CN102346095B - 中波红外二极管阵列场景生成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中波红外二极管阵列场景生成器，属于红外半实物仿真领域，该生成器采用二极管阵列作为图像生成器件，用图像控制器对图像产生计算机给出的图像数据和控制命令进行处理后，获得相应的电压信号并通过驱动电路静态驱动二极管阵列中各中波红外二极管而生成动态场景图像；用液氮制冷部件对二极管阵列进行制冷，通过安装在二极管阵列背面的温度传感器检测背景温度并通过图像控制器反馈给图像产生计算机，由此使本发明满足低温背景(≤0℃)中波红外仿真测试的需要。

Description

中波红外二极管阵列场景生成器

技术领域

本发明属于红外半实物仿真技术领域，特别是涉及一种含有二极管阵列的中波红外场景生成器。

背景技术

现代武器光电系统是多模式、高帧率、高动态范围的装置，必须考虑导弹寻的器、前视红外系统、跟踪器、自动识别器等光电系统的试验问题。通过在实验室内建立半实物红外仿真系统，模拟各种野外真实场景，对武器光电系统性能进行动态测试评估。要求红外半实物仿真系统的场景生成器能够：(1)提供具有高分辨率高帧频的红外场景；(2)与计算机图像产生系统进行实时交互。

低温背景中波红外二极管阵列场景生成器是一种将可见光图像转换为红外图像的器件。在IEEE VOL.32发表了一篇《倒装法连接68×68中波红外二极管阵列》论文。该中波红外二极管阵列由68×68个中波红外二极管构成，利用微电子技术将中波红外二极管和驱动器集成在p型GaSb衬底上，每个驱动器驱动一个二极管，驱动器由CMOS逻辑开关、储能电容和三极管组成，通过CMOS逻辑开关的通断对储能电容充放电，进而驱动三极管使红外二极管发光，产生红外图像。该中波红外二极管阵列的主要缺点是：(1)扫描方式生成红外图像，适合凝视光电传感系统，对于扫描式光电传感系统，需要两者精确保持扫描同步。(2)用于高温目标的仿真，不能产生低温背景，无法满足低温背景(≤0℃)仿真测试的需求。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是，针对现有技术中的不足，提供一种无需与扫描式光电传感器同步扫描的中波红外二极管阵列场景生成器。

本发明要解决的第二个技术问题是，针对现有技术中的不足，提供一种能够形成低温背景图像的中波红外二极管阵列场景生成器。

为解决上述技术问题，本发明提供的中波红外二极管阵列场景生成器包括图像控制器、驱动电路由集成在第一基板正面的m×n个红外二极管构成的二极管阵列和直流电源，且m、n为大于128且小于640的自然数；所述图像控制器含有网络模块、微控制器、图像帧缓存A和图像帧缓存B，微控制器通过网络模块逐帧接收上位机生成的图像数据和控制命令，将奇数帧和偶数帧一一对应存入图像帧缓存A和图像帧缓存B中，在向所述图像帧缓存A或图像帧缓存B中保存当前帧的同时，读取图像帧缓存B或图像帧缓存A中的上一帧图像数据和控制命令；根据读取的控制命令更改读取图像数据中的刷新频率、动态范围及相关参数，将更改后的图像数据通过总线送入所述驱动电路；所述驱动电路在第二基板的正面集成有多通道D/A转换器和电压跟随器，多通道D/A转换器的输出通道及电压跟随器的数量均为m×n个，驱动电路与所述二极管阵列背对背叠层放置并通过接插件连接，多通道D/A转换器通过SPI总线接收图像控制器输出的图像数据，并将这些数据转换成与多通道D/A转换器输出通道相对应的一组电压信号，该组电压信号经过一一对应的电压跟随器静态驱动相应的红外二极管。

本发明还包括用以给二极管阵列制冷的液氮制冷部件和用以检测二极管阵列背景温度值的温度传感器，所述液氮制冷部件含有液氮制冷瓶、制冷管和隔热层，隔热层固定在所述第二基板的背面，制冷管以“S”形排列分布在隔热层与所述第一基板之间的空间内且其输入、输出端与液氮制冷瓶相连；所述温度传感器安装隔热层上并位于制冷管的空隙中；所述微控制器通过A/D转换器接收温度传感器输出的背景温度值并通过所述网络模块回送给所述上位机。

本发明的有益效果体现在以下几个方面。

(一)本发明的低温背景中波红外二极管阵列场景生成器采用中波红外二极管，其光谱波段是武器光电系统红外传感器的常用光谱波段，可以满足大部分武器光电系统仿真测试的需要。本发明用D/A转换器以静态方式驱动二极管，与采用扫描方式驱动二极管德现有技术相比，本发明生成的红外图像温度均匀性效果更好且没有温度波动，不仅适用于凝视光电传感器系统，同样也适用于扫描式光电传感器系统，克服了扫描方式驱动二极管场景生成器需要与扫描式光电传感器同步扫描的问题。

