CN112433381A - 一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置，包括长波红外激光器、激光瞄准光阑、激光衰减控制器等；长波红外激光器生成长波红外干扰激光，通过激光瞄准光阑进入激光衰减控制器中，激光衰减控制器对长波红外激光器发出的激光能量进行调节与控制；红外激光扩束系统调整激光光束，模拟无穷远观测过程；红外点目标模拟系统模拟亚像素级或像素级目标，模拟无穷远的观测效果，沿一维方向进行移动，移动速度、移动范围由控制系统控制；合束镜完成激光光束与红外点目标模拟系统的场景耦合；红外相机生成长波红外图像；图像采集系统在控制系统的控制下，采集红外相机拍摄的图像，通过连续工作，完成激光干扰条件下运动点目标图像序列的生成。

Description

一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置

技术领域

本发明属于激光干扰条件下的图像生成领域，涉及一种运动点目标图像生成装置。

背景技术

红外图像模拟生成广泛应用于光电成像系统测试与半实物仿真试验中，可为图像处理算法提供测试图像序列。随着光电对抗技术的不断发展，激光干扰逐步进入应用领域。如何仿真生成激光干扰条件下的红外图像序列，是红外成像仿真领域面临的新问题。

传统的技术方案有两大类，一类是计算仿真生成，根据激光传输理论以及探测器的响应特性，生成激光干扰情况下的图像，这种方法可以把激光干扰和运动目标结合在一起，但是存在激光干扰效应模拟不真实的问题。

另外一类是实测获取。利用激光直接照射探测器，获取激光干扰的图像。这种方法获取的激光图像非常真实，但图像中难以增加运动目标，一般只能增加点目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对长波红外波段激光干扰背景下的运动点目标图像生成需求，解决运动点目标与激光干扰同时生成的难题，提出一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置，目标可运动，模拟干扰条件下的探测，配合光电探测系统，可生成激光干扰条件下运动点目标图像，用于干扰效果评估与识别算法测试。

本发明所采用的技术方案是：激光干扰条件下运动点目标图像生成装置包括长波红外激光器、激光瞄准光阑、激光衰减控制器、红外激光扩束系统、合束镜、红外点目标模拟装置、二维转台、一维倾斜台、控制系统、红外相机、图像采集系统；

长波红外激光器生成长波红外干扰激光，通过激光瞄准光阑进入激光衰减控制器中，采用量子级联机制的长波红外激光器，激光器输出功率大于1W。

激光衰减控制器对长波红外激光器发出的激光能量进行调节与控制，模拟不同距离不同激光强度的干扰效果；包括多片衰减片、电子快门，激光先经过多片衰减片的衰减，再通过电子快门控制光路的通断，再进入红外激光扩束系统；采用多片衰减片组合实现不同的衰减倍率；每组使用1-3个衰减片不等，第一衰减片与光路垂直，第二衰减片与光轴呈夹角1，第三衰减片与光轴呈夹角2；角1与角2互补，保证了光线通过激光衰减控制后不发生偏转的同时起到抑制鬼像的作用。电子快门由控制系统控制，控制激光光路的通断。

红外激光扩束系统调整激光光束，模拟无穷远观测过程，使其能够覆盖红外相机的光学口径；红外激光扩束系统全部光机组件(包括扩束镜主镜和扩束镜次镜)均固定在钢制光学平台上，光学平台上所有光机组件加入防尘设计；扩束镜次镜安装在三维平移台上。激光经扩束镜次镜后，再经过扩束镜主镜反射成平行光；

扩束镜主镜为离轴抛物面反射镜，扩束镜次镜为球面镜；扩束镜主镜与扩束镜次镜均镀制高反铝膜，并在金属膜外部镀制N层介质保护膜(根据激光器的单脉冲能量及峰值功率密度选取不同层数的介质保护膜)，反射率可达85％以上。

扩束镜主镜与扩束镜次镜的支撑结构采用铝合金材料制作，扩束镜主镜与扩束镜次镜采用K9玻璃。

红外点目标模拟系统模拟亚像素级或像素级目标，模拟无穷远的观测效果，沿一维方向进行移动，移动速度、移动范围由控制系统控制，模拟目标运动；

红外点目标模拟系统包括光学部分、靶板和黑体；光学部分包括一个离轴抛物面反射镜(主镜)和一个平面反射镜(次镜)，两个反射镜的反射面均镀制高反铝膜，反射率可达0.85；红外点目标模拟系统光学系统的主镜、次镜采用K9玻璃，表面镀全波段高反铝膜；安装箱采用铸铁材料。

