CN115077709A - 一种热红外地物目标模拟器、控制方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于热红外成像辐射定标技术领域，公开了一种热红外地物目标模拟器、控制方法及应用，热红外地物目标模拟器中三维角度调整台上侧安装有支撑杆，支撑杆上侧安装有高热导率基板，高热导率基板正面采用不同的表面处理技术，或利用导热胶粘贴不同发射率的薄膜材料；高热导率基板背面安装有测温电阻和电加热片，测温电阻通过导线与高精密控温仪连接，高精密控温仪与电加热片连接；高热导率基板正面设置有热红外成像仪和非接触式热红外测温仪，热红外成像仪右侧设置有热红外探测器。本发明热红外地物目标模拟器可以同时体现地物目标的几何特征和热红特征，具备对地物目标构成要素、物理属性、几何特征以及观测角度等的多维调控能力。

Description

一种热红外地物目标模拟器、控制方法及应用

技术领域

本发明属于热红外成像辐射定标技术领域，尤其涉及一种热红外地物目标模拟器、控制方法及应用。

背景技术

目前，工作在8～14μm谱段的热红外成像仪可以用于夜视安防、目标识别以及遥感测温等技术领域。现阶段，通常采用面源黑体实现热红外成像仪的辐射定标，建立入瞳辐亮度与热红外探测器读数值之间的联系。但是，热红外成像仪的应用场景与基于面源黑体的实验室定标有很大不同，地物目标的物理属性、应用环境和观测条件等方面与面源黑体存在较大差异。因此，传统的面源黑体难以直接应用于热红外地物目标的模拟。此外，在热红外光学系统研制、辐射定标、热红外遥感测温机理研究以及热红外辐射特征研究等专业技术领域均对热红外地物目标模拟器都有着迫切需求。现阶段，仍然缺乏一种可以针对地物目标进行设计和定制的热红外地物目标模拟器。这种模拟器应当可以同时体现地物目标的几何特征和热红外辐射特征，具备对目标组成要素、温度、发射率、几何形状以及观测角度等的调控能力。面源黑体通常应用于热红外成像仪的辐射定标，但是在地物目标物理属性、应用环境和观测条件等方面存在较大差异，难以直接充当热红外地物目标模拟器。在热红外成像领域，光学系统通常需要一个大尺寸、大发散角、均一、具备几何细节特征和目标热红外辐射特征的面目标；面源黑体是一种人为创造的理想光源，发射率接近于1且基本恒定，发光面尺寸受限，不具备几何细节特征，且体积较大等。特别是当面对大视场、高分辨率和高定量化要求的热红外光学系统，基于面源黑体的应用将非常受限。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的面源黑体难以直接应用于热红外地物目标的模拟，传统的面源黑体通常用于热红外成像仪的辐射定标，但难以作为热红外地物目标模拟器直接使用，主要在于缺乏对地物目标构成要素、物理属性、几何特征以及观测角度等的多维调控能力，难以适应复杂的地物目标环境和越发高标准的仪器设备定量化需求。

解决以上问题及缺陷的难度为：目前仍然缺乏一种可以针对地物目标几何特征和发射率特征进行设计和定制的热红外地物目标模拟器。这类模拟器需要具备对构成要素、物理属性、几何特征以及观测角度等的调控能力，是多要素集成的，具有系统复杂性和专业性，需要开展有针对性的设计和研究。

解决以上问题及缺陷的意义为：本发明提出的热红外地物目标模拟器对于开展热红外成像性能验证、辐射定标、遥感测温、地物目标识别、热辐射特征研究、仪器及系统定量化研究等都具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种热红外地物目标模拟器、控制方法及应用。本发明为一种可以针对地物目标几何特征和热红外辐射特征进行人为设计和调控的热红外地物目标模拟器，用于补充目前广泛采用的面源黑体定标技术。本发明所提出的热红外地物目标模拟器对于开展热红外成像性能验证、辐射定标、遥感测温、地物目标识别、热辐射特征研究、仪器及系统定量化研究等具有重要意义。

