基于dmd圖像的紅外場(chǎng)景仿真技術(shù)研究

基于dmd圖像的紅外場(chǎng)景仿真技術(shù)研究

0空射紅外制導(dǎo)武器的仿真研究隨著紅外成像技術(shù)的快速發(fā)展和創(chuàng)新，超越視覺作戰(zhàn)和精確打擊成為未來的主要作戰(zhàn)模式，紅外成像理武器在獲得戰(zhàn)場(chǎng)主導(dǎo)權(quán)、夜間進(jìn)攻和精確進(jìn)攻方面發(fā)揮著重要作用。在紅外成像制導(dǎo)武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制、測(cè)試和定型過程中進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié),而紅外場(chǎng)景仿真技術(shù)更是半實(shí)物仿真的核心技術(shù)。近年來,我國在紅外成像制導(dǎo)技術(shù)研究方面取得了顯著的進(jìn)步,但是隨著紅外成像制導(dǎo)武器性能的不斷提高,現(xiàn)有的紅外場(chǎng)景模擬水平已經(jīng)不能滿足仿真需求,不能很好地解決仿真要求的高對(duì)比度、高灰度分辨率和空間分辨率等關(guān)鍵性問題,而空射紅外制導(dǎo)武器研制遇到的高動(dòng)態(tài)、高幀頻等新問題也對(duì)紅外場(chǎng)景仿真技術(shù)提出了新的需求。從國外實(shí)驗(yàn)室和近幾年的工程使用情況來看,典型的紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)主要有MOS熱電阻面陣、激光二極管、IR-CRT、IR液晶光閥、微反射鏡等。IR液晶光閥和IR-CRT在幀頻、溫度范圍和動(dòng)態(tài)范圍方面存在局限性,激光二極管的空間均勻性和成像質(zhì)量更是不夠理想,且需要大的杜瓦封裝,對(duì)這兩者的應(yīng)用不多。MOS電阻陣溫度范圍較寬,紅外特性集中在高溫段,且其像元分辨率較低,目前國外雖已研制出1024×1024元,但實(shí)際工程應(yīng)用的僅有512×512元,國內(nèi)只能達(dá)到256×256元,成像分辨率過低、并且非均勻性和非線性沒有得到很好的解決,實(shí)際工程應(yīng)用的局限性較大。數(shù)字微鏡陣列(DigitalMicro-mirrorDevice,DMD)因其分辨率高(目前可達(dá)1920×1080元)、能量輸出集中、圖像穩(wěn)定、亮度非均勻性小、幾何畸變小,可分辨溫差小、動(dòng)態(tài)特效好等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)成為發(fā)展的熱點(diǎn),且已突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),開始逐步應(yīng)用于武器系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)。文中針對(duì)空射武器目標(biāo)仿真系統(tǒng)目前存在的缺陷與不足,基于DMD系統(tǒng)的二進(jìn)制、分時(shí)脈寬調(diào)制(PWM)方法,解決了空中目標(biāo)仿真中高幀頻、高動(dòng)態(tài)和高對(duì)比度等關(guān)鍵技術(shù)問題,為紅外成像仿真技術(shù)在空射武器半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。1dmd器件圖像數(shù)據(jù)的顯示灰度等級(jí)是指紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)所能表現(xiàn)的灰度層次的能力,是系統(tǒng)空間分辨率、對(duì)比度、溫度分辨率三項(xiàng)性能的綜合體現(xiàn)?；叶鹊燃?jí)越高,表觀圖像的灰度分布層次越豐富、細(xì)節(jié)度越好、圖像的連續(xù)性與柔和度越好,而灰度調(diào)制是實(shí)現(xiàn)DMD場(chǎng)景仿真灰度等級(jí)的主要方法。