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）

1 引 言

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。

2 DMD成像特點(diǎn)

2.1 DMD工作原理

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］。

2.2 脈沖寬度調(diào)制

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。灰度調(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

3 幀頻匹配分析

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。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

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。

5 結(jié) 論

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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