制导对抗仿真中双DMD红外场景产生器应用有关技术

吴军辉,许振领,王 敏,李 慧,王重阳,苏振强

(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室,河南 洛阳 471003)

1 引 言

DMD体制的红外场景产生器(简称“场景产生器”)已普遍应用于红外成像制导半实物仿真[1-3]。但制导仿真和制导对抗仿真对场景产生器的要求不同,在制导仿真中,红外场景产生器与五轴转台(外两轴)一起,主要用于模拟目标的运动特性,而制导对抗仿真的重点是场景红外辐射特性仿真,一方面对场景产生器的温度分辨率、空间分辨率、动态范围、均匀性等性能有更高要求；另一方面,在应用中,对工作参数设置、标定、红外辐射亮度图像转换为红外场景产生器驱动信号的转换模型等有特殊要求。因此,红外场景产生器在红外成像制导对抗半实物仿真中的应用还处于起步阶段,一些应用方面技术问题需进行研究。本文讨论红外成像制导对抗仿真中双DMD红外场景产生器应用有关技术问题。

本文需用到积分红外辐射量(如亮度、功率、能量等),其定义为:设导引头峰值光谱响应率为R0,归一化光谱响应率为Rn(λ),则积分红外辐射量X计算公式(Xλ为光谱红外辐射量)为:

(1)

2 双DMD红外场景产生器工作原理

双DMD红外场景产生器主要由A路DMD组件、B路DMD组件、光路合束器件、投射光学系统等组成,其中DMD组件主要由DMD器件、照明黑体、背景黑体、驱动控制电路、结构件等组成,B路DMD组件的照明黑体工作温度指标高于A路。DMD器件是一个半导体光空间分布调制器,采用铝溅射工艺在半导体硅片上生成微米量级的方形微镜面(反射面),数以百万计的微镜面用铰链结构在硅片衬托的CMOS存储器芯片上建造微镜面阵列[4-6]。工作时,微镜面由静电驱动在“开态”(反射照明黑体辐射)、“关态”(反射背景黑体辐射)间进行偏转状态切换,不工作时,微镜面处于“平态”,如图1所示。

图1 DMD器件微镜面多态原理示意图

场景产生器红外红外辐射投射及导引头探测方程(场景产生器驱动信号为均匀灰度图像)为:

单路工作时,场景产生器投射的红外光谱辐射亮度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为导引头探测器积分时间；EHλ,ELλ分别为DMD每个微镜面“开态”、“关态”时反射照明黑体、背景黑体的红外光谱辐射功率；L0λ为场景产生器背景红外光谱辐射亮度,主要由DMD衬底辐射、场景产生器光学系统辐射及内部结构件散射、辐射贡献；η为调制时间占比,其值等于tH/τ,且与驱动信号灰度值成正比；ζ为固定系数,大小由微镜面尺寸、占空比和场景产生器光学透光率等决定。

导引头在线性工作区内,探测输出的灰度图像灰度值d为:

d=R0Ln+b

=ζ(EHn-ELn)ηR0+ζELnR0+L0nR0+b

(3)

式中,Ln,EHn,ELn,L0n分别为Lλ,EHλ,ELλ,L0λ的积分辐射量；R0,b分别为导引头峰值光谱响应率和输出的本底灰度值。

双路工作时,导引头探测输出的灰度图像灰度值d为:

d=[ζA(EHnA-ELnA)ηA+ζB(EHnB-ELnB)ηB]·

R0+(ζAELnA+ζBELnB)R0+L0nABR0+b

(4)

式中,下标A、B分别为A路、B路的相应参数；L0nAB为场景产生器双路工作时的背景积分辐射亮度。

3 红外场景产生器应用有关要求及其实现措施

在红外成制导对抗仿真中,必须采取措施,保证红外场景产生器的应用满足以下4个方面的要求。

3.1 红外辐射信号能量特性逼真模拟

在场景积分红外辐射亮度保真仿真区内,导引头探测输出的灰度图像任意两像元r1、r2的灰度值应满足公式(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为一次制导对抗仿真过程中场景积分红外辐射亮度基础值,不大于场景积分红外辐射亮度的最小值,并且积分红外辐射亮度为Ld时,场景产生器微镜面调制时间占比η为0。

由公式(6)可见,η与(Li,j-Ld)为正比关系,与Li,j为线性关系。

(7)

(8)

通过将场景产生器照明黑体工作温度设置为合适值,对场景产生器进行精确标定,采用正确的场景积分红外辐射亮度-驱动信号转换模型等措施来实现上述要求。

3.2 导引头工作在线性区,且探测输出的灰度图像基础灰度值最小化

在场景积分红外辐射亮度保真仿真区内,红外场景产生器投射的红外辐射应在导引头线性响应范围内,且导引头探测输出灰度图像的基础灰度值(即:一次制导对抗仿真过程导引头探测输出的灰度图像的最小灰度值)最大限度地降到最小。

