動態(tài)紅外場景投影技術的發(fā)展與應用

1紅外成像仿真系統(tǒng)紅外成像系統(tǒng)通過自身的紅外探測器來檢測目標和背景輻射的能量，捕獲目標的紅外圖像，識別并跟蹤紅外目標，以實現(xiàn)正確的監(jiān)控目標。紅外成像制導特別適合在夜間和低能見度下工作,能提供比肉眼所見更加豐富的目標和背景信息,在惡劣環(huán)境中仍具有較強的抗干擾能力,并具有較高的靈敏度和分辨率,十分有利于目標的識別與跟蹤。然而,在紅外成像制導系統(tǒng)開發(fā)階段,為了對制導性能進行全面的評價,往往需要大量的外場飛行試驗,消耗大量的經(jīng)濟與時間成本;同時外場試驗環(huán)境也并非人為可控,外場環(huán)境不具有可重復性,難以對系統(tǒng)的制導性能進行有針對性的重復試驗。應用紅外硬件閉環(huán)(Hardware-in-the-Loop,HWIL)在線實物仿真系統(tǒng),制導系統(tǒng)的飛行測試與夜視傳感器測試都能在實驗室的仿真環(huán)境下進行,大大節(jié)約了外場飛行的成本,并能提供可控、可重復的試驗條件。紅外成像仿真系統(tǒng)的原理是模擬各種真實目標及其背景的紅外輻射特性并建立模型,在紅外光波段內通過仿真系統(tǒng)將其還原,生成的紅外圖像被投影到制導系統(tǒng)的探測器上,使制導系統(tǒng)如同在各種真實環(huán)境中進行目標識別與跟蹤。目前,紅外圖像生成方法可以分為三大類:一是可見光圖像直接轉換法,即利用薄膜轉換器直接將可見光圖像轉換成為紅外圖像;二是直接紅外輻射法,主要包括電阻陣列、激光二極管陣列、紅外陰極射線管(Cathod-rayTube,CRT)以及MIRAGE(MultispectralInfraRedAnimationGenerationEquipment);三是紅外輻射調制法,主要有數(shù)字微鏡器件(DigitalMirrorDevice,DMD)紅外投影系統(tǒng)、布萊盒(Blycells)技術和紅外液晶光閥。其中DMD紅外投影技術是基于TI公司研制的DMD而設計的,它具有精度高、幀頻快、分辨率高、動態(tài)范圍大等特點,是最新型的動態(tài)紅外場景投影技術。本文介紹了基于DMD的數(shù)字光處理(DigitalLightProcessing,DLP)顯示系統(tǒng),以及基于DLP投影顯示技術而開發(fā)的DIRSP系統(tǒng)—微鏡陣列投影系統(tǒng)(MAPS)的基本原理和關鍵技術,最后對紅外場景投影技術的發(fā)展趨勢做了展望。2DMD2.1dmd微反射鏡DMD是采用微機械加工手段,在半導體硅片上采用鋁濺射工藝形成一組二維微鏡陣列,每個微鏡相當于投影畫面中的一個像素點,并且可以獨立控制每個微鏡的狀態(tài),其最高分辨率可達2048×1024。圖1是用掃描式電子顯微鏡拍下的DMD微鏡陣列顯微照片,數(shù)以百萬計的微鏡面具有不同的偏轉角,呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。DMD是TI公司研制的DLP顯示系統(tǒng)中空間光調制器的核心器件,每一個微鏡面是邊長為16μm的正方形,微鏡面的中心間距為17μm,每一個微鏡面之間的間隔僅為1μm。利用微鏡與存儲單元之間的靜電吸引,可以控制每個鏡面繞著機械轉軸翻轉+10°或-10°。