MOS電阻陣紅外目標(biāo)模擬器圖像幀頻測試方法

郝燕云，趙松慶,2 ，吳根水,2 ，李 睿,2，高 輝

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009; 2.航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471009)

0 引言

在紅外成像制導(dǎo)武器研制過程中，紅外成像制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)是驗(yàn)證武器系統(tǒng)在實(shí)戰(zhàn)環(huán)境中制導(dǎo)性能的重要手段。它是由紅外成像目標(biāo)模擬器、紅外仿真總控臺、五軸飛行模擬轉(zhuǎn)臺等組成，可以為紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)營造一個逼真的外場實(shí)戰(zhàn)紅外環(huán)境。其中，紅外成像目標(biāo)模擬器的功能是實(shí)現(xiàn)對高逼真度動態(tài)紅外場景的模擬，即可以在紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的工作波段內(nèi)，模擬真實(shí)目標(biāo)/干擾在三維空間的形態(tài)特征、姿態(tài)運(yùn)動特征、彈目接近過程和紅外輻射特性。目前，國內(nèi)具有代表性的動態(tài)場景模擬技術(shù)有MEMS薄膜、DMD數(shù)字微鏡陣列和MOS電阻陣列等。其中，基于MOS電阻陣列的紅外成像目標(biāo)模擬器由于高幀頻、動態(tài)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，備受國內(nèi)外關(guān)注，成為國內(nèi)外廣泛研究且發(fā)展較為成熟的一種紅外成像目標(biāo)模擬器。以美國導(dǎo)彈指揮仿真中心、海軍空軍中心仿真實(shí)驗(yàn)室及海軍空軍中心仿真實(shí)驗(yàn)室三大美國國防仿真實(shí)驗(yàn)中心為代表的歐美等國家仿真實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)大量地成功使用基于MOS電阻陣列紅外目標(biāo)模擬器的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。除此之外，國內(nèi)也加快了對MOS電阻陣列紅外目標(biāo)模擬器研究的腳步，到目前為止已經(jīng)取得了顯著成果。

紅外成像目標(biāo)模擬器的圖像幀頻是指單位時間內(nèi)生成動態(tài)紅外熱圖像的幀數(shù)，是衡量紅外目標(biāo)模擬器的性能參數(shù)之一。對于高速飛行的目標(biāo)而言，它自身的姿態(tài)變化及與被測紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的距離變化都是很快的，為了實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)運(yùn)動的逼真模擬，紅外成像目標(biāo)模擬器更新動態(tài)紅外熱圖像的速度越快越好，即幀頻越高越好。

在測試MOS電阻陣列紅外圖像轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的最高工作頻率時，上?？茖W(xué)院上海技術(shù)物理研究所[1]通過觀察示波器輸出的由高速紅外探測器采集得到的MOS電阻陣列紅外圖像轉(zhuǎn)換器響應(yīng)時間波形，分析響應(yīng)上升和下降時間，從而確定獲得MOS電阻陣列紅外圖像轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的最高工作頻率。該文[4]僅描述了測試MOS電阻陣列紅外圖像轉(zhuǎn)換器自身可達(dá)到的最大幀頻參數(shù)方法，并沒有提及整個紅外目標(biāo)模擬器的圖像幀頻測試方法。

在測試DMD紅外目標(biāo)模擬器的幀頻時，中國人民解放軍 63892 部隊(duì)使用熱像儀測試模擬器視頻處理電路能夠適應(yīng)的幀頻范圍，利用單元探測器和示波器測試模擬器驅(qū)動電路能夠適應(yīng)的幀頻范圍[2]。同樣地，也沒有提及整個紅外目標(biāo)模擬器的圖像幀頻測試方法。

首先，對MOS電阻陣列紅外成像目標(biāo)模擬器的組成部分和工作原理進(jìn)行了介紹，闡述了半實(shí)物仿真試驗(yàn)中對模擬紅外輻射熱圖像幀頻測試的必要性；然后，針對測試需求，提出了一種測試整個MOS電阻陣列紅外成像目標(biāo)模擬器輸出圖像幀頻的方法，搭建了圖像幀頻測試平臺；最后，對256×256元MOS電阻陣列紅外成像目標(biāo)模擬器的輸出圖像幀頻進(jìn)行了測試。

