256×256元MOS 微电阻阵列动态场景生成装置

赵松庆， 吴根水， 刘晓宁， 李　睿， 陈海燕

(1.中国空空导弹研究院， 河南 洛阳 471009; 2.航空制导武器航空科技重点实验室， 河南 洛阳 471009)



256×256元MOS 微电阻阵列动态场景生成装置

赵松庆1， 2， 吴根水1， 2， 刘晓宁1， 2， 李睿1， 2， 陈海燕1， 2

(1.中国空空导弹研究院， 河南 洛阳 471009; 2.航空制导武器航空科技重点实验室， 河南 洛阳 471009)

摘要：基于MOS电阻阵列的动态场景生成装置所生成的红外动态图像具有帧频高和动态范围宽等优点。 且装置体积小、 质量轻、 抗振抗冲击能力强， 是红外制导半实物仿真系统目标/干扰环境模拟器的优选之一。 本文介绍了256×256元MOS 微电阻阵列动态场生成装置的系统组成、 工作原理、 设计方法和达到的技术状态， 可以为制导武器半实物仿真红外成像目标模拟器的设计提供参考。

关键词：256×256元; MOS电阻阵列; 场景生成装置

0引言

成像制导技术具有制导精度高、 隐蔽性好、 抗干扰能力强、 作用距离大、 “打了不用管”和可选择攻击目标的要害部位等突出特点， 近年来发展十分迅速。 红外成像制导武器系统研制， 迫切需要对红外目标环境特性仿真领域的一些关键技术进行深入地研究与突破， 在此基础上研制相应的半实物成像制导仿真系统， 以便有效地对成像制导武器系统的性能进行全面测试与评定。

美国的陆军航空和导弹司令部(AMCOM)高级仿真中心(ASC)、 陆军航空和导弹研发工程中心(AMRDEC)等都建有红外成像半实物仿真系统， 目标环境模拟系统的核心部件是能够产生高逼真度虚拟动态红外图像的大规模动态红外景象产生器件(DIRSP)， 所拥有的成像仿真系统都大量采用了大规模微型电阻阵列器件作为其核心元部件。

微型电阻阵列器件是一种大功率红外辐射器件， 由具有红外辐射功能的大规模像素单元阵列构成， 这种辐射像素利用先进的MEMS制造技术加工而成， 具有空间分辨率和温度分辨率高的优点， 可以产生高逼真度的动态红外图像。 目前美国军方所使用的微型电阻阵列规模已达到1024×1024， 1536×768， 中波表观温度模拟范围150～750 K， 长波表观温度模拟范围150～600 K， 温度分辨率0.02 K， 帧频200～400 Hz。 在微电子技术和微纳加工技术高速发展的背景下， 这种器件还将继续保持其红外成像半实物仿真领域的领导者地位。

基于MOS电阻阵列的成像目标模拟器的研制， 西方国家特别是美国， 一直在发展, 并已经在仿真实验室中使用。 在美国Naval Air Warfare Center， 已经建立了红外成像仿真实验室， 采用五轴转台和基于MOS电阻阵列的景像模拟器如图1所示。 美国格鲁门(GRUMMAN)公司的制导半实物仿真系统框图如图2所示。

图1　美国Naval Air Warfare Center研制的景像模拟器在仿真试验室的应用

图2　美国格鲁门公司的制导半实物仿真系统框图

国内在红外制导半实物仿真领域也有所发展， 红外动态场景模拟技术先后发展了红外CRT、 MOS微电阻阵列、 红外液晶光阀、 DMD微镜阵列和光纤面阵等多项技术。 本文较详细地叙述了256×256元MOS微电阻阵列动态场景模拟器的系统组成、 工作原理、 设计方法以及达到的技术状态。

1MOS微电阻阵列动态场景生成装置的组成及系统工作原理

MOS微电阻阵列动态场景生成装置是由图像生成计算机、 通讯系统、 控制驱动器、 MOS微电阻阵列图像转换器和红外光学匹配投射系统组成， 其系统组成框图如图3所示。

图3　场景生成装置系统方框图

图像生成计算机接收由仿真计算机计算的目标与导弹的位置和姿态数据、 大气等参数， 依据目标环境特性参数， 计算出红外目标环境的图像数据。 图像逻辑控制及驱动器接收图像生成计算机给出的红外目标的图像数据， 通过控制器的格式转换， 将数据送往驱动器。 与此同时， 控制器还要给驱动器产生MOS电阻阵所需要的行、 列扫描信号， 由驱动器驱动MOS电阻阵产生256×256元像素的红外热图。 最后， 由MOS 电阻阵列红外图像转换器生成的红外目标环境动态热图， 经红外光学匹配投射系统传输给红外图像制导武器系统， 经其光学接收系统成像于武器系统角平面上。

