CN115388713A - 一种多功能动态靶标检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种多功能动态靶标检测系统，其特征在于，主体支撑部分、升降机构、摆臂机构、回转机构、动态光源模拟及子成像系统，总控电子系统，主体支撑部分包括三节不同高度的支撑座，以实现不同大间距的高度调节，升降机构包括滑块、电机、丝杠、导轨、轴承，以实现小间距的高度调节；摆臂机构包括摆臂、导向反射镜、调整基座和配重块，以实现光源的接收和准直；回转机构包括编码器、电机、第一角接触球轴承、第二角接触球轴承、轴承，以实现摆臂机构的旋转；动态光源模拟及成像子系统包括望远单元、红外发射单元、激光发射单元、激光接收单元、第一分光片、第二分光片、振镜、CCD，实现了红外和激光的点目标源动态模拟和高精度闭环跟踪精度反馈功能。
Description
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，具体地说涉及多功能动态靶标检测系统。
背景技术
随着科学技术的发展，高能激光器的发展也十分的迅速，在军事领域拥有着举足轻重的作用。因此对高能激光系统参数的检测，也成为了人们所关注的重点话题。在20世纪80年代，美国就从瑞士进口了红外经纬仪和室外远距离靶标，安装在海军和空军基地。随后，美国又在白沙靶场设置了上百台光学及光电测量设备，利用GPS等先进目标定位技术解算空间运动目标的飞行轨迹。在20世纪80年代，国内船舶总公司所研制了一维靶标。长春光机所提出了一种全方位动态靶标装置，能够准确仿真多变空间目标运动轨迹。中国科学院上海光学精密机械研究所研制的旋转靶标引入二维指向镜，提高了测量的动态精度。湖北航天技术研究院发明了一种光电动态靶标装置，能够实现高精度动态测量。本发明区别于传统靶标设备只能提供跟踪目标，不能对位置准确控制的限制。本发明不仅可以模拟空间目标，而且能够准确地确定在任意时刻靶标的空间角度、运动速度、运动方式以及运动轨迹的参数，实现对不同空间动态目标的模拟仿真。
发明内容
为了解决上述存在的不足之处及缺点，本发明专利提出了一种多功能动态靶标检测系统。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种多功能动态靶标检测系统，其特征在于，主体支撑部分、升降机构、摆臂机构、回转机构、动态光源模拟及子成像系统，总控电子系统，主体支撑部分包括三节不同高度的支撑座，以实现不同大间距的高度调节，升降机构包括滑块、电机、丝杠、导轨、轴承，以实现小间距的高度调节；摆臂机构包括摆臂、导向反射镜、调整基座和配重块，以实现光源的接收和准直；回转机构包括编码器、电机、第一角接触球轴承、第二角接触球轴承、轴承，以实现摆臂机构的旋转；动态光源模拟及成像子系统包括望远单元、红外发射单元、激光发射单元、激光接收单元、第一分光片、第二分光片、振镜、CCD，实现了红外和激光的点目标源动态模拟和高精度闭环跟踪精度反馈功能；总控电系统包括电源系统和总控系统，以实现对整个设备的驱动和控制。
作为一种优选的技术方案，升降机构全长1.5m，导轨有对称两排，每排导轨有效行程400mm，每排滑轨高度为0.95m，两排滑轨上设有四个滑块，每排导轨用个M14螺丝使之固定在升降架上；丝杠选用梯形丝杠，经过两个轴承座固定，丝杠的控制方式为步进电机带动转速器运动，半闭环控制，在起始位置和终点位置安装霍尔开关，作为升降结构的限位；升降机构反复精度为±0.5mm，定位精度为±1mm。
作为一种优选的技术方案，摆臂总长度为1500mm，光束第一导向反射镜放置在摆臂中间位置，光束第二导向反射镜和配重块放置在摆臂两端，摆臂上设有位置孔，方便第一导向反射镜和第二导向反射镜在一定位置的调整，并采用钢制的配重块来配平，配重块里面加铅块，使重心在回转轴上。
作为一种优选的技术方案，第一导向反射镜的尺寸为长边160mm，短边115mm，材质为K9光学玻璃的八边形单反镜，通光口径100mm，第一导向反射镜采用尺寸为长边150mm，短边120mm，材质为K9光学玻璃的八边形单反镜，通光口径105mm，两者镜座用M6螺钉固定。
