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红外与激光工程 2017年第5期46卷 93-99页

作者：韩庆王健熊峥张建忠马俊林刘英孙强中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

基于DMD的目标模拟器应用于长波红外波段(8~12μm)时,DMD的衍射效应对系统的成像对比度造成较大影响。为使系统获得高对比度的红外图像,需要对DMD的衍射特性进行分析。首先根据DMD的结构和工作原理,将DMD等效为一特殊的二维闪耀光栅,并... 详细信息

基于DMD的目标模拟器应用于长波红外波段(8~12μm)时,DMD的衍射效应对系统的成像对比度造成较大影响。为使系统获得高对比度的红外图像,需要对DMD的衍射特性进行分析。首先根据DMD的结构和工作原理,将DMD等效为一特殊的二维闪耀光栅,并利用光栅衍射理论和傅里叶变换,推导出DMD二维光栅衍射模型;然后利用MATLAB对DMD在8~12μm波段的衍射模型进行仿真计算;最后对仿真结果进行了实验验证。通过仿真计算和实验分析得出结论:基于DMD的目标模拟器应用于长波红外波段时,照明光束需要选取合适的入射角;当入射空间方位角为0°,入射天顶角为44~48°时,目标模拟器生成的红外图像对比度达到最佳,系统成像质量最好。

关键词：衍射特性数字微镜器件红外目标模拟器二维光栅

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红外目标模拟器的光学系统设计

红外目标模拟器的光学系统设计

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作者：胡初强长春理工大学

学位级别：硕士

红外目标模拟器能够模拟真实目标和背景的红外热像,为红外探测设备性能的测试和评估提供精确可控、可重复的试验条件,在红外探测设备的研制阶段,全面测试其各项性能和指标。本文设计的光学系统,是基于DMD数字微镜阵列的,它包含照明系统... 详细信息

红外目标模拟器能够模拟真实目标和背景的红外热像,为红外探测设备性能的测试和评估提供精确可控、可重复的试验条件,在红外探测设备的研制阶段,全面测试其各项性能和指标。本文设计的光学系统,是基于DMD数字微镜阵列的,它包含照明系统、分光系统和投影系统等三个子系统。本文首先介绍了数字微镜器件的基本结构和工作原理,分析了基于DMD的DLP投影系统的种类和优势,接着探讨了将DLP投影系统应用到红外的关键技术。为了解决照明系统和投影系统结构容易发生重叠的问题,设计了分光棱镜分开照明光束和投影光束。照明系统选用黑体作为辐射源,采用一组聚光透镜使黑体辐射的红外光束均匀照明DMD阵列。结合DMD的尺寸和待测器件光学系统的参数,确立了投影系统的设计指标,设计了一个两种材料、三片式的投影物镜,并对投影系统性能进行分析,设计结果满足使用要求。

关键词：红外目标模拟器 DMD 分光系统投影系统光学系统设计

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红外目标模拟器中分离镜系统的抗干扰控制

红外目标模拟器中分离镜系统的抗干扰控制

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作者：张敏哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

本文以红外目标模拟器中的分离镜系统为研究对象，将变结构控制算法应用在这一系统中，并在此基础上和传统的控制方法对比，分析滑模变结构控制的优劣。首先，本文阐述了变结构控制的基本原理以及基本概念，总结了变结构的发展历史、现... 详细信息

本文以红外目标模拟器中的分离镜系统为研究对象，将变结构控制算法应用在这一系统中，并在此基础上和传统的控制方法对比，分析滑模变结构控制的优劣。首先，本文阐述了变结构控制的基本原理以及基本概念，总结了变结构的发展历史、现状和发展前景。分析和综述了近年来国内外用于抑制干扰的新理论和新方法。其次，给出了分离镜系统的数学模型，建立了一种摩擦模型。针对扰动的不确定性采用模型参考自适应控制对系统进行控制，取得了较好的控制效果。最后，运用滑模变结构控制对分离镜系统进行控制，采用指数趋近律的滑模变结构控制方法，并提出了一种趋近律控制和符号函数连续化相结合的减弱抖振的方法，使系统的性能得到很好的改善。最后根据实际工程的需要，结合电力电子和直流伺服驱动新技术，以UC2637和EXB841为基础设计了双极式脉冲宽度调制(PWM)直流功率放大器。

