CN109632267A - 一种动态光学目标模拟装置及动态成像测试设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密机械和光学测试领域，特别涉及一种动态光学目标模拟装置及动态成像测试设备和方法；本发明包括壳体及连接在壳体内的中波红外照明机构、像移目标模拟机构和供电机构；中波红外照明机构包括硅基加热棒及互相连接的主积分球和卫星积分球，硅基加热棒连接在卫星积分球上，主积分球上连接有导光锥桶；像移目标模拟机构包括由导光锥桶对准的中波红外目标靶板及带动多个中波红外目标靶板旋转的旋转组件；本发明利用硅基加热棒配合双积分球在较小体积和较低发热量的条件下实现高分辨运动红外目标室内模拟充满光学视场的均匀旋转的中波红外辐射照明的光学目标，便于在实验室条件下进行模拟外场校飞的动态成像性能测试。

Description

一种动态光学目标模拟装置及动态成像测试设备和方法

技术领域

本发明涉及精密机械和光学测试领域，特别涉及一种动态光学目标模拟装置及动态成像测试设备和方法。

背景技术

航空相机是搭载于各类航空飞行平台之上，用于对地面景物目标成像摄影、测量、遥感的特殊光学系统。传统航空相机的成像谱段一般覆盖可见光450nm-750nm，可用于日间对地面景物目标进行遥感成像，获取各类可见光波段的地物目标图像信息。但在国防、安全监测、环境查证等领域的应用需求，使得单纯的可见光波段观测结果难以满足信息获取需求。

成像质量是评价各类光学系统的关键指标，其传统测试流程一般分为实验室内测试和外场校飞测试。实验室内测试，一般利用大口径、长焦距光学准直系统配合各类光学目标模拟装置，为待测航空相机模拟远场光学目标。外场校飞则需要将待测航空相机挂载在飞行平台上，通过实际飞行过程中对地面预设目标的成像试验评估航空相机的成像性能。与外场校飞测试相比，实验室内像质测评具备测试环境和目标特性严格可控、试验环境条件易保证、测试成本低、测试周期短等优势，是航空相机测评的理想方案；然而在实验室条件下模拟外场校飞测试的条件比较苛刻，因此，目前中波红外航空相机大多采用外场校飞的方式，通过在地面布置高热目标模拟具有特定几何特性的中波红外辐射，进行像移补偿条件下的成像性能评估，但外场校飞不仅成本较高、周期较长、灵活度较差，测试精度还严重依赖测试周围地物、温度、湿度、风向等环境的稳定性。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种动态光学目标模拟装置，利用硅基加热棒配合双积分球在较小体积和较低发热量的条件下实现模拟充满光学入瞳的均匀旋转的中波红外辐射照明的光学目标，便于在实验室条件下进行模拟外场校飞的动态成像性能测试；本发明还提供一种动态成像测试设备和方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种动态光学目标模拟装置，其中，包括壳体及连接在所述壳体内的用于产生光学目标的中波红外照明机构、用于使所述光学目标进行匀速连续旋转运动的像移目标模拟机构和用于供电的供电机构；所述中波红外照明机构包括用于作为中波红外源的硅基加热棒及互相连接的用于对中波红外源的热辐射进行积分和均化的主积分球和卫星积分球，所述硅基加热棒连接在所述卫星积分球上，所述主积分球上连接有导光锥桶；所述像移目标模拟机构包括由所述导光锥桶对准的中波红外目标靶板及带动所述中波红外目标靶板旋转的旋转组件。

作为本发明的一种改进，还包括连接在所述壳体内用于散热的散热测温机构，所述散热测温机构包括连接在所述卫星积分球上的积分球散热翅及与所述积分球散热翅连接的积分球散热风扇，所述积分球散热翅内设置有若干散热翅片。

作为本发明的进一步改进，还包括连接在所述壳体上的调焦调平机构，所述调焦调平机构包括调焦滑台、滚珠丝杆和直线光栅尺，所述调焦滑台的底部的两侧与设置在滚动直线导轨上的滑块连接，所述调焦滑台的底部与所述滚珠丝杆连接，所述直线光栅尺连接在所述调焦滑台的侧壁上。

作为本发明的更进一步改进，所述壳体内设置有隔热桶，所述中波红外照明机构设置在所述隔热桶内。

作为本发明的更进一步改进，所述旋转组件包括目标转鼓、转鼓转盘、主轴和伺服电机，所述中波红外目标靶板与所述目标转鼓连接，所述目标转鼓连接在所述转鼓转盘上，所述转鼓转盘与所述主轴同轴连接，所述伺服电机通过转子连接座与所述主轴进行轴接。

