空间双波段复合动态场景投影仿真系统的制作方法

本发明主要涉及低轨卫星光学探测目标场景半物理仿真技术领域，具体地说，涉及一种空间双波段复合动态场景投影仿真系统。

背景技术：

现有技术中，为了验证低轨卫星光电探测载荷对目标的搜索、捕获、跟踪和测量的功能，测试光电探测载荷的功能和部分性能，通常需要进行外场飞行试验，资源消耗大，系统研发周期长，研制经费高。

因此，如何在实验室受控环境下，能够进行低轨卫星光学探测半物理仿真试验，模拟各种试验环境和探测场景，验证光电探测跟踪系统的技术方案，及时发现系统的设计缺陷和隐患，同时弥补外场飞行试验的不足，是本领域技术人员亟待解决的关键问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种空间双波段复合动态场景投影仿真系统，能用于评估光电探测跟踪系统的性能，并可解决现有技术中资源消耗大、研发周期长的缺陷。

本发明的空间双波段复合动态场景投影仿真系统，包括可见光仿真单元、短波红外仿真单元和二向色滤光片，其中：

所述可见光仿真单元包括依次设置的可见光光源、可见光dmd器件和可见光投影装置；

所述短波红外仿真单元包括依次设置的短波红外光源、短波红外dmd器件和短波红外投影装置，所述可见光dmd器件和所述短波红外dmd器件连接驱动装置；

所述二向色滤光片设置于所述可见光投影装置和所述短波红外投影装置之间。

进一步地，该仿真系统还包括：

可见光转向装置，所述可见光转向装置设置在所述可见光光源和所述可见光dmd器件之间；

短波红外转向装置，所述短波红外转向装置设置在所述短波红外光源和所述短波红外dmd器件之间。

进一步地，该仿真系统还包括：

第一匀光装置，所述第一匀光装置设置在所述可见光光源和所述可见光转向装置之间；

第二匀光装置，所述第二匀光装置设置在所述短波红外光源和所述短波红外转向装置之间。

进一步地，所述第一匀光装置和所述第二匀光装置均包括椭球反射碗和积分方棒，相应的光源放置于所述椭球反射碗内的第一焦点处，光源发出的光经过所述椭球反射碗的反射汇聚在第二焦点处，所述积分方棒设置在所述第二焦点处。

进一步地，所述可见光光源和所述短波红外光源均采用短弧氙灯。

进一步地，所述二向色滤光片设置为使得可见光波段反射，且短波红外波段透射。

进一步地，该仿真系统还包括fpga控制电路板，所述fpga控制电路板连接上位机和ddc4100芯片，所述ddc4100芯片连接两片dad2000芯片，两片所述dad2000芯片分别用于控制所述可见光dmd器件和所述短波红外dmd器件。

进一步地，该仿真系统还包括fifo芯片和ddr3芯片，所述fifo芯片用于对所述上位机下发的数据进行缓冲，所述fpga控制电路板读取所述fifo芯片中的数据并保存至所述ddr3芯片中。

进一步地，所述上位机根据视场内的地球背景、恒星背景、目标的运动特性和目标的反射特性建立可见光的仿真场景。

进一步地，所述上位机根据视场内的地球背景、目标的运动特性和目标的辐射特性建立短波红外的仿真场景。

本发明的空间双波段复合动态场景投影仿真系统，通过利用输入的卫星轨道数据和目标的运动和辐射数据建立可见光和短波红外的仿真场景，再分别利用可见光和短波红外仿真器件把数字场景转换为不同波段的光学场景，再利用二向色滤光片把可见光和短波红外光学场景转换为包含两个波段信息的复合场景。

本发明能够模拟不同轨道不同姿态卫星载荷观测到的动态场景，能够模拟大视场范围内恒星和地球等背景特性，能够模拟在复杂背景条件下的多目标的形态特性、运动特性和相对辐射特性，能够同时模拟目标和背景的可见光和短波红外双波段复合的场景，能够模拟大气对不同波段不同高度目标相对衰减特性，用于在地面验证卫星载荷对空间目标进行探测与跟踪的性能，以解决在轨试验成本高昂的问题，并提高卫星载荷的技术成熟度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的空间双波段复合动态场景投影仿真系统的结构原理图；

