微光目标模拟器系统设计与实现
刘文彬
（中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南洛阳，471009）
摘要： 为适应微光夜视传感器成像质量测试与评价，设计了一种微光目标模拟系统。设计了微光目标模拟器系统方案，微光目标模拟器光学耦合成像系统、动态微光成像转换设备，及目标模拟器控制系统。通过实测表明，微光目标模拟器可以准确模拟典型微光照度下的目标场景，能够用于微光夜视传感器成像质量的测试与评估。
关键词： 微光成像；目标模拟；测试评估
0 引言
随着夜间作战在现代战争中的战略战术地位越来越高，微光夜视传感器凭借其具有的成像优势及特点，逐渐成为执行夜间作战任务的必备设备之一。微光夜视传感器作为夜视成像系统的重要传感器，其主要利用微光夜视成像技术，能将人眼不能或不易看见的近红外辐射、月光、星光以及大气辉光等夜天光光谱，通过各类微光像增强器和微光视频成像器件进行光谱和光电转换，转化为亮度被增强的人眼易看的可见光图像，从而弥补了人眼的局限性，能够有效提升作战人员在黄昏、黎明、月光、星光等夜天光环境下执行作战任务的能力[1-2]。
国外目前已大量装备微光夜视系统，并在陆海空多兵种中普及应用，国内微光夜视传感器装备研制也逐步推广。随着对装备性能要求不断提高，微光传感器不仅要满足作用距离指标，还要有良好的人机工效，使使用人员观看舒适，避免因视频画面质量差而引入视觉不适。本系统充分考虑了微光夜视传感器研发过程中的半物理仿真，通过本系统模拟投射典型天气和环境照度条件下微光场景，用于微光传感器成像质量的测试与评价，给出微光传感器的应用优化方向，能够为微光传感器的研发积累经验数据，避免直接野外试验的盲目性，提高外场试验验证的针对性，提升产品研发效率[3-5]。
1 系统方案
微光目标模拟器主要由三部分组成：模拟器主机；控制系统；光学支撑平台。其组成框图如图1所示。
图1 微光目标模拟器系统组成框图
微光目标模拟器主机由动态微光图像转换设备、光学耦合成像系统和遮光罩组成。主要用来将控制系统生成的数字图像信息转换成照度可调的、均匀的物理微光景象，并通过准直投影物镜与被测微光传感器光学系统光瞳匹配，使被测微光传感器看到无穷远处清晰的微光景象。
微光目标模拟器控制系统由控制计算机、模拟器控制模块和图像采集显示装置组成。主要用于控制模拟器产生特定刷新频率的动态/静态的微光目标和典型场景、对生成的模拟场景的光谱及照度进行控制、对微光传感器的仿真测试视频进行采集及显示等。
光学支撑平台由光学调整台和光学平台组成。光学平台用于承载模拟器主机、光学调整台及其它光学仪器设备，光学调整台可以手动调整被测微光传感器方位、俯仰、水平及垂直位移的姿态，最终使被测微光传感器光学系统与模拟器主机光学系统耦合。光学平台和光学调整台选用模块组合形式设计实现。
2.2 控制系统设计
图2 目标模拟器主机工作原理图
2 系统设计
2.1 模拟器主机设计
常规剪冲工艺，定子圆片冲制分为两道工序：(1)圆形片落料；(2)冲片经人工旋转一定角度冲制定位键槽。按照该工艺方法，工作效率低，工作量大，费时费力，而且容易出错，不利于产品流转。于是提出了将落料与冲槽两道工序合并为一道工序，设计可换位冲槽定子圆片落料模。该模具在传统落料模的基础上，增加了可换位键槽凸模，文中主要介绍可换位键槽凸模模块的设计。
h：光学耦合主物镜的圆视场Φ64mm；
本研究初步纳入了2015年1月至2017年1月期间就诊于上海市浦东医院眼科的患者82例（100眼），于2015年1月获得上海市浦东医院伦理委员会批准（批号：LW2015-001），遵循赫尔辛基宣言。所有患者均告知检查目的及检查内容，手术前均签署手术知情同意书。
系统选用液晶屏的分辨率1280×800，像面尺寸：0.59英寸。光学耦合成像系统主要设计参数有：视场角：40.3°×30.2°，出瞳直径：Φ25mm，出瞳距：61mm。已知在特定出瞳直径时，焦距f越小，则F#越小，会为光学设计增加难度，但焦距f越大，光学系统总长也会增加。本系统采用二次成像物镜设计，系统中选择有效口径为51.4mm×37.8mm的扩束镜，对应有效圆视场为Φ64mm。
