一种车载光电设备高原环境性能影响分析试验系统的制作方法

本实用新型涉及一种车载光电设备高原环境性能影响分析试验系统，属于光电设备试验技术领域。

背景技术：

高原地区特有的强太阳辐射、低压缺氧、大昼夜温差等气候环境，会对此环境下长期工作的光电设备的结构参数和工作性能产生较大的影响；本实用新型以某型侦察车的光电系统为研究对象，对高原环境给车载光电系统成像质量产生的影响进行了分析，设计了高原环境车载光电成像质量试验系统，为进一步提高车载光电系统的环境适应性研究提供了有效的方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提出了一种车载光电设备高原环境性能影响分析试验系统，建立了目标背景的辐射传输模型，对比分析了高原和平原地区大气传输对目标背景对比度的影响；设计了高原境车载光电成像试验系统，并分析了高海拔环境对车载光电系统成像质量的影响。

本实用新型的车载光电设备高原环境性能影响分析试验系统，包括安装有光电系统的侦察车和漫反射板；所述光电系统包括光电平台，及与光电平台通讯连接的计算机；所述光电平台由光学模型和CCD摄像机组构成；所述CCD摄像机组通过视频采集器与计算机电连接；还包括照射光源及用于实时监测外界环境变化的便携式气象站；所述漫反射板通过固定组件安装于地面上，且其主光轴与光学模型其主光轴位于同一直线上。

进一步地，所述照射光源为太阳光或模拟太阳光的标准光源。

进一步地，所述便携式气象站包括太阳能转换板，及与太阳能转换板电连接的蓄电装置，及与蓄电装置电连接的测控装置；所述测控装置包括中央处理器，及与中央处理器通过数据采集器电连接的多个传感器；所述中央处理器与计算机通讯连接，分别通过多个传感器检测环境温度、湿度及气压，并将检测结果通过数据采集器处理后传输至中央处理器，并经中央处理器传输至计算机进行显示。

再进一步地，所述传感器包括用于检测环境温度的温度传感器，及用于检测环境湿度的湿度传感器，及用于检测环境气压的气压传感器。

进一步地，所述光学模型其根据光路照射方向依次由窗口、单透镜、双胶合透镜、滤光镜和像面构成。

本实用新型与现有技术相比较，本实用新型的车载光电设备高原环境性能影响分析试验系统，建立了目标背景的辐射传输模型，对比分析了高原和平原地区大气传输对目标背景对比度的影响；建立了车载光电系统的光学模型，对其在温度变化、气压变化以及温度和气压耦合变化下的成像性能进行了仿真分析；设计了高原境车载光电成像试验系统，并分析了高海拔环境对车载光电系统成像质量的影响。

附图说明

图1是本实用新型的高原环境车载光电成像试验系统示意图。

图2是本实用新型的便携式气象站的联接示意框图。

图3是本实用新型的光学模型示意图。

图4是本实用新型的目标背景辐射传输模型示意图。

图5是本实用新型的MODTRAN模型功能框图。

图6是本实用新型的不同月份的太阳直接辐射照度示意图。

图7是本实用新型的不同月份的天空背景辐射亮度示意图。

图8是本实用新型的不同月份的路径辐射亮度示意图。

图9是本实用新型的不同月份的大气透过率示意图。

图10是本实用新型的不同月份的目标和背景的表现对比度示意图。

图11是本实用新型的不同月份的目标和背景的对比度下降系数示意图。

图12是本实用新型的离焦成像示意图。

图13是本实用新型的MTF值随温度的变化规律示意图；其中，A线表示0 视场子午弧矢方向，B线表示0.707视场子午方向，C线表示0.707视场弧矢方向，D线表示1.0视场子午方向，E线表示1.0视场弧矢方向。

图14是本实用新型的MTF值随气压的变化规律示意图；其中，其中，A线表示0视场子午弧矢方向，B线表示0.707视场子午方向，C线表示0.707视场弧矢方向，D线表示1.0视场子午方向，E线表示1.0视场弧矢方向。

附图中各部件标注为：1-侦察车，2-漫反射板，3-光电平台，31-光学模型， 4-计算机，5-照射光源，6-便携式气象站，61-太阳能转换板，62-蓄电装置， 63-测控装置，631-中央处理器，632-数据采集器，633-温度传感器，634-湿度传感器，635-气压传感器，7-窗口，8-单透镜，9-双胶合透镜，10-滤光镜，11- 像面。

具体实施方式

如图1至图3所示的车载光电设备高原环境性能影响分析试验系统，包括安装有光电系统的侦察车1和漫反射板2；所述光电系统包括光电平台3，及与光电平台3通讯连接的计算机4；所述光电平台3由光学模型31和CCD摄像机组(未图示)构成；所述CCD摄像机组通过视频采集器与计算机4电连接；还包括照射光源5及用于实时监测外界环境变化的便携式气象站6；所述漫反射板 2通过固定组件安装于地面上，且其主光轴与光学模型31其主光轴位于同一直线上。

所述照射光源5为太阳光或模拟太阳光的标准光源。

所述便携式气象站6包括太阳能转换板61，及与太阳能转换板61电连接的蓄电装置62，及与蓄电装置62电连接的测控装置63；所述测控装置63包括中央处理器631，及与中央处理器631通过数据采集器632电连接的多个传感器；所述中央处理器631与计算机4通讯连接。

