一种氧气吸收率测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种氧气吸收率测量装置和测量方法。测量装置的结构包括光谱通道模块、目标辐射强度探测模块、目标瞄准模块、数据分析模块和光轴校准平台。在光谱通道模块中，利用三片透光波段分别位于氧气A吸收带的左带肩、吸收带内和右带肩光谱范围内的滤光片，获取目标辐射在氧气A吸收带内及左右带肩的光谱信息，利用光电倍增管进行光电转换，根据吸收带左右带肩的目标辐射强度值，插值拟合出吸收带内的基线强度值，吸收带内辐射强度测量值比上基线强度值，即为氧气吸收率。本发明可快速获取目标辐射在路径传输过程中的氧气吸收率，为解算目标距离提供准确的吸收率参数，并能够极大地促进基于氧气吸收被动测距技术的工程实用化。
【专利说明】
一种氧气^及收率测量装置及测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于氧气吸收的被动测距装置，具体地说是一种氧气吸收率测量 装置及测量方法。
【背景技术】
[0002] 基于氧气吸收的被动测距技术，是一种利用大气中氧气A吸收带（12820-13245cm-l/758-778nm)辐射光谱吸收衰减特性，针对飞机、导弹等发动机尾焰目标进行远程测距及 预警的技术，具有隐蔽性强、可靠性高、不易受气候环境影响等优势，成为近年来各国研究 热点。该技术于2005年由Michael R.Hawks首次提出，建立了以带模式方法为基础的测距理 论模型，并对该技术方法进行可行性验证[Michae 1 R · Hawks，Glen P · Perram · Passive ranging of emissive targets using atmospheric oxygen absorption 1ines[J] ? Proceedings of SPIE,2005,Vol .5811:112-122]。2009至2011 年间，美国空军技术研究 所、爱德华兹空军基地等多家机构，开展了针对F-16战机和Falcon9运载火箭尾焰目标进行 被动测距实验，进一步验证了该测距方法的有效性[R.Anthony Vincent,Passive Ranging of Dynamic Rocket Plumes Using Infrared and Visible Oxygen Attenuation[D].Air Force Institute of Technology(AU),March 2011]。
[0003] 国内2013年中北大学围绕逐线积分法建立了氧气吸收率与路径长度关系模型，并 对该模型和测量方法申请了 CN201310745316.9"基于氧气吸收和多元回归的高速被动测距 方法"和CN201410083772.6 "基于目标红外辐射光谱和带模式的被动测距方法"两项发明专 利。
[0004] 利用大气中氧气对目标辐射的吸收衰减特性来实现目标距离测量，其核心技术之 一是如何准确测量目标的氧气吸收率。目前，绝大部分研究工作都是借助于高光谱仪系统 来获取目标的光谱信息，进而计算出目标的氧气吸收率。由于高光谱仪在采集光谱信息过 程中大多需要进行光谱扫描，扫描过程时间较长，导致使用高光谱仪的测距系统的实时性 较低，无法满足工程实用需要，且高光谱仪本身就是一种科研实验设备，并非工程应用装 备，其价格昂贵，也不适合批量生产。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是提供一种氧气吸收率测量装置，以解决目标氧气吸收率测量的 实时性低和缺少工程应用测量装备的问题。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：一种氧气吸收率测量装置，包括光谱通道模块、目标 辐射强度探测模块、目标瞄准模块和数据分析模块;所述目标辐射强度探测模块与所述光 谱通道模块安装在同一个壳体中。