如前述，光学耦合主物镜的圆视场为Φ64mm，液晶屏的有效圆视场为Φ13.24mm，则转像物镜的放大倍率为4.83，由于所选液晶屏分辨率为1280×800高于技术要求的1024×768，高度比为800/768=1.0417，则转像物镜的理论放大率应为：5.03。在设计转像物镜放大率时，还要考虑中间像处的有效像面尺寸应略大于1024×768个像素所对应的尺寸，综合上述考虑，最后选取转像物镜的放大率为4.9。考虑到转像物镜前组的工作距离不能太短，至少大于15mm，因此，取转像物镜前组的焦距为20mm，则转像物镜后组的焦距为20×4.9=98mm。
随着机械通气的长时间进行,人体呼吸肌结构会受到一定的影响,其中肌纤维重塑会导致撤机成功的可能性逐渐降低[1],所以在撤机前进行必要的呼吸功能训练必不可少。通过对患者进行积极地引导,降低患者本身对呼吸机的依赖程度。通过有效的呼吸训练开展,还可以在很大程度上改善患者的心肺功能,提高患者自我呼吸能力的提升。
f：光学耦合主物镜的焦距；
操作控制台用于承载控制系统，并能够通过按钮实现微光目标模拟器正常启动、停止及紧急停止的控制操作。
针对光学耦合成像系统，本系统设计时，要求的主要技术指标有：视场≧40°×30°，分辨率：≧1024×768，出瞳直径≧Φ25mm，出瞳距≧60mm。
目标模拟器主机由动态微光图像转换设备、光学耦合成像系统和遮光罩三个子模块组成。其中，光学耦合成像系统由光学耦合主物镜、扩束镜和转像物镜组组成；动态微光成像转换设备由液晶屏组件、匀光照明光学系统、光谱矫正器、照度调节器、卤钨灯和制冷器组成。模拟器主机组成图如图2所示。
则可以计算出光学耦合主物镜的焦距f为70mm。
光学系统圆视场角为±24.6°则光学系统焦距根据式（1）：
动态微光转换设备中，卤钨灯选用飞利浦公司的20W功率标准卤钨灯，色温3000K，覆盖光谱380nm～2600nm，满足被测微光传感器光谱需求。为实现1×10-4lx至0.1lx范围内的超低微弱光照度模拟，系统设计了照度调节器，采用二级衰减片叠加衰减形式，通过二级衰减片中不同透过率的组合实现微弱光照度的精准模拟。在照度调节器控制器的后面，设置光谱矫正器，针对典型微光场景中的月光和星光光谱分布，设置了两种光谱矫正片，以模拟月光与星光两种典型照度环境下的场景光谱。匀光照明光学系统将经过衰减和光谱矫正后的光源均匀照射到液晶屏组件上，液晶屏组件通过生成的动态或静态微光图像，经过均匀光照射后通过光学耦合成像系统投影出去作为微光目标模拟源。
图3 目标模拟器控制系统工作原理图
微光目标模拟器控制系统由控制计算机、模拟器控制模块和图像采集显示装置组成，其组成图见图3。其中控制计算机由工控机、显示器组成；模拟器控制模块由供电模块、操作控制台、同步模块、驱动控制模块、自检模块等组成；图像采集显示装置包含各类视频采集卡。
7.创办“体验英语俱乐部”第二课堂。该俱乐部定期组织学生开展英语辩论赛、英语演讲、表演、英语广播词大赛、客舱服务口语模拟大赛等口语活动。开展个性化教学，为学生创建语言实践环境，培养学生自主学习能力和创新能力。
控制系统中的图像采集显示装置包含DVI、CAMERALINK、LVDS等标准视频采集卡，安装在工控机内，用于适应各类型接口的微光传感器视频采集。控制计算机输出用于微光目标场景模拟的标准视频信号，同时能够控制模拟器各个部分协调工作。
ω：光学耦合主物镜的视场角49.2°；
很多学生在参与中长跑活动后会出现一些副作用，包括胸闷、气短、脸色发白等，这些副作用让学生对中长跑活动存有一定的抵触心理。所以教师要云用合适的方法引导学生去“善后”，帮助学生去可致不良反应，这样能够让学生环节对中长跑活动的为难心理。如教师可以带领学生做一些保健按摩、放松操，适当的做一些简单的轻松的小游戏等，让学生对中长跑活动不再抵触。
其中：
控制系统的供电模块设计时，在电源输入端增加有源滤波器，以消除系统市电供电带来的波动及干扰。为了实现微弱光模拟精度，本系统选用高精度线性电源为光源组件供电，以达到光源的稳定控制。对于信号处理类模块的供电选择线性电源，在模块的输入端增加去耦电容和接地供电电容等处理，使得电源工作效果更加稳定。
驱动控制模块中的电机驱动模块实时接收工控机发送过来的照度控制参数，采用交流伺服电机控制照度调节器运动位置，使模拟器主机系统发出的光强根据需要进行分档调节。系统中交流伺服电机选择松下MSMD-50W交流伺服电机，伺服电机驱动器选用MADDT1205型适配驱动。该款伺服电机具有控制精度高，控制精度可达2.2＇；低速运行时也不会出现振动现象；加速性能好，从静止加速到其额定转速仅需9ms，满足使用要求。运动控制卡选用长沙市两湖机电设备有限公司MTEC-B-006型以太网4轴运动控制卡。每轴位置指令脉冲频率可达5MHz，可用单路脉冲（脉冲/方向）方式输出，适合于控制各种步进电机、交流伺服电机。
