红外双波段目标模拟器的国内外发展现状
钱育龙+王治乐+张成标
摘要：介绍了红外双波段目标模拟器在国内外的发展情况，从双波段目标模拟器的工作原理入手，重点论述了双波段景象生成器、双波段目标模拟器的内部结构设计以及系统的准直和图像的配准几个方面的技术水平，对比了我国现阶段发展的不足，讨论了发展方向和前景。
关键词：目标模拟器；红外景象仿真；双波段
中图分类号：TP760；TN216文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）05-0023-05
0 引言
双波段探测系统和传统的单色寻的探测系统相比具有更高的可靠性和准确性，近些年发展快速。在红外双波段导引头设计检测的末期，需要一种能够准确评估红外双色制导系统性能的方法，红外景象仿真技术以其制作周期短、仿真度高等特点受到了国内外学者的高度重视。红外双波段目标模拟器是实现红外目标仿真系统中的一种方式，它能够生成目标在两个波段内的景象以模拟双波段探测器的探测目标，所以如何生成能被探测器接收到的双波段景象才是双波段红外目标模拟器的核心问题。
本文主要介绍了双波段目标模拟器的设计方法，并调研了国内外近些年来在双波段目标模拟器方面的发展状况，分析了双波段目标模拟器的发展趋势。
1 双波段目标模拟器的工作原理
双波段目标模拟器的工作原理主要分为两种：
（1）使用双波段景象生成器直接成像，经过光学系统被探测器探测；
（2）两个景象生成器分别产生两个波段景象，经过分束整合器将两个波段的景象整合，经过光学系统被探测器探测。
第一种双波段目标模拟器结构较为简单，但对景象生成器的技术要求比较高。这种方式下，双波段景象由景象生成器直接生成，双波段光路通过准直光学系统被探测器接收。
第二种方式是目前较多实现的双波段目标模拟器的方法，这种结构中一般包括三个主要部分：两个不同波段的景象生成器，分束整合器以及准直光学系统。两个景象生成器分别产生各自波段的图像，经过分束整合器进行图像融合，最终进入准直光学系统被探测器接收。虽然制作工艺要求不高，但仍然有两个因素需要重点考虑：一是两个波段内的图像空间配准，二是两个波段的辐射能量覆盖。
2 国外双波段目标模拟器的发展
双波段目标模拟器的研究进展主要体现在双波段景象生成器的研制，双波段系统的内部结构设计、图像配准以及抗串扰三个主要方面。
2.1 双波段景象生成器
在双波段景象生成器直接成像的目标模拟器设计中，景象生成器的性能起到了重要的作用，它的分辨率、对比度以及波段范围对成像质量有着直接的影响。
双波段电阻阵列是常用的发射式景象生成器，它实现双波段的方式有两种：一种是中波像元和长波像元间隔排列，另一种为可调式像元排列。2009年，美国Honeywell公司和SantaBarbaraInfrared公司开发出了分辨率高达1024×1024的电阻阵列，并实现了MWIR和LWIR两个波段的红外辐射仿真[1]。
红外CRT是另一种典型的发射式景象生成器，最近几年美国陆军夜视光电中心已分别研制出中波和长波两个波段的视景仿真器样机[2]，并已研制出可见光/中波红外、近红外/长波红外复合显示的器件。
光子晶体技术是透射式景象生成技术中的一种，原理是利用光子晶体通过自身结构实现对光波的调制以及带阻滤波的特性，达到对通过光子晶体的光通量的控制。利用光子晶体可以制作多波段的模拟器，可在2000K温度下长时间工作，且发射率高，功耗较低。文献[3]提供了256×256中波/长波双波段模拟器的一个例子[4]。
2.2 目标模拟器的内部结构设计
在两套景象生成器分别成像并进行图像融合的双波段目标模拟器设计中，系统的内部结构设计起到了关键作用，它直接影响着系统的分辨率水平以及后期的准直与矫正。
2000年，美国埃格林空军基地制导武器半实物仿真试验中心以动力能量武器系统（KHILS）为背景[5-6]，专门开发了一种可以同时投影两个红外波段（中/长）WISP图像的双波段红外辐射投影仪。KHILS的红外场景投影器的主体结构如图1所示，中波红外电阻阵列和长波红外电阻阵列分别辐射成像，经过分束整合器融合后再经过反射式准直系统被探测器接收，此景象生成器的部分实物图如图2所示[7-8]。2004年，为了满足KHILS低温真空实验室的景象模拟需要，将其改进成能够提供低温背景并且能够模拟以外大气层为背景的红外双波段目标模拟器[9]。