本发明是这样实现的，一种热红外地物目标模拟器，所述热红外地物目标模拟器设置有三维角度调整台；三维角度调整台上侧安装有支撑杆，支撑杆上侧安装有高热导率基板，高热导率基板上粘贴有薄膜材料；

高热导率基板背面安装有测温电阻和电加热片，测温电阻通过导线与高精密控温仪连接，高精密控温仪与电加热片连接；

高热导率基板正面设置有热红外成像仪和非接触式热红外测温仪，热红外成像仪右侧设置有热红外探测器。

进一步，所述高热导率基板正面划分有不同区域，不同区域之间设置有薄壁挡片。

进一步，所述薄壁挡片为低发射率薄壁挡片。

进一步，所述支撑杆与高热导率基板之间设置有聚酰亚胺隔热垫。

进一步，所述高热导率基板为边长为100mm～500mm的矩形。

进一步，所述高热导率基板正面根据地物目标的几何特征进行区域划分，不同区域进行不同的表面处理技术，或利用导热胶粘贴不同发射率的薄膜材料。

进一步，所述表面处理包括阳极氧化发黑、喷黑漆、喷白漆、喷沙、覆土。

进一步，所述薄膜材料包括磨砂黑膜、光亮黑膜、银膜、金膜、光亮铜带、铝箔、A4纸。

本发明另一目的在于提供一种所述热红外地物目标模拟器的热红外地物目标模拟器控制方法，所述热红外地物目标模拟器控制方法包括：

根据地物目标的几何特征和热红外成像仪的光学技术参数，确定高热导率基板的尺寸和表面发射率特征；根据地物目标几何特征和热红外特征，对高热导率基板正面进行区域划分，各个区域采用不同的表面处理技术，或利用导热胶粘贴不同发射率的薄膜材料；

在高热导率基板背面粘贴电加热片和设置测温电阻，在高热导率基板正面合理设置测温电阻的位置和数量；利用电加热片、测温电阻和高精密控温仪构建测控温链路，并进行连线；利用三维角度调整台调整地物目标模拟器的角度，通过高精密控温仪，设定目标温度；待温度稳定，热红外地物目标模拟器正常工作；通过接触式测温电阻、热电偶或非接触式热红外测温仪对目标模拟器进行温度校验。

本发明另一目的在于提供一种所述热红外地物目标模拟器在热红外光学系统研制、辐射定标、热红外遥感测温机理研究以及热红外辐射特征研究技术领域中的应用。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提出了一种可以针对地物目标进行设计和定制的热红外地物目标模拟器。这种模拟器可以同时体现地物目标的几何特征和热红外辐射特征，同时具备对地物目标组成要素、温度、发射率、几何形状以及观测角度等的多维调控能力。相较于发射率恒定且不具备几何细节特征的面源黑体，本发明具备更多的设计灵活性，特别适合于具有大视场、高空间分辨率，同时定量化水平要求高的热红外光学系统。

本发明通过在高热导率基板划分区域，采用表面处理技术，或利用导热胶粘贴不同发射率的薄膜材料，实现对地物目标几何特征和热红外发射率特征的模拟。本发明通过表面处理技术或粘贴薄膜材料，可以人为设计和定制地物目标的表面类型、组成结构以及热红外发射率特征。本发明模拟器具备基于反馈原理的高精密控温能力和多技术途径的测温校验能力，其中测温精度优于0.1K，控温精度优于0.2K，可以通过多点的测温数据拟合出地物目标模拟器的二维温度场。本发明采用测温电阻、热电偶以及非接触式测温等多种测温技术，相互校验，减小测量误差。本发明具备三维角度调节能力，具备对热红外成像仪观测几何的调节能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的热红外地物目标模拟器结构示意图；

图2是本发明实施例提供的高热导率基板结构示意图；

图2中：图a、正面；图b、反面；

图3是本发明实施例提供的测温电阻、高精密控温仪和电加热片连接结构示意图；

图4是本发明实施例提供的热红外地物目标模拟器正面测温点的分布图；

图5是本发明实施例提供的利用热红外成像仪拍摄的目标模拟器成像结果示意图；

图6是本发明实施例提供的基于温度反馈和温度校验的测控温方法流程图；

图中：1、高热导率基板；2、薄膜材料；3、测温电阻；4、薄壁挡片；5、高精密控温仪；6、电加热片；7、聚酰亚胺隔热垫；8、支撑杆；9、三维角度调整台；10、热红外成像仪；11、热红外探测器；12、非接触式热红外测温仪；13、第一测温点；14、第二测温点；15、第三测温点；16、第四测温点；17、第五测温点；18、用于标记的光亮铜带。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种热红外地物目标模拟器、控制方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的热红外地物目标模拟器业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的热红外地物目标模拟器仅仅是一个具体实施例而已。

