肖文健，王彥斌，周旋風(fēng)，王振興

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室，河南 洛陽 471000)

0 引言

隨著半實物仿真技術(shù)的日益成熟，基于動態(tài)圖像仿真技術(shù)的復(fù)雜紅外成像設(shè)備半實物仿真試驗引起越來越多的關(guān)注[1]。紅外動態(tài)圖像生成裝置是紅外成像設(shè)備半實物仿真試驗系統(tǒng)的核心部件之一，為被測試的紅外成像設(shè)備提供紅外目標(biāo)和背景的圖像源，主要包括計算機圖像生成系統(tǒng)和紅外場景產(chǎn)生器兩部分，其中，計算機圖像生成系統(tǒng)基本是相同的，而紅外場景產(chǎn)生器則可以通過不同的技術(shù)手段來實現(xiàn)[2-4]。基于數(shù)字微鏡器件(Digital Micro-mirror Device，DMD)的紅外場景產(chǎn)生器以其高圖像分辨率、高幀頻、高穩(wěn)定性等特點，在紅外動態(tài)圖像轉(zhuǎn)換中得到廣泛應(yīng)用，一直是當(dāng)前研究的熱點[5]。

紅外場景產(chǎn)生器的作用是將計算機生成的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為紅外輻射場景，并投射至被測紅外成像設(shè)備，使其在半實物仿真試驗中所探測的場景與真實場景相一致。因此，其逼真度是其能夠被廣泛應(yīng)用的前提以及能夠進行系統(tǒng)可信度評估的基礎(chǔ)，這不僅要求場景的幾何形狀要逼真，還對場景的輻射能量逼真度有很高的要求[6-9]。對于DMD紅外場景產(chǎn)生器，影響其輻射能量范圍的外部唯一可設(shè)參數(shù)就是光源溫度，因此，保證其輻射逼真度的關(guān)鍵在于設(shè)置合適的光源溫度。由于設(shè)定光源溫度需要考慮的因素很復(fù)雜，難以用準(zhǔn)確的函數(shù)關(guān)系來描述，傳統(tǒng)在內(nèi)場仿真試驗中對于光源溫度的設(shè)定大多基于經(jīng)驗判斷和反復(fù)調(diào)試，而對其設(shè)定依據(jù)缺乏深入的研究[10]。文獻[11]提出一種基于被測裝備紅外探測器響應(yīng)范圍設(shè)定光源溫度的方法，采用該方法得到光源溫度可以保證DMD紅外場景產(chǎn)生器的輻射場景在紅外探測器中成像具有較高的對比度。然而對于復(fù)雜光電環(huán)境下的紅外成像設(shè)備半實物仿真試驗，更強調(diào)紅外場景產(chǎn)生器所仿真場景與真實場景一致，而不是強調(diào)其在紅外成像設(shè)備中的成像質(zhì)量，因此這種方法難以適用。

本文通過對DMD紅外場景產(chǎn)生器內(nèi)部紅外輻射傳輸規(guī)律的理論研究和實驗測試，提出一種光源溫度最優(yōu)值求解方法，并建立了光源溫度最優(yōu)值計算模型，利用該模型可依據(jù)所仿真場景的輻射范圍準(zhǔn)確計算出DMD紅外場景產(chǎn)生器中光源溫度設(shè)定的最優(yōu)值，為紅外成像類裝備內(nèi)場仿真試驗中光源溫度的設(shè)定提供依據(jù)。

1 紅外場景產(chǎn)生器出瞳輻射分析

根據(jù)DMD紅外場景產(chǎn)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，其光源輻射的傳遞過程可簡化等效為5個環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 光源輻射傳遞等效示意圖Fig.1 Equivalent diagram of light source radiation transfer

1)光源。DMD紅外場景產(chǎn)生器的光源通常采用黑體，光源溫度的控制精度以及黑體的實際發(fā)射率均會存在一定的誤差。

2)準(zhǔn)直系統(tǒng)損耗。光源輻射經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)時存在一定的能量損失。