作为本发明的更进一步改进，所述目标转鼓上连接有目标转鼓散热盘，所述壳体上设置有与所述目标转鼓散热盘等高的目标转鼓散热风扇。

作为本发明的更进一步改进，所述散热测温机构还包括靶板测温传感器和照明光源测温传感器，所述靶板测温传感器连接在所述壳体上且其光轴对准指向所述中波红外目标靶板；所述照明光源测温传感器连接在所述导光锥桶上。

作为本发明的更进一步改进，所述卫星积分球通过隔热垫连接在所述壳体内；所述硅基加热棒套在硅基加热棒隔热套内，所述硅基加热棒隔热套通过硅基加热棒隔热定位顶丝连接在所述卫星积分球上。

一种动态成像测试设备，包括待测的中波红外航空相机，其用于对动态光学目标模拟装置模拟的动态光学目标拍摄的照片进行动态成像性能测评，所述待测的中波红外航空相机内设置有像移补偿系统，其中，还包括如上述任一所述的动态光学目标模拟装置、长焦距光学准直装置和综合控制装置；所述长焦距光学准直装置的光学像面对准所述动态光学目标模拟装置；所述综合控制装置，用于设定飞行高度、飞行速度和相对速度的信息参数并将该信息参数同步发送至所述动态光学目标模拟装置和所述待测的中波红外航空相机处；所述动态光学目标模拟装置，用于模拟产生均匀旋转的中波红外的光学目标；所述长焦距光学准直装置，用于将所述动态光学目标模拟装置产生的光学目标投射成像为无穷远的光学目标；所述待测的中波红外航空相机，用于将所述长焦距光学准直装置投射出的光学目标拍照成像。

一种动态成像测试方法，其中，包括如下步骤：

步骤S1、综合控制装置设定飞行高度、飞行速度和相对速度的信息参数并将该信息参数同步发送至所述动态光学目标模拟装置和所述待测的中波红外航空相机处。

步骤S2、动态光学目标模拟装置模拟产生均匀旋转的中波红外的光学目标；

步骤S3、长焦距光学准直装置将所述动态光学目标模拟装置产生的光学目标投射成像为无穷远的光学目标；

步骤S4、待测的中波红外航空相机开启像移补偿系统将所述长焦距光学准直装置投射出的光学目标拍照成像，从而形成图片；

步骤S5、对该图片的动态成像性能进行测评。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明利用硅基加热棒配合双积分球在较小体积和较低发热量的条件下实现模拟充满光学视场的均匀旋转的中波红外辐射照明的光学目标，便于在实验室条件下进行模拟外场校飞的动态成像性能测试。

附图说明

图1为本发明的动态光学目标模拟装置的结构示意图；

图2为本发明的动态光学目标模拟装置的内部连接结构示意图；

图3为本发明的中波红外照明机构的结构示意图；

图4为本发明的动态成像测试设备的结构示意图；

图5为本发明的动态成像测试方法的步骤框图；

附图标记：1-动态光学目标模拟装置，2-长焦距光学准直装置，3-待测的中波红外航空相机，4-综合控制装置，5-积分球散热风扇，6-积分球散热翅，7-中波红外照明机构，8-隔热垫，9-目标转鼓，10-中波红外目标靶板，11-转鼓托盘，12-目标转鼓散热盘，13-主轴，14-轴承压盖，15-角接触球轴承，16-轴承套，17-轴承隔圈，18-伺服电机，19-转子连接座，20-圆形光栅尺，21-连接法兰，22-壳体，23-目标转鼓散热风扇，24-靶板测温传感器，25-调焦滑台，26-滚动直线导轨，27-滚珠丝杆，28-直线光栅尺，29-电控箱，30-隔热垫，31-卫星积分球，32-硅基加热棒，33-硅基加热棒隔热套，34-硅基加热棒隔热定位顶丝，35-主积分球，36-导光锥桶，37-照明光源测温传感器。

具体实施方式

在实验室内进行动态像质检测难以实现，其主要原因在于：

(1)传统用于模拟像移目标的转鼓为K9玻璃材质，对中波红外波段有强烈吸收，难以实现连续像移中波红外光学目标的模拟。

(2)一般采用高温黑体用于中波红外波段照明，一方面保证温度均匀性，另一方面确保模拟目标的温度分布稳定性，但黑体尺寸较大，难以放置在运动目标模拟转鼓附近，难以为连续运动目标提供覆盖整个成像区域的中波红外辐射照明。

