基于dmd的红外目标成像仿真研究

基于dmd的红外目标成像仿真研究

0基于动态红外场景仿真的系统成像测试是一个复杂的试验研究随着红外成像系统在夜间跟踪、目标研究和精确监控等领域的广泛应用，红外成像技术得到了迅速发展。然而,如何对红外成像系统的性能进行正确地检验和评价,以使系统更好地发挥性能,逐渐成为系统测试的一个关键问题。现有的外场试验测试方法受时间、气候等条件限制,常常耗时、耗力,而且效果也不太理想;而传统的室内试验不能达到与真实环境一样的效果。鉴于现有红外成像系统性能测试的缺陷,近年来,在室内环境下利用模拟动态红外场景对系统进行成像试验测试已慢慢成为各国研究的热点。基于动态红外场景仿真的系统成像测试不仅能为系统提供与外场类似的测试环境,而且能有效降低系统的研制成本,缩短研制周期。本文将在综合分析国内外动态红外场景仿真技术研究现状研究的基础上,着重对当前发展迅速的基于数字微镜器件(DigitalMicro-mirrorDevice,DMD)的动态红外场景仿真技术进行分析。1直接辐射型和辐射调制型动态红外场景仿真系统是在实验室条件下模拟生成动态目标和背景的红外辐射特性,为红外成像系统提供模拟目标和背景。仿真系统按照成像原理可以分为直接辐射型和辐射调制型两大类。直接辐射型是指通过控制图像生成器的像元,利用其自身产生的辐射,通过调制其辐射强度产生红外图像,主要代表有:激光二极管阵列技术、电阻阵列技术、BlyCell技术等。红外辐射调制型是利用计算机模拟红外目标与背景的信息,通过空间光调制技术,对红外光源提供的红外辐射进行空间强度调制,生成红外图像,主要代表有:液晶光阀技术、基于LCOS的空间光调制技术和基于DMD的红外仿真技术等。1.1基于dmd的红外场景投影自20世纪90年代以来,美国陆军陆续建成了14套硬件闭环仿真系统(HWIL),这些系统实现了可见光波段、中远红外波段以及微波等波段的成像或非成像仿真。其中,较典型的有霍尼韦尔技术中心(HTC)研制的多光谱景象投影系统(MSSP)和亮电阻红外发射系统(BRIGHT)、圣巴巴拉红外公司和印迭哥系统公司联合研制的多光谱红外仿真生成系统(MIRAGE)、光科学公司(OSC)研制的激光二极管投射阵列(LDAP)和微反射镜阵列投射系统(MAPS)等。从工程实践应用来看,基于液晶光阀技术的动态场景仿真装置帧频受限,且适用温度范围和动态范围也不理想,基于激光二极管阵列技术的动态场景仿真装置在空间均匀性和成像质量方面较差,且需要大的杜瓦封装,因此,这两者技术应用不多。基于电阻阵列的红外场景仿真技术具有较宽的温度范围,但其红外特性主要集中在高温段,像元分辨率较低,目前国外虽已研制出2048×1024像元,但实际工程应用的仅有512×512元,国内只能达到128×128像元,此项技术仅限于模拟高温物体。美国光科学公司(OSC)从1996年着手研究基于DMD的红外场景投射技术,称为微镜阵列投影系统(MAPS),该技术具有高分辨率、高帧频、无死像元和均匀性好等特点。目前,OSC已开发出几种MAPS样机,如单片、双片DMD投影系统。其工作模式主要有两种:二进制模式和脉冲宽度调制(PWM)模式。工作在二进制模式下时,DMD每帧图像的像素单元仅用一位二进制(0或1)来控制,所以MAPS可以产生高帧频的投影图像,并且对测试系统(UUT)的最小积分时间也没有要求;在一帧时间内,MAPS占用97%的时间来投射显示图像,用3%的时间让微镜恢复到平态以防止铰链的机械记忆实效。工作在脉冲宽度调制(PWM)模式下时,MAPS可以通过改变PWM频率来满足探测器积分时间的要求,积分时间越长,可以得到更高灰度等级的红外图像。