由公式(3)和(6),可得基础灰度为db:

db=-LdR0+ζELnτR0+L0nR0+b

(9)

根据公式(9),降低基础灰度值的主要方法措施为:一是场景积分红外辐射亮度基础值Ld取值尽量触顶；二是红外场景产生器背景黑体工作温度尽量降低；三是场景产生器内部采用有效的隔热和散热措施,避免照明黑体热量因传导等方式导致场景产生器内部结构件和光学系统升温,必要时采取控温降温措施,同时,光路设计要避免照明黑体辐射经内部表面散射进入导引头。

3.3 红外场景产生器量化动态范围充分利用

设红外场景产生器最大调制时间分辨率trmin,则红外场景产生器量化动态范围达到8 bit以上的前提是需要满足公式(10):

τ/trmin≥255

(10)

增加导引头探测器积分时间,或提升场景产生器最大调制时间分辨率性能,有利于更充分的利用红外场景产生器量化动态范围。红外导引头探测器积分时间调节范围是有限的,特别是长波红外导引头探测器积分时间小,而且使用时增大积分时间可能会导致探测器饱和或远离线性工作区,因此,DMD场景产生器一般用于中波红外成像制导对抗仿真。目前DMD场景产生器还不适合具有积分时间自适应动态改变功能的导引头的相关仿真试验。

另外,还需要保证场景产生器与导引头严格的帧同步,需要将照明黑体工作温度设置为合适值,工作温度偏高,实际使用场景产生器量化动态范围,而工作温度偏低,又满足不了场景积分红外辐射亮度模拟动态范围要求。

3.4 强辐射干扰效应等效模拟

强辐射干扰(激光干扰、阳光、高温红外诱饵等)对导引头的干扰会导致强信号、饱和、串扰、致眩、致盲等效应,在制导对抗仿真中,要保证导引头探测到的干扰图像等效,等效的原则是对导引头图像信息处理结果的影响可以接受。导引头探测输出的灰度图像中,较大灰度值可以等效对应强信号干扰效应,接近饱和灰度值可以等效对应饱和、致眩、致盲干扰效应,正常灰度值、较大灰度值或接近饱和灰度值区域可以等效对应不同程度的串扰等效。通过在红外图像仿真中采用合适的强辐射干扰效应仿真方法与模型,场景产生器工作参数(特别是照明黑体工作温度)设置为合适值,以及采用正确的场景积分红外辐射亮度-驱动信号转换模型等措施实现这一要求。

4 双DMD红外场景产生器工作参数设置与标定

4.1 工作参数设置

在每次制导对抗仿真前,需要设置或确认红外场景产生器调制时间分辨率tr、背景黑体工作温度和照明黑体工作温度等工作参数。

4.1.1 调制时间分辨率tr设置

红外导引头探测器积分时间τ确定后,调制时间分辨率tr一般设置为τ/255(τ/trmin≥255情况),或者为trmin(τ/trmin≤255情况)。tr确定后,场景产生器驱动信号量化等级Cr为(floor()为取整函数):

Cr=floor(τ/tr)

(11)

4.1.2 黑体工作温度

背景黑体工作温度最大限度地设置为最低,至少应低于仿真试验工作环境温度5～10 ℃。照明黑体工作温度与场景积分红外辐射模拟要求及场景积分红外辐射亮度-驱动信号转换模型有关,设置方法与步骤在第5节阐述。

4.2 场景产生器标定

采用被试或配试导引头直接对场景产生器进行标定。相比采用标准红外光谱辐射计标定,采用被试或配试导引头标定,可减少中间环节误差,省去相关修正模型,简化照明黑体工作温度设置方法步骤。标定工作在场景产生器和导引头的工作参数固定后进行。

4.2.1 单路(一般为A路)工作模式

以灰度值为ei的均匀图像为场景产生器驱动信号,采集导引头探测输出的灰度图像灰度值di。其中,i=1,2,…,K,e1=0,eK=Cr。基于(di,ei),拟合得到d=g(e)标定函数。

4.2.2 双路工作模式

5 场景辐射亮度图像与驱动灰度图像转换模型

5.1 单路工作模式转换模型

5.1.1 通用三段转换模型及其用例

把一次制导对抗仿真过程场景积分红外辐射亮度分布范围[Ld,Lu]划分3个区间,区间1、2、3的积分红外辐射亮度区间分别是[Ld,L1]、[L1,L2]和[L2,Lu],Ld为积分红外辐射亮度下限值,不大于一次制导对抗仿真过程仿真生成的积分红外辐射亮度图像最小亮度值,Lu为积分红外辐射亮度上限值,不小于一次制导对抗仿真过程仿真生成的积分红外辐射亮度图像最大亮度值。区间2采用场景积分红外辐射亮度保真仿真转换模型,区间1、3采用d与L线性关系转换模型。

