CN103837326A - 拼接式红外/微波波束合成装置红外调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拼接式红外/微波波束合成装置的调试与标校方法，属于光学领域。步骤为：①特征点选取与编号；②计算特征点的空间坐标；③计算特征点的角位置坐标；④调试设备准备；⑤中心子片调试；⑥相邻子片拼接调试；⑦循环调试直到所有子片调试完毕。本发明的提供了一种红外反射面的调试方法解决了拼接后的红外反射面仍满足在平行光路中***对成像质量的要求，即红外目标所发射的平行光在照射到不同子片时，被测设备所探测到的图像无混淆和***，所以解决了波束合成装置尺寸小、无法扩展的问题。同时解决了目标的光轴与被测设备的光轴经波束合成装置反射后不同轴的问题。本发明主要应用于红外/微波复合成像探测制导半实物仿真***。

Description

拼接式红外/微波波束合成装置红外调试方法

技术领域

本发明涉及一种波束合成装置的调试方法，特别涉及一种拼接式红外/微波波束合成装置的调试与标校方法，主要应用于红外/微波复合成像探测制导半实物仿真***。本发明属于光学领域。

背景技术

红外/微波双模复合制导技术是当前最有发展前景的精确制导技术之一。它使得红外制导、微波制导与毫米波制导体制优势互补，同时可以弥补各方的缺点。为了在实验室进行红外/微波复合制导的设计、验证、测试和评估，需要建立相应的红外/微波复合制导半实物仿真***。三轴飞行转台可以模拟被测设备的俯仰、方位和滚转运动。红外目标安装在红外目标随动转台上用于模拟目标的相对运动。微波目标阵列用于模拟目标的雷达散射信号。为了将红外目标图像信号、微波雷达信号在空间组合投射到被测设备的同一探测视场而互不干扰，波束合成装置反射红外图像信号同时透射微波雷达信号，使得被测设备能够同时看到同一目标来自同一方向的红外辐射特征和雷达散射特征。因此波束合成装置是实现红外/微波复合制导半实物仿真***中模拟复合制导的主要手段。

在波束合成装置的设计研制中，主要以带红外反射膜的介质板、泡沫基质上的选频表面、衍射光学器件、一维光子晶体、金属网栅膜、棱镜阵列等技术路线为主。为了实现大视场范围的红外/微波波束合成，北京理工大学提出了一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置（专利申请号：ZL201310071451.X一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置），包括红外反射平面、支撑平板、空气层、调整机构。由于红外反射平面由多个子片拼接而成，因此需要提出一种红外反射面的调试方法使得拼接后的红外反射面满足***对成像质量的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是使得红外目标发射的平行光经过波束合成装置精确反射到被测设备入瞳，即目标的光轴与被测设备的光轴经波束合成装置反射保持同轴；同时保证拼接后的红外反射面满足在平行光路中***对成像质量的要求，（即红外目标所发射的平行光在照射到不同子片时，被测设备所探测到的图像无混淆和***），为解决上述问题，本发明公开一种拼接式红外/微波波束合成装置红外调试方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的拼接式红外/微波波束合成装置红外调试方法，基于一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置专利，该装置包括红外/激光反射平面、支撑平板、空气层、调整机构。所述的红外/激光反射平面由多个子片拼接而成，拼接后红外/激光反射平面的形状根据波束合成要求而定。支撑平板由多个子板构成，拼接后支撑平板的形状根据波束合成要求而定。红外/激光反射平面和支撑平板之间设有一个空气层。通过调整红外/激光反射平面的材料和厚度、空气层厚度、支撑平板的材料和厚度，使微波/毫米波波段范围内和入射角范围内的透过率满足要求。

具体步骤如下：

（1）特征点选取与编号

波束合成装置由M行，N列块子片拼接构成，第m行，第n列的子片编号记为m,n^#，其中1≤m≤M,1≤n≤N。选取每块子片的中心点为特征点并标记为P_mn。选取每2列子片之间的缝隙中心点为特征点并标记为C_ij，（1≤i≤M,1≤j≤N-1）；选取每2行子片之间的缝隙中心点为特征点并标记为R_pq，（1≤p≤M-1,1≤q≤N）。

