CN108106494B - 一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统 - Google Patents
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Abstract
一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，属于红外目标仿真领域。解决了现有探测系统中冷光阑辐射的冷光线，在探测面上所呈现的光斑(鬼像)覆盖目标物像，影响探测系统探测精度的问题。本发明所述目标模拟系统，用于生成目标位置无穷远的仿真目标，还用于使红外目标探测器中的冷光阑辐射的冷光线经目标源反射后原路返回，在红外目标探测器的探测面上形成放大光斑，且使目标物像以放大光斑为背景成像于探测面上，以消除鬼像对目标物像的影响；目标源包括干扰目标源和待测目标源；红外仿真目标的形成过程为：由干扰目标源和待测目标源采用像方远心光路耦合后，又进行扩束，从而生成目标位置无穷远的红外仿真目标。主要用于生成红外仿真目标。
Description
技术领域
本发明属于红外目标仿真领域。
背景技术
红外目标仿真系统是半实物目标仿真系统中的重要组成部分，红外目标仿真是军事和民用领域中都不可缺少的环节。由于实物目标仿真所需试验经费昂贵，同时便捷性较差，半实物目标仿真成为了各国研究的主流领域，具有重大的意义。
红外目标与可见光目标不同，在仿真过程中对整个系统的热力学环境要求较高，红外目标的识别与定位、追踪在军事和民用领域都具有重要的研究意义。为使红外目标的模拟可以通过更经济、高效的方法实现，同时便于控制目标特性，更有效地完成实验任务，就必须研制相应的模拟系统，因此红外目标模拟系统的研制是必要的。
中波红外目标模拟系统主要通过与红外热像仪等探测设备的匹配来实现半实物仿真过程，具体可以通过对红外目标特性的调整实现目标外形、辐射特性、运动特性等参数的模拟；以及实现对红外目标的仿真、测量、探测、追踪。
为实现红外目标的半实物仿真，同时保证所仿真的目标与实际目标尽量保证相似，既要合理地耦合目标与干扰辐射源，考虑整体系统的成像质量，完成系统各部分的瞳孔匹配，由于红外系统的特殊性，还需要尽量减少系统中的杂散光、避免鬼像的影响，探测设备中用于消除系统杂散光的冷光阑容易在系统中产生鬼像，需要考虑如何避免。同时，在半实物仿真过程中，探测器与目标模拟系统之间存在相对运动，为避免碰撞，红外目标模拟系统的出瞳距需要足够大。
现有技术中的目标模拟器系统：目的是由景象生成器产生目标，将目标经过目标模拟器系统投影，再由导引头(或热像仪)等装置接收，成像到CCD上，从而实现对于目标图像的从产生到接收的过程模拟。但是在传统目标模拟器采用普通结构的物镜，且冷光栅辐射的冷光线在经过电阻阵反射后，不会沿原光路返回，反射的冷光线将会直接成像在探测器CCD上，形成一个亮斑(即：鬼像)，该亮斑小于目标物像，且与探测器CCD上的目标物像叠加，影响目标判断。
上述过程中产生的系统冷反射问题，是指制冷的探测器的冷光阑自身发射出的冷光线，被探测器前端红外光学系统中透镜的表面反射回来，并重新聚焦在光敏面上，导致其探测到自身冷像的一种成像缺陷。整个系统的冷反射是由于冷光阑和周围环境的温度不同，冷光线在光学系统中被光学表面反射到探测器像面上会产生冷像。
发明内容
本发明为了解决探测系统中冷光阑辐射的冷光线，在探测面上所呈现的光斑(鬼像)覆盖目标物像，影响探测系统探测精度的问题，本发明提供了一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统。
一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，该目标模拟系统，用于生成目标位置无穷远的红外仿真目标，还用于使红外目标探测器中的冷光阑辐射的冷光线经目标源反射后原路返回，在红外目标探测器的探测面上形成放大光斑，且使目标物像以放大光斑为背景成像于探测面上，以消除鬼像对目标物像的影响；
其中，目标源包括干扰目标源和待测目标源；
红外仿真目标的形成过程为：由干扰目标源和待测目标源采用像方远心光路耦合后，又进行扩束，从而生成目标位置无穷远的红外仿真目标。
优选的是，该目标模拟系统包括无焦扩束系统、目标准直物镜、干扰准直物镜、两个红外发射电阻阵模块和耦合平板；
其中，一个红外发射电阻阵模块作为干扰目标源，另一个红外发射电阻阵模块作为待测目标源；
所述目标模拟系统，用于生成目标位置无穷远的红外仿真目标的具体过程为：干扰目标源发射的红外光经干扰准直物镜透射后，入射到耦合平板，并在其表面发生反射；