靶板控制成像的目标大小，假设红外点目标模拟系统的焦距为f，最终需要生成的目标视场张角为w，则靶板通光孔径的直径为fw。靶板可设计为多个尺寸通过孔，通过旋转或者更换靶板实现目标大小的切换。靶板为外径Φ10mm的圆形，厚度为0.2mm，选用铝合金材料，面向光路的一侧作无光发黑处理，面向黑体一侧抛光处理。

黑体包括光学透镜组、陶瓷加热体、温度传感器和散热片。

陶瓷加热体通电产生热辐射，陶瓷加热体温度通过温度传感器反馈回控制系统，陶瓷加热体产生的辐射通过前置光学透镜组使辐射能量集中并且均匀。为防止黑体陶瓷加热体产生的高温造成系统局部温度过高，导致系统被动无热化失效，在陶瓷加热体后加入散热片对黑体陶瓷加热体散热。

在陶瓷加热体表面涂高发射率涂层，此涂层可将陶瓷加热体的发射率提高至0.93。

黑体产生红外辐射，经过靶板后，再经过平面反射镜反射后，再离轴抛物面反射镜后变为平行光；

合束镜完成激光光束与红外点目标模拟系统的场景耦合，也就是光束合束，并完成对点目标重影的有效抑制；合束镜采用口径150mm的长波红外硫化锌材料制作，保证工作波段可以满足7μm～12μm，透射红外激光，反射红外目标；长波红外硫化锌材料表面镀膜，靠近红外点目标模拟系统的一侧镀制红外半反半透膜，靠近激光器一侧镀制红外增透膜。

激光器经扩束衰减的光路与红外点目标模拟系统的出射光路均近似于平行光路，合束镜通过镀制红外增透膜减小元件表面的反射光，可以保证次像的亮度与主像相比可以忽略不计。

控制系统包括一维倾斜台a、二维转台、红外点目标控制系统、激光控制系统和图像数据处理系统；红外点目标模拟器装置安装在一维倾斜台a，红外相机安装在二维转台上，二维转台由一维转台和一维倾斜台b构成，调整红外相机的视场指向，使得经过合束镜的平行光入射至红外相机的不同位置；激光控制系统控制激光器的功率和电子快门的通断；图像数据处理系统完成采集图像和状态记录功能。

一维倾斜台a实现点目标与激光干扰光斑相对位置的变化，选用MGC102C型精密电控倾斜台。

二维转台包括一维转台和一维倾斜台b，一维转台提供水平±20°的运动范围，一维倾斜台b提供俯仰±20°的运动范围。

红外相机安装在二维转台上，完成对相机视场指向的偏转控制。一维转台选用MRS103型一维转台。一维倾斜台b选用MGC102C型精密电控倾斜台。

红外相机可以采用制冷或者非制冷长波红外，实现长波红外图像的生成。

图像采集系统在控制系统的控制下，采集红外相机拍摄的图像，通过连续工作，完成激光干扰条件下运动点目标图像序列的生成。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用真实激光准直照射配合点目标模拟器一起生成红外图像，解决了点目标与激光干扰同时生成的难题，生成的激光干扰图像比仿真图像更加接近真实情况。

(2)本发明的点源目标模拟器放置在一维倾斜台，可以模拟目标的运动，实现运动目标的模拟。红外相机放置在二维转台上，可以模拟生成不同观测角度的图像。采用多片衰减片组合可以实现不同的衰减倍率，最大实现了10⁷倍的衰减，可以实现不同激光干扰强度下的图像生成；通过两片衰减片以互补角的安放设计，保证了光线通过激光衰减控制后不发生偏转的同时起到抑制鬼像的作用。

(3)本发明的激光准直光路使用了激光瞄准光栏，具有瞄准方便的功能；红外点目标模拟系统以及激光准则光路均采用被动无热化设计，利用不同材料膨胀系数不同的特性，通过不同材料温度效应互相抵消的方式，使得光学系统在较大温度范围均可以提供良好像质。

附图说明

图1为激光干扰条件下运动目标图像生成系统组成示意图；

图2为多片衰减片的排布方式图；

图3为激光扩束系统组成示意图；

图4为点目标模拟系统组成及光路图；

图5为靶板示意图，中心为通光孔。

图6为控制系统组成框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1

如图1～6所示，激光干扰条件下运动点目标图像生成装置包括长波红外激光器、激光瞄准光阑、激光衰减控制器、红外激光扩束系统、合束镜、红外点目标模拟装置、二维转台、一维倾斜台、控制系统、红外相机、图像采集系统；

