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文档简介

基于dmd图像的红外场景仿真技术研究

0空射红外制导武器的仿真研究随着红外成像技术的快速发展和创新,超越视觉作战和精确打击成为未来的主要作战模式,红外成像理武器在获得战场主导权、夜间进攻和精确进攻方面发挥着重要作用。在红外成像制导武器系统设计、研制、测试和定型过程中进行半实物仿真试验是必不可少的关键环节,而红外场景仿真技术更是半实物仿真的核心技术。近年来,我国在红外成像制导技术研究方面取得了显著的进步,但是随着红外成像制导武器性能的不断提高,现有的红外场景模拟水平已经不能满足仿真需求,不能很好地解决仿真要求的高对比度、高灰度分辨率和空间分辨率等关键性问题,而空射红外制导武器研制遇到的高动态、高帧频等新问题也对红外场景仿真技术提出了新的需求。从国外实验室和近几年的工程使用情况来看,典型的红外场景仿真系统主要有MOS热电阻面阵、激光二极管、IR-CRT、IR液晶光阀、微反射镜等。IR液晶光阀和IR-CRT在帧频、温度范围和动态范围方面存在局限性,激光二极管的空间均匀性和成像质量更是不够理想,且需要大的杜瓦封装,对这两者的应用不多。MOS电阻阵温度范围较宽,红外特性集中在高温段,且其像元分辨率较低,目前国外虽已研制出1024×1024元,但实际工程应用的仅有512×512元,国内只能达到256×256元,成像分辨率过低、并且非均匀性和非线性没有得到很好的解决,实际工程应用的局限性较大。数字微镜阵列(DigitalMicro-mirrorDevice,DMD)因其分辨率高(目前可达1920×1080元)、能量输出集中、图像稳定、亮度非均匀性小、几何畸变小,可分辨温差小、动态特效好等技术优点成为发展的热点,且已突破了多项关键技术,开始逐步应用于武器系统的半实物仿真试验。文中针对空射武器目标仿真系统目前存在的缺陷与不足,基于DMD系统的二进制、分时脉宽调制(PWM)方法,解决了空中目标仿真中高帧频、高动态和高对比度等关键技术问题,为红外成像仿真技术在空射武器半实物仿真系统中的应用奠定了基础。1dmd器件图像数据的显示灰度等级是指红外场景仿真系统所能表现的灰度层次的能力,是系统空间分辨率、对比度、温度分辨率三项性能的综合体现。灰度等级越高,表观图像的灰度分布层次越丰富、细节度越好、图像的连续性与柔和度越好,而灰度调制是实现DMD场景仿真灰度等级的主要方法。文中采用类似于PWM脉宽调制的数字灰度调制方法进行高精度灰度控制,实现了基于DMD的灰度成像调制。从光的调试方式来看,DMD是一种被动反射式光强调制器,依靠像素镜面对光发射的角度不同来产生亮暗的区别,由控制复位时间长短来产生不同的等级灰度。在DMD器件显示技术中,采用二进制、分时脉宽调制技术进行图像数据处理,对二进制驱动数据进行脉宽调制,对每个单元镜片开关的时间长短进行高精度控制形成图像的灰度等级。DMD器件输入代表亮度灰度等级的图像数据,每个像素点的颜色信息采用24bit(R-G-B信息各用8位表示即256种灰度等级)表示,信息的每一位代表了光开启或中断(1或0)的时间间隔,其间隔值相应地为20、21、…27。每一图像的时间域(255)被分为8个独立的时间片,时间片的长短与该位的二进制权值成正比,每个时间片分配的帧时为20/255、21/255、…27/255,采用位分离法,从最低有效位(LSB)到最高有效位(MSB)将一张图拆成8张位面图,连续产生每一个位面图对应的光开启的时间间隔,从而得到原图对应的灰度等级。4位二进制图像数据进行脉宽调制(PWM)控制的脉冲序列原理如图1所示。脉宽调制信号是通过多路串行方式对像素行刷新,由行移位寄存器选通DMD像素阵列的某一行进行刷新,同一时刻只能刷新一行,DMD阵列以逐行顺序的方式完成整个阵列的刷新,在一帧图像的时间内,DMD阵列会被刷新许多次,通过红外探测器的光积分效应显示出灰度图像。2dmd图像表现由DMD调制原理可知,在一幅图像不同的数据位时间断内,到达探测器成像面的光强是不同的,即光强分布是时间函数,文中根据DMD产生的多个瞬态图形成像光强的时间累积效应建立调制成像模型。输入灰度图形分布函数位f(x,y),其灰阶位数为N,每幅灰度图形在DMD的显示都可以分为log2N个位数据位时间段,而PWM信号为二值化信号,因此在每个数据位时间段内DMD显示实际是一幅二值化黑白图像,各个数据位按一定规律循环曝光,则f(x,y)表示为:式中:bi(x,y)为第i个数据位时间段内DMD显示的二值图像;N为图像位数。在红外场景仿真系统中,DMD微镜阵列像面光强分布是单元像面光强分布的非相干叠加和单个镜面的停留时间来表征的,像面光强表达式如下:式中:m=0,1,2,…,M;n=0,1,2,…,N;d为像素单元的边长;M,N为DMD阵列对应的x,y方向的像素个数;δ函数表征DMD阵列的周期性结构;I0(n,m)为输入图像的第(n,m)个像素的平均光强;rect为限制DMD阵列宽度的矩阵函数;W为DMD阵列的结合宽度;|h(x-nd,y-md)|2为系统的强度扩展函数。