（2）特征点空间坐标计算

建立坐标系如下：坐标原点位于飞行转台回转中心；根据需要选择坐标轴。优选的x方向与三轴飞行转台的滚转轴（飞行转台处于零位时）同向；优选的y方向指向铅垂向上；优选的按照右手定则，z方向指向三轴飞行转台的俯仰轴。给出P_mn，C_ij和R_pq的坐标（x，y，z），并绘制成表格。

（3）特征点角位置坐标计算

计算P_mn，C_ij和R_pq每个点的角位置坐标方位角Q_h和俯仰角Q_v，计算公式如下： $Q_h={\sin }^{-1}\left(\frac{z}{L}\right),Q_v={\tan }^{-1}\left(\frac{y}{x}\right),$ 其中距离 $L=\sqrt{x^2+y^2+z^2}.$ 分别将角位置坐标绘制成表格。

（4）调试设备准备

将平行光管装配在目标随动转台的旋转轴上，通过机械装配使得平行光管的光轴与目标随动转台的旋转轴基本重合。根据平行光管的工作波段确定校准装置为可见光或红外成像设备。优选的校准装置为可见光摄像机或红外摄像机。将校准装置装配在三轴飞行转台的滚转轴上，通过机械装配使得校准装置的光轴与三轴飞行转台的滚转轴基本重合。校准装置连接图像显示和采集设备，图像显示和采集设备可显示和记录平行光管靶标图像。优选的平行光管靶标为星点、十字线、标尺等。

（5）中心子片调试。

中心子片M/2,N/2^#（注：当M或N为奇数时，M/2或N/2取整数）调试。目的是使得目标的光轴（三轴飞行转台滚转轴）与被测设备的光轴（目标随动转台旋转）经波束合成装置反射保持同轴。

（5.1）查表给出P_M/2N/2的角位置坐标，输入并驱动三轴飞行转台和目标随动转台，均按照给定角位置坐标运动到位。

（5.2）标定三轴飞行转台滚转轴位置。目标随动转台静止不动。记录靶标位于在图像中的位置并记为A，然后每隔90°顺时针或逆时针转动三轴飞行转台的滚转轴转动一周，并在图像显示和采集设备上分别记录位置B、C、和D点。直线连接A点和C点，直线连接B点和D点。两条直线的十字交叉点记为S点即三轴飞行转台滚转轴位置。

（5.3）标定目标随动转台旋转轴位置。三轴飞行转台静止不动。记录靶标位于在图像显示和采集设备图像中的位置并记为A＇，然后每隔90°顺时针或逆时针转动目标随动转台旋转轴转动一周，并在图像显示和采集设备上分别记录位置B＇、C＇、和D＇点。直线连接A＇点和C＇点，直线连接B＇点和D＇点。两条直线的十字交叉点T即目标随动转台旋转轴的位置。调节平行光管靶标的位置，使得靶标中心位于T点，此时平行光管光轴与目标随动转台旋转轴重合。

（5.4）调节子片M/2,N/2^#，使得S点和靶标重合。中心子片M/2,N/2^#调试完毕。目标的光轴（三轴飞行转台滚转轴）与被测设备的光轴（目标随动转台旋转）经波束合成装置反射后保持同轴。

（6）相邻子片的拼接调试。

（6.1）选取中心子片为基准，进而扩充拼接周围邻接的四块子片：M/2+1,N/2^#，M/2-1,N/2^#，M/2,N/2+1^#，M/2,N/2-1^#。

（6.2）以M/2+1,N/2^#为例进行说明，判断子片M/2+1,N/2^#是否已调试完毕，如果否则继续下一步骤，如果是则转入步骤（6.5）。

（6.3）M/2,N/2^#和M/2+1,N/2^#的拼缝中心位置为R_M/2N/2，查表找到该点对应的角位置，并输入三轴飞行转台和目标随动转台，均按照给定坐标运动到位。

