i+1帧图像时间段内跟踪稳定度；(X_i,Y_i)，(X_i+1,Y_i+1)分别为目标在第i帧图像、第i+1帧图像上的成像位置；d为面阵探测器8的像元尺寸；f₉为长焦距平行光管9的焦距；f_p为面阵探测器8的帧频。

式中，Δω为被测光电跟踪成像设备在一个周期内跟踪稳定度；N为一个周期内的数据总数。

Claims (7)

1.光电跟踪成像设备跟踪稳定度的测试装置，包括目标模拟组件、跟踪稳定度测量组件及运动模拟组件，其特征在于：

所述目标模拟组件包括小口径平行光管(1)、目标靶或多个目标切换靶轮(2)、光谱辐射度计(5)、均匀光源(6)及多功能计算机(7)，

所述小口径平行光管(1)为被测光电跟踪成像设备提供准直光束，其出射光束直径应大于被测光电跟踪成像设备探测相机的入瞳直径，其光谱范围应覆盖被测光电跟踪成像设备探测相机的工作谱段范围；

所述目标靶或目标切换靶轮(2)置于小口径平行光管(1)的焦面位置，均匀光源(6)置于目标靶或目标切换靶轮(2)的后方均匀照亮目标；光谱辐射度计(5)的探头位于均匀光源(6)的出口处，且探头光轴垂直于均匀光源(6)出口所在平面，实现出口能量的测量；多功能计算机(7)分别与目标切换靶轮(2)、光谱辐射度计(5)、均匀光源(6)电气连接，用于控制目标切换靶轮实现目标切换、光谱辐射度计(5)数据的采集及均匀光源(6)亮度的控制与调节；

所述跟踪稳定度测量组件包括面阵探测器(8)、长焦距平行光管(9)、光学平台(10)及单星模拟器(11)，

长焦距平行光管(9)、面阵探测器(8)、多功能计算机(7)、光学平台(10)及单星模拟器(11)组成一个角度测量系统，长焦距平行光管(9)位于光学平台(10)上，面阵探测器(8)置于长焦距平行光管(9)的焦面位置，面阵探测器(8)与多功能计算机(7)电性连接完成面阵探测器(8)的积分时间及帧频的设置、信号的采集及分析；单星模拟器(11)固定在被测光电跟踪成像设备(12)上，其光轴与被测光电跟踪成像设备成像相机(15)及探测相机(13)的光轴平行，单星模拟器(11)与长焦距平行光管(9)基本等高；

所述运动模拟组件包括二维速率仿真转台执行机构(16)、二维速率仿真转台D/A转换卡(18)、二维速率仿真转台控制箱(19)及控制计算机(22)，

被测光电跟踪成像设备(12)位于二维速率仿真转台执行机构(16)上方，所述控制计算机依次通过二维速率仿真转台D/A转换卡(18)、二维速率仿真转台控制箱(19)与二维速率仿真转台执行机构(16)连接，实现目标不同运动参数的模拟。

2.根据权利要求1所述的光电跟踪成像设备跟踪稳定度的测试装置，其特征在于：

所述运动模拟组件还包括振动模拟器执行机构(17)、振动模拟器D/A转换卡(20)及振动模拟器控制箱(21)，

二维速率仿真转台执行机构(16)位于振动模拟器执行机构(17)的上方；所述控制计算机(22)依次通过振动模拟器D/A转换卡(20)、振动模拟器控制箱(21)与振动模拟器执行机构(17)连接，实现光电跟踪成像设备工作平台高频及低频振动的模拟。

3.根据权利要求2所述的光电跟踪成像设备跟踪稳定度的测试装置，其特征在于：

所述测试装置还包括与多功能计算机连接的滤光片切换靶轮(3)，所述滤光片切换靶轮(3)置于目标切换靶轮(2)的后方，并位于均匀光源(6)的前方，所述滤光片切换靶轮(3)主要实现目标光谱特性的模拟，能够安装多个带通滤光片，能够通过计算机控制实现不同滤光片之间的切换。

4.根据权利要求1或2或3所述的光电跟踪成像设备跟踪稳定度的测试装置，其特征在于：

所述测试装置还包括与多功能计算机连接的密度片切换靶轮(4)，密度片切换靶轮(4)置于滤光片切换靶轮(3)的后方或目标切换靶轮(2)的后方，并位于均匀光源(6)的前方，主要实现目标能量的模拟，能够安装多个均匀密度滤光片，能够通过计算机控制实现不同均匀密度滤光片之间的切换。

5.基于权利要求4所述的装置对光电跟踪成像设备跟踪稳定度的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将单星模拟器固定在被测光电跟踪成像设备上，并使单星模拟器光轴与被测光电跟踪成像设备(12)的探测相机(13)的光轴平行；

(2)将被测光电跟踪成像设备固定在二维速率仿真转台执行机构(16)上，此时单星模拟器(11)的中心与长焦距平行光管的中心等高，通过调整工装使被测光电跟踪成像设备的方位旋转轴与二维速率仿真转台执行机构(16)的方位旋转轴同轴；