[0007] 所述光谱通道模块包括光学镜头、滤光镜架、步进电机和传动装置;在所述滤光镜 架上开有四个透光孔，在其中的三个透光孔上分别安装有滤光片;三个滤光片的透光波段， 第一个位于氧气A吸收带的左带肩的光谱范围内，第二个位于氧气A吸收带的吸收带内的光 谱范围内，第三个位于氧气A吸收带的右带肩的光谱范围内；所述滤光镜架遮挡在所述光学 镜头的前端，所述步进电机通过传动装置带动所述滤光镜架旋转，以实现光谱通道的切换。
[0008] 所述目标辐射强度探测模块包括光电倍增管、视场光阑、探测器固定装置和直流 电源;所述光电倍增管的响应光谱范围覆盖整个氧气A吸收带，所述视场光阑贴附于所述光 电倍增管的感光面上，所述光电倍增管通过所述探测器固定装置固定在所述光学镜头的后 端，所述光电倍增管的感光面与所述光学镜头的焦平面相重合，所述直流电源为所述光电 倍增管提供工作电压。
[0009] 所述目标瞄准模块包括瞄准镜和安装瞄准镜的第一俯仰旋转台；所述瞄准镜平行 设置在所述光学镜头旁，所述第一俯仰旋转台用于调节所述瞄准镜的光轴，使之与所述光 电倍增管的光轴相平行。
[0010] 所述数据分析模块与所述光电倍增管的输出端相连接，用于对光电倍增管的输出 数据进行分析和处理，以得出并显示对目标物的氧气吸收率的测量结果。
[0011] 本发明测量装置还包括有光轴校准平台。
[0012] 所述光轴校准平台包括斜方棱镜、支架、第二旋转俯仰台、单筒望远镜、光学平台 和LED光源;为测距系统之外的独立模块，所述单筒望远镜通过第二旋转俯仰台固定在所述 光学平台上，所述LED光源设置在所述光学平台上，所述斜方棱镜通过所述支架安装在所述 光学平台上，所述斜方棱镜位于所述单筒望远镜的左前方，所述斜方棱镜的安装高度与所 述单筒望远镜的中心高度一致，用于调校瞄准光路与目标辐射强度探测光路的平行度。
[0013] 三个所述滤光片的透过光谱范围，第一个是746.5-757.5nm，第二个是760 - 770nm，第三个是 774 · 5-785 · 5nm。
[0014] 所述视场光阑为带有中心孔的黑色不透光金属片，中心孔的孔心对准光电倍增管 的感光面中心，所述视场光阑的作用是限制接收视场，同时避免光电倍增管因接收光能过 大而饱和。
[0015] 本发明还可这样实现:一种氧气吸收率测量方法，包括以下步骤：
[0016] a、光轴平行性调校:使用光轴校准平台，先将滤光镜架旋转至无滤光片的透光孔 对准光学镜头，点亮LED光源，为光学镜头从外往里提供照明，调整光轴校准平台上的第二 旋转俯仰台，使单筒望远镜的十字分划的中心对准视场光阑的中心孔，旋转斜方棱镜，将瞄 准镜的光轴平移至单筒望远镜的视场，通过单筒望远镜的观瞄，调整第一旋转俯仰台，直至 瞄准镜的十字分划中心与单筒望远镜的十字分划中心对准重合，此即为瞄准镜与单筒望远 镜的光轴平行;完成调整光轴平行性的调校后，将滤光镜架无滤光片的透光孔关闭，以免因 目标辐射过强而烧坏光电倍增管。
[0017] b、氧气吸收率的测量和计算:通过瞄准镜的观瞄，使瞄准镜的十字分划的中心对 准被测目标；启动步进电机进行光谱通道切换，使滤光镜架上贴附滤光片的三个透光孔依 次分别移至视场光阑的中心孔前，在中心波长分别为752nm、765nm、780nm时，利用数据分析 模块记录对应的系统输出值11、12、13 ;
[0018] 对于氧气A吸收带的光谱范围为左带肩的光谱通道，按下式计算得到11: 757.5
[0019] J = A 746.5 ·.
[0020] 对于氧气A吸收带的光谱范围为右带肩的光谱通道，按下式计算得到13: 785.5
[0021] J CW夕乂 =八 774.5 ·. ?