（6.4）此时红外目标所发射的平行光在照射到子片M/2,N/2^#和M/2+1,N/2^#时，此时图像显示和采集设备的图像中有两个靶标：一个是经过基准子片M/2,N/2^#反射所成的靶标像中心位于S点，另外一个是经过相邻子片M/2+1,N/2^#反射所成的靶标像中心位于视场内的其他位置记为T＇，调节子片M/2+1,N/2^#，使得S点和T＇点重合。即红外目标所发射的平行光在照射到子片M/2,N/2^#和M/2+1,N/2^#时，被测设备所探测到的图像无混淆和***。M/2+1,N/2^#调试完毕。（6.5）判断是否所有相邻子片调试完毕，是则继续，否则跳至步骤（6.2）。依次对M/2-1,N/2^#，M/2,N/2+1^#，M/2,N/2-1^#子片分别重复步骤（6.2）至（6.3）。子片M/2-1,N/2^#，M/2,N/2+1^#，M/2,N/2-1^#调试完毕。

（7）判断是否所有子片调试完毕，是则结束调试，否则跳至步骤（6.1）。将已调试完毕的子片M/2+1,N/2^#，M/2-1,N/2^#，M/2,N/2+1^#，M/2,N/2-1^#依次作为下一轮调节的基准子片扩充拼接周围邻接的四块子片，已经调试完毕的子片不再调试，对于未经调试的子片重复步骤（6），直到子片全部调试完毕。

有益效果

1、本发明的一种拼接式红外/微波波束合成装置红外调试方法，通过对不同子片拼接缝隙处所反射的图像为依据进行调试，直到不同子片所反射的图像重合无***，解决了拼接后的红外反射面仍满足在平行光路中***对成像质量的要求，即红外目标所发射的平行光在照射到不同子片时，被测设备所探测到的图像无混淆和***。

2、本发明的一种拼接式红外/微波波束合成装置红外调试方法，用于红外反射平面的拼接调试，使得子片的数量可以根据所需要的面积和尺寸进行扩充，同时还能够保证***对成像质量的要求。因此解决了波束合成装置尺寸小、无法扩展的问题。

3、本发明的一种拼接式红外/微波波束合成装置红外调试方法，采用的调试装置平行光管与实际目标的工作原理及参数一致，同时所采用的校准装置与被测设备装置的工作原理及参数一致，调试过程中解决了平行光管的光轴与校准装置的光轴经波束合成装置反射后不同轴的问题，因此也就解决了目标的光轴与被测设备的光轴经波束合成装置反射后不同轴的问题。

附图说明

图1是本发明的拼接式红外/微波波束合成装置红外调试方法的流程图；

图2是拼接式红外/微波波束合成装置及红外调试方法示意图；

图3是波束合成装置特征点选取与编号示意图；

图4是标定三轴飞行转台滚转轴位置示意图；

图5是标定目标随动转台旋转轴位置示意图；

图6中心子片调节后所成图像示意图；

图7是相邻子片调试前所成的图像示意图；

图8是相邻子片调试后所成的图像示意图。

其中，1—波束合成装置、2—三轴飞行转台、3—平行光管、4—校准装置、5—平行光。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例

一种拼接式红外/微波波束合成装置红外调试方法，基于一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置专利，该装置包括红外/激光反射平面、支撑平板、空气层、调整机构。所述的红外/激光反射平面由多个子片拼接而成，拼接后红外/激光反射平面的形状根据波束合成要求而定。支撑平板由多个子板构成，拼接后支撑平板的形状根据波束合成要求而定。红外/激光反射平面和支撑平板之间设有一个空气层。通过调整红外/激光反射平面的材料和厚度、空气层厚度、支撑平板的材料和厚度，使微波/毫米波波段范围内和入射角范围内的透过率满足要求。

该调试方法采用的调试装置包括波束合成装置1、三轴飞行转台2、平行光管3、校准装置4，如图2所示。连接关系：波束合成装置1按照需要倾斜一定角度沿x轴放置在三轴飞行转台2前。平行光管3装配在目标随动转台的旋转轴上，平行光管3的光轴与目标随动转台的旋转轴基本重合。校准装置4装配在三轴飞行转台2的滚转轴上，校准装置的光轴与三轴飞行转台2的滚转轴基本重合。平行光管3发射的平行光5经波束合成装置1反射后被校准装置4接收。

