DMD紅外場景產(chǎn)生器非均勻性校正方法研究

肖文健，許振領(lǐng)，周旋風

（電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室，河南 洛陽 471003）

0 引言

紅外場景產(chǎn)生器是紅外成像系統(tǒng)內(nèi)場半實物仿真測試的重要組成部分，其可將計算機仿真的灰度圖像實時轉(zhuǎn)換為紅外成像系統(tǒng)能敏感的紅外輻射信號，用來模擬各類目標、背景以及干擾的紅外輻射[1]。數(shù)字微鏡器件（Digital Micro-mirror Device，DMD）以其分辨率高、幀頻高、動態(tài)范圍大等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于各類紅外場景產(chǎn)生器中[2]。對于理想的DMD紅外場景產(chǎn)生器，在相同的輸入下所有微鏡單元應(yīng)產(chǎn)生一致的紅外輻射響應(yīng)。而實際由于光源、光學系統(tǒng)以及DMD 器件響應(yīng)一致性等因素的影響，各個微鏡單元的紅外輻射響應(yīng)卻并不相同，即表現(xiàn)為紅外場景產(chǎn)生器輻射的非均勻性。根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果，DMD紅外場景產(chǎn)生器當前在國內(nèi)工業(yè)部門的半實物仿真測試中主要用來模擬目標的運動特性，而對目標和背景紅外輻射特性的模擬精度要求相對不高，并且鮮有對于人為主動干擾的模擬。DMD紅外場景產(chǎn)生器非均勻性對于工業(yè)部門紅外成像系統(tǒng)半實物仿真測試的影響可以忽略不計，因此在非均勻性校正（Nonuniformity Correction，NUC）方面的研究比較少[3-5]。

對于復(fù)雜光電環(huán)境下紅外成像系統(tǒng)對抗的內(nèi)場仿真測試試驗，紅外場景產(chǎn)生器不僅要模擬目標的運動特性，更需要精確模擬目標、背景的紅外輻射特性以及自然、人為干擾效應(yīng)和大氣傳輸效應(yīng)。此時，DMD紅外場景產(chǎn)生器的非均勻性則成為影響其紅外場景仿真質(zhì)量而不容忽視的一個的重要因素。

為了提高內(nèi)場仿真試驗中紅外輻射場景模擬的逼真度，本文在深入研究當前廣泛使用的非均勻性校正方法基礎(chǔ)上，針對DMD 分辨率相對電阻陣列較大的特點，根據(jù)非均勻性測量信號的信噪比調(diào)整稀疏網(wǎng)格大小，提出一種適用于DMD紅外場景產(chǎn)生器的非均勻性測量和校正方法。該方法可有效改善DMD紅外場景產(chǎn)生器的非均勻性，提高紅外場景模擬精度，對DMD紅外場景產(chǎn)生器在紅外場景動態(tài)仿真方面的應(yīng)用具有一定參考價值。

1 變尺度稀疏網(wǎng)格非均勻性測量

對每個輻射元的輻射響應(yīng)特性進行精確測量是非均勻性校正的前提。目前國內(nèi)外對電阻陣列非均勻性測量方法的研究較多并且大多只針對電阻陣列器件自身。本文將在深入研究電阻陣列非均勻性測量方法的基礎(chǔ)上，充分考慮DMD 特性，提出一種適用于DMD 的非均勻性測量方法。同時考慮到DMD 配套不同光學系統(tǒng)，其非均勻性表現(xiàn)是不同的，因此本文將對DMD紅外場景產(chǎn)生器整個系統(tǒng)的非均勻性進行測量。

1.1 傳統(tǒng)稀疏網(wǎng)格測量方法

當前關(guān)于電阻陣列非均勻性測量的方法主要有“稀疏網(wǎng)格”法和“Flood”法兩種，區(qū)別主要是非均勻性信息的采集方法和數(shù)據(jù)處理方法上的不同。稀疏網(wǎng)格法是將電阻陣列劃分成網(wǎng)格再對網(wǎng)格中每個輻射元進行逐個測量，而Flood 法是把電阻陣列作為一個整體進行測量。測量過程中，F(xiàn)lood 法需要精確調(diào)校電阻陣列輻射元與熱像儀像元之間的映射比，而稀疏網(wǎng)格法則不需要考慮電阻陣列輻射元與熱像儀像元之間的映射比，更加簡便易用[6-11]?？紤]到DMD 的輻射元數(shù)量遠高于電阻陣列，同時也高于大部分紅外成像設(shè)備，難以準確建立DMD 微鏡單元與熱像儀像元之間的映射比，因此本文主要對稀疏網(wǎng)格法進行研究。

