動態(tài)紅外場景投影技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

動態(tài)紅外場景投影技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1紅外成像仿真系統(tǒng)紅外成像系統(tǒng)通過自身的紅外探測器來檢測目標(biāo)和背景輻射的能量，捕獲目標(biāo)的紅外圖像，識別并跟蹤紅外目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)正確的監(jiān)控目標(biāo)。紅外成像制導(dǎo)特別適合在夜間和低能見度下工作,能提供比肉眼所見更加豐富的目標(biāo)和背景信息,在惡劣環(huán)境中仍具有較強(qiáng)的抗干擾能力,并具有較高的靈敏度和分辨率,十分有利于目標(biāo)的識別與跟蹤。然而,在紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)開發(fā)階段,為了對制導(dǎo)性能進(jìn)行全面的評價(jià),往往需要大量的外場飛行試驗(yàn),消耗大量的經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本;同時(shí)外場試驗(yàn)環(huán)境也并非人為可控,外場環(huán)境不具有可重復(fù)性,難以對系統(tǒng)的制導(dǎo)性能進(jìn)行有針對性的重復(fù)試驗(yàn)。應(yīng)用紅外硬件閉環(huán)(Hardware-in-the-Loop,HWIL)在線實(shí)物仿真系統(tǒng),制導(dǎo)系統(tǒng)的飛行測試與夜視傳感器測試都能在實(shí)驗(yàn)室的仿真環(huán)境下進(jìn)行,大大節(jié)約了外場飛行的成本,并能提供可控、可重復(fù)的試驗(yàn)條件。紅外成像仿真系統(tǒng)的原理是模擬各種真實(shí)目標(biāo)及其背景的紅外輻射特性并建立模型,在紅外光波段內(nèi)通過仿真系統(tǒng)將其還原,生成的紅外圖像被投影到制導(dǎo)系統(tǒng)的探測器上,使制導(dǎo)系統(tǒng)如同在各種真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行目標(biāo)識別與跟蹤。目前,紅外圖像生成方法可以分為三大類:一是可見光圖像直接轉(zhuǎn)換法,即利用薄膜轉(zhuǎn)換器直接將可見光圖像轉(zhuǎn)換成為紅外圖像;二是直接紅外輻射法,主要包括電阻陣列、激光二極管陣列、紅外陰極射線管(Cathod-rayTube,CRT)以及MIRAGE(MultispectralInfraRedAnimationGenerationEquipment);三是紅外輻射調(diào)制法,主要有數(shù)字微鏡器件(DigitalMirrorDevice,DMD)紅外投影系統(tǒng)、布萊盒(Blycells)技術(shù)和紅外液晶光閥。其中DMD紅外投影技術(shù)是基于TI公司研制的DMD而設(shè)計(jì)的,它具有精度高、幀頻快、分辨率高、動態(tài)范圍大等特點(diǎn),是最新型的動態(tài)紅外場景投影技術(shù)。本文介紹了基于DMD的數(shù)字光處理(DigitalLightProcessing,DLP)顯示系統(tǒng),以及基于DLP投影顯示技術(shù)而開發(fā)的DIRSP系統(tǒng)—微鏡陣列投影系統(tǒng)(MAPS)的基本原理和關(guān)鍵技術(shù),最后對紅外場景投影技術(shù)的發(fā)展趨勢做了展望。2DMD2.1dmd微反射鏡DMD是采用微機(jī)械加工手段,在半導(dǎo)體硅片上采用鋁濺射工藝形成一組二維微鏡陣列,每個(gè)微鏡相當(dāng)于投影畫面中的一個(gè)像素點(diǎn),并且可以獨(dú)立控制每個(gè)微鏡的狀態(tài),其最高分辨率可達(dá)2048×1024。圖1是用掃描式電子顯微鏡拍下的DMD微鏡陣列顯微照片,數(shù)以百萬計(jì)的微鏡面具有不同的偏轉(zhuǎn)角,呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。DMD是TI公司研制的DLP顯示系統(tǒng)中空間光調(diào)制器的核心器件,每一個(gè)微鏡面是邊長為16μm的正方形,微鏡面的中心間距為17μm,每一個(gè)微鏡面之間的間隔僅為1μm。