长波红外激光器负责生成长波干扰激光，长波干扰激光通过激光瞄准光阑进入激光衰减控制器中，为了减小装置的体积和重量，使用了量子级联机制的长波红外激光器，激光器输出功率大于1W，入射激光直径典型值为2mm，激光束散角(全角)4mrad。

激光衰减控制器主要完成对激光能量的调节与控制，以模拟不同距离不同激光强度的干扰效果；激光衰减控制器包括多片衰减片、电子快门，激光先经过多片衰减片的衰减，再通过电子快门控制光路的通断，再进入红外激光扩束系统；

激光衰减控制采用3级衰减方式，提供7片衰减片，分别为1个1000倍衰减片，3个100倍衰减片，1个10倍衰减片，1个5倍衰减片，1个2倍衰减片。通过衰减片组合可以达成不同倍数的衰减，每组使用1-3个衰减片不等，第一衰减片与光路垂直，第二衰减片和第三衰减片与光轴成一定角度，角1与角2互补，保证了光线通过激光衰减控制后不发生偏转的同时起到抑制鬼像的作用。最大实现了10⁷倍的衰减，衰减倍数可实现2倍、5倍的调整。

电子快门由控制系统控制，可以方便控制激光光路的通断。电子快门选取成都科盛达光电的电子快门，快门通光口径选取了5mm口径的电动快门。

激光扩束系统主要完成激光光束的调整，模拟无穷远观测过程，使其能够覆盖红外相机的光学口径；

经激光扩束后直径不小于150mm，扩束比要大于75倍，激光扩束系统全部光机组件(包括扩束镜主镜和扩束镜次镜)被都固定在钢制光学平台上，使整个系统与平台构成一个整体。光学平台稳定性能够满足光学系统对结构稳定性的要求。平台上所有光机组件加入防尘设计。结合以往装调经验，结构设计和着重考虑了装调设计，为了便于激光瞄准，结构中加入了激光瞄准光栏。次镜组光机组件引入三维平移台，方便光路调试。

扩束镜主镜为离轴抛物面反射镜，扩束镜次镜为球面镜的结构形式，可以在保证大口径和大扩束比的同时减小体积和重量。

扩束镜主镜为离轴抛物面，顶点半径为980mm，离轴量为200mm，口径为Φ151mm，扩束镜次镜为球面镜，半径为13.3mm，口径为Φ2mm。扩束镜整体焦距f＝510mm，工作波段为7μm～12μm，扩束比为151÷2＝75.5倍。

扩束镜主镜与扩束镜次镜均镀制高反铝膜，并在金属膜外部镀制N层介质保护膜(根据激光器的单脉冲能量及峰值功率密度选取不同层数的介质保护膜)，提高膜层的激光损伤阈值，反射率可达85％以上。

扩束镜主镜与扩束镜次镜的支持结构采用铝合金材料制作，重量轻。扩束镜全部光机组件固定在钢制光学平台上。扩束镜主镜与扩束镜次镜采用K9玻璃，通过Zemax仿真分析软件，铝合金材料、钢材料和K9玻璃三种材料的热膨胀系数使得扩散系统在-10℃至50℃温度区间使用均可提供理想模拟效果。

红外点目标模拟系统主要完成亚像素级或像素级目标模拟，模拟无穷远的观测效果，并能在沿一维方向进行移动，移动速度、移动范围由控制系统控制，模拟目标运动；

红外点目标模拟系统包括光学部分、靶板和黑体；红外点目标模拟系统的光学部分采用一个离轴抛物面反射镜(主镜)和一个平面反射镜(次镜)组成，两个反射镜的反射面均镀制高反铝膜，反射率可达0.85；

红外点目标模拟系统光学系统主镜、次镜采用K9玻璃，表面镀全波段高反铝膜；安装箱采用铸铁材料，两种材料被动配合，提高对温度变化的抗性。

红外点目标模拟系统主镜采用离轴抛物面反射镜，顶点半径为980mm，离轴量为200mm，口径为Φ151mm，焦距f＝510mm，设计结果与扩散镜相同。次镜为平面反射镜，垂轴投影直径为75mm。