本实施例中波束合成装置1的红外反射子片3×3分布共9块，如图3所示，每块子片为正方形尺寸为300mm×300mm。

一种拼接式红外/微波波束合成装置红外调试方法，具体步骤如下，如图1所示：

（1）特征点选取与编号（图3）。波束合成装置由3行，3列块子片拼接构成，第m行，第n列的子片编号记为m,n^#，其中1≤m≤3,1≤n≤3。选取每块子片的中心点为特征点并标记为P_mn。选取每2列红外反射板之间的缝隙中心点为特征点并标记为C_ij，（1≤i≤3,1≤j≤2）；选取每2行红外反射板之间的缝隙中心点为特征点并标记为R_pq，（1≤p≤2,1≤q≤3）。

（2）特征点空间坐标计算。建立坐标系如下：坐标原点位于飞行转台回转中心；x方向与三轴飞行转台的滚转轴（飞行转台处于零位时）同向；y方向指向铅垂向上；按照右手定则，z方向指向三轴飞行转台的俯仰轴。给出P_mn，C_ij和R_pq的坐标（x，y，z），并绘制成表格。

表1是P_mn点的空间坐标。

表2是C_ij点的空间坐标。

表3是R_pq点的空间坐标。

（3）特征点角位置坐标计算。根据表1、表2和表3分别计算P_mn，C_ij和R_pq每个点的角位置坐标方位角Q_h和俯仰角Q_v，计算公式如下： $Q_h={\sin }^{-1}\left(\frac{z}{L}\right),$ $Q_v={\tan }^{-1}\left(\frac{y}{x}\right),$ 其中 $L=\sqrt{x^2+y^2+z^2}.$ 分别将角位置坐标绘制成表格。

表4是P_mn点的角位置坐标（单位：度）。

表5是C_ij点的角位置坐标（单位：度）。

表6是R_pq点的角位置坐标（单位：度）。

（4）调试设备准备。将平行光管3装配在目标随动转台的旋转轴上，通过机械装配使得平行光管3的光轴与目标随动转台的旋转轴基本重合。本实例平行光管为红外波段，因此校准装置选用红外摄像机。将校准装置4装配在三轴飞行转台2的滚转轴上，通过机械装配使得校准装置的光轴与三轴飞行转台2的滚转轴基本重合。校准装置4连接图像显示和采集设备，图像显示和采集设备可显示和记录平行光管3的靶标图像。本实例靶标图像为星点。

（5）中心子片2,2^#调试。目的是使得目标的光轴（三轴飞行转台滚转轴）与被测设备的光轴（目标随动转台旋转）经波束合成装置反射保持同轴。

（5.1）查表4给出P₂₂的角位置坐标（-2.18382,0），输入并驱动三轴飞行转台和目标随动转台，均按照给定角位置坐标运动到位。

（5.2）标定三轴飞行转台滚转轴位置。目标随动转台静止不动。记录靶标中心位于在图像显示和采集设备图像中的位置并记为A，然后每隔90°顺时针或逆时针转动三轴飞行转台的滚转轴转动一周，并在图像显示和采集设备上分别记录位置B、C、和D点，如图4所示。直线连接A点和C点，直线连接B点和D点。两条直线的十字交叉点记为S点即三轴飞行转台滚转轴位置。

（5.3）标定目标随动转台旋转轴位置。三轴飞行转台静止不动。记录靶标位于在图像显示和采集设备图像中的位置并记为A＇，然后每隔90°顺时针或逆时针转动目标随动转台旋转轴转动一周，并在图像显示和采集设备上分别记录位置B＇、C＇、和D＇点，如图4所示。直线连接A＇点和C＇点，直线连接B＇点和D＇点。两条直线的十字交叉点T即目标随动转台旋转轴的位置。调节平行光管3靶标的位置，使得靶标中心位于T点，如图5所示，此时平行光管3光轴与目标随动转台旋转轴重合。

（5.4）调节子片2,2^#，使得S点和靶标中心重合，如图6所示。中心子片2,2^#调试完毕。目标的光轴（三轴飞行转台滚转轴）与被测设备的光轴（目标随动转台旋转）经波束合成装置反射后保持同轴。

