何永強(qiáng),唐德帥,耿 達(dá),元 雄
(軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系,河北 石家莊 050003)
目前,紅外場(chǎng)景仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種半實(shí)物仿真系統(tǒng)。由于其紅外圖像生成原理的不同可以分為兩種類型,即直接輻射型和輻射調(diào)制型,采用的主要技術(shù)有:電阻陣列、光二極管陣列、Bly Cell、液晶光閥、DMD 等[1]。其中,基于DMD的紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)以其高圖像分辨率、高光效效率以及全數(shù)字化控制等優(yōu)勢(shì)得到越來(lái)越多的重視和應(yīng)用。它以光源溫度可調(diào)、顯示幀頻可調(diào)等特點(diǎn)可以適用于多種凝視型紅外探測(cè)設(shè)備。
紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)的最終目的是投影出感興趣的紅外目標(biāo)和背景信息,為紅外成像設(shè)備提供信息源。由于DMD的工作特點(diǎn)是通過(guò)脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)每幀圖像的完整顯示,使其只適用于凝視型紅外探測(cè)設(shè)備,并且要求探測(cè)器的積分時(shí)間與DMD顯示幀頻相匹配才能達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果,否則會(huì)出現(xiàn)圖像混淆現(xiàn)象。分析DMD成像特點(diǎn),對(duì)于靜態(tài)場(chǎng)景仿真,只要滿足探測(cè)器積分時(shí)間達(dá)到DMD顯示時(shí)間的整數(shù)倍即可有效避免圖像混淆的發(fā)生,利用一套顯示幀頻可調(diào)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)與積分時(shí)間可調(diào)的近紅外探測(cè)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了理論分析結(jié)論。
美國(guó)德州儀器(TI)公司研制出的DMD器件是DLP顯示系統(tǒng)的核心器件,它是由一組二維的鋁合金微鏡陣列組成,每個(gè)微鏡對(duì)應(yīng)圖像中的一個(gè)像素,通過(guò)控制這些微鏡快速、獨(dú)立的翻轉(zhuǎn),改變光源的反射線,實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。如圖1[2]所示,采用電子顯微鏡拍下的DMD微鏡陣列,在圖中可以看出每個(gè)微鏡翻轉(zhuǎn)的角度不同,在此時(shí)的狀態(tài)也不相同。
圖1 DMD微鏡陣列顯微照片F(xiàn)ig.1 Micrograph of micro lens of DMD
如圖2所示,DMD微反射鏡的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)主要包括CMOS、各種電極、鉸鏈和鏡片幾個(gè)主要部分。
圖2 單個(gè)微鏡片的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of single lens
DMD作為一種數(shù)字光調(diào)制開(kāi)關(guān),它具有快速和反射式兩個(gè)特點(diǎn)。它通過(guò)控制微鏡片快速地不斷翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)圖像顯示。目前,微鏡片的翻轉(zhuǎn)角度可達(dá)到±12°,當(dāng)DMD芯片中的CMOS接收到二進(jìn)制位時(shí)間為“1”時(shí),鏡片偏轉(zhuǎn)到+12°,此時(shí)光源的反射光線幾乎都投影到屏幕上,對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)呈亮態(tài)。相反當(dāng)二進(jìn)制位時(shí)間為“0”時(shí),微鏡片偏轉(zhuǎn)到-12°,此時(shí)光源的反射光線偏離了屏幕,對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)呈暗態(tài)。因此,DMD是通過(guò)控制其鏡片翻轉(zhuǎn)的角度從而控制每個(gè)像素的亮、暗,實(shí)現(xiàn)一幅完整圖像的顯示[3]。
