吳軍輝,許振領(lǐng),王 敏,李 慧,王重陽(yáng),蘇振強(qiáng)

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 471003)

1 引 言

DMD體制的紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器(簡(jiǎn)稱“場(chǎng)景產(chǎn)生器”)已普遍應(yīng)用于紅外成像制導(dǎo)半實(shí)物仿真[1-3]。但制導(dǎo)仿真和制導(dǎo)對(duì)抗仿真對(duì)場(chǎng)景產(chǎn)生器的要求不同,在制導(dǎo)仿真中,紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器與五軸轉(zhuǎn)臺(tái)(外兩軸)一起,主要用于模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性,而制導(dǎo)對(duì)抗仿真的重點(diǎn)是場(chǎng)景紅外輻射特性仿真,一方面對(duì)場(chǎng)景產(chǎn)生器的溫度分辨率、空間分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、均勻性等性能有更高要求；另一方面,在應(yīng)用中,對(duì)工作參數(shù)設(shè)置、標(biāo)定、紅外輻射亮度圖像轉(zhuǎn)換為紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換模型等有特殊要求。因此,紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器在紅外成像制導(dǎo)對(duì)抗半實(shí)物仿真中的應(yīng)用還處于起步階段,一些應(yīng)用方面技術(shù)問題需進(jìn)行研究。本文討論紅外成像制導(dǎo)對(duì)抗仿真中雙DMD紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器應(yīng)用有關(guān)技術(shù)問題。

本文需用到積分紅外輻射量(如亮度、功率、能量等),其定義為:設(shè)導(dǎo)引頭峰值光譜響應(yīng)率為R0,歸一化光譜響應(yīng)率為Rn(λ),則積分紅外輻射量X計(jì)算公式(Xλ為光譜紅外輻射量)為:

(1)

2 雙DMD紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器工作原理

雙DMD紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器主要由A路DMD組件、B路DMD組件、光路合束器件、投射光學(xué)系統(tǒng)等組成,其中DMD組件主要由DMD器件、照明黑體、背景黑體、驅(qū)動(dòng)控制電路、結(jié)構(gòu)件等組成,B路DMD組件的照明黑體工作溫度指標(biāo)高于A路。DMD器件是一個(gè)半導(dǎo)體光空間分布調(diào)制器,采用鋁濺射工藝在半導(dǎo)體硅片上生成微米量級(jí)的方形微鏡面(反射面),數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的微鏡面用鉸鏈結(jié)構(gòu)在硅片襯托的CMOS存儲(chǔ)器芯片上建造微鏡面陣列[4-6]。工作時(shí),微鏡面由靜電驅(qū)動(dòng)在“開態(tài)”(反射照明黑體輻射)、“關(guān)態(tài)”(反射背景黑體輻射)間進(jìn)行偏轉(zhuǎn)狀態(tài)切換,不工作時(shí),微鏡面處于“平態(tài)”,如圖1所示。

圖1 DMD器件微鏡面多態(tài)原理示意圖

場(chǎng)景產(chǎn)生器紅外紅外輻射投射及導(dǎo)引頭探測(cè)方程(場(chǎng)景產(chǎn)生器驅(qū)動(dòng)信號(hào)為均勻灰度圖像)為:

單路工作時(shí),場(chǎng)景產(chǎn)生器投射的紅外光譜輻射亮度Lλ近似用公式(2)表示:

Lλ=ζEHλtH/τ+ζELλ(τ-tH)/τ+L0λ

=ζ(EHλ-ELλ)η+ζELλ+L0λ

(2)

式中,τ為導(dǎo)引頭探測(cè)器積分時(shí)間；EHλ,ELλ分別為DMD每個(gè)微鏡面“開態(tài)”、“關(guān)態(tài)”時(shí)反射照明黑體、背景黑體的紅外光譜輻射功率；L0λ為場(chǎng)景產(chǎn)生器背景紅外光譜輻射亮度,主要由DMD襯底輻射、場(chǎng)景產(chǎn)生器光學(xué)系統(tǒng)輻射及內(nèi)部結(jié)構(gòu)件散射、輻射貢獻(xiàn)；η為調(diào)制時(shí)間占比,其值等于tH/τ,且與驅(qū)動(dòng)信號(hào)灰度值成正比；ζ為固定系數(shù),大小由微鏡面尺寸、占空比和場(chǎng)景產(chǎn)生器光學(xué)透光率等決定。

