CN109269642B - 基于滤光片色轮的红外图像生成装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于滤光片色轮的红外图像生成装置及方法，主要应用于导弹制导系统半实物仿真，包括滤光片色轮模块(2)、同步准直模块、空间光调制模块(5)以及成像模块(6)。其中滤光片色轮模块(2)和空间光调制模块(5)为核心模块，通过对单谱段的分时模拟完成红外多光谱动态场景图像的模拟输出。本发明能够实现单源单通道的红外图像复合输出，原理简单、光谱失真少、光谱无混叠。
Description
技术领域
本发明涉及制导系统仿真领域，具体地，涉及一种基于滤光片色轮的红外图像生成装置及方法，尤其涉及一种基于滤光片色轮的红外多光谱图像生成装置及方法。
背景技术
传统的红外制导系统易受到红外诱饵、背景热辐射和气候的影响，随着智慧型、压制型红外诱饵弹的发展，传统红外制导方式已很难适应现代战场环境。红外多谱段成像制导技术在目标识别和抑制背景杂波方面具有技术优势，多光谱成像技术是一种图谱合一的信息获取技术，不仅可以获取成像目标的几何形状信息，也可识别目标的光谱特征差异。目标、伪目标和背景之间的光谱特征具有差异，在各个光谱通道具有不同的光谱亮度。通过多光谱成像的目标/背景之间的对比度反差增大，可有效抑制背景杂波，分辨真假目标，提高系统目标识别能力。
随着攻击技术的发展,各种干扰与对抗措施也在不断地进步，红外型导弹面对的主动与被动干扰已经成为基本的战场环境构成,导弹抗干扰能力的强弱已成为考核导弹的核心技术指标之一，对于制导系统的半实物仿真系统真实模拟复杂战场环境的能力提出了更高的要求。
在仿真试验中，对于作战场景中的目标、干扰及背景的几何特性、运动特性和光谱辐射特性等物理特性的模拟至关重要。目前国内外对于红外多谱段成像仿真专利的公开报道主要集中于红外单波段以及双波段，至多不超过三波段且这些波段固定不可变，模拟方式复杂，一般通过对固定单波段的多路径叠加实现，如专利文献CN103219997A公开的多谱段多焦面拼接红外探测器控制与信号采样电路，该技术方案通过内部时序控制逻辑，为多个红外探测器的控制提供统一的控制时序，使红外探测器既可以独立控制，又可以实现多个红外探测器同时输出数据。
这些多源多通道复合方式受制于仿真模拟机制，在很多红外及复合场景模拟过程中无法满足对红外多光谱动态场景图像的需求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于滤光片色轮的红外图像生成装置及方法。
根据本发明提供的一种基于滤光片色轮的红外图像生成装置，包括滤光片色轮模块、同步准直模块、空间光调制模块以及成像模块；所述滤光片色轮模块、同步准直模块、空间光调制模块以及成像模块依次设置在光路延伸方向上。
优选地，所述同步准直模块包括同步控制模块和匀光准直模块；所述同步控制模块和匀光准直模块均设置在滤光片色轮模块上。
优选地，所述空间光调制模块包括衰减阵列、液晶光阀、LCOS以及DMD空间光调制器中任一种或任多种组合。
优选地：
-所述同步控制模块包括编码器，所述编码器包括码盘；或者
-所述同步控制模块包括霍尔传感器。
优选地，所述滤光片色轮模块包括滤光片色轮；所述滤光片色轮上设置有一个或多个扇区；所述滤光片色轮上还设置有滤光片，任一所述扇区均能通过替换滤光片实现该扇区光谱透过率和光谱透过范围的改变。
优选地，所述滤光片包括透过区、阻挡段以及不透明段；任一所述扇区的中心区域为透过区，非中心区域为阻挡段和不透明段中的任一种或两种组合；所述透过区、阻挡段以及不透明段的面积能够根据设定的模拟辐射强度进行调节。
优选地，本发明提供的基于滤光片色轮的红外图像生成装置，还包括光源模块、探测模块以及场景生成模块；所述光源模块设置在光路起始处；所述探测模块设置在光路终结处；所述场景生成模块能够接收来自同步控制模块和探测模块的信号，并且能够发出信号。
根据本发明提供的一种基于滤光片色轮的红外图像生成方法，利用上述的基于滤光片色轮的红外图像生成装置，包括红外信号采集步骤、选定谱段信号采集步骤以及红外图像生成步骤中的任一步骤或任多步骤，其中：
