CN110186650A - 新型激光红外可见光三模复合目标模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明是新型激光红外可见光三模复合目标模拟器。模拟器包括三模光源模拟系统(1)、扫描反射镜系统(2)、被测系统(9)、三轴姿态模拟转台(10)、测控系统、支撑平台(11)和转接工装，所述三模光源模拟系统(1)和扫描反射镜系统(2)安装在支撑平台(11)上，被测系统(9)通过转接工装安装固定在三轴姿态模拟转台(10)的内环滚转环上。本发明可以进行红外、可见光和激光三模的光源匀光、衰减方法，激光又分为干扰光、编码模拟光源、测距模拟光源，该方法能够实现多种光源模拟，能够满足激光成像、四象限和单元探测等多种模拟测试需求，干扰光能满足抗干扰测试需求。

Description

新型激光红外可见光三模复合目标模拟器

技术领域

本发明涉及多模光学复合技术领域，是一种新型激光红外可见光三模复合目标模拟器。

背景技术

多模复合成像系统是未来光电成像技术的重要发展方向之一，它能够弥补单一成像传感器带来的不足和弊端，能够获取目标更为丰富、客观、全面的信息，在遥感光学成像中的目标探测识别、跟踪等方面发挥着重要作用。

多模复合成像技术始于20世纪70年代，美国最先研制了红外/紫外双模复合成像系统，是最早的光学多模成像传感器。通过使用多模光学复合成像系统，增强了载荷的抗干扰能力、识别能力及跟踪能力，充分显示了多模光学复合成像技术的优势。进入21世纪，随着光电子器件的蓬勃发展，也带动了多模复合技术，先后涌现出双模复合，如激光与红外复合、可见光与红外复合、红外与毫米波复合，三模复合，如激光/红外/可见光复合、激光/红外/毫米波复合，特别是三模复合，在受到极强干扰情况下，能够自动进行模式间切换，极大提升了抗干扰能力和目标识别跟踪能力。

多模光学复合成像技术的优势是：提升了成像距离、提高了目标识别和跟踪能力、提高了载荷使用的灵活性、提升了抗干扰能力和复杂环境适应能力、提高了成像系统可靠性。但也带了一些关键技术难题：1、结构设计必须紧凑，给成像系统结构装调带来难度；2、多模是对同一场景成像，给光学同轴装调带来难度；3、多模式系统是复杂成像系统，存在模式间切换、多模式信息融合等问题，给性能验证带来难度。

由此可见，为进一步提升多模复合成像系统装调检测能力，有必要研究多模光学复合成像模拟器，为多模光学复合成像系统结构装调、光学同轴装调、成像系统性能验证提供一种快速、有效的检测技术手段。

发明内容

本发明为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型激光红外可见光三模复合目标模拟器，本发明提供了以下技术方案：

一种新型激光红外可见光三模复合目标模拟器，所述模拟器包括三模光源模拟系统1、扫描反射镜系统2、被测系统9、三轴姿态模拟转台10、测控系统、支撑平台11和转接工装，所述三模光源模拟系统1和扫描反射镜系统2安装在支撑平台11上，被测系统9通过转接工装安装固定在三轴姿态模拟转台10的内环滚转环上，所述被测系统9的入瞳位置位于所述三轴姿态模拟转台10的转动中心；所述三模光源模拟系统1发出光束投射至扫描反射镜系统2上，扫描反射镜系统2将所述光束投射至被测系统9的入瞳处，通过所述测控系统对被测系统9和三模光源模拟系统1进行测试管控，反馈或者记录数据；

所述三模光源模拟系统1包括三模模拟光源5、可见红外复合一体化光源6、系统离轴反射镜12、光源合束镜13、靶标机构14和次镜15，所述三模模拟光源5包括均光系统16和衰减光学系统17；

所述扫描反射镜系统2包括扫描反射镜7和航向精密转台8，扫描反射镜安装在航向精密转台8上；

三模模拟光源5中的光束经由衰减光学系统17出射后，入射至所述均光系统16，通过所述均光系统16出射至光源合束镜13进行合束，同时所述可见红外复合一体化光源6的光束通过光源合束镜13进行合束，经过合束后的三模模拟光源5的光束与经过合束的可见红外复合一体化光源6的光束再次通过光源合束镜13进行合束，合束后照射至靶标机构14中的镂空靶位，再经由次镜15照射至系统离轴反射镜12，系统离轴反射镜12将光束投射至扫描反射镜7上。

