制導對抗仿真中雙DMD紅外場景產(chǎn)生器應用有關(guān)技術(shù)

吳軍輝,許振領(lǐng),王 敏,李 慧,王重陽,蘇振強

(電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應國家重點實驗室,河南 洛陽 471003)

1 引 言

DMD體制的紅外場景產(chǎn)生器(簡稱“場景產(chǎn)生器”)已普遍應用于紅外成像制導半實物仿真[1-3]。但制導仿真和制導對抗仿真對場景產(chǎn)生器的要求不同,在制導仿真中,紅外場景產(chǎn)生器與五軸轉(zhuǎn)臺(外兩軸)一起,主要用于模擬目標的運動特性,而制導對抗仿真的重點是場景紅外輻射特性仿真,一方面對場景產(chǎn)生器的溫度分辨率、空間分辨率、動態(tài)范圍、均勻性等性能有更高要求；另一方面,在應用中,對工作參數(shù)設置、標定、紅外輻射亮度圖像轉(zhuǎn)換為紅外場景產(chǎn)生器驅(qū)動信號的轉(zhuǎn)換模型等有特殊要求。因此,紅外場景產(chǎn)生器在紅外成像制導對抗半實物仿真中的應用還處于起步階段,一些應用方面技術(shù)問題需進行研究。本文討論紅外成像制導對抗仿真中雙DMD紅外場景產(chǎn)生器應用有關(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:設導引頭峰值光譜響應率為R0,歸一化光譜響應率為Rn(λ),則積分紅外輻射量X計算公式(Xλ為光譜紅外輻射量)為:

(1)

2 雙DMD紅外場景產(chǎn)生器工作原理

雙DMD紅外場景產(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高于A路。DMD器件是一個半導體光空間分布調(diào)制器,采用鋁濺射工藝在半導體硅片上生成微米量級的方形微鏡面(反射面),數(shù)以百萬計的微鏡面用鉸鏈結(jié)構(gòu)在硅片襯托的CMOS存儲器芯片上建造微鏡面陣列[4-6]。工作時,微鏡面由靜電驅(qū)動在“開態(tài)”(反射照明黑體輻射)、“關(guān)態(tài)”(反射背景黑體輻射)間進行偏轉(zhuǎn)狀態(tài)切換,不工作時,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

場景產(chǎn)生器紅外紅外輻射投射及導引頭探測方程(場景產(chǎn)生器驅(qū)動信號為均勻灰度圖像)為:

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

導引頭在線性工作區(qū)內(nèi),探測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Lλ,EHλ,ELλ,L0λ的積分輻射量；R0,b分別為導引頭峰值光譜響應率和輸出的本底灰度值。

雙路工作時,導引頭探測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A、B分別為A路、B路的相應參數(shù)；L0nAB為場景產(chǎn)生器雙路工作時的背景積分輻射亮度。

3 紅外場景產(chǎn)生器應用有關(guān)要求及其實現(xiàn)措施

在紅外成制導對抗仿真中,必須采取措施,保證紅外場景產(chǎn)生器的應用滿足以下4個方面的要求。

3.1 紅外輻射信號能量特性逼真模擬

在場景積分紅外輻射亮度保真仿真區(qū)內(nèi),導引頭探測輸出的灰度圖像任意兩像元r1、r2的灰度值應滿足公式(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為一次制導對抗仿真過程中場景積分紅外輻射亮度基礎(chǔ)值,不大于場景積分紅外輻射亮度的最小值,并且積分紅外輻射亮度為Ld時,場景產(chǎn)生器微鏡面調(diào)制時間占比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)

通過將場景產(chǎn)生器照明黑體工作溫度設置為合適值,對場景產(chǎn)生器進行精確標定,采用正確的場景積分紅外輻射亮度-驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換模型等措施來實現(xiàn)上述要求。

