一种四套DMD叠加成像的高对比度红外景象生产方法和系统

摘要

本发明公开了一种四套DMD叠加成像的高对比度红外景象生成方法和系统。根据说明书摘要附图所示，建模时产生灰度级为1296的图像，图像数据以DVI协议传输至图像处理模块，图像处理模块将数据以6乘6矩阵进行合并，将合并后数据进行36求平均数，平均数对36取余，商数与余数分别对应两套DMD中6乘6像素镜片中翻转镜片的个数。商数为余数对应DMD能量的36倍。在图像处理单元增加商与余数的复制输出，每增加两套红外DMD动态图像转换器和红外分束器，使之满足相同的空间位置关系和光强关系，既可将生成的动态红外景象的对比度提高两套DMD辐射能量的一倍。本发明可用于帧周期范围内任意积分时间、高对比度的基于DMD的红外景象模拟器的研制。

说明书

技术领域

本发明属于红外传感器技术领域，具体涉及一种用于室内条件下进行红外成像传感器功能和精度半实物仿真测试的一种四套DMD叠加成像的高对比度红外景象生产方法和系统，是一种基于四套DMD显示图像在物面叠加的红外景象生成方法。

背景技术

红外成像传感器广泛应用于天文学、空间科学、夜间观察、红外成像制导、搜索、跟踪、告警以及科学实验中。为了测试用于卫星、红外成像导引头、红外搜索与跟踪系统、红外告警系统的红外成像传感器的性能，需要在实验室内为器提供一定的与使用条件匹配的红外景象作为输入图像，使红外成像传感器产生一定的输出，进行半实物仿真测试。数字阵列器件（DigitalMicromirrorDevices,DMD）可产生宽波段红外光学景象。美国光科公司最早将DMD用于中波红外和长波红外景象的产生（ProceedingsofSPIE,TechonlogiesforSyntheticEnvironments）。申请者也开发出基于DMD的红外景象模拟器(红外与激光工程，2008,37（5）：753)。现在的基于DMD的红外景象模拟器主要由图形工作站1、红外DMD动态图像转换器3和红外成像光学系统4组成，其成像原理如说明书附图1所示。红外DMD动态图像转换器包含黑体6、红外光源光学系统7、DMD8和红外DMD动态图像转换器的驱动器9。红外DMD动态图像转换器的驱动器接收图形计算机输出的数字图像信号，驱动DMD工作。DMD通过调制光源发出的经红外光源光学系统汇聚的光将图形工作站输出的数字图像信号转变为红外辐射图像，在由红外成像光学系统成像在成像面，待测试的红外成像传感器的探测面位于成像面，共光学成像传感器系统仿真测试使用。

DMD通常采用脉宽调制实现对图像灰度的控制。在一帧时间内，DMD根据驱动器输入的脉宽信号，通过控制DMD的微镜反射照射其上的光进入成像光学系统的时间来实现对像素灰度的数字控制。

随着红外成像传感器的发展，红外成像传感器的积分时间越来越短。这意味着，在一帧时间内，只有在红外成像传感器的积分时间内控制DMD的微镜反射照射其上的光进入成像光学系统的时间才是有效的。例如，对于积分时间只有500μs的红外成像传感器，需要在500μs内通过脉宽调制完成对像素灰度的数字控制。但是，现有的DMD及其驱动器控制1个微镜处于开态（能够反射照射其上的光进入成像光学系统的状态）的最短时间通常为7.5μs，因此，DMD的微镜反射光进入成像光学系统的最短时间通常为7.5μs，在加上每一位的成像加载时间30.72μs与复位时间12.5μs。根据以上参数计算可得出，在500μs积分时间内通过脉宽调制方式最多只能实现32级灰度。图像加载时间与复位时间最少占据整个有效图像显示时间的17.288%，导致原本积分时间就短，却还要在DMD加载与复位上损失17.288%有效显示时间。另一方面，在进行半实物仿真测试时，需要提供更高的对比度红外景象，以提高半实物仿真测试的逼真度，保证探测器不饱和。因此，现有的基于单个DMD的红外景象生成方法无法在帧频范围内任意时间内，通过脉宽调试方法生成高对比度的红外景象。