用于紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)的DMD顯示過(guò)程需要進(jìn)行灰度調(diào)制,以實(shí)現(xiàn)不同像素灰度級(jí)的圖像顯示?;叶日{(diào)制主要包括3種方法,分別是空間灰度調(diào)制方法、幀灰度調(diào)制方法和脈沖寬度調(diào)制方法。前二者在應(yīng)用中存在一些缺陷,比如,空間灰度調(diào)制方法隨著圖像灰度等級(jí)的提高,其分辨率也在下降,幀灰度調(diào)制方法在提高幀頻時(shí)會(huì)與DMD視頻處理電路的響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生矛盾。由于脈寬調(diào)制方法不會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題,因此系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制技術(shù)[4]。
脈寬調(diào)制的原理是將每幀圖像的時(shí)間根據(jù)圖像的位數(shù)分成若干份,稱為位時(shí)間或子幀時(shí)間。以4bit灰度圖像為例,圖像可以產(chǎn)生24個(gè)灰度等級(jí),一幀圖像根據(jù)每位的二進(jìn)制權(quán)值20、21、22、23被分成4份,從最低位到最高位的位時(shí)間依次占總時(shí)間的1/15、2/15、4/15、8/15。如圖3所示,當(dāng)一幀圖像的灰度等級(jí)為10時(shí),二進(jìn)制數(shù)表示為1010,在DMD微鏡片上,高電平時(shí)鏡片偏轉(zhuǎn)+12°,低電平時(shí)鏡片偏轉(zhuǎn)-12°,對(duì)應(yīng)的鏡片亮態(tài)的時(shí)間占顯示一幀圖像時(shí)間的10/15。
圖3 二進(jìn)制脈沖寬度調(diào)制示意圖Fig.3 Modulate of binary digit pulse extent
圖4為通過(guò)示波器測(cè)量得到的DMD仿真系統(tǒng)幀同步信號(hào)與位同步信號(hào),系統(tǒng)顯示8bit灰度圖像。由圖可見(jiàn),在顯示一幀圖像過(guò)程中,系統(tǒng)分為8個(gè)子幀來(lái)實(shí)現(xiàn)8位灰度信息,每一子幀的顯示時(shí)間與其權(quán)值成正比。
圖4 仿真系統(tǒng)幀同步與位同步信號(hào)Fig.4 Frame-sync and bit-sync signal of simulation system
由DMD成像特點(diǎn)可知,DMD顯示過(guò)程是全像素、全時(shí)域顯示,對(duì)于掃描型紅外探測(cè)器而言,在其掃描過(guò)程中,會(huì)漏掉部分圖像信息,使得圖像探測(cè)不完整,影響仿真效果,所以基于DMD的紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)只適用于凝視型紅外探測(cè)設(shè)備,并且需要協(xié)調(diào)積分與顯示的時(shí)間同步,這是場(chǎng)景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的一個(gè)問(wèn)題,傳統(tǒng)的解決方法是通過(guò)從探測(cè)器引出一路同步信號(hào),外接到DMD顯示控制電路,同時(shí)調(diào)整DMD顯示幀頻,使探測(cè)器曝光時(shí)間與DMD顯示完全同步,才能有效避免圖像混淆[5-8]。圖5為經(jīng)同步信號(hào)調(diào)整后的成像示意圖,仍以4bit灰度圖像為例。其中上半部分為探測(cè)器的幀同步信號(hào),每探測(cè)一幀圖像,輸出一個(gè)同步信號(hào),下半部分為經(jīng)同步信號(hào)調(diào)整以后,在每一個(gè)探測(cè)器的積分周期里,DMD顯示一幀圖像信息的位同步信號(hào)。經(jīng)同步信號(hào)調(diào)整之后,探測(cè)器積分時(shí)間與DMD顯示實(shí)現(xiàn)匹配,得到清晰完整的圖像。
圖5 加載同步信號(hào)的成像示意圖Fig.5 Imaging sketch map with sync-signal
外接同步信號(hào)的缺點(diǎn)是需要對(duì)紅外探測(cè)設(shè)備進(jìn)行電路分析和改動(dòng),以便同步信號(hào)引出,且需要接入DMD顯示控制電路,不利于場(chǎng)景仿真系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。
對(duì)于顯示靜態(tài)圖像來(lái)說(shuō),因?yàn)樵诓煌e分時(shí)間里顯示的內(nèi)容相同,使得其對(duì)同步的要求要比顯示動(dòng)態(tài)圖像較低,只要探測(cè)器積分時(shí)間與DMD顯示時(shí)間滿足一定的關(guān)系即可,其成像示意圖如圖6所示。
圖6 未加載同步信號(hào)的成像示意圖Fig.6 Imaging sketch map without sync-signal
圖6(a)為未加載同步信號(hào)情況下積分時(shí)間與顯示時(shí)間相等時(shí)的成像示意圖,通過(guò)與圖5比較可以發(fā)現(xiàn),雖然沒(méi)有同步加載同步信號(hào),但是在探測(cè)器的一個(gè)積分周期里,探測(cè)到的DMD顯示內(nèi)容是相同的,只不過(guò)不是從第一位信息開(kāi)始探測(cè)而已,但并不影響成像效果。圖6(b)為未加載同步信號(hào)情況下積分時(shí)間是顯示時(shí)間2倍時(shí)的成像示意圖,雖然沒(méi)有加載同步信號(hào),但是在探測(cè)器的一個(gè)積分周期里,探測(cè)到2次DMD的顯示內(nèi)容,輸出一副圖像,仍然可以完整成像,同理,當(dāng)探測(cè)器積分時(shí)間為DMD顯示時(shí)間2倍以上的整數(shù)倍時(shí),亦可得到完整的圖像。
