紅外雙波段目標模擬器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

錢育龍+王治樂+張成標

摘要：介紹了紅外雙波段目標模擬器在國內(nèi)外的發(fā)展情況，從雙波段目標模擬器的工作原理入手，重點論述了雙波段景象生成器、雙波段目標模擬器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計以及系統(tǒng)的準直和圖像的配準幾個方面的技術水平，對比了我國現(xiàn)階段發(fā)展的不足，討論了發(fā)展方向和前景。

關鍵詞：目標模擬器；紅外景象仿真；雙波段

中圖分類號：TP760；TN216文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）05-0023-05

0 引言

雙波段探測系統(tǒng)和傳統(tǒng)的單色尋的探測系統(tǒng)相比具有更高的可靠性和準確性，近些年發(fā)展快速。在紅外雙波段導引頭設計檢測的末期，需要一種能夠準確評估紅外雙色制導系統(tǒng)性能的方法，紅外景象仿真技術以其制作周期短、仿真度高等特點受到了國內(nèi)外學者的高度重視。紅外雙波段目標模擬器是實現(xiàn)紅外目標仿真系統(tǒng)中的一種方式，它能夠生成目標在兩個波段內(nèi)的景象以模擬雙波段探測器的探測目標，所以如何生成能被探測器接收到的雙波段景象才是雙波段紅外目標模擬器的核心問題。

本文主要介紹了雙波段目標模擬器的設計方法，并調(diào)研了國內(nèi)外近些年來在雙波段目標模擬器方面的發(fā)展狀況，分析了雙波段目標模擬器的發(fā)展趨勢。

1 雙波段目標模擬器的工作原理

雙波段目標模擬器的工作原理主要分為兩種：

（1）使用雙波段景象生成器直接成像，經(jīng)過光學系統(tǒng)被探測器探測；

（2）兩個景象生成器分別產(chǎn)生兩個波段景象，經(jīng)過分束整合器將兩個波段的景象整合，經(jīng)過光學系統(tǒng)被探測器探測。

第一種雙波段目標模擬器結(jié)構(gòu)較為簡單，但對景象生成器的技術要求比較高。這種方式下，雙波段景象由景象生成器直接生成，雙波段光路通過準直光學系統(tǒng)被探測器接收。

第二種方式是目前較多實現(xiàn)的雙波段目標模擬器的方法，這種結(jié)構(gòu)中一般包括三個主要部分：兩個不同波段的景象生成器，分束整合器以及準直光學系統(tǒng)。兩個景象生成器分別產(chǎn)生各自波段的圖像，經(jīng)過分束整合器進行圖像融合，最終進入準直光學系統(tǒng)被探測器接收。雖然制作工藝要求不高，但仍然有兩個因素需要重點考慮：一是兩個波段內(nèi)的圖像空間配準，二是兩個波段的輻射能量覆蓋。

2 國外雙波段目標模擬器的發(fā)展

雙波段目標模擬器的研究進展主要體現(xiàn)在雙波段景象生成器的研制，雙波段系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計、圖像配準以及抗串擾三個主要方面。

2.1 雙波段景象生成器

在雙波段景象生成器直接成像的目標模擬器設計中，景象生成器的性能起到了重要的作用，它的分辨率、對比度以及波段范圍對成像質(zhì)量有著直接的影響。

雙波段電阻陣列是常用的發(fā)射式景象生成器，它實現(xiàn)雙波段的方式有兩種：一種是中波像元和長波像元間隔排列，另一種為可調(diào)式像元排列。2009年，美國Honeywell公司和SantaBarbaraInfrared公司開發(fā)出了分辨率高達1024×1024的電阻陣列，并實現(xiàn)了MWIR和LWIR兩個波段的紅外輻射仿真[1]。

紅外CRT是另一種典型的發(fā)射式景象生成器，最近幾年美國陸軍夜視光電中心已分別研制出中波和長波兩個波段的視景仿真器樣機[2]，并已研制出可見光/中波紅外、近紅外/長波紅外復合顯示的器件。