如图1-图3所示，本发明实施例提供的热红外地物目标模拟器中三维角度调整台9上侧安装有支撑杆8，支撑杆8上侧安装有高热导率基板1，高热导率基板1上粘贴有薄膜材料2或经过处理的表面，薄膜材料2具备特定几何形状，可以体现出待模拟地物目标的特征。支撑杆8与高热导率基板1之间设置有聚酰亚胺隔热垫7。高热导率基板1背面安装有测温电阻3和电加热片6，测温电阻3通过导线与高精密控温仪5连接，高精密控温仪5与电加热片6连接，高热导率基板1正面划分有不同区域，不同区域之间设置有薄壁挡片4，以避免不同区域热辐射及环境辐射的影响。其中，薄壁挡片4为低发射率薄壁挡片。高热导率基板1正面设置有热红外成像仪10和非接触式热红外测温仪12，热红外成像仪10右侧设置有热红外探测器11。

高热导率基板1根据热红外成像仪的视场大小进行设计，设计为边长为100mm～500mm的矩形。高热导率基板1正面(朝向热红外成像仪的面)可以根据地物目标的几何特征进行区域划分，不同区域可以采用不同的表面处理技术，或利用导热胶粘贴不同发射率的薄膜材料2，实现对地物目标几何特征和热红外发射率特征的模拟。选用的薄膜材料2应易于剪裁，薄膜的几何形状和发射率特性可以根据地物目标的几何特征和发射率特征进行设计和选择。表面处理技术主要包括阳极氧化发黑、喷黑漆、喷白漆、喷沙、覆土等。实验室内可采用的薄膜材料2包括磨砂黑膜、光亮黑膜、银膜、金膜、光亮铜带、铝箔、A4纸等。高热导率基板1在不同区域的交界处设计具有一定高度的薄壁挡片4，避免不同区域热辐射及环境辐射的影响。本发明采用基于反馈原理的精密控温技术，高热导率基板1背面粘贴有均匀分布的电加热片6，通过“测温电阻+高精密控温仪+电加热片”构建高精度模拟器控温链路。局部温度可以采用多种方式校验，包括测温电阻3、热电偶或非接触式热红外测温仪12等。高热导率基板1通过支撑杆8安装在三维角度调整台9上，具备三维角度调节能力，可以实现地物目标观测角度的调控。高热导率基板1与支撑杆8之间设计有用于隔热的聚酰亚胺隔热垫7。三维角度调整台9具备±90°的方位角调节能力，±25°的俯仰角调节能力，以及±25°的翻滚角调节能力，角度调节精度优于0.1°。

如图4所示，高热导率基板1正面划分有四个区域，左上角区域设置有第一测温点13和第四测温点16，右上角区域设置有用于标记的光亮铜带18，右下角区域设置有第二测温点14、第三测温点15和第五测温点17。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细的描述。

本发明热红外地物目标模拟器主要包括高热导率基板1、具备特定几何特征的薄膜材料2、测控温组件以及三维角度调节机构。热红外地物目标模拟器采用高热导率的金属板材作为高热导率基板1，高热导率基板1根据热红外成像仪10的视场大小，设计为边长为100mm～500mm的矩形，覆盖或部分覆盖热红外成像仪10的有效视场。