红外信号采集步骤：红外辐射透过滤光片色轮模块经过匀光准直模块照射到空间光调制模块上；
选定信号采集步骤：步骤开始时，探测模块向场景生成模块发出第一信号，场景生成模块根据第一信号向同步控制模块发出第二信号，同步控制模块根据第二信号控制滤光片色轮模块调整滤光片运动至选定信号透过区，此时照射至空间光调制模块的辐射即为选定信号；所述选定信号包括设置了透过频段和辐射强度的红外辐射信号；
红外图像生成步骤：同步控制模块在控制滤光片色轮模块调整滤光片运动至选定信号透过区后，向场景生成模块发出第三信号，场景生成模块接收第三信号后通过第一调制方法向空间光调制模块发出相应的8bit灰度图像，生成的红外图像通过成像模块投射到探测模块的敏感面上。
优选地，所述第一调制方法包括空间调制、帧调制以及脉宽调制中的任一种或任多种组合。
优选地，使用探测模块作为基于滤光片色轮的红外图像生成装置的统一时钟信号，以发出第一信号的时刻作为初始积分周期开始的时刻；
所述选定信号为一个或N个，其中N为大于1的整数；
-当选定信号为一个时，单次执行红外图像生成步骤模拟输出红外图像；或者
-当选定信号为N个时，执行N次红外图像生成步骤，依次完成N个选定信号红外图像的模拟，随后通过对单谱段的分时模拟完成整个红外N光谱图像的模拟输出。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的一种基于滤光片色轮的红外图像生成装置能够实现单源单通道的红外图像复合输出；
2、本发明提供的一种基于滤光片色轮的红外图像生成装置结构简单，有利于降低与其他设备装置配合的难度；
3、本发明提供的一种基于滤光片色轮的红外图像生成方法能够在单源单通道的装置中时间多谱段红外图像模拟；
4、本发明提供的一种基于滤光片色轮的红外图像生成方法原理简单、光谱失真少、光谱无混叠。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的基于滤光片色轮的红外图像生成装置的原理示意图；
图2为本发明提供的基于滤光片色轮的红外图像生成方法的控制时序示意图。
图中示出：
光源模块 1
滤光片色轮模块 2
同步控制模块 3
匀光准直模块 4
空间光调制模块 5
成像模块 6
探测模块 7
场景生成模块 8
第一选定信号 λ1
第二选定信号 λ2
第三选定信号 λ3
第四选定信号 λ4
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种基于滤光片色轮的红外图像生成装置，包括滤光片色轮模块2、同步准直模块、空间光调制模块5以及成像模块6；所述滤光片色轮模块2、同步准直模块、空间光调制模块5以及成像模块6依次设置在光路延伸方向上。
优选地，所述同步准直模块包括同步控制模块3和匀光准直模块4；所述同步控制模块3和匀光准直模块4均设置在滤光片色轮模块2上。所述空间光调制模块5包括衰减阵列、液晶光阀、LCOS以及DMD空间光调制器中任一种或任多种组合。
具体地：
-所述同步控制模块3包括编码器，所述编码器包括码盘；或者
-所述同步控制模块3包括霍尔传感器。
所述滤光片色轮模块2包括滤光片色轮；所述滤光片色轮上设置有一个或多个扇区；所述滤光片色轮上还设置有滤光片，任一所述扇区均能通过替换滤光片实现该扇区光谱透过率和光谱透过范围的改变。所述滤光片包括透过区、阻挡段以及不透明段；任一所述扇区的中心区域为透过区，非中心区域为阻挡段和不透明段中的任一种或两种组合；所述透过区、阻挡段以及不透明段的面积能够根据设定的模拟辐射强度进行调节。
更具体地，本发明提供的基于滤光片色轮的红外图像生成装置，还包括光源模块1、探测模块7以及场景生成模块8；所述光源模块1设置在光路起始处；所述探测模块7设置在光路终结处；所述场景生成模块8能够接收来自同步控制模块3和探测模块7的信号，并且能够发出信号。
根据本发明提供的一种基于滤光片色轮的红外图像生成方法，利用上述的基于滤光片色轮的红外图像生成装置，包括红外信号采集步骤、选定谱段信号采集步骤以及红外图像生成步骤中的任一步骤或任多步骤，其中：
