基于双MOS电阻阵列的双波段红外图像生成技术研究

陈海燕，赵松庆,2,吴根水,2，郝燕云，李 睿，张 帆

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

0 引 言

为了实现对红外双波段成像制导武器性能的测试和验证，需要开展双波段红外图像生成技术研究。双波段红外图像生成系统能够为导弹提供在两个特定波段内的目标及背景红外热图像，其核心问题在于红外图像生成系统如何生成能被探测器接收到的可调节双波段景像。

国外很早就开始了对双波段红外图像生成系统的研究，美国从2009年开始先后研制成功了基于双微镜阵列(digital micromirror device，DMD)的红外双波段成像目标模拟器[1]、基于垂直共振腔表面发射激光(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)结构的发光二极管(light emitting diode, LED)阵列红外双波段图像生成系统[2]和基于两个像元数均为1 024×1 024 的MIRAGE-XL电阻阵列的红外双波段目标模拟器[3]。国内双波段红外图像生成系统的研究开展相对较晚。2014年,中国空空导弹研究院研制了基于电阻阵列和高温辐射源复合的双色目标模拟系统，其中电阻阵只产生双色目标，另外配置4个独立的双色干扰源。2017年,长春理工大学设计了一种双DMD变焦红外双波段场景模拟器[4]。

目前国内应用较多的红外图像转换装置有3种：DMD、基于微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)的可见光/红外图像转换膜[5-6]和MOS电阻阵列[7-8]等。然而对于对空成像制导武器，基于DMD的双波段红外图像生成系统帧频低，不能满足对空成像制导武器的使用需求。基于转换薄膜的双波段红外图像生成系统还需要可见光照明系统来辅助，因此体积和重量较大，对其在半实物仿真中的使用造成影响。本文基于目前国内在对空制导武器半实物仿真中应用成熟的MOS电阻阵列红外图像转换装置开展工作，提出了一种基于双MOS电阻阵列复合的双波段红外图像生成系统设计方案。

1 工作模式确定

根据国内外现有双波段红外图像生成系统的结构设计，可以总结出它的工作模式主要有2种：

1) 采用一个辐射源直接产生所需波长的双波段景像，经光学准直系统被探测器探测。这种工作原理的双波段目标模拟器结构较为简单，器件相对较少，但是对目标模拟器的制造工艺要求较高。

2) 通过两个目标模拟器分别产生同一景像的两个波段的图像，再经过光束合成镜将两个波段的图像整合，经光学准直系统被探测器接收。该方法虽然对双波段目标模拟器的制作工艺要求不高，易于实现，但它具有两方面的技术难点：一是两个波段的辐射能量覆盖问题；二是两个波段内的图像空间配准问题。

如果采用第一种方法，即用单个MOS电阻阵列产生双波段，目前在技术上受到限制。国外有双波段电阻阵列，而我国目前只有上海技术物理研究所研制的宽波段(2～12 μm)电阻阵列红外图像转换装置，若要实现双波段，只能从光学设计入手。我们曾尝试过在电阻阵内部加波段衰减镜的方式来实现红外目标中波/短波能量比的模拟，但是该方法不能同时满足模拟目标、干扰、背景双波段能量比的要求，另外国内电阻阵列温度动态范围本就偏窄，这种方法更加剧了这个缺点。

如果采用第二种方法，就要解决两个波段间的辐射能量串扰和图像空间配准的问题。两个波段间的能量串扰，即两个波段之间存在着能量覆盖，是双波段模拟器设计中需要解决的重要问题。产生这种现象的主要原因是分束整合器并不能完全分离两个谱段。国内电阻阵列的等效黑体温度动态范围有限(0～250 ℃)，在进行基于双电阻阵列的双波段红外图像生成系统设计时应尽量避免能量的损失，因此，采用独立的“波段滤光镜+合束整合器”的方案是不合适的。

本文提出应用“双电阻阵+透反双波段光束合成镜+准直光学系统”的方式，生成两个波段能量比可任意调节的高帧频双波段红外图像生成系统。采用透反双波段光束合成镜，解决了两个波段光束合束的问题；通过对准测试验证试验，解决了两个波段内的图像空间配准问题。该系统帧频可达200 Hz，灰度等级16 bit，能满足红外双波段对空制导武器特别是近距格斗空空导弹半实物仿真试验需求。

2 基于双MOS电阻阵列的双波段红外图像生成系统技术难点研究

2.1 系统组成

本文设计的基于双MOS电阻阵列的双波段红外图像生成系统的组成见图1。MOS电阻阵列红外图像生成装置是双波段红外图像生成系统的重要组成部分，它将计算机图像生成系统产生的数字图像转换成红外图像。双波段红外图像生成系统由图像生成计算机、2套图像控制驱动器、2套电阻阵列红外图像生成装置和红外光学准直系统等组成。其中，2套电阻阵列红外图像生成装置同时生成宽波段红外动态场景，双电阻阵列合束镜采用波段选择型，透射一个波段，反射另一个波段，这样就合成了一幅双波段红外动态场景图像。最后经过光学准直系统以平行光的形式射出，同时产生双波段图像，供接收系统采集。