发明内容

为了解决单套DMD积分时间固定，对比度不强的问题，本发明提供了一种四套DMD叠加成像的高对比度红外景象生产方法和系统，是一种基于四套DMD显示图像在物面叠加的红外景象生成方法，可用于短积分时间内高对比度的DMD红外镜像模拟器的研制。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

图形工作站1在建模时，将灰度级为1296级的灰度图像高3位建模到G（绿色）色彩通道的低3位上，将低8位建模到R（红色）色彩通道8位上；

图像处理单元2在接收到图形工作站发送的建模信息后，将G色彩通道低3位与R色彩通道8为数据进行拼接产生一个新的11位灰度图像数据。在将此11位图像数据进行6乘6矩阵像素合并，合并结果对36取商，商数送入红外DMD动态图像转换器3-1中对应6乘6矩阵镜片翻转，余数送入红外DMD动态图像转换器3-2中对应6乘6矩阵镜片翻转。再将商数复制后送入红外DMD动态图像转换器3-3中，将余数复制后送入红外DMD动态图像转换器3-4中；

四套红外DMD动态图像转换器3-1、3-2、3-3、3-4分别将所接收到的数字图像信息经过DMD一次翻转通过红外分束器转换为一副1296级灰度的红外辐射图像；

四套红外DMD动态图像转换器均包含红外光源6、红外光源光学系统7、位于红外成像光学系统4物面上的DMD8和红外DMD动态图像转换器的驱动器9；

DMD8采用单次翻转，依靠图像处理单元、红外分束器以及红外光源系统对能量的调节以及图像像素合并方法实现对图像灰度的控制；

四幅红外辐射图像在物面上叠加，对应像素点重合；

四幅红外辐射图像经过其后面的红外分束器5-1、5-2、5-3合束，在经过红外成像光学系统4成像在成像面11上；

通过设计红外分束器5-1，5-2，5-3的反射率和透射率以及选择红外DMD动态图像转换器的光源强度，使位于红外分束器5-1与红外成像光学系统4之间的任意一个与光轴垂直的面10上的光强满足关系E1/E2=36、E3/E4=36。E1为第一套红外DMD动态转换器3-1的DMD8处于开态的一个像素经过第二红外分束器5-2反射和第一红外分束器5-1透射后在面10上的光强，E2为第二套红外DMD动态转换器3-2的DMD8处于开态的一个像素经过第一红外分束器5-1、第二红外分束器5-2透射后在面10上的光强，E3为第三套红外DMD动态转换器3-3的DMD8处于开态的一个像素经过第一红外分束器5-1、第三红外分束器5-3反射后在面10上的光强，E4为第四套红外DMD动态转换器3-4的DMD8处于开态的一个像素经过第三红外分束器5-3透射和第一红外分束器5-1反射后在面10上的光强。从而在该物面上实现1296级灰度对比度为两套DMD动态图像转换器件能量两倍的显示效果，生成具有高对比度（单DMD四倍）动态红外图像。

本发明涉及的一种四套DMD叠加成像的高对比度红外景象生产方法和系统，只需要在图像处理单元增加两路商与余数的复制输出，再增加两套红外DMD动态图像转换器和红外分束器，使之满足相同的空间位置关系和光强关系，既可将生成的动态红外景象的对比度提高两套DMD辐射能量的一倍。

本发明具有以下效果：本发明采用四套DMD动态图像转换器，四套DMD动态图像转换器在物面叠加生成具有单套DMD辐射能量4倍的高对比度动态红外景象。每增加两套红外DMD动态图像转换器和红外分束器，即可将生成的动态红外景象的对比度增加。同时，在帧频范围内任意积分时间的探测器都可以探测到一副完整灰度的红外图像。本发明解决了单套DMD积分时间固定，对比度不强的问题，可用于短积分时间内高对比度的DMD红外镜像模拟器的研制。

附图说明

图1是现有的基于单套DMD的光学景象模拟器的工作原理图。

图2是本发明四套DMD显示图像在物面叠加的红外景象生成方法示意图。

其中序号1是图形工作站，2是图像处理单元，3是红外DMD动态图像转换器3-1、3-2、3-3、3-4，4是红外成像光学系统，5是红外分束器5-1、5-2、5-3，6是红外光源，7是红外光源光学系统，8是DMD，9是红外DMD动态图像转换器驱动器，10是位于红外分束器5-1与红外成像光学系统之间的任意一个与光轴垂直的面，11是待测试红外成像光学系统的成像面。

