黃劍俠，徐毓雄，趙自文

紅外成像目標(biāo)模擬器現(xiàn)場原位校準技術(shù)初探

黃劍俠，徐毓雄，趙自文

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471000）

紅外成像目標(biāo)模擬器廣泛應(yīng)用于紅外成像系統(tǒng)綜合性能參數(shù)的考核評價和仿真試驗中。通過分析目標(biāo)模擬器各項技術(shù)指標(biāo)，找出模擬目標(biāo)圖像關(guān)鍵量值的評價方法，確定紅外成像目標(biāo)模擬器的校準方案。為提高輻射量值的測量精度，采用光電比對技術(shù)和分波段采集數(shù)據(jù)技術(shù)，并在校準裝置中設(shè)置冷屏光闌以減少雜散輻射對測試結(jié)果的影響。該校準裝置是在光譜輻射計工作原理基礎(chǔ)上采用陣列探測器，并通過數(shù)據(jù)采集和圖像處理軟件得到滿意的校準結(jié)果。

紅外成像；目標(biāo)模擬器；校準裝置；光電比對；陣列探測器

0 引言

紅外導(dǎo)引系統(tǒng)在綜合性能參數(shù)測試中應(yīng)用紅外成像目標(biāo)模擬器，紅外成像目標(biāo)模擬器以高幀頻高分辨率數(shù)字圖像來模擬各種類型和姿態(tài)的紅外目標(biāo)，以考核紅外導(dǎo)引系統(tǒng)的探測距離、最小可分辨溫差、最小可探測溫差、跟蹤能力等綜合性能技術(shù)指標(biāo)[1-4]。紅外成像目標(biāo)模擬器還應(yīng)用于系統(tǒng)仿真試驗，驗證紅外成像系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)等。紅外成像目標(biāo)模擬器的工作波段，紅外圖形的灰度等級、輻射亮度及均勻性、目標(biāo)圖像幾何畸變等參數(shù)能否真實復(fù)現(xiàn)目標(biāo)信息，將會影響仿真試驗的效果和目標(biāo)的判斷。目前由于紅外成像目標(biāo)模擬器校準方法和校準手段的缺失，致使紅外成像目標(biāo)模擬器的光學(xué)量值沒有統(tǒng)一，直接影響著紅外成像系統(tǒng)綜合性能參數(shù)的評價。

紅外成像目標(biāo)模擬器出瞳處的輻射照度值可以用紅外光譜輻射計進行積分輻照度的測量，但紅外光譜輻射計使用單元紅外探測器，對于紅外成像目標(biāo)無法進行成像處理，紅外成像目標(biāo)模擬器除了波長上的積分輻射照度量值外，還具有幾何圖像特性和微陣列輻射亮度及均勻性的量值要求，僅僅校準目標(biāo)圖像的積分輻照度值，顯然無法滿足紅外成像目標(biāo)模擬器的校準需求。若用紅外熱像儀校準紅外目標(biāo)模擬器的輻射量值，由于紅外熱像儀的工作原理及設(shè)計算法主要關(guān)注紅外熱圖像的均勻性及空間分辨能力，不能標(biāo)定輻射能量，也無法使用。紅外成像目標(biāo)模擬器屬于光機電一體化的重要測試設(shè)備，均固定在產(chǎn)品測試平臺上，位置、光路、電路均已調(diào)整好，不能隨意移動或拆卸。因此，研究紅外成像目標(biāo)模擬器的現(xiàn)場原位校準技術(shù)，實現(xiàn)校準狀態(tài)與導(dǎo)彈測試狀態(tài)同環(huán)境、同位置、同條件，實現(xiàn)紅外圖像輻射量值的統(tǒng)一，準確評價紅外熱圖像輸出質(zhì)量，對保證紅外型導(dǎo)彈產(chǎn)品的研制生產(chǎn)試驗具有重要意義。