优选地，所述三模模拟光源5通过编码目标光源5-2、干扰目标光源5-3和激光测距模拟光源5-1模拟光源，编码目标光源5-2、干扰目标光源5-3和激光测距模拟光源5-1采用1064nm激光器，通过光纤传输输出，所述激光测距模拟光源5-1的出射光束与编码目标光源5-2的出射光束垂直，所述干扰目标光源5-3的出射光束与编码目标光源5-2的出射光束平行。

优选地，可见红外复合一体化光源6由红外光源6-1和可见光源6-2组成，通过红外光源6-1和可见光源6-2模拟太阳光的组成、可见光目标及红外目标。

优选地，所述均光系统16与衰减光学系统17集成在一起。

优选地，所述系统离轴反射镜12的离轴量为200mm，靶标有效视场为1.5°。

优选地，所述衰减光学系统17采用连续衰减器构成，所述连续衰减器选用步进电机和驱动系统控制，衰减范围在0.05-4dB间。

优选地，所述均光系统16包括光束整形镜头，均光片和六面导光管，光束通过光束整形镜头整形，整形后的光束出射进入六面导光管，通过六面导光管的光束再经由均光片出射。

优选地，所述测控系统通过操作界面控制工控机，工控机控制两个采集处理器对被测系统9和三模光源模拟系统1进行数据采集和反馈。

优选地，所述三轴姿态模拟转台10包括三个驱动器、三个电机、航向轴、俯仰轴、横滚轴和负载平台，采用三个驱动器驱动三个电机，所述三个电机分别控制驱动航向轴、俯仰轴和横滚轴，所述航向轴、俯仰轴和横滚轴支撑负载平台。

本发明具有以下有益效果：

本发明将红外、可见光和激光三模复合同轴输出，其中激光又分为干扰光、编码模拟光源和测距模拟光源；本光学设计方法将不同类型光源合成一束光源，保证了同轴度，能够满足共轴多模复合被测产品的测试、装调需求。本发明通过先进的光学系统设计，能将三模光源合束并投射到被测系统，同轴度好，功能齐全，满足多模光学复合成像系统结构装调、光学同轴装调、成像系统性能验证检测等实际应用需求。

本发明可以进行红外、可见光和激光三模的光源匀光、衰减方法，激光又分为干扰光、编码模拟光源、测距模拟光源，该方法能够实现多种光源模拟，能够满足激光成像、四象限和单元探测等多种模拟测试需求，干扰光能满足抗干扰测试需求。

附图说明

图1是三模光学复合目标模拟器原理图。

图2是系统总体设计三维效果图。

图3是光学系统原理设计总图。

图4是离轴反射系统主光路图。

图5是均光系统设计原理图。

图6是复眼透镜均光系统设计图。

图7是六面导光管设计图。

图8是定制的连续衰减片实物图。

图9是连续衰减器功能示意图。

图10是光源设计原理图。

图11是目标模拟器电控组成框图。

图12是光源模拟器电控系统组成结构图。

图中，1-三模光源模拟系统，2-扫描反射镜系统，5-三模模拟光源，5-1-激光测距模拟光源，5-2-编码目标光源，5-3-干扰目标光源，6-可见红外复合一体化光源，6-1-红外光源，6-2-可见光源，7-扫描反射镜，8-航向精密转台，9-被测系统，10-三轴姿态模拟转台，11-支撑平台，12-系统离轴反射镜，13-光源合束镜，14-靶标机构，15-次镜，16-均光系统，17-衰减光学系统。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1至图3所示，本发明提供一种新型激光红外可见光三模复合目标模拟器，所述模拟器包括三模光源模拟系统1、扫描反射镜系统2、被测系统9、三轴姿态模拟转台10、测控系统、支撑平台11和转接工装，所述三模光源模拟系统1和扫描反射镜系统2安装在支撑平台11上，被测系统9通过转接工装安装固定在三轴姿态模拟转台10的内环滚转环上，所述被测系统9的入瞳位置位于所述三轴姿态模拟转台10的转动中心；所述三模光源模拟系统1发出光束投射至扫描反射镜系统2上，扫描反射镜系统2将所述光束投射至被测系统9的入瞳处，通过所述测控系统对被测系统9和三模光源模拟系统1进行测试管控，反馈或者记录数据；

所述三模光源模拟系统1包括三模模拟光源5、可见红外复合一体化光源6、系统离轴反射镜12、光源合束镜13、靶标机构14和次镜15，所述三模模拟光源5包括均光系统16和衰减光学系统17；