第二代DMD微鏡面的中心間距僅有13.68μm,可以達±12°的翻轉。而最新一代的DMD微鏡面的中心間距甚至只有10.8μm。中心間距越小,同樣面積的DMD微鏡陣列投影成像的分辨率就越高。圖2示出了兩片位于傾斜狀態(tài)的DMD微反射鏡。由圖2可知,DMD像素單元主要由存儲圖像信號的存儲單元、支撐微鏡的支柱和轉動鉸鏈、鏡架、反射鏡及3個電極等幾大部分組成微機電系統(tǒng)(MEMS)結構單元,圖3為其結構單元的具體展開。2.2微鏡逆片偏轉提供變像的控制DMD是一種快速、反射式的數(shù)字光開關,成像是靠微鏡轉動完成的,成像原理如圖4所示。每個微鏡面都有3種可能的狀態(tài),即“開”態(tài)、“平”態(tài)以及“關”態(tài),分別對應+10°、0°及-10°的偏轉角。將投影透鏡置于像素微鏡的中垂線上,當微鏡未偏轉(即處于“平”態(tài))時,像素微鏡水平放置,來自光源的入射光被微鏡反射,反射角為20°,偏離投影透鏡;當微鏡偏轉+10°(即處于“開”態(tài))時,反射光線幾乎全部通過投影系統(tǒng),屏幕上對應的像素即呈現(xiàn)亮態(tài);當微鏡偏轉-10°(即處于“關”態(tài))時,反射光線偏離投影系統(tǒng),被吸收裝置吸收,屏幕上對應的像素呈現(xiàn)暗態(tài)。因此,通過控制微鏡的“開”、“關”狀態(tài),就可以控制圖像每個像素的亮、暗狀態(tài),在屏幕上生成一幅投影圖像。每個微鏡均采用雙穩(wěn)態(tài)工作。圖5是雙穩(wěn)態(tài)DMD的示意圖。由圖5可知,微鏡位于扭轉片之上,扭轉片以鉸鏈為軸,帶動微鏡一起偏轉。當扭轉片的末端與搭接電極接觸,扭轉片便停止轉動,保持平衡狀態(tài)。扭轉片的偏轉角大小完全由DMD的機械構造所決定,用以保證偏轉角的精確性不受外界因素與積分時間長短的影響。由于偏轉角的大小在設計芯片時已經(jīng)固定,所以控制微鏡的狀態(tài)時,只需考慮偏轉方向,而無需考慮控制信號的強弱,從而實現(xiàn)數(shù)字開關量控制。扭轉片的偏轉方向由加在尋址電極上的尋址電壓決定,尋址電壓的高低電平由CMOS存儲單元提供的二進制信號來控制。當CMOS存儲單元輸出信號為0時,尋址電壓呈低電平,微鏡的偏轉角度為-10°;當CMOS存儲單元輸出信號為1時,尋址電壓呈高電平,微鏡的偏轉角度為+10°。在扭轉片上加有一個偏置電壓是為了使扭轉片具有雙穩(wěn)態(tài)特性,達到使用較低的尋址電壓來獲得較大的偏轉角,標準MOS晶體管5V電壓即可。2.3dmd投影成像中的質量電路設計如果僅僅控制微鏡的偏轉方向,得到的只是一幅黑白二值圖像,而為了使投影圖像更逼真地模擬真實目標和背景,傳達更豐富的現(xiàn)場信息,往往需要包含灰度信息?；叶鹊燃壥侵富叶葓D像由黑色到白色之間的亮度層次,就像我們平時看到亮度由暗到明的黑白照片,亮度變化是連續(xù)的。在數(shù)字圖像中,用灰度表示亮度值,為了表示這種灰度信息,需要把灰度值進行量化。比如將灰度劃分為0～255共256個灰度等級,0表示最暗(全黑),255表示最亮(全白),每個像素都有自己的灰度值。用于表示每一像素灰度值的比特數(shù)越高,灰度等級也越高,顯示的圖像就越豐富,畫面更細膩,圖像也會更逼真。若比特位數(shù)為b,則圖像有2b個灰度等級。為了使DMD投影成像具有更豐富的灰度信息,就需要進行灰度調制?