(3)根据普朗克定律，需要辐射体的温度达到1000K以上才可连续辐射出波段3-4μm的中波红外光波。在传统目标模拟上述装置内加装面源式高温辐射源，对散热系统提出了极高要求。采用水冷散热将极大增加目标模拟装置的设计复杂性，并且增加渗漏等使用风险。另一方面若采用风冷散热，则需要较大的换热量，才可确保光学靶板的温差及其稳定性，又会引入气流抖动等干扰因素，进而降低光学测评的准确性。

上述3项主要问题使得目前待测的中波红外航空相机大多采用外场校飞的方式，通过在地面布置高热目标模拟具有特定几何特性的中波红外辐射，进行像移补偿条件下的成像性能评估。如前所述，上述外场校飞不仅成本较高、周期较长、灵活度较差，测测试精度还严重依赖测试周围地物、温度、湿度、风向等环境的稳定性。

如图1至图4所示，本发明提供一种动态光学目标模拟装置，包括壳体22及连接在壳体22内的用于产生光学目标的中波红外照明机构7、用于使光学目标进行匀速连续旋转运动的像移目标模拟机构和用于供电的供电机构；中波红外照明机构7产生的为中波红外高分辨目标的光学目标。

中波红外照明机构7包括用于作为中波红外源的硅基加热棒32及互相连接的用于对中波红外源的热辐射进行积分和均化的主积分球35和卫星积分球31，硅基加热棒32连接在卫星积分球31上，主积分球35上连接有导光锥桶36。

像移目标模拟机构包括由导光锥桶36对准的中波红外目标靶板10及带动中波红外目标靶板10旋转的旋转组件；在本发明中，旋转组件可以带动数十组中波红外目标靶板10旋转。

在本发明中，利用硅基加热棒32配合双积分球(互相连接的主积分球35和卫星积分球31)在较小体积和较低发热量的条件下实现模拟充满光学视场的均匀旋转的中波红外辐射照明的光学目标，便于在实验室条件下进行模拟外场校飞的动态成像性能测试。

旋转组件包括目标转鼓9、转鼓转盘11、主轴13和伺服电机18，中波红外目标靶板10与目标转鼓9连接，目标转鼓9连接在转鼓转盘11上，转鼓转盘11与主轴13同轴连接，伺服电机18通过转子连接座19与主轴13进行轴接；伺服电机18带动转子连接座19转动，从而带动主轴13旋转，主轴13带动目标转盘11转动，继而带动目标转鼓9转动，从而使中波红外目标靶板10旋转。

如图1至图3所示，本发明的一种动态光学目标模拟装置还包括连接在所述壳体内用于散热的散热测温机构和调焦调平机构。

散热测温机构包括连接在卫星积分球31上的积分球散热翅6及与积分球散热翅6连接的积分球散热风扇5，积分球散热翅6内设置有若干散热翅片，积分球散热翅6和积分球散热风扇5将卫星积分球31内热量排出去。

散热测温机构还包括靶板测温传感器24和照明光源测温传感器37，靶板测温传感器24连接在壳体22上且其光轴对准指向中波红外目标靶板10，从而可以测出中波红外目标靶板10的温度；照明光源测温传感器37连接在导光锥桶36上，导光锥桶36又对准中波红外目标靶板10，在此处通过设置照明光源测温传感器37的采样时间间隔，保证照明光源测温传感器37实时测量中波红外目标靶板10上的非目标区域的温度。

调焦调平机构包括调焦滑台25、滚珠丝杆26和直线光栅尺28，调焦滑台25的底部的两侧与设置在滚动直线导轨26上的滑块连接，调焦滑台25的底部与滚珠丝杆26连接，直线光栅尺28连接在调焦滑台25的侧壁上，调焦滑台25在滚动直线导轨26上滑动，可以调整的动态光学目标模拟装置。

在本发明中，壳体1内设置有隔热桶8，中波红外照明机构7设置在隔热桶8内，从而使中波红外照明机构7的热量隔开不会传递至壳体22内，而且通过积分球散热翅6和积分球散热风扇5将热量排出设备。

在本发明中，为了更好地将中波红外照明机构7更好地散发出去，目标转鼓9上连接有目标转鼓散热盘12，壳体22上设置有与目标转鼓散热盘12等高的目标转鼓散热风扇23；目标转鼓散热风扇23将壳体22内的隔热桶8内的散发出去。

在本发明中，主轴与角接触球轴承15过盈配合，角接触球轴承15内设置有轴承隔圈17，轴承套16、轴承压盖14和角接触球轴承15的外环进行过盈配合，提高轴向精度。圆形光栅尺20的读数头通过连接法兰21连接在壳体22内。壳体22的侧壁上连接有电控箱29，电控箱29用于容纳各类电子学器件和控制器等。

