姜昌錄，康 臻，康登魁，李 輝，王楠茜，陳潔婧，張博妮，王生云

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

光電搜索跟蹤系統(tǒng)作為信息化武器裝備的感知和測量系統(tǒng)，是光電搜索領(lǐng)域的核心光電儀器，是高新武器系統(tǒng)的“眼睛”，集成了紅外成像與探測、電視、微光夜視、穩(wěn)定平臺等技術(shù)，主要完成對目標(biāo)的搜索、偵察、識別、跟蹤、瞄準(zhǔn)等任務(wù)，廣泛應(yīng)用于機載、車載、艦載等武器平臺及試驗靶場。

光電搜索跟蹤系統(tǒng)在搜索跟蹤階段主要實現(xiàn)對目標(biāo)的捕獲和跟蹤，其跟蹤精度參數(shù)是表征光電搜索跟蹤系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)[1-4]。在國外，美國、英國、俄羅斯和以色列等國紛紛研究了光電搜索跟蹤系統(tǒng)測試方法，研制了綜合型測試設(shè)備。例如美國諾斯洛普·格魯曼公司研制了EO3 綜合測試系統(tǒng)，可完成中波和長波前視紅外（forward looking infrared radar,FLIR）熱成像系統(tǒng)、可見光攝像機、激光測距機等設(shè)備的光軸一致性和跟蹤精度的測試。在國內(nèi)，對于光電搜索跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度的測量主要有外場檢測和室內(nèi)檢測兩種手段[5-8]。例如中國飛行試驗研究院測試技術(shù)研究所在外場對某瞄準(zhǔn)吊艙跟蹤精度進行了測試評估，跟蹤精度的測量不確定度約為100 μrad[9]；長春光機所研制的可編程動態(tài)靶標(biāo)[10]，主要通過裝在精密軸系上的軸角編碼器來顯示和控制平行光管的運動，從而實現(xiàn)跟蹤精度的測量，其工作角速度范圍為0.01°/s～50°/s，角加速度范圍為0～30°/s，跟蹤精度約為50 μrad。但該方法中的動態(tài)目標(biāo)角速度范圍和角速度精度在很大程度上受到轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量以及運動變形的影響，不能提供隨時改變方向的目標(biāo)。

本文提出了一種用于室內(nèi)跟蹤精度檢測的動態(tài)目標(biāo)模擬器設(shè)計方案，采用OLED 顯示屏刷新圖像的方式，配合平行光管陣列實現(xiàn)運動目標(biāo)的模擬，具有無機械運動、目標(biāo)運動方向可隨時改變、模擬精度高、檢測成本低等特點，適用于光電搜索跟蹤系統(tǒng)跟蹤性能的評價。

1 動態(tài)目標(biāo)模擬器設(shè)計方案及工作原理

在實驗室內(nèi)進行光電搜索跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度測試時，主要是用模擬器模擬外場環(huán)境下的1 個被跟蹤目標(biāo)。這個目標(biāo)一般處于無窮遠位置，在光電搜索跟蹤系統(tǒng)的觀瞄具上成像清晰，并且具有一定的角速度和角加速度。

為滿足上述要求，設(shè)計了基于OLED 發(fā)光的平行光管陣列式目標(biāo)模擬器，其構(gòu)成主要包括：支架、目標(biāo)發(fā)生單元、顯示屏控制模塊、信號放大和采集電路、計算機等，如圖1 所示。

若干個目標(biāo)發(fā)生單元安裝在一段弧面上，根據(jù)被測光電搜索跟蹤系統(tǒng)的偏軸量分段排布，指向被測光電搜索跟蹤系統(tǒng)的相機中心，目標(biāo)發(fā)生單元的數(shù)量可根據(jù)被測系統(tǒng)測量范圍調(diào)整。單個目標(biāo)發(fā)生單元由安裝在焦面的OLED 顯示屏、硅光電探測器和準(zhǔn)直物鏡組成，位置關(guān)系如圖2 所示。