美国海军对双波段红外目标模拟器很重视，Julia博士和David博士等人从2008年起，就开始为美国海军进行红外双波段目标模拟器的系统结构研究以及系统参数的测试工作。他们从最开始就采用数字微镜阵列（DMD）作为景象生成器。与传统的电阻阵列构成的景象生成器相比，它可以接收宽波段辐射源并且温度保持不变，因此反应更迅速，同时温度控制的难度比电阻阵列小得多。他们的设计研究工作主要分为两个阶段：在第一阶段设计中，他们率先提出使用宽波段辐射源，滤光片组（相当于分束整合器）和单DMD器件的设计思路，结构图如图3所示[10]。红外辐射源发射全波段的光波并通过准直透镜准直，光波在分束器的反射和透射作用下形成特定波段的两束光路，两束光路在各自的通道内反射、透射并到达DMD
器件的上半部分和下半部分，经过DMD反射后的光波再次经透射、反射后被分束整合器融合，最后融合后的光束被准直系统准直形成双波段图像。此方案中两个波段能量比值的调节是通过调节微镜阵列的占空比来实现的。这种设计方式的缺点是由于只使用了一个DMD器件，在实现更高精度的空间分辨率时，复合角度相对复杂，不易完成设计指标。
所以，2009年开始进入第二阶段的设计研究，此时他们开始使用两个DMD器件。第二阶段的设计指标如表1所示，经过试验测试，最终合理的系统主体结构如图4所示，系统实物图如图5所示。两个波段的辐射源和DMD分别使用两套独立的光学系统，并最终由分束整合器将两个波段融合，通过共同的投影系统被探测器接收。经过测试，系统的单一波段的最大的辐射强度可以达到1W/ster，分辨率达到1024个灰度级，帧频为40.5Hz，场景持续时间可以达到54s，最小分辨角为220微弧度，视场角约为1.8°。
然而双波段探测技术的迅猛发展，使现有的双波段目标模拟器已无法满足动态范围的要求，尽管灰度级数字化可以通过电路驱动的改进来实现，但对比度的严重不足已经制约现有目标模拟器的使用。在对DMD表面反射和衍射等条件进行分析后发现，对比度只能实现8位图像。这主要是由于DMD阵列在任何情况下都受到光源的照射（如投影黑夜中的亮点目标），DMD受到长时间照射后自发辐射影响了图像的对比度，于是在2012年他们又提出了新的内部结构的设计方案[11]，如图6所示。该方案和2009年提出的设计方案相比，系统结构中多了一个光源调制DMD阵列，这就意味着红外辐射源辐射的能量可以有选择性地透射到投影DMD上，使投影DMD避免受到辐射源的长期照射，减小了自身辐射能力，提高了图像的对比度，成品实验中发现对比度从8位提高到了12位。
随着分辨率和精度要求的不断提高，2013年，美国SBIR公司设计了基于两个像素元均为1024×1024的MIRAGE-XL电阻阵列的红外双波段目标模拟器[12]。电阻阵列的工作频率为200Hz，在中波红外下温度达到675K，在长波红外下温度达到550K，每个MIRAGE-XL包含三个部分：数字辐射器DEE＼温度支持系统TSS＼控制电子系统C&CE。系统结构图如图7所示，模拟器的部分实物图如图8所示。和之前的技术相比，本次设计中对控制电子系统C&CE进行了改进，提供了更宽的工作光谱段，减小了波段覆盖的可能性，实现了两个波段之间的串扰校正，并且使串扰低于单一波段要求的1%。同时采用内插修正的方法，增强了两个波段的景象匹配程度，使空间匹配精度误差不到0.1个像元，尽管阵列边缘的精度有的会超过0.25个像元，但在两个波段内的非一致性矫正平均低于2%，最终双波段的光谱和空间特性得到改善。
2.3 系统的准直与图像的配准