作为一种优选的技术方案，回转机构由编码器、电机、角接触球轴承、轴承组成，回转机构采用了中空孔电机，中空孔直径≥100mm，靶标旋转角速度0°/s ~ 90°/s，中空电机在满足光路传输无遮挡情况下，实现了摆臂的高速回转。其中，轴系采用串联装配布局，中空轴上安装的部件有：力矩电机的转子、轴承、编码器依次串联安装在中空轴上，靠近摆臂一侧使用一对高精度的第一角接触轴承，另外一侧使用第二角接触球轴承作为支撑端，把编码器安装在配对的角接触轴承一侧。
作为一种优选的技术方案，系统的动态光源模拟及成像子系统从光路组成方面主要包括激光光路和红外光路两大部分，激光光路包括望远单元、激光发射单元、激光接收单元，红外光路主要为红外发射单元，同时，系统带有第一导向反射镜、第二导向反射镜、振镜、CCD、第一分光片、第二分光片光路辅助元件。
作为一种优选的技术方案，望远单元21作为望远单元天线使用，采用了扩束比为5倍卡式系统结构，工作波段为600nm~700nm、808nm±5nm、3-5μm；出射口径：Φ90mm。
作为一种优选的技术方案，红外发射单元以实现中波波段点光源目标模拟，光源采用腔室黑体，设计波长覆盖3-5μm，星点尺寸为Φ0.05mm；激光发射单元以实现激光的点光源目标模拟，波长为808nm；束散角优于50μrad；激光接收单元主要用于检测高能激光系统发出的光斑运动情况；波长范围为600~700nm；视场为6mrad；检测角分辨率为0.3″。
作为一种优选的技术方案，第一分光片、第二分光片的尺寸均为46x6mm；材料为石英，镀膜45°±3°；在590nm～710nm 波长范围内平均透过率大于80%、在808±5nm 波长时平均反射率大于90%、在3～5um 时平均反射率大于90%；镀膜后，透射面形PV＜λ/5，RMS＜λ/30。
作为一种优选的技术方案， 振镜26使系统具备点光源扰动模拟功能，振镜摆动角度范围为2′~5′，靶标振镜频率范围≥180Hz；CCD及成像检测系统选用高帧频相机，可实现目标的脱靶量直接输出；探测器类型为CMOS；跟踪带宽≥100Hz，像元分辨率为1024×1024，像素大小为6.5μm×6.5μm，光谱相应范围为400nm~900nm。
本发明所达到的有益效果是：具有俯仰和升降功能，通过角度和高度的调整，可以扩展系统的通用型，以满足不同高度设备的测试需求。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是发明装置整体示意图。
图2是升降机构示意图。
图3是摆臂机构、回转机构和成像系统示意图。
图4是反射组镜。
图5是回转机构示意图。
图6是动态光源模拟及成像子系统原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1至6所示，一种多功能动态靶标检测系统，其特征在于：主体支撑部分1、升降机构2、摆臂机构3、回转机构4、动态光源模拟及子成像系统5，总控电子系统6，主体支撑部分1包括三节不同高度的支撑座，以实现不同大间距的高度调节，升降机构2包括滑块7、电机8、丝杠9、导轨10、轴承11等，以实现小间距的高度调节；摆臂机构3包括摆臂12、导向反射镜13、调整基座14和配重块15，以实现光源的接收和准直；回转机构4包括编码器17、电机18、第一角接触球轴承19-A、第二角接触球轴承19-B、轴承20，以实现摆臂机构的旋转；动态光源模拟及成像子系统5包括望远单元21、红外发射单元22、激光发射单元23、激光接收单元24、第一分光片25-A、第二分光片25-B、振镜26、CCD16，实现了红外和激光的点目标源动态模拟和高精度闭环跟踪精度反馈功能；总控电系统6包括电源系统和总控系统，以实现对整个设备的驱动和控制。
升降结构2包括滑块7、电机8、丝杠9、导轨10、轴承11，升降机构2全长1.5m，导轨有对称两排，每排导轨有效行程400mm，每排滑轨高度为0.95m，两排滑轨上设有四个滑块7，每排导轨用8个M14螺丝使之固定在升降架上；丝杠9选用梯形丝杠，经过两个轴承座固定，丝杠9的控制方式为步进电机8带动转速器运动，半闭环控制，在起始位置和终点位置安装霍尔开关，作为升降结构的限位；升降机构2反复精度为±0.5mm，定位精度为±1mm（在400mm距离内）。
