基于dmd的紅外目標成像仿真研究

基于dmd的紅外目標成像仿真研究

0基于動態(tài)紅外場景仿真的系統(tǒng)成像測試是一個復雜的試驗研究隨著紅外成像系統(tǒng)在夜間跟蹤、目標研究和精確監(jiān)控等領域的廣泛應用，紅外成像技術得到了迅速發(fā)展。然而,如何對紅外成像系統(tǒng)的性能進行正確地檢驗和評價,以使系統(tǒng)更好地發(fā)揮性能,逐漸成為系統(tǒng)測試的一個關鍵問題?，F(xiàn)有的外場試驗測試方法受時間、氣候等條件限制,常常耗時、耗力,而且效果也不太理想;而傳統(tǒng)的室內試驗不能達到與真實環(huán)境一樣的效果。鑒于現(xiàn)有紅外成像系統(tǒng)性能測試的缺陷,近年來,在室內環(huán)境下利用模擬動態(tài)紅外場景對系統(tǒng)進行成像試驗測試已慢慢成為各國研究的熱點?；趧討B(tài)紅外場景仿真的系統(tǒng)成像測試不僅能為系統(tǒng)提供與外場類似的測試環(huán)境,而且能有效降低系統(tǒng)的研制成本,縮短研制周期。本文將在綜合分析國內外動態(tài)紅外場景仿真技術研究現(xiàn)狀研究的基礎上,著重對當前發(fā)展迅速的基于數(shù)字微鏡器件(DigitalMicro-mirrorDevice,DMD)的動態(tài)紅外場景仿真技術進行分析。1直接輻射型和輻射調制型動態(tài)紅外場景仿真系統(tǒng)是在實驗室條件下模擬生成動態(tài)目標和背景的紅外輻射特性,為紅外成像系統(tǒng)提供模擬目標和背景。仿真系統(tǒng)按照成像原理可以分為直接輻射型和輻射調制型兩大類。直接輻射型是指通過控制圖像生成器的像元,利用其自身產(chǎn)生的輻射,通過調制其輻射強度產(chǎn)生紅外圖像,主要代表有:激光二極管陣列技術、電阻陣列技術、BlyCell技術等。紅外輻射調制型是利用計算機模擬紅外目標與背景的信息,通過空間光調制技術,對紅外光源提供的紅外輻射進行空間強度調制,生成紅外圖像,主要代表有:液晶光閥技術、基于LCOS的空間光調制技術和基于DMD的紅外仿真技術等。1.1基于dmd的紅外場景投影自20世紀90年代以來,美國陸軍陸續(xù)建成了14套硬件閉環(huán)仿真系統(tǒng)(HWIL),這些系統(tǒng)實現(xiàn)了可見光波段、中遠紅外波段以及微波等波段的成像或非成像仿真。其中,較典型的有霍尼韋爾技術中心(HTC)研制的多光譜景象投影系統(tǒng)(MSSP)和亮電阻紅外發(fā)射系統(tǒng)(BRIGHT)、圣巴巴拉紅外公司和印迭哥系統(tǒng)公司聯(lián)合研制的多光譜紅外仿真生成系統(tǒng)(MIRAGE)、光科學公司(OSC)研制的激光二極管投射陣列(LDAP)和微反射鏡陣列投射系統(tǒng)(MAPS)等。從工程實踐應用來看,基于液晶光閥技術的動態(tài)場景仿真裝置幀頻受限,且適用溫度范圍和動態(tài)范圍也不理想,基于激光二極管陣列技術的動態(tài)場景仿真裝置在空間均勻性和成像質量方面較差,且需要大的杜瓦封裝,因此,這兩者技術應用不多。基于電阻陣列的紅外場景仿真技術具有較寬的溫度范圍,但其紅外特性主要集中在高溫段,像元分辨率較低,目前國外雖已研制出2048×1024像元,但實際工程應用的僅有512×512元,國內只能達到128×128像元,此項技術僅限于模擬高溫物體。