CN112449121A - 一种超宽谱大靶面红外目标生成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超宽谱大靶面红外目标生成装置，包括：红外阴极射线显像管、光学投影系统、信号处理变换电路、控制系统、驱动信号线缆；控制系统控制待显示的场景图像的加载，发送给信号处理变换电路；信号处理变换电路将待显示的场景图像转换为红外阴极射线显像管的驱动信号，通过驱动信号线缆驱动红外阴极射线显像管生成红外辐射；红外阴极射线显像管生成红外辐射信号，光学投影系统对红外辐射信号进行准直输出，将红外辐射信号转换为平行光投影到指定的出瞳位置，实现输出的红外辐射与被测的红外热像仪视场匹配，入瞳与出瞳的匹配。本发明提供了覆盖中波红外到长波红外3～12μm的超宽谱段，大靶面高帧频红外场景生成装置。
Description
技术领域
本发明属于光学目标模拟领域，涉及一种宽谱段大靶面红外目标模拟生成装置。
背景技术
红外目标模拟广泛应用于红外成像系统测试与半实物仿真试验中，可将计算机产生的图像信号转换为真实的红外辐射，为红外成像(或探测)装置提供红外辐射场景。
现有主流的红外场景模拟生成方案是基于数字微镜(DMD)加黑体的方案，黑体生成红外辐射，DMD实现红外信号的调制输出，基于该方案的红外场景生成有以下问题待解决：
1)难以同时满足中波长波红外复合(2-12μm)的模拟，当前的解决方式常使用两套系统复合产生，中波一套，长波一套，然后通过合束镜合光。该方案系统复杂，存在两套系统光轴对齐的问题。
2)目前基于数字微镜(DMD)的红外目标模拟器由于DMD尺寸有限，对于大视场的目标模拟系统，系统焦距很小，光学系统口径受限，难以实现模拟器的出瞳与被测光学系统的入瞳匹配。
3)基于DMD的目标模拟器，由于DMD微镜的尺寸与长波红外波长接近，均为10μm左右，光学衍射现象严重，导致图像的对比度不高，长波红外的模拟质量远不如中波红外。
4)基于DMD的目标模拟器由于图像灰度大小是由DMD微镜的偏转时间调制生成，因此一般需要与被测的红外成像系统进行时间同步，才能保证成像效果，增加了系统使用的复杂性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种超宽谱大靶面红外目标生成装置，是覆盖中波红外到长波红外3-12μm的超宽谱段，大靶面高帧频红外场景生成装置。
本发明所采用的技术方案是：一种超宽谱大靶面红外目标生成装置，包括：红外阴极射线显像管、光学投影系统、信号处理变换电路、控制系统、驱动信号线缆；
控制系统控制待显示的场景图像的加载，发送给信号处理变换电路；信号处理变换电路将待显示的场景图像转换为红外阴极射线显像管的驱动信号，通过驱动信号线缆驱动红外阴极射线显像管生成红外辐射；红外阴极射线显像管生成红外辐射信号，光学投影系统对红外辐射信号进行准直输出，将红外辐射信号转换为平行光投影到指定的出瞳位置，实现输出的红外辐射与被测的红外热像仪视场匹配，入瞳与出瞳的匹配。
红外阴极射线显像管包括：电子枪、红外靶板、红外窗口、外壳、冷却装置、磁偏转控制装置；红外窗口安装在外壳前端，红外靶板安装在外壳后端，冷却装置安装在红外靶板后方，电子枪安装在外壳的侧支管内，磁偏转控制装置安装在外壳侧支管的外侧；外壳内部为真空状态；
电子枪在驱动信号的作用下，生成电子束，电子束在磁偏转控制装置的作用下实现聚焦与偏转，倾斜入射到红外靶板上，红外靶板产生的红外辐射信号通过红外窗口向外辐射；电子束通过磁偏转控制装置控制电子轰击红外靶板的指定位置，完成红外显像；电子束的强度控制输出的红外辐射信号在红外热像仪中像素点的灰度。
电子枪采用磁聚焦电子枪。
红外靶板上涂有红外荧光材料，红外荧光材料受到电子束激发后产生红外辐射信号，发光余辉时间为12～13ms；电子束的强度由控制系统输入的图片亮点灰度大小决定，电子束的偏转大小由控制系统输入的图片亮点像素坐标位置决定。
红外荧光材料采用多波段靶材料混合制成。
对于3～12μm波段，红外窗口的材料采用ZnS晶片，红外窗口采用过渡玻璃和激光焊接工艺封接。
冷却装置由金属材料制成，使靶板的衬底温度保持均匀并将电子束轰击下产生的焦耳热传递到外壳外部，由热电制冷器冷却。
