紅外成像系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的研究

紅外成像系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的研究

0紅外半實物仿真技術(shù)隨著紅外焦耳設(shè)備的發(fā)展，各種高性能的紅外成像系統(tǒng)逐漸投入運行。紅外成像系統(tǒng)擺脫了點源探測的局限性,能從目標(biāo)和背景的溫差所產(chǎn)生的熱分布圖像中發(fā)現(xiàn)并識別目標(biāo)。其技術(shù)性能在很大程度上取決于目標(biāo)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(tǒng)的測試手段無法反映客觀情況,紅外半實物仿真技術(shù)是在這種需求背景下發(fā)展起來的。根據(jù)紅外成像系統(tǒng)的開發(fā)、測試和評估需求,通過對目標(biāo)、背景、大氣環(huán)境的分析、表征和重建,生成各種條件下的高逼真動態(tài)紅外場景圖像,為紅外成像系統(tǒng)提供測試環(huán)境,可有效地降低紅外成像系統(tǒng)的研制成本,縮短研制周期,這對傳統(tǒng)的測試手段提出了挑戰(zhàn)。半實物仿真是用實物代替了被測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并由紅外場景仿真系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)目標(biāo)和背景的紅外輻射特性,為紅外成像探測、跟蹤、制導(dǎo)和紅外干擾等技術(shù)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(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、軟件測試、技術(shù)性能的檢測及評估;(2)紅外對抗系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、干擾性能檢驗和評估。1紅外成像系統(tǒng)模擬仿真系統(tǒng)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(tǒng)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(biāo)或注入紅外干擾信號而設(shè)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(jù)成像系統(tǒng)及目標(biāo)運動方程實時解算目標(biāo)位置和相對距離并送給圖像生成計算機,此計算機依據(jù)目標(biāo)、背景數(shù)據(jù)庫實時生成反映目標(biāo)、背景二維空間紅外輻射變化和目標(biāo)運動特征、幾何特征的數(shù)字圖像,通過顯卡端口輸出至紅外場景投影儀,轉(zhuǎn)換成相應(yīng)光譜段的動態(tài)紅外圖像,投射到紅外成像系統(tǒng)的入瞳處,由成像系統(tǒng)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(biāo)位置和相對距離,如此循環(huán)往復(fù),從而模擬目標(biāo)/背景的物理特征和光譜特征、紅外成像系統(tǒng)的工作過程。仿真結(jié)束后,通過測試評估軟件對紅外成像系統(tǒng)進行評估。可以看出,要實現(xiàn)可靠的半實物紅外仿真需要解決以下關(guān)鍵技術(shù):紅外物理現(xiàn)象的模擬、紅外模型和數(shù)據(jù)庫的開發(fā)、紅外場景的實時再現(xiàn)。2紅外半實物仿真系統(tǒng)組成動態(tài)紅外場景模擬為紅外成像系統(tǒng)提供足夠逼真的動態(tài)紅外場景圖像,使其如同在真實環(huán)境下工作。真實的紅外目標(biāo)/背景圖像既有空間信息,又有溫度信息。紅外成像系統(tǒng)是根據(jù)目標(biāo)背景的熱圖像進行探測、識別和跟蹤的。紅外場景生成系統(tǒng)根據(jù)探測系統(tǒng)視場和空間位置變化,實時提供相應(yīng)的場景圖像。國內(nèi)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(tǒng)的設(shè)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(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)。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(shù)據(jù)庫的建立和使用方法說明利用光譜輻射計、熱像儀等設(shè)備對各種不同的目標(biāo)、干擾、背景直接進行大量的外場實驗,獲得目標(biāo)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(shù)據(jù)擬合,建立不同目標(biāo)的運動特性數(shù)據(jù)庫、幾何特征和熱輻射特性數(shù)據(jù)庫、各種背景數(shù)據(jù)庫、各種典型干擾數(shù)據(jù)庫等,使用時再根據(jù)要求把有關(guān)圖片從相應(yīng)數(shù)據(jù)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(yōu)點是直觀準(zhǔn)確,但要獲得比較全面的數(shù)據(jù)需要耗費大量的人力和物力。2.2目標(biāo)-背景-溫度分布的數(shù)值模型計算機生成法是基于目標(biāo)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(yīng)的是目標(biāo)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(biāo)和背景的類型、幾何形狀、表面溫度、表面紋理特征、發(fā)射率、反射率、運動狀態(tài)、大氣條件等。