美國光科學公司(OSC)從1996年著手研究基于DMD的紅外場景投射技術,稱為微鏡陣列投影系統(tǒng)(MAPS),該技術具有高分辨率、高幀頻、無死像元和均勻性好等特點。目前,OSC已開發(fā)出幾種MAPS樣機,如單片、雙片DMD投影系統(tǒng)。其工作模式主要有兩種:二進制模式和脈沖寬度調制(PWM)模式。工作在二進制模式下時,DMD每幀圖像的像素單元僅用一位二進制(0或1)來控制,所以MAPS可以產(chǎn)生高幀頻的投影圖像,并且對測試系統(tǒng)(UUT)的最小積分時間也沒有要求;在一幀時間內,MAPS占用97%的時間來投射顯示圖像,用3%的時間讓微鏡恢復到平態(tài)以防止鉸鏈的機械記憶實效。工作在脈沖寬度調制(PWM)模式下時,MAPS可以通過改變PWM頻率來滿足探測器積分時間的要求,積分時間越長,可以得到更高灰度等級的紅外圖像。OSC公司已于2001年制成第一臺基于DMD的中波紅外場景仿真系統(tǒng),采用SVGA格式DMD芯片,分辨率為800×600,2003年,采用XGA格式DMD芯片,微鏡數(shù)目增加了33.3%,將分辨率提高到1024×768,采用雙通道信號輸入,有效提高了幀頻,二進制模式幀頻由SVGA格式的4065Hz提高到10kHz,PWM模式幀頻由100Hz提高到230Hz,隨著第三代DMD芯片的推出,OSC公司又提出要將分辨率提高的1280×1024。這些系統(tǒng)的信號輸入均采用DVI(DigitalVisualInterface)接口標準,支持24bit視頻信號輸入,對于XGA格式信號最大幀頻可達398Hz。美國OPTRA公司于2010年制成了基于DMD芯片的雙波段紅外場景仿真器,輻射波段范圍為3.4~4.2uf06dm和4.2~5.0uf06dm,最大表觀溫度為510℃,脈沖寬度調制采用10bit,最大刷新頻率為40Hz,角分辨率為225uf06drad,對比度為250:1,系統(tǒng)同樣使用DVI標準接口傳輸信號。相比于其它紅外目標仿真技術,基于DMD的紅外場景仿真有如下優(yōu)勢:1)高圖像分辨率;2)高光學效率;3)高亮度;4)全數(shù)字化控制;5)圖像幾何畸變小;6)高穩(wěn)定性和長使用壽命等。在實際的應用中DMD已經(jīng)成為動態(tài)紅外目標生成的主流設備,逐漸成為紅外目標仿真技術發(fā)展的主要方向。1.2基于dmd的動態(tài)紅外場景仿真系統(tǒng)設計方案研究我國在紅外成像仿真技術方面近年來已取得長足進步,但與西方發(fā)達國家相比仍有較大差距。國內對基于DMD紅外場景仿真技術的研究最早由中科院的陳二柱、梁平治等在2003年提出;2008年中科院光電技術研究所的賈辛、邢廷文等提出了基于DMD的動態(tài)紅外場景投影光學系統(tǒng)設計思想及光學參數(shù)的設定;2010年之后,哈爾濱工業(yè)大學的關英姿、空空導彈研究所的張二磊、西北工業(yè)大學的張凱、孫嗣良等人相繼提出了基于DMD的中波紅外場景仿真系統(tǒng)設計方案,并取得了一些實驗數(shù)據(jù)。目前國內在此方面的研究仍然有很大的發(fā)展空間。上述提出的設計方案都是基于中波紅外波段的場景仿真,主要集中在3~5uf06dm波段,對8~13uf06dm的長波紅外波段的場景仿真研究較少;由于采用DMD芯片,其微反射鏡片存在衍射效應,所以系統(tǒng)的對比度普遍不高,如何提高仿真系統(tǒng)的對比度將是下一步的研究重點;目前的投影系統(tǒng)都局限于靜態(tài)場景仿真,隨著計算機圖形學特別是虛擬現(xiàn)實技術的飛速發(fā)展,實時生成具有真實感的動態(tài)場景將成為可能。