待测目标源发射的红外光经目标准直物镜透射后，入射到耦合平板，并与在耦合平板上发生反射的红外光进行耦合，耦合后的红外光经无焦扩束系统扩束后，生成目标位置无穷远的红外仿真目标。
优选的是，所述目标模拟系统，还用于使红外目标探测器中的冷光阑辐射的冷光线经目标源反射后原路返回，在红外目标探测器的探测面上形成放大光斑，且使目标物像以放大光斑为背景成像于探测面上，以消除鬼像对目标物像的影响的具体过程为：
冷光阑辐射的冷光线经无焦扩束系统集中透射后，入射至耦合平板后，分成两路，其中，
一路冷光线经耦合平板反射后，又经干扰准直物镜透射后，出射平行光至干扰目标源，经干扰目标源反射后，沿原光路返回至耦合平板；
一路冷光线经耦合平板透射后，又经目标准直物镜透射，出射平行光至待测目标源，经待测目标源反射后，沿原光路返回至耦合平板；
沿原光路返回至耦合平板的两路冷光线，在耦合平板上进行耦合，耦合后的冷光线经无焦扩束系统扩束后，生成目标位置无穷远的冷光阑干扰目标，冷光阑干扰目标又依次经红外目标探测器中的探测透镜、冷光阑和探测面后，在探测面上形成放大光斑，使目标物像以放大光斑为背景成像于探测面上，以消除鬼像对目标物像的影响。
优选的是，目标物像形成的具体过程为：
红外仿真目标依次经过红外目标探测器中探测透镜、冷光阑和探测面后，在探测面上形成的目标物像。
优选的是，红外目标探测器采用红外热像仪实现。
优选的是，干扰准直物镜包括依次排列的1号至4号干扰透镜，且4号干扰透镜紧邻干扰目标源，
1号干扰透镜、2号干扰透镜和4号干扰透镜的材料均为锗，3号干扰透镜的材料为硅。
优选的是，目标准直物镜包括依次排列的1至4号目标透镜，且4号目标透镜紧邻待测目标源，
1号目标透镜、2号目标透镜和4号目标透镜的材料均为锗，3号目标透镜的材料为硅。
优选的是，无焦扩束系统包括依次排列的1至5号扩束透镜，且5号扩束透镜紧邻耦合平板；
1号扩束透镜和4号扩束透镜的材料均为硅；
3号扩束透镜、2号扩束透镜和5号扩束透镜的材料均为硅锗。
优选的是，干扰准直物镜和目标准直物镜通过耦合平板，将干扰目标源和待测目标源耦合到无焦扩束系统中，使得目标模拟系统的出瞳距为1032mm。
优选的是，耦合平板的材料为锗。
本发明带来的有益效果是，本发明的采用了采用像方远心光路的光学结构进行设计，这种结构的特点在于前组光学系统的一次像面位于物镜的物方焦面上，经物镜成像到无穷远处。红外目标探测器中的冷光阑辐射的冷光线经目标源反射后，沿原光路返回，最终冷反射光线会成像到探测面上，在该探测面上形成的光斑覆盖探测面，以消除光斑对探测面上的目标物像的影响；实现对冷反射效应的抑制，即，消除了探测面上所呈现的光斑(鬼像)覆盖目标物像，影响探测系统探测精度的问题，实现对红外目标模拟器像质的较大提升。
本发明将将红外目标模拟系统的出瞳距设定为1032mm，可以实现红外目标模拟系统与探测器之间较长的相对工作距，对半实物仿真系统的操作更加便捷；
采用像方远心光路设计目标和干扰物镜，解决了冷光阑产生的鬼像问题。
附图说明
图1为应用现有技术中目标模拟系统情况下，红外目标探测器100中冷光阑成像光路的原理示意图；
图2为应用本发明所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统情况下红外目标探测器100中冷光阑102成像光路的原理示意图；
图3为应用本发明所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，形成红外仿真目标原理示意图；
图4为应用本发明所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统情况下，红外目标探测器100中冷光阑102成像和目标源成像的原理示意图。
具体实施方式
本发明通过目标和干扰物镜采用像方远心光路的设计，实现了一种新型的、适用于中波段的红外目标模拟系统，能够使冷光阑通过探测系统成像光斑扩大，至覆盖探测系统探测面，从而解决了冷光阑的鬼像问题，为更准确地模拟红外目标和干扰提供了技术支持；具体参见如下具体实施方式。
具体实施方式一：参见图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，该目标模拟系统，用于生成目标位置无穷远的红外仿真目标，还用于使红外目标探测器100中的冷光阑102辐射的冷光线经目标源反射后原路返回，在红外目标探测器100的探测面101上形成放大光斑，且使目标物像以放大光斑为背景成像于探测面101上，以消除鬼像对目标物像的影响；
其中，目标源包括干扰目标源和待测目标源；
红外仿真目标的形成过程为：由干扰目标源和待测目标源采用像方远心光路耦合后，又进行扩束，从而生成目标位置无穷远的红外仿真目标。