红外信号采集步骤：红外辐射透过滤光片色轮模块2经过匀光准直模块4照射到空间光调制模块5上；
选定信号采集步骤：步骤开始时，探测模块7向场景生成模块8发出第一信号，场景生成模块8根据第一信号向同步控制模块3发出第二信号，同步控制模块3根据第二信号控制滤光片色轮模块2调整滤光片运动至选定信号透过区，此时照射至空间光调制模块5的辐射即为选定信号；所述选定信号包括设置了透过频段和辐射强度的红外辐射信号；
红外图像生成步骤：同步控制模块3在控制滤光片色轮模块2调整滤光片运动至选定信号透过区后，向场景生成模块8发出第三信号，场景生成模块8接收第三信号后通过第一调制方法向空间光调制模块5发出相应的8bit灰度图像，生成的红外图像通过成像模块6投射到探测模块7的敏感面上。
进一步地，所述第一调制方法包括空间调制、帧调制以及脉宽调制中的任一种或任多种组合。使用探测模块7作为基于滤光片色轮的红外图像生成装置的统一时钟信号，以发出第一信号的时刻作为初始积分周期开始的时刻；所述选定信号为一个或N个，其中N为大于1的整数；
-当选定信号为一个时，单次执行红外图像生成步骤模拟输出红外图像；或者
-当选定信号为N个时，执行N次红外图像生成步骤，依次完成N个选定信号红外图像的模拟，随后通过对单谱段的分时模拟完成整个红外N光谱图像的模拟输出。如图2所示，优选地给出了四个选定信号：第一选定信号λ1、第二选定信号λ2、第三选定信号λ3以及第四选定信号λ4。
更进一步地，本发明通过一种基于滤光片色轮的红外图像生成装置及方法实现逼真动态场景红外多光谱图像的模拟输出。主要工作波段为2～12um的红外谱段，为方便对场景的红外多光谱特性进行模拟，将2～12um谱段划分为多个窄谱段，通过滤光片色轮模块2中的滤光片色轮进行光谱选通，经由空间光调制模块5中的空间光调制器生成红外多光谱图像。为模拟图像输出，采用光源模块1作为红外辐射模拟源，所述光源模块1中红外光源产生的辐射波长范围为2～12um。空间光调制器、滤光片色轮为核心器件，利用空间光调制器调制入射的红外辐射产生红外图像，所接收的红外辐射预先经过滤光片色轮实现光谱选择与控制，其输出的红外多光谱图像经过光学系统投射到制导探测器7的敏感面上实现红外多光谱场景模拟图像输出。以探测器7积分时间为统一时钟周期，通过同步控制模块3、场景生成模块8的场景生成计算机等实现了滤光片色轮与空间光调制器“同步”，完成单一窄谱段的红外场景图像模拟输出，在探测器光电积分的一个周期内，逐个完成各窄谱段的红外场景图像的投影输出并积分。即通过分时模拟单谱段方法完成红外多谱段场景图像的模拟输出，该方法原理简单、光谱失真少、光谱无混叠。
在图1所示方案下，空间光调制模块5选用DMD空间光调制器，同步控制装置3选用编码器。DMD空间光调制器是依靠成千上万个铝制微镜片对光反射的不同角度来实现亮暗的区别，DMD空间光调制器中每一个小反射镜都可以看成一个像元，并可以独立控制，通过控制镜片复位时间的长短实现不同灰度等级。灰度调制的方法主要包括空间调制、帧调制和脉宽调制，由于前两种方法在提高灰度等级时会导致图像分辨率下降，因此采用脉宽调制。通过PWM脉宽调制技术对DMD空间光调制器生成图像进行调制，实现红外多谱段动态场景图像的模拟生成。
如图2所示为本发明提供的基于滤光片色轮的红外图像生成方法控制时序示意图，以探测器7作为系统统一时钟信号，以其初始积分周期开始时刻作为起始时刻向场景生成计算机发出信号，场景生成计算机控制滤光片色轮运动到相应位置，即选定窄谱段扇区中心运动到红外辐射照射区，场景生成计算机接收到色轮运动到位的反馈信息后向DMD空间光调制器注入相应的灰度图像，完成指定谱段的红外图像模拟输出。随着滤光片旋转，同步改变注入DMD空间光调制器的灰度图像信息，在探测器7中CCD的一个光电积分周期内，逐次完成各个单谱段红外图像的模拟。即通过对单谱段的分时模拟完成整个红外多光谱图像的模拟输出。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (2)