（6）相邻子片的拼接调试。

（6.1）选取中心子片为基准，进而扩充拼接周围邻接的四块子片：3,2^#、1,2^#、2,3^#和2,1^#。

（6.2）以3,2^#为例进行说明，判断子片3,1^#是否已调试完毕，如果否则继续下一步骤，如果是则转入步骤（6.5）。

（6.3）2,2^#和3,2^#的拼缝中心位置为R₂₂，查表找到该点对应的角位置（-5697,0），并输入三轴飞行转台和目标随动转台，均按照给定坐标运动到位。

（6.4）此时图像显示和采集设备的图像中有两个靶标，如图7所示：一个是经过基准子片2,2^#反射所成的靶标像中心位于S点，另外一个是经过相邻子片3,2^#反射所成的靶标像中心位于视场内的其他位置记为T＇，调节子片3,2^#，使得T＇点和S点重合，如图8所示。即红外目标所发射的平行光在照射到子片2,2^#和3,2^#时，被测设备所探测到的图像无混淆和***。子片3,2^#调试完毕。

（6.5）判断所有相邻子片未调试完毕，跳至步骤（6.2）。对子片1,2^#重复步骤（6.2）至（6.3）。类似的，依次对2,3^#、2,1^#重复步骤（6.5）。当子片2,1^#调试完毕后，判断所有相邻子片调试完毕，跳至步骤（7）。至此子片3,2^#、1,2^#、2,3^#和2,1^#调试完毕。

（7）判断所有子片未调试完毕，跳至步骤（6.1）。将已调试完毕的子片3,2^#、1,2^#、2,3^#和2,1^#依次作为下一轮调节的基准子片扩充拼接周围邻接的四块子片，已经调试完毕的子片不再重复调试，对于未经调试的子片重复步骤（6），直到所有子片全部调试完毕。

Claims (2)

1.拼接式红外/微波波束合成装置红外调试方法，其特征在于：具体步骤如下：

（1）特征点选取与编号

波束合成装置由M行，N列块子片拼接构成，第m行，第n列的子片编号记为m,n^#，其中1≤m≤M,1≤n≤N；选取每块子片的中心点为特征点并标记为P_mn；选取每2列子片之间的缝隙中心点为特征点并标记为C_ij，（1≤i≤M,1≤j≤N-1）；选取每2行子片之间的缝隙中心点为特征点并标记为R_pq，（1≤p≤M-1,1≤q≤N）；

（2）特征点空间坐标计算

建立坐标系如下：坐标原点位于飞行转台回转中心；根据需要选择坐标轴；优选的x方向与三轴飞行转台的滚转轴（飞行转台处于零位时）同向；优选的y方向指向铅垂向上；优选的按照右手定则，z方向指向三轴飞行转台的俯仰轴；给出P_mn，C_ij和R_pq的坐标（x，y，z），并绘制成表格；

（3）特征点角位置坐标计算

计算P_mn，C_ij和R_pq每个点的角位置坐标方位角Q_h和俯仰角Q_v，计算公式如下： $Q_h={\sin }^{-1}\left(\frac{z}{L}\right),Q_v={\tan }^{-1}\left(\frac{y}{x}\right),$ 其中距离 $L=\sqrt{x^2+y^2+z^2};$ 分别将角位置坐标绘制成表格；

（4）调试设备准备

将平行光管装配在目标随动转台的旋转轴上，通过机械装配使得平行光管的光轴与目标随动转台的旋转轴基本重合；根据平行光管的工作波段确定校准装置为可见光或红外成像设备；优选的校准装置为可见光摄像机或红外摄像机；将校准装置装配在三轴飞行转台的滚转轴上，通过机械装配使得校准装置的光轴与三轴飞行转台的滚转轴基本重合；校准装置连接图像显示和采集设备，图像显示和采集设备可显示和记录平行光管靶标图像；优选的平行光管靶标为星点、十字线、标尺等；

（5）中心子片调试；

中心子片M/2,N/2^#（注：当M或N为奇数时，M/2或N/2取整数）调试；目的是使得目标的光轴（三轴飞行转台滚转轴）与被测设备的光轴（目标随动转台旋转）经波束合成装置反射保持同轴；