在本发明中，为了使中波红外照明机构7的热量不传递至壳体22上，卫星积分球31通过隔热垫30连接在壳体22内；硅基加热棒32套在硅基加热棒隔热套33内，硅基加热棒隔热套33通过硅基加热棒隔热定位顶丝34连接在卫星积分球31上。

本发明提供一个实施例，如图1、图2、图3和图4所示，该实施例中的中波红外目标靶板10对准长焦距光学准直装置2的光学像面上，经其成像为无穷远光学目标，综合控制装置4接收飞行高度和飞行速度测试条件参数，并将其转化为动态光学目标模拟装置1的电控参数，并将上述测试条件参数可测试开启触发信号同步发送至待测的中波红外航空相机3，待测的中波红外航空相机3内部的像移补偿系统根据综合控制装置4发送的参数计算像移补偿控制参数和探测器曝光参数，对动态光学目标模拟装置1和长焦距光学准直装置2光学所模拟的远场动态中波红外光学目标拍照成像，通过像移补偿系统开启条件下的图像处理结果，定量评估待测的中波红外航空相机3的动态成像性能。

本发明提供一个动态光学目标模拟装置1的实施例，如图2和图3所示，该实施例包括连接在壳体22内的用于产生光学目标的中波红外照明机构7、用于使光学目标进行匀速连续旋转运动的像移目标模拟机构和用于供电的供电机构、连接在壳体22内用于散热的散热测温机构和连接在壳体22上的调焦调平机构；像移目标模拟机构用于产生匀速、连续回转运动的光学目标，其原理在于利用多大50组中波红外目标靶板10及固连上述中波红外目标靶板10的机械转鼓构成目标发生组件，其中每个中波红外目标靶板10上均刻划有多组具备特征空间频率的四杆红外靶标，将上述机械转鼓固定连接在回转轴系的输出端，即可利用回转轴系带动上述机械转鼓实现连续回转运动，回转轴系由伺服电机18驱动，由轴角编码器实时反馈回转角度，即可实现不同角速度的控制和稳速精度控制，以保证所模拟像移目标的运动精度，同时调节、切换转轴速度还可模拟不同的速高比参数，仿真不同飞行状态下的地面景物相对像移特征。中波红外照明机构7用于使上述匀速、连续回转运动的光学目标具备中波红外辐射特性，满足待测的中波红外航空相3动态像质检测过程中对成像谱段的覆盖范围需求，为缩小仪器尺寸、降低机械转鼓尺寸，需要中波红外照明机构7具备较小的尺寸，但若直接利用内腔尺寸较小的积分球直接照明，则难以保障开口比，必然导致靶板照明的不均匀，因此本发明采用串联双积分球方案，一方面缩小仪器体积并提高散热效率，另一方面确保中波红外靶板的照明均匀性。中波红外照明源由高温辐射体产生，6组硅基加热棒内置于尺寸较大的卫星积分球内，通过积分球多次无序反射后在积分球出口处形成2π立体角的均匀辐射，再利用与上述卫星积分球串联的另一尺寸较小的积分球，进行中波红外热辐射的二次积分和均化，利用一锥形导光桶36在保证照明光束相对孔径的前提下，将积分球出口热辐射导致中波红外靶板所在表面附近，实现与长焦距光学准直系统光学像面之间的衔接。散热测温机构用于温度控制和测量反馈，主要利用与卫星积分球串联的散热片和散热风扇对卫星积分球外壁散发的多余热量进行强制散热，确保仪器内腔温度。此外在目标转鼓9与壳体22之间设置了隔热罩，用于减小、隔除中波红外照明机构7外壁散发的热量通过空气热传导，对机械转鼓以及与其固连的红外靶板的加温效应，进一步降低靶板本体的温度，提高靶面温差。此外在机械转鼓上述设置的散热片，由像移轴系带动伴随转鼓同步旋转，在模拟装置内腔形成涡流，以进一步提高换热效率，再利用散热风扇进行强制对流，将涡流中的热量排出装置内腔，以此进一步降低靶板表面温度。双测温探头分别安放在锥形导光桶36出口用于测量红外靶标镂空位置的温度，另一非接触测温传感器用于测量靶板本体的温度，通过双传感器测量数据即可实时获得靶标温差及其稳定性。调焦调平机构用于调平，以及动态光学目标模拟装置1与长焦距光学准直装置2光学像面之间的对准和轴向调整，以模拟有限距成像的动态光学目标，实现超低空飞行及待测红外相机调焦状态下的成像测试。供电机构用于给整个装置进行供电，并通过调整为红外热源供电的电流，实现红外照明辐射强度连续调整，此外供电系统是整个动态光学目标模拟装置的数据处理和电子学控制中枢，一方面将输入的高度和飞行速度参数转换为像移目标转速控制参数，另一方面向待测的中波红外航空相机3发送测试出发信号并实现时间同步，此外用于温度测量的中波红外目标源热辐射闭环控制系统的控制参数解算和实施温度闭环控制，另一方面实现轴角编码器和伺服电机之间的运动闭环控制。具体地，中波红外照明机构7在综合控制系统4控制下，给定硅基加热棒32组件的电流和功率参数，使其保证长期发热稳定性，硅基加热棒32发热后辐射出波长范围3-5μm的中波红外光辐射，并照射在卫星积分球31的内壁上，卫星积分球31内壁喷砂后再进行表面镀金，可使硅基加热棒32发热后辐射出光线在卫星积分球31内壁充分反射和散射，使卫星积分球31出口处的辐射均匀性优于90％，在卫星积分球31出口端串联主积分球35，一方面进一步均化照明光束，另一方面缩小仪器轴向高度，经内径较小的主积分球35再次均化后会降低光束出口的辐射能量，但会进一步将主积分球35出口端的辐射均匀性提升至97％以上，主积分球35出口端固连导光锥桶36起两方面作用，第一将主积分球35中中波红外辐射传导至中波红外目标靶板19附近表面，另一方面限制照明光束相对孔径，提高孔径内的辐射能量密度。