國內(nèi)圍繞紅外目標(biāo)模擬器的校準開展的研究工作較多，以哈爾濱工業(yè)大學(xué)為代表，開展此方面的研究有近10年的時間，輻射照度計的研制雖經(jīng)過了幾代，但仍采用單元探測器，僅局限于紅外目標(biāo)的積分輻射量值，沒有紅外成像方面實質(zhì)性的突破[5]。國外相關(guān)資料中，有關(guān)紅外靶標(biāo)投影儀（標(biāo)準的紅外成像目標(biāo)模擬器）的校準也是采用紅外光譜輻射計進行輻亮度、輻照度的測量，紅外光譜輻射計的探測器也是單元探測器，校準的量值是靶標(biāo)圖像的光譜輻射亮度和積分輻射亮度，對于靶標(biāo)圖像的空間分辨率及微陣列輻射量值方面沒有涉及。國外成像光譜儀在遙感測試方面有著廣泛的應(yīng)用，但是其應(yīng)用環(huán)境與紅外成像目標(biāo)的校準有很大的差異。關(guān)于紅外成像目標(biāo)模擬器的圖像畸變、微陣列輻射亮度等量值校準還未見相關(guān)資料。

1 紅外成像目標(biāo)模擬器的生成機理分析

紅外成像目標(biāo)模擬器主要是由MOS電阻陣列生成紅外圖像和DMD微鏡陣列生成紅外圖像兩種類型。目標(biāo)模擬器通過計算機軟件生成典型的目標(biāo)圖像模型，并將其轉(zhuǎn)換為灰度圖像數(shù)據(jù)，該圖像數(shù)據(jù)通過光纖或視頻光端機傳輸?shù)津?qū)動控制盒，驅(qū)動控制盒內(nèi)的邏輯電路接收圖像數(shù)據(jù)，按照規(guī)定的時序，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬電壓信號，同時產(chǎn)生各種邏輯脈沖信號，從而驅(qū)動紅外圖像生成裝置生成紅外圖像。通過紅外成像子系統(tǒng)將紅外視景圖像投射到紅外凝視成像導(dǎo)引頭的入瞳處，使其看到清晰無閃爍的紅外視景圖像。盡管其圖像生產(chǎn)機理各不相同，但是從以上兩種紅外成像目標(biāo)模擬器生成紅外圖像的機理可以看出，都有圖像生成子系統(tǒng)、驅(qū)動電路、生成熱圖像的微型陣列、輸出圖形都需要光學(xué)系統(tǒng)（投影系統(tǒng)或準直系統(tǒng)）。從規(guī)格、量值上來說，兩者都有空間分辨率、工作波段、圖像灰度級、最小等效黑體溫度、最高等效黑體溫度、圖像幾何畸變等量值要求。從生成紅外圖像的效果上來說，都具有一定的輻射照度量值被紅外型導(dǎo)彈產(chǎn)品進行接收和解析。上述兩種類型的紅外成像目標(biāo)模擬器的規(guī)格和關(guān)鍵量值如下：

1）工作波段：紅外成像目標(biāo)模擬器的發(fā)光元件是MOS電阻陣列或DMD微鏡陣列，其工作波段為全波段，由于成像質(zhì)量的要求和紅外材料的奇缺，因此模擬器的工作波段主要由光學(xué)系統(tǒng)決定，均為中波段。

2）微陣列：現(xiàn)有國產(chǎn)的MOS電阻陣紅外成像目標(biāo)模擬器的陣列為256×256，隨后會采用國外的512×512陣列，現(xiàn)有DMD微鏡紅外成像目標(biāo)模擬器的陣列為640×512。

3）圖像畸變：畸變是光學(xué)系統(tǒng)的一種單色像差，理想的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該是線性系統(tǒng)，能夠?qū)⑽锟臻g的“物”不折不扣地成像在像空間而形成理想的“像”，畸變屬于大視場的幾何像差，是在全視場范圍內(nèi)實際像面對理想像面的變化量與理想像面的比值。對于紅外成像目標(biāo)模擬器來說，其紅外目標(biāo)模型的建立、圖像數(shù)據(jù)的傳輸、光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量、光電轉(zhuǎn)換的傳遞函數(shù)，最終都會對輸出的紅外圖像的畸變產(chǎn)生影響。因此，用圖像畸變作為綜合誤差來評價紅外圖像的成像質(zhì)量，具有一定的代表性，圖像畸變的典型值為10%。