2图像逻辑控制及驱动器

图像逻辑控制及驱动器的主要功能是接收图像生成计算机生成的图像数据， 然后通过嵌入式控制器将图像数据转换为与MOS电阻阵匹配的数据格式， 并产生MOS电阻阵需要的列扫描信号， 最后, 将列扫描信号和转换后的图像数据送给驱动器来驱动MOS电阻阵工作。 其组成原理框图见图4。

2.1　逻辑控制

逻辑控制包含了嵌入式控制器、 数据缓冲器、 同步控制电路、 数据格式转换电路和列扫描生成电路几部分。 嵌入式控制器将接收到的数据送入数据缓冲器中， 同时通过同步控制电路与其他逻辑控制电路保持同步。 数据缓冲器主要是对图像数据起缓冲作用。 为了保证实时性， 数据缓冲器采用乒乓方式， 即数据缓冲器有两个区， 当嵌入式控制器向A区写数据同时， 数据格式转换电路从B区取走数据用于显示； 而当嵌入式控制器向B区写数据同时， 数据格式转换电路从A区取走数据用于显示。

图4　图像逻辑控制及驱动器组成原理框图

同步控制电路主要用于各逻辑控制电路之间的同步。 数据格式转换电路用于图像数据的格式转换。 由于图像生成计算机生成的原始图像数据格式不能满足直接驱动MOS电阻阵的要求， 而在计算机内通过软件将原始图像数据格式转换为能够驱动MOS电阻阵的数据格式极为耗时， 这破坏了系统的实时性。 因此， 必须通过硬件逻辑电路方式来完成。

行、列扫描信号生成电路主要产生驱动MOS电阻阵所需的256路行扫描信号和列扫描信号。 在设计逻辑控制电路时， 由于逻辑关系复杂， 如果使用中小规模逻辑电路来实现其功能， 必然会使电路尺寸过于庞大， 不便于安装、 调试。 本方案中利用了大规模可编程电路(FPGA/CPLD)来实现其主要的逻辑功能， 这样可以减小电路尺寸， 控制设备的体积。

2.2　驱动控制

驱动控制电路主要将经过格式转换的图像数据送给D/A电路， 并配合列扫描驱动电路来驱动MOS电阻阵。 256路的D/A转换电路和列扫描驱动电路是驱动电路的核心。 由于MOS电阻阵行的驱动信号电压随不同器件而不同， 因此D/A转换器输出的电压可程控调节。 通过两种方法可实现调节： 一是程控调节D/A转换器输出放大器增益； 二是程控调节参考电压源。

3图像生成软件系统构成

图像生成软件系统构成模块如图5所示。 该软件系统流程框图如图6所示， 其具体流程如下：

图5　图像实时生成软件系统构成模块

图6　图像生成软件系统流程图

(1) 自检与初始化用于完成软件系统的自检和初始化， 以及基本参数设置；

(2) 数据库建立和编辑主要对目标库(各种机型3DS模型)、 环境库(含一切非目标模型)、 运动学算法库(目标动态变换库)、 电阻阵修正数据库(包含修正算法)的管理、 建立、 添加与删除；

(3) 目标红外图像生成是根据目标模型和各种参数条件， 经过一定运算， 生成目标图像；

(4) 环境图像生成用于模拟实战中除要攻击的目标以外的各种环境条件， 如山川、 云层、 太阳角、 干扰弹、 建筑物、 非目标飞机等， 通过摄影采集和处理， 生成多种环境条件， 建立环境数据库；

(5) 目标与环境图像合成是按照一定条件产生红外场景图形数据文件， 供实时输出调用；

(6) 动态图像输出和显示仿真可视化显示， 并将图形数据输出到驱动控制器， 产生红外热图像；

(7) 修正数据获取和处理是通过红外热像仪测试MOS电阻阵的电热性能， 获取电阻阵单元的Vs-T曲线， 经过处理， 建立修正数据文件(库文件)；

(8) 修正数据算法和输出根据仿真设定的亮度、 对比度和导弹与目标间距(大气条件)， 选用修正数据的数据文件， 计算出当前修正数据文件， 并送往驱动器控制器， 以便实时修正调用。

4MOS 微电阻阵列图像转换器

256×256元MOS微电阻阵列图像转换器， 由256×256元MOS微电阻阵列芯片、 真空环境箱系统和衬底冷却系统组成， 用于完成数字图像向红外图像的转换。

256×256元MOS微电阻阵列芯片是图像转换器的核心， 由2个128位移位寄存器、 16个16位多路传输器和256×256个电阻阵列基本单元组成， 接收驱动控制器的控制产生红外图像。

