基于DMD的动态红外场景生成系统

张二磊，祁鸣

(中国空空导弹研究院6所，河南洛阳471009)

动态红外场景生成系统通过模拟真实场景在红外导引系统入瞳处的红外辐射分布，同时实时反映目标、背景和干扰的运动特性，在实验室内对红外导引头探测、跟踪、抗干扰等性能指标进行测试和评估，对客观评价系统性能、缩短研制周期、节约经费开支等都具有重要意义。

数字微镜阵列DMD具有结构紧凑、高帧频、高对比度、均匀性和稳定性好等优点，逐渐成为动态红外场景生成系统设计的首选方案。结合某型空空导弹测试和评估对红外场景仿真的客观需要，文中以DMD芯片为核心，针对红外场景的刷新频率、灰度等级和对比度等关键技术指标，完成了动态红外场景生成系统设计。动态红外场景生成系统刷新频率为100 Hz，输出红外场景灰度等级达到256级，能量对比度达到91∶1。

1 数字微镜器件

1.1 工作原理

数字微镜器件DMD是动态红外场景生成系统的核心器件，其本质是一个半导体光空间分布调制器。根据微电子机械原理，DMD采用铝溅射工艺在半导体硅片上生成13.8 μm的方形微镜面，数以百万计(1 024×768)的微镜面用铰链结构建造在由硅片衬托的CMOS存储器芯片上，通过静电驱动微反射镜转动来调制红外辐射分布。

微反射镜的±12°偏转角分别对应开态和关态，微反射镜水平放置时为平态，投影光学系统光轴与平态时微反射镜中垂线重合。微反射镜偏转+12°时，反射光线几乎全部通过投影光学系统;微反射镜偏转－12°时，反射光线偏离投影光学系统48°，被红外吸收装置吸收;微反射镜水平放置时，反射光线几乎没有通过投影光学系统。DMD驱动板根据红外图像视频信号控制微反射镜的开、关状态，完成黑体红外辐射的空间调制，生成动态红外场景。DMD工作原理如图1所示［1］。

图1 DMD工作原理示意图

1.2 灰度控制

DMD采用二进制或脉宽调制技术实现全数字方式精确地控制图像的灰度等级。脉宽调制技术是指在积分时间内，根据驱动电路输入的脉宽信号，DMD通过调节微镜面处于“开态”的时间所占百分比实现对相应像素亮度的数字控制［2］。例如，3位数据可以表示8级灰度，根据不同位的权重，将积分时间分为3个子场分别代表不同的持续时间。为避免光电探测器测试过程中由于积分不同步而出现虚假信号的现象［3］，动态红外场景生成系统中需要采用同步脉宽调制技术。3 bit灰度图像脉宽调制时序如图2所示。

图2 脉宽调制时序图

一般地说，红外场景的灰度等级取决于红外成像制导系统的积分时间和DMD芯片的性能。因为探测系统积分时间决定了场时间，而系统采用的DMD芯片读写操作及微镜面翻转时间限制了子场最短时间。但是，工程设计中可采用牺牲空间分辨率和多片DMD协同工作的方式获得更高的灰度等级。

2 系统设计

动态红外场景生成系统主要包括:1)红外图像生成软件;2)红外场景生成装置;3)红外场景投射系统。

红外图像生成软件实时生成不同环境下的红外图像序列，模拟导引头入瞳处红外辐射分布。红外场景生成装置根据红外图像视频信号完成DMD微镜面驱动控制，通过调制黑体红外辐射生成红外场景，并由物方焦平面与DMD芯片重合的光学准直系统投射为平行光，便于红外导引头性能测试和评估。

2.1 红外图像生成软件

类似可见光视景仿真软件，红外图像生成软件包括场景几何建模、数据映射和三维图形渲染。有所不同的是，场景表面映射的是红外纹理数据，图形渲染应符合红外辐射传输过程。红外图像生成软件开发流程如图3所示。

图3 红外图像生成软件开发流程图

(1)基于实测数据并与数学反演模型相结合生成红外纹理。利用红外热像仪有针对性地采集目标、背景和干扰的红外辐射数据，根据热像仪标定文件、气象条件和测试条件依次进行单帧图像数据定标、去除成像系统效应、去除大气效应等数学反演处理，获得目标、背景和干扰的真实辐射分布。结合DMD标定数据，把真实场景红外辐射数据量化为256级灰度红外纹理。

(2)采用纹理映射技术将红外材质和红外纹理映射至场景几何模型表面。红外纹理建立了实测数据二维辐射场与灰度图像之间的映射关系，二者具有一致的坐标系统，所以确定了灰度图像与几何模型之间的映射关系也就确定了辐射数据与几何模型之间的映射关系。灰度图像与几何模型之间的映射采用MultiGen Creator集成的传统纹理映射技术完成，建立场景的红外特性模型。

(3)开发应用程序调用Vega API实现三维图形渲染。采用大气计算软件Modtran计算特定环境条件下红外辐射的大气透过率，并结合DMD标定数据进行修正作为红外辐射传输渲染的依据。通过Lynx交互式图形界面对红外场景实例对象、观察者、环境和运动条件及显示模式进行配置，基于应用程序框架MFC调用Vega API开发交互式视景仿真软件对红外场景进行渲染，实时生成设定条件下红外导引头视场内的红外图像序列。