光学投影系统采用反射透射相结合的方式，包括直径Φ220mm的卡式反射镜组的主镜、卡式反射镜组的次镜和Ge镜片，膜系保证2～12μm透过，出瞳直径为Φ150mm，出瞳距离d1为900mm，圆视场为2.9°，光学系统中心遮挡尺寸为Φ100mm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用中波与长波荧光材料混合，可同时产生2～12μm波段的红外辐射，供多谱段光电探测系统观测，避免了两套不同波段的系统合光的麻烦。
(2)本发明采用的荧光材料余晖时间长，可达12-13ms，对于100Hz以内的红外探测系统，无须时钟同步的要求，使用更加方便。
(3)本发明采用靶板制冷与增大电子束的电流两种方法相结合，可以图像对比度很大，图像上的最大温度差可达70℃以上，通过控制电子束的大小，可以实现1024长波灰阶，解决了基于DMD长波对比度较低的问题。
(4)本发明的靶面尺寸可达Φ100mm，可用于超大视场光电系统的投影，远大于常规DMD靶面尺寸(18mm×20mm)。
附图说明
图1为超宽谱大靶面红外场景生成装置组成示意图；
图2为光学投影系统组成示意图。
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、2，一种超宽谱大靶面红外目标生成装置包括红外阴极射线显像管、光学投影系统9、信号处理变换电路11、控制系统12、驱动信号线缆13。
光学投影系统9完成红外辐射信号5的准直输出，将靶板3上产生的红外辐射信号5转换为平行光投影到指定的出瞳位置，实现输出的红外辐射与被测的红外热像仪10视场匹配，入瞳与出瞳的匹配。
光学投影系统9采用反射透射相结合的方式，由直径Φ220mm的卡式反射镜组(主镜9-2与次镜9-3)和Ge镜片9-1构成，膜系保证2～12μm透过。出瞳9-4直径为Φ150mm，出瞳距离d1为900mm，圆视场为2.9°，光学系统中心遮挡尺寸为Φ100mm。
信号处理变化电路11负责红外阴极射线显像管驱动信号的生成，将待显示的场景图像转换为红外阴极射线显像管的驱动信号，通过驱动信号线缆13驱动红外阴极射线显像管生成红外辐射。
红外阴极射线显像管完成红外辐射信号的生成，其组成包括：电子枪1、红外靶板3、红外窗口4、外壳6、冷却装置7、磁偏转控制装置8和红外热像仪9，显像管内部为真空状态。
电子枪1在驱动信号的作用下，生成电子束2，电子枪束斑半宽小于70μm，竖直方向由于45°入射约为100μm。靶板3有效直径Φ100mm时，图像分辨率在靶面水平方向优于600。
电子束2在磁偏转控制装置8的作用下实现聚焦与偏转，最后以接近45°的角入射到靶板3上。聚焦电子束2的强度控制输出的红外辐射信号5中像素点的灰度。聚焦电子束2通过磁偏转控制装置8控制电子轰击红外靶板3的指定位置，完成红外显像。
电子枪1采用了磁聚焦高分辨率强流电子枪，比以往的静电聚焦电子枪性能更好。
红外靶板3靶面尺寸Φ100mm，靶面上涂有红外荧光材料，电子轰击后会发射红外光，产生的红外光有一定的余晖时间，在荧光材料余晖时间内电子扫描轰击其他位置形成一幅完整的红外图像，该图像由红外热像仪10观测到。聚焦电子束2的强度由输入的图像信号亮点灰度大小决定，聚焦电子束2的偏转大小由输入的图像信号中亮度坐标位置决定，这样完成了由输入的计算机图像信号到真实红外辐射图像的对应转换。
针对宽谱段需求，红外荧光材料采用中波与长波靶材料混合制成，通过试验测试选择混合比例2:3，能够获得比较均衡的宽谱段发射能量，其红外发射属于接近黑体辐射谱的宽波段连续的灰体辐射谱，满足3～12μm宽谱段目标辐射特性模拟需求。
荧光材料受到电子束激发后产生红外辐射，发光余辉时间12～13ms。在像点较少的条件下，图像在100Hz帧频下形成稳定的能量输出，该图像的时间匹配特性很好，即辐射在帧时间内稳定，接近真实物理红外辐射，无需进行帧同步，适用于各种帧频小于100Hz的扫描和凝式的红外导引头，图像时间匹配关系简单可靠。
靶板3产生的红外辐射通过红外窗口4往外辐射。对于3～12μm波段，采用ZnS晶片作为了窗口材料，实现了外直径Ф100mm高质量ZnS窗口的封接。
窗口4密封封接采用了膨胀系数匹配、热冲击较小的激光焊接工艺完成。该封接技术使真空靶板能够经受400℃长时间高温烘烤真空排气，封离后真空度可长期保持在10- 4Pa，确保真空靶板的性能和长寿命。
红外靶板3上的冷却装置7可以保证生成的图像背景温度较低且均匀，提升信号的对比度。
为防止靶板边沿的反射形成干扰，实际靶板边沿进行了过渡处理。靶板材料具有较好的耐轰击性能，采用可拆卸动态成像测试系统进行均匀性检测，从中筛选出质量较好的靶板。