4.1　电阻阵列基本单元

基本电路单元如图7所示。 每个单元除了微型电阻R外， 还包括两个MOS晶体管T1， T2。 传输门T1用作输送模拟控制信号Vs； 驱动管T2与R构成源极跟随器结构， 给微型电阻提供足够的加热电流。 当T1被选通打开时， 信号Vs经T1传输到T2栅上， T2以相应电流给电阻R加热。 当T1关闭时， 存贮在电容C上的电荷经T2的漏电阻缓慢放电， 在放电时间之内， T2可维持给电阻加热。

图7　电阻阵列基本单元

4.2　阵列总体结构

256×256电阻阵列器件被分为左右两个完全相同的独立子模块分别进行控制和驱动， 每个子模块的阵列规模为256×128元， 子模块外围各自集成了1个提供横向扫描选通时序的128位移位寄存器和16个由16位移位寄存器和16个传输门构成的16位多路传输器以提供纵向扫描选通时序及串行模拟控制信号， 这样的分组设计可减少芯片的外部引脚数量， 提高器件的实用化程度。 器件的总体电原理图如图8所示。 首先由横向128位移位寄存器选通某列的所有单元， 然后在该列被选通期间， 16个纵向16位多路传输器同时由各传输器所控制的16行单元中的第一行开始扫描， 扫描到某单元时， 相应的串行模拟驱动电压Vs(n)就通过多路传输器注入到该单元的保持电容上， 直到各组全部16个单元都被驱动过之后， 横向移位寄存器转而驱动下一列单元， 再开始新一轮驱动， 如此循环往复， 前面驱动过的单元将依靠单元中的保持电容继续维持驱动电压， 直到下一帧来临时， 驱动信号才能得以刷新。

图8　256×256元MOS电阻阵列总体电路原理图

4.3　MOS电阻阵列芯片结构

微辐射体为多层复合薄膜结构， 内嵌多晶硅加热体， 复合薄膜形成后， 采用特殊工艺将薄膜下面的硅衬底挖空， 使薄膜成为架空的桥体结构。 这样的结构具有一定的隔热性能， 同时也保持了有效的热传导途径， 在一定的热功率输入下， 可以比较快速地达到很高的表面温度。 根据最初的试验结果， 微辐射体设计为两条腿支撑结构如图9所示， 微辐射体桥面为长方形，整个微辐射体(含桥腿)在一个像素中的占空比约为15.76%。256×256电阻阵列芯片实物图见10， 电镜拍摄的256×256电阻阵列芯片实物局部显微照片见图11。

图9　微辐射体结构

图10　MOS电阻阵列实物图片

图11　电镜拍摄的MOS阵列实物局部显微图片

5光学匹配投射系统

光学匹配透射系统的作用是将MOS电阻阵列产生的红外热图像透射到无穷远， 供导弹武器系统接收， 模拟外场效应； 根据导弹光学系统的具体结构， 实现视场匹配、 瞳孔匹配和传递函数匹配， 保证武器系统有效视场内成像清晰， 系统光能充分利用， 图像的分辨率和对比度满足武器系统需求。

视场匹配是指成像模拟器的视场要比武器系统的瞬时视场大约2倍， 因为模拟器具有红外诱饵干扰设施， 要考虑武器系统跟诱饵干扰走， 目标逃逸出武器系统的瞬间视场的试验状态。 视场太大了， 对试验没有必要性， 同时对光学系统提出了更高的要求， 提高了设计难度和加工成本， 也降低了光学系统的光能利用率。

瞳孔匹配是指模拟器的出瞳就是武器接受系统的入瞳， 这样做是为了保证系统的成像质量。 模拟器的出瞳偏小， 武器接收系统像面会出现亮暗不匀， 且容易进入散杂光； 出瞳偏大， 同样会增加光学匹配系统的制造难度， 增高制造成本造成不必要的浪费。 工程上， 考虑两个系统的对中性会出现偏差， 往往会将模拟器的出瞳作适当放大。

传递函数匹配是指光学匹配系统要满足图像的生成、 传递、 接收与处理整个系统的需求。 模拟器系统包括目标场景生成系统和光学投射系统两部分。 由目标场景投射系统出射的无限远目标场景通过制导武器接收系统接收， 并经过图像预处理和图像特征提取、 图像识别、 跟踪、 输出目标在导弹坐标系中的位置信息。 也就是说： 整个系统输入为红外目标/干扰环境特性数据， 包括目标辐射特性、 相对距离、 目标的运动姿态变化规律和大气传输特性， 输出为目标在弹体坐标系中的位置信息， 中间环节即为图像生成、 传递、 接收以及预处理过程， 整个系统的传递函数关系如下：

