一種微光夜視成像系統(tǒng)設(shè)計

王 聰，于 飛，楊明浩，李玉亮，鄭媛憬，陳 珊，賈宏博

高度的夜間態(tài)勢感知能力對飛行員保持飛行安全和高效執(zhí)行夜間飛行作戰(zhàn)任務(wù)至關(guān)重要。微光夜視鏡（night vision goggle，NVG）是一類采用微光像增強(qiáng)技術(shù)的光電成像設(shè)備，能夠?qū)⒁归g飛機(jī)座艙外部場景亮度提高至少3個數(shù)量級[1]。在增強(qiáng)飛行員對微弱光能量的探測能力和目標(biāo)分辨能力，提升飛行員的夜間態(tài)勢感知能力的同時，夜視鏡也有一定的局限性[2]，如視野受限、視力下降、色覺和深徑覺改變、陰影效應(yīng)、光暈等[3]，會影響飛行員的視知覺，對視覺特性的錯誤判斷，將誘發(fā)夜視飛行錯覺[4]，危害飛行安全。因此，開展夜視飛行訓(xùn)練已成為各國軍方的共識和競相開展的訓(xùn)練技術(shù)。北約于2007年頒布了標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議STANAG 7147-夜視裝備訓(xùn)練的航空醫(yī)學(xué)問題[5]，規(guī)定了飛行員夜視訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)。美國、德國、加拿大、荷蘭等發(fā)達(dá)國家空軍也已經(jīng)常態(tài)化開展了飛行員夜視訓(xùn)練[6-7]。我國由于缺乏夜視訓(xùn)練平臺，一直沒有開展夜視訓(xùn)練[5]。

微光夜視成像系統(tǒng)是開展飛行員夜視訓(xùn)練的重要裝備之一，主要功能是將夜間微光條件下的飛機(jī)窗外仿真視景圖像轉(zhuǎn)換為近紅外光信號，并投射到屏幕上，使受訓(xùn)人員在夜視鏡下觀察到接近真實的夜間視景圖像。人的眼睛可以感知的電磁波波長在400～700 nm。B類微光夜視鏡的敏感光譜波長范圍為665～900 nm。由于傳統(tǒng)投影機(jī)的光線在微光夜視鏡敏感光譜范圍內(nèi)的能量非常有限，存在夜視鏡下圖像動態(tài)范圍小、對比度低、成像質(zhì)量差等問題[8-9]，無法有效模擬夜視鏡的光暈、閃光等現(xiàn)象，不滿足微光夜視成像系統(tǒng)需求。針對這一問題，本研究設(shè)計了一種微光夜視成像系統(tǒng)，對成像質(zhì)量進(jìn)行了軟件仿真分析。

1 材料與方法

1.1 總體設(shè)計 微光夜視成像系統(tǒng)由光源模塊、調(diào)光模塊、照明鏡組、視頻處理模塊、數(shù)字微鏡器件（digital micromirror device，DMD）、數(shù)字光處理控制模塊（digital light processing controller，DLPC）、投影主鏡等7個子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)工作時，光源發(fā)出波長740 nm的光線，通過照明光路對DMD進(jìn)行均勻照明。飛行仿真視景軟件生成的微光夜視場景圖像信號首先由視頻處理模塊進(jìn)行視頻傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，然后傳入DLPC控制模塊，由其驅(qū)動DMD按照時序進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，調(diào)制還原微光夜視場景圖像。DMD生成的圖像經(jīng)投影主鏡光學(xué)系統(tǒng)投射到遠(yuǎn)處的投影幕上（圖1）。為滿足微光夜視場景顯示功能要求，設(shè)計提出的主要性能指標(biāo)如下：工作波段：（740±10）nm；照度范圍：（1×10--4～10）Lx可調(diào)；均勻性：≥85%；對比度：≥80:1（ANSI標(biāo)準(zhǔn)）；分辨率：≥1 024×768像素；幀頻：≥60 Hz。

圖1 微光夜視成像系統(tǒng)組成原理

1.2 分系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 光源模塊 光源模塊用于產(chǎn)生光線。LED光源是一種直接注入電流的半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，相對于白熾燈、超高壓汞燈等光源，具有體積小、能耗低、壽命長和易調(diào)光等優(yōu)點。在系統(tǒng)工作時，光源的光譜和功率特性決定著進(jìn)入夜視鏡的投影幕反射光的光譜特性和投影幕上的像面照度。因而，LED光源參數(shù)的選擇主要考慮光譜和功率兩方面因素。系統(tǒng)設(shè)計中，選用了740 nm波長、50 W功率的LED光源。該LED光源單一峰值波長740 nm，半波寬20 nm，光譜能量集中于B類夜視鏡665～900 nm敏感光譜范圍內(nèi)，單色性好，在夜視鏡下圖像亮度高、對比度大、成像質(zhì)量好。50 W光源總光通量約為1500 lm，其投影幕像面光照度E，通過公式（1）計算。設(shè)計中選用的是波長為740 nm的LED光源。