本实施方式中，由于冷光阑102辐射的冷光线为杂散光，其本身光强较弱，经一系列的反射后，按原光路返回，在红外目标探测器100的探测面101上成像，形成覆盖其探测面101的放大光斑，使目标物像以放大光斑为背景成像于探测面101上，且所述放大光斑的光强必然远远小于目标物像的光强，且放大光斑的面积大于目标物像，且其足以覆盖目标物像，从而以消除鬼像(即：放大光斑)对目标物像的影响。
传统目标模拟器采用普通结构的物镜，冷光线在经过电阻阵反射后，不会沿原光路返回，反射的冷光线将会直接成像在探测器CCD上，形成一个亮斑，影响目标判断。
本发明的目标物镜采用了像方远心光路的光学结构进行设计，这种结构的特点在于前组光学系统的一次像面位于物镜的物方焦面上，经物镜成像到无穷远处。根据作为红外景象生成器的目标源的反射特性，反射光线将会近似沿原光路返回，最终冷反射光线会成像到探测面上，在该探测面上形成的光斑覆盖探测面，以消除光斑对探测面上的目标物像的影响；实现对冷反射效应的抑制。
具体实施方式二：参见图2至图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统的区别在于，该目标模拟系统包括无焦扩束系统200、目标准直物镜400、干扰准直物镜300、两个红外发射电阻阵模块500和耦合平板600；
其中，一个红外发射电阻阵模块500作为干扰目标源，另一个红外发射电阻阵模块500作为待测目标源；
所述目标模拟系统，用于生成目标位置无穷远的红外仿真目标的具体过程为：
干扰目标源发射的红外光经干扰准直物镜300透射后，入射到耦合平板600，并在其表面发生反射；
待测目标源发射的红外光经目标准直物镜400透射后，入射到耦合平板600，并与在耦合平板600上发生反射的红外光进行耦合，耦合后的红外光经无焦扩束系统200扩束后，生成目标位置无穷远的红外仿真目标。
本实施方式，红外发射电阻阵模块500中电阻阵列之间的表面呈现镜面反射特性。
具体实施方式三：参见图2至图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统的区别在于，所述目标模拟系统，还用于使红外目标探测器100中的冷光阑102辐射的冷光线经目标源反射后原路返回，在红外目标探测器100的探测面101上形成放大光斑，且使目标物像以放大光斑为背景成像于探测面101上，以消除鬼像对目标物像的影响的具体过程为：
冷光阑102辐射的冷光线经无焦扩束系统200集中透射后，入射至耦合平板600后，分成两路，其中，
一路冷光线经耦合平板600反射后，又经干扰准直物镜300透射后，出射平行光至干扰目标源，经干扰目标源反射后，沿原光路返回至耦合平板600；
一路冷光线经耦合平板600透射后，又经目标准直物镜400透射，出射平行光至待测目标源，经待测目标源反射后，沿原光路返回至耦合平板600；
沿原光路返回至耦合平板600的两路冷光线，在耦合平板600上进行耦合，耦合后的冷光线经无焦扩束系统200扩束后，生成目标位置无穷远的冷光阑干扰目标，冷光阑干扰目标又依次经红外目标探测器100中的探测透镜103、冷光阑102和探测面101后，在探测面101上形成放大光斑，使目标物像以放大光斑为背景成像于探测面101上，以消除鬼像对目标物像的影响。
本实施方式中，本发明利用了像方远心光路的光学结构进行设计，根据初级像差理论和出瞳距、波长、视场要求确定系统的初始结构参数，分别对无焦扩束系统200、目标准直物镜400以及干扰准直物镜300进行设计，进一步优化像差；其中干扰准直物镜300和目标准直物镜400采用像方远心光路结构，实现对冷反射像的控制。最后对系统整体进行瞳孔匹配和进一步优化，实现系统整体的完整的能量传递和功能。
具体实施方式四：参见图2至图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统的区别在于，目标物像形成的具体过程为：
红外仿真目标依次经过红外目标探测器100中探测透镜103、冷光阑102和探测面101后，在探测面101上形成的目标物像。
具体实施方式五：参见图2至图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统的区别在于，红外目标探测器100采用红外热像仪100实现。
具体实施方式六：参见图2至图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统的区别在于，干扰准直物镜300包括依次排列的1号至4号干扰透镜，且4号干扰透镜304紧邻干扰目标源，
1号干扰透镜301、2号干扰透镜302和4号干扰透镜304的材料均为锗，3号干扰透镜303的材料为硅。