冷却装置7由金属材料制成，有足够大的热导，可使靶板3的衬底温度保持均匀，并将电子束2轰击下产生的焦耳热传递到壳体外，由热电制冷器冷却。采用大面积的二级热电制冷器，可使靶板的实际温度保持在25℃以下。冷却部件实现了热电制冷器与靶板金属衬底间良好的导热。
图像面的温度稳定性和均匀性是红外场景产生器的重要性能参数，真空靶板尺寸较大，对图像面的温度控制要求较高。
冷却装置7使靶屏冷却的同时也使整个器件金属外壳温度下降，起到了抑制杂散红外辐射和降低图像面本底辐射的作用，有效地提高了图像质量。冷却装置7前端在靶屏外围采用了隔热较好的材料构成隔热层，后端则直接通过整机后端面进行散热，后端面由较厚的铝材料制成，面积较大且具有良好的导热特性，后面安装了散热风扇，以便将制冷器产生的大量热量散发，保证位于冷端面的靶屏冷却和温度稳定。
红外靶板3与冷却装置7的半导体制冷器组件相连接，半导体制冷器组件由多个泊尔帖器件构成，具有靶板不同区域的温差动态补偿功能，总制冷功率达100W。通过精密温度控制实现图像背景的均匀性和温度的稳定性。
本发明的超宽谱大靶面红外目标生成装置采用随机扫描成像方式实现多目标的高帧频生成。
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 (8)
1.一种超宽谱大靶面红外目标生成装置，其特征在于，包括：红外阴极射线显像管、光学投影系统(9)、信号处理变换电路(11)、控制系统(12)、驱动信号线缆(13)；
控制系统(12)控制待显示的场景图像的加载，发送给信号处理变换电路(11)；信号处理变换电路(11)将待显示的场景图像转换为红外阴极射线显像管的驱动信号，通过驱动信号线缆(13)驱动红外阴极射线显像管生成红外辐射；红外阴极射线显像管生成红外辐射信号(5)，光学投影系统(9)对红外辐射信号(5)进行准直输出，将红外辐射信号(5)转换为平行光投影到指定的出瞳位置，实现输出的红外辐射与被测的红外热像仪(10)视场匹配，入瞳与出瞳的匹配。
2.根据权利要求1所述的一种超宽谱大靶面红外目标生成装置，其特征在于，红外阴极射线显像管包括：电子枪(1)、红外靶板(3)、红外窗口(4)、外壳(6)、冷却装置(7)、磁偏转控制装置(8)；红外窗口(4)安装在外壳(6)前端，红外靶板(3)安装在外壳(6)后端，冷却装置(7)安装在红外靶板(3)后方，电子枪(1)安装在外壳(6)的侧支管内，磁偏转控制装置(8)安装在外壳(6)侧支管的外侧；外壳(6)内部为真空状态；
电子枪(1)在驱动信号的作用下，生成电子束(2)，电子束(2)在磁偏转控制装置(8)的作用下实现聚焦与偏转，倾斜入射到红外靶板(3)上，红外靶板(3)产生的红外辐射信号(5)通过红外窗口(4)向外辐射；电子束(2)通过磁偏转控制装置(8)控制电子轰击红外靶板(3)的指定位置，完成红外显像；电子束(2)的强度控制输出的红外辐射信号(5)在红外热像仪(10)中像素点的灰度。
3.根据权利要求2所述的一种超宽谱大靶面红外目标生成装置，其特征在于，电子枪(1)采用磁聚焦电子枪。
4.根据权利要求3所述的一种超宽谱大靶面红外目标生成装置，其特征在于，红外靶板(3)上涂有红外荧光材料，红外荧光材料受到电子束(2)激发后产生红外辐射信号，发光余辉时间为12～13ms；电子束(2)的强度由控制系统(12)输入的图片亮点灰度大小决定，电子束(2)的偏转大小由控制系统(12)输入的图片亮点像素坐标位置决定。
5.根据权利要求4所述的一种超宽谱大靶面红外目标生成装置，其特征在于，红外荧光材料采用多波段靶材料混合制成。
6.根据权利要求5所述的一种超宽谱大靶面红外目标生成装置，其特征在于，对于3～12μm波段，红外窗口(4)的材料采用ZnS晶片，红外窗口(4)采用过渡玻璃和激光焊接工艺封接。
7.根据权利要求6所述的一种超宽谱大靶面红外目标生成装置，其特征在于，冷却装置(7)由金属材料制成，使红外靶板(3)的衬底温度保持均匀并将电子束(2)轰击下产生的焦耳热传递到外壳(6)外部，由热电制冷器冷却。
8.根据权利要求7所述的一种超宽谱大靶面红外目标生成装置，其特征在于，光学投影系统(9)采用反射透射相结合的方式，包括直径Φ220mm的卡式反射镜组的主镜(9-2)、卡式反射镜组的次镜(9-3)和Ge镜片(9-1)，膜系保证2～12μm透过，出瞳(9-4)直径为Φ150mm，出瞳距离d1为900mm，圆视场为2.9°，光学系统中心遮挡尺寸为Φ100mm。
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