；叶日{制的基本原理就是人眼在空間上對分辨率不敏感和在時間上存在“視覺暫留”的特性,因此,灰度調制的方法也可以從空間和時間上加以考慮。下面介紹幾種常見的灰度調制方案。(1)圖像灰度級調制空間灰度調制是在單幀圖像內,將一定數(shù)目的基本像素單元合并成為一個“大像素”,而這個“大像素”中的每個基本像素單元僅有0和1兩個灰度級,并且是單獨可控的。如圖6所示,分別控制這個“大像素”中各基本像素單元處于“亮”態(tài)和“暗”態(tài)的數(shù)量,當在一定距離外觀察投影圖像時,整幅圖像將顯示不同的灰度級,從而實現(xiàn)圖像的灰度調制?？臻g灰度調制法實現(xiàn)簡單,只需單獨控制每個基本像素單元的“開”、“關”狀態(tài),無需復雜的控制方案和驅動電路,就可實現(xiàn)圖像的灰度等級調制。但是,空間灰度調制法也有其無法克服的缺點。首先,每個基本像素單元的灰度等級并沒有改變,而是通過改變“大像素”所包含的基本像素單元中處于“亮”態(tài)和“暗”態(tài)的數(shù)量比,來改變“大像素”的灰度級,這樣,整幅圖像就不可能實現(xiàn)很多的灰度等級。如圖6所示,若將4個基本像素單元組成一個“大像素”,則其灰度等級僅有5級。其次,若想提高圖像的灰度等級,只有通過增加“大像素”所包含的基本像素單元數(shù)量來實現(xiàn),這樣就導致了圖像分辨率下降,雖然圖像的灰度等級提高了,但卻是以降低圖像分辨率為代價的,效果適得其反。因此,通過空間灰度調制,灰度等級并不能無限制提高,而應該綜合考慮灰度等級與分辨率的相互影響。(2)幀灰度級不同時間碼像的顯示能力幀灰度調制是將連續(xù)的一定數(shù)目的幀合并成為一個“大幀”,每一幀可以稱之為“子幀”。如圖7所示,分別控制每個“子幀”中各像素的“亮”、“暗”狀態(tài),由于人眼的“視覺暫留”現(xiàn)象,不同“子幀”同一位置的像素亮度將被疊加,從而呈現(xiàn)不同的灰度等級,實現(xiàn)圖像的灰度調制。與空間灰度調制相比,幀灰度調制不會影響投影圖像的分辨率,但把若干幀合并成為一個“大幀”作為顯示單位,而不提高幀頻,可能導致灰度級別的閃爍;但提高幀頻又會受到DMD顯示器件及視頻處理電路的響應時間限制,所以幀灰度調制有其固有的瓶頸。(3)基于效率分析的灰等級調度方案任何圖像的顯示,都是在動態(tài)掃描驅動下對位比特流的操作。位比特流由DLP視頻處理電路產(chǎn)生,圖像的顯示過程就是從位比特流中取出各比特位,根據(jù)比特位的二進制數(shù)值對顯示屏幕進行掃描。脈寬調制(PWM)法就是根據(jù)這一原理來實現(xiàn)的。PWM法也稱占空比法,其輸出驅動的高低電平直接反映了像素比特值的大小,輸出驅動脈沖的占空比代表了灰度等級。首先,將脈沖的持續(xù)時間(寬度)根據(jù)圖像數(shù)據(jù)劃分為多個等級,圖像數(shù)據(jù)的最高有效位(MSB)對應的持續(xù)時間最長,最低有效位(LSB)對應的持續(xù)時間最短,并按權重等比例排列。如圖像數(shù)據(jù)為n位,則每位圖像數(shù)據(jù)對應的持續(xù)時間應為2n∶2n-1∶…∶21∶20。當數(shù)據(jù)為“1”時,對應的脈沖等級為高電平,當數(shù)據(jù)為“0”時,對應的脈沖等級為低電平,從而使被選通的像素實現(xiàn)不同的灰度等級。