同步模块依据被测微光传感器给定的外同步信号（支持视频信号和TTL同步信号）经整形电路后生成转换液晶屏驱动模块需要的同步信号，液晶屏驱动模块根据此同步信号控制液晶屏刷新。
糊报纸的是黄伟,傅正双手高举糨糊盒。他俩也是哈尔滨知青。他们与齐勇、魏明都是老高三,并且都是同学。而张靖严是和他们同校的老高三,在校时就入党了。
自检模块由模拟量输入模块、电流隔离电路、电流采样电路、比较电路、电压隔离电路、故障判断、显示、功能键和数字处理模块等组成。自检模块可以及时有效地了解模拟器各模块和系统的运行状况，提高系统维护的简易性。
碧汝，李碧汝。在乡下，这可是一个难得的好名字。不像李峤汝和苏楠，前者有些生搬硬凑的别扭，后者又略显俗气。碧汝好，碧是个很好的修饰词，小家碧玉，碧波。汝则既指汝河，又可指代第二人称你或你们。
3 实验结果
本文设计实现了一种微光目标模拟器，通过该目标模拟器可以实现静态和动态微光场景的模拟，能够实现1×10-4lx～0.1lx范围内的典型场景照度模拟，通过被测传感器拍摄投射的不同照度的微光场景，能够实时评估微光传感器成像质量。图4所示为微光目标模拟器生产的源画面（左图，模拟0.01lx）及被测微光夜视传感器通过微光目标模拟器拍摄的画面（右图）。
4 结束语
本文设计实现了一种微光目标模拟器，可用于月光、星光等夜天光环境照度下的目标模拟，为微光夜视成像技术的研究及微光夜视传感器的研发提供模拟的测试验证环境。在产品的设计论证、性能评估、外场环境模拟等各个研制阶段都能发挥重要作用，能够快速搭建微光测试评价环境，用于微光传感器成像质量的测试与评价，有效缩短产品研发周期，提升产品性能。
图4 微光目标模拟器源画面（左）及被测传感器拍摄画面（右）
参考文献
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[2]郭晖,向世明,田民强,微光夜视技术发展动态评述[J].红外技术,2013,35(2)：63-68.
[3]胡迈,曹维国,王劲松,安志勇,林婉宜,于丽婷.微光夜视环境中自然微光环境模拟[J].长春理工大学学报（自然科学版）,2015,38(1)：29-33.
[4]史继芳,刘宇.用于微光夜视系统检测的夜天光模拟[J].应用光学,2003,24(5)：11-13.
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Design and Implementation of Low Light Level Target Simulator System
Liu Wenbin
(Luoyang Institute of Electro-Optical Equipment, AVIC, Luoyang Henan,471009)
Abstract： In order to adapt to the imaging quality test and evaluation, a low-light target simulator was designed. Designed the system solution of low-light target simulator, optical coupling imaging system, dynamic low-light imaging conversion device, and the target simulator＇s control system. by measuring that, The low-light target simulator can accurately simulate the target scene under typical low illuminance, can be used for night vision sensor imaging quality testing and evaluation.
Keywords： night vision imaging；target simulation；test evaluation
标签：微光成像论文; 目标模拟论文; 测试评估论文; 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所论文;