摆臂机构3包括第一导向反射镜13-A、第二导向反射镜13-B、摆臂12、调整基座14和配重块15，结构中摆臂12总长度为1500mm，光束第一导向反射镜13-A放置在摆臂12中间位置，光束第二导向反射镜13-B和配重块15放置在摆臂12两端，摆臂12上设有位置孔，方便第一导向反射镜13-A和第二导向反射镜13-B在一定位置的调整，并采用钢制的配重块15来配平，配重块15里面加铅块，使重心在回转轴上。
第一导向反射镜13-A的尺寸为长边160mm，短边115mm，材质为K9光学玻璃的八边形单反镜，通光口径100mm，第一导向反射镜13-B采用尺寸为长边150mm，短边120mm，材质为K9光学玻璃的八边形单反镜，通光口径105mm，两者镜座用M6螺钉固定。
回转机构4由编码器17、电机18、角接触球轴承19、轴承20组成，回转机构采用了中空孔电机，中空孔直径≥100mm，靶标旋转角速度0°/s ~ 90°/s，中空电机在满足光路传输无遮挡情况下，实现了摆臂的高速回转。其中，轴系采用串联装配布局，中空轴上安装的部件有：力矩电机18的转子，轴承20，编码器17。上述三个部件依次串联安装在中空轴上，靠近摆臂一侧使用一对高精度的第一角接触轴承19-A，另外一侧使用第二角接触球轴承19-B作为支撑端，把编码器17安装在配对的角接触轴承一侧。
系统的动态光源模拟及成像子系统5从光路组成方面主要包括激光光路和红外光路两大部分，激光光路包括望远单元21、激光发射单元23、激光接收单元24，红外光路主要为红外发射单元22，同时，系统带有第一导向反射镜13-A、第二导向反射镜13-B、振镜26、CCD16、第一分光片25-A、第二分光片25-B光路辅助元件。
望远单元21作为望远单元天线使用，采用了扩束比为5倍卡式系统结构，工作波段为600nm~700nm、808nm±5nm、3-5μm；出射口径：Φ90mm。
红外发射单元22以实现中波波段点光源目标模拟，光源采用腔室黑体，设计波长覆盖3-5μm；星点尺寸为Φ0.05mm。
激光发射单元23以实现激光的点光源目标模拟，波长为808nm；束散角优于50μrad。
激光接收单元24主要用于检测高能激光系统发出的光斑运动情况；波长范围为600~700nm；视场为6mrad；检测角分辨率为0.3″。
第一分光片25-A、第二分光片25-B的尺寸均为46x6mm；材料为石英，镀膜： 45°±3°；在590nm～710nm 波长范围内平均透过率大于80%、在808±5nm 波长时平均反射率大于90%、在3～5um 时平均反射率大于90%；镀膜后，透射面形PV＜λ/5，RMS＜λ/30（632.8nm）。
振镜26使系统具备点光源扰动模拟功能，振镜摆动角度范围为2′~5′； 靶标振镜频率范围：≥180Hz。
CCD及成像检测系统选用高帧频相机16，可实现目标的脱靶量直接输出。探测器类型为CMOS；跟踪带宽≥100Hz；像元分辨率为1024×1024；像素大小为6.5μm×6.5μm；光谱相应范围为400nm~900nm。
激光发射单元23发射近红外光束及红外发射单元22发射中红外光束经望远单元21扩束后发出平行光束，经过第一导向反射镜13-A及第二导向反射镜13-B将光束指向高能激光系统。当靶标按照设定速度进行旋转时，整个光束相对高能激光系统的运动轨迹为圆锥型，保证目标始终在高能激光系统可跟踪范围内，而始终垂直于靶标出射光的高能激光系统成像靶面中光斑轨迹近似为圆形。当高能激光系统接收到光信号，可以实现跟踪，同时发出一束信标指示激光给动态靶标，动态中的图像处理系统可以实时解算相机光斑脱靶量，记录跟踪曲线评定跟踪性能。
本设备的控制系统主要是控制电机的运动形式，通过对电机的控制来模拟出转台跟踪目标的不同运动速度，一方面通过调节电机轴与水平面的夹角以及光轴与旋转轴的夹角；另一方面改变靶标的旋转速度，电机转速的控制用控制器加驱动器驱动来控制。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多功能动态靶标检测系统，其特征在于，主体支撑部分、升降机构、摆臂机构、回转机构、动态光源模拟及子成像系统，总控电子系统，主体支撑部分包括三节不同高度的支撑座，以实现不同大间距的高度调节，升降机构包括滑块、电机、丝杠、导轨、轴承，以实现小间距的高度调节；摆臂机构包括摆臂、导向反射镜、调整基座和配重块，以实现光源的接收和准直；回转机构包括编码器、电机、第一角接触球轴承、第二角接触球轴承、轴承，以实现摆臂机构的旋转；动态光源模拟及成像子系统包括望远单元、红外发射单元、激光发射单元、激光接收单元、第一分光片、第二分光片、振镜、CCD，实现了红外和激光的点目标源动态模拟和高精度闭环跟踪精度反馈功能；总控电系统包括电源系统和总控系统，以实现对整个设备的驱动和控制。