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

在場景積分紅外輻射亮度保真仿真區(qū)內(nèi),紅外場景產(chǎn)生器投射的紅外輻射應在導引頭線性響應范圍內(nèi),且導引頭探測輸出灰度圖像的基礎(chǔ)灰度值(即:一次制導對抗仿真過程導引頭探測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；二是紅外場景產(chǎn)生器背景黑體工作溫度盡量降低；三是場景產(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等方式導致場景產(chǎn)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)件和光學系統(tǒng)升溫,必要時采取控溫降溫措施,同時,光路設計要避免照明黑體輻射經(jīng)內(nèi)部表面散射進入導引頭。

3.3 紅外場景產(chǎn)生器量化動態(tài)范圍充分利用

設紅外場景產(chǎn)生器最大調(diào)制時間分辨率trmin,則紅外場景產(chǎn)生器量化動態(tài)范圍達到8 bit以上的前提是需要滿足公式(10):

τ/trmin≥255

(10)

增加導引頭探測器積分時間,或提升場景產(chǎn)生器最大調(diào)制時間分辨率性能,有利于更充分的利用紅外場景產(chǎn)生器量化動態(tài)范圍。紅外導引頭探測器積分時間調(diào)節(jié)范圍是有限的,特別是長波紅外導引頭探測器積分時間小,而且使用時增大積分時間可能會導致探測器飽和或遠離線性工作區(qū),因此,DMD場景產(chǎn)生器一般用于中波紅外成像制導對抗仿真。目前DMD場景產(chǎn)生器還不適合具有積分時間自適應動態(tài)改變功能的導引頭的相關(guān)仿真試驗。

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

3.4 強輻射干擾效應等效模擬

強輻射干擾(激光干擾、陽光、高溫紅外誘餌等)對導引頭的干擾會導致強信號、飽和、串擾、致眩、致盲等效應,在制導對抗仿真中,要保證導引頭探測到的干擾圖像等效,等效的原則是對導引頭圖像信息處理結(jié)果的影響可以接受。導引頭探測輸出的灰度圖像中,較大灰度值可以等效對應強信號干擾效應,接近飽和灰度值可以等效對應飽和、致眩、致盲干擾效應,正常灰度值、較大灰度值或接近飽和灰度值區(qū)域可以等效對應不同程度的串擾等效。通過在紅外圖像仿真中采用合適的強輻射干擾效應仿真方法與模型,場景產(chǎn)生器工作參數(shù)(特別是照明黑體工作溫度)設置為合適值,以及采用正確的場景積分紅外輻射亮度-驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換模型等措施實現(xiàn)這一要求。

4 雙DMD紅外場景產(chǎn)生器工作參數(shù)設置與標定

4.1 工作參數(shù)設置

在每次制導對抗仿真前,需要設置或確認紅外場景產(chǎn)生器調(diào)制時間分辨率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)制時間分辨率tr設置

紅外導引頭探測器積分時間τ確定后,調(diào)制時間分辨率tr一般設置為τ/255(τ/trmin≥255情況),或者為trmin(τ/trmin≤255情況)。tr確定后,場景產(chǎn)生器驅(qū)動信號量化等級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置為最低,至少應低于仿真試驗工作環(huán)境溫度5～10 ℃。照明黑體工作溫度與場景積分紅外輻射模擬要求及場景積分紅外輻射亮度-驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換模型有關(guān),設置方法與步驟在第5節(jié)闡述。

4.2 場景產(chǎn)生器標定

采用被試或配試導引頭直接對場景產(chǎn)生器進行標定。相比采用標準紅外光譜輻射計標定,采用被試或配試導引頭標定,可減少中間環(huán)節(jié)誤差,省去相關(guān)修正模型,簡化照明黑體工作溫度設置方法步驟。標定工作在場景產(chǎn)生器和導引頭的工作參數(shù)固定后進行。

4.2.1 單路(一般為A路)工作模式

以灰度值為ei的均勻圖像為場景產(chǎn)生器驅(qū)動信號,采集導引頭探測輸出的灰度圖像灰度值di。其中,i=1,2,…,K,e1=0,eK=Cr。基于(di,ei),擬合得到d=g(e)標定函數(shù)。