图2是本发明一实施例的光学系统光路图；

图3是本发明一实施例的电子系统硬件框图；

图4是本发明一实施例建立仿真场景的流程图。

其中，附图标记说明如下：

1-可见光仿真单元11-可见光光源

12-可见光dmd器件13-可见光投影装置

14-可见光转向装置2-短波红外仿真单元

21-短波红外光源22-短波红外dmd器件

23-短波红外投影装置24-短波红外转向装置

3-驱动装置4-二向色滤光片

5-上位机6-投影屏幕

7-椭球反射碗8-积分方棒。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。对于所属技术领域的技术人员而言，从对本发明的详细说明中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1所示是本发明一实施例的空间双波段复合动态场景投影仿真系统的结构原理图，该实施例包括可见光仿真单元1、短波红外仿真单元2和二向色滤光片4。

可见光仿真单元1包括依次设置的可见光光源11、可见光dmd器件12和可见光投影装置13；短波红外仿真单元2包括依次设置的短波红外光源21、短波红外dmd器件22和短波红外投影装置23，可见光dmd器件12和短波红外dmd器件22连接驱动装置3；二向色滤光片4设置于可见光投影装置13和短波红外投影装置23之间。

本发明中可见光模拟波段：400～800nm；短波红外模拟波段：1～2.3µm；水平视场角：20°±1°；垂直视场角：10°±1°；工作距离：2.5m±0.2m；光学畸变：≤5%；照度非均匀性：≤10%；dmd像元规模：1920×1080；dmd像元尺寸：10.8µm；帧频：200±10hz；灰度等级：256级；中心视场处可见光模拟与红外模拟光学复合精度小于等于3个像元；仿真系统连续工作时间不小于5小时。

可见光dmd器件12和短波红外dmd器件22可采用ti公司的数字微镜器件dmd（digitalmicromirrordevice），器件的规模选取1920×1080，像元尺寸为10.8µm。dmd显示部分是由微反射镜阵列组成，每个微反射镜可以独立控制各自的偏转状态。

dmd的微镜静态地处于“开”态和“关”态，那么dmd显示的是1位二值图像。dmd要显示8位灰度图像，则要对dmd进行灰度调制。灰度调制的基本原理是探测器都有积分时间，通过控制dmd显示灰度图像周期小于探测器的积分时间，则探测器对dmd显示的灰度图像存在“视觉暂留”特性。

此外，优选该实施例还包括可见光转向装置14和短波红外转向装置24。可见光转向装置14设置在可见光光源11和可见光dmd器件12之间；短波红外转向装置24设置在短波红外光源21和短波红外dmd器件22之间，经过反射镜的折转，可将光透射到相应的dmd器件上。

进一步地，该空间双波段复合动态场景投影仿真系统还包括第一匀光装置和第二匀光装置。第一匀光装置设置在可见光光源11和可见光转向装置14之间；第二匀光装置设置在短波红外光源21和短波红外转向装置24之间，进而使得系统投影均匀。

可见光光源11和短波红外光源21均可采用短弧氙灯。该短弧氙灯是利用氙气的弧间放电发光，可发出与自然光非常接近的连续谱白色光。第一匀光装置和第二匀光装置均包括椭球反射碗7和积分方棒8，相应的光源放置于椭球反射碗7内的第一焦点处，光源发出的光经过椭球反射碗7的反射汇聚在第二焦点处，积分方棒8设置在第二焦点处。方棒照明系统因其结构简单、造价低廉，同时又高效率、高均匀性地实现将圆形的光束转变成矩形光束，因此利用积分方棒8将该焦点汇聚的光导出，这样氙灯光源发出的光就均匀的分布在积分方棒8的另一端面上。

