一种微光夜视成像系统设计

王 聪，于 飞，杨明浩，李玉亮，郑媛憬，陈 珊，贾宏博

高度的夜间态势感知能力对飞行员保持飞行安全和高效执行夜间飞行作战任务至关重要。微光夜视镜（night vision goggle，NVG）是一类采用微光像增强技术的光电成像设备，能够将夜间飞机座舱外部场景亮度提高至少3个数量级[1]。在增强飞行员对微弱光能量的探测能力和目标分辨能力，提升飞行员的夜间态势感知能力的同时，夜视镜也有一定的局限性[2]，如视野受限、视力下降、色觉和深径觉改变、阴影效应、光晕等[3]，会影响飞行员的视知觉，对视觉特性的错误判断，将诱发夜视飞行错觉[4]，危害飞行安全。因此，开展夜视飞行训练已成为各国军方的共识和竞相开展的训练技术。北约于2007年颁布了标准化协议STANAG 7147-夜视装备训练的航空医学问题[5]，规定了飞行员夜视训练标准。美国、德国、加拿大、荷兰等发达国家空军也已经常态化开展了飞行员夜视训练[6-7]。我国由于缺乏夜视训练平台，一直没有开展夜视训练[5]。

微光夜视成像系统是开展飞行员夜视训练的重要装备之一，主要功能是将夜间微光条件下的飞机窗外仿真视景图像转换为近红外光信号，并投射到屏幕上，使受训人员在夜视镜下观察到接近真实的夜间视景图像。人的眼睛可以感知的电磁波波长在400～700 nm。B类微光夜视镜的敏感光谱波长范围为665～900 nm。由于传统投影机的光线在微光夜视镜敏感光谱范围内的能量非常有限，存在夜视镜下图像动态范围小、对比度低、成像质量差等问题[8-9]，无法有效模拟夜视镜的光晕、闪光等现象，不满足微光夜视成像系统需求。针对这一问题，本研究设计了一种微光夜视成像系统，对成像质量进行了软件仿真分析。

1 材料与方法

1.1 总体设计 微光夜视成像系统由光源模块、调光模块、照明镜组、视频处理模块、数字微镜器件（digital micromirror device，DMD）、数字光处理控制模块（digital light processing controller，DLPC）、投影主镜等7个子系统组成。系统工作时，光源发出波长740 nm的光线，通过照明光路对DMD进行均匀照明。飞行仿真视景软件生成的微光夜视场景图像信号首先由视频处理模块进行视频传输接口标准的转换，然后传入DLPC控制模块，由其驱动DMD按照时序进行翻转，调制还原微光夜视场景图像。DMD生成的图像经投影主镜光学系统投射到远处的投影幕上（图1）。为满足微光夜视场景显示功能要求，设计提出的主要性能指标如下：工作波段：（740±10）nm；照度范围：（1×10--4～10）Lx可调；均匀性：≥85%；对比度：≥80:1（ANSI标准）；分辨率：≥1 024×768像素；帧频：≥60 Hz。

图1 微光夜视成像系统组成原理

1.2 分系统设计

1.2.1 光源模块 光源模块用于产生光线。LED光源是一种直接注入电流的半导体固体发光器件，相对于白炽灯、超高压汞灯等光源，具有体积小、能耗低、寿命长和易调光等优点。在系统工作时，光源的光谱和功率特性决定着进入夜视镜的投影幕反射光的光谱特性和投影幕上的像面照度。因而，LED光源参数的选择主要考虑光谱和功率两方面因素。系统设计中，选用了740 nm波长、50 W功率的LED光源。该LED光源单一峰值波长740 nm，半波宽20 nm，光谱能量集中于B类夜视镜665～900 nm敏感光谱范围内，单色性好，在夜视镜下图像亮度高、对比度大、成像质量好。50 W光源总光通量约为1500 lm，其投影幕像面光照度E，通过公式（1）计算。设计中选用的是波长为740 nm的LED光源。

其中，Φ为光源总光通量，α为照明光路收集效率，ν为DMD占空比，r为铝反射镜反射率及DMD窗口衰减率，β为投影镜组衰减倍率，S为投影面积。计算得到最大像面照度为33.45 Lx，通过降低工作电压，可满足最大像面照度10 Lx的设计要求。

1.2.2 调光模块 调光模块用于调节光源模块输出的光线亮度，具有无线遥控和调节旋钮2种调节方式。调光模块主要由信号调光器、信号发生器、调光驱动器和单片机4个部分组成。信号调光器用于无线遥控调光工作模式下，接收和传输遥控器发来的控制信号。信号发生器由旋钮式电位器和信号发生器组成，用于旋钮调光工作模式下，控制信号的采集和传输。信号调光器和信号发生器将控制信号发送至单片机，单片机处理后生成调光控制信号，发送给调光驱动器。调光驱动器通过调节单位时间内流过LED的平均电流的方式控制光源的亮度。通过减小电流，可实现1×10--4Lx最低照度。在无线遥控调光方式下，通过遥控器将调光控制信号发送给信号调光器，再将信号发送给调光驱动器，由调光驱动器控制光源的亮度。在手动旋钮调光方式下，操作者手动调整操作面板上的旋钮，信号发生器根据旋动量的大小，输出0～10 V模拟信号至调光驱动器，控制光源的亮度。