图1 基于双MOS电阻阵列的双波段红外图像生成系统组成Fig.1 Dual-band infrared image generation system based on dual MOS resistor array

2.2 透反双波段光束合成镜设计

本文方案中光学系统的设计除了正常的光学设计要求外，考虑到MOS电阻阵列红外图像转换装置的温度动态范围较窄，应尽量保证较高的透过率。因此采用波段滤光镜及光束合成镜完成双波段图像的合成，其中合束镜设计为波段选择型，透射波段A，反射波段B。

在进行光学系统结构设计时，原则是在满足模拟器总体性能要求的前提下，尽可能降低光学结构件的重量。本文设计的红外双波段目标模拟器光路原理示意图见图2。

图2 双波段红外成像生成系统光路示意图Fig.2 Light path of dual-band infrared image generation system

若真实环境中目标A波段辐射亮度LA，B波段辐射亮度LB，目标A/B波段辐射亮度比LA/LB；而电阻阵列模拟器输出的A波段亮度mLA，B波段nLB，A/B波段亮度比为mLA/nLB。那么在模拟真实环境中目标波段亮度比时，可通过调整两个电阻阵列对应像元素的驱动电压来改变像元素亮度，进而改变合束后图像两个波段的亮度和亮度比。即通过调整使透射电阻阵列输出A波段亮度变为nLA，或者使反射电阻阵列输出的B波段亮度变为mLB，最终A/B波段亮度比变为LA/LB，从而满足目标双波段亮度比模拟需求。

2.3 电阻阵列红外图像生成装置双波段辐射特性标定

对MOS电阻阵列在红外双波段探测系统工作波段进行测试，得到其在相应波段的响应曲线，在生成场景时作为数字图像向红外图像转换时的依据。

设计的热像仪测试电阻阵列波段辐射特性的光路图见图3。波段范围涵盖2.0～5.0 μm，在测试镜头前加波段滤光镜，实现对应波段的等效黑体测试，形成电阻阵列灰度(电压)与温度响应曲线。具体方法如下：

1) 用标准黑体对热像仪进行标定，建立积分时间、热像仪图像灰度和黑体温度对应关系，以热像仪图像灰度值处于灰度取值范围的1/3～2/3为宜。测试框选取比点亮的规模每边缩进4个像元素，以规避图像弥散影响，以此结果作为测试区域内的平均值。

2) 对电阻阵列测试时，应进行调整，先使电阻阵列芯片表面与热像仪光轴垂直，再使电阻阵列芯片中心与热像仪视场中心重合，最后调整电阻阵列到热像仪的距离，实现像元素对准调试。

3) 采用电阻阵列测试标定软件驱动电阻阵列和热像仪，进行自动化测试以及数据传输与处理。

4) 对数据进行处理，形成电阻阵列灰度(电压)与温度响应曲线。

图3 电阻阵列波段辐射特性测试成像光路原理图Fig.3 Schematic diagram of imaging optical path of resistor array band radiation characteristic test

2.4 图像像元素空间对准

对双电阻阵图像像元素进行对准。通过调整和电阻阵列固定在一起的多维运动机构，对电阻阵列相对于接收系统的垂轴性、旋转运动和图像清晰度进行调整。

1) 像元素对准检测光路设计

像元素对准检测光路如图4所示。为此还研制了热像仪镜头，以便于图像像元素和热像仪探测元对齐。研制的热像仪镜头焦距满足式(1)，这样能够满足目标模拟器图像像元素和热像仪探测元的整数倍对应。

(1)

式中：a为电阻阵列辐射单元间距；b为红外热像仪探测器阵列探测元间距；fa为目标模拟器光学系统焦距；fb为红外热像仪镜头焦距；k为像元素匹配比。电阻阵列单元规模为256×256元，热像仪探测元规模为320×256元，因此这里选取k=1。

图4 双电阻阵列红外图像生成系统像元素对准调节示意图Fig.4 The image element alignment & adjustment of infrared image generation system with dual resistor array

2) 热像仪光轴与光学准直系统光轴同轴调节

在光学准直系统入口处放置中心有圆孔的平面反光镜，借助于平面反光镜的反光，前后调整热像仪镜头，调焦使热像仪冷反像和中心圆孔像成像清晰，在热像仪显示器中划定圆形测试框，调节热像仪六自由度调整机构，使得热像仪圆性测试框刚好包围热像仪冷反像和中心圆孔像，此时热像仪与光学准直系统光轴同轴，见图5。