OSC公司已于2001年制成第一台基于DMD的中波红外场景仿真系统,采用SVGA格式DMD芯片,分辨率为800×600,2003年,采用XGA格式DMD芯片,微镜数目增加了33.3%,将分辨率提高到1024×768,采用双通道信号输入,有效提高了帧频,二进制模式帧频由SVGA格式的4065Hz提高到10kHz,PWM模式帧频由100Hz提高到230Hz,随着第三代DMD芯片的推出,OSC公司又提出要将分辨率提高的1280×1024。这些系统的信号输入均采用DVI(DigitalVisualInterface)接口标准,支持24bit视频信号输入,对于XGA格式信号最大帧频可达398Hz。美国OPTRA公司于2010年制成了基于DMD芯片的双波段红外场景仿真器,辐射波段范围为3.4~4.2uf06dm和4.2~5.0uf06dm,最大表观温度为510℃,脉冲宽度调制采用10bit,最大刷新频率为40Hz,角分辨率为225uf06drad,对比度为250:1,系统同样使用DVI标准接口传输信号。相比于其它红外目标仿真技术,基于DMD的红外场景仿真有如下优势:1)高图像分辨率;2)高光学效率;3)高亮度;4)全数字化控制;5)图像几何畸变小;6)高稳定性和长使用寿命等。在实际的应用中DMD已经成为动态红外目标生成的主流设备,逐渐成为红外目标仿真技术发展的主要方向。1.2基于dmd的动态红外场景仿真系统设计方案研究我国在红外成像仿真技术方面近年来已取得长足进步,但与西方发达国家相比仍有较大差距。国内对基于DMD红外场景仿真技术的研究最早由中科院的陈二柱、梁平治等在2003年提出;2008年中科院光电技术研究所的贾辛、邢廷文等提出了基于DMD的动态红外场景投影光学系统设计思想及光学参数的设定;2010年之后,哈尔滨工业大学的关英姿、空空导弹研究所的张二磊、西北工业大学的张凯、孙嗣良等人相继提出了基于DMD的中波红外场景仿真系统设计方案,并取得了一些实验数据。目前国内在此方面的研究仍然有很大的发展空间。上述提出的设计方案都是基于中波红外波段的场景仿真,主要集中在3~5uf06dm波段,对8~13uf06dm的长波红外波段的场景仿真研究较少;由于采用DMD芯片,其微反射镜片存在衍射效应,所以系统的对比度普遍不高,如何提高仿真系统的对比度将是下一步的研究重点;目前的投影系统都局限于静态场景仿真,随着计算机图形学特别是虚拟现实技术的飞速发展,实时生成具有真实感的动态场景将成为可能。2基于mad的动态红景色成像技术原理2.1单个微反射镜成像DMD器件是由美国德州仪器(TI)公司研制,用于DLP显示系统中实现空间光调制的核心器件,它是采用微机械加工手段,在半导体硅片上采用铝溅射工艺形成一组二维微镜阵列,一个微反射镜片相当于图像数据中的一个像素点,通过快速、独立控制每个微反射镜的偏转角度,控制对光源光线的反射,实现图像信息的动态显示。图1是电子显微镜拍下的DMD芯片微镜阵列显微照片,如图所示各个微反射镜片根据不同的偏转角,呈现不同的状态。目前报道的最新一代的DMD芯片的最高分辨率可达2048×1024,中心间距最小可以达到10.8uf06dm,角度旋转达到±12uf0b0。中心间距越小,DMD芯片的占空比就越高,光学利用率越高。图2是单个微反射镜的结构示意图,如图所示,DMD微反射镜主要包括信号存储单元、电极和转动铰链、反射镜三部分,构成微机电系统(MEMS)。DMD是一种快速、反射式的数字光调制开关,通过控制微反射镜转动实现图像成像,其工作原理如图3所示。图中,每个微镜片都有3种稳定状态,分别为“开”、“平”以及“关”态,对应偏转角分别为+12uf0b0、0uf0b0和-12uf0b0。