中波红外目标靶板10采用红外材料制作，通过光学刻蚀的方法加工出不透光和透光相间的条纹杆状高空间分辨率图形，其中不透光条纹区不透射中波红外辐射，透光镂空区完全透射中波红外辐射；波红外目标靶板10固连在目标转鼓9上，目标转鼓9采用2A12材料具备较好的比刚度和导热率，为减小测试过程中拍频效应对测量结果的影响，在中波红外目标靶板10上刻划了多组特征空间频率靶标，并且充分缩小目标靶板的角间距。目标转鼓9通过转鼓托盘11与主轴13固连，由伺服电机18带动绕主轴13匀速旋转，而产生匀速像移中波红外光学目标。伺服电机18用于产生上述匀速转动，主轴13采用GCr5SiMn锻造、精研而成，主轴13与一对背靠背安装的角接触球轴承15的内环微量过盈配合，再利用轴承隔圈17消除游隙、提高径向精度，轴承压盖14与轴承套16、角接触球轴承15外环之间通过高精度研磨实现轴向微量过盈配合，提高轴向精度。伺服电机18的转子利用转子连接座19作为机械过渡件与主轴13固连。伺服电机18定子直接与壳体22固连。在综合控制系统4控制下伺服电机18依据控制参数补偿力矩波动，带动其上的主轴13和转鼓托盘11、目标转鼓9匀速回转运动。圆形光栅尺20用于实施反馈轴系转角，实现对回转位置和回转速度的双闭环，圆形光栅尺20的读数头通过光栅尺读数头连接法兰21与壳体22固连，并且利用光栅尺读数头连接法兰21实现与壳体22分离，为伺服电机18的维修、维护提供拆装通道。卫星积分球31固连的积分球散热翅6采用2A12材料加工的翅片形式，在提高换热效率的同时增大散热面积，卫星积分球31内腔的硅基加热棒32辐射出的热量大部分由卫星积分球31内壁的镀金层反射或散射至中波红外目标靶板10所在平面，但仍会有一部分热量透过镀金层传导至卫星积分球31和主积分球35的壳体表面，上述热量由隔热桶8隔除在其内腔，而不会传导至目标转鼓9和中波红外目标靶板10上，而唯一的散热通道是由卫星积分球31与积分球散热6之间的接触传热后传导至积分球散热翅6上，再利用积分球散热风扇5进行强制换热，带走翅片上的热量，有效降低仪器内腔热量。目标转鼓散热盘12和目标转鼓散热风扇23共同实现散热，目标转鼓散热盘12与目标转鼓9固连，并且在接触表面涂抹硅基导热脂进一步增加传热效率，目标转鼓散热盘12上设置有大量翅片，以进一步增大散热面积，利用目标转鼓9旋转和其上固连的目标转鼓散热盘12在壳体22的内腔形成涡流进一步提高换热效率和速度，在壳体22与目标转鼓9和目标转鼓散热盘12等高的位置设置了目标转鼓散热风扇23，用于为目标转鼓散热盘12强制换热，起到进一步降低目标转鼓9及其上固连的多组中波红外目标靶板10温度的目的。靶板测温传感器24固连在壳体22上，其光轴指向目标转鼓9上固连的中波红外目标靶板10，通过等时间间隔采样的工作模式，在目标转鼓9连续匀速回转模式下实时测量靶板温度，另一测温传感器照明光源测温传感器37固连在导光锥桶36开口端，由于导光锥桶36开口端十分接近中波红外目标靶板10所在平面，因此位于其开口端的照明光源测温传感器37可直接测得靶板镂空处的温度分布，将上述测量结果反馈至综合控制系统4，可计算出硅基加热棒32的控制温度以及散热风扇的风量，实现中波红外目标靶板10温差的定量调控，满足不同温度对比度条件下待测的中波红外航空相机3动态成像性能检测需求。该实施例采用隔热设计，卫星积分球31与壳体22之间设有照明组件隔热垫30，阻断卫星积分球31与壳体22之间的传热路径，使卫星积分球31外壳发热尽量由积分球散热风扇5和积分球散热6排除仪器之外，多组硅基加热棒32是主要热源，其与卫星积分球31之间采用隔热设计，利用聚四氟乙烯或聚酰亚胺材料的硅基加热棒隔热套33和硅基加热棒隔热定位顶丝34实现其与卫星积分球31之间的固定连接，由同时阻断其与卫星积分球31之间的直接热传导，降低卫星积分球31外壁的温度和发热量。动态光学目标模拟装置1整体固连在调焦平台上，用于与长焦距光学准直装置2的像面对准，调焦平台由调焦滑台25作为平移运动输出部件，直接与壳体22固连，调焦滑台25与滚动直线导轨26的四组滑块组件固连实现运动导向，并且与滚珠丝杠27并联实现促动，调焦滑台25上并联有直线光栅尺28，用于记录每次的调焦位置和调焦量。壳体22背部固连电控箱29用于容纳各类电子学器件和控制器等，并且通过多组电连接器与综合控制装置4线缆连接，电控箱29上两侧设有散热翅片，防止电子器器件散热经由壳体22传导至目标转鼓9，以影响靶板温度稳定性。