Hs(u,v,ω)=Hsg(u,v,ω)·Hu(u,v,ω)·

Hc(u,v,ω)

(1)

Hsg(u,v,ω)=Hf(u,v,ω)·Hp(u,v,ω)·

[comb(u,θpa)·comb(v,θpb)·comb(ω,tp)

(2)

Hp(u,v)=sinc(u,θpa)·sinc(vθpb)

(3)

Hu(u,v)=Hopt(u,v)·Hd(u,v,ω)·

[comb(u,θua)·comb(v，θub)·comb(ω,tu)]

(4)

式中：Hs为系统传递函数；Hsg为目标场景生成装置传递函数；Hu为图像接收系统传递函数；Hc为图像处理(包括预处理、 特性提取、 图像识别、 模式跟踪等)传递函数；Hf为计算机场景生成系统传递函数；Hp为电阻阵列器件传递函数；tp为目标景物元辐射帧像周期；tu为探测元采用点像周期；u，v为位置坐标频谱；ω为时间频谱； comb(u，θpa)·comb(v，θpb)·comb(ω，tp)为电阻阵面图像函数频谱；Hopt为复合光学系统(包括投射系统和武器接收系统)传递函数；Hd为探测器探测元的传递函数； comb(u，θua)·comb(v，θub)·comb(ω，tu)为探测器阵面图像函数频谱。

(5)

(6)

(7)

(8)

光学匹配透射系统传递函数的取值方法： 先用标准黑体辐射源和反射式平行光管对武器接收系统进行定标， 标定出武器接收系统所能分辨景物的空间分辨率和调制对比度； 再用热像仪、 标准黑体辐射源和反射式平行光管， 对计算机生成系统、 控制系统和图像转换器组成的图像生成系统进行比对测量， 测出图像生成器所生成场景的空间分辨率和调制对比度， 光学匹配投射系统的空间分辨率， 取MOS电阻阵列像元间距尺寸2倍的倒数， 调制对比度， 取对应空间分辨率条件下的接收系统图像对比度与生成系统图像对比度的比值。

6图像技术指标和图像生成效果

MOS电阻阵列像元素动态响应曲线如图12所示， 256×256元MOS微电阻阵列动态场景生成装置的主要技术参数如表1所示， 某半实物仿真系统中的电阻阵列动态场景模拟器实物图如图13所示， 热像仪接收到的256×256元MOS微电阻阵列动态场景生成装置生成的目标红外热图像如图14所示。

图12　MOS电阻阵列像元素动态响应曲线

表1　256×256元MOS微电阻阵列图像转换器技术参数

图13　某半实物仿真系统中的电阻阵列动态场景模拟器

图14　256×256 MOS电阻阵列红外动态场景生成装置产生的红外目标热像图片

7结论

基于MOS电阻阵列的动态场景生成技术是因红外制导武器半实物仿真需求而衍生的， 针对性强， 装置生成的红外动态图像帧频高、 动态范围宽， 且装置体积小、 质量轻、 抗振抗冲击， 因此无论在国内还是国外， 很多制导武器半实物仿真实验室， 纷纷采用基于MOS电阻阵列的动态场景生成装置作为红外目标/干扰环境模拟系统的硬件， 迄今为止， 基于256×256元MOS微电阻阵列动态场景生成装置已经在国内多个红外型号半实物仿真试验中发挥了重要作用。

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256×256 Unit Element MOS Minute Resistance Array

Dynamic Scene Producing Device

Zhao Songqing1，2， Wu Genshui1，2， Liu Xiaoning1，2， Li Rui1，2， Chen Haiyan1，2

(1.China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China； 2. Aviation Key Laboratory of Science and

Technology on Airbone Guided Weapons， Luoyang 471009， China)

Abstract:The infrared dynamic image generated by the dynamic scene generation device based on MOS resistor array has the advantages of high frame rate and wide dynamic range. This device has small size,light weight and strong ability to resist vibration stock.It is one of the optimization of the target/jamming environment simulator in the hardware-in-the-loop simulation system of infrared guidance system. The system composition, operational principle, design technique and technical status of the 256×256 unit element MOS minute resistance array dynamic scene producing device are introdued in this paper. It can provide a reference for the design of the infrared hardware-in-the-loop simulation of the guided weapon.

Key words:256×256 unit element; MOS resistance array; scene producing device

作者简介：赵松庆(1964-)，男，河南新安人，高级工程师，研究方向为红外制导仿真目标特性模拟技术。

收稿日期：2015-08-13

中图分类号：TN214

文献标识码：A

文章编号：1673-5048(2015)06-0040-06