光子晶體技術是透射式景象生成技術中的一種，原理是利用光子晶體通過自身結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對光波的調(diào)制以及帶阻濾波的特性，達到對通過光子晶體的光通量的控制。利用光子晶體可以制作多波段的模擬器，可在2000K溫度下長時間工作，且發(fā)射率高，功耗較低。文獻[3]提供了256×256中波/長波雙波段模擬器的一個例子[4]。

2.2 目標模擬器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計

在兩套景象生成器分別成像并進行圖像融合的雙波段目標模擬器設計中，系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計起到了關鍵作用，它直接影響著系統(tǒng)的分辨率水平以及后期的準直與矯正。

2000年，美國埃格林空軍基地制導武器半實物仿真試驗中心以動力能量武器系統(tǒng)（KHILS）為背景[5-6]，專門開發(fā)了一種可以同時投影兩個紅外波段（中/長）WISP圖像的雙波段紅外輻射投影儀。KHILS的紅外場景投影器的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，中波紅外電阻陣列和長波紅外電阻陣列分別輻射成像，經(jīng)過分束整合器融合后再經(jīng)過反射式準直系統(tǒng)被探測器接收，此景象生成器的部分實物圖如圖2所示[7-8]。2004年，為了滿足KHILS低溫真空實驗室的景象模擬需要，將其改進成能夠提供低溫背景并且能夠模擬以外大氣層為背景的紅外雙波段目標模擬器[9]。

美國海軍對雙波段紅外目標模擬器很重視，Julia博士和David博士等人從2008年起，就開始為美國海軍進行紅外雙波段目標模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究以及系統(tǒng)參數(shù)的測試工作。他們從最開始就采用數(shù)字微鏡陣列（DMD）作為景象生成器。與傳統(tǒng)的電阻陣列構(gòu)成的景象生成器相比，它可以接收寬波段輻射源并且溫度保持不變，因此反應更迅速，同時溫度控制的難度比電阻陣列小得多。他們的設計研究工作主要分為兩個階段：在第一階段設計中，他們率先提出使用寬波段輻射源，濾光片組（相當于分束整合器）和單DMD器件的設計思路，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[10]。紅外輻射源發(fā)射全波段的光波并通過準直透鏡準直，光波在分束器的反射和透射作用下形成特定波段的兩束光路，兩束光路在各自的通道內(nèi)反射、透射并到達DMD

器件的上半部分和下半部分，經(jīng)過DMD反射后的光波再次經(jīng)透射、反射后被分束整合器融合，最后融合后的光束被準直系統(tǒng)準直形成雙波段圖像。此方案中兩個波段能量比值的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)微鏡陣列的占空比來實現(xiàn)的。這種設計方式的缺點是由于只使用了一個DMD器件，在實現(xiàn)更高精度的空間分辨率時，復合角度相對復雜，不易完成設計指標。

所以，2009年開始進入第二階段的設計研究，此時他們開始使用兩個DMD器件。第二階段的設計指標如表1所示，經(jīng)過試驗測試，最終合理的系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)實物圖如圖5所示。兩個波段的輻射源和DMD分別使用兩套獨立的光學系統(tǒng)，并最終由分束整合器將兩個波段融合，通過共同的投影系統(tǒng)被探測器接收。經(jīng)過測試，系統(tǒng)的單一波段的最大的輻射強度可以達到1W/ster，分辨率達到1024個灰度級，幀頻為40.5Hz，場景持續(xù)時間可以達到54s，最小分辨角為220微弧度，視場角約為1.8°。

然而雙波段探測技術的迅猛發(fā)展，使現(xiàn)有的雙波段目標模擬器已無法滿足動態(tài)范圍的要求，盡管灰度級數(shù)字化可以通過電路驅(qū)動的改進來實現(xiàn)，但對比度的嚴重不足已經(jīng)制約現(xiàn)有目標模擬器的使用。在對DMD表面反射和衍射等條件進行分析后發(fā)現(xiàn)，對比度只能實現(xiàn)8位圖像。這主要是由于DMD陣列在任何情況下都受到光源的照射（如投影黑夜中的亮點目標），DMD受到長時間照射后自發(fā)輻射影響了圖像的對比度，于是在2012年他們又提出了新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設計方案[11]，如圖6所示。該方案和2009年提出的設計方案相比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中多了一個光源調(diào)制DMD陣列，這就意味著紅外輻射源輻射的能量可以有選擇性地透射到投影DMD上，使投影DMD避免受到輻射源的長期照射，減小了自身輻射能力，提高了圖像的對比度，成品實驗中發(fā)現(xiàn)對比度從8位提高到了12位。

