CN113029525B - 一种红外场景模拟系统、红外场景模拟方法以及dmd控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外场景模拟系统，属于红外场景模拟器领域，用于解决现有技术难以实现低温环境下的高温物体的缺陷。本发明的红外场景模拟系统包括第一红外光路、第二红外光路以及合束镜；第一红外光路包括第一黑体和第一DMD子系统，第一DMD子系统以第一黑体为红外光源生成2^N级灰度的图像；第二DMD子系统以第二黑体作为红外光源生成2^N级灰度的图像；合束镜用于将第一红外光路和第二红外光路进行合束，用于形成灰度叠加后的图像；调节第一黑体和第二黑体的温度，使所述温度小于第一预设值并且足以模拟红外场景中温度值为第二预设值的目标。本发明还包括一种红外场景模拟方法以及DMD控制方法。本发明的一个应用是对低温场景的高温物体进行模拟。

Description

一种红外场景模拟系统、红外场景模拟方法以及DMD控制方法

技术领域

本发明涉及红外场景模拟器领域，具体涉及一种红外场景模拟系统、红外场景模拟方法以及DMD控制方法。

背景技术

中波红外场景产生器是红外成像制导武器对抗环境仿真系统中重要组成设备，其作用是接收红外图像生成计算机输出的数字图像，对图像进行校正及传输，将数字图像转换为中波红外辐射信号，为红外成像制导武器构建中波红外场景，评估红外成像制导武器对中波红外环境适应能力。

中波红外场景产生器用于模拟场景和目标温度，本中波红外场景产生器场景模拟温度要求室温～80℃，目标模拟温度要求室温+5℃～200℃。常规的红外目标模拟器只对灰度级和对比度提出要求，未对场景模拟温度和目标模拟温度范围做严格要求，通过提升黑体温度可以提高模拟器的对比度，但低温背景会随着目标温度的升高而升高，表1是使用红外测温热像仪对常规红外目标模拟器输出温度进行测试的数据，图1是常规红外目标模拟器高温目标与低温场景对应关系曲线。测试时环境中物体温度为30.51℃度，由表1和图1中数据可以看出：黑体关闭时热像仪测得的目标温度即为环境中物体的温度，随着目标温度的升高，背景温度也逐渐升高，当高温目标输出温度为200℃时，低温背景输出温度为39.87℃，无法实现对30.51℃低温(室温)场景的模拟。

表1常规红外目标模拟器输出温度测试数据

发明内容

本发明的一个目的是解决现有技术难以实现低温环境下的高温物体的缺陷。

根据本发明的第一方面，提供了一种红外场景模拟系统，包括第一红外光路、第二红外光路以及合束镜；第一红外光路包括第一黑体和第一DMD子系统，第一DMD子系统以第一黑体为红外光源生成2^N级灰度的图像；第二DMD子系统以第二黑体作为红外光源生成2^N级灰度的图像；合束镜用于将第一红外光路和第二红外光路进行合束，用于形成灰度叠加后的图像；调节第一黑体和第二黑体的温度，使所述温度小于第一预设值并且足以模拟红外场景中温度值为第二预设值的目标。

优选地，第一DMD子系统和第二DMD子系统均用于生成128级灰度的图像。

优选地，所述第一温度为200℃，所述第二温度为30℃，第一黑体和第二黑体的温度为155℃。

根据本发明的第二方面，提供一种红外场景模拟方法，包括：对于待显示灰度级为2^N-1的场景图像，将灰度级为2^N-1的第一DMD子系统和灰度级为2^N-1的第二DMD子系统的输出进行合束叠加，得到所述场景图像；其中第一DMD子系统的红外光源由第一黑体提供；第二DMD子系统的红外光源由第二黑体提供；调节第一黑体和第二黑体的温度，使所述温度小于第一预设值并且足以模拟红外场景中温度值为第二预设值的目标。

优选地，待显示目标图像为255灰度级，第一DMD子系统和第二DMD子系统为128灰度级。

优选地，所述第一温度为200℃，所述第二温度为30℃，第一黑体和第二黑体的温度为155℃。

根据本发明的第三方面，提供一种DMD控制方法，包括：对于待显示灰度级为2^N-1的场景图像，将第一DMD子系统和第二DMD子系统的子场数设置为N-1；将第i个子场驱动时的子场时间设置为子场数为N时的2倍；i＝1,2,…N-1；调整为第一DMD子系统和第二DMD子系统提供红外光源的黑体的温度，直至所述温度小于第一预设值并且足以模拟红外场景中温度值为第二预设值的目标；将第一DMD子系统和第二DMD子系统的输出进行合束叠加，使接收装置能够接收到灰度级为2^N-1的场景图像。