其中，Φ為光源總光通量，α為照明光路收集效率，ν為DMD占空比，r為鋁反射鏡反射率及DMD窗口衰減率，β為投影鏡組衰減倍率，S為投影面積。計算得到最大像面照度為33.45 Lx，通過降低工作電壓，可滿足最大像面照度10 Lx的設(shè)計要求。

1.2.2 調(diào)光模塊 調(diào)光模塊用于調(diào)節(jié)光源模塊輸出的光線亮度，具有無線遙控和調(diào)節(jié)旋鈕2種調(diào)節(jié)方式。調(diào)光模塊主要由信號調(diào)光器、信號發(fā)生器、調(diào)光驅(qū)動器和單片機(jī)4個部分組成。信號調(diào)光器用于無線遙控調(diào)光工作模式下，接收和傳輸遙控器發(fā)來的控制信號。信號發(fā)生器由旋鈕式電位器和信號發(fā)生器組成，用于旋鈕調(diào)光工作模式下，控制信號的采集和傳輸。信號調(diào)光器和信號發(fā)生器將控制信號發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)處理后生成調(diào)光控制信號，發(fā)送給調(diào)光驅(qū)動器。調(diào)光驅(qū)動器通過調(diào)節(jié)單位時間內(nèi)流過LED的平均電流的方式控制光源的亮度。通過減小電流，可實現(xiàn)1×10--4Lx最低照度。在無線遙控調(diào)光方式下，通過遙控器將調(diào)光控制信號發(fā)送給信號調(diào)光器，再將信號發(fā)送給調(diào)光驅(qū)動器，由調(diào)光驅(qū)動器控制光源的亮度。在手動旋鈕調(diào)光方式下，操作者手動調(diào)整操作面板上的旋鈕，信號發(fā)生器根據(jù)旋動量的大小，輸出0～10 V模擬信號至調(diào)光驅(qū)動器，控制光源的亮度。

1.2.3 照明鏡組 照明鏡組通過微光照明光路收集光源的能量，實現(xiàn)對投影光路像面的均勻照明。照明鏡組主要由微光照明器、反射棱鏡組成。微光照明器采用柯勒照明光路設(shè)計，通過合理優(yōu)化數(shù)值孔徑，實現(xiàn)與激光束散角的匹配，提高光源的有效利用率。反射棱鏡的反射面處設(shè)有半反半透膜，用于將均勻光線反射至數(shù)字微鏡器件，并將數(shù)字微鏡器件反射的光線透射至投影主鏡。微光照明光路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 微光照明光路結(jié)構(gòu)圖

1.2.4 視頻處理模塊 視頻處理模塊用于接收并處理圖形工作站輸出的HDMI或VGA視頻圖像信號。由圖形工作站提供的全彩色視頻信號以R、G、B、復(fù)合四路信號傳輸?shù)揭曨l處理模塊，各通道視頻信號均為8位灰度圖，在視頻處理模塊的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列器件（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）中進(jìn)行數(shù)字信號處理，主要方法是通過伽馬（冪律）變換，將全彩色視頻信號轉(zhuǎn)換為夜視場景灰度視頻信號，并發(fā)送至DLPC控制模塊。

1.2.5 DLPC控制模塊 DLPC模塊是DMD的驅(qū)動部分，分別與視頻處理模塊及DMD連接，能夠為DMD提供高速數(shù)據(jù)和控制接口，可對視頻處理模塊輸入的夜視場景灰度視頻信號進(jìn)行光空間調(diào)制處理，驅(qū)動DMD按照時序進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，還原夜視場景灰度視頻信號。DLPC控制模塊選用美國德州儀器公司DLPC 410控制器和DLPA 200驅(qū)動器。

1.2.6 數(shù)字微鏡器件 數(shù)字微鏡器件DMD用于在控制模塊控制的偏轉(zhuǎn)角度下對光源模塊輸出的光線進(jìn)行反射，形成影像光源。DMD是由成千上萬個微米級的可進(jìn)行±12°擺動的鋁合金微鏡組成的微機(jī)電系統(tǒng)，圖像的每一個像素對應(yīng)一個可以轉(zhuǎn)動的微鏡，每一個微鏡都可以通過二進(jìn)制脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行單獨控制。微鏡的位置不同，反射光的出射角度就不同，每一個微鏡相當(dāng)于一個光開關(guān)。DMD器件選用美國德州儀器公司DLP 7000，具有1 024×768像素微鏡陣列，微鏡間距13.68 μm。