1.一种基于滤光片色轮的红外图像生成装置，其特征在于，包括光源模块(1)、滤光片色轮模块(2)、同步准直模块、空间光调制模块(5)、成像模块(6)、探测模块(7)以及场景生成模块(8)；所述滤光片色轮模块(2)、同步准直模块、空间光调制模块(5)以及成像模块(6)依次设置在光路延伸方向上；
所述同步准直模块包括同步控制模块(3)和匀光准直模块(4)；所述同步控制模块(3)和匀光准直模块(4)均设置在滤光片色轮模块(2)上；
-所述同步控制模块(3)包括编码器，所述编码器包括码盘；或者
-所述同步控制模块(3)包括霍尔传感器；
所述滤光片色轮模块(2)包括滤光片色轮；所述滤光片色轮上设置有一个或多个扇区；所述滤光片色轮上还设置有滤光片，任一所述扇区均能通过替换滤光片实现该扇区光谱透过率和光谱透过范围的改变；
基于滤光片色轮的红外图像生成装置能够实现单源单通道的红外图像复合输出；
所述空间光调制模块(5)包括衰减阵列、液晶光阀、LCOS以及DMD空间光调制器中任一种或任多种组合；
所述滤光片包括透过区、阻挡段以及不透明段；任一所述扇区的中心区域为透过区，非中心区域为阻挡段和不透明段中的任一种或两种组合；所述透过区、阻挡段以及不透明段的面积能够根据设定的模拟辐射强度进行调节；
所述光源模块(1)设置在光路起始处；所述探测模块(7)设置在光路终结处；所述场景生成模块(8)能够接收来自同步控制模块(3)和探测模块(7)的信号，并且能够发出信号；
工作波段为2～12um的红外谱段，所述红外谱段被划分为多个窄谱段，通过滤光片色轮模块(2)中的滤光片色轮进行光谱选通，经由空间光调制模块(5)中的空间光调制器生成红外多光谱图像，采用光源模块(1)作为红外辐射模拟源；
以所述探测模块(7)积分时间为统一时钟周期，通过同步控制模块(3)、场景生成模块(8)实现滤光片色轮与空间光调制器同步，完成单一窄谱段的红外场景图像模拟输出，在探测器光电积分的一个周期内，逐个完成各窄谱段的红外场景图像的投影输出并积分；
所述空间光调制模块(5)选用DMD空间光调制器，同步控制模块(3)选用编码器，所述DMD空间光调制器依靠多个铝制微镜片对光反射的不同角度来实现亮暗的区别，所述DMD空间光调制器中每一个微镜片为一个像元，能够独立控制，通过控制镜片复位时间的长短实现不同灰度等级，灰度调制采用脉宽调制，通过PWM脉宽调制技术对DMD空间光调制器生成图像进行调制，实现红外多谱段动态场景图像的模拟生成。
2.一种基于滤光片色轮的红外图像生成方法，其特征在于，利用权利要求1中所述的基于滤光片色轮的红外图像生成装置，包括红外信号采集步骤、选定谱段信号采集步骤以及红外图像生成步骤中的任一步骤或任多步骤，其中：
红外信号采集步骤：红外辐射透过滤光片色轮模块(2)经过匀光准直模块(4)照射到空间光调制模块(5)上；
选定信号采集步骤：步骤开始时，探测模块(7)向场景生成模块(8)发出第一信号，场景生成模块(8)根据第一信号向同步控制模块(3)发出第二信号，同步控制模块(3)根据第二信号控制滤光片色轮模块(2)调整滤光片运动至选定信号透过区，此时照射至空间光调制模块(5)的辐射即为选定信号；所述选定信号包括设置了透过频段和辐射强度的红外辐射信号；
红外图像生成步骤：同步控制模块(3)在控制滤光片色轮模块(2)调整滤光片运动至选定信号透过区后，向场景生成模块(8)发出第三信号，场景生成模块(8)接收第三信号后通过第一调制方法向空间光调制模块(5)发出相应的8bit灰度图像，生成的红外图像通过成像模块(6)投射到探测模块(7)的敏感面上；
所述第一调制方法包括空间调制、帧调制以及脉宽调制中的任一种或任多种组合；
使用探测模块(7)作为基于滤光片色轮的红外图像生成装置的统一时钟信号，以发出第一信号的时刻作为初始积分周期开始的时刻；
所述选定信号为一个或N个，其中N为大于1的整数；
-当选定信号为一个时，单次执行红外图像生成步骤模拟输出红外图像；或者
-当选定信号为N个时，执行N次红外图像生成步骤，依次完成N个选定信号红外图像的模拟，随后通过对单谱段的分时模拟完成整个红外N光谱图像的模拟输出。
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