通過(guò)上述分析可知,在場(chǎng)景仿真系統(tǒng)顯示靜態(tài)場(chǎng)景時(shí),不需要外接探測(cè)器的同步信號(hào),只要滿足探測(cè)器積分時(shí)間達(dá)到DMD顯示時(shí)間的整數(shù)倍,即可實(shí)現(xiàn)圖像的清晰完整顯示。
普通商用DMD芯片由于其使用范圍主要集中在可見(jiàn)光波段,其上表面的保護(hù)窗口限制了透光性能,只透過(guò)可見(jiàn)光及近紅外光波,對(duì)其他波段光波進(jìn)行了屏蔽。為了驗(yàn)證探測(cè)器積分時(shí)間與DMD顯示不同步出現(xiàn)的圖像混淆,采用國(guó)產(chǎn)In-GaAs短波紅外相機(jī)作為探測(cè)設(shè)備,一套顯示幀頻可調(diào)的DMD開(kāi)發(fā)套件作為場(chǎng)景仿真設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
國(guó)產(chǎn)InGaAs短波紅外相機(jī)具有高靈敏度、高性噪比、增益可調(diào)、積分時(shí)間可調(diào)等特點(diǎn),光譜響應(yīng)范圍為900~1700nm,積分時(shí)間在0.8~200ms范圍可調(diào),探測(cè)器像元為320×256,像元間距為30μm。DMD開(kāi)發(fā)套件選用0.7”XGA(1024×768)分辨率格式 DMD芯片,顯示幀頻在1~100Hz范圍可調(diào)。
設(shè)置探測(cè)器積分時(shí)間為20ms,調(diào)節(jié)DMD顯示幀頻,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。
圖7 積分時(shí)間為20ms時(shí)的DMD圖像Fig.7 Experiment images of DMD at 20ms
圖8 積分時(shí)間為40ms時(shí)的DMD圖像Fig.8 Experiment images of DMD at 40ms
由圖7可以看出,DMD顯示時(shí)間為10ms和20ms時(shí),圖像內(nèi)容清晰、穩(wěn)定、不閃爍,而顯示時(shí)間為12.5ms和25ms時(shí),圖像明顯出現(xiàn)混淆現(xiàn)象,可見(jiàn),探測(cè)器曝光時(shí)間與DMD顯示幀頻匹配具有必要性。比較(a)和(c)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有明顯區(qū)別,證明探測(cè)器曝光時(shí)間與DMD顯示幀頻并不需要完全同步,只要滿足一定規(guī)律即可,為了驗(yàn)證其規(guī)律,進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。
設(shè)置探測(cè)器積分時(shí)間為40ms,DMD顯示幀頻變化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。
分析圖8,發(fā)現(xiàn)只要滿足探測(cè)器積分時(shí)間是DMD顯示時(shí)間的整數(shù)倍時(shí),不需要外接同步信號(hào),就可以得到清晰的圖像,當(dāng)不滿足整數(shù)倍時(shí)就會(huì)出現(xiàn)圖像混淆現(xiàn)象。
對(duì)基于DMD的紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)需要滿足幀頻匹配條件在很多學(xué)者的研究文章中都有提及,傳統(tǒng)的解決方法是通過(guò)從探測(cè)器引出一路同步信號(hào),外接到DMD顯示控制電路,同時(shí)調(diào)整DMD顯示幀頻,使探測(cè)器曝光時(shí)間與DMD顯示完全同步,才能有效避免圖像混淆。其缺點(diǎn)是需要對(duì)紅外探測(cè)設(shè)備進(jìn)行電路分析和改動(dòng),以便同步信號(hào)引出,且需要接入DMD顯示控制電路,不利于場(chǎng)景仿真系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。
通過(guò)對(duì)DMD成像特點(diǎn)的理論分析,以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得出對(duì)于靜態(tài)場(chǎng)景而言,只需滿足探測(cè)器積分時(shí)間達(dá)到DMD顯示時(shí)間的整數(shù)倍即可有效避免圖像混淆的發(fā)生,而不需要外接同步信號(hào),使得場(chǎng)景仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)變得容易,降低了工程難度,具有重要的實(shí)際意義。
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