靶板控制成像的目标大小，假设红外点目标模拟系统的焦距为f，最终需要生成的目标视场张角为w，则靶板通光孔径的直径为fw。靶板可设计为多个尺寸通过孔，通过旋转或者更换靶板实现目标大小的切换。红外点目标模拟系统的焦距为510mm，制作靶板圆点张角为1mrad，尺寸为0.5mm。

靶板设计成外径Φ10mm的圆形，厚度为0.2mm，选用铝合金材料，面向光路的一侧作无光发黑处理，以减少杂散光，面向黑体一侧抛光处理，以减少热量吸收。

黑体包括光学透镜组、陶瓷加热体、温度传感器和散热片。

陶瓷加热体通电产生热辐射，陶瓷加热体温度通过温度传感器反馈回控制系统，陶瓷加热体产生的辐射通过前置光学透镜组使辐射能量集中并且均匀。为防止黑体陶瓷加热体产生的高温造成系统局部温度过高，导致系统被动无热化失效，在陶瓷加热体后加入散热片对黑体陶瓷加热体散热。

为提高陶瓷加热体的发射率，在陶瓷加热体表面涂高发射率涂层，提高陶瓷加热体的发射率，此涂层可将陶瓷加热体的发射率提高至0.93。

黑体产生红外辐射，经过靶板后，在经过平面反射镜反射后，再离轴抛物面反射镜后变为平行光；

选取陶瓷加热体为XH-RJ505020型号，50×50mm长宽比，2mm厚度的高温陶瓷晶体。

阻值为12Ω，最大辐射温度可达300℃，均匀性优于90％，电压最高值为36V，系统可达到的最高温度为200℃，本方案设计黑体温度：120℃。

合束镜完成激光光束与点目标模拟系统的场景耦合，也就是光束合束，并完成对点目标重影的有效抑制；

合束镜采用口径150mm的长波红外硫化锌材料制作，保证工作波段可以满足7μm～12μm，透射红外激光，反射红外目标。

长波红外硫化锌材料表面镀膜，靠近红外点目标模拟系统的一侧镀制红外半反半透膜，靠近激光器一侧镀制红外增透膜。

激光器经扩束衰减的光路与红外点目标模拟系统的出射光路均近似于平行光路，两路平行光束通过合束镜合束产生的多次反射现象很不明显，再通过镀制红外增透膜减小元件表面的反射光。可以保证次像的亮度与主像相比可以忽略不计。

控制系统由便携式控制柜、一维倾斜台、二维转台、红外点目标控制系统、激光控制系统和图像数据处理系统几部分组成。其中便携式控制柜由工控机和控制器构成，工控机搭配Cameralink采集卡和串口卡，完成图像采集和温度控制功能；二维转台由一维转台和一维倾斜台构成，实现被测设备测试过程中的视场指向功能；激光控制系统由激光器控制器和电子快门构成，实现激光器的工作方式控制和快速开关功能；图像数据处理系统完成采集图像的分析和状态记录功能。

一维倾斜台实现点目标与激光干扰光斑相对位置的变化，选用MGC102C型精密电控倾斜台，台面绕同一水平轴线做俯仰调节，最大倾斜角：±45°。

二维转台由一个一维转台和一个一维倾斜台组成，一维转台为系统提供水平±20°的运动范围，一维倾斜台提供俯仰±20°的运动范围。

红外相机安装在二维转台上，完成对相机视场指向的偏转控制。一维转台选用MRS103一维转台。一维倾斜台选用MGC102C型精密电控倾斜台。

红外相机采用制冷型长波探测，视场2°×1.6°，探测器规模256×320，像元尺寸30μm，光学系统入瞳口径137.5mm，焦距275mm。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置，其特征在于，包括长波红外激光器、激光瞄准光阑、激光衰减控制器、红外激光扩束系统、合束镜、红外点目标模拟装置、二维转台、一维倾斜台、控制系统、红外相机、图像采集系统；

长波红外激光器生成长波红外干扰激光，通过激光瞄准光阑进入激光衰减控制器中，激光衰减控制器对长波红外激光器发出的激光能量进行调节与控制，模拟不同距离不同激光强度的干扰效果；激光经过激光衰减控制器后进入红外激光扩束系统，红外激光扩束系统调整激光光束，模拟无穷远观测过程，使激光能够覆盖红外相机的光学口径；