4.2.2 雙路工作模式

5 場景輻射亮度圖像與驅(qū)動灰度圖像轉(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

把一次制導對抗仿真過程場景積分紅外輻射亮度分布范圍[Ld,Lu]劃分3個區(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,不大于一次制導對抗仿真過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,不小于一次制導對抗仿真過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。

設積分紅外輻射亮度為Ld、L1、L2、Lu的均勻圖像時,對應場景產(chǎn)生器驅(qū)動信號灰度值分別為0、e1、e2和Cr,導引頭探測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景產(chǎn)生器標定函數(shù)和標定函數(shù)逆函數(shù)。Ld,L1,L2,Lu和e1,e2和Cr在仿真試驗設計階段確定,dd,d1,d2和du在場景產(chǎn)生器照明黑體工作溫度確定后,由被試或配試導引頭探測得到。

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。該用例主要用來保證場景積分紅外輻射亮度關(guān)注區(qū)保真仿真,避免不受關(guān)注的場景積分紅外輻射亮度暗區(qū)和亮區(qū)占用場景產(chǎn)生器過多動態(tài)范圍。

用例2:單段保真轉(zhuǎn)換模型。當L1=Ld,L2=Lu；e1=0,e2=Cr；d1=dd,d2=du時,通用三段轉(zhuǎn)換模型簡化為單段保真轉(zhuǎn)換模型。若場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L2=Lu,e2=Cr,d2=du時,通用三段轉(zhuǎn)換模型簡化為前兩段轉(zhuǎn)換模型。該用例主要用于避免不受關(guān)注的場景積分紅外輻射亮度暗區(qū)占用場景產(chǎn)生器過多動態(tài)范圍。

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

用例5:單段線性轉(zhuǎn)換模型。當L1=L2=Ld,e1=e2=0,d1=d2=dd時,三段轉(zhuǎn)換模型簡化為單段線性轉(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置方法步驟

單路工作模式下,在一次制導對抗仿真中,需根據(jù)場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置方法與步驟如下:

① 確定導引頭探測輸出的灰度圖像灰度值誤差容限Δd2y；

② 導引頭與紅外場景產(chǎn)生器開機工作,完成好對接；

③ 將照明黑體工作溫度設置為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。當場景中沒有強輻射干擾信號時,B路采用單段保真轉(zhuǎn)換模型或后兩段轉(zhuǎn)換模型用例；當場景中含有強輻射干擾信號時,B路采用單段線性轉(zhuǎn)換模型用例,用來等效模擬強輻射干擾的紅外輻射特性。

A路照明黑體工作溫度設置方法與步驟同單路工作模式,設置過程中,B路驅(qū)動信號為灰度值為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,照明黑體工作溫度設置方法與步驟同單路工作模式,設置過程中,A路驅(qū)動信號為灰度值為Cr的均勻圖像。

B路采用單段線性轉(zhuǎn)換模型用例時,照明黑體工作溫度設置方法為:當A路和B路驅(qū)動圖像均為灰度值為Cr的均勻圖像時,導引頭探測輸出的灰度圖像灰度值應不小于預設值dmax,且導引頭未達到飽和,或接近飽和但無串擾。

6 結(jié) 語

DMD(特別是雙DMD)紅外場景產(chǎn)生器用于紅外成像制導對抗半實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,在應用中如何發(fā)揮好場景產(chǎn)生器使用效能,也是值得進一步深入研究的問題。總體上,場景產(chǎn)生器的性能還沒有達到完全滿足制導對抗仿真對場景紅外輻射特性模擬的要求,難以兼顧強輻射干擾(如激光干擾)和目標背景紅外特性的逼真模擬,因此,本人主張紅外成像制導對抗仿真應采用注入式(仿真生成的包含目標、背景、干擾、大氣、光電成像傳感器等要素的數(shù)字圖像注入到導引頭圖像信息處理機)為主、輻射式為輔的方法。