关键词：红外目标模拟器分离镜抗干扰脉冲宽度调制滑模变结构控制摩擦模型

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红外目标模拟器的控制系统设计

红外目标模拟器的控制系统设计

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作者：邹祖军长春理工大学

学位级别：硕士

红外制导导弹的性能直接影响着导弹的命中率,而导弹的制导性能是由导弹前端的红外导引头控制的。红外导引头的制导性能的好坏就直接决定了红外制导导弹的制导性能。因此,在红外导引头装弹之前对其进行性能测试是十分必要的。由于红外导... 详细信息

红外制导导弹的性能直接影响着导弹的命中率,而导弹的制导性能是由导弹前端的红外导引头控制的。红外导引头的制导性能的好坏就直接决定了红外制导导弹的制导性能。因此,在红外导引头装弹之前对其进行性能测试是十分必要的。由于红外导引头受天气、环境等因素的影响较大,现场调试异常艰难,因而,对红外目标模拟器的研制就显得尤为重要。论文依托某红外目标模拟器研制项目,主要针对目标模拟器中的控制部分进行研究。本红外目标模拟器控制系统主要由上位机、TMS320F2812最小系统、FPGA控制单元、步进电机驱动单元、反馈单元五个部分组成。根据实际的需要,通过TMS320F2812和EP1C6Q240C8的结合,控制SM2045两相混合式步进电机旋转；通过控制可变光阑的孔径大小,来模拟弹目在不同距离不同接近速度下目标的辐射能量变化；通过对整个控制系统进行研究和分析,建立了整个控制系统的数学模型,并利用SIMULINK软件对其进行了仿真。同时,采用增量式PID控制算法对光电编码器反馈的电机转速信号进行了校正,实现了对步进电机转速的精确控制,完成了对红外目标能量的模拟。

关键词：红外目标模拟器可变光阑增量式PID控制

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红外目标模拟器光学耦合技术研究

红外目标模拟器光学耦合技术研究

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作者：张嘉轩哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

半实物仿真装置主要用来测试导引头的跟踪能力，用室内仿真的方法代替室外的外场打靶实验。红外目标/干扰成像模拟器是半实物仿真装置中的一个重要组成部分。随着导弹技术的发展，红外仿真装置的结构也发生着相应的变化。现在的红外目... 详细信息