图5 同轴性调试结果示意图Fig.5 Schematic diagram of coaxial debugging results

3) 电阻阵列1图像与热像仪探测阵列像元素对准

在热像仪显示器上划定256×256元测试区域，点亮电阻阵列1的256×256元区域，调整电阻阵列调整支架，使得电阻阵列成像清晰，且被点亮区域刚好被热像仪测试框包围，见图6。根据电阻阵列环境箱和光学准直系统主体结构的相对位置，提前加工两者之间的连接件，将电阻阵列1和光学准直系统主体结构固紧，此时电阻阵列1位置调整完毕。

4) 双电阻阵列图像对准

点亮电阻阵列1指定位置像元素，并在热像仪显示器上做十字标示。关闭电阻阵列1，点亮电阻阵列2上指定位置像元素。调节电阻阵列2六自由度调节机构，使得电阻阵列2上被点亮的指定位置像元素与热像仪显示器上做过标示的十字线重合，如图7所示。

图6 电阻阵列1的图像与热像仪探测阵列像元素对准示意图Fig.6 The image of resistor array 1 and pixel alignment of thermal imager detection array

图7 双电阻阵列图像对准示意图Fig.7 Image alignment diagram of dual resistor array

3 设计结果

3.1 双波段红外图像生成系统结构设计结果

对双波段红外图像生成系统的光学系统和电阻阵列主体部分设计完成后，优化工装设计，在重量和体积满足现有五轴转台限定的原则下，完成整个系统上转台部分结构设计。图8是本文设计的基于双电阻阵的双波段红外图像生成系统结构外形，该系统的重量不超过35 kg，大小为400 mm×400 mm×800 mm，满足现有五轴转台负载限定要求。

3.2 波段选择合束镜设计结果

波段选择合束镜设计结果如图9所示。

图8 基于双电阻阵的双波段红外图像生成系统结构外形Fig.8 The structure of dual-band infrared image generation system based on dual resistor array

图9 滤光镜+波段选择合束镜光能利用率曲线Fig.9 Light energy utilization curve of filter + band selective beam combiner

从A、B波段滤光镜+合束镜的光能利用率曲线可以看出，采用这种模式时，系统两个波段的光能损失均小于10%。

3.3 图像像元素对准结果

针对像元素未对准和像元素对准后两种状态，用热像仪分别采集电阻阵列1和电阻阵列2隔行隔列点亮图像，采集到的热图分别见图10～11。

由图10～11可以看出：

1) 当电阻阵列1和电阻阵列2同时隔行隔列同位置被点亮时，若未调整机械结构使像元素对准，两幅图像合成后，其像元素不重合；

2) 当电阻阵列1和电阻阵列2同时隔行隔列同位置被点亮时，调整其中一个电阻阵列的六自由度调节机构，可使两幅图像像元素达到重合，实现像元素对准。

图10 未调节像元素重合前图像Fig.10 The thermal image before pixel coincidence is not adjusted

图11 像元素调节重合后的图像Fig.11 The thermal image after pixel coincidence is adjusted

从上述像元素对准结果可以看出，通过多维运动调节机构，能够实现两个电阻阵列的像元素级对准。

3.4 双波段辐射亮度设计结果

以MOS电阻阵列最高等效黑体温度250℃为例，根据普朗克公式计算MOS电阻阵列的波段辐射亮度，则A波段的辐射亮度为

LA=0.010 3W/(sr·cm2)

B波段的辐射亮度为

LB=0.011 4W/(sr·cm2)

两个波段光束在经过光学系统后辐射亮度衰减，A波段光束经过滤光镜、合束镜、准直光学系统后的辐射亮度LA出为

LA出=0.010 3×0.92×0.92×0.66≈

0.005 8W/(sr·cm2)

B波段光束经过滤光镜、合束镜、准直光学系统后的辐射亮度LB出为

LB出=LB×τB滤×r合×τ准

式中：τB滤为B波段滤光镜的透过率，设计值为0.92；r合为合束镜B波段反射率，设计值为0.92。则可得

LB出=0.011 4×0.92×0.92×0.66≈0.006 4W/(sr·cm2)

实际使用时，可通过调整两个电阻阵列对应像元素的驱动电压来调整像元素辐射亮度，实现不同比例的辐射亮度比。

4 结束语

本文提出的基于双MOS电阻阵列的双波段红外图像生成系统，采用双电阻阵+透反双波段光束合成镜+准直光学系统，可生成不交连的双色比可任意调节的高帧频双波段红外图像生成系统，帧频可达200 Hz，灰度等级16 bit，重量不超过35 kg，体积不大于400 mm×400 mm×800 mm。通过对两个电阻阵列的波段响应进行测试，生成不同电压下的温度响应曲线，在实际使用时根据所需温度(波段辐射强度)对控制电压进行调节，实现对所需双波段能量比的模拟。设计的透反双波段光束合成镜能在较小的光能损失下完成A、B波段的合束。通过2套六自由度调节装置配合热像仪观察来实现像元素对准调节，并且采用此方法在实验室完成对准验证试验，结果表明该方法能够实现像元素级对准。