多光谱场景模拟装置及方法
阅读说明：本技术 多光谱场景模拟装置及方法 (Multispectral scene simulation device and method ) 是由 杨扬 张小威 陈钊 冯晓晨 李奇 李凡 田义 苏筱婷 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种多光谱场景模拟装置,包括：可调谐激光器、多通道光学复合组件、激光扩束组件、高温黑体、双通道照明组件和图像调制器；通过控制可调谐激光器输出的激光波长和输出功率而控制输出的光谱,光谱依次经过多通道光学复合组件、激光扩束组件、高温黑体和双通道照明组件输出设定孔径和发散角的光束；设定孔径和发散角的光束照射至所述图像调制器进行空间光调制,实现多光谱场景模拟。本发明还提供了一种多光谱场景模拟方法。本发明通过多通道激光复合,控制各激光波长和输出功率,能够实现多个波段辐射输出。同时将激光辐射和黑体辐射配比输出,可模拟不同目标及干扰的光谱分布曲线,对输出光束进行空间光调制,可模拟多光谱场景图像。(The invention provides a multispectral scene simulation device, which comprises: the system comprises a tunable laser, a multi-channel optical composite component, a laser beam expanding component, a high-temperature black body, a dual-channel illumination component and an image modulator; controlling the output spectrum by controlling the laser wavelength and the output power output by the tunable laser, wherein the spectrum sequentially passes through the multi-channel optical composite component, the laser beam expanding component, the high-temperature black body and the dual-channel illumination component to output light beams with set apertures and divergence angles; and setting the aperture and the divergence angle of the light beam to irradiate the image modulator for spatial light modulation, thereby realizing multispectral scene simulation. The invention also provides a multispectral scene simulation method. The invention controls each laser wavelength and output power through multi-channel laser compounding, and can realize radiation output of a plurality of wave bands. Meanwhile, the laser radiation and the black body radiation are proportionally output, spectral distribution curves of different targets and interference can be simulated, spatial light modulation is carried out on output light beams, and a multispectral scene image can be simulated.)
技术领域
本发明涉及红外多光谱测试和仿真技术领域，具体地，涉及一种多光谱场景模拟装置及方法。
背景技术
多光谱探测技术能够获得更多的光谱信息，具备更强的目标识别和抗干扰能力，因此越来越多的应用于航空航天、工业检测、遥感及环境监测等领域。为了对此类多光谱探测设备进行测试及半实物仿真试验，需要开发相应的红外多光谱动态场景模拟装置。
红外多光谱探测系统一般分为点源探测体制和成像探测体制，能够对目标光谱辐射信息进行探测，获得被测目标时间、空间、辐射和光谱四个纬度信息。为了对多光谱探测系统进行测试和仿真，需要模拟被测目标时间、空间、辐射和光谱四个纬度的物理信号。由于多光谱探测系统一般能够识别10个以上光谱波段，因此，多光谱场景模拟装置需要对所模拟场景的光谱分布进行控制，并生成具有特定光谱信息的红外场景。对高动态红外辐射光谱分布的控制难度大，目前已有的多光谱场景模拟装置主要采用两种方式，一是通过光学多通道复合实现多个波段场景的模拟，二是通过高精度光谱选通实现场景光谱分布的控制。第一种方法的通道数有限，通常不大于3个；第二种方法的辐射利用率较低，无法实现高动态目标和干扰辐射特性的模拟。