本发明的有益效果是：采用双套DMD驱动降低高温黑体温度，从而降低杂散光的影响，提高了模拟器的信噪比，扩大模拟温度范围。采用本方法后模拟器背景温度随目标输出温度变化关系如图5所示，由图5可见当目标输出温度为200℃时输出背景温度小于30℃，可以实现室温～200℃目标温度和场景温度的模拟。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1为现有技术中目标温度与背景温度的变化关系曲线图；

图2为本发明一个实施例的红外场景模拟系统的原理框图；

图3为现有技术中的DMD子场驱动编码示意图；

图4为本发明一个实施例的DMD子系统的子场驱动编码示意图；

图5为本发明一个实施例中目标温度与背景温度的变化关系曲线图。

附图标记说明：

1-第一黑体；2-第一照明光学系统；3-第一DMD；4-第一DMD驱动电路；5-第二黑体；6-第二照明光学系统；7-第二DMD；8第二DMD驱动电路；9-合束镜；10-耦合光学系统。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明旨在提供一种能够模拟“低温背景下的高温目标”的红外仿真方法和系统。目标模拟器需要借助DMD实现，通过DMD微镜的开闭状态模拟像素的0/1值，通过在一次积分时间内多次控制DMD切换输出状态而现实多级灰度，即DMD驱动微镜单元反转，分为8子场驱动微镜状态反转实现“开态”和“关态”保持时间。目标模拟器可用于模拟红外场景，以供图像接收设备进行观测。例如，现欲测试某设备是否能够准确识别红外场景下的某一物体，则可以用目标模拟器模拟红外场景下的灰度图像，然后用热像仪进行观测。由于热像仪实际上是通过感应温度来形成灰度图像，因此还需要黑体作为红外辐射源，使热像仪接收到的灰度图像具有与其灰度相匹配的温度。模拟高温目标时需要黑体也具有高温，高温黑体会使得环境温度也随之升高，其中部分测试结果如表1所示。可以从表1中看出，随着黑体温度的升高，热像仪测得的背景温度也随之升高，但实际上真实的背景温度是没有发生变化的。因此这也使得目标模拟器很难准确模拟出高温目标在低温环境下的状态。基于此，本发明对现有技术进行了如下改进：

<实施方式一>

本发明的红外场景模拟系统的一个实施例如图2所示，包括第一红外光路、第二红外光路以及合束镜；第一红外光路包括第一黑体和第一DMD子系统，第一DMD子系统以第一黑体为红外光源生成2^N级灰度的图像，第一黑体的温度与第一DMD子系统中观测目标的灰度相匹配；第二DMD子系统以第二黑体作为红外光源生成2^N级灰度的图像，第二黑体的温度与第二DMD子系统中观测目标的灰度相匹配；合束镜用于将第一红外光路和第二红外光路进行合束，用于形成灰度叠加后的图像；所述红外场景模拟系统用于模拟当目标高于第一温度，且环境温度低于第二温度时的红外场景。

即本发明将现有技术中的DMD系统分为了两个DMD子系统，由两个黑体分别提供红外光源；并使每个子系统的灰度级减半，由于每个DMD子系统的灰度级减半了，因此其对应的黑体温度也大大降低了，而两个DMD子系统的输出可以通过合束镜叠加形成复合要求的灰度级。如此可以使环境温度受黑体温度的影响大大减少。

第一DMD子系统和第二DMD子系统可以根据需要包含多种光学、电路元件，例如可以包含光路调整部件，或者DMD电路驱动部件等。

在一个实施例中，第一DMD子系统和第二DMD子系统均用于生成128级灰度的图像。根据叠加的原理，可以判断出合束后能够得到255级灰度的图像。本实施例中，中波场景模拟器需要实现256级灰度图像显示，DMD显示一幅图像的过程是在一个积分时间内8次控制DMD切换输出状态，通过对8次输出状态叠加来实现的，每次输出状态称为1个子场，8个子场输出时间的编码规律如图3所示。

