CN108204888A - 一种仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置，包括红外镜头、可旋转的滤光片轮、红外辐射校准黑体、红外FPA成像组件、帧频测量组件、控制单元。利用本发明可以现场快速测量动态场景模拟器的光谱范围、帧频、辐射温度、对比度、非均匀性、畸变、视场角等参数。综上，在该套装置上可实现对动态场景模拟器不同参数的现场校准，能够方便地全面评估动态场景模拟器的性能，解决一直以来存在的红外动态场景模拟器校准的规范性、***性难题。

Description

一种仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置

技术领域

本发明涉及一种仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置，属于红外光学测试校准技术领域。

背景技术

红外成像导引头由于其抗干扰能力强、制导精度高，在现代导弹武器***中应用越来越广。在红外成像导引头进行实验室内仿真测试过程中，红外动态场景模拟器是其中应用到的最重要的仿真测试设备。

在利用红外动态场景模拟器对各型红外成像导引头进行仿真测试时，红外动态场景模拟器本身的诸多特性都必须要进行校准，典型的如红外动态场景模拟器的光谱特性、辐射温度特性、目标空间几何特性、均匀性特性等，以使得仿真出的红外景象与真实的红外景象特性相同，保证仿真测试的准确度，为红外成像导引头的改进设计提供正确的数据。目前国内关于新型的红外动态场景模拟器的校准尤其是现场型校准，尚未建立一套计量标准。现有的红外动态场景模拟器的校准基本上是利用各种实验室红外测试仪器，拼凑一个非标***对其进行校准，调整时间长，光路调整复杂，测量过程也不规范，未形成一个统一的计量标准。随着红外成像导引头向着高性能方向发展，对红外动态场景模拟器的要求也越来越高，急需在国内建立一套现场型的红外动态场景模拟器校准装置，以对国内研制和生产的各类红外动态场景模拟器进行准确、快速的校准。

发明内容

针对目前红外场景模拟器校准过程中存在的多套设备校准成本高、效率低、数据不准确的问题，提出了一种仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置，属于一种动态场景模拟器现场校准装置。

本发明的技术方案如下：

一种仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置，包括两组红外镜头、成像透镜、滤光片轮组件、红外辐射校正黑体组件、红外FPA成像组件、帧频测量组件，上述各器件的位置关系为：场景模拟器的一路光线沿入射光路方向依次经过第一组红外镜头、滤光片轮组件和红外辐射校正黑体组件、成像透镜、红外FPA成像模块；所述场景模拟器另外一路光路沿入射光依次经过第二组红外镜头、帧频测量组件。

所述滤光片轮组件包括可旋转滤光片轮和一组带通滤光片：所述可旋转的滤光片轮为圆环状，圆环上均匀分布有若干个安装圆孔，一对参考黑体分别置于两个对称的安装圆孔上，两个参考黑体之间为180度，位于一对参考黑体中间位置的安装孔为一通孔，通孔距参考黑体90度，其余安装孔上安装带通滤光片。所述带通滤光片每个滤光片通光光谱波长不同，通过镀膜加工工艺使其覆盖本装置的设计光谱范围3μm～5μm。

所述红外镜头和成像透镜可对波长为3μm～5μm的红外辐射进行成像。

所述滤光片轮上两个孔安装的参考黑体为非均匀校正黑体，其辐射量值可以溯源至标准的点源黑体辐射源。

所述参考黑体温度分别控制在比环境温度高5℃和高10℃，参考源采用紫铜材料制作，并使用电子制冷器件对其进行控温，保证控温精度。

本发明还包括一控制单元，所述控制单元包括外部控制模块、数据采集模块、数据处理和保存模块，所述外部控制模块通过串口完成对滤光片轮的切换，配合程序完成不同光谱范围下目标图像的采集和存储，通过USB接口完成对帧频测试示波器的参数设置，通过千兆以太网口完成对红外FPA成像设备参数设置；数据采集模块通过千兆以太网接口完成红外图像的采集，通过USB接口采集帧频测量模块的帧频测量结果；数据处理和保存模块，通过建立数学模型计算出目标的每个位置的温度，在此基础上通过数学公式计算出红外场景模拟器的辐射温度范围、对比度、非均匀性、畸变、视场角。