隨著分辨率和精度要求的不斷提高，2013年，美國SBIR公司設計了基于兩個像素元均為1024×1024的MIRAGE-XL電阻陣列的紅外雙波段目標模擬器[12]。電阻陣列的工作頻率為200Hz，在中波紅外下溫度達到675K，在長波紅外下溫度達到550K，每個MIRAGE-XL包含三個部分：數(shù)字輻射器DEE＼溫度支持系統(tǒng)TSS＼控制電子系統(tǒng)C&CE。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，模擬器的部分實物圖如圖8所示。和之前的技術相比，本次設計中對控制電子系統(tǒng)C&CE進行了改進，提供了更寬的工作光譜段，減小了波段覆蓋的可能性，實現(xiàn)了兩個波段之間的串擾校正，并且使串擾低于單一波段要求的1%。同時采用內(nèi)插修正的方法，增強了兩個波段的景象匹配程度，使空間匹配精度誤差不到0.1個像元，盡管陣列邊緣的精度有的會超過0.25個像元，但在兩個波段內(nèi)的非一致性矯正平均低于2%，最終雙波段的光譜和空間特性得到改善。

2.3 系統(tǒng)的準直與圖像的配準

在需要景象融合的雙波段模擬器中，準直系統(tǒng)是圖像配準的重要組成部分，它的微小偏差會導致模擬像的位置和真實像的位置存在偏離。由于兩個獨立波段的光學系統(tǒng)存在多個光程差，增加了對準的復雜程度。為了解決這個問題，主要考慮以下三個方面：（1）實時校正點源光線；（2）兩個通道獨立的應用程序；（3）實時進行擴展原數(shù)據(jù)的處理。針對這些問題，2002年，WayneKeen等人提出了利用圖形學和點源逆失真的方法來解決這個問題[13]。雖然效果顯著，但當兩個波段的噪聲相差過大或者存在冷、熱輻射點源仍會對結(jié)果產(chǎn)生微小的影響。

兩個波段間的串擾也是雙波段模擬器中重要問題，即兩個波段之間存在著能量覆蓋。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是分束整合器并不能完全分離兩個譜段。2003年，R.Bryan等人使用一個雙波段目標模擬器以及與模擬器對應波段輻射的一體化相機進行數(shù)據(jù)測量，通過測量數(shù)據(jù)建立了串擾的數(shù)學模型，利用數(shù)學模型設計了可以減少串擾的濾光片，并確定了濾光片的光譜特性，結(jié)構(gòu)圖如圖9所示[14]。另外，針對濾光片處理不夠理想的情況，如光譜段重疊過大，他們還提出共同驅(qū)動（以前是獨立驅(qū)動）投影機的耦合校準方法，可以把串擾信號轉(zhuǎn)化成所需要的信號。

在這些研究的基礎上，2006年美國的艾格林空軍基地的真空實驗室，運用濾光片和耦合校準的方法對先前設計的雙波段紅外目標模擬器進行改進，改進后的模擬器在空間匹配和輻射度校正上都有了明顯的提高[15]。在研究設計過程中，他們提出“反響應函數(shù)”的概念。反響應函數(shù)從測量中得來，表示期望輸出的一個多項式函數(shù)，通過每一次輻射、每一幀圖像可以得到一個反響應函數(shù)，通過反響應函數(shù)可以實現(xiàn)對下次輻射和下一幀圖像的校正。