如圖8所示,若灰度等級為16,則在場時間周期內,將最高灰度級數(shù)據(jù)脈寬分為15等分,灰度級0、1、2、…、14、15分別對應占空比0、1/15、2/15、…、14/15、1。相比前面兩種灰度調制技術,脈寬灰度調制既不影響投影圖像分辨率,也不會影響投影圖像的幀頻,可以實現(xiàn)更高的灰度等級。但是,脈寬灰度調制時序復雜,要求驅動電路具有較高的工作頻率,實現(xiàn)難度較大。綜上所述,以上幾種灰度調制方案在空間、時間等不同的方面對投影圖像的灰度等級進行調制。表1歸納了各自的調制原理及其特點。3dlp投影系統(tǒng)介紹隨著TI公司于1987年成功研制出DMD,第一臺基于DMD器件的DLP投影顯示器也于年推向市場。不到3年時間,DLP投影系統(tǒng)被廣泛應用于移動便攜式設備、會議室、電視墻、家庭影院及大型集會等,為人們提供了高畫質、全數(shù)字的“無縫”圖像。DLP系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)灰度圖像的顯示,還可輸入RGB信息,實現(xiàn)彩色圖像的顯示。根據(jù)DLP系統(tǒng)中所含DMD數(shù)量的不同,可以把DLP系統(tǒng)分為單芯片DLP投影系統(tǒng)、雙芯片DLP投影系統(tǒng)及三芯片DLP投影系統(tǒng)。在實際應用中,應權衡成本、光效率、能量損耗、重量、體積等因素,選擇合適的DLP投影系統(tǒng)。本文介紹了這3種DLP系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字彩色圖像投影的原理,分析了各自優(yōu)缺點,并指出其應用場合。3.1dlp投影系統(tǒng)全數(shù)字化的單芯片DLP投影系統(tǒng)的結構如圖9所示,其中DMD工作在顏色場順序模式,即采用一個包含三原色(RGB)的彩色輪作為濾光片,彩色輪一直處于旋轉狀態(tài),來自光源的白色光經(jīng)過聚光透鏡后通過該彩色輪,被過濾為R,G,B3個分量,并順序地照射在DMD芯片上。為了消除照射光線與投影光線之間的干擾,在彩色輪與DMD之間設計了一個全內反射棱鏡。經(jīng)過DLP視頻處理電路,格式化的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)被寫入DMD的CMOS(SRAM)存儲器,以控制DMD微鏡的狀態(tài),對照射在DMD表面的光進行調制。如若存儲器中數(shù)據(jù)為“1”,則DMD微鏡處于“開”態(tài),來自微鏡的光直接被反射入投影透鏡,并最終顯示在投影屏上。而若存儲器中數(shù)據(jù)為“0”,則微鏡處于“關”態(tài),反射光被光吸收裝置所吸收,無法到達投影屏幕。在此,投影透鏡除了收集來自DMD的反射光,還具有對圖像的放大作用。選擇與屏幕尺寸相匹配的投影透鏡,將R,G,B光順序投影在屏幕上,便產(chǎn)生一幅RGB彩色圖像。單芯片DLP投影系統(tǒng)能夠將RGB三原色自行融合,成本低廉,輕便靈巧,非常適合應用于移動設備。但彩色輪在任一時刻只允許其中一種顏色分量通過,光源使用效率只能達到1/3,所以光源通常采用金屬鹵化物燈,以產(chǎn)生更大的光照強度,防止投影圖像灰度過低。若應用于單色模式,光學系統(tǒng)便無需采用彩色輪(即產(chǎn)生灰度圖),則不存在這個問題。