[0022] 式中：IbAl为基线强度值，τλι为光学系统不同波长的透过率，RAl为光电倍增管不同 波长的响应率。
[0023] 根据目标辐射特性可知，目标辐射光谱可近似为一条平滑直线，因此可在中心波 长为746.5nm-185.5nm的范围内，对吸收基线进行线性拟合，插值计算，得出氧气A吸收带 的光谱范围为吸收带内的光谱通道的非吸收基线强度1_。
[0024]通过数据分析模块对数据进行分析和处理，按下式计算得出吸收带内的光谱通道 波长范围内的氧气吸收率为：
[0026] 本发明所针对的测距目标主要是飞机、导弹等发动机尾喷焰，此类目标可以看作 为类黑体，且燃料的充分燃烧也使得尾焰中没有氧分子的存在，故而不可能存在氧气对尾 焰辐射光谱的选择吸收，因此在氧气A吸收带及其左右带肩的近40个纳米的范围内，目标的 辐射光谱可以近似看作一条平滑直线。首先利用氧气A吸收带的左带肩、右带肩的目标辐射 强度进行线性插值拟合得到吸收带内的非吸收基线值，然后将吸收带内目标强度测量值与 非吸收基线值进行对比计算，计算结果即为路径长度对应的氧气吸收率。
[0027] 本发明氧气吸收率测量装置，利用透过光谱范围分别位于氧气吸收带的左带肩、 吸收带内和右带肩内的三片滤光片，来获取目标辐射位于滤光片透过波段内的光谱信息， 与高光谱系统中的复杂光谱扫描机制相比，具有结构简单和测量速度快的特点，有效提高 了测量实时性;使用光电倍增管作为光电转换器件，与高光谱系统中常用的EMCCD、EMCM0S 等光电转换器件相比，探测器无须制冷，探测灵敏度强、响应速度快且线性度高，且采用非 成像方式，既能够避免目标成像质量对测距产生的影响，又能简化系统结构，降低系统成 本。
[0028] 本发明是一种测量实时性高且简单实用的氧气吸收率测量装置，可快速获取目标 辐射在路径传输过程中的氧气吸收率，为解算目标距离提供准确的吸收率参数，并能够极 大地促进基于氧气吸收被动测距技术的工程实用化。
【附图说明】
[0029]图1是本发明的结构示意图。
[0030] 图2是中光轴校准平台的结构示意图。
[0031] 图中：1、光学镜头，2、滤光片，3、滤光镜架，4、步进电机，5、传动装置，6、光电倍增 管，7、直流电源，8、视场光阑，9、探测器固定装置，10、壳体，11、瞄准镜，12、第一俯仰旋转 台，13、斜方棱镜，14、支架，15、第二旋转俯仰台，16、单筒望远镜，17、光轴校准平台，18、LED 光源。
【具体实施方式】
[0032] 实施例1:氧气吸收率测量装置。
[0033] 如图1、图2所示，本发明氧气吸收率测量装置包括光谱通道模块、目标辐射强度探 测模块、目标瞄准模块、数据分析模块和光轴校准平台等部分;其中，目标辐射强度探测模 块与光谱通道模块安装在一个封闭的壳体10中。
[0034] 光谱通道模块包括光学镜头1、滤光镜架3、步进电机4和传动装置5。滤光镜架3是 在一根传动轴的轴头上接有轮盘，在滤光镜架3的轮盘上开有四个透光孔，四个透光孔均布 在以轮盘中心为圆心的圆周上。在四个透光孔中的三个透光孔上分别安装有滤光片2。三个 透光孔上的滤光片2的直径为25mm，其透光波段，第一个是位于氧气A吸收带的左带肩的光 谱范围内，第二个是位于氧气A吸收带的吸收带内的光谱范围内，第三个是位于氧气A吸收 带的右带肩的光谱范围内。具体地说，三个滤光片2的透过光谱范围，第一个是746.5 - 757 · 5nm，第二个是760-770nm，第三个是774 · 5-785 · 5nm。三个滤光片2的过率曲线是已知 的。在滤光镜架3的轮盘上带有定位槽，以便提高滤光片的定位精度，在没有安装滤光片的 第四个透光孔上不安装任何光学器件，并且该透光孔可以闭合，其作用是对目标辐射强度 探测模块与目标瞄准模块的光轴平行性进行调校。
[0035] 滤光镜架3的轮盘遮挡在光学镜头1的前端，滤光镜架3的传动轴通过传动装置5与 步进电机4相接，步进电机4通过传动装置5带动滤光镜架3旋转，以对光学镜头1实现光谱通 道的切换。步进电机4的步距角为1.8°，转速可调。
[0036] 目标辐射强度探测模块包括光电倍增管6、视场光阑8、探测器固定装置9和直流电 源7。光电倍增管6的响应光谱范围覆盖整个氧气A吸收带。视场光阑8为带有中心孔的圆形 黑色不透光金属片，金属片的厚度为0.3mm，中心孔的直径为0.2mm。视场光阑8贴附于光电 倍增管6的感光面上，视场光阑中心孔的孔心对准光电倍增管6的感光面中心。视场光阑8的 作用是限制接收视场，同时避免光电倍增管6因接收光能过大而饱和。