2基于mad的動態(tài)紅景色成像技術原理2.1單個微反射鏡成像DMD器件是由美國德州儀器(TI)公司研制,用于DLP顯示系統(tǒng)中實現(xiàn)空間光調制的核心器件,它是采用微機械加工手段,在半導體硅片上采用鋁濺射工藝形成一組二維微鏡陣列,一個微反射鏡片相當于圖像數(shù)據(jù)中的一個像素點,通過快速、獨立控制每個微反射鏡的偏轉角度,控制對光源光線的反射,實現(xiàn)圖像信息的動態(tài)顯示。圖1是電子顯微鏡拍下的DMD芯片微鏡陣列顯微照片,如圖所示各個微反射鏡片根據(jù)不同的偏轉角,呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。目前報道的最新一代的DMD芯片的最高分辨率可達2048×1024,中心間距最小可以達到10.8uf06dm,角度旋轉達到±12uf0b0。中心間距越小,DMD芯片的占空比就越高,光學利用率越高。圖2是單個微反射鏡的結構示意圖,如圖所示,DMD微反射鏡主要包括信號存儲單元、電極和轉動鉸鏈、反射鏡三部分,構成微機電系統(tǒng)(MEMS)。DMD是一種快速、反射式的數(shù)字光調制開關,通過控制微反射鏡轉動實現(xiàn)圖像成像,其工作原理如圖3所示。圖中,每個微鏡片都有3種穩(wěn)定狀態(tài),分別為“開”、“平”以及“關”態(tài),對應偏轉角分別為+12uf0b0、0uf0b0和-12uf0b0。當微鏡片對應像素值的二進制位時間為“1”時,微鏡片偏轉為+12uf0b0,反射光線全部通過投影系統(tǒng),投影屏幕上對應像素點呈亮點,當微鏡片對應像素值的二進制位時間為“0”時,微鏡片偏轉為-12uf0b0,反射光線偏離投影系統(tǒng),被低溫黑體吸收,投影屏幕上對應像素點呈暗點。因此,通過控制微鏡片的偏轉狀態(tài),就可以實現(xiàn)控制圖像每個像素點的亮、暗,在接收屏幕上生成一幅完整圖像。2.2場景映射方法如圖4所示,整個仿真系統(tǒng)主要由兩部分組成:(1)計算機圖像生成器;(2)場景投射部分。計算機圖像生成器,就是根據(jù)實際測試的紅外場景圖像數(shù)據(jù),在計算機中利用圖像生成軟件,如VegaPrime、OpenGL、3DSMAX等,根據(jù)實際測量的目標和背景、環(huán)境信息,生成不同背景、不同環(huán)境下的動態(tài)紅外目標,實現(xiàn)目標的三維重建。場景投射,是指由計算機圖像生成器產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)字信號處理電路,送入DMD驅動電路,并將數(shù)據(jù)保存在CMOS存儲單元。黑體光源產(chǎn)生紅外熱輻射,通過照明光路準直勻化以后照射到DMD芯片上,CMOS存儲單元根據(jù)存儲的二進制信息產(chǎn)生驅動電壓控制DMD的偏轉狀態(tài),反射紅外熱輻射,然后經(jīng)過中繼透鏡組投射到紅外成像系統(tǒng)的入瞳處,使紅外成像系統(tǒng)如同工作在真實的外場環(huán)境中,實現(xiàn)評價紅外成像系統(tǒng)性能的目的。