導(dǎo)引頭在線性工作區(qū)內(nèi),探測(cè)輸出的灰度圖像灰度值d為:

d=R0Ln+b

=ζ(EHn-ELn)ηR0+ζELnR0+L0nR0+b

(3)

式中,Ln,EHn,ELn,L0n分別為L(zhǎng)λ,EHλ,ELλ,L0λ的積分輻射量；R0,b分別為導(dǎo)引頭峰值光譜響應(yīng)率和輸出的本底灰度值。

雙路工作時(shí),導(dǎo)引頭探測(cè)輸出的灰度圖像灰度值d為:

d=[ζA(EHnA-ELnA)ηA+ζB(EHnB-ELnB)ηB]·

R0+(ζAELnA+ζBELnB)R0+L0nABR0+b

(4)

式中,下標(biāo)A、B分別為A路、B路的相應(yīng)參數(shù)；L0nAB為場(chǎng)景產(chǎn)生器雙路工作時(shí)的背景積分輻射亮度。

3 紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器應(yīng)用有關(guān)要求及其實(shí)現(xiàn)措施

在紅外成制導(dǎo)對(duì)抗仿真中,必須采取措施,保證紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器的應(yīng)用滿足以下4個(gè)方面的要求。

3.1 紅外輻射信號(hào)能量特性逼真模擬

在場(chǎng)景積分紅外輻射亮度保真仿真區(qū)內(nèi),導(dǎo)引頭探測(cè)輸出的灰度圖像任意兩像元r1、r2的灰度值應(yīng)滿足公式(5)要求:

d(r2)-d(r1)=R0[Li,j(r2)-Li,j(r1)]

(5)

由公式(3)、(5)可得公式(6):

η=(Li,j-Ld)/(ζEHn-ζELn)

(6)

式中,Ld為一次制導(dǎo)對(duì)抗仿真過(guò)程中場(chǎng)景積分紅外輻射亮度基礎(chǔ)值,不大于場(chǎng)景積分紅外輻射亮度的最小值,并且積分紅外輻射亮度為L(zhǎng)d時(shí),場(chǎng)景產(chǎn)生器微鏡面調(diào)制時(shí)間占比η為0。

由公式(6)可見,η與(Li,j-Ld)為正比關(guān)系,與Li,j為線性關(guān)系。

(7)

(8)

通過(guò)將場(chǎng)景產(chǎn)生器照明黑體工作溫度設(shè)置為合適值,對(duì)場(chǎng)景產(chǎn)生器進(jìn)行精確標(biāo)定,采用正確的場(chǎng)景積分紅外輻射亮度-驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換模型等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)上述要求。

3.2 導(dǎo)引頭工作在線性區(qū),且探測(cè)輸出的灰度圖像基礎(chǔ)灰度值最小化

在場(chǎng)景積分紅外輻射亮度保真仿真區(qū)內(nèi),紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器投射的紅外輻射應(yīng)在導(dǎo)引頭線性響應(yīng)范圍內(nèi),且導(dǎo)引頭探測(cè)輸出灰度圖像的基礎(chǔ)灰度值(即:一次制導(dǎo)對(duì)抗仿真過(guò)程導(dǎo)引頭探測(cè)輸出的灰度圖像的最小灰度值)最大限度地降到最小。

由公式(3)和(6),可得基礎(chǔ)灰度為db:

db=-LdR0+ζELnτR0+L0nR0+b

(9)

根據(jù)公式(9),降低基礎(chǔ)灰度值的主要方法措施為:一是場(chǎng)景積分紅外輻射亮度基礎(chǔ)值Ld取值盡量觸頂；二是紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器背景黑體工作溫度盡量降低；三是場(chǎng)景產(chǎn)生器內(nèi)部采用有效的隔熱和散熱措施,避免照明黑體熱量因傳導(dǎo)等方式導(dǎo)致場(chǎng)景產(chǎn)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)件和光學(xué)系統(tǒng)升溫,必要時(shí)采取控溫降溫措施,同時(shí),光路設(shè)計(jì)要避免照明黑體輻射經(jīng)內(nèi)部表面散射進(jìn)入導(dǎo)引頭。

3.3 紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器量化動(dòng)態(tài)范圍充分利用

設(shè)紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器最大調(diào)制時(shí)間分辨率trmin,則紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器量化動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到8 bit以上的前提是需要滿足公式(10):

τ/trmin≥255

(10)