（5.1）查表给出P_M/2N/2的角位置坐标，输入并驱动三轴飞行转台和目标随动转台，均按照给定角位置坐标运动到位；

（5.2）标定三轴飞行转台滚转轴位置；目标随动转台静止不动；记录靶标位于在图像中的位置并记为A，然后每隔90°顺时针或逆时针转动三轴飞行转台的滚转轴转动一周，并在图像显示和采集设备上分别记录位置B、C、和D点；直线连接A点和C点，直线连接B点和D点；两条直线的十字交叉点记为S点即三轴飞行转台滚转轴位置；

（5.3）标定目标随动转台旋转轴位置；三轴飞行转台静止不动；记录靶标位于在图像显示和采集设备图像中的位置并记为A＇，然后每隔90°顺时针或逆时针转动目标随动转台旋转轴转动一周，并在图像显示和采集设备上分别记录位置B＇、C＇、和D＇点；直线连接A＇点和C＇点，直线连接B＇点和D＇点；两条直线的十字交叉点T即目标随动转台旋转轴的位置；调节平行光管靶标的位置，使得靶标中心位于T点，此时平行光管光轴与目标随动转台旋转轴重合；

（5.4）调节子片M/2,N/2^#，使得S点和靶标重合；中心子片M/2,N/2^#调试完毕；目标的光轴（三轴飞行转台滚转轴）与被测设备的光轴（目标随动转台旋转）经波束合成装置反射后保持同轴；

（6）相邻子片的拼接调试；

（6.1）选取中心子片为基准，进而扩充拼接周围邻接的四块子片：M/2+1,N/2^#，M/2-1,N/2^#，M/2,N/2+1^#，M/2,N/2-1^#；

（6.2）以M/2+1,N/2^#为例进行说明，判断子片M/2+1,N/2^#是否已调试完毕，如果否则继续下一步骤，如果是则转入步骤（6.5）；

（6.3）M/2,N/2^#和M/2+1,N/2^#的拼缝中心位置为R_M/2N/2，查表找到该点对应的角位置，并输入三轴飞行转台和目标随动转台，均按照给定坐标运动到位；

（6.4）此时红外目标所发射的平行光在照射到子片M/2,N/2^#和M/2+1,N/2^#时，此时图像显示和采集设备的图像中有两个靶标：一个是经过基准子片M/2,N/2^#反射所成的靶标像中心位于S点，另外一个是经过相邻子片M/2+1,N/2^#反射所成的靶标像中心位于视场内的其他位置记为T＇，调节子片M/2+1,N/2^#，使得S点和T＇点重合；即红外目标所发射的平行光在照射到子片M/2,N/2^#和M/2+1,N/2^#时，被测设备所探测到的图像无混淆和***；M/2+1,N/2^#调试完毕；

（6.5）判断是否所有相邻子片调试完毕，是则继续，否则跳至步骤（6.2）；依次对M/2-1,N/2^#，M/2,N/2+1^#，M/2,N/2-1^#子片分别重复步骤（6.2）至（6.3）；子片M/2-1,N/2^#，M/2,N/2+1^#，M/2,N/2-1^#调试完毕；

（7）判断是否所有子片调试完毕，是则结束调试，否则跳至步骤（6.1）；将已调试完毕的子片M/2+1,N/2^#，M/2-1,N/2^#，M/2,N/2+1^#，M/2,N/2-1^#依次作为下一轮调节的基准子片扩充拼接周围邻接的四块子片，已经调试完毕的子片不再调试，对于未经调试的子片重复步骤（6），直到子片全部调试完毕。

2.拼接式红外/微波波束合成装置红外调试方法，其特征在于：该调试方法采用的调试装置包括波束合成装置、三轴飞行转台、平行光管、校准装置；连接关系：波束合成装置按照需要倾斜一定角度沿x轴放置在三轴飞行转台前；平行光管装配在目标随动转台的旋转轴上，平行光管的光轴与目标随动转台的旋转轴基本重合；校准装置装配在三轴飞行转台的滚转轴上，校准装置的光轴与三轴飞行转台的滚转轴基本重合；平行光管发射的平行光经波束合成装置反射后被校准装置接收。

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