前述转向装置可采用类双远心光路结构的光路形式，各个视场的入射光主光线平行于积分方棒8的轴线，且出射光的焦面与光轴成24°角。这样的光学系统保证出射光主光线垂直入射到dmd反射镜上每个视场的光束具有相同的入射角，因此无论是亮态还是暗态，芯片面上都具有较好的照射均匀性。转向装置指标的给定要考虑积分方棒8输出端光束的尺寸、dmd芯片的尺寸、投影镜头的f数等因素，该系统的相差主要控制色差，避免透射距离较大时图像的色彩出现较大偏差。

对于前述二向色滤光片4，其工作波长（0.4～2.3µm）覆盖整个可见光及短波红外波段，在该波段可选择的光学基片材料包括红外石英jgs-3、蓝宝石、氟化钙等。由于二向色滤光片4的尺寸达到了近200mmx200mm，考虑到加工难度，材料的理化稳定性，材料及加工成本等因素，jgs-3是比较合理的选择。

在可见和短波红外波段，常用的光学薄膜材料以金属和半导体氧化物为主。对于低折射率材料，sio2因其良好的光学特性和工艺稳定性而被广泛应用；高折射率材料可选择tio2，nb2o5，ta2o5等，tio2由于其在可见近紫外波段有较大吸收而影响光学效率，ta2o5则因为折射率相对较低而使得膜层效率不高，而nb2o5是较好的选择。

此外，该二向色滤光片4要求将可见光波段（0.4～0.8µm）和短波红外波段（1.0～2.3µm）的光谱分离，二向色滤光片4工作角度45±10°。根据波段宽度及两波段之间的过渡区域分析，“反可见透红外”即可见光波段反射，短波红外波段透射的方案更优。

可见光投影装置13和短波红外投影装置23采用高精度投影镜头。按照技术指标要求，投射比2.7、工作距离3000mm，计算出可见光和红外投影镜头的视场角为21°×11.7°，再根据dmd芯片的规格，1920×1080、单元尺寸10.8μm，计算可得焦距为f=56.58mm。投影镜头在光学设计方法、光学结构和光学性能上与普通照相镜头相似，在使用上，它等同将照相镜头物像位置颠倒，从而实现影像的放大显示。

投影镜头在设计时，系统的f数给定需要考虑dmd芯片参数和投影光学镜头的调制传递函数。根据dmd芯片开态+12°、关态-12°，可以计算得到投影装置的f数应大于2.4，如果小于2.4则平态0°和关态-12°时光源的光仍可能通过投影镜头透射到投影屏幕6上。根据航天应用的光电系统的经验，光电系统的整体光学传递函数值要大于0.2～0.3以上，因此光学系统设计时要保证光学系统的光学传递函数值在0.4以上。根据系统f数与系统理论光学函数极限的关系，可见光投影装置13和短波红外投影装置23的f数设定为f=4。

此外，投影物镜的设计采用像方远心光路，保证系统像面照度的均匀，同时投影物镜的畸变要求很高，为保证投出的图像变形量小，系统畸变一般在2%以内。投影镜头采用该方式可以将dmd芯片上反射出来的光源的光均匀的透射到屏幕上，形成良好的图像效果。

图3所示是本发明一实施例的电子系统硬件框图，包括fpga控制电路板，fpga控制电路板连接上位机5和ddc4100芯片，ddc4100芯片连接两片dad2000芯片，两片dad2000芯片分别用于控制可见光dmd器件12和短波红外dmd器件22。此外，还包括fifo芯片和ddr3芯片，fifo芯片用于对上位机5下发的数据进行缓冲，fpga控制电路板读取fifo芯片中的数据并保存至ddr3芯片中。

fpga控制电路板采用pcie高速接口实现与上位机5的高速数据交互，通过lvds接口实现对数字微镜器件的控制，并配置有ddr3用于数据信息的高速存储。上位机5将控制信息和图像数据通过pcie高速总线传输至fpga控制电路板，fpga控制电路板接收并存储数据至ddr3中，对数据进行处理后，生成dmd控制和数据信号，进而控制dmd完成图像的高帧频显示。

fpga选取xilinxvirtex-6芯片，主要负责整个系统电路的硬件管理工作，并输出dmd控制和数据信息给ddc4100芯片；ddc4100芯片负责产生dad2000芯片和dmd的初始化和控制信号，并将数据通过高速lvds接口加载至dmd；2片dad2000芯片用于实现dmd的电源管理和复位功能。