4）輸出圖像最小等效溫差：模擬紅外目標(biāo)的圖像，通過最大等效黑體溫度和最小等效黑體溫度以及圖像的灰度等級來表示紅外圖像的輻射亮度和輻射的細膩程度。輸出圖像最小等效溫差越小對于模擬的目標(biāo)特性會更加真實。現(xiàn)有紅外成像目標(biāo)模擬器的最小等效溫差約為30mK。

紅外成像目標(biāo)模擬器現(xiàn)場原位校準技術(shù)研究，主要針對目標(biāo)模擬器的規(guī)格和關(guān)鍵量值以及現(xiàn)場原位開展工作。紅外成像目標(biāo)模擬器輸出的目標(biāo)圖像除了以上關(guān)鍵量值技術(shù)指標(biāo)以外，還有目標(biāo)的動態(tài)特性以及干擾信號特性等。研制與之相應(yīng)的紅外成像目標(biāo)模擬器校準裝置，實現(xiàn)紅外成像目標(biāo)模擬器的現(xiàn)場原位校準，統(tǒng)一紅外圖像的輻射量值和客觀評價紅外熱圖像模擬質(zhì)量。

2 紅外成像目標(biāo)模擬器現(xiàn)場原位校準裝置方案設(shè)計

2.1 紅外成像目標(biāo)特性參數(shù)的校準方法

由MOS電阻陣或DMD微鏡陣列生成的紅外圖像均來自于各種建立起來的目標(biāo)數(shù)學(xué)模型，生成的紅外圖像用于導(dǎo)彈產(chǎn)品性能參數(shù)的考核，因此紅外成像目標(biāo)模擬器的技術(shù)指標(biāo)是否滿足規(guī)定要求，是否客觀評價導(dǎo)彈產(chǎn)品的工作狀態(tài)及技戰(zhàn)指標(biāo)至關(guān)重要。對紅外成像目標(biāo)模擬如何校準，特別是針對此類目標(biāo)模擬器固定在現(xiàn)場、安裝在各型轉(zhuǎn)臺及測試平臺上等特點如何實施現(xiàn)場原位校準開展工作。因此，研制紅外成像目標(biāo)模擬器校準裝置要綜合考慮各方面的因素來設(shè)計校準方案。

校準紅外成像目標(biāo)模擬器首先要接收目標(biāo)模擬器輸出的目標(biāo)熱圖像，也就是說，紅外目標(biāo)模擬器的出瞳就是校準裝置光學(xué)系統(tǒng)的入瞳，并保證校準裝置的物方視場完全覆蓋紅外目標(biāo)模擬器的像方視場。校準裝置的光譜響應(yīng)范圍應(yīng)覆蓋目標(biāo)模擬器的光譜使用范圍，目標(biāo)模擬器的高空間分辨率需要校準裝置具備高成像質(zhì)量，同時還要考慮衍射限的影響，因此校準裝置光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)滿足上述要求，否則目標(biāo)熱圖像的圖像畸變參數(shù)無法得到真實的計量。目標(biāo)熱圖像通過灰度級體現(xiàn)目標(biāo)紅外輻射特性的細節(jié)，等效黑體溫度體現(xiàn)目標(biāo)圖像的輻射量值，紅外輻射量值的測量采用光電比對技術(shù)，減少周圍環(huán)境的輻射影響以達到精確測量，因此，在校準方法實現(xiàn)上擬采用內(nèi)置準直黑體輻射源進行光電比對并增加多波段測量技術(shù)，實現(xiàn)目標(biāo)圖像紅外輻射量值的準確校準。