3.2投影圖像顯示系統(tǒng)為了克服單芯片DLP投影系統(tǒng)的不足,提高投影圖像的亮度,TI公司又開發(fā)出了適合大屏幕投影顯示的三芯片DLP投影顯示系統(tǒng)。三芯片DLP投影顯示系統(tǒng)通過三片DMD分別對應一種顏色分量,在一個電視場周期內,任一種顏色分量都可連續(xù)地投射在投影屏幕上,因此,投影圖像可以達到更高的亮度和灰度等級。首先,利用分光鏡將白光分解成R,G,B3個顏色分量,并分別投向對應的DMD,若微鏡處于“開”態(tài),則不同顏色的反射光重新組合,并穿過全內反射棱鏡投向投影透鏡,最終將圖像顯示在投影屏幕上。三芯片DLP投影顯示系統(tǒng)的光學系統(tǒng)如圖10所示。三芯片DLP投影顯示系統(tǒng)具有較高的光學效率,特別適合應用于要求高亮度、大屏幕投影圖像的場合,如大型集會、貿易展覽等場合公共信息的展示。3.3雙芯片dlp投影系統(tǒng)為了低成本和高效率,在單芯片DLP投影系統(tǒng)中使用了金屬鹵化物燈。但在某些應用領域光亮度又顯得不夠,需要在光輸出和精確的顏色之間進行權衡,因此提出了獨特的雙DMD結構。雙芯片DLP投影系統(tǒng)應用了來自單片DLP系統(tǒng)的順序彩色輪的方法以及來自三片DLP系統(tǒng)的雙色分光棱鏡的概念,同時考慮到金屬鹵化物燈紅光缺乏這一特點。在雙芯片DLP投影系統(tǒng)中,彩色輪不用R,G,B濾光片,而是使用兩個輔助顏色—品紅和黃色取而代之。彩色輪的品紅片段允許紅色光和藍色光通過,黃色片段允許紅色光和綠色光通過。結果是紅色光一直可以通過濾光系統(tǒng),在整個場時間內,投影圖像都包含紅色分量,藍色光和綠色光則交替通過處于旋轉狀態(tài)的彩色輪,即藍色光和綠色光各有一半的時間到達投影屏幕。一旦通過彩色輪,光線直接射到雙色分光棱鏡系統(tǒng)上,連續(xù)的紅光被分離出來而射到專門用來處理紅光和紅色視頻信號的DMD上,順序的藍色與綠色光投射到另一個DMD上,專門處理交替的藍色和綠色分量,這一DMD由綠色和藍色視頻信號驅動。與單片DLP系統(tǒng)相比,雙色系統(tǒng)紅光輸出是原來的大約3倍。并且因為彩色輪現(xiàn)在只有兩個而不是3個濾光片組成,在一給定的視頻畫面中藍光和綠光輸出增加約50%(即由1/3場時間增加到1/2場時間)。以上改進使雙片DLP系統(tǒng)有能力產(chǎn)生優(yōu)秀逼真的顏色,提高光學效率。3.4dlp投影顯示系統(tǒng)的優(yōu)點與普遍采用的陰極射線管(CRT)投影技術和液晶顯示(LCD)投影技術相比,基于DMD的DLP投影顯示系統(tǒng)存在諸多優(yōu)點,具體表現(xiàn)在以下幾個方面。(1)crt投影成像技術DMD芯片的微鏡尺寸為16μm,中心間距為17μm,因此,像素填充因子達90%以上。換句話說,微鏡陣列90%以上的有效面積能反射來自光源的光線,產(chǎn)生投影圖像。在整片微鏡陣列中,像素尺寸及空間均勻性均能保持一致,且不受分辨率提高的影響。與此相反,CRT投影技術由于依賴于電子束掃描,而不是像素化的矩陣,因此無法產(chǎn)生方形像素。由于DMD芯片的填充因子較高,在視覺上也顯得更清晰,采用漸進式掃描技術產(chǎn)生的投影圖像與傳統(tǒng)的投影顯示技術相比更令人賞心悅目。(2)高效的光學效率若將光學效率定義為輸出光強與輸入光強之比,DMD總體上的光學效率可達60%以上。這樣,投影圖像可以呈現(xiàn)更明亮的色彩,提高灰度等級。