紅外成像系統仿真系統的研究

0紅外半實物仿真技術隨著紅外焦耳設備的發展，各種高性能的紅外成像系統逐漸投入運行。紅外成像系統擺脫了點源探測的局限性,能從目標和背景的溫差所產生的熱分布圖像中發現并識別目標。其技術性能在很大程度上取決于目標本征和周圍背景的紅外輻射特征以及它們之間的對比度,傳統的測試手段無法反映客觀情況,紅外半實物仿真技術是在這種需求背景下發展起來的。根據紅外成像系統的開發、測試和評估需求,通過對目標、背景、大氣環境的分析、表征和重建,生成各種條件下的高逼真動態紅外場景圖像,為紅外成像系統提供測試環境,可有效地降低紅外成像系統的研制成本,縮短研制周期,這對傳統的測試手段提出了挑戰。半實物仿真是用實物代替了被測試系統的數學模型,并由紅外場景仿真系統復現目標和背景的紅外輻射特性,為紅外成像探測、跟蹤、制導和紅外干擾等技術研究提供了良好的平臺。半實物仿真可用于:(1)各種紅外成像系統的設計、開發、軟件測試、技術性能的檢測及評估;(2)紅外對抗系統的優化設計、干擾性能檢驗和評估。1紅外成像系統模擬仿真系統由紅外場景投影儀、仿真計算機、圖像生成計算機、伺服平臺和軟件等組成。系統可以按圖1所示的方式配置。圖中的光束合成鏡是為了加入高溫目標或注入紅外干擾信號而設置的,能夠透過寬譜紅外輻射,反射干擾信號。仿真計算機根據成像系統及目標運動方程實時解算目標位置和相對距離并送給圖像生成計算機,此計算機依據目標、背景數據庫實時生成反映目標、背景二維空間紅外輻射變化和目標運動特征、幾何特征的數字圖像,通過顯卡端口輸出至紅外場景投影儀,轉換成相應光譜段的動態紅外圖像,投射到紅外成像系統的入瞳處,由成像系統接收并處理,輸出視線角偏差到仿真計算機,計算機再次解算目標位置和相對距離,如此循環往復,從而模擬目標/背景的物理特征和光譜特征、紅外成像系統的工作過程。仿真結束后,通過測試評估軟件對紅外成像系統進行評估。可以看出,要實現可靠的半實物紅外仿真需要解決以下關鍵技術:紅外物理現象的模擬、紅外模型和數據庫的開發、紅外場景的實時再現。2紅外半實物仿真系統組成動態紅外場景模擬為紅外成像系統提供足夠逼真的動態紅外場景圖像,使其如同在真實環境下工作。真實的紅外目標/背景圖像既有空間信息,又有溫度信息。紅外成像系統是根據目標背景的熱圖像進行探測、識別和跟蹤的。紅外場景生成系統根據探測系統視場和空間位置變化,實時提供相應的場景圖像。國內外在紅外場景仿真方面已做了大量的工作,并已用于實際系統的設計與評估中。逼真和實時地生成紅外場景是紅外半實物仿真系統中最關鍵的技術。紅外場景生成方法主要有外場實驗測量法、基于理論模型的計算機生成法、理論計算與測試綜合法。2.1數據庫的建立和使用方法說明利用光譜輻射計、熱像儀等設備對各種不同的目標、干擾、背景直接進行大量的外場實驗,獲得目標與背景在實際情況下的溫度分布、紅外輻射特征及其對比特性,然后進行歸納、整理、分析和數據擬合,建立不同目標的運動特性數據庫、幾何特征和熱輻射特性數據庫、各種背景數據庫、各種典型干擾數據庫等,使用時再根據要求把有關圖片從相應數據庫中取出,利用圖像合成方法生成要求的紅外圖像。此方法的優點是直觀準確,但要獲得比較全面的數據需要耗費大量的人力和物力。2.2目標-背景-溫度分布的數值模型計算機生成法是基于目標和背景的理論模型,生成的紅外圖像反映的是場景中各點的相對灰度值,與其對應的是目標和背景的紅外輻射亮度。為逼真地模擬紅外場景,需要考慮目標和背景的類型、幾何形狀、表面溫度、表面紋理特征、發射率、反射率、運動狀態、大氣條件等。通過分析目標和背景的物理特性以及它們之間的能量交換關系,根據傳熱、輻射和對流等定律,建立描述目標和背景溫度分布的數學模型和紅外輻射模型,并利用其表面紅外輻射特征數據,計算各種情況下的目標與背景紅外輻射特征及其對比特性,最后形成零視距離輻射圖。目前,國內外提出了多種目標紅外輻射的建模方法,用的較多的是基于面元的三維實體模擬方法。該方法是先采用幾何建模軟件生成目標的三維模型,并根據目標的結構、材料和溫度情況將模型劃分為許多面元,對各個面元建立三維傳熱方程,進而獲得整個物體表面溫度分布。