1.2.3 照明镜组 照明镜组通过微光照明光路收集光源的能量，实现对投影光路像面的均匀照明。照明镜组主要由微光照明器、反射棱镜组成。微光照明器采用柯勒照明光路设计，通过合理优化数值孔径，实现与激光束散角的匹配，提高光源的有效利用率。反射棱镜的反射面处设有半反半透膜，用于将均匀光线反射至数字微镜器件，并将数字微镜器件反射的光线透射至投影主镜。微光照明光路结构如图2所示。

图2 微光照明光路结构图

1.2.4 视频处理模块 视频处理模块用于接收并处理图形工作站输出的HDMI或VGA视频图像信号。由图形工作站提供的全彩色视频信号以R、G、B、复合四路信号传输到视频处理模块，各通道视频信号均为8位灰度图，在视频处理模块的现场可编程逻辑门阵列器件（field programmable gate array，FPGA）中进行数字信号处理，主要方法是通过伽马（幂律）变换，将全彩色视频信号转换为夜视场景灰度视频信号，并发送至DLPC控制模块。

1.2.5 DLPC控制模块 DLPC模块是DMD的驱动部分，分别与视频处理模块及DMD连接，能够为DMD提供高速数据和控制接口，可对视频处理模块输入的夜视场景灰度视频信号进行光空间调制处理，驱动DMD按照时序进行翻转，还原夜视场景灰度视频信号。DLPC控制模块选用美国德州仪器公司DLPC 410控制器和DLPA 200驱动器。

1.2.6 数字微镜器件 数字微镜器件DMD用于在控制模块控制的偏转角度下对光源模块输出的光线进行反射，形成影像光源。DMD是由成千上万个微米级的可进行±12°摆动的铝合金微镜组成的微机电系统，图像的每一个像素对应一个可以转动的微镜，每一个微镜都可以通过二进制脉宽调制技术进行单独控制。微镜的位置不同，反射光的出射角度就不同，每一个微镜相当于一个光开关。DMD器件选用美国德州仪器公司DLP 7000，具有1 024×768像素微镜阵列，微镜间距13.68 μm。

1.2.7 投影主镜 投影主镜用于将DMD器件呈现的灰度图像投影至一定距离的投影幕，供佩戴夜视镜的受测人员观看。为有效校正光学系统像差，提高成像质量，投影主镜的光学系统采用折射式结构。经过优化的微光6片式投影主镜光学系统如图3所示。

图3 主镜光学系统二维图

2 结果

2.1 DMD辐照度均匀性 利用ZEMAX软件对微光照明器光学系统在DMD有效像面范围内的辐照度均匀性进行仿真分析，在DMD像面X=0截面上的辐照度分布曲线最大值Emax与最小值Emin分别为0.952 W/cm2和0.781 W/cm2。根据公式（2），计算出DMD处光源辐射照明的均匀性G为90.1%，保证了经过DMD输出图像的高均匀性（图4～5）。

图4 DMD像面的辐照度分布

图5 DMD像面中心的辐照度

2.2 系统成像质量 利用ZEMAX软件对系统的场曲、畸变和光学传递函数等进行仿真分析[9]。由投影主镜场曲、畸变图可以看到，弧矢与子午场曲均得到很好的控制，10°视场时场曲最大，此时的场曲也仅为0.02 mm，畸变控制在0.1%左右，人眼基本察觉不到（图6）。由主镜光学传递函数图可知，全视场空间频率50 lp/mm处的传递函数模值大于0.5，接近衍射极限，高于截止频率时的全视场传递函数大于0.3的常规要求。各视场的传递函数与衍射极限非常接近，说明各种像差校正的很好，成像质量良好，可以满足使用要求（图7）。

图6 主镜场曲、畸变图

图7 主镜光学传递函数图

3 讨论

微光夜视成像系统可用于飞行人员夜间视觉体验训练，也可作为视景显示子系统，集成在飞行错觉模拟器中，用于飞行人员佩戴夜视镜条件下的夜视-错觉综合模拟训练，是开展飞行员夜视训练的关键装备之一。针对传统投影机光源能量集中在可见光区域，导致夜视镜敏感光谱范围内图像动态范围小、对比度低，不适用于微光夜视场景模拟显示的问题，笔者采用LED光源调光技术、视频信号处理技术、DLP投影显示技术及投影光学系统设计技术，设计了一种由7个子系统组成的微光夜视成像系统。为验证设计效果，采用ZEMAX软件对DMD像面范围辐照度均匀性、投影系统成像质量进行了仿真分析。结果表明，该微光夜视成像系统设计能确保良好的成像质量，能够用于微光夜视成像系统开发，有望为飞行人员夜间视觉体验训练提供可靠的装备平台。

笔者设计的微光夜视成像系统采用了740 nm单一峰值波长的LED光源。一方面，人眼对此波长不敏感，系统可提供真实的裸眼夜视体验；另一方面，LED光源可通过调光实现较低的黑电平，可在夜视镜下体验接近真实的低照度视景。此外，该光源的光谱能量集中，动态范围大，可以逼真地模拟显示夜视镜的光晕、眩光等物理现象。基于上述优点，该微光夜视成像系统在飞行人员夜间视觉训练中具有较高的应用价值。在使用中，应注意对投影图像的照度进行校准，通过调整光源功率，使投影图像的光谱辐射照度与所模拟的微光目标场景环境照度相一致。考虑到该微光夜视成像系统主要在暗室内或封闭座舱内使用，投影画面与人眼的距离有限，开展训练前，受训人员应对夜视镜进行调校，确保最佳的视觉灵敏度。后续，系统开发完成后，通过开展飞行人员主观评价试验，将进一步验证系统性能和应用效果。