圖 2 目標(biāo)發(fā)生器組成示意圖Fig.2 Schematic of target generator composition

其工作原理為：通過程序控制OLED 顯示屏上的發(fā)光單元按照設(shè)定的次序和時間間隔依次發(fā)光，經(jīng)平行光管后形成1 個具有不同角速度的無窮遠的運動目標(biāo)。OLED 顯示屏顯示圖案為十字目標(biāo)，當(dāng)OLED 顯示屏顯示十字目標(biāo)時，會觸發(fā)硅光電探測器，信號放大和采集電路等與硅光電探測器連接并采集電流信號進行放大，用于對OLED顯示屏的發(fā)光時刻進行記錄。根據(jù)OLED 顯示屏上每個十字目標(biāo)的位置和硅光電探測器記錄的時刻信息，計算目標(biāo)運動速度和加速度，實現(xiàn)勻速和加速等模式的運動目標(biāo)模擬。

2 動態(tài)目標(biāo)模擬器設(shè)計過程及設(shè)計結(jié)果

為了使動態(tài)目標(biāo)模擬器具有無機械運動、目標(biāo)運動方向可隨時改變、模擬精度高等特點，本設(shè)計方案主要解決基于OLED 顯示屏生成目標(biāo)的目標(biāo)發(fā)生單元設(shè)計、顯示屏控制模塊設(shè)計等問題。

2.1 目標(biāo)發(fā)生單元設(shè)計

單個目標(biāo)發(fā)生單元由安裝在焦面的OLED 顯示屏、硅光電探測器和準(zhǔn)直物鏡組成。

2.1.1 準(zhǔn)直物鏡設(shè)計

設(shè)計的動態(tài)目標(biāo)模擬器采用如圖1 所示的弧面結(jié)構(gòu)，要求被測光電搜索跟蹤系統(tǒng)在弧面結(jié)構(gòu)的會聚中心，弧面結(jié)構(gòu)承載的目標(biāo)發(fā)生單元設(shè)計不能與被測光電搜索跟蹤系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)空間位置干涉，設(shè)計目標(biāo)發(fā)生單元前端面拼接形成的圓半徑為900 mm。

已知被測光電搜索跟蹤系統(tǒng)的接收口徑約為30 mm～60 mm，通過光路模擬，被測光電搜索跟蹤系統(tǒng)接收單個目標(biāo)發(fā)生單元發(fā)出的光的視場范圍約為4°。根據(jù)圓半徑900 mm 和單個目標(biāo)發(fā)生單元視場4°這2 個參數(shù)，可以計算出單個目標(biāo)發(fā)生單元的最大機械直徑為Φ63 mm。因此，設(shè)計準(zhǔn)直物鏡口徑為Φ60 mm。按照《JB/T 7399—94 平行光管》推薦的參數(shù)，設(shè)計準(zhǔn)直物鏡焦距為600 mm，視場角為±2°，焦面大小約為42 mm，準(zhǔn)直物鏡MTF 數(shù)據(jù)如圖3 所示，準(zhǔn)直物鏡的空間分辨率可達到100 lp/mm，十字目標(biāo)以單個發(fā)光單元計算為0.2 mm，因此可以實現(xiàn)對十字目標(biāo)的清晰準(zhǔn)直發(fā)射[11-12]。

2.1.2 OLED 顯示屏參數(shù)設(shè)計

OLED 顯示屏的設(shè)計，主要根據(jù)準(zhǔn)直物鏡的參數(shù)計算OLED 顯示屏的尺寸，以及根據(jù)模擬連續(xù)運動目標(biāo)的要求計算OLED 顯示屏的發(fā)光單元尺寸。

首先，準(zhǔn)直物鏡的焦距為600 mm，視場為4°，因此OLED 顯示屏的長度要大于42 mm；其次，為了模擬1 個連續(xù)運動的目標(biāo)，對OLED 顯示屏的發(fā)光單元間距有一定限制。假設(shè)光電搜索跟蹤系統(tǒng)跟蹤速度為ω＝1°/s～100°/s，電視攝像機的幀頻為f＝60 Hz，電視攝像機的小視場為0.2°，則在1 幀圖像內(nèi)，光電搜索跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)過的角度范圍為ω/f＝0.016°～1.67°。在空間位置上，要求前后2 幀圖像內(nèi)都有發(fā)光單元，即0.2°視場內(nèi)要布置2 個以上發(fā)光單元，則發(fā)光單元尺寸要小于1 mm。控制OLED 顯示屏的刷新時間，避免丟失目標(biāo)的情況發(fā)生。