3)DMD能量傳遞損耗。光源輻射出入DMD光學(xué)窗口時會存在一定的輻射能量損失；反射過程中微鏡材料也會吸收一部分輻射；相鄰兩個微鏡單元之間存在一定的縫隙，這也會影響DMD的能量利用效率。此外,考慮到微鏡單元的尺寸已經(jīng)接近中波或長波紅外的波長，在微鏡反射過程中將不可避免地引起衍射現(xiàn)象發(fā)生，同樣會對能量的傳輸產(chǎn)生一定的影響。

4)投影系統(tǒng)損耗。輻射經(jīng)過DMD反射后進入投影系統(tǒng)變?yōu)槠叫泄?，用來模擬來自遠(yuǎn)方的場景。與準(zhǔn)直系統(tǒng)類似，光源輻射經(jīng)過投影系統(tǒng)時也會存在一定的能量損失。

5)環(huán)境損耗。到達紅外成像設(shè)備入瞳處的輻射能量還有可能受紅外場景產(chǎn)生器與被測設(shè)備之間大氣透過率等測試環(huán)境的影響。這部分衰減由于作用距離很短可以忽略。

理想情況下，紅外場景產(chǎn)生器出瞳處的輻射亮度應(yīng)是一定溫度的黑體經(jīng)過紅外場景產(chǎn)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳輸之后的輻射量。而實際紅外場景產(chǎn)生器出瞳處的輻射量除來自于黑體外，還存在其他雜散輻射的影響，本文將這部分輻射統(tǒng)稱為背景輻射。

圖2為背景輻射傳遞等效示意圖。

圖2 背景輻射傳遞等效示意圖Fig.2 Equivalent diagram of background radiation transfer

背景輻射主要包括測試環(huán)境中的直接輻射、紅外場景產(chǎn)生器對環(huán)境輻射的反射、紅外場景產(chǎn)生器腔體內(nèi)壁輻射以及光學(xué)元器件輻射等除了光源輻射以外的其他紅外輻射[12]，可歸結(jié)為以下兩個方面。

1)場景產(chǎn)生器內(nèi)部影響。場景產(chǎn)生器腔體內(nèi)壁以及光學(xué)器件自身發(fā)出的紅外輻射會對場景產(chǎn)生器最終出瞳輻射量造成一定影響。尤其是當(dāng)光源溫度較高時，其將導(dǎo)致場景產(chǎn)生器腔體和光學(xué)器件溫度升高，這會對場景產(chǎn)生器的最終出瞳輻射量造成很大干擾。

2)環(huán)境輻射影響。環(huán)境輻射主要由兩部分組成：一部分是散射或直接進入探測器的環(huán)境輻射；另一部分是由紅外場景產(chǎn)生器光學(xué)鏡頭反射進入探測器的環(huán)境輻射。環(huán)境輻射的影響主要在光源溫度比較低時較明顯。

2 紅外場景產(chǎn)生器光源溫度建模

在上文從光源輻射和背景輻射兩個方面對DMD紅外場景產(chǎn)生器的出瞳輻射影響因素進行分析的基礎(chǔ)上，對DMD紅外場景產(chǎn)生器出瞳輻射進行建模，并由此推導(dǎo)出DMD紅外場景產(chǎn)生器工作過程中光源溫度的計算模型。

根據(jù)普朗克輻射定律，場景產(chǎn)生器光源在波長λ1～λ2范圍內(nèi)的輻射出射度Ms為

(1)

式中:λ為光源輻射波長;T為光源溫度;c1為第一輻射常數(shù);c2為第二輻射常數(shù)。

黑體光源遵守朗伯體的輻射規(guī)律，其輻射出射度Ms與輻射亮度Ls有如下關(guān)系

(2)

根據(jù)光源與DMD鏡面的幾何關(guān)系，當(dāng)光源輻射出的光線到達DMD鏡面，在DMD鏡面上產(chǎn)生的輻射照度為

(3)

式中:r為場景產(chǎn)生器黑體光源半徑;l為光源與DMD鏡面的距離。

根據(jù)DMD的灰度調(diào)節(jié)機制，紅外場景仿真生成灰度圖像中的像素點灰度與DMD微鏡單元反射出的輻射能量相關(guān)。假定歸一化的灰度量化范圍為[0,1]，其對應(yīng)的紅外場景輻射量化范圍為[Lmin,Lmax]，那么相應(yīng)像素的灰度值為