利用微鏡與存儲單元之間的靜電吸引,可以控制每個(gè)鏡面繞著機(jī)械轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)+10°或-10°。第二代DMD微鏡面的中心間距僅有13.68μm,可以達(dá)±12°的翻轉(zhuǎn)。而最新一代的DMD微鏡面的中心間距甚至只有10.8μm。中心間距越小,同樣面積的DMD微鏡陣列投影成像的分辨率就越高。圖2示出了兩片位于傾斜狀態(tài)的DMD微反射鏡。由圖2可知,DMD像素單元主要由存儲圖像信號的存儲單元、支撐微鏡的支柱和轉(zhuǎn)動鉸鏈、鏡架、反射鏡及3個(gè)電極等幾大部分組成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)單元,圖3為其結(jié)構(gòu)單元的具體展開。2.2微鏡逆片偏轉(zhuǎn)提供變像的控制DMD是一種快速、反射式的數(shù)字光開關(guān),成像是靠微鏡轉(zhuǎn)動完成的,成像原理如圖4所示。每個(gè)微鏡面都有3種可能的狀態(tài),即“開”態(tài)、“平”態(tài)以及“關(guān)”態(tài),分別對應(yīng)+10°、0°及-10°的偏轉(zhuǎn)角。將投影透鏡置于像素微鏡的中垂線上,當(dāng)微鏡未偏轉(zhuǎn)(即處于“平”態(tài))時(shí),像素微鏡水平放置,來自光源的入射光被微鏡反射,反射角為20°,偏離投影透鏡;當(dāng)微鏡偏轉(zhuǎn)+10°(即處于“開”態(tài))時(shí),反射光線幾乎全部通過投影系統(tǒng),屏幕上對應(yīng)的像素即呈現(xiàn)亮態(tài);當(dāng)微鏡偏轉(zhuǎn)-10°(即處于“關(guān)”態(tài))時(shí),反射光線偏離投影系統(tǒng),被吸收裝置吸收,屏幕上對應(yīng)的像素呈現(xiàn)暗態(tài)。因此,通過控制微鏡的“開”、“關(guān)”狀態(tài),就可以控制圖像每個(gè)像素的亮、暗狀態(tài),在屏幕上生成一幅投影圖像。每個(gè)微鏡均采用雙穩(wěn)態(tài)工作。圖5是雙穩(wěn)態(tài)DMD的示意圖。由圖5可知,微鏡位于扭轉(zhuǎn)片之上,扭轉(zhuǎn)片以鉸鏈為軸,帶動微鏡一起偏轉(zhuǎn)。當(dāng)扭轉(zhuǎn)片的末端與搭接電極接觸,扭轉(zhuǎn)片便停止轉(zhuǎn)動,保持平衡狀態(tài)。扭轉(zhuǎn)片的偏轉(zhuǎn)角大小完全由DMD的機(jī)械構(gòu)造所決定,用以保證偏轉(zhuǎn)角的精確性不受外界因素與積分時(shí)間長短的影響。由于偏轉(zhuǎn)角的大小在設(shè)計(jì)芯片時(shí)已經(jīng)固定,所以控制微鏡的狀態(tài)時(shí),只需考慮偏轉(zhuǎn)方向,而無需考慮控制信號的強(qiáng)弱,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字開關(guān)量控制。扭轉(zhuǎn)片的偏轉(zhuǎn)方向由加在尋址電極上的尋址電壓決定,尋址電壓的高低電平由CMOS存儲單元提供的二進(jìn)制信號來控制。當(dāng)CMOS存儲單元輸出信號為0時(shí),尋址電壓呈低電平,微鏡的偏轉(zhuǎn)角度為-10°;當(dāng)CMOS存儲單元輸出信號為1時(shí),尋址電壓呈高電平,微鏡的偏轉(zhuǎn)角度為+10°。在扭轉(zhuǎn)片上加有一個(gè)偏置電壓是為了使扭轉(zhuǎn)片具有雙穩(wěn)態(tài)特性,達(dá)到使用較低的尋址電壓來獲得較大的偏轉(zhuǎn)角,標(biāo)準(zhǔn)MOS晶體管5V電壓即可。2.3dmd投影成像中的質(zhì)量電路設(shè)計(jì)如果僅僅控制微鏡的偏轉(zhuǎn)方向,得到的只是一幅黑白二值圖像,而為了使投影圖像更逼真地模擬真實(shí)目標(biāo)和背景,傳達(dá)更豐富的現(xiàn)場信息,往往需要包含灰度信息?；叶鹊燃壥侵富叶葓D像由黑色到白色之間的亮度層次,就像我們平時(shí)看到亮度由暗到明的黑白照片,亮度變化是連續(xù)的。在數(shù)字圖像中,用灰度表示亮度值,為了表示這種灰度信息,需要把灰度值進(jìn)行量化。