圖 3 準(zhǔn)直物鏡的MTF 圖Fig.3 MTF diagram of collimator objective

因此，本文中設(shè)計的OLED 顯示屏的參數(shù)為：發(fā)光單元尺寸0.2 mm×0.2 mm；物理分辨率256×64 pixel；OLED 顯示屏尺寸51.2 mm×12.8 mm。相鄰發(fā)光單元的角度空間角間隔為0.019°，也滿足0.2°視場內(nèi)要布置2 個以上發(fā)光單元的要求，證明OLED 顯示屏設(shè)計合理。同時發(fā)光單元的光亮度為80 cd/m2，屏幕對比度大于1 000∶1，圖像灰度可調(diào)。

探測器主要從響應(yīng)波長、靈敏度、上升時間和暗電流等參數(shù)入手，經(jīng)過比對分析，選用日本濱松公司的S1227—66BR 光電二級管，其技術(shù)參數(shù)為：響應(yīng)波長340 nm～1 100 nm，靈敏度0.43 A/W，暗電路20 pA，上升時間2 μs。

2.2 顯示屏控制模塊設(shè)計

顯示屏控制模塊用于與OLED 顯示屏通信，控制每塊OLED 顯示屏在正確的時間發(fā)光，以此來模擬連續(xù)運動的目標(biāo)[13-14]，其設(shè)計原理如圖4所示。

圖 4 顯示屏控制模塊原理圖Fig.4 Schematic of display screen control module

顯示屏控制模塊包含通信控制模塊以及運動軌跡解算模塊。當(dāng)顯示屏控制模塊上電后，通信控制模塊、軌跡解算模塊以及OLED 顯示模塊分別完成上電初始化工作。OLED 顯示模塊1 產(chǎn)生同步時鐘，經(jīng)過無延遲時鐘緩沖芯片輸出到OLED顯示模塊2，再到OLED 顯示模塊3，依次實現(xiàn)所有OLED 顯示模塊時鐘的同步。當(dāng)OLED 顯示模塊接收到通信控制模塊開始顯示指令后，所有的OLED 顯示模塊會同時打開OLED 背光。

當(dāng)顯示屏控制模塊接收到上位機發(fā)送的控制指令（包括速度、加速度、初速度、速度上限、目標(biāo)大小和圖像灰度等），運動軌跡解算模塊將上位機軟件的指令按照設(shè)置的時間間隔分發(fā)給所有OLED顯示模塊，同時反饋連接信息。OLED 顯示模塊將接收到的指令進行解析，過濾掉發(fā)送給485 總線上其他顯示模塊的信息，獲取發(fā)給本模塊的信息，最后進行校驗并執(zhí)行相應(yīng)的顯示指令。

2.3 信號放大和采集電路設(shè)計

單獨1 個目標(biāo)發(fā)生器安裝完成后，探測器在OLED 發(fā)光時輸出的電流信號約為20 nA，信號較弱，需要采用低噪聲電流前置放大器進行放大。本設(shè)計中信號放大和采集電路選用美國Stanford Research Systems 公司的SR570 前置放大器，該放大器是1 臺低噪聲電流放大器，具備1 pA/V 的高增益、1 MHz 帶寬，同時具備濾波功能，濾波頻率可在0.03 Hz～1 MHz 之間進行設(shè)置。通過設(shè)置增益級別，經(jīng)過放大后的輸出電壓可以達到V 級，滿足信號探測需要。

3 動態(tài)目標(biāo)模擬器角速度模擬測量不確定度分析

動態(tài)目標(biāo)模擬器最主要的功能是為光電搜索跟蹤系統(tǒng)測試提供具有一定角速度的動態(tài)目標(biāo)。因此，需要對設(shè)計的動態(tài)目標(biāo)模擬器進行角速度模擬的測量不確定度分析[15]，得到角速度ω的數(shù)學(xué)模型為

式中：θ為相鄰發(fā)光單元的角間隔，單位為（°）；t為時間間隔，單位為s。

各分量相互獨立，則：

式中：uθ為發(fā)光單元角間隔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，單位為度（°）；ut為時間間隔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，單位為s。

角速度的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

根據(jù)數(shù)學(xué)模型分析，角速度模擬的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源有兩項：一個是發(fā)光單元角間隔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uθ，一個是發(fā)光單元發(fā)光時間間隔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ut。