(4)

式中，L(x,y)為像素點對應(yīng)的場景輻射亮度。

假設(shè)DMD單個微鏡單元的面積為SDMD，那么場景產(chǎn)生器中光源輻射經(jīng)過DMD鏡面反射后，每個微鏡單元在系統(tǒng)出瞳處的輻射照度為

(5)

式中:τDMD為場景產(chǎn)生器總的光源輻射傳遞系數(shù);θ為光源發(fā)射角。

由于θ很小，由幾何關(guān)系可知

(6)

式中,f為投影光學(xué)系統(tǒng)焦距。將式(6)代入式(5)可得

(7)

為使仿真的紅外場景達到較高逼真度，可以通過設(shè)置合適的光源溫度，再經(jīng)過DMD灰度調(diào)制后，在場景產(chǎn)生器出瞳處得到與期望一致或接近的輻射能量值，即有如下關(guān)系式

E出瞳(x,y)=Eact(x,y)

(8)

式中:E出瞳(x,y)為仿真圖像某像素點對應(yīng)的在場景產(chǎn)生器出瞳處的輻射照度;Eact(x,y)為真實紅外場景的輻射照度。在紅外場景仿真中，更關(guān)心的是目標(biāo)輻射亮度，即對于式(8)期望得到

L出瞳(x,y)=Lact(x,y)。

(9)

一般情況下，考慮到不同場景產(chǎn)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及差異性，光源輻射經(jīng)過DMD灰度調(diào)制及光學(xué)系統(tǒng)傳遞，出瞳處的輻射亮度在綜合能量傳遞效率和背景輻射的影響下應(yīng)與真實場景一致或者接近，即有如下關(guān)系

(10)

式中:ε為光源實際的發(fā)射率;Lb為背景輻射的影響，可近似處理為紅外場景產(chǎn)生器光源輻射亮度Ls和背景輻射系數(shù)kb的乘積，即Lb=Ls·kb。由式(10)可得

(11)

這樣，明確所要仿真的紅外場景輻射量化范圍[Lmin,Lmax]之后即可得到光源輻射亮度Ls。再通過式(1)、式(2)多次計算建立光源輻射亮度與光源溫度的查找表T～Ls(λ1～λ2,T)，通過查找Ls對應(yīng)的溫度值T即可得場景產(chǎn)生器光源的最優(yōu)溫度。

3 紅外場景產(chǎn)生器輻射參數(shù)測試

由式(11)可知，計算場景產(chǎn)生器光源溫度的前提要明確所用紅外場景產(chǎn)生器的光源輻射傳遞系數(shù)τDMD和背景輻射系數(shù)kb，因此,需要設(shè)計試驗對這兩個參數(shù)進行測試，整個測試過程如圖3所示。

圖3 紅外場景產(chǎn)生器輻射測試示意圖Fig.3 Schematic diagram of infrared scene generator radiation test

測試過程中采用紅外熱像儀接收紅外場景產(chǎn)生器的輻射場景，紅外熱像儀輸出的圖像灰度則反映了場景產(chǎn)生器的輻射特性,然后再對圖像灰度信息進行處理即可得到場景產(chǎn)生器的光源輻射傳遞系數(shù)和背景輻射系數(shù)。另外，為了消除紅外熱像儀自身因素的影響，在測試前首先要用標(biāo)準(zhǔn)面源黑體對紅外熱像儀的響應(yīng)特性進行標(biāo)定。

3.1 紅外熱像儀標(biāo)定

由于紅外熱像儀輸出的灰度圖像是經(jīng)過其光學(xué)系統(tǒng)、探測器、電路信號綜合處理的結(jié)果，圖像灰度值不僅與紅外場景產(chǎn)生器的輻射亮度相關(guān)，還與紅外熱像儀響應(yīng)相關(guān)，因此，首先要利用標(biāo)準(zhǔn)面源黑體對紅外熱像儀的響應(yīng)特性進行標(biāo)定。標(biāo)定過程中，標(biāo)準(zhǔn)面源黑體由低至高依次設(shè)定不同的溫度，待穩(wěn)定后記錄熱像儀輸出圖像的平均灰度值，如表1所示。