2.2 红外场景生成装置

红外场景生成装置是动态红外场景生成系统的核心部分，主要包括黑体辐射源、照明光路和DMD芯片及其驱动板。照明光路保证黑体辐射均匀照射至DMD窗口表面，由DMD完成红外辐射的空间调制形成输入灰度图像相应的红外场景。DMD驱动板原理图如图4所示。

图4 DMD驱动板原理图

图形工作站生成的红外图像序列通过显卡DVI接口传输至DMD视频图像预处理电路，首先进行视频信号的电平转换和格式转换并送到存储器单元，然后从存储器中读出图像并进行隔行扫描到逐行扫描的变换运算，最终提取红外场景灰度图像并格式化为位平面数据，以脉宽调制的分位序列方式与积分同步信号一起输出到DMD驱动芯片［4－5］。预处理电路中数字图像处理由FPGA完成，然后FPGA根据同步信号和脉宽调制信号对DDC4000芯片组和DAD2000进行控制，DDC4000芯片组不仅可以实现高速率LVDS数据转换，还能响应FPGA控制接口输入，实现DMD和DAD2000初始化，产生DMD和DAD2000控制信号，使DMD的微镜面在红外成像制导系统积分时间内按灰度等级进行翻转和停留，完成黑体红外辐射分布的空间调制并输出相对探测系统积分时间无闪烁、无假灰度的红外场景。

2.3 红外场景投射系统

红外场景投射系统的作用是将生成的红外场景投射为平行光，并与红外成像探测系统完善耦合，使红外导引头接收到相当于无穷远处的红外场景辐射。

类似于可见光投射系统，红外场景投射系统设计采用逆向设计方法［6］。投射系统的物为DMD芯片表面，平行光入射相当于无穷远物通过物镜成像，像面应与DMD芯片表面重合。为有效利用红外辐射能量并避免杂散光进入红外导引头光学系统视场，投影系统的出瞳应与导引头入瞳衔接。同时，为保证存在一定对准误差时红外场景生成系统输出能量也能充满导引头入瞳，投射系统出瞳应稍大于导引头入瞳。为有效利用红外场景生成系统的各像元，又能使红外场景覆盖导引头视场，投射系统视场应稍大于导引头成像视场。投射系统焦距由DMD芯片有效区域对角线尺寸和投射系统视场确定，其分辨率受DMD芯片分辨率限制。此外，投射系统应考虑采用杂散光吸收腔和制冷光阑等措施，降低杂散光对红外场景特别是背景的影响。

根据DMD芯片、红外成像制导系统相关参数，综合考虑能量、像差、测试及装调等因素，确定红外场景投射系统参数如表1所示。

表1 红外场景投射系统参数

3 测试结果

在低温背景下，为模拟不同弹道中弹目逼近过程，红外成像制导系统测试和评估要求红外场景具有较大动态范围和高灰度精度。红外场景动态范围取决于高温照明黑体的辐射能量，当高温黑体的温度为500℃时，系统输出红外场景的动态范围为91∶1。图5为中波热像仪对动态红外场景生成系统进行测试时采集的红外图像。

图5 动态红外场景生成系统测试图像

动态红外场景生成系统结构复杂，影响系统输出红外场景的因素多且难以定量描述，需要定期对系统进行标定和修正。为模拟真实场景红外辐射分布，红外场景建模过程中应根据场景表观温度与图像灰度等级之间关系对真实场景温度分布进行量化并保存为红外纹理数据。图6为照明黑体不同温度时，相应的场景表观温度范围关系曲线。图7为照明黑体为260℃时红外场景表观温度与图像灰度关系曲线。

4 结束语

红外成像制导系统内场测试平台的建立对红外成像制导武器的发展意义重大，在红外成像制导武器的研制过程中，在一定程度上可以通过内场仿真试验来缓解外场试验难以遍历各种可能条件的矛盾。研制的动态红外场景生成系统结构紧凑，具有实时性强、高帧频、高分辨率、高动态范围等特点，利用热像仪采集的红外图像帧频稳定，且具有良好的分辨率、对比度及稳定性，可广泛应用于凝视红外成像制导系统测试和评估。

［1］ 蔡建荣，严高师，刘昌松，等．基于DMD的红外动态图像生成技术［J］．激光与红外，2008，38(4):338－341．

［2］ 陈二柱，梁平治．数字微镜器件动态红外景象投影技术［J］．红外与激光工程，2003，32(4):331－334．

［3］ 康为民，李延彬，高伟志．数字微镜阵列红外动态景象模拟器的研制［J］．红外与激光工程，2008，37(5):753－756．

［4］ 黄新栋，张涌．Virtex－5 GTP在红外动态场景仿真中的应用［J］．红外技术，2009，31(4):224－227．

［5］ 常丽莎，周起勃．DMD动态红外景象仿真系统的电路设计与研究［J］．红外，2007，28(4):28－31．

［6］ 常虹，范志刚．基于DMD的红外双波段景象投影光学系统设计［J］．哈尔滨工业大学学报，2007，39(5):838－840．