第1子场输出时间最短，其后每个子场输出时间均为前一个子场的1倍，规律符合8421码制。由于照明能量是固定不变的，所以256级任意级别需求能量均可通过二进制组合方式予以实现。

通过对表1测试数据进行分析，在黑体温度设定为160℃时，模拟高温目标为100℃，低温背景为29.37，因为能量是可以叠加的，本系统通过增加1套DMD的方式降低红外黑体设定温度，使模拟高温目标为200℃时，低温背景小于30.51℃。因为灰度级要求256级，设计每套DMD由7个子场驱动，分别实现128灰度级，7子场驱动时每个子场时间为8子场驱动时的2倍，因为子场时间是原来的2倍，所以每个黑体源的温度可以降低为原来的1/2，驱动方式如图4所示。

本实施例中，双DMD中波红外模拟器由第一黑体1、第一照明系统2、第一DMD 3、第一DMD驱动电路4、第二黑体5、第二照明系统6、第二DMD 7、第二DMD驱动电路8、合束镜9、耦合光学系统10组成。第一DMD驱动电路4与第二DMD驱动电路8分别接收图形工作站输出的视频图像，将255灰度图像线性解算为128灰度图像，DMD驱动电路具有同步信号触发端口，接收到同步触发信号时采用7个子场的工作方式驱动第一DMD 3和第二DMD 7成像。第一黑体1、第一照明光学系统2及第一DMD3与第二黑体5、第二照明光学系统6及第二DMD 7输出的红外图像由合束镜9合束，合束后的图像由耦合光学系统10输出。

本实施例的测试效果如图5所示，可以看出，在目标温度为200℃时，背景温度能够保持在30℃以下。此时第一黑体和第二黑体的温度均为单套DMD时的1/2。

本发明除了能够模拟低温背景下的高温目标，还能够降低图像信噪比和提高图像的对比度。即现有技术中的黑体温度过高导致背景温度升高，这样会对高温目标的成像形成噪声；并且由于黑体温度导致图像中的背景亮度高于真实情况，进而使得对比度也随之降低。

<实施方式二>

本实施方式提供一种红外场景模拟方法，包括：

对于待显示灰度级为2^N-1的场景图像，将灰度级为2^N-1的第一DMD子系统和灰度级为2^N-1的第二DMD子系统的输出进行合束叠加，得到所述场景图像。其中第一DMD子系统的红外光源由第一黑体提供；第二DMD子系统的红外光源由第二黑体提供；调节第一黑体和第二黑体的温度，使所述温度小于第一预设值并且足以模拟红外场景中温度值为第二预设值的目标。

例如，在一个应用场景中，预先确定了待显示的图像需要满足至少2^N-1的灰度级，此时选取满足2^N-1灰度级的第一DMD子系统和第二DMD子系统进行合束叠加。由于每个DMD子系统所使用的黑体不需要满足较高灰度级，因此黑体的工作温度不会过高，不会使环境温度过高导致信噪比降低。因此更能准确模拟低温背景下高温物体的情况。

在一个实施例中，待显示的目标图像为255灰度级，第一DMD子系统和第二DMD子系统为128灰度级。在另一个实施例中，第一温度为200℃，所述第二温度为30℃，第一黑体和第二黑体的温度为155℃。

<实施方式三>

本实施方式提供一种DMD控制方法，包括：

步骤S1：对于待显示灰度级为2^N-1的场景图像，将第一DMD子系统和第二DMD子系统的子场数设置为N-1。

步骤S2：将第i个子场驱动时的子场时间设置为子场数为N时的2倍；i＝1,2,…N-1。

步骤S3：调整为第一DMD子系统和第二DMD子系统提供红外光源的黑体的温度，直至所述温度小于第一预设值并且足以模拟红外场景中温度值为第二预设值的目标。

步骤S4：将第一DMD子系统和第二DMD子系统的输出进行合束叠加，使接收装置能够接收到灰度级为2^N-1的场景图像。

本实施方式的目的是调整与DMD子系统相关的参数，使两套DMD子系统能够模拟出低温场景中高温物体的图像。具体而言，在步骤S1中先根据待显示场景图像的灰度级将第一DMD子系统和第二DMD子系统的子场数进行设置。例如待显示图像需要满足255灰度级，则本步骤中将DMD的子场数设置为7。在步骤S2中，设置每个DMD的子场时间。例如若8子场的子场时间设为t，则本步骤中的7子场的子场时间需要设置为2t。在步骤S3中，调整黑体的温度，使黑体温度低于设定的温度，并且也需要达到足以模拟高温目标的程度。这个温度可以预先指定也可以根据实验测试得到。一般来说，可以直接将黑体温度值降为8子场时的1/2，例如图5中示出的曲线即为图1基础上将DMD子系统的黑体温度减半后得到的效果。最后，步骤S4中，将两个DMD子系统的输出进行叠加，则得到待显示的场景图像。上述各步骤可以通过控制电路进行控制和调节，例如可以统一与上位机连接，由上位机对DMD和黑体温度进行统一控制。