1.2.7 投影主鏡 投影主鏡用于將DMD器件呈現(xiàn)的灰度圖像投影至一定距離的投影幕，供佩戴夜視鏡的受測人員觀看。為有效校正光學(xué)系統(tǒng)像差，提高成像質(zhì)量，投影主鏡的光學(xué)系統(tǒng)采用折射式結(jié)構(gòu)。經(jīng)過優(yōu)化的微光6片式投影主鏡光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 主鏡光學(xué)系統(tǒng)二維圖

2 結(jié)果

2.1 DMD輻照度均勻性 利用ZEMAX軟件對微光照明器光學(xué)系統(tǒng)在DMD有效像面范圍內(nèi)的輻照度均勻性進(jìn)行仿真分析，在DMD像面X=0截面上的輻照度分布曲線最大值Emax與最小值Emin分別為0.952 W/cm2和0.781 W/cm2。根據(jù)公式（2），計算出DMD處光源輻射照明的均勻性G為90.1%，保證了經(jīng)過DMD輸出圖像的高均勻性（圖4～5）。

圖4 DMD像面的輻照度分布

圖5 DMD像面中心的輻照度

2.2 系統(tǒng)成像質(zhì)量 利用ZEMAX軟件對系統(tǒng)的場曲、畸變和光學(xué)傳遞函數(shù)等進(jìn)行仿真分析[9]。由投影主鏡場曲、畸變圖可以看到，弧矢與子午場曲均得到很好的控制，10°視場時場曲最大，此時的場曲也僅為0.02 mm，畸變控制在0.1%左右，人眼基本察覺不到（圖6）。由主鏡光學(xué)傳遞函數(shù)圖可知，全視場空間頻率50 lp/mm處的傳遞函數(shù)模值大于0.5，接近衍射極限，高于截止頻率時的全視場傳遞函數(shù)大于0.3的常規(guī)要求。各視場的傳遞函數(shù)與衍射極限非常接近，說明各種像差校正的很好，成像質(zhì)量良好，可以滿足使用要求（圖7）。

圖6 主鏡場曲、畸變圖

圖7 主鏡光學(xué)傳遞函數(shù)圖

3 討論

微光夜視成像系統(tǒng)可用于飛行人員夜間視覺體驗訓(xùn)練，也可作為視景顯示子系統(tǒng)，集成在飛行錯覺模擬器中，用于飛行人員佩戴夜視鏡條件下的夜視-錯覺綜合模擬訓(xùn)練，是開展飛行員夜視訓(xùn)練的關(guān)鍵裝備之一。針對傳統(tǒng)投影機(jī)光源能量集中在可見光區(qū)域，導(dǎo)致夜視鏡敏感光譜范圍內(nèi)圖像動態(tài)范圍小、對比度低，不適用于微光夜視場景模擬顯示的問題，筆者采用LED光源調(diào)光技術(shù)、視頻信號處理技術(shù)、DLP投影顯示技術(shù)及投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，設(shè)計了一種由7個子系統(tǒng)組成的微光夜視成像系統(tǒng)。為驗證設(shè)計效果，采用ZEMAX軟件對DMD像面范圍輻照度均勻性、投影系統(tǒng)成像質(zhì)量進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，該微光夜視成像系統(tǒng)設(shè)計能確保良好的成像質(zhì)量，能夠用于微光夜視成像系統(tǒng)開發(fā)，有望為飛行人員夜間視覺體驗訓(xùn)練提供可靠的裝備平臺。

筆者設(shè)計的微光夜視成像系統(tǒng)采用了740 nm單一峰值波長的LED光源。一方面，人眼對此波長不敏感，系統(tǒng)可提供真實的裸眼夜視體驗；另一方面，LED光源可通過調(diào)光實現(xiàn)較低的黑電平，可在夜視鏡下體驗接近真實的低照度視景。此外，該光源的光譜能量集中，動態(tài)范圍大，可以逼真地模擬顯示夜視鏡的光暈、眩光等物理現(xiàn)象?；谏鲜鰞?yōu)點，該微光夜視成像系統(tǒng)在飛行人員夜間視覺訓(xùn)練中具有較高的應(yīng)用價值。在使用中，應(yīng)注意對投影圖像的照度進(jìn)行校準(zhǔn)，通過調(diào)整光源功率，使投影圖像的光譜輻射照度與所模擬的微光目標(biāo)場景環(huán)境照度相一致?？紤]到該微光夜視成像系統(tǒng)主要在暗室內(nèi)或封閉座艙內(nèi)使用，投影畫面與人眼的距離有限，開展訓(xùn)練前，受訓(xùn)人員應(yīng)對夜視鏡進(jìn)行調(diào)校，確保最佳的視覺靈敏度。后續(xù)，系統(tǒng)開發(fā)完成后，通過開展飛行人員主觀評價試驗，將進(jìn)一步驗證系統(tǒng)性能和應(yīng)用效果。