本实施方式中，干扰透镜镜片数量的选取、及排布，是为了平衡像差的同时尽量减轻重量，从而采用上述干扰准直物镜300的具体结构实现。
本发明所述红外目标模拟系统采用模块化设计方法，每一部分系统分别进行设计，像质均可以达到较高的水平，同时便于装调和加工，有利于实际的加工和操作。
具体实施方式七：参见图2至图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统的区别在于，目标准直物镜400包括依次排列的1至4号目标透镜，且4号目标透镜404紧邻待测目标源，
1号目标透镜401、2号目标透镜402和4号目标透镜404的材料均为锗，3号目标透镜403的材料为硅。
本实施方式中，目标透镜镜片数量的选取、及排布，是为了平衡像差的同时尽量减轻重量，从而采用上述目标准直物镜400的具体结构实现。
本发明所述红外目标模拟系统采用模块化设计方法，每一部分系统分别进行设计，像质均可以达到较高的水平，同时便于装调和加工，有利于实际的加工和操作。
具体实施方式八：参见图2至图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二至七之一所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统的区别在于，无焦扩束系统200包括依次排列的1至5号扩束透镜，且5号扩束透镜205紧邻耦合平板600；
1号扩束透镜201和4号扩束透镜204的材料均为硅；
3号扩束透镜203、2号扩束透镜202和5号扩束透镜205的材料均为硅锗。
本实施方式中，扩束透镜镜片数量的选取、及排布，是为了平衡像差的同时尽量减轻重量，从而采用上述无焦扩束系统200的具体结构实现。
本发明所述红外目标模拟系统采用模块化设计方法，每一部分系统分别进行设计，像质均可以达到较高的水平，同时便于装调和加工，有利于实际的加工和操作。
具体实施方式九：参见图2至图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统的区别在于，干扰准直物镜300和目标准直物镜400通过耦合平板600，将干扰目标源和待测目标源耦合到无焦扩束系统200中，使得目标模拟系统的出瞳距为1032mm。
本发明所述红外目标模拟系统采用模块化设计方法，每一部分系统分别进行设计，像质均可以达到较高的水平，同时便于装调和加工，有利于实际的加工和操作。
具体实施方式十：参见图2至图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二至七所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统的区别在于，耦合平板600的材料为锗。
本发明所述红外目标模拟系统采用模块化设计方法，每一部分系统分别进行设计，像质均可以达到较高的水平，同时便于装调和加工，有利于实际的加工和操作。
综合考虑本发明所述一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统的设计参数以及加工要求，系统中所有镜片均可采用成本较为低廉的国产球面镜片，材料均选用中波红外材料锗和硅，其中无焦扩束系统200选用五片球面镜片，目标准直物镜400及干扰准直物镜300选用四片球面镜片，整体系统的技术指标如下：
入瞳直径：60mm；
工作波段：2.0μm～5.2μm；
出瞳距：1032mm；
视场：±4°。
本发明所述一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统的结构不局限于上述各实施方式所记载的具体结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。
Claims (10)
1.一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，其特征在于，该目标模拟系统，用于生成目标位置无穷远的红外仿真目标，还用于使红外目标探测器(100)中的冷光阑(102)辐射的冷光线经目标源反射后原路返回，在红外目标探测器(100)的探测面(101)上形成放大光斑，且使目标物像以放大光斑为背景成像于探测面(101)上，以消除鬼像对目标物像的影响；
其中，目标源包括干扰目标源和待测目标源；
红外仿真目标的形成过程为：由干扰目标源和待测目标源采用像方远心光路耦合后，又进行扩束，从而生成目标位置无穷远的红外仿真目标。
2.根据权利要求1所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，其特征在于，该目标模拟系统包括无焦扩束系统(200)、目标准直物镜(400)、干扰准直物镜(300)、耦合平板(600)和两个红外发射电阻阵模块(500)；