半实物仿真装置主要用来测试导引头的跟踪能力，用室内仿真的方法代替室外的外场打靶实验。红外目标/干扰成像模拟器是半实物仿真装置中的一个重要组成部分。随着导弹技术的发展，红外仿真装置的结构也发生着相应的变化。现在的红外目标模拟器不仅要能模拟目标的特性，还要能模拟多个干扰的特性，这些干扰往往是利用光学方法独立生成的，各个独立源最终要复合后再提供给导引头接收，要使所有模拟的干扰弹和目标都能同时进入并充满导引头的入瞳，这就涉及到多个干扰光束的耦合扩束投影问题。根据总体方案设计，由于电阻阵的温度比较低，这就要降低干扰光路的透过率来保证目标光路的能量，而对于复合投影的方法又有新的问题产生：光路中有两个孔径光栏，导致了前面光学系统出射的光束不能充满后续光学系统的口径。所以为了保证导引头跟踪目标的真实性，光路中既要将多个干扰耦合在一起，又要实现扩束来保证光束能够充满后续光学系统的口径，还要满足光路中的能量要求。本文研究了红外目标模拟器中的光学耦合技术，并分析了不同因素对耦合效果和能量利用率的影响，主要研究内容包括以下三个部分：\n (1)介绍了红外目标/干扰成像模拟器系统的基本组成。其中的关键技术是要将四个干扰光路的细光束耦合扩束成一个宽光束，再供导引头接收。本文列举了四种耦合扩束元件，即网纹镜、红外传像光缆、光散射元件和微透镜阵列。并对它们的耦合扩束原理做了具体的分析。根据红外目标模拟器的外形尺寸，仿真精度和耦合扩束系统能量利用率0.15h>的要求，分析论证了选择用微透镜阵列作为红外目标/干扰成像模拟器的耦合元件。\n (2)研究了光束经过微透镜后的光线分布和能量利用率。根据使用要求设计微透镜的耦合扩束模型，初步确定了微透镜的口径（ D=20μm），焦距（\'28μmf=微）等参数。将微透镜的参数代入到光学设计软件中，按照能量利用率为最高的要求优化了微透镜的参数，优化后的微透镜口径为D=20μm，焦距为\'37μmf=微，使得中心视场的能量利用率为h=0.73，边缘视场的能量利用率分别为h=0.488和h=0.171，均满足了的能量利用率的要求（0.15h>）。本文还对微透镜的曲率半径R、基底厚度L及基底厚度的加工误差、使用环境温度和光斑落在微透镜的不同位置时对能量利用率的影响做了具体的分析，保证了上述因素对能量利用率的影响误差都在0.1以内。\n (3)针对国内现有成熟的技术，拟采用光刻胶热熔法来加工微透镜，并且详细论述了光刻胶热熔法加工过程。计算了光刻胶热熔法制作微透镜时的加工参数，并分析了光刻胶厚度H和球冠高度h对涂胶和刻蚀这两个工艺过程的精度的影响，保证了本文所需微透镜的加工参数及加工误差对系统能量利用率无不良影响。\n 通过研究证明微透镜作为红外目标模拟器中的光学耦合元件在原理和加工技术上都是可行的，所得的结果可以用于后续研究微透镜阵列能量分布的研究工作中。

关键词：红外目标模拟器光学耦合技术微透镜阵列光线分布能量利用率光学系统设计光刻胶热熔法

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基于DMD的红外目标模拟器偏振分光系统

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红外与激光工程 2014年第3期43卷 749-753页

作者：孙永雪龙夫年孟庆宇赵晓王超周军哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心黑龙江哈尔滨150001 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 上海卫星工程研究所上海200240

数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)由于具有高帧频、高空间分辨率、高温度分辨率以及大动态范围等特点,成为红外景象生成最常用器件。为避免红外目标模拟器光学系统中照明系统与投影系统相互遮挡和碰撞,需要在系统中加入分... 详细信息

数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)由于具有高帧频、高空间分辨率、高温度分辨率以及大动态范围等特点,成为红外景象生成最常用器件。为避免红外目标模拟器光学系统中照明系统与投影系统相互遮挡和碰撞,需要在系统中加入分光棱镜,而普通分光棱镜具有光能利用率低的缺点。为解决这一问题,提高红外目标模拟器光能效率,从物理光学基本理论出发,提出了一种基于偏振原理的分光方法并设计了偏振棱镜,大大提高了系统的光能利用率,得到了满意结果。

关键词：红外目标模拟器分光系统偏振分光

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红外目标模拟器辐照度模拟与测量方法研究

红外目标模拟器辐照度模拟与测量方法研究

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作者：杨扬哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

红外目标模拟器是红外寻的制导武器半实物仿真系统中的重要组成部分,它能够提供给导引头足够逼真的红外目标和场景的物理特性,包括光谱范围、辐照度大小、运动特性等,红外目标模拟器性能的好坏直接影响了仿真精度。红外目标模拟器最重... 详细信息