由曝光强度在总帧时内形成的曝光量可表达为:式中:Ii(x,y)为t时刻基片上的曝光强度分布。在PWM控制规律下,模拟帧频和辐射亮度相互之间是互斥关系。单个像元帧频高则表观灰阶低,而控制翻转帧频低则表观灰阶高,如图2所示,给出在单帧图像中,基于PWM方式的最大控制频率与0.7XGADDRDMD芯片灰阶之间的关系图,描述灰阶和帧频之间的关系曲线。同样,控制帧频又与系统的加载时间相关。系统的加载速度应由最低位的周期决定,DMD采用block加载模式,可使得速度最快、系统达到最高的帧频数。最低位周期为重新加载一帧的时间加上镜子的稳定期。0.7XGA1024×768规格DMD芯片,每个镜子翻转时间加上稳定时间为13μs,加载一个block为1.92μs,每个BLOCK为48行,一幅图像为16个block。最小的一帧停留时间为13μs,后面依次为26,52,104,208,416,832,1664μs,加载一帧256级灰度等级的图像最小时间为13μs×256=3.328ms,最快帧频为1000/3.328=300帧。3dmd的成像采用灰度调制的红外场景模拟的验证系统包括:(1)红外DMD芯片及封装系统;(2)信号调理系统;(3)高低温照明系统;(4)分束合成系统和光学准直部件,组成框图如图3所示。该方案采用TI公司的0.95in(1in=2.54cm)规格DMD芯片完成灰度调制成像,器件分辨率为1400×1050,像元尺寸为13.68μm×13.68μm,像素间隙为0.8μm。DMD信号调理系统对输入图像格式进行规格化处理,计算机产生的图像信号通过处理电路转换成数字信号,经过数字解码、同步调整、图像规格化、图像编码,最终变换成DMD所对应的比特流,并通过复位电路实现DMD反射调制成像,信号成像流程如图4所示。同步调整电路将输入图像存储后按照输入帧同步触发信号的相位关系读出图像信号,使输出图像刷新与红外探测器光采样的帧步调一致,以消除图像闪烁,达到最佳匹配效果。输入同步信号必需能够反映红外探测器的光采样相位关系,可以是TTL脉冲或标准视频信号。当输入同步信号时,由同步分离电路提取帧同步信息。系统同步调整电路由FPGA芯片和高速存储器构成,具有较高的稳定性,输出同步精度不低于1μs。图像规格化电路的作用是将不同像素规模、不同长宽比的输入图像数据通过插值或压缩的方式归一化为与DMD芯片像数规模相同的1400×1050格式。规格化过程可能将图像压缩或放大,但不会改变输入图像信号的长宽比例。图像规格化是信号处理过程的重要环节,可以抑制噪声,提高图像信噪比和整机的稳定性,增加对输入信号的兼容性。高低温照明系统提供DMD调制所需的光源,文中的设计系统采用高低温面元黑体及汇聚光路提供照明光源,高温黑体温度可达到1100℃,均匀性和稳定性好。DMD为角度敏感器件,因此设计视场较小,视场为5.3°×4°,焦距为206mm,出瞳500mm,口径为80mm。4测试和评估4.1dmd的光学密封美国TI公司生产的DMD芯片主要用于DLP投影系统,主要使用在增强红外、可见光和紫外波段,其波段透过率曲线如图5所示。DMD系统透过率高的波段主要集中在可见光(0.36~0.78μm),可达95%以上,并且在紫外波段有一定的透过率,而红外透过率则集中在近红外,在中红外和远红外透过率衰减至10%以下,因此需要对DMD系统重新进行光学密封,窗口采用锗材料,镀宽波段(1~12μm)增透膜,密封采用真空封装,完成后的测试透过率曲线如图6所示,封装效果较好,在中波波段(3~5μm)透过率达95%以上,长波有较强衰减。4.2红外性能测试结果根据文中设计的灰度调制方法研制了基于DMD的红外场景仿真系统验证原理样机,采用FLIRSC7300红外热像仪对样机进行测试,测试关系如图7所示。测试内容包括灰度等级、对比度、温度分辨率、温度稳定度、图像非均匀性、几何畸变等关键指标进行测试,测试结果图像如图8所示。测试结果为:图像可分辨灰度等级为128级,对比度为0.54,几何畸变为0.17%,均匀性1.49%,温度分辨率为0.1℃,温度稳定度为0.1℃/h。测试结果表明,基于灰度调制技术的DMD系统性能良好,具备高灰度等级、小几何畸变、高分辨率、强对比度和良好的温度稳定度等技术特点,可在实验室内模拟红外场景。应用文中研究结果组装了红外目标模拟器整机并进行了试验和测试。测试过程中红外仿真图像清晰,无闪烁现象,具有良好的实时性和真实感。红外场景仿真系统产生的红外辐射场能量分布均匀、对比度较高,各项参数均符合技术要求。5基于dmd图像架构的红外场景仿真技术验证文中借鉴PWM脉宽调制技术,提出了基于DMD灰度调制的红外场景仿真系统的设计方法,对系统的核心灰度调制技术进行了研究、设计和开发,建立了调制成像模型,解决了信号解码、图像规格化、同步驱动和脉宽调制等关

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