所述扫描反射镜系统2包括扫描反射镜7和航向精密转台8，扫描反射镜安装在航向精密转台8上；

三模模拟光源5中的光束经由衰减光学系统17出射后，入射至所述均光系统16，通过所述均光系统16出射至光源合束镜13进行合束，同时所述可见红外复合一体化光源6的光束通过光源合束镜13进行合束，经过合束后的三模模拟光源5的光束与经过合束的可见红外复合一体化光源6的光束再次通过光源合束镜13进行合束，合束后照射至靶标机构14中的镂空靶位，再经由次镜15照射至系统离轴反射镜12，系统离轴反射镜12将光束投射至扫描反射镜7上。

所述测控系统通过操作界面控制工控机，工控机控制两个采集处理器对被测系统9和所述模拟器包括三模光源模拟系统1进行数据采集和反馈。

所述三轴姿态模拟转台10包括三个驱动器、三个电机、航向轴、俯仰轴、横滚轴和负载平台，采用三个驱动器驱动三个电机，所述三个电机分别控制驱动航向轴、俯仰轴和横滚轴，所述航向轴、俯仰轴和横滚轴支撑负载平台。

通过图1所示，针对激光/红外/可见光三模复合光学成像，设计了三模复合目标模拟器，其组成见图1所示。主要由三模光源模拟系统1、扫描反射镜系统2、三轴姿态模拟转台10、测控系统、支撑平台11等五个部分。

工作原理

三模光源模拟系统1将带有可见光/红外一体化的背景、目标、干扰目标、激光回波等的光信号以平行光方式投射到扫描反射镜7上，扫描反射镜7在航向精密转台8带动下将多模光学目标模拟系统1的光信号投射到被测系统9的入瞳处；被测系统9通过转接工装，安装在三轴姿态模拟转台10的内环滚转环上，使其入瞳位置尽量位于三轴姿态模拟转台10的转动中心即三轴理论交点。

三模光源模拟系统1以复合光信号配合离轴反射平行光管实现，系统离轴反射镜12的作用是可以为被测设备提供十字或者点目标，实现被测设备的测角功能，也可为多模式光学系统的同轴检测提供基准。目标光源经光束整形后，与红外光源经光源合束镜13合束后，照射靶标机构14中的镂空靶标，位于系统离轴反射镜12焦平面上的靶标经离轴镜组反射后输出模拟无限远目标平行光，经合束镜供给被测设备。

三轴姿态模拟转台10用于对被测系统提供姿态模拟,通过转接工装安装固定被测系统，在测试被测系统视场角、角度精度等指标时，上位机指令三轴转台转动被测系统测试时所需的测试角度范围；根据测控系统反馈三轴转台位置姿态角度，比对目标模拟系统的模拟目标位于被测系统光敏面的位置角度，得出被测系统的视场角、角度精度等指标。在仿真使用时，模拟系统输出模拟可见、红外、模拟目标、干扰目标等模拟光斑，三轴姿态模拟转台10带动被测系统9在一定角位置限度内模拟被测系统的运动姿态，可以验证被测系统对激光复杂目标/背景的目标检测提取、识别及跟踪的性能检测。

扫描反射镜系统2中反射扫描镜7安装在航向精密转台8上，达到输出给被测设备目标航向角度的变化，可模拟目标二维航向运动，实现精密测角功能和目标飞行姿态。

支撑平台11用于安放三模光源模拟系统1和扫描反射镜系统2。

测控系统，选用测控计算机，用于测试管控、测试参数反馈或记录等。

图2是系统总体设计三维效果图，给出了多模复合目标模拟器产品外形图。根据图2所示，光源目标模拟系统安装在光学平台上，被测系统安装在三轴转台上，二者调同轴平行，使模拟光斑能准确落入到探测器内。测控系统总控所有部件时序和逻辑，使光学参数测试和动态仿真测试能有序进行。

光学系统原理设计总图，见图3所示。根据目标模拟系统组成图，将光学系统结构细化为由三模模拟光源5、可见红外复合一体化光源6、系统离轴反射镜12、光源合束镜13、靶标机构14和次镜15，所述三模模拟光源5包括均光系统16和衰减光学系统17。

其中所述三模模拟光源5通过编码目标光源5-2、干扰目标光源5-3和激光测距模拟光源5-1模拟光源，三款光源器件是1064nm激光器，通过光纤传输输出；光源内部的光调制模块主要包括均光器件和输出光能量调节模块组成。所述激光测距模拟光源5-1的出射光束与编码目标光源5-2的出射光束垂直，所述干扰目标光源5-3的出射光束与编码目标光源5-2的出射光束平行。均光器件是改善光纤输出光的均匀性，均匀照明目标和干扰目标靶面，经过光学准直系统输出后，模拟真实目标输出光被测产品入瞳处光能量均匀。输出光能量调节模块功能是调节目标和干扰目标的亮度，以模拟目标不同距离的能量变化，模块主要由能量调节器件及驱动电源组成。