目前，各类飞行器相对于地面景物目标的相对运动，使得挂载其上的航空相机相对于其拍摄对象必然存在相对移动，使得任意成像瞬间，航空相机像面的焦平面探测器相对于物面的景物目标之间存在像移。为补偿上述像移，航空相机中均包含有复杂的像移补偿系统。通过接收飞行器实施反馈的速度和相对地面高度信息，航空相机像移补偿系统可以计算出每一成像瞬时的像移速度，进而控制相应的像移补偿系统带动探测器进行补偿运动。航空相机的像移补偿系统精度与静态成像质量共同决定航空相机在最终飞行工况下的实际成像性能。

针对航空相机的上述工作特点和成像系统组成原理，需要对其静态成像质量和动态成像性能进行综合测试。静态成像质量测试过程中科直接利用准直光学系统模拟远场光学目标，利用待测航空相机直接对上述具有一定形状和几何特征的光学目标成像通过输出图像的数学处理后，可定量评估待测航空相机的成像质量。对于动态成像性能测评，则需要模拟相对航空相机像面相对移动的远场光学目标。在航空相机像移补偿系统开启的条件下，对动态目标成像。通过对图像的后续处理，并引入飞行速度和高度等外部参数后可以定量评估航空相机的动态成像性能。

如图4所示，本发明提供一种动态成像测试设备，其用于对待测的中波红外航空相机3拍摄照片进行动态成像性能测评，包括待测的中波红外航空相机3、动态光学目标模拟装置1、长焦距光学准直装置2和综合控制装置4；待测的中波红外航空相机3内设置有像移补偿系统；长焦距光学准直装置2的光学像面对准动态光学目标模拟装置1；综合控制装置4用于设定飞行高度、飞行速度和相对速度的信息参数并将该信息参数同步发送至动态光学目标模拟装置1和待测的中波红外航空相机3处；动态光学目标模拟装置1用于模拟产生均匀旋转的中波红外的光学目标；长焦距光学准直装置2用于将动态光学目标模拟装置1产生的光学目标投射成像为无穷远的光学目标；待测的中波红外航空相机3对长焦距光学准直装置2投射出的光学目标拍照成像。中波红外目标靶板10对准长焦距光学准直装置2的光学像面上，经其成像为无穷远光学目标，综合控制装置4接收飞行高度和飞行速度测试条件参数，并将其转化为动态光学目标模拟装置1的电控参数，并将上述测试条件参数可测试开启触发信号同步发送至待测的中波红外航空相机3，待测的中波红外航空相机3内部的像移补偿系统根据综合控制装置4发送的参数计算像移补偿控制参数和探测器曝光参数，对动态光学目标模拟装置1和长焦距光学准直装置2光学所模拟的远场动态中波红外光学目标拍照成像，通过像移补偿系统开启条件下的图像处理结果，定量评估待测的中波红外航空相机3的动态成像性能。