(二)本发明的场景生成器图像刷新频率高，可达到200Hz，能满足高帧频中波红外半实物仿真测试的需要，并且图像刷新频率可以从5Hz到200Hz任意设定。此外，通过采用液氮制冷技术对二极管阵列进行制冷，使本发明可以实现生成低温背景(≤0℃)的仿真图像，这是现由许多场景发生器所不具备的。

附图说明

图1是本发明二极管阵列场景生成器的原理组成示意图。

图2是本发明中图像控制器的原理组成示意图。

图3是本发明中图像控制器的工作流程图。

图4是本发明中驱动电路的工作原理图。

图5是本发明中液氮制冷部件的安装位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

正如图1所示，本发明包括图像控制器1、驱动电路2、二极管阵列3、液氮制冷部件4以及为上述组成供电的电源。电源选用5V直流电源。二极管阵列3由m×n个红外二极管集成在第一基板的正面且各红外二极管的阴极与地线相接。在本优选实施例中，二极管阵列3为128×128阵列，红外二极管型号为LED43，峰值波长4.3μm。图像控制器1通过网络模块接收上位机生成的图像数据和控制命令，经过缓存处理后，通过SPI总线将图像数据送给驱动电路2，驱动电路2通过多通道D/A转换器，将图像控制器1输出的图像数据转换成与图像数据成正比的电压信号，此电压信号通过驱动电路2中的电压跟随器转换成相应的电流信号，驱动二极管阵列3的红外二极管发光，从而生成红外图像。液氮制冷部件4对二极管阵列3进行制冷，进而形成红外图像的低温背景。

图2示出了本发明优选实施例图像控制器的组成，图像控制器含有温度传感器1-1、信号调理电路1-2、A/D转换器1-3、网络模块1-4、微控制器1-5、图像帧缓存A1-6和图像帧缓存B1-7。温度传感器1-1选用铂电阻传感器，或选用热电偶传感器，本发明优选线性度好的铂电阻传感器，具体型号为WZP型PT100。信号调理电路1-2采用常规的铂电阻传感器信号调理电路，即低通滤波和通用运放组成的放大电路。温度传感器1-1用于测量二极管阵列3的背景温度，其输出值通过信号调理电路1-2调理后通过A/D转换器1-3送入微控制器1-5。本实施例中，A/D转换器1-3选用AD7853型8位以上A/D转换器。网络模块1-4含有以太网络收发电路、脉冲隔离变压器以及网络接口；以太网络收发电路通过脉冲隔离变压器和网络接口与以太网连接。网络模块1-4的功能是实现微控制器1-5与上位机之间的双向数据通讯。本实施例的网络模块1-4选用百兆以太网络收发芯片，型号为DM9000。微控制器1-5是图像控制器1的核心且必须采用高速微控制器，本发明优选型号为AT91SAM9261的微控制器，其功能是：通过网络模块1-4接收上位机生成的图像数据和控制命令并将此图像数据和控制命令写入到图像帧缓存A1-6或图像帧缓存B1-7中；根据控制命令改变图像数据中的刷新频率、动态范围参数并将更改的图像数据输出给驱动电路2。读取A/D转换器1-3输出的背景温度值并通过网络模块1-4上传给上位机。图像帧缓存A1-6和图像帧缓存B1-7主要是存储图像数据和控制命令，采用双缓存设计，实现“乒乓”切换，主要是提高图像的处理速度。图像帧缓存可以选用SDRAM(同步动态存储器)，也可以选用SRAM(静态存储器)，本优选实施例选用IC42S8200型SDRAM。

图3示出了图像控制器1在微控制器1-5操控下的工作流程。当开机上电时，微控制器1-5复位，对网络模块1-4进行初始化，初始化完成后，微控制器1-5通过网络模块1-4使用TCPIP协议与上位机进行双向数据通信，微控制器1-5接收数据格式依次为帧号(1字节)、命令类型(1字节)、命令数据(1字节)和图像数据(128×128字节)，发送数据格式为背景温度值(2字节)。当微控制器1-5接收到一帧图像数据和控制命令，首先判断帧号是奇数还是偶数，如果是奇数，则将图像数据和控制命令写入到图像帧缓存A中，反之，如果是偶数，则将图像数据和控制命令写入到图像帧缓存B中。当向其中一组图像帧缓存A或B写入的同时，微控制器1-5从另一组图像帧缓存B或A中读取前一帧写入的图像数据和控制命令，然后根据命令类型和命令数据改变图像刷新频率、动态范围参数，同时将图像数据通过SPI总线输出到驱动电路2，生成中波红外图像。之后，微控制器1-5读取A/D转换器1-3输出的背景温度值，并通过网络模块1-4将温度值上传给上位机。

在红外半实物仿真测试中，由于被测光电系统选取的红外探测器不同，造成探测器的成像频率和探测红外图像温度的动态范围也不同，这就要求场景生成器生成图像的刷新频率≥被测光电系统的成像频率，生成红外图像的温度范围与被测光电系统的探测范围相一致。因而本发明的场景生成器接收控制命令中包括设定刷新频率和动态范围参数，图像刷新频率用以改变输出图像数据的速率，使生成图像的频率满足被测光电系统的成像频率要求，其图像刷新频率可在5～200Hz范围内任意设定；动态范围参数就是将接收到的图像数据乘以一定的系数输出给驱动电路2，改变驱动电路2中的D/A转换器输出电压范围，由此改变生成红外图像的动态范围，使之与被测光电系统的探测范围相一致。