增加導(dǎo)引頭探測(cè)器積分時(shí)間,或提升場(chǎng)景產(chǎn)生器最大調(diào)制時(shí)間分辨率性能,有利于更充分的利用紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器量化動(dòng)態(tài)范圍。紅外導(dǎo)引頭探測(cè)器積分時(shí)間調(diào)節(jié)范圍是有限的,特別是長(zhǎng)波紅外導(dǎo)引頭探測(cè)器積分時(shí)間小,而且使用時(shí)增大積分時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器飽和或遠(yuǎn)離線性工作區(qū),因此,DMD場(chǎng)景產(chǎn)生器一般用于中波紅外成像制導(dǎo)對(duì)抗仿真。目前DMD場(chǎng)景產(chǎn)生器還不適合具有積分時(shí)間自適應(yīng)動(dòng)態(tài)改變功能的導(dǎo)引頭的相關(guān)仿真試驗(yàn)。

另外,還需要保證場(chǎng)景產(chǎn)生器與導(dǎo)引頭嚴(yán)格的幀同步,需要將照明黑體工作溫度設(shè)置為合適值,工作溫度偏高,實(shí)際使用場(chǎng)景產(chǎn)生器量化動(dòng)態(tài)范圍,而工作溫度偏低,又滿足不了場(chǎng)景積分紅外輻射亮度模擬動(dòng)態(tài)范圍要求。

3.4 強(qiáng)輻射干擾效應(yīng)等效模擬

強(qiáng)輻射干擾(激光干擾、陽(yáng)光、高溫紅外誘餌等)對(duì)導(dǎo)引頭的干擾會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)信號(hào)、飽和、串?dāng)_、致眩、致盲等效應(yīng),在制導(dǎo)對(duì)抗仿真中,要保證導(dǎo)引頭探測(cè)到的干擾圖像等效,等效的原則是對(duì)導(dǎo)引頭圖像信息處理結(jié)果的影響可以接受。導(dǎo)引頭探測(cè)輸出的灰度圖像中,較大灰度值可以等效對(duì)應(yīng)強(qiáng)信號(hào)干擾效應(yīng),接近飽和灰度值可以等效對(duì)應(yīng)飽和、致眩、致盲干擾效應(yīng),正常灰度值、較大灰度值或接近飽和灰度值區(qū)域可以等效對(duì)應(yīng)不同程度的串?dāng)_等效。通過(guò)在紅外圖像仿真中采用合適的強(qiáng)輻射干擾效應(yīng)仿真方法與模型,場(chǎng)景產(chǎn)生器工作參數(shù)(特別是照明黑體工作溫度)設(shè)置為合適值,以及采用正確的場(chǎng)景積分紅外輻射亮度-驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換模型等措施實(shí)現(xiàn)這一要求。

4 雙DMD紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器工作參數(shù)設(shè)置與標(biāo)定

4.1 工作參數(shù)設(shè)置

在每次制導(dǎo)對(duì)抗仿真前,需要設(shè)置或確認(rèn)紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器調(diào)制時(shí)間分辨率tr、背景黑體工作溫度和照明黑體工作溫度等工作參數(shù)。

4.1.1 調(diào)制時(shí)間分辨率tr設(shè)置

紅外導(dǎo)引頭探測(cè)器積分時(shí)間τ確定后,調(diào)制時(shí)間分辨率tr一般設(shè)置為τ/255(τ/trmin≥255情況),或者為trmin(τ/trmin≤255情況)。tr確定后,場(chǎng)景產(chǎn)生器驅(qū)動(dòng)信號(hào)量化等級(jí)Cr為(floor()為取整函數(shù)):

Cr=floor(τ/tr)

(11)

4.1.2 黑體工作溫度

背景黑體工作溫度最大限度地設(shè)置為最低,至少應(yīng)低于仿真試驗(yàn)工作環(huán)境溫度5～10 ℃。照明黑體工作溫度與場(chǎng)景積分紅外輻射模擬要求及場(chǎng)景積分紅外輻射亮度-驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換模型有關(guān),設(shè)置方法與步驟在第5節(jié)闡述。

4.2 場(chǎng)景產(chǎn)生器標(biāo)定

采用被試或配試導(dǎo)引頭直接對(duì)場(chǎng)景產(chǎn)生器進(jìn)行標(biāo)定。相比采用標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜輻射計(jì)標(biāo)定,采用被試或配試導(dǎo)引頭標(biāo)定,可減少中間環(huán)節(jié)誤差,省去相關(guān)修正模型,簡(jiǎn)化照明黑體工作溫度設(shè)置方法步驟。標(biāo)定工作在場(chǎng)景產(chǎn)生器和導(dǎo)引頭的工作參數(shù)固定后進(jìn)行。