当微镜片对应像素值的二进制位时间为“1”时,微镜片偏转为+12uf0b0,反射光线全部通过投影系统,投影屏幕上对应像素点呈亮点,当微镜片对应像素值的二进制位时间为“0”时,微镜片偏转为-12uf0b0,反射光线偏离投影系统,被低温黑体吸收,投影屏幕上对应像素点呈暗点。因此,通过控制微镜片的偏转状态,就可以实现控制图像每个像素点的亮、暗,在接收屏幕上生成一幅完整图像。2.2场景映射方法如图4所示,整个仿真系统主要由两部分组成:(1)计算机图像生成器;(2)场景投射部分。计算机图像生成器,就是根据实际测试的红外场景图像数据,在计算机中利用图像生成软件,如VegaPrime、OpenGL、3DSMAX等,根据实际测量的目标和背景、环境信息,生成不同背景、不同环境下的动态红外目标,实现目标的三维重建。场景投射,是指由计算机图像生成器产生的图像数据,经过数字信号处理电路,送入DMD驱动电路,并将数据保存在CMOS存储单元。黑体光源产生红外热辐射,通过照明光路准直匀化以后照射到DMD芯片上,CMOS存储单元根据存储的二进制信息产生驱动电压控制DMD的偏转状态,反射红外热辐射,然后经过中继透镜组投射到红外成像系统的入瞳处,使红外成像系统如同工作在真实的外场环境中,实现评价红外成像系统性能的目的。通过调节黑体光源的辐射温度,可以模拟不同波段的红外目标辐射。2.3脉冲宽度调制灰度调制技术是指用灰度值来表示数字图像的亮度值,灰度值越大,亮度越高,每个像素对应各自的灰度值。用来表示每一像素灰度的比特位数越高,对应灰度等级也越高,图像画面细节表征越好。灰度调制方法主要有空间灰度调制、帧灰度调制和脉冲宽度调制等。由于空间灰度调制存在随着灰度等级的提高,图像分辨率下降的缺点,而帧灰度调制方法存在提高帧频与DMD视频处理电路响应时间的矛盾,二者在实际应用上存在一定的缺陷。脉冲宽度调制则不存在上述问题,在系统设计时采用脉冲宽度调制。脉冲宽度调制的原理是将信号图像的每帧时间分成若干时间间隔,或者称之为二进制位时间,不同的灰度等级对应不同的二进制位时间。例如,以4比特位的图像为例,它具有24个灰度等级。如图5所示,一帧时间被分成4个位时间,每个位时间的长短与该位的二进制权值成正比,即从LSB到MSB的位时间依次为20、21、22、23,每一帧数字图象的时间被对应分成4个不同的时间间隔1/15、2/15、4/15、8/15。这样,对于4比特位的二进制图像可以产生24个灰度等级。以十进制数10为例,其二进制数表示为1010,反应在DMD微镜片上,高电平所对应的位时间镜片偏转+12uf0b0,低电平对应的位时间镜片偏转-12uf0b0,如图5所示,数据10对应的灰度级为10/15。同理,对一个8比特位二进制图像数据而言,具有28个灰度等级。2.4入射光光度eo系统转换效率的高低是衡量一个系统的重要指标。转换效率可以通过图6给出的模型计算得出。被测系统的入射光照度Eo由系统的入射光照度Ei决定:式中:r为系统的转换效率因子;Ei为系统的入射光照度。式中:CS(TS)为温度为TS的黑体辐照度;θS为黑体光源相对系统入射角的半角角度;被测系统的入射光照度EO为:式中:Cp为系统输出的辐照度;θp为仿真系统相对被测系统输入角的半角角度。则公式(1)可以表示为:仿真系统的转换效率因子r与准直系统的传递效率τc、DMD芯片的反射效率ηDMD、DMD芯片的填充因子ΦDMD以及中继透镜的传递效率τr成正比,即:由上可知,在光学器件选定的情况下,根据黑体光源相对系统输入的半角角度θS以及仿真系统相对被测系统输入的半角角度θp,便可计算出仿真系统的转换效率。3一些关键技术问题3.1视频归一化电路基于DMD芯片的投影系统的主要特点就是信号传输的全数字化控制。