1 MOS電阻陣紅外成像目標(biāo)模擬器

基于MOS電阻陣列的紅外成像目標(biāo)模擬器是由計(jì)算機(jī)圖像生成系統(tǒng)、電阻陣列控制驅(qū)動系統(tǒng)、MOS電阻陣列紅外圖像轉(zhuǎn)換器和紅外光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)組成，組成框圖如圖1所示。

圖1 MOS電阻陣紅外目標(biāo)模擬器組成框圖

圖像生成計(jì)算機(jī)接收由仿真計(jì)算機(jī)計(jì)算出目標(biāo)與被測系統(tǒng)的位置、姿態(tài)角隨時間變化數(shù)據(jù)等參數(shù)，根據(jù)收集到的目標(biāo)環(huán)境特性參數(shù)，計(jì)算生成一組數(shù)字紅外場景和目標(biāo)圖像序列。該圖像序列傳輸給電阻陣控制器，按照控制器的格式轉(zhuǎn)換后送往驅(qū)動器。同時，控制器為驅(qū)動器產(chǎn)生MOS電阻陣列需要的行列掃描信號，并由驅(qū)動器驅(qū)動MOS電阻陣列生成對應(yīng)的紅外場景輻射熱圖像，該紅外動態(tài)輻射熱圖像通過紅外光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直成平行光束，然后投射進(jìn)入紅外成像探測系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，最后由紅外成像探測系統(tǒng)采集、計(jì)算并完成圖像的識別和跟蹤。

2 MOS電阻陣列紅外圖像轉(zhuǎn)換器

256×256元MOS電阻陣列紅外圖像轉(zhuǎn)換器由256×256元電阻陣列芯片、襯底冷卻系統(tǒng)和真空環(huán)境箱系統(tǒng)構(gòu)成，能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)圖像生成系統(tǒng)生成的目標(biāo)/干擾紅外數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為被測紅外成像制導(dǎo)武器系統(tǒng)可探測到的紅外輻射熱圖像。其中，電阻陣列芯片是紅外圖像轉(zhuǎn)換器的核心，由256×256個電阻陣列基本單元兩個128位移位寄存器和16個16位多路傳輸器組成。

2.1 256×256元MOS電阻陣列芯片結(jié)構(gòu)

MOS電阻陣列的主體部分是組成陣列的像素物理結(jié)構(gòu)，每個像素單元由一個電阻形式的微輻射體和一組單元驅(qū)動電路組成，二者平鋪在一個區(qū)域內(nèi)[3]，如圖2所示。其中，微輻射體是器件的核心部分，其功能是將某種其它形式的能量轉(zhuǎn)換成所需要的紅外輻射能量。像素單元之間和陣列外圍均布置了控制總線和選址電路，用來對像素單元進(jìn)行選通控制。

圖2 MOS電阻陣列器件像素平面結(jié)構(gòu)

像素電路單元如圖3所示。每個單元[4]除了微輻射體R外，還包含兩個MOS晶體管T1、T2。傳輸門T1用來輸送模擬控制信號Vs，驅(qū)動管T2及R組成源極跟隨器結(jié)構(gòu)，給微輻射體提供充足的加熱電流。當(dāng)傳輸門被選通打開時，信號Vs經(jīng)T1傳輸?shù)絋2柵上，T2以相應(yīng)電流給電阻R加熱。當(dāng)傳輸門關(guān)閉時，存貯在電容C上的電荷經(jīng)T2的漏電阻慢慢放電，在放電期間，T2能為電阻維持加熱。

圖3 MOS電阻陣列像素電路單元

256×256電阻陣列器件被分成了左右兩個完全相同、獨(dú)立的子模塊，各自分別進(jìn)行控制和驅(qū)動的[5]。每個子模塊的規(guī)模是256×128元陣列，外圍分別集成了1個橫向128位移位寄存器和16個由16個傳輸門、16 個模擬信號輸入端子和1個16位模擬移位寄存器組成的模擬信號多路傳輸器，其中，128位移位寄存器主要用來提供橫向掃描選通時序，而16位多路傳輸器主要用來提供縱向掃描選通時序以及串行模擬控制信號。這樣分組的設(shè)計(jì)目的是為了減少電阻陣芯片的外部引腳數(shù)目，從而提高電阻陣器件的實(shí)用性。圖4是器件的總體電路原理圖，S1～S16 負(fù)責(zé)為左邊子模塊的 256行單元提供模擬控制信號，S1′～S16′負(fù)責(zé)為右邊子模塊的256行單元提供模擬控制信號，每個端子包括16 行單元的串行控制數(shù)據(jù)包。圖5是器件的子模塊電路原理圖，虛框內(nèi)的部分即是一個基本單元。