文中采用類似于PWM脈寬調(diào)制的數(shù)字灰度調(diào)制方法進(jìn)行高精度灰度控制,實(shí)現(xiàn)了基于DMD的灰度成像調(diào)制。從光的調(diào)試方式來看,DMD是一種被動(dòng)反射式光強(qiáng)調(diào)制器,依靠像素鏡面對(duì)光發(fā)射的角度不同來產(chǎn)生亮暗的區(qū)別,由控制復(fù)位時(shí)間長短來產(chǎn)生不同的等級(jí)灰度。在DMD器件顯示技術(shù)中,采用二進(jìn)制、分時(shí)脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理,對(duì)二進(jìn)制驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行脈寬調(diào)制,對(duì)每個(gè)單元鏡片開關(guān)的時(shí)間長短進(jìn)行高精度控制形成圖像的灰度等級(jí)。DMD器件輸入代表亮度灰度等級(jí)的圖像數(shù)據(jù),每個(gè)像素點(diǎn)的顏色信息采用24bit(R-G-B信息各用8位表示即256種灰度等級(jí))表示,信息的每一位代表了光開啟或中斷(1或0)的時(shí)間間隔,其間隔值相應(yīng)地為20、21、…27。每一圖像的時(shí)間域(255)被分為8個(gè)獨(dú)立的時(shí)間片,時(shí)間片的長短與該位的二進(jìn)制權(quán)值成正比,每個(gè)時(shí)間片分配的幀時(shí)為20/255、21/255、…27/255,采用位分離法,從最低有效位(LSB)到最高有效位(MSB)將一張圖拆成8張位面圖,連續(xù)產(chǎn)生每一個(gè)位面圖對(duì)應(yīng)的光開啟的時(shí)間間隔,從而得到原圖對(duì)應(yīng)的灰度等級(jí)。4位二進(jìn)制圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)控制的脈沖序列原理如圖1所示。脈寬調(diào)制信號(hào)是通過多路串行方式對(duì)像素行刷新,由行移位寄存器選通DMD像素陣列的某一行進(jìn)行刷新,同一時(shí)刻只能刷新一行,DMD陣列以逐行順序的方式完成整個(gè)陣列的刷新,在一幀圖像的時(shí)間內(nèi),DMD陣列會(huì)被刷新許多次,通過紅外探測(cè)器的光積分效應(yīng)顯示出灰度圖像。2dmd圖像表現(xiàn)由DMD調(diào)制原理可知,在一幅圖像不同的數(shù)據(jù)位時(shí)間斷內(nèi),到達(dá)探測(cè)器成像面的光強(qiáng)是不同的,即光強(qiáng)分布是時(shí)間函數(shù),文中根據(jù)DMD產(chǎn)生的多個(gè)瞬態(tài)圖形成像光強(qiáng)的時(shí)間累積效應(yīng)建立調(diào)制成像模型。輸入灰度圖形分布函數(shù)位f(x,y),其灰階位數(shù)為N,每幅灰度圖形在DMD的顯示都可以分為log2N個(gè)位數(shù)據(jù)位時(shí)間段,而PWM信號(hào)為二值化信號(hào),因此在每個(gè)數(shù)據(jù)位時(shí)間段內(nèi)DMD顯示實(shí)際是一幅二值化黑白圖像,各個(gè)數(shù)據(jù)位按一定規(guī)律循環(huán)曝光,則f(x,y)表示為:式中:bi(x,y)為第i個(gè)數(shù)據(jù)位時(shí)間段內(nèi)DMD顯示的二值圖像;N為圖像位數(shù)。在紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)中,DMD微鏡陣列像面光強(qiáng)分布是單元像面光強(qiáng)分布的非相干疊加和單個(gè)鏡面的停留時(shí)間來表征的,像面光強(qiáng)表達(dá)式如下:式中:m=0,1,2,…,M;n=0,1,2,…,N;d為像素單元的邊長;M,N為DMD陣列對(duì)應(yīng)的x,y方向的像素個(gè)數(shù);δ函數(shù)表征DMD陣列的周期性結(jié)構(gòu);I0(n,m)為輸入圖像的第(n,m)個(gè)像素的平均光強(qiáng);rect為限制DMD陣列寬度的矩陣函數(shù);W為DMD陣列的結(jié)合寬度;|h(x-nd,y-md)|2為系統(tǒng)的強(qiáng)度擴(kuò)展函數(shù)。