图3是本发明中图像处理单元像素合成示意图。

将DMD分成若干个6X6像素，每6X6个像素合成为一个大像素，通过打开镜片个数来表示当前灰度。

图4是本发明中图像处理单元像素分配示意图。

图像处理单元2在接收到图形工作站发送的建模信息后，将G色彩通道低3位与R色彩通道8为数据进行拼接产生一个新的11位灰度图像数据。在将此11位图像数据进行6乘6矩阵像素合并，合并结果对36取商，商数送入红外DMD动态图像转换器3-1中对应6乘6矩阵镜片翻转，余数送入红外DMD动态图像转换器3-2中对应6乘6矩阵镜片翻转。再将商数与余数复制后分别送入红外DMD动态图像转换器3-3、3-4中。

具体实施方式

结合图2说明本实施方式，在帧频范围内任意积分时间实现对比度为单套DMD显示4倍灰度级为1296级灰度的红外景象生成。

图形工作站1将一幅灰度级为1296级的灰度图像高3位建模到G（绿色）色彩通道的低3位上，将低8位建模到R（红色）色彩通道8位上；图像处理单元2在接收到图形工作站发送的建模信息后，将G色彩通道低三位与R色彩通道8位数据进行拼接产生一个新的11位灰度图像数据。将此11位图像数据进行6乘6矩阵像素合并(如图3)，合并后求得平均值对36取商，商数送入第一套红外DMD动态图像转换器3-1中对应6乘6矩阵镜片翻转，余数送入第二套红外DMD动态图像转换器3-2中对应6乘6矩阵镜片翻转。再将商数与余数复制后分别送入第三套红外DMD动态图像转换器3-3和第四套红外DMD动态图像转换器3-4中（如图4）；四套红外DMD动态图像转换器3-1、3-2、3-3、3-4分别将所接收到的数字图像信息经过DMD一次翻转转换通过和束成为一幅1296级灰度的红外辐射图像,，DMD在接收到经过图像处理单元处理之后的图像数据将是全0或者全1的8位图像数据，当像素值为全0时，对应DMD微镜片处于关闭状态（不反射能量）。当像素值为全1时，对应DMD微镜片处于开态（反射能量）。

红外DMD动态图像转换器3-1、3-2、3-3、3-4的DMD8都位于红外成像光学系统4的物面上，四幅红外辐射图像在物面上叠加，对应像素重合，保证红外DMD动态图像转换器3-1、3-2、3-3、3-4输出的红外辐射图像经过红外分束器合束，在经过红外成像光学系统后成像在成像面4上。

设红外DMD动态图像转换器3-1的DMD处于开态的一个微镜输出的红外辐射在在第一红外分束器5-1与红外成像系统之间的任意一个与光轴垂直的面10上的光强为E，那么红外DMD动态图像转换器3-2的DMD处于开态的一个微镜输出的红外辐射在第一红外分束器5-1与红外成像系统之间的任意一个与光轴垂直的面10上的光强为36E。由于另外两套红外DMD动态图像转换器3-3,3-4与以上两路相同，因此最终得到最高74E的能量，每增加两套红外DMD动态图像转换器，能量相应增加37E。从而在物面上实现高对比度图像显示效果，生成高对比度红外动态光学景象。

本实施方式中，红外景象生成系统的主要构成如下：图像工作站1、图像处理单元2、四套红外DMD动态图像转换器（3-1、3-2、3-3、3-4）、三个红外分束器（5-1、5-2、5-3）、红外成像光学系统4，图像工作站1与图像处理单元2连接，图像处理单元2与四套红外DMD动态图像转换器连接，三个红外分束器位于四套红外DMD动态图像转换器与红外成像光学系统之间。

本实施方式中，所述的四套红外DMD动态图像转换器均包含红外光源6、红外光源光学系统7、位于红外成像光学系统物面上的DMD8和红外DMD动态图像转换器的驱动器9。

本实施方式中，所述的DMD8采用单次翻转，依靠图像处理单元、红外分束器以及红外光源系统对能量的调节以及图像像素合并方法实现对图像灰度的控制。