2.2 紅外成像目標(biāo)模擬器校準裝置

校準裝置的設(shè)計思路是采用光電比對技術(shù)將來自紅外成像目標(biāo)的輻射量值與內(nèi)置準直輻射量值進行實時比對、采用分波段采集，以獲取相對準確可靠的測量數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)高精度的紅外圖像特性參數(shù)的校準。因此，整套校準裝置包含準直光學(xué)系統(tǒng)、成像光學(xué)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鏡組件、濾光片組件、準直黑體輻射系統(tǒng)、焦平面探測器系統(tǒng)、工裝結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集處理單元等。校準裝置組成框圖如圖1所示。

圖1 校準裝置組成框圖

2.2.1 校準裝置光學(xué)系統(tǒng)

校準裝置的光學(xué)系統(tǒng)共有2部分，即準直光學(xué)系統(tǒng)和成像光學(xué)系統(tǒng)。準直光學(xué)系統(tǒng)將紅外熱圖像準直成平行光，用于光電比對和分波段成像，成像光學(xué)系統(tǒng)將分波段后的圖像再次成像在紅外焦平面探測器上[1]。校準裝置的視場應(yīng)能覆蓋現(xiàn)有紅外成像目標(biāo)模擬器的視場，因此，校準裝置的準直光學(xué)系統(tǒng)擬采用連續(xù)變焦紅外鏡頭，以覆蓋現(xiàn)有幾種紅外成像目標(biāo)模擬器的視場。成像光學(xué)系統(tǒng)受限于校準裝置的空間尺寸擬采用F數(shù)為2的光學(xué)系統(tǒng)。為減少校準裝置的雜散輻射和背景輻射，在光學(xué)系統(tǒng)合適的位置設(shè)置冷屏光闌。在水冷、風(fēng)冷和半導(dǎo)體制冷等技術(shù)中，考慮方便和實用，選擇風(fēng)冷屏光闌。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的總體成像質(zhì)量要求為軸上光學(xué)傳遞函數(shù)精度控制在0.05。

2.2.2 校準裝置光學(xué)組件

校準裝置光學(xué)組件主要作用是分波段及光電比對，主要包含轉(zhuǎn)鏡組件、濾光片組件及準直黑體輻射組件。光電比對的前提要有一套穩(wěn)定性很好的準直黑體輻射源，因此，校準裝置擬采用由黑體輻射源、光闌盤、準直物鏡組成的準直黑體輻射光源。通過轉(zhuǎn)鏡組件實現(xiàn)光路切換，構(gòu)建光電比對環(huán)境。來實現(xiàn)紅外成像目標(biāo)的輻射量值的校準。為獲得較好的測試數(shù)據(jù)和測量精度，同時設(shè)計一套帶通濾光片組件，通過軟件控制波段范圍，來實現(xiàn)分波段測試的目的。

2.2.3 紅外焦平面探測器系統(tǒng)

紅外焦平面探測器是該校準裝置的核心器件，被校目標(biāo)模擬器的高空間分辨率、高光譜分辨率對校準裝置的整體技術(shù)指標(biāo)提出了較高要求，焦平面探測器應(yīng)具有高空間分辨率、高響應(yīng)速率、高信噪比[6]。經(jīng)比較不同公司生產(chǎn)的紅外焦平面探測器的技術(shù)指標(biāo)，按照既滿足校準裝置的技術(shù)要求，又考慮性價比，本校準裝置擬采用法國FLIR公司的制冷型中波紅外熱像儀機芯Mini-Core，其探測器類型是斯特林制冷碲鎘汞（MCT），F(xiàn)PA規(guī)格640×512，不帶鏡頭的NETD＜25mK，帶有14bit的Camlink的數(shù)字視頻輸出口，內(nèi)嵌功能強大的圖像處理算法。