1）發(fā)光單元角間隔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uθ

目標(biāo)發(fā)生器的發(fā)光單元為OLED 顯示屏，相鄰單元距離為0.2 mm，每個目標(biāo)發(fā)生器的空間角度由經(jīng)緯儀在安裝和測試前進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)精度約為0.8″，即uθ=0.000 222°。

2）發(fā)光單元發(fā)光時間間隔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ut

發(fā)光單元發(fā)光的時刻信息由S1227—66BR 硅光電二級管配合SR570 前置放大器進行采集，通過示波器測量，三者屬于串聯(lián)關(guān)系，其中S1227—66BR 硅光電二級管的上升時間為2 μs，SR570 前置放大器和示波器的帶寬都達到1 MHz。因此，時間間隔的測量不確定度分量ut=0.000 002 s。

3）相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

當(dāng)角速度ω為1°/s～10°/s 時，以3 個OLED 發(fā)光單元長度為最小間距進行計算，則θ=0.057°，uθ=0.000 222°，ut=0.000 002 s，t=0.057 s～0.005 7 s，代入（3）式計算，可得最大值為0.4%。

當(dāng)角速度ω為10°/s～100°/s 時，以6 個OLED發(fā)光單元長度為最小間距進行計算，則θ=0.114°，uθ=0.000 222°，ut=0.000 002 s，t=0.011 4 s～0.001 14 s，代入（3）式計算，可得最大值為0.3%。

4）相對擴展不確定度

取置信概率為95%，置信因子k=2，則相對擴展不確定度為

Urel=2ucrel＝0.6%～0.8%(k=2)

4 標(biāo)定與實驗

方案設(shè)計完成后，對動態(tài)目標(biāo)模擬器進行了標(biāo)定。首先，用程序控制每個目標(biāo)發(fā)生單元，使其中心發(fā)光，并在動態(tài)目標(biāo)模擬器中心安裝 T3 經(jīng)緯儀，對每個目標(biāo)發(fā)生單元進行空間角測量，測量精度約為0.8″。其次，用程序控制OLED 顯示屏模擬1 個勻速運動目標(biāo)，使用示波器連接信號放大和采集電路以及硅光電探測器，對OLED 顯示屏的發(fā)光時刻進行了測量，測量結(jié)果如圖5 所示。本次時間間隔的測量數(shù)據(jù)依次為6.620 ms、6.622 ms、6.622 ms、6.620 ms、6.618 ms、6.620 ms，時間間隔的測量精度達到2 μs。

圖 5 示波器記錄發(fā)光時刻圖Fig.5 Photo of luminescence time recorded by oscilloscope

標(biāo)定完成后，使用某跟蹤儀進行模擬跟蹤實驗，實驗布局如圖1 所示。第1 步，調(diào)節(jié)跟蹤儀以對準(zhǔn)最左側(cè)的目標(biāo)發(fā)生單元，通過計算機程序和顯示屏控制模塊驅(qū)動OLED 顯示屏產(chǎn)生1 個十字目標(biāo)，跟蹤儀選定該十字為跟蹤目標(biāo)，然后進入跟蹤模式；第2 步，通過計算機程序設(shè)置十字目標(biāo)運動速度，開始運動，使用跟蹤儀跟蹤，拍攝一段跟蹤視頻，截取5 幀跟蹤圖像，如圖6 所示。每幀圖像都采集到十字目標(biāo)，而且每幀跟蹤圖像的十字圖像清晰，因此可以確定該動態(tài)目標(biāo)模擬器模擬效果良好。

圖 6 跟蹤圖像Fig.6 Tracking images

5 結(jié)論

本文介紹了一種用于室內(nèi)跟蹤精度檢測的動態(tài)目標(biāo)模擬器，由若干個平行光管等間隔安裝在支架上，構(gòu)成平行光管陣列，模擬目標(biāo)角度范圍可根據(jù)被測系統(tǒng)通過增加平行光管數(shù)量的方式進行擴展。該模擬器采用OLED 顯示屏刷新圖像的方式實現(xiàn)動態(tài)目標(biāo)模擬，模擬的動態(tài)目標(biāo)角速度范圍可達1°/s～100°/s，角速度模擬的相對擴展不確定度為0.6%～0.8%，具有無機械振動、可任意改變目標(biāo)運動方向等特點，滿足光電搜索跟蹤系統(tǒng)室內(nèi)檢測的需要。