3 國內(nèi)雙波段目標模擬器的發(fā)展

國內(nèi)的景象仿真技術起步比較早，在20世紀90年代就有一定數(shù)量的成品研制出來。但我國在雙波段景象仿真方面起步相對較晚，還需要做一些深入的研究。

國內(nèi)最早在2006年，上海技術物理研究所研制出了雙波段紅外輻射源系統(tǒng)，如圖10所示。它包括長波紅外和短波紅外兩個波段，長波紅外采用中溫黑體源，短波紅外采用高溫黑體源。中、高溫黑體源通過光闌孔的出射輻射經(jīng)調(diào)制器變成正弦調(diào)制輻射，兩路光束經(jīng)光學耦合器合成一路光束，再經(jīng)平面反射鏡入射到離軸拋物面主反射鏡后變成平行光出射。為了抑制干擾，在耦合器一側(cè)設置一個吸收腔，把耦合器反射的高溫黑體輻射及其透過的中溫黑體輻射全部吸收掉。該系統(tǒng)一方面可以通過電控箱的操作面板，人工進行溫度、調(diào)制頻率的設定；另一方面可與計算機通訊，實現(xiàn)自動控制。主要參數(shù)如下：

中溫黑體：

溫度分辨率：0.001℃；

目前，國內(nèi)比較先進的雙波段目標模擬器在分辨率和背景溫度方面可以達到以下標準：在角分辨率方面，中波角分辨率和長波角分辨率分別能夠做到0.12mrad和0.29mrad；在溫度分辨率方面，最高溫度分辨率可以達到0.05℃，最高背景溫度能夠達到600℃；在像元數(shù)和灰度等級方面，在1～5μm波段像元數(shù)為1280×1024，在8～14μm波段像元數(shù)為640×512，灰度等級可以達到256級，幀頻約為100～200Hz。

4 結(jié) 論

在對雙波段探測系統(tǒng)檢測的過程中，雙波段紅外目標模擬器起到了關鍵的作用，景象生成器的研發(fā)、仿真系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計以及輻射能量校正和雙色圖像配準是其中的關鍵技術，創(chuàng)新點在目標模擬器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改善以及回路反饋系統(tǒng)的優(yōu)化，以美國為首的西方國家無論在系統(tǒng)分辨率和誤差精度上都領先國內(nèi)現(xiàn)有的技術水平。我國雖然在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計方面緊跟國外的先進思路，但在景象生成器的制作工藝以及系統(tǒng)整體的精度上還有一定的差距。紅外雙波段探測未來的發(fā)展趨勢是多波段探測，并且配合可見光、紫外以及激光的多元化探測系統(tǒng)，我國應加緊在這一方面的研究，緊跟世界最先進技術的發(fā)展。

然而雙波段探測技術的迅猛發(fā)展，使現(xiàn)有的雙波段目標模擬器已無法滿足動態(tài)范圍的要求，盡管灰度級數(shù)字化可以通過電路驅(qū)動的改進來實現(xiàn)，但對比度的嚴重不足已經(jīng)制約現(xiàn)有目標模擬器的使用。在對DMD表面反射和衍射等條件進行分析后發(fā)現(xiàn)，對比度只能實現(xiàn)8位圖像。這主要是由于DMD陣列在任何情況下都受到光源的照射（如投影黑夜中的亮點目標），DMD受到長時間照射后自發(fā)輻射影響了圖像的對比度，于是在2012年他們又提出了新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設計方案[11]，如圖6所示。該方案和2009年提出的設計方案相比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中多了一個光源調(diào)制DMD陣列，這就意味著紅外輻射源輻射的能量可以有選擇性地透射到投影DMD上，使投影DMD避免受到輻射源的長期照射，減小了自身輻射能力，提高了圖像的對比度，成品實驗中發(fā)現(xiàn)對比度從8位提高到了12位。

隨著分辨率和精度要求的不斷提高，2013年，美國SBIR公司設計了基于兩個像素元均為1024×1024的MIRAGE-XL電阻陣列的紅外雙波段目標模擬器[12]。電阻陣列的工作頻率為200Hz，在中波紅外下溫度達到675K，在長波紅外下溫度達到550K，每個MIRAGE-XL包含三個部分：數(shù)字輻射器DEE＼溫度支持系統(tǒng)TSS＼控制電子系統(tǒng)C&CE。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，模擬器的部分實物圖如圖8所示。和之前的技術相比，本次設計中對控制電子系統(tǒng)C&CE進行了改進，提供了更寬的工作光譜段，減小了波段覆蓋的可能性，實現(xiàn)了兩個波段之間的串擾校正，并且使串擾低于單一波段要求的1%。同時采用內(nèi)插修正的方法，增強了兩個波段的景象匹配程度，使空間匹配精度誤差不到0.1個像元，盡管陣列邊緣的精度有的會超過0.25個像元，但在兩個波段內(nèi)的非一致性矯正平均低于2%，最終雙波段的光譜和空間特性得到改善。