[0037]光电倍增管6通过探测器固定装置9固定在光学镜头1的后端，光电倍增管6的感光 面与光学镜头1的焦平面相重合。直流电源7为双路独立直流稳压电源，为光电倍增管6提供 工作电压。
[0038]目标瞄准模块包括瞄准镜11和安装瞄准镜的第一俯仰旋转台12。瞄准镜11平行设 置在光学镜头1的旁边，第一俯仰旋转台12用于调节瞄准镜的光轴，使之与光电倍增管6的 光轴相平行。
[0039]数据分析模块可采用微型计算机或笔记本电脑，其与光电倍增管6的输出端通过 数据线相连接，用于对光电倍增管6的输出数据进行分析和处理，以得出并显示对目标物的 氧气吸收率的测量结果。
[0040]图2中，光轴校准平台包括斜方棱镜13、支架14、第二旋转俯仰台15、单筒望远镜 16、光学平台17和LED光源18等。在单筒望远镜16上设有十字分划，单筒望远镜16通过第二 旋转俯仰台15固定在光学平台17上，LED光源18设置在光学平台17上，斜方棱镜13通过支架 14安装在光学平台17上;斜方棱镜13位于单筒望远镜16的左前方，斜方棱镜13的安装高度 与单筒望远镜16的中心高度一致。支架14为可旋转式支架，以带动斜方棱镜13绕其一光线 入射端旋转。斜方棱镜13的长度与光电倍增管6和瞄准镜11的光轴距离等同，校准时，将斜 方棱镜的旋转轴线端对准瞄准镜11，通过旋转斜方棱镜13,将瞄准光路的光轴平移至校准 望远镜的视场。
[0041 ]光轴校准平台独立于测距系统之外，用于调校瞄准光路与目标辐射强度探测光路 的平行度。
[0042]实施例2:氧气吸收率的测量方法。
[0043] 参见图1、图2,本发明氧气吸收率测量方法，包括以下步骤：
[0044] 1)光轴平行性调校：由于进行外场实验需要对系统进行搬运，难免会发生振动导 致光轴偏移，因此在进行测距之前，首先应该对目标辐射强度探测模块与目标瞄准模块进 行光轴平行调校。具体方式是，使用光轴校准平台，先将滤光镜架3旋转至无滤光片的透光 孔对准光学镜头1，点亮LED光源18，为光学镜头1从外往里提供照明；调整光轴校准平台上 的第二旋转俯仰台15，使单筒望远镜16的十字分划的中心对准视场光阑8的中心孔，旋转斜 方棱镜13，将瞄准镜11的光轴平移至单筒望远镜16的视场，通过单筒望远镜16的观瞄，调整 第一旋转俯仰台12，直至目苗准镜11的十字分划中心与单筒望远镜16的十字分划中心对准重 合，此即为瞄准镜与单筒望远镜的光轴平行，也是目标瞄准模块与目标辐射强度探测模块 的光轴平行。完成光轴平行性的调校后，将滤光镜架3无滤光片的透光孔关闭，以免因目标 福射过强而烧坏光电倍增管6。
[0045] 2)氧气吸收率的测量和计算:通过瞄准镜11的观瞄，使瞄准镜11的十字分划的中 心对准被测目标;启动步进电机4进行光谱通道切换，使滤光镜架3上贴附滤光片2的三个透 光孔依次分别移至视场光阑8的中心孔前，在中心波长分别为752nm、765nm、780nm时，利用 数据分析模块记录对应的系统输出值11、12、13。
[0046] 对于氧气A吸收带的光谱范围为左带肩的光谱通道，按下式计算得到11: 757.5
[0047] J =/丨 746.5：
[0048] 对于氧气Α吸收带的光谱范围为右带肩的光谱通道，按下式计算得到13: 755.5
[0049] ? /,v *R} *Γ.//Λ = /, J 3 3. λ3 J 774.5
[0050] 式中：IbAl为基线强度值，τλι为光学系统不同波长的透过率，Rm为光电倍增管不同 波长的响应率；
[0051 ]根据目标辐射特性可知，目标辐射光谱可近似为一条平滑直线，因此可在中心波 长为746.5nm-785.5nm的范围内，对吸收基线进行线性拟合和插值计算，从而得出氧气A吸 收带的光谱范围为吸收带内的光谱通道的非吸收基线强度1_。
[0052]通过数据分析模块对数据进行分析和处理，按下式计算，即可得出吸收带内的光 谱通道波长范围内的氧气吸收率为：
[0054]将测量得到的氧气吸收率Tabscirb，结合目标相对测量系统的方位角度信息，以及测 量环境的温度与压强值，即可代入吸收率与路径长度关系模型中，从而解算出辐射传输路 径的距离。