如图5所示，本发明提供一种动态成像测试方法，包括如下步骤：

步骤S1、综合控制装置4设定飞行高度、飞行速度和相对速度的信息参数并将该信息参数同步发送至动态光学目标模拟装置1和待测的中波红外航空相机3处。

步骤S2、动态光学目标模拟装置1模拟产生均匀旋转的中波红外的光学目标；

步骤S3、长焦距光学准直装置2将动态光学目标模拟装置1产生的光学目标投射成像为无穷远的光学目标；

步骤S4、待测的中波红外航空相机3开启像移补偿系统将长焦距光学准直装置2投射出的光学目标拍照成像，从而形成图片；

步骤S5、对该图片的动态成像性能进行测评。

在本发明中，采用硅基加热棒32作为中波红外源，配合镀金的两个串联的积分球匀光实现中波红外目标靶板10均匀照明，并有效降低仪器光轴高度、缩小仪器外形尺寸、缓解仪器热控系统设计难度，利用中波红外目标靶板10旋转实现连续像移运动模拟，并且动过综合设计、排布的散热片、风扇、隔热桶等，实现中波红外目标靶板10的温度均匀性和相对温差控制，确保成像性能测评精度，本发明应用于待测的中波红外航空相机3同台光学系统实验室内定量测评，可代替外场飞行校验，大大缩短待测的中波红外航空相机3的测试周期、简化测试流程、降低测试和研制成本。

本发明具有如下优点：

1、均匀中波红外辐射源

现有技术方案均采用高温黑体或加热炉作为中波红外目标的照明组件。但黑体存在体积过大、散热量过大等不足，不适于布置于封闭腔形仪器内部。加热炉则难以保证均匀性，且辐射量控制精度较低。本发明采用硅基加热棒32配合双积分球方案，在较小体积内实现了高均匀性中波红外辐射照明，利用喷砂内表面和镀金膜工艺方案，实现中波红外光束的高反射和散射，在提高光能利用率的同时，降低发热量对装置的影响，并且有助于简化散热系统的设计和配置难度。

2、动态红外靶标布置方式

现有技术方案均利用透射式玻璃环或反射式金属环实现动态目标模拟，在玻璃环上连续刻蚀光学分划图形，可以为待测航空相机提供光学靶标，金属环则难以连续刻划高精度、高分辨率光学靶标，此外，常规光学玻璃环强烈吸收中波红外谱段光能量，难以满足测试光程中的信噪比要求，若采用石英材料则存在材料均匀性难以保证、光学加工难度大，双折射等其它非线性影响因素难以控制等弊端，而反射式金属环则存在工作原理上难以实现中波红外目标模拟的问题。为解决上述技术问题，本发明采用分离式设计思想通过计算将连续回转表面离散为若干角间距极小的相切平面，利用精密刻蚀技术，在平面的中波红外目标靶板10上高精度刻蚀不同特征空间分辨率的红外光学靶标，再通过机械连接和高精度装调的方式将其固连在目标转鼓9上，一方面确保了中波红外目标靶板10的制造精度，实现了中波红外动态目标模拟，另一方面降低研制成本和仪器设计、使用、维护灵活性。

3、散热与热控方案

本发明的动态光学目标模拟装置1的关键在于温度控制和保持，以模拟满足待测红外相机信噪比需求的温差分布，以及在长测试周期内满足上述温差分布特性的稳定性，而在尺寸相对较小、集成度较高的动态光学目标模拟装置1中实现散热和温度控制难度较大。本发明一方面通过被动隔热方式控制热流的传导路径和方向，另一方面通过提高热能利用效率的方向，降低风扇等强制换热量，使主要热量用于红外目标照明，仅少量残余热量由积分球风扇和转鼓风扇排出仪器之外，上述设计还有助于降低中波红外目标靶板10的热惯性，提高热控系统的控制灵敏度。此外，通过热传感器实时监测中波红外目标靶板10和透光靶条处的温度，再根据相应的控制算法，调节硅基加热棒32功率和风扇的风量，实现对中波红外目标靶板10温度场及其稳定性的高精度闭环控制。