2.3 系統(tǒng)的準直與圖像的配準

在需要景象融合的雙波段模擬器中，準直系統(tǒng)是圖像配準的重要組成部分，它的微小偏差會導致模擬像的位置和真實像的位置存在偏離。由于兩個獨立波段的光學系統(tǒng)存在多個光程差，增加了對準的復雜程度。為了解決這個問題，主要考慮以下三個方面：（1）實時校正點源光線；（2）兩個通道獨立的應用程序；（3）實時進行擴展原數(shù)據(jù)的處理。針對這些問題，2002年，WayneKeen等人提出了利用圖形學和點源逆失真的方法來解決這個問題[13]。雖然效果顯著，但當兩個波段的噪聲相差過大或者存在冷、熱輻射點源仍會對結(jié)果產(chǎn)生微小的影響。

兩個波段間的串擾也是雙波段模擬器中重要問題，即兩個波段之間存在著能量覆蓋。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是分束整合器并不能完全分離兩個譜段。2003年，R.Bryan等人使用一個雙波段目標模擬器以及與模擬器對應波段輻射的一體化相機進行數(shù)據(jù)測量，通過測量數(shù)據(jù)建立了串擾的數(shù)學模型，利用數(shù)學模型設計了可以減少串擾的濾光片，并確定了濾光片的光譜特性，結(jié)構(gòu)圖如圖9所示[14]。另外，針對濾光片處理不夠理想的情況，如光譜段重疊過大，他們還提出共同驅(qū)動（以前是獨立驅(qū)動）投影機的耦合校準方法，可以把串擾信號轉(zhuǎn)化成所需要的信號。

在這些研究的基礎上，2006年美國的艾格林空軍基地的真空實驗室，運用濾光片和耦合校準的方法對先前設計的雙波段紅外目標模擬器進行改進，改進后的模擬器在空間匹配和輻射度校正上都有了明顯的提高[15]。在研究設計過程中，他們提出“反響應函數(shù)”的概念。反響應函數(shù)從測量中得來，表示期望輸出的一個多項式函數(shù)，通過每一次輻射、每一幀圖像可以得到一個反響應函數(shù)，通過反響應函數(shù)可以實現(xiàn)對下次輻射和下一幀圖像的校正。

3 國內(nèi)雙波段目標模擬器的發(fā)展

國內(nèi)的景象仿真技術起步比較早，在20世紀90年代就有一定數(shù)量的成品研制出來。但我國在雙波段景象仿真方面起步相對較晚，還需要做一些深入的研究。

國內(nèi)最早在2006年，上海技術物理研究所研制出了雙波段紅外輻射源系統(tǒng)，如圖10所示。它包括長波紅外和短波紅外兩個波段，長波紅外采用中溫黑體源，短波紅外采用高溫黑體源。中、高溫黑體源通過光闌孔的出射輻射經(jīng)調(diào)制器變成正弦調(diào)制輻射，兩路光束經(jīng)光學耦合器合成一路光束，再經(jīng)平面反射鏡入射到離軸拋物面主反射鏡后變成平行光出射。為了抑制干擾，在耦合器一側(cè)設置一個吸收腔，把耦合器反射的高溫黑體輻射及其透過的中溫黑體輻射全部吸收掉。該系統(tǒng)一方面可以通過電控箱的操作面板，人工進行溫度、調(diào)制頻率的設定；另一方面可與計算機通訊，實現(xiàn)自動控制。主要參數(shù)如下：

中溫黑體：

溫度分辨率：0.001℃；

目前，國內(nèi)比較先進的雙波段目標模擬器在分辨率和背景溫度方面可以達到以下標準：在角分辨率方面，中波角分辨率和長波角分辨率分別能夠做到0.12mrad和0.29mrad；在溫度分辨率方面，最高溫度分辨率可以達到0.05℃，最高背景溫度能夠達到600℃；在像元數(shù)和灰度等級方面，在1～5μm波段像元數(shù)為1280×1024，在8～14μm波段像元數(shù)為640×512，灰度等級可以達到256級，幀頻約為100～200Hz。