可见红外复合一体化光源6由红外光源6-1和可见光源6-2组成，通过红外光源6-1和可见光源6-2模拟太阳光的组成、可见光目标及红外目标，根据需要调节能量及大小。

合束过程主要分为三个部分，第一个是三模模拟光源5的合束，第二个是可见红外一体光源的合束，第三个是二者与目标光路合束，根据个通道所需能量不同，合束时光能利用率有所不同。

离轴反射式平行光管作用是将各通道目标准直后输出，模拟远距离目标、干扰目标、激光测距传输等；同时可以进行多光轴系统的光轴平行性装调、标定及检测。

系统离轴反射镜12的视场不能设计太大，系统离轴反射镜12设计如图4所示。离轴反射系统主光路设计参数如下：离轴量：200mm；靶标有效视场：1.5°。

图5为均光系统设计原理图，各光源通道的均光系统16采用括光束整形镜头，均光片和六面导光管综合应用，并根据激光器具体输出光束质量进行结构优化。光束通过光束整形镜头整形，整形后的光束出射进入六面导光管，整形后的光束出射进入六面导光管，通过六面导光管的光束再经由均光片出射。

激光从激光器经光纤输出，数值孔径约为0.22约23°，且芯径较小，需要把此状态的光束转化为可均匀照明光阑的面发散光。均光需经两个步骤，首先是将光束整形，整形成较小的面发散光，然后将此面发散光按需要比例放大为覆盖可变光阑最大口径的面发散光。

光束整形是均光的核心技术，即图5中光束整形镜头、导光管和均光片，本部分方案如下：光束整形镜头负责将发散激光初步准直，再经内部的均光镜组聚焦进入导光管，其中均光镜组由双复眼透镜和正聚焦镜组成，图6为复眼透镜均光系统设计图。

图7为六面导光管设计图。初步均光后，受导光管尺寸限制，需要将较小的面均匀光放大为符合照明可变光阑的面均匀发散光，增加需要一个传统放大镜组即可实现更好的均光效果。

衰减光学系统17：目标、干扰、测距模拟光源光能量衰减主要由光源自身调整和连续衰减器构成，光源自身能量以较大的输出档位阶梯变化，S₁,S₂在每一阶梯范围内，可由连续衰减器衰减，衰减范围是0.05-4dB。连续衰减器选用定制型连续步进电机实现，衰减片由电机及驱动系统精密控制，线性度可控。图8为定制的连续衰减片实物图，图9为连续衰减器功能示意图。

目标、干扰、测距模拟光源即为编码目标、干扰目标和激光测距模拟光源，三款光源器件是1064nm激光器，通过光纤传输输出；光源内部的光调制模块主要包括均光器件和输出光能量调节模块组成。图10为设计原理图。

3、目标模拟器测控系统

多模复合目标模拟器的测控系统所述测控系统通过操作界面控制工控机，工控机控制两个采集处理器对被测系统9和所述模拟器包括三模光源模拟系统1进行数据采集和反馈。测控系统由工控机、配套控制与显示软件、供电电源、控制部分、通讯部分五部分组成，安装在一个控制台中。系统电气框图如图11所示。

光源目标模拟系统的电气控制部分包括目标/干扰光阑控制、目标/干扰二维平移控制、激光光源控制与背景光精密控制等4部分，其中目标光阑、目标二维平移为真目标与干扰目标两套共计8台电机的联动控制，以实现目标大小、位置的变化以模拟目标的远近、位置；激光光源控制为控制激光器的能量等光源参数输出；背景光可见光/红外光精密控制为以精密电压电流控制来实现背景光源的能量变化。

本方案所有部件与上位机通信协议是RS422，可接收测控系统指令，按照规范执行动作，满足性能测试需求。光源模拟器电控系统组成结构，见图12所示。

电控系统核心部件是FPGA，利用FPGA并行执行的优势，可以同时控制8台步进电机和2台激光器，使模拟器快速响应。

本发明提出的光源模拟方法，红外、可见光和激光三模的光源匀光、衰减方法，激光又分为干扰光、编码模拟光源、测距模拟光源，该方法能够实现多种光源模拟，能够满足激光成像、四象限和单元探测等多种模拟测试需求；干扰光能满足抗干扰测试需求。因此，本方法需要保护。