红外目标模拟器是红外寻的制导武器半实物仿真系统中的重要组成部分,它能够提供给导引头足够逼真的红外目标和场景的物理特性,包括光谱范围、辐照度大小、运动特性等,红外目标模拟器性能的好坏直接影响了仿真精度。红外目标模拟器最重要的性能指标为其出瞳处的辐照度值。为了保证其性能,必须对其出瞳处的辐照度进行检测和校准。由于红外目标模拟器出瞳处的最小辐照度很低,而且对测量装置的外形尺寸有严格限制,因此导致测量难度大。国内已有的红外目标模拟器辐照度校准装置往往结构复杂、体积大且成本高,为此需要研制一套专用的红外辐照度测量仪,使之能够方便的对红外目标模拟器进行定期的检测和校准。针对红外目标模拟器出瞳处辐照度的模拟和测量方法,论文主要完成了以下几个方面的工作: （1）针对红外目标模拟器工作原理和性能参数,推导了辐照度传递数学模型。该数学模型能够反映在辐照度传递过程中的各种影响因素,包括视场光栏开口变化、辐射源立体角、光学系统透过率、大气衰减等。结合红外目标模拟器技术指标,设计了光源和视场光栏机构。经过总体方案论证,该设计方案能够满足设计要求。（2）通过分析辐照度测量原理,设计了测量仪总体方案。测量仪在最小被测辐照度为10-10W/cm2的情况下,在1～3μm和3～5μm两个工作谱段信噪比均大于100。设计中采用内置黑体参考源的方法消除了背景辐射对测量结果的影响。由于测量仪的测量范围大,为2.0×10-10W/cm2 8.0×10-4W/cm2,为此在光路中加入三片能量衰减片以达到1000倍的信号衰减,结合测量仪性能参数完成了光学系统的设计。（3）本文分析红外辐照度标定方法,设计了三种标定方案,考虑实验室条件和各方案的优缺点后,确定最终合理的标定方案。论文还分析了标定过程中引入的误差,结合不确定度相关理论,计算测量仪的测量不确定度为3.16%,小于技术指标中要求的10%,最后论文分析介绍了在测量过程中的影响因素和相应的解决办法。本文设计的红外辐照度测量仪能够保证测量精度,因此对红外目标模拟器出瞳处的辐照度进行检测和校准后,模拟器的性能可以得到保证并能够满足半实物仿真系统的需要。

关键词：红外目标模拟器辐照度测量光学设计辐照度标定测量不确定度

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基于棱镜的红外目标模拟器光学系统研究

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激光与红外 2016年第11期46卷 1369-1374页

作者：刘收刘宁敏北京航天测控技术有限公司北京100041 中国民航科学技术研究院北京100028

针对某型装备测试仿真用中波红外目标模拟器,研制配套透过率高、空间均匀性好、结构紧凑的高性能红外光学系统,以满足模拟器总体设计指标和具体使用需求。根据DMD核心器件红外光调制工作原理,采用了基于TIR(全内反射)棱镜的中继光学子系... 详细信息

针对某型装备测试仿真用中波红外目标模拟器,研制配套透过率高、空间均匀性好、结构紧凑的高性能红外光学系统,以满足模拟器总体设计指标和具体使用需求。根据DMD核心器件红外光调制工作原理,采用了基于TIR(全内反射)棱镜的中继光学子系统,从DMD转动夹角的限制出发,利用光学全反射定理,采用最小的角度空间设计,用一对光学棱镜使照明系统入射的光线与DMD反射的光线分开,在折衍混合式红外成像光学子系统设计匹配下,该光路系统相比反射式光路镜组结构紧凑,相比透射式棱镜方式能量透过率高。在经过光路设计仿真验证的基础上,开展了光学机械设计和研制加工及测试,最终红外光学镜组成功应用到红外目标模拟器研制中,满足了模拟器总体指标体系要求和使用需求,取得了良好效果。

关键词：红外目标模拟器红外光学系统全内反射棱镜数字微镜器件

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基于DMD的红外目标模拟器分光系统设计

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激光与红外 2012年第6期42卷 655-658页

作者：胡初强牟达陈灵芝长春理工大学吉林长春130022

基于DMD(数字微镜阵列)的红外目标模拟器是利用DMD反射调制入射的红外辐射,在实验室内模拟真实目标和背景的红外成像,对红外探测和传感设备进行性能测试和评估。介绍了基于DMD的红外目标模拟器的整体结构,阐述了DMD的工作原理,分析了分... 详细信息