4 結(jié) 論

在對雙波段探測系統(tǒng)檢測的過程中，雙波段紅外目標模擬器起到了關鍵的作用，景象生成器的研發(fā)、仿真系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計以及輻射能量校正和雙色圖像配準是其中的關鍵技術，創(chuàng)新點在目標模擬器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改善以及回路反饋系統(tǒng)的優(yōu)化，以美國為首的西方國家無論在系統(tǒng)分辨率和誤差精度上都領先國內(nèi)現(xiàn)有的技術水平。我國雖然在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計方面緊跟國外的先進思路，但在景象生成器的制作工藝以及系統(tǒng)整體的精度上還有一定的差距。紅外雙波段探測未來的發(fā)展趨勢是多波段探測，并且配合可見光、紫外以及激光的多元化探測系統(tǒng)，我國應加緊在這一方面的研究，緊跟世界最先進技術的發(fā)展。

然而雙波段探測技術的迅猛發(fā)展，使現(xiàn)有的雙波段目標模擬器已無法滿足動態(tài)范圍的要求，盡管灰度級數(shù)字化可以通過電路驅(qū)動的改進來實現(xiàn)，但對比度的嚴重不足已經(jīng)制約現(xiàn)有目標模擬器的使用。在對DMD表面反射和衍射等條件進行分析后發(fā)現(xiàn)，對比度只能實現(xiàn)8位圖像。這主要是由于DMD陣列在任何情況下都受到光源的照射（如投影黑夜中的亮點目標），DMD受到長時間照射后自發(fā)輻射影響了圖像的對比度，于是在2012年他們又提出了新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設計方案[11]，如圖6所示。該方案和2009年提出的設計方案相比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中多了一個光源調(diào)制DMD陣列，這就意味著紅外輻射源輻射的能量可以有選擇性地透射到投影DMD上，使投影DMD避免受到輻射源的長期照射，減小了自身輻射能力，提高了圖像的對比度，成品實驗中發(fā)現(xiàn)對比度從8位提高到了12位。

隨著分辨率和精度要求的不斷提高，2013年，美國SBIR公司設計了基于兩個像素元均為1024×1024的MIRAGE-XL電阻陣列的紅外雙波段目標模擬器[12]。電阻陣列的工作頻率為200Hz，在中波紅外下溫度達到675K，在長波紅外下溫度達到550K，每個MIRAGE-XL包含三個部分：數(shù)字輻射器DEE＼溫度支持系統(tǒng)TSS＼控制電子系統(tǒng)C&CE。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，模擬器的部分實物圖如圖8所示。和之前的技術相比，本次設計中對控制電子系統(tǒng)C&CE進行了改進，提供了更寬的工作光譜段，減小了波段覆蓋的可能性，實現(xiàn)了兩個波段之間的串擾校正，并且使串擾低于單一波段要求的1%。同時采用內(nèi)插修正的方法，增強了兩個波段的景象匹配程度，使空間匹配精度誤差不到0.1個像元，盡管陣列邊緣的精度有的會超過0.25個像元，但在兩個波段內(nèi)的非一致性矯正平均低于2%，最終雙波段的光譜和空間特性得到改善。

2.3 系統(tǒng)的準直與圖像的配準

在需要景象融合的雙波段模擬器中，準直系統(tǒng)是圖像配準的重要組成部分，它的微小偏差會導致模擬像的位置和真實像的位置存在偏離。由于兩個獨立波段的光學系統(tǒng)存在多個光程差，增加了對準的復雜程度。為了解決這個問題，主要考慮以下三個方面：（1）實時校正點源光線；（2）兩個通道獨立的應用程序；（3）實時進行擴展原數(shù)據(jù)的處理。針對這些問題，2002年，WayneKeen等人提出了利用圖形學和點源逆失真的方法來解決這個問題[13]。雖然效果顯著，但當兩個波段的噪聲相差過大或者存在冷、熱輻射點源仍會對結(jié)果產(chǎn)生微小的影響。