经过检索，专利文献CN207351581U公开了一种基于可见光和红外多光谱的车辆轮轴多点测温装置，包括红外多光谱传感器组、线阵可见光传感器和光谱测温仪；所述线阵可见光传感器用于扫描车辆轮轴上待测温目标点所在的目标区域，获得目标区域的可见光图像；所述红外多光谱传感器组包括多个分布排列的红外多光谱传感器，所述每个红外多光谱传感器用于基于目标区域的可见光图像定位单个待测温的目标点，并采集该目标点的红外多光谱辐射强度数据；所述光谱测温仪用于基于红外多光谱传感器组采集的红外多光谱辐射强度数据得到每个目标点的温度。该现有技术的不足之处在于虽然利用了红外多光谱传感器组无法同时实现高动态范围和多光谱辐射模拟。
经过检索，专利文献CN103869708A公开了一种支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，该方法主要应用于防空导弹武器系统的全数字仿真和半实物仿真试验中的场景生成。复杂红外环境建模主要由通用红外环境仿真模型、目标红外辐射特征数据库、目标红外辐射特征模型库、海面背景红外辐射特征数据库、海面背景红外辐射特征模型库等部分组成。该现有技术虽然有采用半实物仿真试验，但是无法实现高动态范围目标及干扰辐射特性的模拟，并且无法实现红外辐射光谱分布可控。
因此，亟需研发设计一种能够解决多光谱探测系统测试及半实物仿真等问题的装置和方法，在航空航天、工业检测、遥感及环境监测等领域有广阔的应用前景。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多光谱场景模拟装置及方法，能够实现高动态范围目标及干扰辐射特性的模拟，红外辐射光谱分布可控，能够用于红外多光谱探测系统的半实物仿真试验。
根据本发明提供的一种多光谱场景模拟装置，包括：可调谐激光器、多通道光学复合组件、激光扩束组件、高温黑体、双通道照明组件和图像调制器；通过控制可调谐激光器输出的激光波长和输出功率而控制输出的光谱，光谱依次经过多通道光学复合组件、激光扩束组件、高温黑体和双通道照明组件输出设定孔径和发散角的光束；设定孔径和发散角的光束照射至所述图像调制器进行空间光调制，实现多光谱场景模拟。
优选地，还包括场景模拟计算机和驱动控制器，通过驱动控制器控制图像调制器，按照场景模拟计算机生成的红外图像，对输出设定孔径和发散角的光束进行空间光调制，生成设定灰度等级的红外物理图像。
优选地，还包括准直镜头，红外物理图像经过准直镜头准直为平行光出射，经过被测设备接收。
优选地，可调谐激光器为不同波长激光器的组合，数量根据被测设备的敏感特性以及半实物仿真试验需求确定。
优选地，多通道光学复合组件将可调谐激光器输出辐射通过光学复合的方法合成为单光束输出。
优选地，激光扩束组件对合成的单光束进行扩束，将单光束直径扩至双通道照明组件的入射口径大小。
优选地，双通道照明组件将单光束整形，形成设定发散角输出，同时复合一路高温黑体辐射，对图像调制器进行照明。
优选地，通过场景模拟计算机生成红外多光谱场景数据，红外多光谱场景数据包括光谱分布数据和图像数据，两者由驱动控制器接收；光谱分布数据通过控制每路激光功率的输出以及高温黑体温度，实现特定光谱分布的模拟；图像数据通过控制图像调制器完成空间光调制。
优选地，将可调谐激光器输出辐射与高温黑体输出辐射通过双通道照明组件进行复合，复合后的光谱分布特征通过更改可调谐激光器的输出波长、输出功率和高温黑体温度的方法进行控制。
根据本发明提供的一种多光谱场景模拟方法，采用上述的多光谱场景模拟装置进行红外多光谱的场景模拟，包括如下步骤：
步骤S1：根据被测产品的敏感特性以及探测目标的红外光谱辐射特性，确定所需要模拟的特征光谱；
步骤S2：可调谐激光器输出光束，经多通道光学复合组件将输出光束进行复合，复合之后形成的单光束通过激光扩束组件实现扩束；
步骤S3：经过扩束之后的单光束由双通道照明组件接收；
步骤S4：双通道照明组件将接收到的单光束进行整形，整形为图像调制器接收所需设定孔径和发散角的光束，同时复合高温黑体输出辐射，对图像调制器进行照明；
步骤S5：图像调制器将光束调制为设定灰度等级的红外图像，经准直镜头准直为平行光输出，供被测设备接收。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过多通道激光复合，控制各激光波长和输出功率，可以实现多个波段红外辐射输出，对输出光束进行空间光调制，可模拟红外多光谱场景图像。
2、本发明通过对激光光谱和高温黑体光谱组合，可实现不同目标及干扰的光谱特征的模拟，通过对输出激光束进行空间光调制，可实现高动态范围红外多光谱场景模拟。
3、本发明的激光器为红外激光器，也可用于其他波段多光谱探测设备的半实物仿真，通过更改激光器工作波长，可扩展至紫外和可见光等波段。