本发明使不同波段滤光片、校准黑体和通孔安装于同一个可旋转滤光片轮，可按照要求自由切换，同时满足光谱成像、通孔成像和成像FPA组件的两点校正；

本发明通过控制模块切换滤光片两个校正黑体依次处于光路中，并采集黑体红外成像，完成红外FPA成像模块的两点校正算法。

本发明被测场景模拟器在特定频率下输出，高灵敏度点源探测器对模拟器输出信号进行探测，经过放大电路处理及相关处理后，通过高灵敏度示波器测量信号频率等参数，最后通过软件数据处理得出场景模拟器帧频信号；

本发明控制单元通过串口控制滤光片、校准黑体、通孔进行切换，通过USB接口控制示波器测量参数和数据采集，通过千兆以太网口控制红外FPA组件成像参数和数据采集；

本发明建立红外图像灰度与温度的数学模型，并通过标准黑体校准实现红外场景模拟器温度的测量，在温度测量的基础上通过数学模型计算导出场景模拟器的辐射温度范围、对比度、非均匀性。

本发明采用对标准点阵靶成像，建立点阵靶成像坐标与理想坐标的函数关系，校准红外FPA成像模块与红外镜头***畸变，在理想坐标的基础上通过数学模型计算出场景模拟器的畸变以及视场角。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明实现了随时在现场对红外动态场景模拟器进行准确、快速的校准，校准参数包括光谱响应、辐射特性、非均匀性、分辨率、畸变、对比度、动态范围等，保证红外动态场景模拟器对红外成像导引头进行仿真测试时各项数据的准确可靠性。

附图说明

所包括的附图是为了更加明了的说明本发明的构成以及实施方式，作为本发明的一个实施例，仅仅代表了本发明的基本原理，本行业专业技术人员，可以在此原理的基础上不经过创造性劳动对实施例稍加拆分、修改或者组合可以获得相关技术方案，这些技术方案仍落入本专利的保护范围之内。

图1为本发明仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置结构图；

图2为滤光片轮结构示意图；

图3为***控制以及数据处理软件结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

下面参照附图对本发明的实施例进行说明。

如图1所示，一种仿真用红外场景模拟器现场校准装置，包括两组红外镜头2、成像镜头5、滤光片轮组件、红外辐射校正黑组件4、红外成像组件6、帧频测量组件7、控制单元8；

如图2所示，所述滤光片轮组件包括可旋转滤光片轮和一组带通滤光片，其中：

所述可旋转的滤光片轮3为圆环状，圆环上均匀分布有若干个安装圆孔，一对参考黑体分别置于两个对称的安装圆孔上，两个参考黑体之间为180度，位于一对参考黑体中间位置的安装孔为一通孔，通孔距参考黑体90度，其余安装孔上安装若干带通滤光片。滤光片通过镀膜加工技术保证其光谱透过特性相互衔接，本实施例中，共分为9个，每个滤光片通光光谱波长不同，通过镀膜加工工艺覆盖本装置的设计光谱范围3μm～5μm。转动滤光片轮使动态场景模拟器1出射的红外光的的光轴能够通过滤光片轮上装有滤光片的圆孔中心，透过的目标信号光被成像透镜(5)成像在红外FPA成像模块上，形成一个带有光谱信息的光谱图像。转动滤光片轮，就可以得到不同光谱段的目标辐射图像。通过标定切换不同频率的滤光片可以得到对应频率的目标图像。

滤光片轮上两个孔安装的参考黑体为非均匀校正黑体，其辐射量值可以溯源至标准的点源黑体辐射源。黑体温度分别控制在比环境温度高5℃和高10℃。参考源采用紫铜材料制作，并使用电子制冷器件对其进行控温，保证控温精度。

