航天测控DMD动态红外场景生成系统

耿直007

动态红外场景生成是红外成像导引头、前视红外（FLIR）系统、红外搜索与跟踪系统（IRST）、红外告警系统等各类红外探测系统的半实物仿真与动态性能指标测试中的关键技术。随着红外探测系统向高帧频、大动态范围、高分辩率的方向发展，对动态红外场景的模拟也提出了更高的要求，只有实现更高分辩率、更高帧频的动态红外场景模拟才能满足各类红外探测系统闭环半实物仿真及高可信动态指标测试的需要。　　动态红外场景生成技术广泛应用于红外武器装备的研发与测试试验中，国际上在各类制导武器装备仿真系统中已应用了多种动态红外场景生成技术。主要有：
　　1、红外液晶光阀：利用可见光调制液晶分子排列方向，改变液晶的二次折射率，使入射红外光的偏振矢量旋转，实现可见光到红外光的变换，具有极好的空间分辨率。但在帧频、温度和动态范围方面存在局限性。
　　2、红外CRT：工作原理与电视相近，利用阴极射线管的发光效应，在驱动电路的作用下，受视频信息调制的电子束扫描靶屏，并激励磷光体产生动态红外图像。红外CRT在提高帧频和减少闪烁方面还需要改进。
　　3、激光二极管阵列：由线列铅盐激光二极管、高速光学扫描仪和驱动电路组成，当激光管阵列的景象扫过带有焦平面阵列的传感器时，在每个探测器上产生相应的能量，从而产生红外景象。具有高帧频、无死像元、高分辨率、大幅面等优点，但空间均匀性和质量欠佳，而且需要大的杜瓦封装。
　　4、电阻阵列：基于黑体辐射理论，调整通过热电阻的电流就可以得到不同波段的红外辐射，优点是低功耗、温度范围大、高帧频、高分辨率、高占空比、无闪烁，但材料的物理特性限制了器件的响应时间，因此限制了帧频。在减小功耗的同时得到较大的温度辐射和较高的帧频，是电阻阵列发展中要解决的问题。
　　5、黑体薄膜：主要是一真空腔，内有一面镀有金黑的薄膜，吸收来自一侧图像的可见光辐射，引起薄膜发热，从另一侧输出对应的红外图像。具有结构简单，价格低廉的优点，缺点是响应速度慢，温度范围小，转换效率低。
　　6、数字微镜器件（DMD）：DMD动态红外景象投影技术是美国光学科学公司（OSC）研制的一种动态景象生成方法，称为微镜阵列投影系统（MAPS），其核心器件是Texas(TI)公司生产的数字微镜器件（DMD）。该技术是对红外辐射进行反射调制而得到红外景象，在可见和紫外光波段，利用这种投影技术也可以产生逼真的动态景象，具有高的空间分辨率，高帧频，无死像元、均匀性好、体积小、成本较低等特点。
　　基于数字微镜器件（DMD）动态红外场景生成的基本工作原理主要是由DMD半导体芯片完成。它的镜面由上百万个精微反射镜面组成的长方形阵列，每个镜面对应于投影画面中的一个光学像素。DMD像素单元主要由存储图像信号的存储单元、支撑微镜的支柱和转动铰链、镜架、反射镜，以及三个电极等组成微机械系统结构单元。底层之上为金属层，主要包括偏置/复位电极和镜架寻址电极，偏置/复位电极与微镜和镜架相连，并由片外驱动电路直接提供所需的电压和波形，其作用主要是减小驱动微镜所需的电压。镜架寻址电极和其上层的微镜寻址电极分别与图像信号存储单元互补的两个输出端相连，微镜与策镜寻址电极之间以及镜架与镜架寻址电极之间的合成静电引力来产生有效的静电扭矩，这时铰链产生的扭矩与静电扭矩作用相反，通过这两个扭矩的作用来控制微镜的转动。再上一层是DMD机械部分，由镜架、铰链和微镜寻址电极组成，固定在支柱上的转动铰链可带动镜架转动。最上层为反射微镜，它固定在镜架上，可随镜架一起转动。这种把微镜安装在镜架上，由镜架带动微镜一起转动的结构，可以大大增大微镜的面积，几乎覆盖整个单元，占空系数高达90%以上，从而提高入射光的使用效率，可以形成无缝、高对比度的图像。每个微反射镜都能将光线从两个方向反射出去，实际反射方向视底层记忆晶胞的状态而定，当记忆晶胞处于“ON”状态时，反向镜会旋转至+12度，若记忆晶胞处于“OFF”状态，反射镜会旋转至-12度。只要结合DMD以及适当光源和投影光学系统，反射镜就会把入射光反射进入或是离开投影镜头的透光孔，使得“ON”状态的反射镜看起来非常明亮，“OFF”状态的反射镜看起来就很黑暗。利用二位脉冲宽度调变可以得到灰阶效果，如果使用固定式或旋转式彩色滤镜，再搭配一颗或三颗DMD芯片，即可得到彩色显示效果。
　　北京航天测控技术开发公司研制的DMD动态红外场景生成系统由三个部分组成：一是红外热像投影仪，二是电源与视频控制组件，三是控制计算机。
　　1、红外热像投影仪：包括数字微镜器件、数字微镜驱动电路、黑体光源、黑体光源控制器、投影仪光学系统等。其工作原理为：由计算机生成的红外图像数据，通过视频处理电路和DMD驱动电路输入DMD器件；用黑体辐射源均匀照射器件，利用DMD反向调制入射辐射产生红外热图像。生成的红外景象通过光学准直投影系统投射到被测对象UUT的入瞳处，使红外景象与真实目标和背景在探测器上的像斑大小、辐射能量空间分布一致。红外热像投影仪的光源为红外黑体，红外投影仪光学系统由黑体前聚光镜、半透半反镜和准直投影系统等组成。
　　2、电源与视频转换组件功能：⑴为红外场景生成系统提供各种工作电源，如：为红外投影仪电子系统提供工作电源、为黑体光源提供工作电源等；⑵将控制计算机生成或外部输入的动态场景视频信号转换为DMD驱动电路可以接收的信号格式，根据被测红外探测系统的要求，程控改变视频同步信号的参数。
　　3、控制计算机：实现红外投影仪的运行参数的设定、实时红外热像视频信号生成、系统运行过程中的实时监控。控制计算机分别配置运行管理与监控软件、实时热像生成软件及相应的视频信号输出接口板。
　　航天测控DMD动态红外场景生成系统主要关键技术是：实现高帧频红外图象输出的同步驱动和实现紫外、可见光、红外多波段动态红外场景生成。
　　随着技术的进步，半实物仿真与动态性能测试将逐步覆盖光电探测系统全寿命周期，而动态场景的模拟将是高可信半实物仿真的关键。高帧频、高分辨率、同灰度分辨率、高表观温度和多波段的动态光电场景物理生成将在光电武器装备的研制、测试、评估中得到广泛应用。