由曝光強(qiáng)度在總幀時(shí)內(nèi)形成的曝光量可表達(dá)為:式中:Ii(x,y)為t時(shí)刻基片上的曝光強(qiáng)度分布。在PWM控制規(guī)律下,模擬幀頻和輻射亮度相互之間是互斥關(guān)系。單個(gè)像元幀頻高則表觀灰階低,而控制翻轉(zhuǎn)幀頻低則表觀灰階高,如圖2所示,給出在單幀圖像中,基于PWM方式的最大控制頻率與0.7XGADDRDMD芯片灰階之間的關(guān)系圖,描述灰階和幀頻之間的關(guān)系曲線。同樣,控制幀頻又與系統(tǒng)的加載時(shí)間相關(guān)。系統(tǒng)的加載速度應(yīng)由最低位的周期決定,DMD采用block加載模式,可使得速度最快、系統(tǒng)達(dá)到最高的幀頻數(shù)。最低位周期為重新加載一幀的時(shí)間加上鏡子的穩(wěn)定期。0.7XGA1024×768規(guī)格DMD芯片,每個(gè)鏡子翻轉(zhuǎn)時(shí)間加上穩(wěn)定時(shí)間為13μs,加載一個(gè)block為1.92μs,每個(gè)BLOCK為48行,一幅圖像為16個(gè)block。最小的一幀停留時(shí)間為13μs,后面依次為26,52,104,208,416,832,1664μs,加載一幀256級(jí)灰度等級(jí)的圖像最小時(shí)間為13μs×256=3.328ms,最快幀頻為1000/3.328=300幀。3dmd的成像采用灰度調(diào)制的紅外場(chǎng)景模擬的驗(yàn)證系統(tǒng)包括:(1)紅外DMD芯片及封裝系統(tǒng);(2)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng);(3)高低溫照明系統(tǒng);(4)分束合成系統(tǒng)和光學(xué)準(zhǔn)直部件,組成框圖如圖3所示。該方案采用TI公司的0.95in(1in=2.54cm)規(guī)格DMD芯片完成灰度調(diào)制成像,器件分辨率為1400×1050,像元尺寸為13.68μm×13.68μm,像素間隙為0.8μm。DMD信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)對(duì)輸入圖像格式進(jìn)行規(guī)格化處理,計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像信號(hào)通過處理電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),經(jīng)過數(shù)字解碼、同步調(diào)整、圖像規(guī)格化、圖像編碼,最終變換成DMD所對(duì)應(yīng)的比特流,并通過復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)DMD反射調(diào)制成像,信號(hào)成像流程如圖4所示。同步調(diào)整電路將輸入圖像存儲(chǔ)后按照輸入幀同步觸發(fā)信號(hào)的相位關(guān)系讀出圖像信號(hào),使輸出圖像刷新與紅外探測(cè)器光采樣的幀步調(diào)一致,以消除圖像閃爍,達(dá)到最佳匹配效果。輸入同步信號(hào)必需能夠反映紅外探測(cè)器的光采樣相位關(guān)系,可以是TTL脈沖或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)。當(dāng)輸入同步信號(hào)時(shí),由同步分離電路提取幀同步信息。系統(tǒng)同步調(diào)整電路由FPGA芯片和高速存儲(chǔ)器構(gòu)成,具有較高的穩(wěn)定性,輸出同步精度不低于1μs。圖像規(guī)格化電路的作用是將不同像素規(guī)模、不同長寬比的輸入圖像數(shù)據(jù)通過插值或壓縮的方式歸一化為與DMD芯片像數(shù)規(guī)模相同的1400×1050格式。規(guī)格化過程可能將圖像壓縮或放大,但不會(huì)改變輸入圖像信號(hào)的長寬比例。