设积分红外辐射亮度为Ld、L1、L2、Lu的均匀图像时,对应场景产生器驱动信号灰度值分别为0、e1、e2和Cr,导引头探测输出的灰度图像灰度值分别为dd、d1、d2和du,且dd=g(0)、du=g(Cr),则:

区间1转换模型为公式(12):

ei,j=

g-1((Li,j-Ld)(d1-dd)/(L1-Ld)+dd)

(12)

区间2转换模型为公式(13)或(14):

(Li,j-L1)R0=g(ei,j)-d1

(13)

ei,j=g-1((Li,j-L1)R0+d1)

(14)

区间3转换模型为公式(15):

ei,j=

g-1((Li,j-L2)(du-d2)/(Lu-L2)+d2)

(15)

式中,g(),g-1()分别为单路工作模式场景产生器标定函数和标定函数逆函数。Ld,L1,L2,Lu和e1,e2和Cr在仿真试验设计阶段确定,dd,d1,d2和du在场景产生器照明黑体工作温度确定后,由被试或配试导引头探测得到。

通用三段转换模型有5种用例:

用例1:完整三段转换模型。该用例主要用来保证场景积分红外辐射亮度关注区保真仿真,避免不受关注的场景积分红外辐射亮度暗区和亮区占用场景产生器过多动态范围。

用例2:单段保真转换模型。当L1=Ld,L2=Lu；e1=0,e2=Cr；d1=dd,d2=du时,通用三段转换模型简化为单段保真转换模型。若场景积分红外辐射亮度在[Ld,Lu]范围内分布比较均匀,且需要进行全部保真仿真,采用单段保真转换模型。

用例3:前两段转换模型。当L2=Lu,e2=Cr,d2=du时,通用三段转换模型简化为前两段转换模型。该用例主要用于避免不受关注的场景积分红外辐射亮度暗区占用场景产生器过多动态范围。

用例4:后两段转换模型。当L1=Ld,e1=0,d1=dd时,通用三段转换模型简化为后两段转换模型。该用例主要用于避免不受关注的场景积分红外辐射亮度亮区占用场景产生器过多动态范围。

用例5:单段线性转换模型。当L1=L2=Ld,e1=e2=0,d1=d2=dd时,三段转换模型简化为单段线性转换模型。该用例主要在双路工作模式下B路的转换模型。

5.1.2 单路工作模式转换模型用例及照明黑体工作温度设置方法步骤

单路工作模式下,在一次制导对抗仿真中,需根据场景积分辐射亮度值分布情况,选择用例1～4中的一种转换模型用例。

单路工作模式下,照明黑体工作温度设置方法与步骤如下:

① 确定导引头探测输出的灰度图像灰度值误差容限Δd2y；

② 导引头与红外场景产生器开机工作,完成好对接；

③ 将照明黑体工作温度设置为TH并稳定工作；

⑤ 判断照明黑体工作温度TH是否合适:

5.2 双路工作模式转换模型

(16)

(17)

双路工作模式下,A路可采用单段保真转换模型或前两段转换模型用例,B路可采用单段保真转换模型、后两段转换模型或单段线性转换模型用例。当场景中没有强辐射干扰信号时,B路采用单段保真转换模型或后两段转换模型用例；当场景中含有强辐射干扰信号时,B路采用单段线性转换模型用例,用来等效模拟强辐射干扰的红外辐射特性。

A路照明黑体工作温度设置方法与步骤同单路工作模式,设置过程中,B路驱动信号为灰度值为0的均匀图像。

B路采用单段保真转换模型或后两段转换模型用例时,照明黑体工作温度设置方法与步骤同单路工作模式,设置过程中,A路驱动信号为灰度值为Cr的均匀图像。

B路采用单段线性转换模型用例时,照明黑体工作温度设置方法为:当A路和B路驱动图像均为灰度值为Cr的均匀图像时,导引头探测输出的灰度图像灰度值应不小于预设值dmax,且导引头未达到饱和,或接近饱和但无串扰。

6 结 语

DMD(特别是双DMD)红外场景产生器用于红外成像制导对抗半实物仿真还处于初步阶段,为更好满足仿真精度和逼真度要求,在应用中如何发挥好场景产生器使用效能,也是值得进一步深入研究的问题。总体上,场景产生器的性能还没有达到完全满足制导对抗仿真对场景红外辐射特性模拟的要求,难以兼顾强辐射干扰(如激光干扰)和目标背景红外特性的逼真模拟,因此,本人主张红外成像制导对抗仿真应采用注入式(仿真生成的包含目标、背景、干扰、大气、光电成像传感器等要素的数字图像注入到导引头图像信息处理机)为主、辐射式为辅的方法。