比如將灰度劃分為0～255共256個(gè)灰度等級,0表示最暗(全黑),255表示最亮(全白),每個(gè)像素都有自己的灰度值。用于表示每一像素灰度值的比特?cái)?shù)越高,灰度等級也越高,顯示的圖像就越豐富,畫面更細(xì)膩,圖像也會更逼真。若比特位數(shù)為b,則圖像有2b個(gè)灰度等級。為了使DMD投影成像具有更豐富的灰度信息,就需要進(jìn)行灰度調(diào)制?；叶日{(diào)制的基本原理就是人眼在空間上對分辨率不敏感和在時(shí)間上存在“視覺暫留”的特性,因此,灰度調(diào)制的方法也可以從空間和時(shí)間上加以考慮。下面介紹幾種常見的灰度調(diào)制方案。(1)圖像灰度級調(diào)制空間灰度調(diào)制是在單幀圖像內(nèi),將一定數(shù)目的基本像素單元合并成為一個(gè)“大像素”,而這個(gè)“大像素”中的每個(gè)基本像素單元僅有0和1兩個(gè)灰度級,并且是單獨(dú)可控的。如圖6所示,分別控制這個(gè)“大像素”中各基本像素單元處于“亮”態(tài)和“暗”態(tài)的數(shù)量,當(dāng)在一定距離外觀察投影圖像時(shí),整幅圖像將顯示不同的灰度級,從而實(shí)現(xiàn)圖像的灰度調(diào)制?？臻g灰度調(diào)制法實(shí)現(xiàn)簡單,只需單獨(dú)控制每個(gè)基本像素單元的“開”、“關(guān)”狀態(tài),無需復(fù)雜的控制方案和驅(qū)動電路,就可實(shí)現(xiàn)圖像的灰度等級調(diào)制。但是,空間灰度調(diào)制法也有其無法克服的缺點(diǎn)。首先,每個(gè)基本像素單元的灰度等級并沒有改變,而是通過改變“大像素”所包含的基本像素單元中處于“亮”態(tài)和“暗”態(tài)的數(shù)量比,來改變“大像素”的灰度級,這樣,整幅圖像就不可能實(shí)現(xiàn)很多的灰度等級。如圖6所示,若將4個(gè)基本像素單元組成一個(gè)“大像素”,則其灰度等級僅有5級。其次,若想提高圖像的灰度等級,只有通過增加“大像素”所包含的基本像素單元數(shù)量來實(shí)現(xiàn),這樣就導(dǎo)致了圖像分辨率下降,雖然圖像的灰度等級提高了,但卻是以降低圖像分辨率為代價(jià)的,效果適得其反。因此,通過空間灰度調(diào)制,灰度等級并不能無限制提高,而應(yīng)該綜合考慮灰度等級與分辨率的相互影響。(2)幀灰度級不同時(shí)間碼像的顯示能力幀灰度調(diào)制是將連續(xù)的一定數(shù)目的幀合并成為一個(gè)“大幀”,每一幀可以稱之為“子幀”。如圖7所示,分別控制每個(gè)“子幀”中各像素的“亮”、“暗”狀態(tài),由于人眼的“視覺暫留”現(xiàn)象,不同“子幀”同一位置的像素亮度將被疊加,從而呈現(xiàn)不同的灰度等級,實(shí)現(xiàn)圖像的灰度調(diào)制。與空間灰度調(diào)制相比,幀灰度調(diào)制不會影響投影圖像的分辨率,但把若干幀合并成為一個(gè)“大幀”作為顯示單位,而不提高幀頻,可能導(dǎo)致灰度級別的閃爍;但提高幀頻又會受到DMD顯示器件及視頻處理電路的響應(yīng)時(shí)間限制,所以幀灰度調(diào)制有其固有的瓶頸。(3)基于效率分析的灰等級調(diào)度方案任何圖像的顯示,都是在動態(tài)掃描驅(qū)動下對位比特流的操作。位比特流由DLP視頻處理電路產(chǎn)生,圖像的顯示過程就是從位比特流中取出各比特位,根據(jù)比特位的二進(jìn)制數(shù)值對顯示屏幕進(jìn)行掃描。脈寬調(diào)制(PWM)法就是根據(jù)這一原理來實(shí)現(xiàn)的。PWM法也稱占空比法,其輸出驅(qū)動的高低電平直接反映了像素比特值的大小,輸出驅(qū)動脈沖的占空比代表了灰度等級。首先,將脈沖的持續(xù)時(shí)間(寬度)根據(jù)圖像數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)等級,圖像數(shù)據(jù)的最高有效位(MSB)對應(yīng)的持續(xù)時(shí)間最長,最低有效位(LSB)對應(yīng)的持續(xù)時(shí)間最短,并按權(quán)重等比例排列。如圖像數(shù)據(jù)為n位,則每位圖像數(shù)據(jù)對應(yīng)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)為2n∶2n-1∶…∶21∶20。