(3)通过调整小口径平行光管(1)与长焦距平行光管(9)之间的垂直距离，使小口径平行光管(1)的中心与被测光电跟踪成像设备(12)的探测相机(13)的中心等高；长焦距平行光管(9)的焦距应满足公式(1)，

式中，f₉为长焦距平行光管(9)的焦距；d为面阵探测器(8)的像元尺寸；f_p为面阵探测器(8)的帧频；ω为被测光电跟踪成像设备(12)的跟踪稳定度的估计值；k₁为跟踪稳定度测量精度相关的系数，k₁≥3；

(4)对二维速率仿真转台执行机构(16)调平，使二维速率仿真转台执行机构能够自由停止在任何一个位置；

(5)根据被成像目标的几何尺寸及距离，按公式(2)计算需要的目标靶板，驱动目标切换靶轮(2)使合适的目标板位于小口径平行光管焦面；

式中，x′为需要的目标板尺寸；x为被成像目标的实际尺寸；f₁为小平行光管的焦距；L为被成像目标的距离；

(6)根据被测目标的光谱特性，通过驱动滤光片切换靶轮(3)选择合适的干涉型带通滤光片，使小口径平行光管(1)发出的模拟目标的光谱与被测目标的光谱一致；

(7)通过调整均匀光源的亮度和密度片切换靶轮(4)，使小口径平行光管(1)发出的模拟目标的能量与被测目标的能量一致；能量一致是指模拟目标与被测目标的在被测光电跟踪成像设备(12)的探测相机(13)入瞳处的有效辐照度值相等；模拟目标在被测光电跟踪成像设备探测相机入瞳处的有效辐照度值的计算见公式(3)：

式中，E为探测相机入瞳处的有效辐照度值；D为选取目标的等效直径；f₁为小口径平行光管的焦距；L(λ)为光谱辐射度计测量积分球光源出光口处的光谱辐亮度值；τ₁(λ)为小口径平行光管的光谱透过率；τ₃(λ)为干涉型带通滤光片的光谱透过率；τ₄(λ)为密度片的光谱透过率，λ₁被测光电跟踪成像设备的探测相机工作谱段的起始波长，λ₂被测光电跟踪成像设备的探测相机工作谱段的截止波长；

(8)通过控制计算机(22)输入被测光电跟踪成像设备工作平台振动功率谱，功率谱密度经过振动模拟器D/A转换卡(20)、振动模拟器控制箱(21)驱动振动模拟器(17)振动，以完成被测设备工作平台的振动模拟，或通过控制计算机(22)输入振动的时域参数，模拟特定频率的平台振动，通过测试各频率振动条件下被测设备的跟踪稳定度，考核被测光电跟踪成像设备对不同振动频率的抑制能力；

(9)根据被测目标相对光电跟踪成像设备的视向运动角速度、视向运动角加速度，在控制计算机(22)输入控制参数，经过二维速率仿真转台D/A转换卡(18)、二维速率仿真转台控制箱(19)后驱动二维速率仿真转台执行机构(16)做二维转动，以完成被测目标相对光电跟踪成像设备视向运动的模拟，或通过控制计算机(22)输入运动的时域参数，模拟特定频率的正弦振动，通过测试各频率正弦运动条件下被测设备的跟踪稳定度，考核被测光电跟踪成像设备对不同频率运动的跟踪能力；

(10)在振动模拟器(17)、二维速率仿真转台执行机构(16)按设定参数工作的同时，被测光电跟踪成像设备对小口径平行光管模拟目标进行自动跟踪，单星模拟器(11)开机工作，长焦距平行光管(9)对单星模拟器目标进行成像；

按公式(4)计算面阵探测器(8)的帧频，并进行帧频设置，面阵探测器(8)对信号接收转换，经多功能计算机(7)采集与分析，完成被测光电跟踪成像设备跟踪稳定度的精确测试与评价，

式中，f_p为面阵探测器(8)的帧频；τ_int为被测光电跟踪成像设备成像相机的积分时间；k₂为采样率裕度相关的系数，k₂＞2。

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

为了获得连续的测量数据，按公式(5)计算面阵探测器的分辨率，

N1＝Δθ·f₉/d (5)

式中，N1为面阵探测器(8)的行和列分辨率；Δθ为被测光电跟踪成像设备的跟踪误差；f₉为长焦距平行光管(9)的焦距；d为面阵探测器(8)的像元尺寸。

7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤10)中被测光电跟踪成像设备跟踪稳定度按公式(6)和(7)计算，

式中，Δω_i,i+1为第i帧图像到第i+1帧图像时间段内跟踪稳定度；(X_i,Y_i)，(X_i+1,Y_i+1)分别为目标在第i帧图像、第i+1帧图像上的成像位置；d为面阵探测器(8)的像元尺寸；f₉为长焦距平行光管(9)的焦距；f_p为面阵探测器(8)的帧频；

式中，Δω为被测光电跟踪成像设备在一个周期内跟踪稳定度；N为一个周期内的数据总数。