表1 紅外熱像儀標(biāo)定數(shù)據(jù)Table 1 Calibration data of infrared thermal imager

圖4 紅外熱像儀響應(yīng)反函數(shù)曲線Fig.4 Inverse function curve of infrared thermal imager response

(12)

(13)

3.2 光源輻射傳遞系數(shù)測試

設(shè)定輸入場景產(chǎn)生器的仿真圖像灰度均為255，此時可認(rèn)為場景產(chǎn)生器中DMD處于“全開”狀態(tài)。然后設(shè)置不同光源溫度，待穩(wěn)定后讀取紅外熱像儀輸出的圖像平均灰度，再通過式(13)計算場景產(chǎn)生器出瞳輻射溫度，如表2所示。

表2 光源輻射系數(shù)測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of radiation coefficient of light source ℃

從表2中的出瞳溫度可以看出，光源輻射在經(jīng)過場景產(chǎn)生器內(nèi)部傳遞后的能量損失是非常大的。通過表2中數(shù)據(jù)計算場景產(chǎn)生器“全開”狀態(tài)下出瞳輻射溫度與光源溫度的比值即光源輻射傳遞系數(shù)τDMD，擬合其隨光源溫度的變化曲線如圖5所示。

圖5 光源輻射系數(shù)隨光源溫度變化曲線Fig.5 Light source radiation coefficient vs its temperature

圖5中，當(dāng)光源溫度小于140 ℃時，場景產(chǎn)生器的實際出瞳輻射溫度小于50 ℃，曲線在這段范圍內(nèi)輻射傳遞系數(shù)隨光源溫度的升高呈下降趨勢。這是由于環(huán)境的溫度為26.2 ℃，熱像儀接收到的能量受環(huán)境輻射的影響較為嚴(yán)重，場景產(chǎn)生器光源溫度越低，其出瞳輻射溫度越低，環(huán)境輻射在熱像儀接收到的總體輻射中的比重就越高。當(dāng)光源溫度大于140 ℃時，隨著光源溫度的升高，環(huán)境輻射對透過率的影響基本可以忽略，輻射傳遞系數(shù)隨光源溫度近似為線性關(guān)系。由此，可以在場景產(chǎn)生器輻射傳遞系數(shù)τDMD隨光源溫度t線性變化的范圍內(nèi)進行擬合得到二者關(guān)系為

τDMD=0.000 42t+0.316 19。

(14)

3.3 背景輻射系數(shù)測試

設(shè)定輸入場景產(chǎn)生器的仿真圖像灰度均為0，此時可認(rèn)為場景產(chǎn)生器中DMD處于“全關(guān)”狀態(tài)，然后設(shè)置不同光源溫度，待穩(wěn)定后讀取紅外熱像儀輸出的圖像平均灰度，再通過式(13)計算場景產(chǎn)生器出瞳輻射溫度，如表3所示。

表3 背景輻射系數(shù)測試數(shù)據(jù)Table 3 Test data of background radiation coefficient ℃

由對表3中數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)場景產(chǎn)生器中DMD處于“全關(guān)”狀態(tài)時，在場景產(chǎn)生器的出瞳處仍然存在一定的輻射，且該輻射隨著光源溫度的升高總體呈現(xiàn)線性增長趨勢。計算場景產(chǎn)生器“全關(guān)”狀態(tài)下出瞳輻射溫度與光源溫度的比值即為背景輻射系數(shù)kb，擬合其隨光源溫度的變化曲線如圖6所示。