當(dāng)數(shù)據(jù)為“1”時(shí),對應(yīng)的脈沖等級為高電平,當(dāng)數(shù)據(jù)為“0”時(shí),對應(yīng)的脈沖等級為低電平,從而使被選通的像素實(shí)現(xiàn)不同的灰度等級。如圖8所示,若灰度等級為16,則在場時(shí)間周期內(nèi),將最高灰度級數(shù)據(jù)脈寬分為15等分,灰度級0、1、2、…、14、15分別對應(yīng)占空比0、1/15、2/15、…、14/15、1。相比前面兩種灰度調(diào)制技術(shù),脈寬灰度調(diào)制既不影響投影圖像分辨率,也不會影響投影圖像的幀頻,可以實(shí)現(xiàn)更高的灰度等級。但是,脈寬灰度調(diào)制時(shí)序復(fù)雜,要求驅(qū)動電路具有較高的工作頻率,實(shí)現(xiàn)難度較大。綜上所述,以上幾種灰度調(diào)制方案在空間、時(shí)間等不同的方面對投影圖像的灰度等級進(jìn)行調(diào)制。表1歸納了各自的調(diào)制原理及其特點(diǎn)。3dlp投影系統(tǒng)介紹隨著TI公司于1987年成功研制出DMD,第一臺基于DMD器件的DLP投影顯示器也于年推向市場。不到3年時(shí)間,DLP投影系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于移動便攜式設(shè)備、會議室、電視墻、家庭影院及大型集會等,為人們提供了高畫質(zhì)、全數(shù)字的“無縫”圖像。DLP系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)灰度圖像的顯示,還可輸入RGB信息,實(shí)現(xiàn)彩色圖像的顯示。根據(jù)DLP系統(tǒng)中所含DMD數(shù)量的不同,可以把DLP系統(tǒng)分為單芯片DLP投影系統(tǒng)、雙芯片DLP投影系統(tǒng)及三芯片DLP投影系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)權(quán)衡成本、光效率、能量損耗、重量、體積等因素,選擇合適的DLP投影系統(tǒng)。本文介紹了這3種DLP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字彩色圖像投影的原理,分析了各自優(yōu)缺點(diǎn),并指出其應(yīng)用場合。3.1dlp投影系統(tǒng)全數(shù)字化的單芯片DLP投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖9所示,其中DMD工作在顏色場順序模式,即采用一個(gè)包含三原色(RGB)的彩色輪作為濾光片,彩色輪一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài),來自光源的白色光經(jīng)過聚光透鏡后通過該彩色輪,被過濾為R,G,B3個(gè)分量,并順序地照射在DMD芯片上。為了消除照射光線與投影光線之間的干擾,在彩色輪與DMD之間設(shè)計(jì)了一個(gè)全內(nèi)反射棱鏡。經(jīng)過DLP視頻處理電路,格式化的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)被寫入DMD的CMOS(SRAM)存儲器,以控制DMD微鏡的狀態(tài),對照射在DMD表面的光進(jìn)行調(diào)制。如若存儲器中數(shù)據(jù)為“1”,則DMD微鏡處于“開”態(tài),來自微鏡的光直接被反射入投影透鏡,并最終顯示在投影屏上。而若存儲器中數(shù)據(jù)為“0”,則微鏡處于“關(guān)”態(tài),反射光被光吸收裝置所吸收,無法到達(dá)投影屏幕。在此,投影透鏡除了收集來自DMD的反射光,還具有對圖像的放大作用。選擇與屏幕尺寸相匹配的投影透鏡,將R,G,B光順序投影在屏幕上,便產(chǎn)生一幅RGB彩色圖像。單芯片DLP投影系統(tǒng)能夠?qū)GB三原色自行融合,成本低廉,輕便靈巧,非常適合應(yīng)用于移動設(shè)備。但彩色輪在任一時(shí)刻只允許其中一種顏色分量通過,光源使用效率只能達(dá)到1/3,所以光源通常采用金屬鹵化物燈,以產(chǎn)生更大的光照強(qiáng)度,防止投影圖像灰度過低。若應(yīng)用于單色模式,光學(xué)系統(tǒng)便無需采用彩色輪(即產(chǎn)生灰度圖),則不存在這個(gè)問題。