2.2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)紅外成像目標(biāo)模擬器的現(xiàn)場原位校準，在光學(xué)組件以及光學(xué)系統(tǒng)和探測器系統(tǒng)的布局上，需要精心設(shè)計。保證校準裝置光學(xué)系統(tǒng)的光軸與導(dǎo)彈產(chǎn)品位標(biāo)器的光軸重合，校準裝置光學(xué)系統(tǒng)的入瞳與導(dǎo)彈產(chǎn)品的入瞳重合。因此，將光電比對系統(tǒng)中準直黑體輻射源的光路垂直向上設(shè)計，控制校準裝置的截面尺寸，準直黑體輻射源和轉(zhuǎn)鏡組件以及濾光片組件均要控制尺寸和重量。校準裝置與導(dǎo)彈產(chǎn)品的支架通過精心設(shè)計的工裝來連接，保證穩(wěn)定性和可調(diào)性。

2.2.5 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)是校準裝置的控制核心，測控系統(tǒng)主要承擔(dān)該校準裝置的參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)通訊、測量過程控制、數(shù)據(jù)采集處理計算等任務(wù)，該測控系統(tǒng)主要包含控制計算機、數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動模塊、控制模塊、通訊模塊等部分，是一套高度集成，多功能的自動控制系統(tǒng)。

2.3 實現(xiàn)紅外成像目標(biāo)模擬器校準過程的自動化

紅外成像目標(biāo)模擬器由計算機控制，參數(shù)設(shè)置、圖像生成均實現(xiàn)了自動化，并且與導(dǎo)彈產(chǎn)品實現(xiàn)同步通訊。因此紅外成像目標(biāo)模擬器校準裝置的自動化水平要與被校的紅外成像目標(biāo)模擬器相適應(yīng)并實現(xiàn)現(xiàn)場原位校準。研制自動校準軟件實現(xiàn)紅外成像目標(biāo)模擬器的自動校準。校準裝置測控軟件包含2部分，一部分是控制軟件，另一部分是測試軟件。控制軟件配合測控系統(tǒng)實現(xiàn)校準裝置的設(shè)置、系統(tǒng)內(nèi)的通訊以及測量流程的控制，測試軟件用于校準裝置特征參數(shù)的計算評估和研判，判斷校準結(jié)果是否滿足被校對象技術(shù)指標(biāo)要求。測控軟件要具備友好的人機對話界面，便于測試人員的操作使用，軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思路，便于校準裝置的調(diào)試及升級，軟件模塊主要包含參數(shù)設(shè)置模塊、測量控制模塊、結(jié)果分析評價模塊、記錄生成模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊等。

3 紅外成像目標(biāo)模擬器校準不確定度預(yù)評估

3.1 輻照度測量不確定度分析

對于輻照度測量不確定度，其影響因素主要有電氣系統(tǒng)不確定度、傳遞系統(tǒng)不確定度、雜散輻射和背景輻射的不確定度、數(shù)據(jù)處理不確定度等。

1）電氣系統(tǒng)的不確定度主要來源于碲鎘汞探測器內(nèi)部的噪聲、前置放大器的電路部分的影響、鎖相放大器的電路部分的影響以及數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)值轉(zhuǎn)換時A/D量化誤差等等。經(jīng)過對各個部件原理以及說明書的研究，碲鎘汞探測器內(nèi)部的噪聲、前置放大器的電路影響、鎖相放大器的電路部分的影響總不確定度小于0.1%，并且精度為16bit的數(shù)字采集卡進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時的A/D量化不確定度為0.25%。所以電氣系統(tǒng)的不確定度經(jīng)過計算之后為0.27%[1]。

2）傳遞系統(tǒng)的不確定度來源有很多，主要是準直標(biāo)準黑體輻射源溫度穩(wěn)定性、均勻性、發(fā)射率以及使用積分函數(shù)對波長進行積分求取輻出度值時的誤差等等。當(dāng)控溫精度在0.1℃，黑體有效發(fā)射率為0.99，經(jīng)計算，由標(biāo)準黑體發(fā)射率引起的誤差在2%以內(nèi)。