4.2.1 單路(一般為A路)工作模式

以灰度值為ei的均勻圖像為場(chǎng)景產(chǎn)生器驅(qū)動(dòng)信號(hào),采集導(dǎo)引頭探測(cè)輸出的灰度圖像灰度值di。其中,i=1,2,…,K,e1=0,eK=Cr?；?di,ei),擬合得到d=g(e)標(biāo)定函數(shù)。

4.2.2 雙路工作模式

5 場(chǎng)景輻射亮度圖像與驅(qū)動(dòng)灰度圖像轉(zhuǎn)換模型

5.1 單路工作模式轉(zhuǎn)換模型

5.1.1 通用三段轉(zhuǎn)換模型及其用例

把一次制導(dǎo)對(duì)抗仿真過(guò)程場(chǎng)景積分紅外輻射亮度分布范圍[Ld,Lu]劃分3個(gè)區(qū)間,區(qū)間1、2、3的積分紅外輻射亮度區(qū)間分別是[Ld,L1]、[L1,L2]和[L2,Lu],Ld為積分紅外輻射亮度下限值,不大于一次制導(dǎo)對(duì)抗仿真過(guò)程仿真生成的積分紅外輻射亮度圖像最小亮度值,Lu為積分紅外輻射亮度上限值,不小于一次制導(dǎo)對(duì)抗仿真過(guò)程仿真生成的積分紅外輻射亮度圖像最大亮度值。區(qū)間2采用場(chǎng)景積分紅外輻射亮度保真仿真轉(zhuǎn)換模型,區(qū)間1、3采用d與L線性關(guān)系轉(zhuǎn)換模型。

設(shè)積分紅外輻射亮度為L(zhǎng)d、L1、L2、Lu的均勻圖像時(shí),對(duì)應(yīng)場(chǎng)景產(chǎn)生器驅(qū)動(dòng)信號(hào)灰度值分別為0、e1、e2和Cr,導(dǎo)引頭探測(cè)輸出的灰度圖像灰度值分別為dd、d1、d2和du,且dd=g(0)、du=g(Cr),則:

區(qū)間1轉(zhuǎn)換模型為公式(12):

ei,j=

g-1((Li,j-Ld)(d1-dd)/(L1-Ld)+dd)

(12)

區(qū)間2轉(zhuǎn)換模型為公式(13)或(14):

(Li,j-L1)R0=g(ei,j)-d1

(13)

ei,j=g-1((Li,j-L1)R0+d1)

(14)

區(qū)間3轉(zhuǎn)換模型為公式(15):

ei,j=

g-1((Li,j-L2)(du-d2)/(Lu-L2)+d2)

(15)

式中,g(),g-1()分別為單路工作模式場(chǎng)景產(chǎn)生器標(biāo)定函數(shù)和標(biāo)定函數(shù)逆函數(shù)。Ld,L1,L2,Lu和e1,e2和Cr在仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段確定,dd,d1,d2和du在場(chǎng)景產(chǎn)生器照明黑體工作溫度確定后,由被試或配試導(dǎo)引頭探測(cè)得到。

通用三段轉(zhuǎn)換模型有5種用例:

用例1:完整三段轉(zhuǎn)換模型。該用例主要用來(lái)保證場(chǎng)景積分紅外輻射亮度關(guān)注區(qū)保真仿真,避免不受關(guān)注的場(chǎng)景積分紅外輻射亮度暗區(qū)和亮區(qū)占用場(chǎng)景產(chǎn)生器過(guò)多動(dòng)態(tài)范圍。

用例2:單段保真轉(zhuǎn)換模型。當(dāng)L1=Ld,L2=Lu；e1=0,e2=Cr；d1=dd,d2=du時(shí),通用三段轉(zhuǎn)換模型簡(jiǎn)化為單段保真轉(zhuǎn)換模型。若場(chǎng)景積分紅外輻射亮度在[Ld,Lu]范圍內(nèi)分布比較均勻,且需要進(jìn)行全部保真仿真,采用單段保真轉(zhuǎn)換模型。

用例3:前兩段轉(zhuǎn)換模型。當(dāng)L2=Lu,e2=Cr,d2=du時(shí),通用三段轉(zhuǎn)換模型簡(jiǎn)化為前兩段轉(zhuǎn)換模型。該用例主要用于避免不受關(guān)注的場(chǎng)景積分紅外輻射亮度暗區(qū)占用場(chǎng)景產(chǎn)生器過(guò)多動(dòng)態(tài)范圍。