3.2投影圖像顯示系統(tǒng)為了克服單芯片DLP投影系統(tǒng)的不足,提高投影圖像的亮度,TI公司又開發(fā)出了適合大屏幕投影顯示的三芯片DLP投影顯示系統(tǒng)。三芯片DLP投影顯示系統(tǒng)通過三片DMD分別對應(yīng)一種顏色分量,在一個(gè)電視場周期內(nèi),任一種顏色分量都可連續(xù)地投射在投影屏幕上,因此,投影圖像可以達(dá)到更高的亮度和灰度等級。首先,利用分光鏡將白光分解成R,G,B3個(gè)顏色分量,并分別投向?qū)?yīng)的DMD,若微鏡處于“開”態(tài),則不同顏色的反射光重新組合,并穿過全內(nèi)反射棱鏡投向投影透鏡,最終將圖像顯示在投影屏幕上。三芯片DLP投影顯示系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)如圖10所示。三芯片DLP投影顯示系統(tǒng)具有較高的光學(xué)效率,特別適合應(yīng)用于要求高亮度、大屏幕投影圖像的場合,如大型集會、貿(mào)易展覽等場合公共信息的展示。3.3雙芯片dlp投影系統(tǒng)為了低成本和高效率,在單芯片DLP投影系統(tǒng)中使用了金屬鹵化物燈。但在某些應(yīng)用領(lǐng)域光亮度又顯得不夠,需要在光輸出和精確的顏色之間進(jìn)行權(quán)衡,因此提出了獨(dú)特的雙DMD結(jié)構(gòu)。雙芯片DLP投影系統(tǒng)應(yīng)用了來自單片DLP系統(tǒng)的順序彩色輪的方法以及來自三片DLP系統(tǒng)的雙色分光棱鏡的概念,同時(shí)考慮到金屬鹵化物燈紅光缺乏這一特點(diǎn)。在雙芯片DLP投影系統(tǒng)中,彩色輪不用R,G,B濾光片,而是使用兩個(gè)輔助顏色—品紅和黃色取而代之。彩色輪的品紅片段允許紅色光和藍(lán)色光通過,黃色片段允許紅色光和綠色光通過。結(jié)果是紅色光一直可以通過濾光系統(tǒng),在整個(gè)場時(shí)間內(nèi),投影圖像都包含紅色分量,藍(lán)色光和綠色光則交替通過處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的彩色輪,即藍(lán)色光和綠色光各有一半的時(shí)間到達(dá)投影屏幕。一旦通過彩色輪,光線直接射到雙色分光棱鏡系統(tǒng)上,連續(xù)的紅光被分離出來而射到專門用來處理紅光和紅色視頻信號的DMD上,順序的藍(lán)色與綠色光投射到另一個(gè)DMD上,專門處理交替的藍(lán)色和綠色分量,這一DMD由綠色和藍(lán)色視頻信號驅(qū)動。與單片DLP系統(tǒng)相比,雙色系統(tǒng)紅光輸出是原來的大約3倍。并且因?yàn)椴噬啲F(xiàn)在只有兩個(gè)而不是3個(gè)濾光片組成,在一給定的視頻畫面中藍(lán)光和綠光輸出增加約50%(即由1/3場時(shí)間增加到1/2場時(shí)間)。以上改進(jìn)使雙片DLP系統(tǒng)有能力產(chǎn)生優(yōu)秀逼真的顏色,提高光學(xué)效率。3.4dlp投影顯示系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與普遍采用的陰極射線管(CRT)投影技術(shù)和液晶顯示(LCD)投影技術(shù)相比,基于DMD的DLP投影顯示系統(tǒng)存在諸多優(yōu)點(diǎn),具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1)crt投影成像技術(shù)DMD芯片的微鏡尺寸為16μm,中心間距為17μm,因此,像素填充因子達(dá)90%以上。換句話說,微鏡陣列90%以上的有效面積能反射來自光源的光線,產(chǎn)生投影圖像。在整片微鏡陣列中,像素尺寸及空間均勻性均能保持一致,且不受分辨率提高的影響。與此相反,CRT投影技術(shù)由于依賴于電子束掃描,而不是像素化的矩陣,因此無法產(chǎn)生方形像素。由于DMD芯片的填充因子較高,在視覺上也顯得更清晰,采用漸進(jìn)式掃描技術(shù)產(chǎn)生的投影圖像與傳統(tǒng)的投影顯示技術(shù)相比更令人賞心悅目。(2)高效的光學(xué)效率若將光學(xué)效率定義為輸出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)之比,DMD總體上的光學(xué)效率可達(dá)60%以上。