傳統(tǒng)稀疏網(wǎng)格法的測量原理如下[12]：首先在DMD 上劃分虛擬的網(wǎng)格，網(wǎng)格大小的選取以相鄰網(wǎng)格中同一位置微鏡單元的輻射能量在探測焦平面不發(fā)生混疊為準。然后依次點亮網(wǎng)格圖像，對DMD 每個微鏡單元的輸出響應(yīng)進行測量。DMD 的每一幅網(wǎng)格圖像都是通過點亮各網(wǎng)格內(nèi)的某一特定位置上的單個微鏡單元產(chǎn)生的。點亮每個網(wǎng)格中第一行第一列的微鏡單元，構(gòu)成第一幅網(wǎng)格圖像。對第一幅網(wǎng)格圖像測量完畢后，熄滅其中的微鏡單元，然后點亮每個網(wǎng)格中第一行第二列的微鏡單元，構(gòu)成第二幅網(wǎng)格圖像。依次點亮每個網(wǎng)格中的單個微鏡單元，產(chǎn)生一幅幅網(wǎng)格圖像，依次對網(wǎng)格圖像進行測量，直到對整個DMD 測量完畢。依次點亮網(wǎng)格圖像的過程可稱為網(wǎng)格圖像的“移位”。DMD 網(wǎng)格圖像產(chǎn)生和移位過程如圖1所示，圖中為一個假想的4×4 DMD，每個小方格表示一個微鏡單元，填充黑色部分表示被點亮的微鏡單元。將該DMD 劃分為4 個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的大小為2×2，測量整個DMD 共需要投射4 幅網(wǎng)格圖像。

圖1 稀疏網(wǎng)格測量示意圖Fig.1 Measurement diagram of sparse grid

1.2 變尺度稀疏網(wǎng)格測量方法

稀疏網(wǎng)格法最大的優(yōu)點在于能夠?qū)MD 每一個微鏡單元的輸出響應(yīng)進行單獨測量，各個微鏡單元之間的輻射沒有耦合。不過在對單個微鏡單元的輸出響應(yīng)進行測量時，由于微鏡單元的面積很小，輻射亮度有限。因此在驅(qū)動占空較大的高輻射區(qū)間即信噪比較高時，測量精度較高，而在驅(qū)動占空比較小的低輻射區(qū)間即信噪比較低時，很容易受到背景紅外輻射和隨機噪聲的干擾，甚至被淹沒掉，所以該方法對測量設(shè)備和測試環(huán)境的要求很高。為了克服單個微鏡單元在低輻射區(qū)間容易受到背景紅外輻射和隨機噪聲干擾的難題，本文結(jié)合現(xiàn)有測試條件對傳統(tǒng)稀疏網(wǎng)格法做了改進，提出一種變尺度的稀疏網(wǎng)格測量方法。

當DMD 輻射亮度較低時，由于紅外成像系統(tǒng)探測能力有限，因此在一定區(qū)域范圍內(nèi)（m×m）的微鏡單元的非均勻性可以近似忽略，并且m值隨著DMD 輻射亮度的降低而增大。根據(jù)該測試現(xiàn)象，與傳統(tǒng)稀疏網(wǎng)格法在測量過程中只點亮各網(wǎng)格內(nèi)單個微鏡單元不同，本文將網(wǎng)格內(nèi)m×m區(qū)間范圍內(nèi)的微鏡單元同時點亮然后移位，如圖2所示。圖中為一個假想的8×8 DMD，每個小方格表示一個微鏡單元。設(shè)定網(wǎng)格大小為4×4，將該DMD 劃分為4 個網(wǎng)格。在對某一輻射亮度測量過程中，以4 個微鏡單元為一組，即在網(wǎng)格中2×2 區(qū)間范圍內(nèi)微鏡單元的響應(yīng)差別可以忽略不計。測量時，首先點亮每個子網(wǎng)格內(nèi)的第一組微鏡單元，取這4 個微鏡單元響應(yīng)輸出的平均值，將此平均值作為各個子網(wǎng)格內(nèi)第一組4 個微鏡單元的響應(yīng)輸出。然后按此方法依次對每個子網(wǎng)格內(nèi)其它若干組微鏡單元的響應(yīng)輸出進行測量，直到對整個DMD 的所有微鏡單元響應(yīng)輸出測量完畢。