兩個波段間的串擾也是雙波段模擬器中重要問題，即兩個波段之間存在著能量覆蓋。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是分束整合器并不能完全分離兩個譜段。2003年，R.Bryan等人使用一個雙波段目標模擬器以及與模擬器對應波段輻射的一體化相機進行數(shù)據(jù)測量，通過測量數(shù)據(jù)建立了串擾的數(shù)學模型，利用數(shù)學模型設計了可以減少串擾的濾光片，并確定了濾光片的光譜特性，結(jié)構(gòu)圖如圖9所示[14]。另外，針對濾光片處理不夠理想的情況，如光譜段重疊過大，他們還提出共同驅(qū)動（以前是獨立驅(qū)動）投影機的耦合校準方法，可以把串擾信號轉(zhuǎn)化成所需要的信號。

在這些研究的基礎上，2006年美國的艾格林空軍基地的真空實驗室，運用濾光片和耦合校準的方法對先前設計的雙波段紅外目標模擬器進行改進，改進后的模擬器在空間匹配和輻射度校正上都有了明顯的提高[15]。在研究設計過程中，他們提出“反響應函數(shù)”的概念。反響應函數(shù)從測量中得來，表示期望輸出的一個多項式函數(shù)，通過每一次輻射、每一幀圖像可以得到一個反響應函數(shù)，通過反響應函數(shù)可以實現(xiàn)對下次輻射和下一幀圖像的校正。

3 國內(nèi)雙波段目標模擬器的發(fā)展

國內(nèi)的景象仿真技術起步比較早，在20世紀90年代就有一定數(shù)量的成品研制出來。但我國在雙波段景象仿真方面起步相對較晚，還需要做一些深入的研究。

國內(nèi)最早在2006年，上海技術物理研究所研制出了雙波段紅外輻射源系統(tǒng)，如圖10所示。它包括長波紅外和短波紅外兩個波段，長波紅外采用中溫黑體源，短波紅外采用高溫黑體源。中、高溫黑體源通過光闌孔的出射輻射經(jīng)調(diào)制器變成正弦調(diào)制輻射，兩路光束經(jīng)光學耦合器合成一路光束，再經(jīng)平面反射鏡入射到離軸拋物面主反射鏡后變成平行光出射。為了抑制干擾，在耦合器一側(cè)設置一個吸收腔，把耦合器反射的高溫黑體輻射及其透過的中溫黑體輻射全部吸收掉。該系統(tǒng)一方面可以通過電控箱的操作面板，人工進行溫度、調(diào)制頻率的設定；另一方面可與計算機通訊，實現(xiàn)自動控制。主要參數(shù)如下：

中溫黑體：

溫度分辨率：0.001℃；

目前，國內(nèi)比較先進的雙波段目標模擬器在分辨率和背景溫度方面可以達到以下標準：在角分辨率方面，中波角分辨率和長波角分辨率分別能夠做到0.12mrad和0.29mrad；在溫度分辨率方面，最高溫度分辨率可以達到0.05℃，最高背景溫度能夠達到600℃；在像元數(shù)和灰度等級方面，在1～5μm波段像元數(shù)為1280×1024，在8～14μm波段像元數(shù)為640×512，灰度等級可以達到256級，幀頻約為100～200Hz。

4 結(jié) 論

在對雙波段探測系統(tǒng)檢測的過程中，雙波段紅外目標模擬器起到了關鍵的作用，景象生成器的研發(fā)、仿真系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計以及輻射能量校正和雙色圖像配準是其中的關鍵技術，創(chuàng)新點在目標模擬器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改善以及回路反饋系統(tǒng)的優(yōu)化，以美國為首的西方國家無論在系統(tǒng)分辨率和誤差精度上都領先國內(nèi)現(xiàn)有的技術水平。我國雖然在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計方面緊跟國外的先進思路，但在景象生成器的制作工藝以及系統(tǒng)整體的精度上還有一定的差距。紅外雙波段探測未來的發(fā)展趨勢是多波段探測，并且配合可見光、紫外以及激光的多元化探測系統(tǒng)，我國應加緊在這一方面的研究，緊跟世界最先進技術的發(fā)展。