4、本发明通过驱动控制器同时接收光谱数据、图像数据和被测设备的同步信号，实现对多光谱红外场景模拟的控制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中多光谱场景模拟装置的整体结构示意图。
图中：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种多光谱场景模拟装置，包括可调谐激光器1、多通道光学复合组件2、激光扩束组件3、高温黑体4、双通道照明组件5、准直镜头6、被测设备7、场景模拟计算机8、驱动控制器9和图像调制器10。其中，通过控制可调谐激光器1输出的激光波长和输出功率而控制输出的光谱，光谱依次经过多通道光学复合组件2、激光扩束组件3、高温黑体4和双通道照明组件5输出设定孔径和发散角的光束；设定孔径和发散角的光束照射至图像调制器10进行空间光调制，实现高动态范围红外多光谱场景模拟。
可调谐激光器1为不同波长激光器的组合，数量根据被测设备敏感特性以及半实物仿真试验需求确定。多通道光学复合组件2将所有可调谐激光器1输出辐射通过光学复合的方法合成为单光束输出。激光扩束组件3对激光束进行扩束，将激光束直径扩至双通道照明组件5入射口径大小。双通道照明组件5将光束整形，形成设定发散角输出，同时复合一路高温黑体4辐射，对图像调制器10进行照明。红外物理图像经过准直镜头6准直为平行光出射，由被测设备7接收。
通过控制可调谐激光器1输出的激光波长和输出功率，实现对输出光谱的控制。通双通道照明组件5实现对激光光束的整形，整形后光束具有设定的孔径和发散角，发散角与图像调制器10的照射角度匹配。激光光谱和高温黑体光谱组合，可实现光谱特征的模拟。通过对输出激光束进行空间光调制，可实现高动态范围红外多光谱场景模拟。
本发明采用了可调谐激光器1作为辐射源，每个激光器有一个典型工作波长，通过将不同波长激光器组合在一起，并对每个激光器输出波长和输出功率进行设定范围调节，可实现输出红外辐射光谱分布的调整。可调谐激光器1可以设置为连续输出，模拟类似黑体的连续输出辐射源。可调谐激光器1也为高重频输出，为实现近似连续输出辐射源的模拟，输出频率与红外探测系统进行同步和匹配设计，可实现更高的等效黑体温度的模拟。
使用多通道光学复合组件2实现多个激光器输出激光的复合，使激光辐射按照一个孔径输出。多通道光学复合组件2采用了多个半透半反镜组合，组合数量可设置为1～10个。每个半透半反镜透过率不同，根据可调谐激光器1功率设置，保证每路激光器输出功率基本一致。半透半反镜采用镀偏振膜或镀中性密度膜的方法实现透反比的控制，多路组合时可对每一路激光功率进行控制，达到输出光谱分布控制的功能。
将可调谐激光器1输出辐射与高温黑体4输出辐射通过双通道照明组件5进行复合，复合后光谱分布特征可以通过更改可调谐激光器1输出波长、输出功率和高温黑体4温度的方法进行控制，光谱模拟精度高。
通过场景模拟计算机8生成红外多光谱场景数据，数据包括光谱分布数据和图像数据。光谱分布数据由驱动控制器接收，通过控制每路激光功率的输出，以及高温黑体温度，实现特定光谱分布的模拟。图像数据由驱动控制器9接收，通过控制图像调制器，完成空间光调制。驱动控制器9同时接收光谱数据、图像数据和被测设备7的同步信号，实现对多光谱红外场景模拟的控制。
本发明的优选例，做进一步说明。
基于上述基础实施例，本发明的多通道光学复合组件2采用半透半反镜进行光束复合，能够实现较多通道数的复合，合成通道数量根据可调谐激光器1的数量确定。
基于上述基础实施例，图像调制器10采用透射式或者反射式空间光调制器，由驱动控制器9进行控制，按照场景模拟计算机8生成的红外图像，对双通道照明组件5光束进行空间光调制，生成具有一定灰度等级的红外物理图像。
本发明的变化例，作进一步说明。
基于上述基础实施例，被测设备7可以为红外多光谱探测设备，也可为单波段红外探测设备，其工作体制可以为点源探测体制，也可为凝视成像探测体制。
基于上述基础实施例，本发明中所描述的激光器为红外激光器，该方法也可用于其他波段多光谱探测设备的半实物仿真，通过更改激光器工作波长，可扩展至紫外和可见光等波段。
本发明还提供了一种多光谱场景模拟方法，采用上述的多光谱场景模拟装置进行多光谱的场景模拟，包括如下步骤：
步骤S1：根据被测产品的敏感特性以及探测目标的红外光谱辐射特性，确定所需要模拟的特征光谱；
步骤S2：可调谐激光器1输出光束，经多通道光学复合组件2将输出光束进行复合，复合之后形成的单光束通过激光扩束组件3实现扩束；
步骤S3：经过扩束之后的单光束由双通道照明组件5接收；
步骤S4：双通道照明组件5将接收到的单光束进行整形，整形为图像调制器10接收所需设定孔径和发散角的光束，同时复合高温黑体4输出辐射，对图像调制器10进行照明；
步骤S5：图像调制器10将光束调制为设定灰度等级的红外图像，经准直镜头6准直为平行光输出，供被测设备7接收。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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