結(jié)合圖6進行分析可得，當(dāng)場景產(chǎn)生器中DMD處于“全關(guān)”狀態(tài)時，受熱傳導(dǎo)影響，場景產(chǎn)生器自身會發(fā)出一定的輻射，熱像儀探測到的輻射能量除了這部分之外還有來自環(huán)境的輻射分量。當(dāng)光源溫度升高時，場景產(chǎn)生器自身受熱交互影響，其溫度也會相應(yīng)升高，進入到熱像儀的輻射分量比重增強，而環(huán)境輻射影響開始下降，因此在一定溫度范圍內(nèi)背景輻射系數(shù)kb會隨著光源溫度的升高而降低。當(dāng)光源溫度升高到一定的范圍時，場景產(chǎn)生器自身溫度仍會繼續(xù)受到熱傳導(dǎo)的影響而升高，其輻射分量所占的比重繼續(xù)增大，而環(huán)境輻射分量的影響可以忽略不計。此時，“全關(guān)”狀態(tài)下的背景輻射主要來自于場景產(chǎn)生器腔體內(nèi)壁輻射，kb隨光源溫度變化曲線基本上為水平狀態(tài)，由此可以擬合出這種狀態(tài)下的kb的值為0.18。

綜上所述，在紅外場景仿真過程中，首先利用標(biāo)定后的紅外熱像儀對所用紅外場景產(chǎn)生器實際的輻射傳遞系數(shù)和背景輻射系數(shù)兩個參數(shù)進行測試，然后再根據(jù)所要模擬真實場景的溫度或亮度范圍即可計算得到相應(yīng)場景下紅外場景產(chǎn)生器的最優(yōu)光源溫度。

3.4 最優(yōu)光源溫度模型逼真度驗證

為了驗證紅外場景產(chǎn)生器本身的逼真度，在測試過程中首先要排除紅外仿真圖像誤差的影響。本文參照文獻[12]中的驗證方法，通過對比仿真場景與紅外場景產(chǎn)生器調(diào)制溫度范圍以及灰度溫度分辨率的一致性，驗證紅外場景產(chǎn)生器的逼真度。

設(shè)定仿真場景量化范圍為40～80 ℃，8位灰度圖像調(diào)制對應(yīng)的灰度溫度分辨率為0.157 ℃，通過最優(yōu)光源溫度模型計算得到光源溫度取整后為185 ℃,然后以該溫度值為中心，在一定范圍內(nèi)分別測試紅外場景產(chǎn)生器在不同光源溫度下的出瞳溫度調(diào)制范圍。考慮到經(jīng)過層層衰減后，光源溫度小幅度變化對紅外場景產(chǎn)生器出瞳溫度調(diào)制范圍影響不大，因此，在實驗過程中設(shè)置光源溫度在15～215 ℃范圍內(nèi)變化，每隔15 ℃取值一次,測試不同光源溫度下紅外場景產(chǎn)生器的調(diào)制溫度范圍，同時計算其灰度溫度分辨率，結(jié)果如表4所示。

表4 不同光源溫度下的灰度溫度分辨率Table 4 Temperature-gray resolution at different light source temperature ℃

從表4可以看出，當(dāng)光源溫度為185 ℃時，紅外場景產(chǎn)生器的調(diào)制溫度范圍為39.3～81.2 ℃，灰度溫度分辨率為0.164 ℃，與仿真場景的量化范圍以及灰度溫度分辨率最為接近，光源溫度最優(yōu)值測試結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

本文結(jié)合紅外成像類裝備半實物仿真試驗中的應(yīng)用需求，對DMD紅外場景產(chǎn)生器最優(yōu)光源溫度進行了分析研究。從光源輻射和背景輻射兩個方面對DMD紅外場景產(chǎn)生器的出瞳輻射影響因素進行了詳細(xì)分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合黑體輻射理論以及紅外場景產(chǎn)生器的能量傳遞過程，建立了光源溫度設(shè)置和紅外輻射場景量化范圍的模型，并基于該模型確定了光源溫度最優(yōu)值的求解方法。通過實際測試驗證了本文所提出DMD紅外場景產(chǎn)生器光源溫度最優(yōu)值求解方法的有效性，為紅外成像制導(dǎo)武器內(nèi)場仿真試驗中DMD紅外場景產(chǎn)生器光源溫度最優(yōu)值的設(shè)定提供依據(jù)，以保證試驗過程中紅外場景的輻射逼真度。