背景紅外輻射的模擬難度較大,一種方法是采用數字圖像處理技術對實際拍攝的紅外圖像進行處理,去除大氣和傳感器的影響,反推零視距離輻射圖。2.3經驗參數的加入這種方法綜合了上述兩種方法,即在理論方程中加入一些經驗參數,這些參數是經過對大量實驗數據的分析獲得的。此方法簡化了理論模型,減少了計算量。3單元測試的基本原則有紅外場景投影儀的功能是把計算機生成的數字圖像或視頻圖像轉換成相應譜段的紅外圖像,并投射到紅外成像系統的入瞳處(并充滿)。要求它投射的光是時空間不相干的、非偏振的;響應速度要足夠快,以滿足被試單元的測試要求;產生的紅外輻射的閃爍、混淆現象、噪聲等必須足夠低。紅外投影儀主要技術要求包括:工作波段、溫度范圍、溫度分辨率、空間分辨率、非均勻性、動態范圍和幀頻。國外紅外投影儀的發展和應用始于20世紀80年代。早期開發的紅外投影儀有基于黑體薄膜技術、熱輻射電阻陣列技術、液晶光閥技術、VO2薄膜技術和磷/CRT技術等。目前新開發的投影儀大多是基于懸置薄膜電阻陣列、激光二極管陣列、數字微反射鏡器件的投影技術。3.1懸置薄膜電阻陣列器件當電流通過電阻時,電阻會升溫而發射紅外輻射,發射的紅外能量與電阻的溫度和發射率有關。將電阻做成微型電阻元并排列成兩維陣列,通過電子驅動每次可以選擇指定的電阻元,產生二維的輻射圖像。目前已開發的電阻元陣列有硅橋電阻、絕緣薄膜電阻和懸置薄膜電阻。硅橋電阻是在單晶硅片基上制成的單片結構,填充系數(激活的電阻元與全部電阻元的比)一般小于10%,且發射特性差,動態范圍很小。絕緣薄膜電阻與硅橋電阻相比,其填充系數和發射率明顯優于前者,現填充系數已能達到50%。但這種結構的器件時間常數較長,幀頻一般限于30~60Hz。懸置薄膜電阻陣列器件集前兩種器件的優點于一體,是目前開發的重點。懸置薄膜電阻陣列是支撐在片基空腔上的氮化硅薄膜熱敏電阻元,在二維方向形成陣列,驅動電路刻蝕在片基上。這種熱阻元件具有很低的熱容量和高填充系數(大于90%),可以制成大面陣(已經研制了1024×2048像元面陣),在2~26!m的范圍內有很好的頻譜響應,且具有良好的空間均勻性。這種器件的缺點是響應速度較慢,目前有效幀頻最高到60Hz。3.2維激光電極法這種投影儀由激光二極管陣列、高速棱鏡光學掃描系統和電子驅動部件組成。激光二級管陣列光輸出強度是時間調制的,并與掃描鏡同步。其輸出光通過旋轉的棱鏡,實現在垂直于線列二級管方向的掃描,描繪出一幅二維的紅外圖像。選擇不同的激光二極管可配置不同波段的投影系統。系統優點是幀頻高(最大4kHz)、動態范圍大、分辨率高(采用128激光二極管線列,已經達到1024×1024的空間分辨率),且沒有死像素,可以模擬高溫(達1000K的點源目標)、多波段的紅外圖像。其缺點是掃描光學系統復雜。3.3dmd投影的原理數字微反射鏡器件(DMD)是由許多個微鏡按行列緊密排列在一起,貼在一塊硅晶片的電子節點上形成的,見圖2。每個微鏡(由16!m的正方型鋁片構成)對應生成圖像的一個像素。通過機械控制,微鏡的轉動可在±10°時停止,在這兩個方向反射光線。微鏡從一種狀態變換到另一種狀態的時間約為16!s,入射到投影鏡頭入瞳的光脈沖的上升時間大約是2!s。DMD投影儀的優點是分辨率高、頻率高、對比度大、均勻性好。目前該器件已達到1280×1024。4基于不同使用要求的動態合成場景逼真和實時地仿真動態紅外場景是半實物仿真最關鍵的技術。但是生成目標和背景模型的逼真度與實時性要求相互制約,模型建立得越精細,描述的物理現象越全面,生成場景的計算量就越大,實時性就越難實現。紅外成像系統在視場角、幀頻、光譜和輻射特性方面的要求是多樣的,不同的使用要求建立模型的側重點不同。根據不同的使用要求存在兩種趨勢:(1)側重于模型的準確度而不過多考慮實時性要求,場景建模通常都以熱力學第一定律為基礎,以便盡可能多地模擬出場景中的相關物理現象;(2)側重于場景生成的實時性,為被測系統提供動態場景。因此,盡量簡化模型,提高生成圖像的速度。紅外投影儀需能以與紅外成像系統視角和幀頻相適