对微镜阵列的控制只需为每个像素提供数字驱动信号,不需要将数字图像信号经A/D转换为模拟信号后传输,再经D/A转换实现显示,保证了图像信息在传输过程的完整性。这就要求系统的信号传输需采用DVI接口标准,支持24bit视频数字传输。对于不同像素的输入图像数据,为了使DMD驱动电路能够正确控制DMD镜片转动,需要设计图像归一化电路,使不同像素的输入图像与DMD芯片像素规模具有相同尺寸格式,并且不改变图像的长宽比例。通过归一化电路可以提高图像的信噪比和仿真系统的整机稳定性,增加对输入信号的兼容性。输出图像的灰度等级是通过控制DMD微反射镜在某一位置的停留时间从而达到脉宽调制实现的。对于凝视型面阵红外探测器的成像原理,要求DMD显示时间必须与探测器采样时间严格同步,不然会导致短暂假信号与抖动问题,这就要求在进行系统设计时,设计可编程的同步驱动电路,实现DMD成像与探测器探测同步。3.2透射材料的选择普通的DMD芯片主要用于可见光波段的投影系统,在芯片的上表面覆盖有一个透光窗口,用于屏蔽紫外和红外光波。而目前红外探测器主要集中在中波和长波红外波段,即3~5uf06dm和8~13uf06dm,要实现DMD芯片对中、长波段红外光线的反射需要更换芯片表面的光学窗口,使其可以透过红外光波。透射材料分为光学玻璃、光学晶体和光学塑料三大类。一般光学玻璃能透过波长为0.35~2.5uf06dm的各种色光,超出这个波段范围的光将会被光学玻璃强烈吸收。光学晶体的透射范围一般比光学玻璃要宽,而光学塑料的特性受温度影响较大,成像质量不稳定。通常使用锗单晶制作透射窗口。锗不具有吸湿性,化学性质稳定,拥有良好的表面硬度和强度,具有高折射率、低色散、导热性好、容易加工等特性,光波透射范围为1.8~23uf06dm,且熔点较高,达937℃,抗热冲击阻力大,适用于制造中、远红外波段的锗窗、棱镜和透镜等。锗透镜加镀增透膜以后,其透射比大于90%。3.3微镜反射过程中可能存在的误差由于微反射镜片尺寸(10.8uf06dm)与红外波长相差不多(3~5uf06dm和8~13uf06dm),所以在系统设计时需要考虑微镜反射过程中可能存在的衍射现象。由于衍射现象的存在,不但使图像分辨率受到影响,而且会降低图像对比度,对于可见光,典型的图像对比度为400:1,而对于中红外光波,图像对比度会下降到90:1,影响到成像质量。如何提高仿真系统的对比度是DMD红外仿真技术的关键问题之一。3.4选择面源抗体目前国内研制的仿真系统都是模拟单一波段红外目标,要实现多光谱仿真,在仿真系统的辐射光源选择上,需要满足中、长波红外出射光的要求。通常选择中温黑体作为仿真系统的辐射源,通过精确控制黑体光源的辐射温度实现辐射波长的调制,满足多光谱仿真的需要。其它红外光源如高温热源、红外激光等也可以作为红外辐射源使用,但由于其温度不易调节和控制,在实际中应用不多。在黑体选择上,面源黑体具有均匀性好、结构简单紧凑、体积小等特点,所以选择面源黑体作为辐射光源。由维恩定律计算可知,对于模拟3~5uf06dm红外光波辐射,需要调节黑体温度范围为287~690℃,对于模拟8~13uf06dm红外光波辐射,则需要调节黑体温度范围为-50~100℃。考虑到温度过高时,黑体表面发射率、温度稳定度和均匀性都将变差,且对整个光路设计和电子电路的稳定性影响较大,容易造成电路工作不稳定,要求黑体光源温度在500℃以内。由于黑体辐射除了在峰值波长有辐射,在其它波段仍然有连续的辐射,可以满足系统对3~5uf06dm和8~13uf06dm波段辐射的需求。所以系统设计采用美国ElectroOpticalIndustri