所述传感器包括用于检测环境温度的温度传感器633，及用于检测环境湿度的湿度传感器634，及用于检测环境气压的气压传感器635。

所述光学模型31其根据光路照射方向依次由窗口7、单透镜8、双胶合透镜9、滤光镜10和像面11构成。

本实用新型的车载光电设备高原环境性能影响分析试验系统其分析方法，包括对大气传输对目标背景对比度的影响分析及温度和气压对光学系统性能的影响分析。

(1)大气传输对目标背景对比度的影响分析，

车载光电系统在对目标和背景成像时，大气是成像过程中的首要环节；大气是一种不稳定的传输介质，光辐射在大气这种复杂的光学介质中传输时，将与大气中的气体分子、气溶胶粒子等发生吸收和散射等物理过程，从而导致辐射能量的衰减，这对光电成像系统对目标的探测能力将产生直接的影响；如图4 所示，以光线系统作为初始点，记为X＝0，将目标背景设置于与光线系统距离为 S的地点，记为X＝S，则在太阳直接辐射和天空背景辐射的作用下，分别根据公式(1)和公式(2)计算得到目标和背景在光学系统入瞳处的辐亮度，并分别根据公式(3)和公式(4)计算得到目标和背景的原始对比度及目标和背景的表现对比度；

式中，Lo-sun、Lo-sky和Lpath分别表示对于整个可见光波段，太阳直接辐射、天空背景辐射和路径辐射在目标处所产生的辐亮度，为在可见光波段内，观测路径上大气的平均透过率；

式中，Lb-sun、Lb-sky和Lpath分别表示对于整个可见光波段，太阳直接辐射、天空背景辐射和路径辐射在背景处所产生的辐亮度，为在可见光波段内，观测路径上大气的平均透过率；

式中，C(0)为在观测距离零处目标和背景的表观对比度，Lo(0)和Lb(0)分别表示在距离为零处观测到的目标和背景的辐亮度；

式中，C(s)为在观测距离s处目标和背景的表观对比度，C(0)为在观测距离零处目标和背景的表观对比度，Lpath(s)为观测距离为s时的路径辐射亮度，τ(s)为观测距离为s时的大气透过率；

大气辐射特性与太阳位置、地球自转公转、观测地点、观测时间、天气条件等因素息息相关，因此计算时一般都是借助各种大气传输模型来进行的，如图5所示，为MODTRAN模型功能框图；如图6至图11所示，为不同月份的太阳直接辐射照度、天空背景辐射亮度、路径辐射亮度、大气透过率、目标和背景的表现对比度及目标和背景的对比度下降系数示意图，其表明高原地区的太阳直接辐射照度和大气透过率均大于平原地区，而天空背景辐射亮度和路径辐射亮度均小于平原地区；大气传输会造成目标背景的对比度降低，但是高原地区目标背景的对比度高于平原地区。

(2)温度和气压对光学系统性能的影响分析，

一般情况下，光学系统设计都是考虑其工作在常温常压环境中，但是对于处在高海拔环境中的光学系统，其所承受的温度、气压与设计环境相差较大，导致系统的成像性能因其光学元件结构参数的变化而变化；

假设光学系统是由n组透镜L1,L2…Ln组成，各组透镜的焦距分别为f1,f2…fn， T0为常温，P0为常压；因此，可以先分析温度和气压变化对单个透镜Lj的离焦情况，如图12所示，A点为物点，aj是物点到透镜平面的距离，bj是探测器成像面到透镜平面的距离；当温度为T0，气压为P0时，透镜的焦距是fj，理想像点到透镜平面的距离恰好也是bj，此时物点的像清晰的地聚焦在探测器成像面上；当温度变为T，气压变为P时，透镜的焦距变为fj+Δfj，理想像点到透镜平面的距离是cj，此时在探测器成像面上，物点将被弥散为一块圆形光斑；设hj表示透镜的半径，rj表示弥散斑半径，根据高斯公式可以得到：

式(5)和式(6)相减，可得：

透镜Lj的垂轴放大率βj为：

由此可得，透镜Lj的像面位移为：

透镜Lj后面的透镜Lj+1的轴向放大率αj+1可表示为：

αj+1＝βj+1²； (10)

式中，βj+1为透镜Lj+1的垂轴放大率，那么经过透镜Lj后的各组透镜的像面位移为：

式中，αj+1,n为透镜Lj后各组透镜的轴向放大率的乘积，即：

αj+1,n＝βj+1²·βj+2²…βn²； (12)

可以得出整个光学系统的像面位移为：

当温度均匀变化时，透镜Lj的焦距变化量为：

Δfj＝xfj·fj·ΔT； (14)

式中，ΔT为温度相对于常温T0的变化量，将式(14)代入式(13)，可得温度变化ΔT时，整个光学系统的像面位移为：

当气压均匀变化时，透镜Lj的焦距变化量为：

式中，ΔP为气压相对于常压P0的变化量，将式(16)代入式(15)，可得气压变化ΔP时，整个光学系统的像面位移为：

由式(15)和式(16)可得，当温度和气压同时变化时，整个光学系统的像面位移为：

ΔXT,P＝ΔXT+ΔXP； (18)

对车载光电系统的光学模型在温度变化、气压变化以及温度和气压耦合变化下的成像性能进行仿真分析，如图13和图14所示，温度变化越大，MTF值下降越严重，成像性能越差；MTF值随气压的降低而成单调递减的趋势，气压越低，成像性能越差。

本实用新型的车载光电设备高原环境性能影响分析试验系统，建立了目标背景的辐射传输模型，对比分析了高原和平原地区大气传输对目标背景对比度的影响；建立了车载光电系统的光学模型，对其在温度变化、气压变化以及温度和气压耦合变化下的成像性能进行了仿真分析；设计了高原境车载光电成像试验系统，并分析了高海拔环境对车载光电系统成像质量的影响。

上述实施例，仅是本实用新型的较佳实施方式，故凡依本实用新型专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本实用新型专利申请范围内。