基于DMD的動態紅外場景生成系統

張二磊，祁鳴

(中國空空導彈研究院6所，河南洛陽471009)

動態紅外場景生成系統通過模擬真實場景在紅外導引系統入瞳處的紅外輻射分布，同時實時反映目標、背景和干擾的運動特性，在實驗室內對紅外導引頭探測、跟蹤、抗干擾等性能指標進行測試和評估，對客觀評價系統性能、縮短研制周期、節約經費開支等都具有重要意義。

數字微鏡陣列DMD具有結構緊湊、高幀頻、高對比度、均勻性和穩定性好等優點，逐漸成為動態紅外場景生成系統設計的首選方案。結合某型空空導彈測試和評估對紅外場景仿真的客觀需要，文中以DMD芯片為核心，針對紅外場景的刷新頻率、灰度等級和對比度等關鍵技術指標，完成了動態紅外場景生成系統設計。動態紅外場景生成系統刷新頻率為100 Hz，輸出紅外場景灰度等級達到256級，能量對比度達到91∶1。

1 數字微鏡器件

1.1 工作原理

數字微鏡器件DMD是動態紅外場景生成系統的核心器件，其本質是一個半導體光空間分布調制器。根據微電子機械原理，DMD采用鋁濺射工藝在半導體硅片上生成13.8 μm的方形微鏡面，數以百萬計(1 024×768)的微鏡面用鉸鏈結構建造在由硅片襯托的CMOS存儲器芯片上，通過靜電驅動微反射鏡轉動來調制紅外輻射分布。

微反射鏡的±12°偏轉角分別對應開態和關態，微反射鏡水平放置時為平態，投影光學系統光軸與平態時微反射鏡中垂線重合。微反射鏡偏轉+12°時，反射光線幾乎全部通過投影光學系統;微反射鏡偏轉－12°時，反射光線偏離投影光學系統48°，被紅外吸收裝置吸收;微反射鏡水平放置時，反射光線幾乎沒有通過投影光學系統。DMD驅動板根據紅外圖像視頻信號控制微反射鏡的開、關狀態，完成黑體紅外輻射的空間調制，生成動態紅外場景。DMD工作原理如圖1所示［1］。

圖1 DMD工作原理示意圖

1.2 灰度控制

DMD采用二進制或脈寬調制技術實現全數字方式精確地控制圖像的灰度等級。脈寬調制技術是指在積分時間內，根據驅動電路輸入的脈寬信號，DMD通過調節微鏡面處于“開態”的時間所占百分比實現對相應像素亮度的數字控制［2］。例如，3位數據可以表示8級灰度，根據不同位的權重，將積分時間分為3個子場分別代表不同的持續時間。為避免光電探測器測試過程中由于積分不同步而出現虛假信號的現象［3］，動態紅外場景生成系統中需要采用同步脈寬調制技術。3 bit灰度圖像脈寬調制時序如圖2所示。

圖2 脈寬調制時序圖

一般地說，紅外場景的灰度等級取決于紅外成像制導系統的積分時間和DMD芯片的性能。因為探測系統積分時間決定了場時間，而系統采用的DMD芯片讀寫操作及微鏡面翻轉時間限制了子場最短時間。但是，工程設計中可采用犧牲空間分辨率和多片DMD協同工作的方式獲得更高的灰度等級。

2 系統設計

動態紅外場景生成系統主要包括:1)紅外圖像生成軟件;2)紅外場景生成裝置;3)紅外場景投射系統。

紅外圖像生成軟件實時生成不同環境下的紅外圖像序列，模擬導引頭入瞳處紅外輻射分布。紅外場景生成裝置根據紅外圖像視頻信號完成DMD微鏡面驅動控制，通過調制黑體紅外輻射生成紅外場景，并由物方焦平面與DMD芯片重合的光學準直系統投射為平行光，便于紅外導引頭性能測試和評估。

2.1 紅外圖像生成軟件

類似可見光視景仿真軟件，紅外圖像生成軟件包括場景幾何建模、數據映射和三維圖形渲染。有所不同的是，場景表面映射的是紅外紋理數據，圖形渲染應符合紅外輻射傳輸過程。紅外圖像生成軟件開發流程如圖3所示。

圖3 紅外圖像生成軟件開發流程圖

(1)基于實測數據并與數學反演模型相結合生成紅外紋理。利用紅外熱像儀有針對性地采集目標、背景和干擾的紅外輻射數據，根據熱像儀標定文件、氣象條件和測試條件依次進行單幀圖像數據定標、去除成像系統效應、去除大氣效應等數學反演處理，獲得目標、背景和干擾的真實輻射分布。結合DMD標定數據，把真實場景紅外輻射數據量化為256級灰度紅外紋理。

(2)采用紋理映射技術將紅外材質和紅外紋理映射至場景幾何模型表面。紅外紋理建立了實測數據二維輻射場與灰度圖像之間的映射關系，二者具有一致的坐標系統，所以確定了灰度圖像與幾何模型之間的映射關系也就確定了輻射數據與幾何模型之間的映射關系。灰度圖像與幾何模型之間的映射采用MultiGen Creator集成的傳統紋理映射技術完成，建立場景的紅外特性模型。

