可见光成像光学特性仿真方法研究

可见光成像光学特性仿真方法研究

0实时动态场景的确定高视频频率和高分辨率的下一代成像武器系统的开发对目标光学环境的模拟提出了新的课题。与以往的点源目标环境仿真不同，成像仿真系统要求能够为参试导引头提供实时变化的动态场景，场景中包括目标、背景、干扰等。这类目标环境的仿真系统一般包括图像生成系统、视频/图像转换器、光学投影系统。根据不同导引头不同的敏感波段（紫外、可见光、红外），要求目标模拟器提供相应波段的动态图像，以可见光成像仿真为例，对目标/星空背景的光学特性仿真方法进行研究，在图像的产生、转换、投影、标校等方面将作详细讨论。1基于fpga的目标光学仿真当导引头接收真实目标的辐射后，探测器将产生相应的输出电流。目标光学特性仿真的目的是使导引头探测器的输出电流与真实目标一致，即使探测器感受仿真目标的能量与真实目标相同。大多数探测器对所能感受的波长是有选择性的，对不同波长有不同的响应度，这里用光谱响应系数Gλ来表示。可见光导引头的CCD探测器响应波段主要在0.4～0.7μm之间，如图1(a)所示，模拟目标的辐射就集中在这一波段；与探测器光谱响应曲线相对应，模拟目标作为一种光辐射体，也有它的光谱辐射曲线，如图1(b)所示，Pλ是辐射通量随波长变化的函数，单位是W/μm。那么作用到该探测器上能引起电信号的有效辐射通量F为：上式表明，无论模拟目标的光谱辐射曲线的形状如何，只要保证总辐射通量F相同，就能较真实地进行目标光学特性的仿真，而对颜色的仿真是次要的。一般光学成像目标的仿真要经过目标图像生成、视频/光学图像转换和光学投影几个步骤。如图2所示，以高性能的微机或图形工作站为图像生成软件开发平台，利用计算机图形学技术生成三维动态场景，经计算机的视频输出口给视频/图像转换器，转换器把电信号转换成可见光分布图；当把转换器放在光学投影系统的焦平面上时，系统将出射平行光，供导引头接收。2频/光学图像转换在目标能量的仿真过程中，图像生成、视频/光学图像转换、光学投影对系统最终的仿真结果都有影响。下面将就各分系统的特点分析仿真方法，讨论对仿真结果的影响。2.1目标/星点图像特征的控制与分析目标/星光图像生成系统是在高档微机或工作站上，利用三维场景驱动软件生成实时变化的三维动态场景。其中的关键技术表现在以下几点：(1)目标几何特性和亮度特性的仿真；(2)恒星位置和亮度特性的仿真；(3)图像相对不同导引头位置和姿态变化的仿真；(4)高帧频动态图像的输出。用程序软件控制三维动态场景必须做到，目标的大小、姿态、表观亮度可控，目标表面纹理特征和几何特征与实际目标等同；对于背景星点，由于导引头运动的距离跟导引头到恒星的距离相比小得可以忽略不计，所以图像生成的星点在仿真过程中相对导引头没有大小的变化；天空中的恒星都有不同的亮度，随着时间的推移,亮度变化会很大，但对导弹制导时的飞行时间而言，恒星亮暗的变化可以不考虑。目标/星光场景中对导引头探测有贡献的因素是目标的辐射能量；星点的辐射能量；没有目标和星点时的背景辐射。无论这三种辐射的哪一种，体现本质的都是其亮度值，在计算机仿真中称之为灰度值，不同的计算机硬件所能显示的灰度等级不同，即表示亮度的层次有差异。如微机最高的灰度等级是28=256,SGI超级图形工作站最高的灰度等级是212=4096。下面讨论当图像生成计算机硬件确定后，用软件实现目标、星点、背景图像灰度仿真的方法。2.1.1目标图像不同部位的光栅对比目标图像的灰度取决于目标三维建模的材质和纹理、场景中光源的亮度、环境光亮度。纹理可以使目标图像的不同部位显示不同的灰度；光源的照射位置和视线观测角度也可以使目标图像的不同部位显示不同的灰度效果，其他因素则是影响目标的整体亮度。图3中，光源分别从目标的后方和前方照射时，目标表面的亮度是不同的。仿真时，需要综合调节上述因素，使得目标的亮度满足需求值。2.1.2星点大小的确定在天文学中，用光谱型来表示星体的颜色分布，用视星等来描述每颗星的亮暗。如前分析可知，仿真恒星的颜色是次要的，对导引头照度有贡献的是星点的大小和亮暗。星点大小的确定将遵循与真实星体等效的原则，如图4所示，(a)中真实星体对导引头的张角是θ1,(b)中计算机生成的星点通过光学投影系统成像在无穷远，对导引头的张角是θ2。调节计算机软件中星点的大小，使得θ2=θ1。星点的亮暗需要通过标准照度计来计量，通过软件调节星点的灰度值，直到照度计测得该星的照度值达到所需要的星等值。