以上所述仅是新型激光红外可见光三模复合目标模拟器的优选实施方式，新型激光红外可见光三模复合目标模拟器的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种新型激光红外可见光三模复合目标模拟器，其特征是：所述模拟器包括三模光源模拟系统(1)、扫描反射镜系统(2)、被测系统(9)、三轴姿态模拟转台(10)、测控系统、支撑平台(11)和转接工装，所述三模光源模拟系统(1)和扫描反射镜系统(2)安装在支撑平台(11)上，被测系统(9)通过转接工装安装固定在三轴姿态模拟转台(10)的内环滚转环上，所述被测系统(9)的入瞳位置位于所述三轴姿态模拟转台(10)的转动中心；所述三模光源模拟系统(1)发出光束投射至扫描反射镜系统(2)上，扫描反射镜系统(2)将所述光束投射至被测系统(9)的入瞳处，通过所述测控系统对被测系统(9)和三模光源模拟系统(1)进行测试管控，反馈或者记录数据；

所述三模光源模拟系统(1)包括三模模拟光源(5)、可见红外复合一体化光源(6)、系统离轴反射镜(12)、光源合束镜(13)、靶标机构(14)和次镜(15)，所述三模模拟光源(5)包括均光系统(16)和衰减光学系统(17)；

所述扫描反射镜系统(2)包括扫描反射镜(7)和航向精密转台(8)，扫描反射镜安装在航向精密转台(8)上；

三模模拟光源(5)中的光束经由衰减光学系统(17)出射后，入射至所述均光系统(16)，通过所述均光系统(16)出射至光源合束镜(13)进行合束，同时所述可见红外复合一体化光源(6)的光束通过光源合束镜(13)进行合束，经过合束后的三模模拟光源(5)的光束与经过合束的可见红外复合一体化光源(6)的光束再次通过光源合束镜(13)进行合束，合束后照射至靶标机构(14)中的镂空靶位，再经由次镜(15)照射至系统离轴反射镜(12)，系统离轴反射镜(12)将光束投射至扫描反射镜(7)上。

2.根据权利要求1所述的一种新型激光红外可见光三模复合目标模拟器，其特征是：所述三模模拟光源(5)通过编码目标光源(5-2)、干扰目标光源(5-3)和激光测距模拟光源(5-1)模拟光源，编码目标光源(5-2)、干扰目标光源(5-3)和激光测距模拟光源(5-1)采用1064nm激光器，通过光纤传输输出，所述激光测距模拟光源(5-1)的出射光束与编码目标光源(5-2)的出射光束垂直，所述干扰目标光源(5-3)的出射光束与编码目标光源(5-2)的出射光束平行。

3.根据权利要求1所述的一种新型激光红外可见光三模复合目标模拟器，其特征是：可见红外复合一体化光源(6)由红外光源(6-1)和可见光源(6-2)组成，通过红外光源(6-1)和可见光源(6-2)模拟太阳光的组成、可见光目标及红外目标。

4.根据权利要求1所述的一种新型激光红外可见光三模复合目标模拟器，其特征是：所述均光系统(16)与衰减光学系统(17)集成在一起。

5.根据权利要求1所述的一种新型激光红外可见光三模复合目标模拟器，其特征是：所述系统离轴反射镜(12)的离轴量为200mm，靶标有效视场为1.5°。

6.根据权利要求1所述的一种新型激光红外可见光三模复合目标模拟器，其特征是：所述衰减光学系统(17)采用连续衰减器构成，所述连续衰减器选用步进电机和驱动系统控制，衰减范围在0.05-4dB间。

7.根据权利要求1所述的一种新型激光红外可见光三模复合目标模拟器，其特征是：所述均光系统(16)包括光束整形镜头，均光片和六面导光管，光束通过光束整形镜头整形，整形后的光束出射进入六面导光管，通过六面导光管的光束再经由均光片出射。

8.根据权利要求1所述的一种新型激光红外可见光三模复合目标模拟器，其特征是：所述测控系统通过操作界面控制工控机，工控机控制两个采集处理器对被测系统(9)和三模光源模拟系统(1)进行数据采集和反馈。

9.根据权利要求1所述的一种新型激光红外可见光三模复合目标模拟器，其特征是：所述三轴姿态模拟转台(10)包括三个驱动器、三个电机、航向轴、俯仰轴、横滚轴和负载平台，采用三个驱动器驱动三个电机，所述三个电机分别控制驱动航向轴、俯仰轴和横滚轴，所述航向轴、俯仰轴和横滚轴支撑负载平台。