這樣,投影圖像可以呈現(xiàn)更明亮的色彩,提高灰度等級。對于DMD器件,光學(xué)效率主要由4部分組成:微鏡處于“開”態(tài)的時(shí)間、微鏡表面反射效率、微鏡陣列填充因子及微鏡衍射效率,總體光學(xué)效率即為以上4部分相乘。與此相反,LCD投影顯示的光學(xué)效率先天低下。首先,LCD采用極化相關(guān)技術(shù),只利用其中一半的極化光,另一半則被晶體管和LCD元件所阻擋。除了這些光損失,液晶材料本身也吸收部分光源,導(dǎo)致只有很小的光強(qiáng)可以通過LCD面板到達(dá)顯示屏。(3)投影圖像的硬度對于DLP投影系統(tǒng),提高分辨率只需增加微鏡的數(shù)量,投影圖像的分辨率不會受到亮度的影響。而對于CRT投影儀,隨著亮度的增加,熒光粉的增強(qiáng)會導(dǎo)致分辨率降低。在DLP投影系統(tǒng)中,投影圖像的亮度只與光源和采用DMD的數(shù)量(即單片、雙片或三片DLP投影系統(tǒng))有關(guān),增加亮度意味著DMD微鏡反射更多的光到達(dá)屏幕,對分辨率不會有任何影響。因此,DLP投影系統(tǒng)可以更靈活地滿足用戶需求,其高分辨率和高亮度性能在投影顯示領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。(4)光接收數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為光信號的問題由于DMD器件微鏡陣列的“開”、“關(guān)”狀態(tài)對應(yīng)于二進(jìn)制信號“1”、“0”,只需為每個(gè)像素微鏡提供數(shù)字驅(qū)動信號,就可直接轉(zhuǎn)換為光信號,而不需要在顯示之前將數(shù)字圖像信號通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號。而且DMD器件對投影圖像的灰度調(diào)制也可通過二進(jìn)制脈寬調(diào)制來實(shí)現(xiàn),這樣就完成了投影圖像的全數(shù)字化控制輸出。全數(shù)字化控制的DMD器件靈敏度高,投影圖像具有更高的灰度等級和對比度,通常R,G,B每種顏色分量都可達(dá)到8到10位的灰度等級,色彩更加鮮明豐富。(5)dmd器件作為一種商業(yè)化成熟的投影顯示系統(tǒng),DLP具有高穩(wěn)定性和長使用壽命的特點(diǎn)。DMD器件能夠承受在復(fù)雜環(huán)境中的測試,可以滿足從商業(yè)到軍事級的應(yīng)用。DMD器件的使用壽命主要取決于機(jī)械鉸鏈的耐用性,經(jīng)過TI公司的測試,即使經(jīng)受超過1012次的重復(fù)翻轉(zhuǎn)(相當(dāng)于20年的使用時(shí)間),這些鉸鏈仍完好無損。4dmd投影系統(tǒng)的顯示原理為滿足紅外導(dǎo)引頭硬件閉環(huán)仿真與紅外傳感器測試的需要,美國光學(xué)科學(xué)公司(OSC)于2001年研制出第一臺正式商用的基于DMD的DIRSP系統(tǒng)。基于DMD的DIRSP系統(tǒng)的顯示原理與DLP投影系統(tǒng)相似,也可分為單片DMD投影系統(tǒng)、雙片DMD投影系統(tǒng)與三片DMD投影系統(tǒng),它們的顯示原理基本相同。下面首先介紹基于DMD的DIRSP系統(tǒng)的工作原理、實(shí)現(xiàn)方案,然后再對基于DMD的DIRSP技術(shù)的性能指標(biāo),以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹與分析。4.1紅外場景測試基于DMD的DIRSP系統(tǒng)又稱MAPS,其技術(shù)基礎(chǔ)正是DLP投影顯示技術(shù),只不過是將應(yīng)用場合由可見光成像變?yōu)榧t外成像,其基本原理如圖11所示。由圖可知,一個(gè)完整的MAPS主要由3部分組成:投影頭、支撐電路以及計(jì)算機(jī)圖像生成器。投影頭包括DMD、DMD驅(qū)動電路、輻射源、輻射源控制器以及準(zhǔn)直投影透鏡;支撐電路包括視頻轉(zhuǎn)換電路、同步信號處理器及電源;計(jì)算機(jī)圖像生成器可用于產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù),監(jiān)控投影系統(tǒng)的狀態(tài),設(shè)置輻射源的溫度,以及投影系統(tǒng)的其他運(yùn)行參數(shù)等。