對于DMD器件,光學效率主要由4部分組成:微鏡處于“開”態(tài)的時間、微鏡表面反射效率、微鏡陣列填充因子及微鏡衍射效率,總體光學效率即為以上4部分相乘。與此相反,LCD投影顯示的光學效率先天低下。首先,LCD采用極化相關技術,只利用其中一半的極化光,另一半則被晶體管和LCD元件所阻擋。除了這些光損失,液晶材料本身也吸收部分光源,導致只有很小的光強可以通過LCD面板到達顯示屏。(3)投影圖像的硬度對于DLP投影系統(tǒng),提高分辨率只需增加微鏡的數(shù)量,投影圖像的分辨率不會受到亮度的影響。而對于CRT投影儀,隨著亮度的增加,熒光粉的增強會導致分辨率降低。在DLP投影系統(tǒng)中,投影圖像的亮度只與光源和采用DMD的數(shù)量(即單片、雙片或三片DLP投影系統(tǒng))有關,增加亮度意味著DMD微鏡反射更多的光到達屏幕,對分辨率不會有任何影響。因此,DLP投影系統(tǒng)可以更靈活地滿足用戶需求,其高分辨率和高亮度性能在投影顯示領域具有非常廣闊的應用前景。(4)光接收數(shù)字信號轉換為光信號的問題由于DMD器件微鏡陣列的“開”、“關”狀態(tài)對應于二進制信號“1”、“0”,只需為每個像素微鏡提供數(shù)字驅動信號,就可直接轉換為光信號,而不需要在顯示之前將數(shù)字圖像信號通過D/A轉換成模擬信號。而且DMD器件對投影圖像的灰度調制也可通過二進制脈寬調制來實現(xiàn),這樣就完成了投影圖像的全數(shù)字化控制輸出。全數(shù)字化控制的DMD器件靈敏度高,投影圖像具有更高的灰度等級和對比度,通常R,G,B每種顏色分量都可達到8到10位的灰度等級,色彩更加鮮明豐富。(5)dmd器件作為一種商業(yè)化成熟的投影顯示系統(tǒng),DLP具有高穩(wěn)定性和長使用壽命的特點。DMD器件能夠承受在復雜環(huán)境中的測試,可以滿足從商業(yè)到軍事級的應用。DMD器件的使用壽命主要取決于機械鉸鏈的耐用性,經(jīng)過TI公司的測試,即使經(jīng)受超過1012次的重復翻轉(相當于20年的使用時間),這些鉸鏈仍完好無損。4dmd投影系統(tǒng)的顯示原理為滿足紅外導引頭硬件閉環(huán)仿真與紅外傳感器測試的需要,美國光學科學公司(OSC)于2001年研制出第一臺正式商用的基于DMD的DIRSP系統(tǒng)?；贒MD的DIRSP系統(tǒng)的顯示原理與DLP投影系統(tǒng)相似,也可分為單片DMD投影系統(tǒng)、雙片DMD投影系統(tǒng)與三片DMD投影系統(tǒng),它們的顯示原理基本相同。下面首先介紹基于DMD的DIRSP系統(tǒng)的工作原理、實現(xiàn)方案,然后再對基于DMD的DIRSP技術的性能指標,以及關鍵技術進行介紹與分析。4.1紅外場景測試基于DMD的DIRSP系統(tǒng)又稱MAPS,其技術基礎正是DLP投影顯示技術,只不過是將應用場合由可見光成像變?yōu)榧t外成像,其基本原理如圖11所示。由圖可知,一個完整的MAPS主要由3部分組成:投影頭、支撐電路以及計算機圖像生成器。投影頭包括DMD、DMD驅動電路、輻射源、輻射源控制器以及準直投影透鏡;支撐電路包括視頻轉換電路、同步信號處理器及電源;計算機圖像生成器可用于產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù),監(jiān)控投影系統(tǒng)的狀態(tài),設置輻射源的溫度,以及投影系統(tǒng)的其他運行參數(shù)等。