通過分析目標(biāo)和背景的物理特性以及它們之間的能量交換關(guān)系,根據(jù)傳熱、輻射和對流等定律,建立描述目標(biāo)和背景溫度分布的數(shù)學(xué)模型和紅外輻射模型,并利用其表面紅外輻射特征數(shù)據(jù),計算各種情況下的目標(biāo)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(nèi)外提出了多種目標(biāo)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(biāo)的三維模型,并根據(jù)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、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(shù)字圖像處理技術(shù)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(jīng)驗參數(shù)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(jīng)驗參數(shù),這些參數(shù)是經(jīng)過對大量實驗數(shù)據(jù)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(shù)字圖像或視頻圖像轉(zhuǎn)換成相應(yīng)譜段的紅外圖像,并投射到紅外成像系統(tǒng)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(yīng)速度要足夠快,以滿足被試單元的測試要求;產(chǎn)生的紅外輻射的閃爍、混淆現(xiàn)象、噪聲等必須足夠低。紅外投影儀主要技術(shù)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(tài)范圍和幀頻。國外紅外投影儀的發(fā)展和應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代。早期開發(fā)的紅外投影儀有基于黑體薄膜技術(shù)、熱輻射電阻陣列技術(shù)、液晶光閥技術(shù)、VO2薄膜技術(shù)和磷/CRT技術(shù)等。目前新開發(fā)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(shù)字微反射鏡器件的投影技術(shù)。3.1懸置薄膜電阻陣列器件當(dāng)電流通過電阻時,電阻會升溫而發(fā)射紅外輻射,發(fā)射的紅外能量與電阻的溫度和發(fā)射率有關(guān)。將電阻做成微型電阻元并排列成兩維陣列,通過電子驅(qū)動每次可以選擇指定的電阻元,產(chǎn)生二維的輻射圖像。目前已開發(fā)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(jié)構(gòu),填充系數(shù)(激活的電阻元與全部電阻元的比)一般小于10%,且發(fā)射特性差,動態(tài)范圍很小。絕緣薄膜電阻與硅橋電阻相比,其填充系數(shù)和發(fā)射率明顯優(yōu)于前者,現(xiàn)填充系數(shù)已能達(dá)到50%。但這種結(jié)構(gòu)的器件時間常數(shù)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(yōu)點于一體,是目前開發(fā)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(qū)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(shù)(大于90%),可以制成大面陣(已經(jīng)研制了1024×2048像元面陣),在2~26!m的范圍內(nèi)有很好的頻譜響應(yīng),且具有良好的空間均勻性。這種器件的缺點是響應(yīng)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(xué)掃描系統(tǒng)和電子驅(qū)動部件組成。激光二級管陣列光輸出強度是時間調(diào)制的,并與掃描鏡同步。其輸出光通過旋轉(zhuǎn)的棱鏡,實現(xiàn)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(tǒng)。系統(tǒng)優(yōu)點是幀頻高(最大4kHz)、動態(tài)范圍大、分辨率高(采用128激光二極管線列,已經(jīng)達(dá)到1024×1024的空間分辨率),且沒有死像素,可以模擬高溫(達(dá)1000K的點源目標(biāo))、多波段的紅外圖像。其缺點是掃描光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜。3.3dmd投影的原理數(shù)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(jié)點上形成的,見圖2。每個微鏡(由16!m的正方型鋁片構(gòu)成)對應(yīng)生成圖像的一個像素。通過機械控制,微鏡的轉(zhuǎn)動可在±10°時停止,在這兩個方向反射光線。微鏡從一種狀態(tài)變換到另一種狀態(tài)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(yōu)點是分辨率高、頻率高、對比度大、均勻性好。目前該器件已達(dá)到1280×1024。4基于不同使用要求的動態(tài)合成場景逼真和實時地仿真動態(tài)紅外場景是半實物仿真最關(guān)鍵的技術(shù)。但是生成目標(biāo)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(xì),描述的物理現(xiàn)象越全面,生成場景的計算量就越大,實時性就越難實現(xiàn)。紅外成像系統(tǒng)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(cè)重點不同。根據(jù)不同的使用要求存在兩種趨勢:(1)側(cè)重于模型的準(zhǔn)確度而不過多考慮實時性要求,場景建模通常都以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ),以便盡可能多地模擬出場景中的相關(guān)物理現(xiàn)象;(2)側(cè)重于場景生成的實時性,為被測系統(tǒng)提供動態(tài)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(tǒng)視角和幀頻相適