<实施方式四>

本实施方式提供一种用于电力巡检的红外场景模拟系统、红外场景模拟方法以及DMD控制方法。即本实施方式提供一种利用实施方式一至三的新的应用。

具体而言，配电站的高压线故障有时会体现为局部高温的情况，可以通过配备红外探测器的无人机进行巡检来识别故障。在一些地区进行电力巡检可能会出现室外温度很低，而高压线局部温度很高的情况，为了使红外探测器能够胜任此类应用场景，可以使用实施方式一至三的系统和方法进行测试。相比于传统的测试方法，本实施方式不会因黑体温度过高而产生信噪比低、对比度低的问题，能够得到更为准确的测试结果。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种红外场景模拟系统，其特征在于，包括第一红外光路、第二红外光路以及合束镜；第一红外光路包括第一黑体和第一DMD子系统，第一DMD子系统以第一黑体为红外光源生成2^N-1级灰度的图像；第二DMD子系统以第二黑体作为红外光源生成2^N-1级灰度的图像；合束镜用于将第一红外光路和第二红外光路进行合束，用于形成灰度叠加后的图像；调节第一黑体和第二黑体的温度，使黑体温度低于设定的温度，并且也需要达到足以模拟高温目标的程度；

对于待显示灰度级为2^N-1的场景图像，将第一DMD子系统和第二DMD子系统的子场数设置为N-1；将第i个子场驱动时的子场时间设置为子场数为N时的2倍；i＝1,2,…N-1；

所述红外场景模拟系统用于模拟当目标温度高于第一温度，且环境温度低于第二温度时的红外场景。

2.根据权利要求1所述的红外场景模拟系统，其特征在于，第一DMD子系统和第二DMD子系统均用于生成128级灰度的图像。

3.根据权利要求2所述的红外场景模拟系统，其特征在于，所述第一温度为200℃，所述第二温度为30℃，第一黑体和第二黑体的温度为155℃。

4.一种红外场景模拟方法，其特征在于，包括：

对于待显示灰度级为2^N-1的场景图像，将灰度级为2^N-1的第一DMD子系统和灰度级为2^N-1的第二DMD子系统的输出进行合束叠加，得到所述场景图像；

其中第一DMD子系统的红外光源由第一黑体提供；第二DMD子系统的红外光源由第二黑体提供；调节第一黑体和第二黑体的温度，使黑体温度低于设定的温度，并且也需要达到足以模拟高温目标的程度；

对于待显示灰度级为2^N-1的场景图像，将第一DMD子系统和第二DMD子系统的子场数设置为N-1；将第i个子场驱动时的子场时间设置为子场数为N时的2倍；i＝1,2,…N-1；

所述方法用于模拟当目标温度高于第一温度，且环境温度低于第二温度时的红外场景。

5.根据权利要求4所述的红外场景模拟方法，其特征在于，待显示目标图像为255灰度级，第一DMD子系统和第二DMD子系统为128灰度级。

6.根据权利要求4所述的红外场景模拟方法，其特征在于，所述第一温度为200℃，所述第二温度为30℃，第一黑体和第二黑体的温度为155℃。

7.一种DMD控制方法，其特征在于，包括：

对于待显示灰度级为2^N-1的场景图像，将第一DMD子系统和第二DMD子系统的子场数设置为N-1；

将第i个子场驱动时的子场时间设置为子场数为N时的2倍；i＝1,2,…N-1；

调整为第一DMD子系统和第二DMD子系统提供红外光源的黑体的温度，使黑体温度低于设定的温度，并且也需要达到足以模拟高温目标的程度；

将第一DMD子系统和第二DMD子系统的输出进行合束叠加，使接收装置能够接收到灰度级为2^N-1的场景图像；

所述方法用于模拟当目标温度高于第一温度，且环境温度低于第二温度时的红外场景。

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