作为本发明的一个实施例，调节图2中滤光片轮，使通孔处于光路中，红外FPA成像组件对目标进行成像，红外FPA成像组件采用外部同步的工作模式，通过场景模拟器1的视频同步信号触发图像的采集，避免了由于场景模拟器刷新频率和成像模块采集频率不一致造成的成像闪烁，最后数据经过千兆以太网口传输至计算机。

作为本发明的一个实施实例，帧频测量组件包括电源探测器、信号放大器、示波器，采用响应时间为微秒级，信号输出为模拟信号的点源探测器，经过后期信号放大之后，通过示波器进行测量，信号信息经过USB接口传输至计算机。

本发明还包括控制单元8，如图3所示。所述控制单元8包括外部控制、数据采集、数据处理和保存三个模块。外部控制模块通过串口完成对滤光片轮的切换，配合程序完成不同光谱范围下目标图像的采集和存储，通过USB接口完成对帧频测试示波器的参数设置，通过千兆以太网口完成对红外FPA成像设备参数设置；数据采集模块通过千兆以太网接口完成红外图像的采集，通过USB接口采集帧频测量模块的帧频测量结果；数据处理和保存模块，通过建立数学模型计算出目标的每个位置的温度，在此基础上通过数学公式计算出红外场景模拟器的辐射温度范围、对比度、非均匀性、畸变、视场角。光谱范围可以通过切换不同的滤光片成像可以导到。最后所有结果进行汇总并输出。

本发明工作过程和工作原理：

***主要分为自身校准及对动态场景模拟器的校准，作为本发明的一个实施例，***自身校准利用本发明所述非均匀性校正装置，采用安装在滤光片轮上的两个可控温黑体来进行成像FPA组件自身现场快速非均匀性校正；对***自身的畸变进行校准，采用标准网格畸变靶标。通过最小二乘法建立理想坐标与实际采集图像坐标的多项式关系，完成采集图像坐标到理想坐标的变换。

作为本发明的一个实施例，动态场景模拟器帧频校准过程如下，动态场景模拟器置于校准装置之前，调整光轴一致性，设置动态场景模拟器处于相应工作状态，发出红外辐射，红外辐射首先通过红外镜头2后，进入帧频测量模块。红外动态场景模拟器在一定频率工作状态下时，红外点源探测器输出信号经过放大带电路后接入示波器，通过对示波器进行适当的参数设置，示波器可以测量信号的频率。点源探测器的探测率、响应波段、频率特性等指标应满足测试需求。示波器测量信号传输至计算机，计算得出红外动态场景模拟器帧频。

作为本发明的一个实施例，动态场景模拟器其他参数校准过程如下，动态场景模拟器置于校准装置之前，调整光轴一致性，设置动态场景模拟器处于相应工作状态，发出红外辐射，红外辐射首先通过红外镜头2后，经过滤光片轮3上对应的滤光片，并经过成像透镜5后，红外辐射成像在红外FPA组件6上，通过计算机得到红外辐射对应的信号，红外动态场景模拟器的模拟温度范围、对比度、非均匀性、畸变、视场角等参数的校准红外光均按照此过程传到，不知过在不同参数测试过程需要对动态场景模拟器进行不同的设置及操作。

作为本发明的一个实施例，模拟温度范围校准过程中控制动态红外场景模拟器分别输出全黑和全白图像，控制滤光片轮通孔位置处于光路中，对场景模拟器输出图像进行采集。利用数据处理模块求出全黑图像的平均温度，记为T1，然后求出全白图像的平均温度，记为T2，则红外动态场景模拟器的模拟温度范围为T1～T2。

作为本发明的一个实施例，对比度校准过程中控制动态场景模拟器输出半黑半白图像，利用软件求出图像黑白两部分的平均温度，记录为T1，然后求出全白部分的平均温度记录为T2，计算出全黑部分和全白部分在相应波段的积分辐射出射度M_T1和M_T2，最后根据得出红外场景模拟器的对比度。