2.1.3视频/光学图像滤波器背景光占主要成分当导引头视场中没有目标和星体时，探测器上仍会感受到背景的光能量，在暗室条件好的情况下，视频/光学图像转换器的背景光占主要成分。而实际弹体飞行环境的背景光是非常暗的，选用背景亮度低、对比度高的图像转换器才能获得比较好的光学特性仿真效果。2.2控制好可见光图像生成器视频/光学图像转换器是成像仿真系统的关键部件，它决定着整个目标仿真系统的帧频、分辨率、灰度等级、目标亮度等参数，目前可见光图像生成器主要有阴极射线管（CRT）、液晶显示（LCD）、数字微镜（DMD）等。2.2.1crt帧频设置的仿真模型CRT是一种扫描体制的显示器，其帧频能达到100Hz，甚至120Hz，但是对于高帧频的凝视成像导引头来说，CRT的扫描方式限制了它在仿真系统中的应用。当CRT的帧频设置为100Hz时，一场图像中从第一个像素扫到最后一个像素需要10ms，如果以1024×768分辨率来计，每个像素显示的时间最多只有0.013μs，对于曝光时间小于2ms的导引头，它捕捉到目标的概率就很低，目标越小，捕捉到的概率就越低。对于有一定大小的面目标，如果能捕捉到目标，面目标上的亮度分布也有所改变，对图像仿真的精度产生影响。因此，为高帧频凝视成像导引头设计的成像仿真系统，主要采用全屏图像同时刷新的显示方式。2.2.2动态性能分析LCD是全屏图像同时刷新的显示方式，它采用光线透射技术，当光线通过液晶板时被液晶分子所调制。每个液晶分子代表一个像素，每个像素的灰度等级不同，就构成一幅有灰度层次变化的图像。LCD的静态性能较好，如显示静止的恒星时，亮度较稳定；但动态性能较差，当显示动态点目标时，会使导引头在跟踪时丢失目标，这主要因为LCD的帧频较低，液晶又有较长的下降时间，当目标运动速度较快时，会出现一个在原位置尚未消失的目标和一个在新位置刚出现的目标。LCD的最高帧频是75Hz。2.2.3动态性能分析DMD也是全屏图像同时刷新的显示方式，它采用光线反射技术，DMD阵列面是由几百万个微型反射镜组成，每个微镜代表一个像素，通过脉冲宽度调制（PWM）来控制。DMD的图像刷新频率较高，能达到100Hz，因此，DMD比LCD有较好的动态性能。当显示动态点目标时，导引头丢失目标的次数较LCD少；但当显示静态点目标时，导引头丢失目标的次数较LCD多，尤其当导引头曝光时间小于2ms时，情况更加严重。分析其原因，DMD在10ms内才能把设定的灰度显示出来，而导引头只能“看”2ms，甚至更短，这样导引头所探测到的能量就远低于设定值，从而导致目标丢失。考虑到目标仿真系统的帧频必须与导引头的帧频相匹配，系统中采用了图像刷新频率较高的DMD作为视频/光学图像转换器。2.3出丰富的出丰富光学投影系统的作用是将图像生成器上的图像通过光学系统成像在无限远，供导引头接收。该系统除了满足导引头要求的波段、视场、出瞳口径、出瞳距、角分辨率等光学指标外，出瞳口径处渐晕的消除显得尤为重要，只有出瞳口径范围内的光照均匀，才能使得导引头放在出瞳口径内的任何位置接收到的能量相同。另外，仿真试验时，导引头的入瞳必须与仿真系统的出瞳重合，否则，会在导引头光学系统中出现渐晕现象，也就是说，同样灰度设置的目标在视场中心和视场其他位置处，导引头感受到的光照度有差异。2.4适用于特定方向上单位的光照特性一套目标模拟器建成后，对光学能量的测试标定是必不可少的。在光度学中，面目标的发光特性是以特定方向上单位立体角内单位面积上的光通量来表示，即发光亮度；点目标的发光特性是以特定方向上单位立体角内的光通量来表示，即发光强度。2.4.1亮度计检测面目标和点目标没有严格的划分界限，用标准亮度计量时，通常指能够充满亮度计探测区域的称作面目标。当目标距离越来越近时，都可以当成面目标来标定。将亮度计放在目标模拟器的出瞳位置，使亮度计的入瞳口径与目标模拟器的出瞳口径重合，用亮度计瞄准被测目标，且调焦清楚，尤其注意，目标要覆盖亮度计探测区域，否则，亮度测量不准。如果这时面目标的亮度分布不均匀，用亮度计测出的只能是目标的平均亮度。当测得模拟目标的亮度与真实目标亮度有差异时，修改图像生成软件中与目标亮度有关的参数，直到与真实目标亮度一致。2.4.2被测点发色点目标发光强度的测量一般采用间接方法，通过测出接收器上的光照度来推算强度值。因此，用照度计来计量点目标的照度值。这种瞄点式照度计也有一个探测区域，只是点目标只能占据一少部分区域，而不能覆盖，因此背景光也同时进入探测区，这时需要将背景光照度减去，才能得到被测点目标的光照度。对于远距离目标或恒星光