圖4 256×256電阻陣列總體電路原理圖

圖5 256×256電阻陣列器件子模塊電路原理圖

2.2 256×256元MOS電阻陣列驅(qū)動模式

芯片工作時，器件的兩個子模塊采用同時逐列分組掃描的方式[6]驅(qū)動，不僅掃描方向相同，動作也完全同步，圖6為一個子模塊的驅(qū)動模式示意圖。

首先，由橫向128位移位寄存器按照從左到右的順序選通子模塊某列的全部單元，然后在此列被選通的時間內(nèi)，16個縱向16位多路傳輸器同時從它們各自控制的16行單元中的第一行開始掃描，當(dāng)掃描到某個單元時，相對應(yīng)的串行模擬驅(qū)動電壓Vs(n)就通過多路傳輸器注入到此單元的保持電容上，直到每組控制的16個單元都按照從上到下的順序被驅(qū)動過之后，橫向移位寄存器轉(zhuǎn)而再驅(qū)動下一列單元，開始新一輪的驅(qū)動，就這樣循環(huán)往復(fù)，而之前驅(qū)動過的單元將依靠單元中的保持電容繼續(xù)來維持驅(qū)動電壓，直到下一幀來臨時，驅(qū)動信號才能夠得以刷新。

圖6 電阻陣器件子模塊驅(qū)動模式示意圖

3 紅外目標(biāo)模擬器圖像幀頻測試

紅外目標(biāo)模擬器具有3種可輸入的數(shù)字動態(tài)圖像方式：圖像計(jì)算機(jī)生成的數(shù)字動態(tài)圖像、使用紅外熱像儀拍攝的場景視頻圖像和紅外制導(dǎo)武器系統(tǒng)采集的紅外動態(tài)場景圖像，輸出的是對頻率有一定要求的序列動態(tài)紅外輻射場景圖像。衡量紅外成像目標(biāo)模擬器性能主要有以下幾個參數(shù)[7]：

1) 像元數(shù)，即輸出紅外輻射圖像的像元數(shù)量；

2) 占空比，即像元尺寸與相鄰像元間距的比值，表征了輸出紅外輻射圖像的空間分辨率；

3) 動態(tài)溫度范圍，反映了輸出紅外輻射圖像的亮暗邊界；

4) 輻射穩(wěn)定性和均勻性，分別反映了輸出紅外輻射圖像在時域和空域的溫度分辨率；

5) 圖像幀頻，影響著輸出動態(tài)紅外輻射圖像變化的快慢程度。

決定MOS電阻陣列紅外成像目標(biāo)模擬器的圖像幀頻主要有3個因素：1)計(jì)算機(jī)圖像生成系統(tǒng)的計(jì)算能力；2)MOS電阻陣列輻射單元的熱慣性，體現(xiàn)在時間常數(shù)上；3)紅外成像目標(biāo)模擬器的驅(qū)動控制模式。

3.1 圖像幀頻測試需求

半實(shí)物仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬紅外制導(dǎo)武器識別、跟蹤目標(biāo)的全過程。對于高速飛行的目標(biāo)而言，它自身的姿態(tài)變化及與被測紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的距離變化都是很快的，為了實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)特性的逼真模擬，紅外成像目標(biāo)模擬器單位時間內(nèi)生成動態(tài)紅外熱圖像的數(shù)量越多越好，即幀頻越高越好。所以，為了給MOS電阻陣列紅外成像目標(biāo)模擬器的研制、性能測試和應(yīng)用提供依據(jù)，保證半實(shí)物仿真試驗(yàn)的逼真度，對紅外成像目標(biāo)模擬器的圖像幀頻進(jìn)行測試是非常有必要的。

3.2 圖像幀頻測試原理

紅外目標(biāo)模擬器的圖像幀頻測試原理為：首先，點(diǎn)亮MOS電阻陣中心列輻射單元，經(jīng)過光學(xué)成像后，使中心列點(diǎn)亮的熱輻射圖像剛好成像在單元探測器上；然后，分別控制數(shù)字目標(biāo)/干擾圖像的中心列以一幀亮一幀暗的方式驅(qū)動MOS電阻陣列，使用前置放大器將單元探測器的輸出信號放大，觀察示波器輸出的周期變化波形，波形的一升一降是一個周期，周期值的一半就是紅外成像目標(biāo)模擬器的圖像周期，從而最終確定輸出動態(tài)紅外輻射圖像的幀頻。