首先將需要測試的紅外場景圖像數(shù)據(jù)保存在計算機圖像發(fā)生器(ComputerImageGenerator,CIG)中,產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)通過視頻轉換電路和DMD驅動電路輸入DMD器件,并將數(shù)據(jù)保存在CMOS存儲單元,以產(chǎn)生驅動電壓控制DMD的狀態(tài);此處選用黑體輻射源作為紅外光源,通過照明透鏡均勻照射DMD,由于事先已經(jīng)將場景圖像數(shù)據(jù)保存在CMOS存儲單元,于是DMD能夠通過改變微鏡狀態(tài)產(chǎn)生紅外熱圖像。這里生成的紅外圖像就能真實還原目標、背景等場景信息,然后將生成的紅外場景通過光學準直投影透鏡投射到被測試單元(UUT)的入瞳處,使被測試單元如同在真實環(huán)境中工作,以達到評價制導系統(tǒng)性能的目的。DMD驅動電路位于投影頭中DMD芯片的背面,它從視頻轉換電路中獲得視頻數(shù)據(jù)流,產(chǎn)生同步二進制PWM信號,以控制DMD微鏡的偏轉。驅動電路是基于FPGA設計的,以方便新系統(tǒng)的升級與擴展。支撐電路的功能包括從視頻源接收各種格式的視頻信號,包括DVP2、DVI、RS-170/PAL、RGB-HV(CRT)及S-Video,并將視頻信號轉換成二進制位流后,輸入DMD驅動電路。支撐電路可以通過串行接口將投影系統(tǒng)的運行狀態(tài)反饋給用戶,用戶也可通過上位機的主控軟件向支撐電路輸入同步信號及其他命令,以利用支撐電路將控制信號輸入投影系統(tǒng)。例如用戶可設置輻射源的溫度,以產(chǎn)生所需的表觀溫度。4.2制導系統(tǒng)的仿真在紅外成像制導系統(tǒng)的試驗階段,MAPS的性能直接決定了制導系統(tǒng)的仿真效果。為了提高仿真精度,產(chǎn)生更逼真的紅外仿真目標,獲得更準確的試驗結果,對投影圖像的分辨率、幀速、對比度、灰度等級等方面都有一定的要求。(1)全球性能DIRSP系統(tǒng)的性能指標主要有表觀溫度、對比度、分辨率、幀頻等,表2列出了目前MAPS投影儀的總體性能指標。(2)基于區(qū)域能量的監(jiān)控設計表觀溫度反映了DIRSP系統(tǒng)輻射面上輻射能量的空間分布,表觀溫度范圍越大,表現(xiàn)真實目標和背景的實際能量分布的能力也越強,模擬真實環(huán)境的投影圖像也越逼真。MAPS的表觀溫度取決于輻射源的溫度。對于紅外探測器常用的3～5μm波段,模擬系統(tǒng)溫度范圍為0～700℃;對于8～13μm波段,若用于反坦克,溫度范圍為室溫以上30℃內,用于對空導彈為0～150℃。(3)單譜分析模型對于任何類型的空間光調制器,對比度都是一個重要的性能參數(shù)。當利用微鏡間距為17μm的DMD芯片,在中紅外波段,MAPS對比度達250∶1以上;在遠紅外波段,分為普通模式和特殊模式,兩者分辨率相差較大,在MAPS對比度達250∶1以上;在普通模式,對比度為15∶1,而在特殊模式,對比度可以達110∶1以上。當采用下一代的13.6μm的DMD芯片,在中紅外波段的對比度超過了330∶1。(4)dmd芯片分辨率數(shù)字圖像都是由許多的點構成的,這些點稱為像素,像素越多,分辨率就越高。