2.根据权利要求1所述的一种多功能动态靶标检测系统，其特征在于，升降机构全长1.5m，导轨有对称两排，每排导轨有效行程400mm，每排滑轨高度为0.95m，两排滑轨上设有四个滑块，每排导轨用个M14螺丝使之固定在升降架上；丝杠选用梯形丝杠，经过两个轴承座固定，丝杠的控制方式为步进电机带动转速器运动，半闭环控制，在起始位置和终点位置安装霍尔开关，作为升降结构的限位；升降机构反复精度为±0.5mm，定位精度为±1mm。
3.根据权利要求1所述的一种多功能动态靶标检测系统，其特征在于，摆臂总长度为1500mm，光束第一导向反射镜放置在摆臂中间位置，光束第二导向反射镜和配重块放置在摆臂两端，摆臂上设有位置孔，方便第一导向反射镜和第二导向反射镜在一定位置的调整，并采用钢制的配重块来配平，配重块里面加铅块，使重心在回转轴上。
4.根据权利要求1所述的一种多功能动态靶标检测系统，其特征在于，第一导向反射镜的尺寸为长边160mm，短边115mm，材质为K9光学玻璃的八边形单反镜，通光口径100mm，第一导向反射镜采用尺寸为长边150mm，短边120mm，材质为K9光学玻璃的八边形单反镜，通光口径105mm，两者镜座用M6螺钉固定。
5.根据权利要求1所述的一种多功能动态靶标检测系统，其特征在于，回转机构由编码器、电机、角接触球轴承、轴承组成，回转机构采用了中空孔电机，中空孔直径≥100mm，靶标旋转角速度0°/s ~ 90°/s，中空电机在满足光路传输无遮挡情况下，实现了摆臂的高速回转；其中，轴系采用串联装配布局，中空轴上安装的部件有：力矩电机的转子、轴承、编码器依次串联安装在中空轴上，靠近摆臂一侧使用一对高精度的第一角接触轴承，另外一侧使用第二角接触球轴承作为支撑端，把编码器安装在配对的角接触轴承一侧。
6.根据权利要求1所述的一种多功能动态靶标检测系统，其特征在于，系统的动态光源模拟及成像子系统从光路组成方面主要包括激光光路和红外光路两大部分，激光光路包括望远单元、激光发射单元、激光接收单元，红外光路主要为红外发射单元，同时，系统带有第一导向反射镜、第二导向反射镜、振镜、CCD、第一分光片、第二分光片光路辅助元件。
7.根据权利要求1所述的一种多功能动态靶标检测系统，其特征在于，望远单元21作为望远单元天线使用，采用了扩束比为5倍卡式系统结构，工作波段为600nm~700nm、808nm±5nm、3-5μm；出射口径：Φ90mm。
8.根据权利要求1所述的一种多功能动态靶标检测系统，其特征在于，红外发射单元以实现中波波段点光源目标模拟，光源采用腔室黑体，设计波长覆盖3-5μm，星点尺寸为Φ0.05mm；激光发射单元以实现激光的点光源目标模拟，波长为808nm；束散角优于50μrad；激光接收单元主要用于检测高能激光系统发出的光斑运动情况；波长范围为600~700nm；视场为6mrad；检测角分辨率为0.3″。
9.根据权利要求1所述的一种多功能动态靶标检测系统，其特征在于，第一分光片、第二分光片的尺寸均为46x6mm；材料为石英，镀膜45°±3°；在590nm～710nm 波长范围内平均透过率大于80%、在808±5nm 波长时平均反射率大于90%、在3～5um 时平均反射率大于90%；镀膜后，透射面形PV＜λ/5，RMS＜λ/30。
10.根据权利要求1所述的一种多功能动态靶标检测系统，其特征在于，振镜26使系统具备点光源扰动模拟功能，振镜摆动角度范围为2′~5′，靶标振镜频率范围≥180Hz；CCD及成像检测系统选用高帧频相机，可实现目标的脱靶量直接输出；探测器类型为CMOS；跟踪带宽≥100Hz，像元分辨率为1024×1024，像素大小为6.5μm×6.5μm，光谱相应范围为400nm~900nm。
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