高热导率基板1正面(朝向热红外成像仪10的面)可以根据地物目标的几何特征进行区域划分，不同区域可以采用不同的表面处理技术，或利用导热胶粘贴不同发射率的薄膜材料2，实现对地物目标几何特征和热红外发射率特征的模拟。其中，选用的薄膜材料2应易于剪裁，薄膜的几何形状和发射率特性可以根据地物目标的几何特征和发射率特征进行设计和选择。实验室内可采用的表面处理技术包括阳极氧化发黑、喷黑漆、喷白漆、喷沙、覆土等；实验室内可采用的薄膜材料2包括磨砂黑膜、光亮黑膜、银膜、金膜、光亮铜带、铝箔、A4纸等。部分表面处理技术或薄膜材料2的发射率参数汇总，如表1所示。通过以上措施可以在实验室内模拟出地物目标中沙石、土壤、水泥建筑、草地、落叶、不锈钢板等的发射率特性。经过技术处理的表面或薄膜材料2的发射率应当采用相同的技术方法制作测试样品，用于发射率测定。

表1部分表面处理技术或薄膜材料的热红外发射率

序号	表面类型	发射率
			1	阳极氧化发黑	0.93
2	喷黑漆	0.88
			3	喷白漆	0.87
4	喷沙	0.92
			5	光亮铜带	0.05
6	银膜	0.04
			7	A4纸	0.93

此外，为了避免不同区域产生的热辐射相互干扰以及周围环境对目标模拟器的影响，应当在不同区域的交界处设计具有一定高度的薄壁挡片4。热红外地物目标模拟器采用基于反馈原理的精密控温技术，构建基于“测温电阻+高精密控温仪+电加热片”高精度控温回路。在高热导率基板1背面(远离热红外成像仪10的面)粘贴均匀分布的电加热片6。

根据地物目标的几何特征和测温需要在高热导率基板1正反面多个位置设置测温点，利用经过标定的测温电阻3进行接触式测温，要求单点的测温精度应优于0.1K。基于高精密控温仪5的系统的控温精度应优于0.2K，温度调节范围应覆盖实验室系统定标常用的293K～343K。利用分布在高热导率基板1的多点测温数据，结合经过非均匀性矫正的热红外强度图像，可以拟合出地物目标模拟器的二维温度分布场。局部温度也可以通过接触式测温电阻3、热电偶或非接触式热红外测温仪12进行实时校验。通过以上多个技术途径，可以校验测温误差。

为了实现对热红外成像仪10观测几何的调控，地物目标模拟器应具备三维角度调节能力。具体为，高热导率基板1通过支撑杆8安装在三维角度调整台9上。高热导率基板1与支撑杆8之间设计有用于隔热的聚酰亚胺隔热垫7。三维角度调整台9具备±90°的方位角调节能力，±25°的俯仰角调节能力，以及±25°的翻滚角调节能力，角度调节精度优于0.1°。

下面结合仿真实验对本发明的技术方案作详细的描述。

本发明设计了应用于实验室条件的双元素热红外地物目标模拟器，针对的热红外光学系统有效焦距为50mm，视场角为7.5°×5.6°，工作距离为2000mm。地物目标模拟器的高热导率基板1采用经过阳极氧化发黑的铝板，方形，有效尺寸为200mm×200mm，高热导率基板1的发射率为0.93。高热导率基板1正面划分成“田”字格，“田”字格的对角区域设置相同的表面发射率特性。本发明仿真实验中“左上-右下”的对角线区域粘贴发射率为0.05的标记光亮铜带18；“左下-右上”的对角线未粘贴薄膜材料2，为阳极氧化发黑高热导率基板1。

地物目标模拟器采用基于反馈原理的精密控温技术，在模拟器高热导率基板1的背面(即远离热红外成像仪10的面)粘贴一张150mm×150mm的电加热片6；高热导率基板1的正面设置5个Pt 100贴片式铂电阻，进行局部接触式测温，分别命名为第一测温点13、第二测温点14、第三测温点15、第四测温点16、第五测温点17，测温点的位置分布如图4所示。获取的测温数据如下表2所示。以上配置满足测温精度优于0.1K，控温精度优于0.2K的技术要求，在实验室内的温度调节范围为293K～343K。利用热红外成像仪10获取的热红外地物目标模拟器的成像结果，如图5所示。

表2实验中测温点的实测温度

图中编号	名称	实时温度
			13	第一测温点	51.4℃
14	第二测温点	49.8℃
			15	第三测温点	56.2℃
16	第四测温点	55.4℃
			17	第五测温点	51.7℃

