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摘 要：介绍了红外双波段目标模拟器在国内外的发展情况,从双波段目标模拟器的工作原理入手,重点论述了双波段景象生成器、双波段目标模拟器的内部结构设计以及系统的准直和图像的配准几个方面的技术水平,对比了我国现阶段发展的不足,讨论了发展方向和前景.
关键词：目标模拟器；红外景象仿真；双波段
中图分类号：TP760；TN216文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）05-0023-05
0 引言
双波段探测系统和传统的单色寻的探测系统相比具有更高的可靠性和准确性,近些年发展快速.在红外双波段导引头设计检测的末期,需要一种能够准确评估红外双色制导系统性能的方法,红外景象仿真技术以其制作周期短、仿真度高等特点受到了国内外学者的高度重视.红外双波段目标模拟器是实现红外目标仿真系统中的一种方式,它能够生成目标在两个波段内的景象以模拟双波段探测器的探测目标,所以如何生成能被探测器接收到的双波段景象才是双波段红外目标模拟器的核心问题.
本文主要介绍了双波段目标模拟器的设计方法,并调研了国内外近些年来在双波段目标模拟器方面的发展状况,分析了双波段目标模拟器的发展趋势.
1 双波段目标模拟器的工作原理
双波段目标模拟器的工作原理主要分为两种：
（1）使用双波段景象生成器直接成像,经过光学系统被探测器探测；
（2）两个景象生成器分别产生两个波段景象,经过分束整合器将两个波段的景象整合,经过光学系统被探测器探测.
第一种双波段目标模拟器结构较为简单,但对景象生成器的技术要求比较高.这种方式下,双波段景象由景象生成器直接生成,双波段光路通过准直光学系统被探测器接收.
第二种方式是目前较多实现的双波段目标模拟器的方法,这种结构中一般包括三个主要部分：两个不同波段的景象生成器,分束整合器以及准直光学系统.两个景象生成器分别产生各自波段的图像,经过分束整合器进行图像融合,最终进入准直光学系统被探测器接收.虽然制作工艺要求不高,但仍然有两个因素需要重点考虑：一是两个波段内的图像空间配准,二是两个波段的辐射能量覆盖.
2 国外双波段目标模拟器的发展
双波段目标模拟器的研究进展主要体现在双波段景象生成器的研制,双波段系统的内部结构设计、图像配准以及抗串扰三个主要方面.
2.1 双波段景象生成器
在双波段景象生成器直接成像的目标模拟器设计中,景象生成器的性能起到了重要的作用,它的分辨率、对比度以及波段范围对成像质量有着直接的影响.
双波段电阻阵列是常用的发射式景象生成器,它实现双波段的方式有两种：一种是中波像元和长波像元间隔排列,另一种为可调式像元排列.2009年,美国Honeywell公司和SantaBarbaraInfrared公司开发出了分辨率高达1024×1024的电阻阵列,并实现了MWIR和LWIR两个波段的红外辐射仿真[1].
红外CRT是另一种典型的发射式景象生成器,最近几年美国陆军夜视光电中心已分别研制出中波和长波两个波段的视景仿真器样机[2],并已研制出可见光/中波红外、近红外/长波红外复合显示的器件.
光子晶体技术是透射式景象生成技术中的一种,原理是利用光子晶体通过自身结构实现对光波的调制以及带阻滤波的特性,达到对通过光子晶体的光通量的控制.利用光子晶体可以制作多波段的模拟器,可在2000K温度下长时间工作,且发射率高,功耗较低.文献[3]提供了256×256中波/长波双波段模拟器的一个例子[4].
2.2 目标模拟器的内部结构设计
在两套景象生成器分别成像并进行图像融合的双波段目标模拟器设计中,系统的内部结构设计起到了关键作用,它直接影响着系统的分辨率水平以及后期的准直和矫正.
2000年,美国埃格林空军基地制导武器半实物仿真试验中心以动力能量武器系统（KHILS）为背景[5-6],专门开发了一种可以同时投影两个红外波段（中/长）WISP图像的双波段红外辐射投影仪.KHILS的红外场景投影器的主体结构如图1所示,中波红外电阻阵列和长波红外电阻阵列分别辐射成像,经过分束整合器融合后再经过反射式准直系统被探测器接收,此景象生成器的部分实物图如图2所示[7-8].2004年,为了满足KHILS低温真空实验室的景象模拟需要,将其改进成能够提供低温背景并且能够模拟以外大气层为背景的红外双波段目标模拟器[9].
美国海军对双波段红外目标模拟器很重视,Julia博士和David博士等人从2008年起,就开始为美国海军进行红外双波段目标模拟器的系统结构研究以及系统参数的测试工作.他们从最开始就采用数字微镜阵列（DMD）作为景象生成器.和传统的电阻阵列构成的景象生成器相比,它可以接收宽波段辐射源并且温度保持不变,因此反应更迅速,同时温度控制的难度比电阻阵列小得多.他们的设计研究工作主要分为两个阶段：在第一阶段设计中,他们率先提出使用宽波段辐射源,滤光片组（相当于分束整合器）和单DMD器件的设计思路,结构图如图3所示[10].红外辐射源发射全波段的光波并通过准直透镜准直,光波在分束器的反射和透射作用下形成特定波段的两束光路,两束光路在各自的通道内反射、透射并到达DMD
器件的上半部分和下半部分,经过DMD反射后的光波再次经透射、反射后被分束整合器融合,最后融合后的光束被准直系统准直形成双波段图像.此方案中两个波段能量比值的调节是通过调节微镜阵列的占空比来实现的.这种设计方式的缺点是由于只使用了一个DMD器件,在实现更高精度的空间分辨率时,复合角度相对复杂,不易完成设计指标.
所以,2009年开始进入第二阶段的设计研究,此时他们开始使用两个DMD器件.第二阶段的设计指标如表1所示,经过试验测试,最终合理的系统主体结构如图4所示,系统实物图如图5所示.两个波段的辐射源和DMD分别使用两套独立的光学系统,并最终由分束整合器将两个波段融合,通过共同的投影系统被探测器接收.经过测试,系统的单一波段的最大的辐射强度可以达到1W/ster,分辨率达到1024个灰度级,帧频为40.5Hz,场景持续时间可以达到54s,最小分辨角为220微弧度,视场角约为1.8°.
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