3）雜散輻射和背景輻射的不確定度主要來源校準裝置紅外光學(xué)成像系統(tǒng)自帶的雜散輻射和目標(biāo)輻射能量接近于室溫輻射能量時的背景輻射。校準中采用光電比對技術(shù)的本身就減少了環(huán)境變化對測量結(jié)果的影響，系統(tǒng)中采用布置共軛冷屏光闌來控制光電比對的能量值，可以很大限度地去除雜散輻射和背景輻射對測量結(jié)果的影響。采取這些措施之后，可以把本裝置受到的雜散輻射和背景輻射的影響控制在2%以內(nèi)。

4）數(shù)據(jù)處理不確定度

數(shù)據(jù)處理誤差產(chǎn)生的原因很多：第一就是數(shù)據(jù)采集卡采樣時進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的誤差，數(shù)據(jù)采集卡采樣的電壓值是一個源碼值，這個源碼值需要通過一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換為常用的電壓值，這個過程會引入一部分誤差；第二是在測量和計算過程中，輻照度值是計算出來，目標(biāo)和標(biāo)準黑體的輻射出射度值是通過普朗克公式對一定溫度下波長進行上下限積分得出的，這個運算也會引入部分誤差。

3.2 圖像畸變測量不確定度分析

1）被測紅外成像目標(biāo)模擬器方面的圖像轉(zhuǎn)換傳遞函數(shù)、光學(xué)成像系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)等因素的影響。由被測件引入的測量不確定度控制在3%范圍內(nèi)；

2）校準裝置自身光學(xué)系統(tǒng)的總成像質(zhì)量（包括轉(zhuǎn)鏡、濾光片透射比的影響量）、焦平面探測器的缺陷像素數(shù)量及分布因素、圖像采集失真度等因素[7]。由校準裝置自身系統(tǒng)誤差引入的測量不確定度控制在2%范圍內(nèi)。

4 應(yīng)用前景

隨著紅外成像系統(tǒng)性能要求的不斷提升，在系統(tǒng)的研制試驗生產(chǎn)過程中就需要高精度、多功能、干擾手段多樣的目標(biāo)模擬器作測試保障。國內(nèi)一些大學(xué)、科研機構(gòu)針對市場需求已經(jīng)研制出了多種紅外成像目標(biāo)模擬器，但這些目標(biāo)模擬器的驗收校準都沒有一套方法來規(guī)范，多種技術(shù)指標(biāo)沒有校準手段進行考核驗證，給產(chǎn)品質(zhì)量的評價帶來了相當(dāng)大的影響。紅外成像目標(biāo)特性參數(shù)現(xiàn)場校準技術(shù)項目研究完成后，就可以對目標(biāo)模擬器產(chǎn)生的紅外熱圖像進行定量測試，用數(shù)據(jù)評價其能不能真實模擬紅外目標(biāo)，因此該項目具備非常好的應(yīng)用前景。

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Infrared Imaging Target Simulator Site in Situ Calibration Technology

HUANG Jian-xia，XU Yu-xiong，ZHAO Zi-wen

(,471000,)

Infrared imaging target simulator was widely used in the infrared imaging system comprehensive evaluation of performance parameters in the simulation experiment. Through the analysis of various technical indicators in target simulator, the key value of simulated target image evaluation method is found and the target simulator for infrared imaging calibration scheme is determined. In order to improve the radiation measuring accuracy of the value, photoelectric comparison technology and subband data gathering techniques are used, and the Refrigeration aperture in the calibration device is set to reduce the stray radiation effects on test results. The device is based on the working principle of the spectroradiometer using array detector, and use the data acquisition and image processing software to get satisfactory calibration results.

infrared imaging，target simulator，calibration device，photoelectric comparison，array detector

O436

A

1001-8891(2015)12-1032-04

2015-06-26；

215-07-28.

黃劍俠（1965-），女，高級工程師，主要從事紅外目標(biāo)模擬器校準方法研究。