通過調節(jié)黑體光源的輻射溫度,可以模擬不同波段的紅外目標輻射。2.3脈沖寬度調制灰度調制技術是指用灰度值來表示數(shù)字圖像的亮度值,灰度值越大,亮度越高,每個像素對應各自的灰度值。用來表示每一像素灰度的比特位數(shù)越高,對應灰度等級也越高,圖像畫面細節(jié)表征越好?；叶日{制方法主要有空間灰度調制、幀灰度調制和脈沖寬度調制等。由于空間灰度調制存在隨著灰度等級的提高,圖像分辨率下降的缺點,而幀灰度調制方法存在提高幀頻與DMD視頻處理電路響應時間的矛盾,二者在實際應用上存在一定的缺陷。脈沖寬度調制則不存在上述問題,在系統(tǒng)設計時采用脈沖寬度調制。脈沖寬度調制的原理是將信號圖像的每幀時間分成若干時間間隔,或者稱之為二進制位時間,不同的灰度等級對應不同的二進制位時間。例如,以4比特位的圖像為例,它具有24個灰度等級。如圖5所示,一幀時間被分成4個位時間,每個位時間的長短與該位的二進制權值成正比,即從LSB到MSB的位時間依次為20、21、22、23,每一幀數(shù)字圖象的時間被對應分成4個不同的時間間隔1/15、2/15、4/15、8/15。這樣,對于4比特位的二進制圖像可以產(chǎn)生24個灰度等級。以十進制數(shù)10為例,其二進制數(shù)表示為1010,反應在DMD微鏡片上,高電平所對應的位時間鏡片偏轉+12uf0b0,低電平對應的位時間鏡片偏轉-12uf0b0,如圖5所示,數(shù)據(jù)10對應的灰度級為10/15。同理,對一個8比特位二進制圖像數(shù)據(jù)而言,具有28個灰度等級。2.4入射光光度eo系統(tǒng)轉換效率的高低是衡量一個系統(tǒng)的重要指標。轉換效率可以通過圖6給出的模型計算得出。被測系統(tǒng)的入射光照度Eo由系統(tǒng)的入射光照度Ei決定:式中:r為系統(tǒng)的轉換效率因子;Ei為系統(tǒng)的入射光照度。式中:CS(TS)為溫度為TS的黑體輻照度;θS為黑體光源相對系統(tǒng)入射角的半角角度;被測系統(tǒng)的入射光照度EO為:式中:Cp為系統(tǒng)輸出的輻照度;θp為仿真系統(tǒng)相對被測系統(tǒng)輸入角的半角角度。則公式(1)可以表示為:仿真系統(tǒng)的轉換效率因子r與準直系統(tǒng)的傳遞效率τc、DMD芯片的反射效率ηDMD、DMD芯片的填充因子ΦDMD以及中繼透鏡的傳遞效率τr成正比,即:由上可知,在光學器件選定的情況下,根據(jù)黑體光源相對系統(tǒng)輸入的半角角度θS以及仿真系統(tǒng)相對被測系統(tǒng)輸入的半角角度θp,便可計算出仿真系統(tǒng)的轉換效率。3一些關鍵技術問題3.1視頻歸一化電路基于DMD芯片的投影系統(tǒng)的主要特點就是信號傳輸?shù)娜珨?shù)字化控制。對微鏡陣列的控制只需為每個像素提供數(shù)字驅動信號,不需要將數(shù)字圖像信號經(jīng)A/D轉換為模擬信號后傳輸,再經(jīng)D/A轉換實現(xiàn)顯示,保證了圖像信息在傳輸過程的完整性。這就要求系統(tǒng)的信號傳輸需采用DVI接口標準,支持24bit視頻數(shù)字傳輸。對于不同像素的輸入圖像數(shù)據(jù),為了使DMD驅動電路能夠正確控制DMD鏡片轉動,需要設計圖像歸一化電路,使不同像素的輸入圖像與DMD芯片像素規(guī)模具有相同尺寸格式,并且不改變圖像的長寬比例。