3.3 圖像幀頻測試方法

紅外目標(biāo)模擬器的圖像幀頻測試系統(tǒng)主要由調(diào)制器、單元探測器、前置放大器、鎖相放大器、輻射亮度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和示波器等組成。按照紅外成像目標(biāo)模擬器的圖像幀頻測試原理，可將圖像幀頻測試過程分為測試準(zhǔn)備和正式測試兩個階段。

圖像幀頻測試準(zhǔn)備階段：首先由圖像生成計(jì)算機(jī)生成中心一列點(diǎn)亮的靜態(tài)測試圖像，電阻陣列控制驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動MOS電阻陣列紅外圖像轉(zhuǎn)換器生成對應(yīng)的紅外輻射測試圖像，經(jīng)過紅外光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直成平行光束后進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)；一邊分別調(diào)整二維平移臺兩個維度的方向，一邊觀察數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化，當(dāng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)測量出的輻亮度明顯變大且保持穩(wěn)定，說明此時輻射光信號剛好成像在單元探測器上，單元探測器與輻射光信號完成對準(zhǔn)，搭建幀頻測試平臺如圖7所示。

圖7 圖像幀頻準(zhǔn)備測試搭建平臺

圖像幀頻正式測試階段：將鎖相放大器斷開，由前置放大器放大單元探測器探測到的光信號；將示波器輸入接前置放大器輸出端，控制測試圖像的中心列以一幀亮一幀暗的方式工作；最后由示波器測量采集周期變化的曲線，曲線頻率的2倍就是紅外成像目標(biāo)模擬器輸出紅外輻射圖像的幀頻。搭建幀頻測試平臺如圖8所示。

圖8 圖像幀頻正式測試搭建平臺

3.4 圖像幀頻測試結(jié)果

以256×256元MOS電阻陣列紅外成像目標(biāo)模擬器為圖像幀頻測試對象。測試時使用的數(shù)字圖像是在一套基于OpenGL開發(fā)的專用軟件上離線生成，中心列一幀亮一幀暗測試圖像如圖9所示，左側(cè)為中心列點(diǎn)亮的圖像，右側(cè)為中心列不點(diǎn)亮的圖像。

圖9 一幀亮一幀暗動態(tài)測試圖像

圖10是某次測試實(shí)驗(yàn)中得到的示波器輸出波形結(jié)果，測時試使用的動態(tài)數(shù)字圖像幀頻為110 Hz。由圖可以看出，示波器獲得了穩(wěn)定的紅外成像目標(biāo)模擬器圖像幀頻波形。經(jīng)分析， 256×256元 MOS電阻陣列紅外成像目標(biāo)模擬器輸出了穩(wěn)定的紅外輻射熱圖像，周期為18.6 ms/2=9.3 ms，輸出動態(tài)紅外輻射圖像幀頻為1000/9.3=107.53 Hz≈108 Hz。

在此紅外成像目標(biāo)模擬器圖像幀頻測試過程中，單元探測器對光信號的響應(yīng)時間是ns量級，示波器的采樣頻率可達(dá)Gsa/s量級。所以通過直接測試紅外成像目標(biāo)模擬器輸出光信號幀頻，可以客觀地反映出模擬器的圖像幀頻。

4 結(jié)論

紅外目標(biāo)模擬器輸出動態(tài)紅外輻射圖像的幀頻反映了所模擬動態(tài)場景的快速性。本文提出了一種MOS電阻陣列紅外成像目標(biāo)模擬器輸出圖像幀頻的測試方法，搭建了圖像幀頻測試平臺，對MOS電阻陣列紅外成像目標(biāo)模擬器的輸出圖像幀頻進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明：該測試方法簡單易行，可信度高，且整個測試過程與紅外成像目標(biāo)模擬器的內(nèi)部工作原理無直接關(guān)系，不僅能為MOS電阻陣列紅外成像目標(biāo)模擬器的研制、性能測試和應(yīng)用提供一定的依據(jù)，而且可推廣應(yīng)用于其它類型紅外成像目標(biāo)模擬器的圖像幀頻測試中。

圖10 示波器輸出圖像幀頻波形結(jié)果

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