作为本发明的一个实施例，非均匀性校准过程中控制动态场景模拟器输出灰度为半饱和状态的均匀图像，将拍摄到的图像进行灰度级分析，图像中灰度级的平均值为G，标准偏差为S_g，则可按公式计算出红外动态场景模拟器的输出图像非均匀性。

作为本发明的一个实施例，畸变校准过程中控制动态场景模拟器产生四个星点图像，其中两颗位于视场的左上角和右上角，另外两颗位于视场水平中线的左端和右端，原始输出图像，保证上端两星点距离与水平中线两星点距离严格相等。对拍摄的图像进行分析，通过软件计算上端两星点实际像素距离l₁和中线两星点像素距离l₂，则图像的边缘畸变为

作为本发明的一个实施例，视场校准过程中控制动态场景模拟器在全视场内输出全白图像，对拍摄到的图像进行分析，校准装置横向视场角记为α，纵向视场角β，横向像素数记为A,纵向像素记为B；拍摄到的图像纵向占据像素数为a，纵向占据像素数为b；通过计算可以得出红外场景模拟器的横向和纵向视场。所述畸变、视场角测量过程中，像素坐标都是经过畸变校准后的理想坐标。

尽管已参照优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围并不局限于这些具体实施方式，在不偏离本发明的基本原理的情况下，可以对所述实施方式以及其中的具体技术特征拆分、组合或改变后的技术方案仍将落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知。

Claims (7)

1.一种仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置，其特征在于，包括两组红外镜头(2)、成像透镜(5)、滤光片轮组件、红外辐射校正黑体组件(4)、红外FPA成像组件(6)、帧频测量组件(7)，上述各器件的光路走向为：场景模拟器(1)的一路光线沿入射光路方向依次经过第一组红外镜头(2)、滤光片轮组件和红外辐射校正黑体组件(4)、成像透镜(5)、红外FPA成像模块(6)；所述场景模拟器(1)另外一路光路沿入射光依次经过第二组红外镜头(2)、帧频测量组件(7)。

2.根据权利要求书1所述的一种仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置，其特征在于，所述滤光片轮组件包括可旋转滤光片轮和一组带通滤光片，其中：

所述可旋转的滤光片轮(3)为圆环状，圆环上均匀分布有若干个安装圆孔，一对参考黑体分别置于两个对称的安装圆孔上，两个参考黑体之间为180度，位于一对参考黑体中间位置的安装孔为一通孔，通孔距参考黑体90度，其余安装孔上安装带通滤光片。

3.根据权利要求书2所述仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置，其特征在于，所述带通滤光片每个滤光片通光光谱波长不同，通过镀膜加工工艺使其覆盖本装置的设计光谱范围3μm～5μm。

4.根据权利要求书1所述仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置，其特征在于，所述红外镜头(2)和成像透镜(5)可对波长为3μm～5μm的红外辐射进行成像。

5.根据权利要求书2所述的一种仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置，其特征在于，所述滤光片轮上两个孔安装的参考黑体为非均匀校正黑体，其辐射量值可以溯源至标准的点源黑体辐射源。

6.根据权利要求书2所述的一种仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置，其特征在于，所述参考黑体温度分别控制在比环境温度高5℃和高10℃，参考源采用紫铜材料制作，并使用电子制冷器件对其进行控温，保证控温精度。

7.根据权利要求书1所述的一种仿真用红外动态场景模拟器现场校准装置，其特征在于，还包括一控制单元，所述控制单元包括外部控制模块、数据采集模块、数据处理和保存模块，所述外部控制模块通过串口完成对滤光片轮的切换，配合程序完成不同光谱范围下目标图像的采集和存储，通过USB接口完成对帧频测试示波器的参数设置，通过千兆以太网口完成对红外FPA成像设备参数设置；数据采集模块通过千兆以太网接口完成红外图像的采集，通过USB接口采集帧频测量模块的帧频测量结果；数据处理和保存模块，通过建立数学模型计算出目标的每个位置的温度，在此基础上通过数学公式计算出红外场景模拟器的辐射温度范围、对比度、非均匀性、畸变、视场角。