圖2 變尺度稀疏網(wǎng)格測量示意圖Fig.2 Measurement diagram of variable scale sparse grid

在整個輻射亮度范圍測量過程中，以m×m區(qū)間范圍內(nèi)微鏡單元響應(yīng)的平均值作為其中每個微鏡單元的響應(yīng)，并且m的取值大小會隨著輻射亮度的變化而相應(yīng)調(diào)整。當微鏡單元輻射亮度較小時，由于測量信號的信噪比較低，此時m的取值相對較大；測量過程中隨著微鏡單元輻射亮度逐漸增大，m的取值隨之逐漸減?。划斘㈢R單元輻射亮度增大到一定范圍時，由于測量信號的信噪比較高，可將m的設(shè)置為1，此時測量方法與傳統(tǒng)的稀疏網(wǎng)格相同。這樣通過調(diào)整m值大小可以保證在DMD 整個輻射亮度范圍內(nèi)都有較好的測量結(jié)果。

理論上當DMD 輻射亮度較小時，忽略同一區(qū)間范圍內(nèi)各微鏡單元之間的非均勻性，對“面”測量取平均值會帶來方法誤差，測量精度必然會比對“點”測量要低。然而在實際測量中發(fā)現(xiàn)，受測量設(shè)備靈敏度所限，當DMD 輻射亮度較小時，對“面”測量取平均值的精度反而要優(yōu)于直接對“點”測量的精度。因此，本文所提出的變尺度稀疏網(wǎng)格測量方法非常適合現(xiàn)有測量條件下對DMD紅外場景產(chǎn)生器非均勻性的測量。

2 非均勻性校正

DMD紅外場景產(chǎn)生器非均勻性校正的基本思路是首先對非均勻性測量數(shù)據(jù)進行離線處理，生成非均勻性校正所需的校正參數(shù)查找表（Look up table,LUT）；然后再根據(jù)非均勻性校正參數(shù)對DMD紅外場景產(chǎn)生器的輸入量進行在線修正，以此實現(xiàn)對DMD紅外場景產(chǎn)生器非均勻性的實時校正。

為了降低非均勻校正難度，首先對微鏡單元響應(yīng)特性進行線性化處理。根據(jù)微鏡單元平均響應(yīng)特性數(shù)據(jù)擬合曲線并作為所有微鏡單元的標準響應(yīng)曲線，然后求其反函數(shù)作為每個微鏡單元的線性化函數(shù)。這樣，每個微鏡單元的輸入經(jīng)過線性化函數(shù)運算后再作用于微鏡上，即可使得微鏡單元的輸入與輸出近似為線性關(guān)系。為了保證線性化運算的實時性，選擇選取適當?shù)臄帱c數(shù)量將線性化函數(shù)分段線性化，如圖3所示。

圖3 線性化查找表生成原理圖Fig.3 The schematic of linearization LUT generation

假設(shè)選取h個斷點將其分為h－1 個直線段，線性化函數(shù)每個直線段都對應(yīng)一組由增益和偏置組成的修正數(shù)據(jù)，其中：

式中：dk為第k個斷點處微鏡單元的驅(qū)動占空比；為第k個斷點處微鏡單元的標準響應(yīng)。將式(1)中增益校正系數(shù)Glinek和偏置校正系數(shù)Olinek存于緩存以供非線性實時校正時使用，即為線性化查找表。線性化查找表的數(shù)據(jù)量為2×(h－1)個，與DMD的分辨率無關(guān)。

由于DMD 每個微鏡單元響應(yīng)特性的差異，經(jīng)過線性化處理后，不同微鏡單元的響應(yīng)表現(xiàn)為近似直線的不同曲線。因此還需要通過非均勻性校正將各個微鏡單元線性化后的響應(yīng)曲線歸一化到標準響應(yīng)曲線上，如圖4所示。

圖4 非均勻性校正查找表生成原理圖Fig.4 The schematic of correction LUT generation

考慮非均勻性校正實時性因素，校正過程采用分段校正方法。對于DMD 任意一個位置(i,j)處的微鏡單元，同樣選取h個斷點將其分為h－1 個直線段。經(jīng)過數(shù)學推導(dǎo)可得，每個直線段都對應(yīng)一組由增益和偏置組成的修正數(shù)據(jù)，