如图4所示，本发明优选实施例的驱动电路2含有2048个多通道D/A转换器2-1和16384个电压跟随器2-2并集成在第二基板的正面，每个多通道D/A转换器2-1采用8位以上且以SPI总线级联方式连接的D/A转换器，其型号为TLV5631且含8个输出通道。电压跟随器2-2选用常用的NPN型三极管，三极管的基极连接到多通道D/A转换器2-1的一个输出通道上，集电极连接到直流电源上，发射极与二极管阵列3上红外二极管的阳极连接，多通道D/A转换器2-1的每个通道控制一个红外二极管，以实现红外二极管的静态驱动。驱动电路2的功能是通过SPI总线接收图像控制器1输出的图像数据，并由多通道D/A转换器2-1的输出通道输出与图像数据成正比的电压信号，此电压信号通过与其对应的电压跟随器2-2静态驱动对应的红外二极管，使红外二极管发光，进而生成红外图像。只要图像数据值不变，流过红外二级管的驱动电流就不变，因而二极管发光强度也不会变化。

如图5所示，液氮制冷部件4含有液氮制冷瓶4-1、制冷管4-2和隔热层4-3。驱动电路2与二极管阵列3采用叠层安装且两者之间采用接插件连接，因此，第一、第二基板的背面之间留有一定的距离，便于安装制冷管4-2和隔热层4-3。隔热层4-3安装在驱动电路2第二基板的背面，制冷管4-2采用“S形”排列分布在隔热层4-3与二极管阵列3之间，与液氮制冷瓶相连，对二极管阵列3进行制冷，从而实现≤0℃的背景温度。图像控制器中的温度传感器1-1安装在制冷管4-2之间。

Claims (5)

1.一种中波红外二极管阵列场景生成器，包括图像控制器(1)、由集成在第一基板正面的m×n个红外二极管构成的二极管阵列(3)和直流电源，且m、n为大于128且小于640的自然数，其特征在于：还包括驱动电路(2)，所述图像控制器(1)含有网络模块(1-4)、微控制器(1-5)、图像帧缓存A(1-6)和图像帧缓存B(1-7)，微控制器(1-5)通过网络模块(1-4)逐帧接收上位机生成的图像数据和控制命令，将奇数帧和偶数帧一一对应存入图像帧缓存A(1-6)和图像帧缓存B(1-7)中，在向所述图像帧缓存A(1-6)或图像帧缓存B(1-7)中保存当前帧的同时，读取图像帧缓存B(1-7)或图像帧缓存A(1-6)中的上一帧图像数据和控制命令；根据读取的控制命令更改读取图像数据中的刷新频率和动态范围参数，将更改后的图像数据通过SPI总线送入所述驱动电路(2)；所述驱动电路(2)在第二基板的正面集成有多通道D/A转换器和电压跟随器，多通道D/A转换器的输出通道及电压跟随器的数量均为m×n个，驱动电路(2)与所述二极管阵列(3)背对背叠层放置并通过接插件连接，多通道D/A转换器通过SPI总线接收所述图像控制器(1)输出的图像数据，并将这些数据转换成与多通道D/A转换器的输出通道相对应的一组电压信号，该组电压信号经过一一对应的电压跟随器静态驱动相应的红外二极管。

2.根据权利要求1所述的中波红外二极管阵列场景生成器，其特征在于：还包括用以给二极管阵列(3)制冷的液氮制冷部件(4)和用以检测二极管阵列(3)背景温度值的温度传感器，所述液氮制冷部件含有液氮制冷瓶、制冷管和隔热层，隔热层固定在所述第二基板的背面，制冷管以“S”形排列分布在隔热层与所述第一基板之间的空间内且其输入、输出端与液氮制冷瓶相连；所述温度传感器安装隔热层上并位于制冷管的空隙中；所述微控制器通过A/D转换器接收温度传感器输出的背景温度值并通过所述网络模块回送给所述上位机。

3.根据权利要求1或2所述的中波红外二极管阵列场景生成器，其特征在于：所述的红外二级管的型号为LED43，峰值波长为4.3μm，电压跟随器(2-2)选用常用的NPN型三极管，所述总线为SPI总线，所述D/A转换器选用8位以上且以SPI总线级联方式连接的D/A转换器。

4.根据权利要求1或2所述的中波红外二极管阵列场景生成器，其特征在于：所述奇数帧和所述偶数帧以“乒乓”切换方式对应存入所述图像帧缓存A和所述图像帧缓存B。

5.根据权利要求1或2所述的中波红外二极管阵列场景生成器，其特征在于：所述二极管阵列含128×128像素，或含320×240像素，或含640×480像素。

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