首先將需要測試的紅外場景圖像數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)圖像發(fā)生器(ComputerImageGenerator,CIG)中,產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)通過視頻轉(zhuǎn)換電路和DMD驅(qū)動電路輸入DMD器件,并將數(shù)據(jù)保存在CMOS存儲單元,以產(chǎn)生驅(qū)動電壓控制DMD的狀態(tài);此處選用黑體輻射源作為紅外光源,通過照明透鏡均勻照射DMD,由于事先已經(jīng)將場景圖像數(shù)據(jù)保存在CMOS存儲單元,于是DMD能夠通過改變微鏡狀態(tài)產(chǎn)生紅外熱圖像。這里生成的紅外圖像就能真實(shí)還原目標(biāo)、背景等場景信息,然后將生成的紅外場景通過光學(xué)準(zhǔn)直投影透鏡投射到被測試單元(UUT)的入瞳處,使被測試單元如同在真實(shí)環(huán)境中工作,以達(dá)到評價(jià)制導(dǎo)系統(tǒng)性能的目的。DMD驅(qū)動電路位于投影頭中DMD芯片的背面,它從視頻轉(zhuǎn)換電路中獲得視頻數(shù)據(jù)流,產(chǎn)生同步二進(jìn)制PWM信號,以控制DMD微鏡的偏轉(zhuǎn)。驅(qū)動電路是基于FPGA設(shè)計(jì)的,以方便新系統(tǒng)的升級與擴(kuò)展。支撐電路的功能包括從視頻源接收各種格式的視頻信號,包括DVP2、DVI、RS-170/PAL、RGB-HV(CRT)及S-Video,并將視頻信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制位流后,輸入DMD驅(qū)動電路。支撐電路可以通過串行接口將投影系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)反饋給用戶,用戶也可通過上位機(jī)的主控軟件向支撐電路輸入同步信號及其他命令,以利用支撐電路將控制信號輸入投影系統(tǒng)。例如用戶可設(shè)置輻射源的溫度,以產(chǎn)生所需的表觀溫度。4.2制導(dǎo)系統(tǒng)的仿真在紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的試驗(yàn)階段,MAPS的性能直接決定了制導(dǎo)系統(tǒng)的仿真效果。為了提高仿真精度,產(chǎn)生更逼真的紅外仿真目標(biāo),獲得更準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果,對投影圖像的分辨率、幀速、對比度、灰度等級等方面都有一定的要求。(1)全球性能DIRSP系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有表觀溫度、對比度、分辨率、幀頻等,表2列出了目前MAPS投影儀的總體性能指標(biāo)。(2)基于區(qū)域能量的監(jiān)控設(shè)計(jì)表觀溫度反映了DIRSP系統(tǒng)輻射面上輻射能量的空間分布,表觀溫度范圍越大,表現(xiàn)真實(shí)目標(biāo)和背景的實(shí)際能量分布的能力也越強(qiáng),模擬真實(shí)環(huán)境的投影圖像也越逼真。MAPS的表觀溫度取決于輻射源的溫度。對于紅外探測器常用的3～5μm波段,模擬系統(tǒng)溫度范圍為0～700℃;對于8～13μm波段,若用于反坦克,溫度范圍為室溫以上30℃內(nèi),用于對空導(dǎo)彈為0～150℃。(3)單譜分析模型對于任何類型的空間光調(diào)制器,對比度都是一個(gè)重要的性能參數(shù)。當(dāng)利用微鏡間距為17μm的DMD芯片,在中紅外波段,MAPS對比度達(dá)250∶1以上;在遠(yuǎn)紅外波段,分為普通模式和特殊模式,兩者分辨率相差較大,在MAPS對比度達(dá)250∶1以上;在普通模式,對比度為15∶1,而在特殊模式,對比度可以達(dá)110∶1以上。當(dāng)采用下一代的13.6μm的DMD芯片,在中紅外波段的對比度超過了330∶1。(4)dmd芯片分辨率數(shù)字圖像都是由許多的點(diǎn)構(gòu)成的,這些點(diǎn)稱為像素,像素越多,分辨率就越高。紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)在識別、跟蹤目標(biāo)的過程中,面對的是模擬的真實(shí)場景。因此,投影圖像的分辨率越高,就越能真實(shí)地模擬目標(biāo)和背景。由于投影圖像的每一像素對應(yīng)于DMD芯片的一塊微鏡,因此,投影圖像的分辨率取決于DMD芯片的分辨率。DMD陣列的分辨率分為SVGA(800×600)格式、XGA(1024×768)格式及SXGA(1280×1024)格式,采用第二代和第三代DMD芯片,投影圖像可以實(shí)現(xiàn)1080p(1920×1080)格式。(5)列的速度和幀頻數(shù)字視頻信號都是由離散化的圖像序列按順序排列而成,更新序列的速度就是幀頻。投影圖像的幀頻取決于視頻處理電路和驅(qū)動電路的視頻數(shù)據(jù)處理速度與DMD微鏡的翻轉(zhuǎn)速度,幀頻越高,播放的視頻信號越連貫,越能真實(shí)反映實(shí)際的場景,仿真效果也越好。4.3基于sd的dihsp系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)由于DMD是為可見光投影和人眼感知設(shè)計(jì)的,若將其用于DIRSP,就必須對DMD進(jìn)行如下改進(jìn):(1)改變光學(xué)窗,以紅外光學(xué)窗取代由于DMD采用鋁濺射工藝,因此可以反射可見光波段內(nèi)的光譜,但卻不能反射波長大于2.7μm的光譜。因此,為了使DMD適用于傳統(tǒng)的中波和長波紅外波段(3～5μm和8～12μm),需要改變原來的光學(xué)窗,并以紅外光學(xué)窗取而代之。由于DMD是采用鋁濺射工藝制成,紅外光學(xué)材料無法直接安裝在原有微鏡表面,必須首先除去微鏡表面的可見光光學(xué)窗,然后再安裝紅外光學(xué)窗,以保證所有微鏡在紅外波段內(nèi)的有效性。(2)探測器積分時(shí)間與度等級的關(guān)系將DMD應(yīng)用于紅外場景投影和探測器測試所引起的最大問題是由于PWM所導(dǎo)致的短暫假信號和抖動。DMD是一種二元(非“開”即“關(guān)”)器件,在標(biāo)準(zhǔn)的DLP系統(tǒng)中,投影圖像灰度等級的控制采用二進(jìn)制脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM),具有長積分時(shí)間的探測器(相對于微鏡的開關(guān)速度而言)可以察覺到微鏡像素的灰度等級,即對應(yīng)于微鏡處于“開”態(tài)所占的時(shí)間比例。在標(biāo)準(zhǔn)的單片DMD系統(tǒng)中,PWM結(jié)合彩色輪產(chǎn)生各種顏色。然而,在紅外場景投影中,DMD的PWM調(diào)制如果不與探測器積分時(shí)間同步,就會導(dǎo)致短暫假信號與抖動問題。這個(gè)問題在一個(gè)焦平面陣列(FocalPlaneArray,FPA)的卷積積分探測器中表現(xiàn)得尤為嚴(yán)重。為此,必須設(shè)計(jì)完全可編程的專用時(shí)序控制電路,驅(qū)動DMD與FPA積分時(shí)間同步。(3)視頻接口模塊HWIL要求計(jì)算機(jī)場景生成器能夠?qū)崟r(shí)輸出低延時(shí)、高幀頻和高分辨率的動態(tài)場景,因此,投影系統(tǒng)必須具備低延時(shí)、高幀頻和高分辨率的特點(diǎn)才具有實(shí)際意義。微鏡陣列投影系統(tǒng)具有兩個(gè)DVI視頻接口,對于每個(gè)最小化傳輸差分信號鏈路,每個(gè)接口支持24位視頻輸入,速度高達(dá)1.65×108pixel/s。當(dāng)輸入未壓縮的SXGA格式的DVI視頻信號時(shí),微鏡陣列投影系統(tǒng)的最大幀頻可達(dá)239Hz。視頻接口實(shí)現(xiàn)了完全可編程設(shè)計(jì),以支持其他格式和幀頻的視頻輸入。例如,它同樣支持幀頻為690Hz,分辨率為1024×768的8位視頻信號輸入。微鏡陣列同樣支持DVP2、RGB-HV、NTSC/PAL以及S-Video視頻格式的輸入,在將視頻信號輸入投影頭之前,利用支撐電路將以上視頻格式轉(zhuǎn)換為DVI視頻。支撐電路的設(shè)計(jì)除了要求滿足低延時(shí)特性外,還要求整幅圖像同時(shí)更新(即以快照模式更新)。(4)輸出光的要求為了支持紅外探測器