通過上述的數(shù)據(jù)處理，分別生成了DMD紅外場景產(chǎn)生器非均勻性校正所需的線性化查找表和非均勻性校正查找表。在非均勻性實時校正過程中僅需要根據(jù)輸入在查找表中查找對應(yīng)的參數(shù)進行修正即可，整個非均勻性實時校正流程如圖5所示。

圖5 非均勻性實時校正流程圖Fig.5 The flow of NUC

圖5 中非均勻性實時校正主要分為以下兩步：首先根據(jù)輸入的期望輻射亮度在非均勻性校正查找表中查找相應(yīng)的修正參數(shù)，計算得到校正數(shù)據(jù)；

3 數(shù)值仿真與分析

設(shè)DMD紅外場景產(chǎn)生器單個微鏡單元的輸出響應(yīng)為li,j，M和N分別為DMD 的行數(shù)和列數(shù)，其非均勻性定義為輸出響應(yīng)標準差與均值之比，如公式(5)所示。

式中：

非均勻性校正算法的優(yōu)劣主要取決于校正后殘余非均勻性指標，其次還要兼顧對非均勻性校正參數(shù)存儲量的需求。為驗證本文所述非均勻校正算法的效果，在Matlab 中對生成的模擬DMD 進行仿真驗證。以真實DMD 微鏡單元平均響應(yīng)特性的實測數(shù)據(jù)作為模擬DMD 的標準響應(yīng)特性，在標準響應(yīng)特性曲線采樣點的輸出數(shù)據(jù)上添加高斯噪聲，模擬DMD紅外場景產(chǎn)生器的非均勻性。最終生成的模擬DMD 微鏡單元的響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 仿真DMD 響應(yīng)特征曲線Fig.6 The response characteristic curve of simulated DMD

首先，檢驗分段校正點個數(shù)對非均勻校正效果的影響。通過計算，當數(shù)值DMD 所有微鏡單元驅(qū)動占空比一致均為50%時，其原始輸出的非均勻性為10.72%。通過設(shè)定不同分段點數(shù)對非均勻性校正算法分別進行了數(shù)值計算，結(jié)果如表1所示。

從仿真結(jié)果來看，適當增加分段點個數(shù)，可以顯著降低殘余非均勻性，不過達到一定量的時候，繼續(xù)增加分段點個數(shù)不再顯著降低剩余非均勻性。過多的分段點會增加校正數(shù)據(jù)的存儲量，影響查表速度，因此需要根據(jù)實際需求確定分段校正點的個數(shù)，在滿足校正精度需求的前提下盡量減少數(shù)據(jù)量。

表1 不同分段點數(shù)非均勻性校正結(jié)果Table 1 The NUC results about different segmentation points

為了驗證在不同驅(qū)動占空比輸入下DMD 紅外場景產(chǎn)生器非均勻性校正效果，設(shè)定分段點的數(shù)量為9且固定不變，選取輸入為10%～100%的10 組數(shù)據(jù)分別對非均勻性校正算法分別進行了數(shù)值計算，結(jié)果如表2所示。

表2 不同驅(qū)動占空比非均勻性校正結(jié)果Table 2 The NUC results about different drive duty cycle

從仿真結(jié)果來看，從未校正數(shù)值陣列在不同驅(qū)動占空比的非均勻性在10%左右，而校正后的殘余非均勻性在0.5%左右，該非均勻性校正方法在不同驅(qū)動占空比下均具有較好的校正效果。

4 結(jié)論

本文結(jié)合工程實際應(yīng)用背景重點研究了DMD紅外場景產(chǎn)生器的非均勻性校正方法。首先在深入研究傳統(tǒng)稀疏網(wǎng)格測量方法的基礎(chǔ)上，充分考慮DMD 的紅外輻射調(diào)制特性，提出了一種變尺度稀疏網(wǎng)格的非均勻性測量方法，該方法可根據(jù)測量信號的信噪比調(diào)整網(wǎng)格大小，有效解決了傳統(tǒng)稀疏網(wǎng)格在低信噪比條件下測量困難的問題。然后研究了分段校正算法的原理與實現(xiàn)方法。最后利用模擬數(shù)值DMD 對校正算法進行了仿真驗證，在不同驅(qū)動占空比輸入下該方法均可有效降低DMD紅外場景產(chǎn)生器的非均勻性。下一步可以考慮在此研究基礎(chǔ)上設(shè)計基于硬件平臺的數(shù)據(jù)傳輸校正卡，將非均勻校正算法和參數(shù)固化于其中，在工程上實現(xiàn)對DMD紅外場景產(chǎn)生器非均勻性的實時校正。