(3)開發應用程序調用Vega API實現三維圖形渲染。采用大氣計算軟件Modtran計算特定環境條件下紅外輻射的大氣透過率，并結合DMD標定數據進行修正作為紅外輻射傳輸渲染的依據。通過Lynx交互式圖形界面對紅外場景實例對象、觀察者、環境和運動條件及顯示模式進行配置，基于應用程序框架MFC調用Vega API開發交互式視景仿真軟件對紅外場景進行渲染，實時生成設定條件下紅外導引頭視場內的紅外圖像序列。

2.2 紅外場景生成裝置

紅外場景生成裝置是動態紅外場景生成系統的核心部分，主要包括黑體輻射源、照明光路和DMD芯片及其驅動板。照明光路保證黑體輻射均勻照射至DMD窗口表面，由DMD完成紅外輻射的空間調制形成輸入灰度圖像相應的紅外場景。DMD驅動板原理圖如圖4所示。

圖4 DMD驅動板原理圖

圖形工作站生成的紅外圖像序列通過顯卡DVI接口傳輸至DMD視頻圖像預處理電路，首先進行視頻信號的電平轉換和格式轉換并送到存儲器單元，然后從存儲器中讀出圖像并進行隔行掃描到逐行掃描的變換運算，最終提取紅外場景灰度圖像并格式化為位平面數據，以脈寬調制的分位序列方式與積分同步信號一起輸出到DMD驅動芯片［4－5］。預處理電路中數字圖像處理由FPGA完成，然后FPGA根據同步信號和脈寬調制信號對DDC4000芯片組和DAD2000進行控制，DDC4000芯片組不僅可以實現高速率LVDS數據轉換，還能響應FPGA控制接口輸入，實現DMD和DAD2000初始化，產生DMD和DAD2000控制信號，使DMD的微鏡面在紅外成像制導系統積分時間內按灰度等級進行翻轉和停留，完成黑體紅外輻射分布的空間調制并輸出相對探測系統積分時間無閃爍、無假灰度的紅外場景。

2.3 紅外場景投射系統

紅外場景投射系統的作用是將生成的紅外場景投射為平行光，并與紅外成像探測系統完善耦合，使紅外導引頭接收到相當于無窮遠處的紅外場景輻射。

類似于可見光投射系統，紅外場景投射系統設計采用逆向設計方法［6］。投射系統的物為DMD芯片表面，平行光入射相當于無窮遠物通過物鏡成像，像面應與DMD芯片表面重合。為有效利用紅外輻射能量并避免雜散光進入紅外導引頭光學系統視場，投影系統的出瞳應與導引頭入瞳銜接。同時，為保證存在一定對準誤差時紅外場景生成系統輸出能量也能充滿導引頭入瞳，投射系統出瞳應稍大于導引頭入瞳。為有效利用紅外場景生成系統的各像元，又能使紅外場景覆蓋導引頭視場，投射系統視場應稍大于導引頭成像視場。投射系統焦距由DMD芯片有效區域對角線尺寸和投射系統視場確定，其分辨率受DMD芯片分辨率限制。此外，投射系統應考慮采用雜散光吸收腔和制冷光闌等措施，降低雜散光對紅外場景特別是背景的影響。

根據DMD芯片、紅外成像制導系統相關參數，綜合考慮能量、像差、測試及裝調等因素，確定紅外場景投射系統參數如表1所示。

表1 紅外場景投射系統參數

3 測試結果

在低溫背景下，為模擬不同彈道中彈目逼近過程，紅外成像制導系統測試和評估要求紅外場景具有較大動態范圍和高灰度精度。紅外場景動態范圍取決于高溫照明黑體的輻射能量，當高溫黑體的溫度為500℃時，系統輸出紅外場景的動態范圍為91∶1。圖5為中波熱像儀對動態紅外場景生成系統進行測試時采集的紅外圖像。

圖5 動態紅外場景生成系統測試圖像

動態紅外場景生成系統結構復雜，影響系統輸出紅外場景的因素多且難以定量描述，需要定期對系統進行標定和修正。為模擬真實場景紅外輻射分布，紅外場景建模過程中應根據場景表觀溫度與圖像灰度等級之間關系對真實場景溫度分布進行量化并保存為紅外紋理數據。圖6為照明黑體不同溫度時，相應的場景表觀溫度范圍關系曲線。圖7為照明黑體為260℃時紅外場景表觀溫度與圖像灰度關系曲線。

4 結束語

紅外成像制導系統內場測試平臺的建立對紅外成像制導武器的發展意義重大，在紅外成像制導武器的研制過程中，在一定程度上可以通過內場仿真試驗來緩解外場試驗難以遍歷各種可能條件的矛盾。研制的動態紅外場景生成系統結構緊湊，具有實時性強、高幀頻、高分辨率、高動態范圍等特點，利用熱像儀采集的紅外圖像幀頻穩定，且具有良好的分辨率、對比度及穩定性，可廣泛應用于凝視紅外成像制導系統測試和評估。

［1］ 蔡建榮，嚴高師，劉昌松，等．基于DMD的紅外動態圖像生成技術［J］．激光與紅外，2008，38(4):338－341．

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