圖像規(guī)格化是信號(hào)處理過程的重要環(huán)節(jié),可以抑制噪聲,提高圖像信噪比和整機(jī)的穩(wěn)定性,增加對(duì)輸入信號(hào)的兼容性。高低溫照明系統(tǒng)提供DMD調(diào)制所需的光源,文中的設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用高低溫面元黑體及匯聚光路提供照明光源,高溫黑體溫度可達(dá)到1100℃,均勻性和穩(wěn)定性好。DMD為角度敏感器件,因此設(shè)計(jì)視場(chǎng)較小,視場(chǎng)為5.3°×4°,焦距為206mm,出瞳500mm,口徑為80mm。4測(cè)試和評(píng)估4.1dmd的光學(xué)密封美國TI公司生產(chǎn)的DMD芯片主要用于DLP投影系統(tǒng),主要使用在增強(qiáng)紅外、可見光和紫外波段,其波段透過率曲線如圖5所示。DMD系統(tǒng)透過率高的波段主要集中在可見光(0.36~0.78μm),可達(dá)95%以上,并且在紫外波段有一定的透過率,而紅外透過率則集中在近紅外,在中紅外和遠(yuǎn)紅外透過率衰減至10%以下,因此需要對(duì)DMD系統(tǒng)重新進(jìn)行光學(xué)密封,窗口采用鍺材料,鍍寬波段(1~12μm)增透膜,密封采用真空封裝,完成后的測(cè)試透過率曲線如圖6所示,封裝效果較好,在中波波段(3~5μm)透過率達(dá)95%以上,長波有較強(qiáng)衰減。4.2紅外性能測(cè)試結(jié)果根據(jù)文中設(shè)計(jì)的灰度調(diào)制方法研制了基于DMD的紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)驗(yàn)證原理樣機(jī),采用FLIRSC7300紅外熱像儀對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試關(guān)系如圖7所示。測(cè)試內(nèi)容包括灰度等級(jí)、對(duì)比度、溫度分辨率、溫度穩(wěn)定度、圖像非均勻性、幾何畸變等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果圖像如圖8所示。測(cè)試結(jié)果為:圖像可分辨灰度等級(jí)為128級(jí),對(duì)比度為0.54,幾何畸變?yōu)?.17%,均勻性1.49%,溫度分辨率為0.1℃,溫度穩(wěn)定度為0.1℃/h。測(cè)試結(jié)果表明,基于灰度調(diào)制技術(shù)的DMD系統(tǒng)性能良好,具備高灰度等級(jí)、小幾何畸變、高分辨率、強(qiáng)對(duì)比度和良好的溫度穩(wěn)定度等技術(shù)特點(diǎn),可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬紅外場(chǎng)景。應(yīng)用文中研究結(jié)果組裝了紅外目標(biāo)模擬器整機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)和測(cè)試。測(cè)試過程中紅外仿真圖像清晰,無閃爍現(xiàn)象,具有良好的實(shí)時(shí)性和真實(shí)感。紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的紅外輻射場(chǎng)能量分布均勻、對(duì)比度較高,各項(xiàng)參數(shù)均符合技術(shù)要求。5基于dmd圖像架構(gòu)的紅外場(chǎng)景仿真技術(shù)驗(yàn)證文中借鑒PWM脈寬調(diào)制技術(shù),提出了基于DMD灰度調(diào)制的紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,對(duì)系統(tǒng)的核心灰度調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了研究、設(shè)計(jì)和開發(fā),建立了調(diào)制成像模型,解決了信號(hào)解碼、圖像規(guī)格化、同步驅(qū)動(dòng)和脈寬調(diào)制等關(guān)