本发明在红外航空、航天相机研制与地面测试领域应用广泛，还为其他具备动态成像工作模式的红外光学系统进行全状态成像质量评价提供了新的解决方案，有助于大幅简化测试流程、缩短测试周期、减低测试成本、提高测试精度和效率。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种动态光学目标模拟装置，其特征在于，包括壳体及连接在所述壳体内的用于产生光学目标的中波红外照明机构、用于使所述光学目标进行匀速连续旋转运动的像移目标模拟机构和用于供电的供电机构；

所述中波红外照明机构包括用于作为中波红外源的硅基加热棒及互相连接的用于对中波红外源的热辐射进行积分和均化的主积分球和卫星积分球，所述硅基加热棒连接在所述卫星积分球上，所述主积分球上连接有导光锥桶；

所述像移目标模拟机构包括由所述导光锥桶对准的中波红外目标靶板及带动所述中波红外目标靶板旋转的旋转组件。

2.根据权利要求1所述的动态光学目标模拟装置，其特征在于，还包括连接在所述壳体内用于散热的散热测温机构，所述散热测温机构包括连接在所述卫星积分球上的积分球散热翅及与所述积分球散热翅连接的积分球散热风扇，所述积分球散热翅内设置有若干散热翅片。

3.根据权利要求1所述的动态光学目标模拟装置，其特征在于，还包括连接在所述壳体上的调焦调平机构，所述调焦调平机构包括调焦滑台、滚珠丝杆和直线光栅尺，所述调焦滑台的底部的两侧与设置在滚动直线导轨上的滑块连接，所述调焦滑台的底部与所述滚珠丝杆连接，所述直线光栅尺连接在所述调焦滑台的侧壁上。

4.根据权利要求3所述的动态光学目标模拟装置，其特征在于，所述壳体内设置有隔热桶，所述中波红外照明机构设置在所述隔热桶内。

5.根据权利要求4所述的动态光学目标模拟装置，其特征在于，所述旋转组件包括目标转鼓、转鼓转盘、主轴和伺服电机，所述中波红外目标靶板与所述目标转鼓连接，所述目标转鼓连接在所述转鼓转盘上，所述转鼓转盘与所述主轴同轴连接，所述伺服电机通过转子连接座与所述主轴进行轴接。

6.根据权利要求5所述的动态光学目标模拟装置，其特征在于，所述目标转鼓上连接有目标转鼓散热盘，所述壳体上设置有与所述目标转鼓散热盘等高的目标转鼓散热风扇。

7.根据权利要求2所述的动态光学目标模拟装置，其特征在于，所述散热测温机构还包括靶板测温传感器和照明光源测温传感器，所述靶板测温传感器连接在所述壳体上且其光轴对准指向所述中波红外目标靶板；所述照明光源测温传感器连接在所述导光锥桶上。

8.根据权利要求1所述的动态光学目标模拟装置，其特征在于，所述卫星积分球通过隔热垫连接在所述壳体内；所述硅基加热棒套在硅基加热棒隔热套内，所述硅基加热棒隔热套通过硅基加热棒隔热定位顶丝连接在所述卫星积分球上。

9.一种动态成像测试设备，包括待测的中波红外航空相机，其用于对动态光学目标模拟装置模拟的动态光学目标拍摄的照片进行动态成像性能测评，所述待测的中波红外航空相机内设置有像移补偿系统，其特征在于，还包括如权利要求1-8任一所述的动态光学目标模拟装置、长焦距光学准直装置和综合控制装置；所述长焦距光学准直装置的光学像面对准所述动态光学目标模拟装置；

所述综合控制装置，用于设定飞行高度、飞行速度和相对速度的信息参数并将该信息参数同步发送至所述动态光学目标模拟装置和所述待测的中波红外航空相机处；

所述动态光学目标模拟装置，用于模拟产生均匀旋转的中波红外的光学目标；

所述长焦距光学准直装置，用于将所述动态光学目标模拟装置产生的光学目标投射成像为无穷远的光学目标；

所述待测的中波红外航空相机，用于将所述长焦距光学准直装置投射出的光学目标拍照成像。

10.一种动态成像测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、综合控制装置设定飞行高度、飞行速度和相对速度的信息参数并将该信息参数同步发送至动态光学目标模拟装置和待测的中波红外航空相机处；

步骤S2、动态光学目标模拟装置模拟产生均匀旋转的中波红外的光学目标；

步骤S3、长焦距光学准直装置将所述动态光学目标模拟装置产生的光学目标投射成像为无穷远的光学目标；

步骤S4、待测的中波红外航空相机开启像移补偿系统将所述长焦距光学准直装置投射出的光学目标拍照成像，从而形成图片；

步骤S5、对该图片的动态成像性能进行测评。