用例4:后兩段轉(zhuǎn)換模型。當(dāng)L1=Ld,e1=0,d1=dd時(shí),通用三段轉(zhuǎn)換模型簡(jiǎn)化為后兩段轉(zhuǎn)換模型。該用例主要用于避免不受關(guān)注的場(chǎng)景積分紅外輻射亮度亮區(qū)占用場(chǎng)景產(chǎn)生器過(guò)多動(dòng)態(tài)范圍。

用例5:單段線性轉(zhuǎn)換模型。當(dāng)L1=L2=Ld,e1=e2=0,d1=d2=dd時(shí),三段轉(zhuǎn)換模型簡(jiǎn)化為單段線性轉(zhuǎn)換模型。該用例主要在雙路工作模式下B路的轉(zhuǎn)換模型。

5.1.2 單路工作模式轉(zhuǎn)換模型用例及照明黑體工作溫度設(shè)置方法步驟

單路工作模式下,在一次制導(dǎo)對(duì)抗仿真中,需根據(jù)場(chǎng)景積分輻射亮度值分布情況,選擇用例1～4中的一種轉(zhuǎn)換模型用例。

單路工作模式下,照明黑體工作溫度設(shè)置方法與步驟如下:

① 確定導(dǎo)引頭探測(cè)輸出的灰度圖像灰度值誤差容限Δd2y；

② 導(dǎo)引頭與紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器開機(jī)工作,完成好對(duì)接；

③ 將照明黑體工作溫度設(shè)置為TH并穩(wěn)定工作；

⑤ 判斷照明黑體工作溫度TH是否合適:

5.2 雙路工作模式轉(zhuǎn)換模型

(16)

(17)

雙路工作模式下,A路可采用單段保真轉(zhuǎn)換模型或前兩段轉(zhuǎn)換模型用例,B路可采用單段保真轉(zhuǎn)換模型、后兩段轉(zhuǎn)換模型或單段線性轉(zhuǎn)換模型用例。當(dāng)場(chǎng)景中沒有強(qiáng)輻射干擾信號(hào)時(shí),B路采用單段保真轉(zhuǎn)換模型或后兩段轉(zhuǎn)換模型用例；當(dāng)場(chǎng)景中含有強(qiáng)輻射干擾信號(hào)時(shí),B路采用單段線性轉(zhuǎn)換模型用例,用來(lái)等效模擬強(qiáng)輻射干擾的紅外輻射特性。

A路照明黑體工作溫度設(shè)置方法與步驟同單路工作模式,設(shè)置過(guò)程中,B路驅(qū)動(dòng)信號(hào)為灰度值為0的均勻圖像。

B路采用單段保真轉(zhuǎn)換模型或后兩段轉(zhuǎn)換模型用例時(shí),照明黑體工作溫度設(shè)置方法與步驟同單路工作模式,設(shè)置過(guò)程中,A路驅(qū)動(dòng)信號(hào)為灰度值為Cr的均勻圖像。

B路采用單段線性轉(zhuǎn)換模型用例時(shí),照明黑體工作溫度設(shè)置方法為:當(dāng)A路和B路驅(qū)動(dòng)圖像均為灰度值為Cr的均勻圖像時(shí),導(dǎo)引頭探測(cè)輸出的灰度圖像灰度值應(yīng)不小于預(yù)設(shè)值dmax,且導(dǎo)引頭未達(dá)到飽和,或接近飽和但無(wú)串?dāng)_。

6 結(jié) 語(yǔ)

DMD(特別是雙DMD)紅外場(chǎng)景產(chǎn)生器用于紅外成像制導(dǎo)對(duì)抗半實(shí)物仿真還處于初步階段,為更好滿足仿真精度和逼真度要求,在應(yīng)用中如何發(fā)揮好場(chǎng)景產(chǎn)生器使用效能,也是值得進(jìn)一步深入研究的問題?？傮w上,場(chǎng)景產(chǎn)生器的性能還沒有達(dá)到完全滿足制導(dǎo)對(duì)抗仿真對(duì)場(chǎng)景紅外輻射特性模擬的要求,難以兼顧強(qiáng)輻射干擾(如激光干擾)和目標(biāo)背景紅外特性的逼真模擬,因此,本人主張紅外成像制導(dǎo)對(duì)抗仿真應(yīng)采用注入式(仿真生成的包含目標(biāo)、背景、干擾、大氣、光電成像傳感器等要素的數(shù)字圖像注入到導(dǎo)引頭圖像信息處理機(jī))為主、輻射式為輔的方法。