其中，一个红外发射电阻阵模块(500)作为干扰目标源，另一个红外发射电阻阵模块(500)作为待测目标源；
所述目标模拟系统，用于生成目标位置无穷远的红外仿真目标的具体过程为：
干扰目标源发射的红外光经干扰准直物镜(300)透射后，入射到耦合平板(600)，并在其表面发生反射；
待测目标源发射的红外光经目标准直物镜(400)透射后，入射到耦合平板(600)，并与在耦合平板(600)上发生反射的红外光进行耦合，耦合后的红外光经无焦扩束系统(200)扩束后，生成目标位置无穷远的红外仿真目标。
3.根据权利要求2所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，其特征在于，所述目标模拟系统，还用于使红外目标探测器(100)中的冷光阑(102)辐射的冷光线经目标源反射后原路返回，在红外目标探测器(100)的探测面(101)上形成放大光斑，且使目标物像以放大光斑为背景成像于探测面(101)上，以消除鬼像对目标物像的影响的具体过程为：
冷光阑(102)辐射的冷光线经无焦扩束系统(200)集中透射后，入射至耦合平板(600)后，分成两路，其中，
一路冷光线经耦合平板(600)反射后，又经干扰准直物镜(300)透射后，出射平行光至干扰目标源，经干扰目标源反射后，沿原光路返回至耦合平板(600)；
一路冷光线经耦合平板(600)透射后，又经目标准直物镜(400)透射，出射平行光至待测目标源，经待测目标源反射后，沿原光路返回至耦合平板(600)；
沿原光路返回至耦合平板(600)的两路冷光线，在耦合平板(600)上进行耦合，耦合后的冷光线经无焦扩束系统(200)扩束后，生成目标位置无穷远的冷光阑干扰目标，冷光阑干扰目标又依次经红外目标探测器(100)中的探测透镜(103)、冷光阑(102)和探测面(101)后，在探测面(101)上形成放大光斑，使目标物像以放大光斑为背景成像于探测面(101)上，以消除鬼像对目标物像的影响。
4.根据权利要求2所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，其特征在于，目标物像形成的具体过程为：
红外仿真目标依次经过红外目标探测器(100)中探测透镜(103)、冷光阑(102)和探测面(101)后，在探测面(101)上形成的目标物像。
5.根据权利要求2所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，其特征在于，红外目标探测器(100)采用红外热像仪实现。
6.根据权利要求2所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，其特征在于，干扰准直物镜(300)包括依次排列的1号至4号干扰透镜，且4号干扰透镜(304)紧邻干扰目标源，
1号干扰透镜(301)、2号干扰透镜(302)和4号干扰透镜(304)的材料均为锗，3号干扰透镜(303)的材料为硅。
7.根据权利要求2所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，其特征在于，目标准直物镜(400)包括依次排列的1至4号目标透镜，且4号目标透镜(404)紧邻待测目标源，
1号目标透镜(401)、2号目标透镜(402)和4号目标透镜(404)的材料均为锗，3号目标透镜(403)的材料为硅。
8.根据权利要求2至7之一所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，其特征在于，无焦扩束系统(200)包括依次排列的1至5号扩束透镜，且5号扩束透镜(205)紧邻耦合平板(600)；
1号扩束透镜(201)和4号扩束透镜(204)的材料均为硅；
3号扩束透镜(203)、2号扩束透镜(202)和5号扩束透镜(205)的材料均为硅锗。
9.根据权利要求2所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，干扰准直物镜(300)和目标准直物镜(400)通过耦合平板(600)，将干扰目标源和待测目标源耦合到无焦扩束系统(200)中，使得目标模拟系统的出瞳距为1032mm。
10.根据权利要求2至7之一所述的一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统，其特征在于，耦合平板(600)的材料为锗。
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