通過歸一化電路可以提高圖像的信噪比和仿真系統(tǒng)的整機穩(wěn)定性,增加對輸入信號的兼容性。輸出圖像的灰度等級是通過控制DMD微反射鏡在某一位置的停留時間從而達到脈寬調制實現(xiàn)的。對于凝視型面陣紅外探測器的成像原理,要求DMD顯示時間必須與探測器采樣時間嚴格同步,不然會導致短暫假信號與抖動問題,這就要求在進行系統(tǒng)設計時,設計可編程的同步驅動電路,實現(xiàn)DMD成像與探測器探測同步。3.2透射材料的選擇普通的DMD芯片主要用于可見光波段的投影系統(tǒng),在芯片的上表面覆蓋有一個透光窗口,用于屏蔽紫外和紅外光波。而目前紅外探測器主要集中在中波和長波紅外波段,即3~5uf06dm和8~13uf06dm,要實現(xiàn)DMD芯片對中、長波段紅外光線的反射需要更換芯片表面的光學窗口,使其可以透過紅外光波。透射材料分為光學玻璃、光學晶體和光學塑料三大類。一般光學玻璃能透過波長為0.35~2.5uf06dm的各種色光,超出這個波段范圍的光將會被光學玻璃強烈吸收。光學晶體的透射范圍一般比光學玻璃要寬,而光學塑料的特性受溫度影響較大,成像質量不穩(wěn)定。通常使用鍺單晶制作透射窗口。鍺不具有吸濕性,化學性質穩(wěn)定,擁有良好的表面硬度和強度,具有高折射率、低色散、導熱性好、容易加工等特性,光波透射范圍為1.8~23uf06dm,且熔點較高,達937℃,抗熱沖擊阻力大,適用于制造中、遠紅外波段的鍺窗、棱鏡和透鏡等。鍺透鏡加鍍增透膜以后,其透射比大于90%。3.3微鏡反射過程中可能存在的誤差由于微反射鏡片尺寸(10.8uf06dm)與紅外波長相差不多(3~5uf06dm和8~13uf06dm),所以在系統(tǒng)設計時需要考慮微鏡反射過程中可能存在的衍射現(xiàn)象。由于衍射現(xiàn)象的存在,不但使圖像分辨率受到影響,而且會降低圖像對比度,對于可見光,典型的圖像對比度為400:1,而對于中紅外光波,圖像對比度會下降到90:1,影響到成像質量。如何提高仿真系統(tǒng)的對比度是DMD紅外仿真技術的關鍵問題之一。3.4選擇面源抗體目前國內研制的仿真系統(tǒng)都是模擬單一波段紅外目標,要實現(xiàn)多光譜仿真,在仿真系統(tǒng)的輻射光源選擇上,需要滿足中、長波紅外出射光的要求。通常選擇中溫黑體作為仿真系統(tǒng)的輻射源,通過精確控制黑體光源的輻射溫度實現(xiàn)輻射波長的調制,滿足多光譜仿真的需要。其它紅外光源如高溫熱源、紅外激光等也可以作為紅外輻射源使用,但由于其溫度不易調節(jié)和控制,在實際中應用不多。在黑體選擇上,面源黑體具有均勻性好、結構簡單緊湊、體積小等特點,所以選擇面源黑體作為輻射光源。由維恩定律計算可知,對于模擬3~5uf06dm紅外光波輻射,需要調節(jié)黑體溫度范圍為287~690℃,對于模擬8~13uf06dm紅外光波輻射,則需要調節(jié)黑體溫度范圍為-50~100℃?？紤]到溫度過高時,黑體表面發(fā)射率、溫度穩(wěn)定度和均勻性都將變差,且對整個光路設計和電子電路的穩(wěn)定性影響較大,容易造成電路工作不穩(wěn)定,要求黑體光源溫度在500℃以內。由于黑體輻射除了在峰值波長有輻射,在其它波段仍然有連續(xù)的輻射,可以滿足系統(tǒng)對3~5uf06dm和8~13uf06dm波段輻射的需求。所以系統(tǒng)設計采用美國ElectroOpticalIndustri