fpga系统管理程序主要完成系统硬件资源配置及初始化、pcie总线数据的接收、ddr3数据读写以及对ddc4100的控制。

系统上电/复位后，virtex-6fpga复位，发送命令给ddc4100，控制ddc4100完成初始化操作，保证dmd工作在正常状态；系统初始化完成后，发送命令给上位机5，然后等待上位机5下传数据到fpga；fifo用于对上位机5下发的数据进行缓冲，上位机5定时发送图像数据至fpga，fpga接收并保存至fifo，同时，fpga读取fifo中的数据并保存至ddr3中；在上位机5开始下发数据后，dmd的控制流程启动，fpga按照设计的高帧频dmd显示pwm调制时序，定时控制更新dmd图像。

dmd加载一幅1024×768规模的图像最短时间为30.72µs，以此作为pwm灰度调制的时间基数。为了提高系统显示帧频，需要减小pwm调制的时间基数，以8µs为基数，为此对pwm调制方法进行了改进，改进后显示8位灰度图像的显示帧频为400hz。

本发明前述实施例的空间双波段复合动态场景投影仿真系统可内置于一个箱体内，形成箱式结构，并且还可包括吸光板和散热单元等部分。

前述上位机5能计算可见光波段目标反射特性、短波红外波段目标辐射特性。在计算恒星特性时，包括恒星的运动、恒星的空间分布、恒星的星等，建立恒星的特性模型。恒星模拟的实现过程是：通过输入的参数，解算出需要模拟的恒星数量和每颗恒星的位置和灰度，生成背景恒星仿真场景，利用dmd微镜阵列投射出需要仿真的可见光背景恒星场景。仿真场景的建立是在对目标的运动特性和辐射特性计算结果的基础上，结合背景恒星特性和地球背景特性，利用opengl技术对三维动态场景进行仿真。

仿真系统主程序运行平台为window7版操作系统；仿真系统软件开发采用vc6.0以上版本开发。此外，仿真系统的硬件使用环境为：供电电源：220v±10%ac，50hz，电流10a；工作温度：+15℃～+35℃；相对湿度：＜70%（20℃）。

图4所示是本发明一实施例建立仿真场景的流程图。开始后进行必要的初始化配置，实时接收卫星轨道数据、卫星姿态数据和目标的弹道数据。由卫星的轨道数据和姿态数据可以计算出探测系统光轴的指向，进而可以计算出视场内地球场景和恒星分布场景。同时利用目标的表面反射特性和太阳的入射角可以计算出目标可见光反射特性，利用目标的等效黑体温度和比辐射率可以计算出目标的短波红外辐射特性。根据卫星的轨道数据和目标的弹道数据可以计算出目标在视场内的相对运动特性。

上位机5根据视场内的地球背景、恒星背景、目标的运动特性和目标的反射特性可以建立可见光的仿真场景。上位机5根据视场内的地球背景、目标的运动特性和目标的辐射特性可以建立短波红外的仿真场景。然后对可见光仿真场景和短波红外仿真场景进行同步处理，再通过高速接口把可见光仿真场景和短波红外仿真场景的数据传输到dmd驱动板中。

本发明前述实施例能够在投影屏幕6上模拟不同轨道不同姿态卫星载荷观测到的动态场景，能够模拟大视场范围内恒星和地球等背景特性，能够模拟在复杂背景条件下的多目标的形态特性、运动特性和相对辐射特性，能够同时模拟目标和背景的可见光和短波红外双波段复合的场景，能够模拟大气对不同波段不同高度目标相对衰减特性，用于在地面验证卫星载荷对空间目标进行探测与跟踪的性能，以解决在轨试验成本高昂的问题，并提高卫星载荷的技术成熟度，可弥补外场飞行试验的不足，缩短研发周期，节约研制经费。

还应当理解，本发明虽然已通过以上实施例进行了清楚说明，然而在不背离本发明精神及其实质的情况下，所属技术领域的技术人员当可根据本发明作出各种变化和修正，均属于本发明的权利要求的保护范围。