紅外成像制導系統(tǒng)在識別、跟蹤目標的過程中,面對的是模擬的真實場景。因此,投影圖像的分辨率越高,就越能真實地模擬目標和背景。由于投影圖像的每一像素對應于DMD芯片的一塊微鏡,因此,投影圖像的分辨率取決于DMD芯片的分辨率。DMD陣列的分辨率分為SVGA(800×600)格式、XGA(1024×768)格式及SXGA(1280×1024)格式,采用第二代和第三代DMD芯片,投影圖像可以實現(xiàn)1080p(1920×1080)格式。(5)列的速度和幀頻數(shù)字視頻信號都是由離散化的圖像序列按順序排列而成,更新序列的速度就是幀頻。投影圖像的幀頻取決于視頻處理電路和驅動電路的視頻數(shù)據(jù)處理速度與DMD微鏡的翻轉速度,幀頻越高,播放的視頻信號越連貫,越能真實反映實際的場景,仿真效果也越好。4.3基于sd的dihsp系統(tǒng)的關鍵技術由于DMD是為可見光投影和人眼感知設計的,若將其用于DIRSP,就必須對DMD進行如下改進:(1)改變光學窗,以紅外光學窗取代由于DMD采用鋁濺射工藝,因此可以反射可見光波段內的光譜,但卻不能反射波長大于2.7μm的光譜。因此,為了使DMD適用于傳統(tǒng)的中波和長波紅外波段(3～5μm和8～12μm),需要改變原來的光學窗,并以紅外光學窗取而代之。由于DMD是采用鋁濺射工藝制成,紅外光學材料無法直接安裝在原有微鏡表面,必須首先除去微鏡表面的可見光光學窗,然后再安裝紅外光學窗,以保證所有微鏡在紅外波段內的有效性。(2)探測器積分時間與度等級的關系將DMD應用于紅外場景投影和探測器測試所引起的最大問題是由于PWM所導致的短暫假信號和抖動。DMD是一種二元(非“開”即“關”)器件,在標準的DLP系統(tǒng)中,投影圖像灰度等級的控制采用二進制脈寬調制技術(PWM),具有長積分時間的探測器(相對于微鏡的開關速度而言)可以察覺到微鏡像素的灰度等級,即對應于微鏡處于“開”態(tài)所占的時間比例。在標準的單片DMD系統(tǒng)中,PWM結合彩色輪產(chǎn)生各種顏色。然而,在紅外場景投影中,DMD的PWM調制如果不與探測器積分時間同步,就會導致短暫假信號與抖動問題。這個問題在一個焦平面陣列(FocalPlaneArray,FPA)的卷積積分探測器中表現(xiàn)得尤為嚴重。為此,必須設計完全可編程的專用時序控制電路,驅動DMD與FPA積分時間同步。(3)視頻接口模塊HWIL要求計算機場景生成器能夠實時輸出低延時、高幀頻和高分辨率的動態(tài)場景,因此,投影系統(tǒng)必須具備低延時、高幀頻和高分辨率的特點才具有實際意義。微鏡陣列投影系統(tǒng)具有兩個DVI視頻接口,對于每個最小化傳輸差分信號鏈路,每個接口支持24位視頻輸入,速度高達1.65×108pixel/s。當輸入未壓縮的SXGA格式的DVI視頻信號時,微鏡陣列投影系統(tǒng)的最大幀頻可達239Hz。視頻接口實現(xiàn)了完全可編程設計,以支持其他格式和幀頻的視頻輸入。例如,它同樣支持幀頻為690Hz,分辨率為1024×768的8位視頻信號輸入。微鏡陣列同樣支持DVP2、RGB-HV、NTSC/PAL以及S-Video視頻格式的輸入,在將視頻信號輸入投影頭之前,利用支撐電路將以上視頻格式轉換為DVI視頻。支撐電路的設計除了要求滿足低延時特性外,還要求整幅圖像同時更新(即以快照模式更新)。(4)輸出光的要求為了支持紅外探測器