【主权项】
1. 一种氧气吸收率测量装置，其特征是，包括光谱通道模块、目标辐射强度探测模块、 目标瞄准模块和数据分析模块;所述目标辐射强度探测模块与所述光谱通道模块安装在同 一个壳体中； 所述光谱通道模块包括光学镜头、滤光镜架、步进电机和传动装置;在所述滤光镜架上 开有四个透光孔，在其中的三个透光孔上分别安装有滤光片;三个滤光片的透光波段，第一 个位于氧气A吸收带的左带肩的光谱范围内，第二个位于氧气A吸收带的吸收带内的光谱范 围内，第三个位于氧气A吸收带的右带肩的光谱范围内；所述滤光镜架遮挡在所述光学镜头 的前端，所述步进电机通过传动装置带动所述滤光镜架旋转，以实现光谱通道的切换； 所述目标辐射强度探测模块包括光电倍增管、视场光阑、探测器固定装置和直流电源； 所述光电倍增管的响应光谱范围覆盖整个氧气A吸收带，所述视场光阑贴附于所述光电倍 增管的感光面上，所述光电倍增管通过所述探测器固定装置固定在所述光学镜头的后端， 所述光电倍增管的感光面与所述光学镜头的焦平面相重合，所述直流电源为所述光电倍增 管提供工作电压； 所述目标瞄准模块包括瞄准镜和安装瞄准镜的第一俯仰旋转台；所述瞄准镜平行设置 在所述光学镜头旁，所述第一俯仰旋转台用于调节所述瞄准镜的光轴，使之与所述光电倍 增管的光轴相平行； 所述数据分析模块与所述光电倍增管的输出端相连接，用于对光电倍增管的输出数据 进行分析和处理，以得出并显示对目标物的氧气吸收率的测量结果。2. 根据权利要求1所述的氧气吸收率测量装置，其特征是，还包括有光轴校准平台； 所述光轴校准平台包括斜方棱镜、支架、第二旋转俯仰台、单筒望远镜、光学平台和LED 光源;所述单筒望远镜通过第二旋转俯仰台固定在所述光学平台上，所述LED光源设置在所 述光学平台上，所述斜方棱镜通过所述支架安装在所述光学平台上，所述斜方棱镜位于所 述单筒望远镜的左前方，所述斜方棱镜的安装高度与所述单筒望远镜的中心高度一致，用 于调校瞄准光路与目标辐射强度探测光路的平行度。3. 根据权利要求1所述的氧气吸收率测量装置，其特征是，三个所述滤光片的透过光谱 范围，第一个是746 · 5-757 · 5nm，第二个是760-770nm，第三个是774 · 5-785 · 5nm〇4. 根据权利要求1所述的氧气吸收率测量装置，其特征是，所述视场光阑为带有中心孔 的黑色不透光金属片，中心孔的孔心对准光电倍增管的感光面中心。5. -种氧气吸收率的测量方法，其特征是，包括以下步骤： a、 光轴平行性调校:使用光轴校准平台，先将滤光镜架旋转至无滤光片的透光孔对准 光学镜头，点亮LED光源，为光学镜头从外往里提供照明，调整光轴校准平台上的第二旋转 俯仰台，使单筒望远镜的十字分划的中心对准视场光阑的中心孔，旋转斜方棱镜，将瞄准镜 的光轴平移至单筒望远镜的视场，通过单筒望远镜的观瞄，调整第一旋转俯仰台，直至瞄准 镜的十字分划中心与单筒望远镜的十字分划中心对准重合，此即为瞄准镜与单筒望远镜的 光轴平行;完成调整光轴平行性的调校后，将滤光镜架无滤光片的透光孔关闭； b、 氧气吸收率的测量和计算:通过瞄准镜的观瞄，使瞄准镜的十字分划的中心对准被 测目标；启动步进电机进行光谱通道切换，使滤光镜架上贴附滤光片的三个透光孔依次分 别移至视场光阑的中心孔前，在中心波长分别为752nm、765nm、780nm时，利用数据分析模块 记录对应的系统输出值Il、l2、l3; 对于氧气A吸收带的光谱范围为左带肩的光谱通道，按下式计算得到I1:对于氧气A吸收带的光谱范围为右带肩的光谱通道，按下式计算得到I3:式中：7 6 4,.为基线强度值，&为光学系统不同波长的透过率，4?.为光电倍增管不同波长 的响应率； 在中心波长为746.5nm-785.5nm的范围内，对吸收基线进行线性拟合，插值计算，得出 氧气A吸收带的光谱范围为吸收带内的光谱通道的非吸收基线强度Λν; 通过数据分析模块对数据进行分析和处理，按下式计算得出吸收带内的光谱通道波长 范,由的每与服lIV志先.
【文档编号】G01S11/12GK106018306SQ201610618193
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月1日
【发明人】刘秉琦, 余皓, 张瑜, 闫宗群, 徐春梅
【申请人】中国人民解放军军械工程学院