基于DMD(数字微镜阵列)的红外目标模拟器是利用DMD反射调制入射的红外辐射,在实验室内模拟真实目标和背景的红外成像,对红外探测和传感设备进行性能测试和评估。介绍了基于DMD的红外目标模拟器的整体结构,阐述了DMD的工作原理,分析了分光系统的设计思想。为了解决照明系统和投影系统结构容易发生重叠的问题,设计了分光棱镜将DMD的照明光束和由DMD反射的投影光束分离开,并用ZEMAX对分光棱镜进行了优化和模拟,设计结果符合使用要求。

关键词：数字微镜阵列红外目标模拟器分光棱镜光学设计

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基于矢量像差理论的离轴反射式宽波段红外目标模拟器研究

基于矢量像差理论的离轴反射式宽波段红外目标模拟器研究

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作者：王健中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）

学位级别：博士

随着各种红外双色及多波段制导武器的出现，单一波段的红外目标模拟器已经难以满足半实物仿真试验的需求。利用离轴反射式光学投影镜头克服红外材料对工作波段的限制，是实现宽波段红外目标模拟器的有效途径。本论文针对红外半实物仿真... 详细信息

随着各种红外双色及多波段制导武器的出现，单一波段的红外目标模拟器已经难以满足半实物仿真试验的需求。利用离轴反射式光学投影镜头克服红外材料对工作波段的限制，是实现宽波段红外目标模拟器的有效途径。本论文针对红外半实物仿真试验对新型目标模拟器的需求，基于矢量像差理论展开对离轴反射式光学投影镜头的像差特性和设计方法的研究，以此为基础设计并研制了宽波段红外目标模拟器。研究内容包括： 1.对离轴光学系统矢量像差理论的现阶段研究进行了全面概括，讨论了离轴光学系统三级像差场理论。在离轴光学系统中，并没有新的像差类型产生，但是原有像差的形式产生了变化，主要体现在像差对视场的依赖性发生了改变，在共轴光学系统的像差表达式下增加了降幂项；介绍了像差场偏心矢量的计算方法。 2.提出了光阑离轴系统的矢量像差处理方法。利用光阑离轴系统中的光瞳变换关系，引入光瞳偏心矢量，根据共轴系统的像差系数推导出光阑离轴系统的像差场函数，这一方法避免了已有像差场计算方法对局部光学参数（如元件的曲率半径、离轴量、像差系数等）的依赖。对光阑离轴系统的像差研究表明，光阑离轴使球差、彗差、像散、场曲和畸变这五种像差衍生出其它形式的像差，这些像差通过光阑平移矢量交叉耦合在一起。三级像差框架下，彗差具有单节点、像散双节点、畸变具有三节点特性。如果系统在共轴状态下实现对各种像差的校正，那么在光阑离轴后光学系统中同样不会产生像差。这一结论作为光阑离轴系统设计的指导性思想，可以直接用于指导离轴反射式投影光学镜头的设计； 3.根据光阑离轴系统像差场的特点，对共轴反射系统的初始结构参数进行了计算；利用光阑离轴实现了由共轴反射式光学系统到离轴反射系统的变换，通过对光学结构参数和像差节点进行控制，完成了用于目标模拟器投影镜头的离轴反射系统的设计。离轴反射式投影镜头的视场角为±3°，出瞳大小100mm，出瞳距500mm，具有像质高、畸变小的优点，并且公差宽松，易于加工和装调； 4.完成了宽波段红外目标模拟器系统整机的设计、加工及检测。红外目标模拟器整体采用桁架式结构，并对较大的镜片进行减重处理，实现了红外目标模拟器轻量化设计；系统采用中继散射照明形式，解决了传统衰减方法无法实现红外宽波段连续调节的问题，确保在不同能量状态下投影系统出瞳与被测系统出瞳的匹配关系；系统中的镜片都采用单点金刚石车削的方式加工完成，镜面镀制在红外波段反射率最高的金膜。目标模拟器系统研制完成后，分别用中波和长波红外热像仪对其输出图像进行了观察，结果表明，基于离轴反射的宽波段红外目标模拟器，能够实现从中波到长波红外的均匀面源目标图像输出。

关键词：离轴反射红外目标模拟器矢量像差光阑离轴

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