红外点目标模拟系统模拟亚像素级或像素级目标，模拟无穷远的观测效果，沿一维方向进行移动，移动速度、移动范围由控制系统控制，模拟目标运动；

合束镜完成激光光束与红外点目标模拟系统的场景耦合，并完成对点目标重影的抑制；

控制系统包括一维倾斜台a、二维转台、红外点目标控制系统、激光控制系统和图像数据处理系统；红外点目标模拟器装置安装在一维倾斜台a上，红外相机安装在二维转台上，调整红外相机的视场指向，使得经过合束镜的平行光以不同角度入射至红外相机；激光控制系统控制激光器的功率和激光光路的通断；图像数据处理系统完成采集图像的处理分析和状态记录功能；

红外相机生成长波红外图像；图像采集系统在控制系统的控制下，采集红外相机拍摄的图像，通过连续工作，完成激光干扰条件下运动点目标图像序列的生成。

2.根据权利要求1所述的一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置，其特征在于，长波红外激光器采用量子级联机制的长波红外激光器，激光器输出功率大于1W。

3.根据权利要求1或2所述的一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置，其特征在于，激光衰减控制器包括衰减片、电子快门，激光先经过衰减片的衰减，再通过电子快门控制光路的通断，再进入红外激光扩束系统；激光衰减控制器采用多片衰减片组合实现不同的衰减倍率，以模拟不同的激光干扰强度；电子快门由控制系统控制。

4.根据权利要求3所述的一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置，其特征在于，红外激光扩束系统包括扩束镜主镜和扩束镜次镜，均固定在钢制光学平台上，扩束镜次镜安装在三维平移台上；激光经扩束镜次镜后，再经过扩束镜主镜反射成平行光。

5.根据权利要求4所述的一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置，其特征在于，扩束镜主镜为离轴抛物面反射镜，扩束镜次镜为球面镜；扩束镜主镜与扩束镜次镜均镀制高反铝膜，并在金属膜外部镀制N层介质保护膜，根据激光器的单脉冲能量及峰值功率密度选取不同层数的介质保护膜；扩束镜主镜与扩束镜次镜的支撑结构采用铝合金材料制作，扩束镜主镜与扩束镜次镜采用K9玻璃。

6.根据权利要求5所述的一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置，其特征在于，红外点目标模拟系统包括光学部分、靶板和黑体；光学部分包括离轴抛物面反射镜和平面反射镜，离轴抛物面反射镜和平面反射镜的反射面均镀制高反铝膜；离轴抛物面反射镜和平面反射镜采用K9玻璃，表面镀全波段高反铝膜；红外点目标模拟系统的安装箱采用铸铁材料；

靶板控制成像的目标大小，靶板通光孔径的直径为fw；其中，f为红外点目标模拟系统的焦距，w为最终需要生成的目标视场张角；靶板上设置多个尺寸通过孔，通过旋转或者更换靶板实现目标大小的切换；靶板为圆形板，选用铝合金材料，面向光路的一侧作无光发黑处理，面向黑体一侧抛光处理；

黑体包括光学透镜组、陶瓷加热体、温度传感器和散热片；陶瓷加热体通电产生热辐射，陶瓷加热体温度通过温度传感器反馈回控制系统，陶瓷加热体产生的辐射通过前置光学透镜组使辐射能量集中并且均匀；在陶瓷加热体后加入散热片对黑体陶瓷加热体散热；在陶瓷加热体表面涂高发射率涂层；黑体产生红外辐射，经过靶板后，再经过平面反射镜反射后，再离轴抛物面反射镜后变为平行光。

7.根据权利要求5所述的一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置，其特征在于，合束镜采用长波红外硫化锌材料制作，保证工作波段满足7μm～12μm，透射红外激光，反射红外点目标模拟系统的出射光；长波红外硫化锌材料表面镀膜，靠近红外点目标模拟系统的一侧镀制红外半反半透膜，靠近激光器一侧镀制红外增透膜。

8.根据权利要求7所述的一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置，其特征在于，一维倾斜台a实现点目标与激光干扰光斑相对位置的变化，选用MGC102C型精密电控倾斜台。

9.根据权利要求8所述的一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置，其特征在于，二维转台包括一维转台和一维倾斜台b，一维转台提供水平±20°的运动范围，一维倾斜台b提供俯仰±20°的运动范围；一维转台选用MRS103型一维转台；一维倾斜台b选用MGC102C型精密电控倾斜台。

10.根据权利要求9所述的一种激光干扰条件下运动点目标图像生成装置，其特征在于，红外相机采用制冷或者非制冷长波红外。

Images