地物目标模拟器高热导率基板1通过支撑杆8安装在三维角度调整台9上，模拟器与支撑杆8之间安装有聚酰亚胺隔热垫7。三维角度调整台9具备±90°的方位角调节能力和±25°的俯仰角调节能力。

本发明的工作原理为：根据地物目标的几何特征和热红外成像仪的光学技术参数，合理设计高热导率基板1的尺寸和表面发射率特征；根据地物目标几何特征和热红外特征，对高热导率基板1正面(成像面)进行区域划分，各个区域采用不同的表面处理技术，或利用导热胶粘贴不同发射率的薄膜材料2，薄膜材料2的几何形状和发射率特性应当能够体现地物目标特征；在高热导率基板1背面粘贴电加热片6和设置测温电阻3；在高热导率基板1正面合理设置测温电阻3的位置和数量；利用电加热片6、测温电阻3和高精密控温仪5构建测控温链路，并进行连线；利用三维角度调整台9调整地物目标模拟器的角度，打开高精密控温仪5，设定目标温度；待温度稳定，热红外地物目标模拟器可正常工作；通过接触式测温电阻3、热电偶或非接触式热红外测温仪12对目标模拟器进行温度校验。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热红外地物目标模拟器，其特征在于，所述热红外地物目标模拟器设置有：

三维角度调整台；

三维角度调整台上侧安装有支撑杆，支撑杆上侧安装有高热导率基板，高热导率基板上粘贴有薄膜材料；

高热导率基板背面安装有测温电阻和电加热片，测温电阻通过导线与高精密控温仪连接，高精密控温仪与电加热片连接；

高热导率基板正面设置有热红外成像仪和非接触式热红外测温仪，热红外成像仪右侧设置有热红外探测器。

2.如权利要求1所述热红外地物目标模拟器，其特征在于，所述高热导率基板正面划分有不同区域，不同区域之间设置有薄壁挡片。

3.如权利要求2所述热红外地物目标模拟器，其特征在于，所述薄壁挡片为低发射率薄壁挡片。

4.如权利要求1所述热红外地物目标模拟器，其特征在于，所述支撑杆与高热导率基板之间设置有聚酰亚胺隔热垫。

5.如权利要求1所述热红外地物目标模拟器，其特征在于，所述高热导率基板为边长为100mm～500mm的矩形。

6.如权利要求1所述热红外地物目标模拟器，其特征在于，所述高热导率基板正面根据地物目标的几何特征进行区域划分，不同区域进行不同的表面处理技术，或利用导热胶粘贴不同发射率的薄膜材料。

7.如权利要求6所述热红外地物目标模拟器，其特征在于，所述表面处理包括阳极氧化发黑、喷黑漆、喷白漆、喷沙、覆土。

8.如权利要求1所述热红外地物目标模拟器，其特征在于，所述薄膜材料包括磨砂黑膜、光亮黑膜、银膜、金膜、光亮铜带、铝箔、A4纸。

9.一种如权利要求1～8任意一项所述热红外地物目标模拟器的热红外地物目标模拟器控制方法，其特征在于，所述热红外地物目标模拟器控制方法包括：

根据地物目标的几何特征和热红外成像仪的光学技术参数，确定高热导率基板的尺寸和表面发射率特征；根据地物目标几何特征和热红外特征，对高热导率基板正面进行区域划分，各个区域采用不同的表面处理技术，或利用导热胶粘贴不同发射率的薄膜材料；

在高热导率基板背面粘贴电加热片和设置测温电阻，在高热导率基板正面合理设置测温电阻的位置和数量；利用电加热片、测温电阻和高精密控温仪构建测控温链路，并进行连线；利用三维角度调整台调整地物目标模拟器的角度，通过高精密控温仪，设定目标温度；待温度稳定，热红外地物目标模拟器正常工作；通过接触式测温电阻、热电偶或非接触式热红外测温仪对目标模拟器进行温度校验。

10.一种如权利要求1～8任意一项所述热红外地物目标模拟器在热红外光学系统研制、辐射定标、热红外遥感测温机理研究以及热红外辐射特征研究技术领域中的应用。

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