在需要景象融合的双波段模拟器中，准直系统是图像配准的重要组成部分，它的微小偏差会导致模拟像的位置和真实像的位置存在偏离。由于两个独立波段的光学系统存在多个光程差，增加了对准的复杂程度。为了解决这个问题，主要考虑以下三个方面：（1）实时校正点源光线；（2）两个通道独立的应用程序；（3）实时进行扩展原数据的处理。针对这些问题，2002年，WayneKeen等人提出了利用图形学和点源逆失真的方法来解决这个问题[13]。虽然效果显著，但当两个波段的噪声相差过大或者存在冷、热辐射点源仍会对结果产生微小的影响。
两个波段间的串扰也是双波段模拟器中重要问题，即两个波段之间存在着能量覆盖。产生这种现象的主要原因是分束整合器并不能完全分离两个谱段。2003年，R.Bryan等人使用一个双波段目标模拟器以及与模拟器对应波段辐射的一体化相机进行数据测量，通过测量数据建立了串扰的数学模型，利用数学模型设计了可以减少串扰的滤光片，并确定了滤光片的光谱特性，结构图如图9所示[14]。另外，针对滤光片处理不够理想的情况，如光谱段重叠过大，他们还提出共同驱动（以前是独立驱动）投影机的耦合校准方法，可以把串扰信号转化成所需要的信号。
在这些研究的基础上，2006年美国的艾格林空军基地的真空实验室，运用滤光片和耦合校准的方法对先前设计的双波段红外目标模拟器进行改进，改进后的模拟器在空间匹配和辐射度校正上都有了明显的提高[15]。在研究设计过程中，他们提出“反响应函数”的概念。反响应函数从测量中得来，表示期望输出的一个多项式函数，通过每一次辐射、每一帧图像可以得到一个反响应函数，通过反响应函数可以实现对下次辐射和下一帧图像的校正。
3 国内双波段目标模拟器的发展
国内的景象仿真技术起步比较早，在20世纪90年代就有一定数量的成品研制出来。但我国在双波段景象仿真方面起步相对较晚，还需要做一些深入的研究。
国内最早在2006年，上海技术物理研究所研制出了双波段红外辐射源系统，如图10所示。它包括长波红外和短波红外两个波段，长波红外采用中温黑体源，短波红外采用高温黑体源。中、高温黑体源通过光阑孔的出射辐射经调制器变成正弦调制辐射，两路光束经光学耦合器合成一路光束，再经平面反射镜入射到离轴抛物面主反射镜后变成平行光出射。为了抑制干扰，在耦合器一侧设置一个吸收腔，把耦合器反射的高温黑体辐射及其透过的中温黑体辐射全部吸收掉。该系统一方面可以通过电控箱的操作面板，人工进行温度、调制频率的设定；另一方面可与计算机通讯，实现自动控制。主要参数如下：
中温黑体：
温度分辨率：0.001℃；
目前，国内比较先进的双波段目标模拟器在分辨率和背景温度方面可以达到以下标准：在角分辨率方面，中波角分辨率和长波角分辨率分别能够做到0.12mrad和0.29mrad；在温度分辨率方面，最高温度分辨率可以达到0.05℃，最高背景温度能够达到600℃；在像元数和灰度等级方面，在1～5μm波段像元数为1280×1024，在8～14μm波段像元数为640×512，灰度等级可以达到256级，帧频约为100～200Hz。
4 结 论
在对双波段探测系统检测的过程中，双波段红外目标模拟器起到了关键的作用，景象生成器的研发、仿真系统内部结构设计以及辐射能量校正和双色图像配准是其中的关键技术，创新点在目标模拟器的内部结构改善以及回路反馈系统的优化，以美国为首的西方国家无论在系统分辨率和误差精度上都领先国内现有的技术水平。我国虽然在系统结构设计方面紧跟国外的先进思路，但在景象生成器的制作工艺以及系统整体的精度上还有一定的差距。红外双波段探测未来的发展趋势是多波段探测，并且配合可见光、紫外以及激光的多元化探测系统，我国应加紧在这一方面的研究，紧跟世界最先进技术的发展。
然而双波段探测技术的迅猛发展，使现有的双波段目标模拟器已无法满足动态范围的要求，尽管灰度级数字化可以通过电路驱动的改进来实现，但对比度的严重不足已经制约现有目标模拟器的使用。在对DMD表面反射和衍射等条件进行分析后发现，对比度只能实现8位图像。这主要是由于DMD阵列在任何情况下都受到光源的照射（如投影黑夜中的亮点目标），DMD受到长时间照射后自发辐射影响了图像的对比度，于是在2012年他们又提出了新的内部结构的设计方案[11]，如图6所示。该方案和2009年提出的设计方案相比，系统结构中多了一个光源调制DMD阵列，这就意味着红外辐射源辐射的能量可以有选择性地透射到投影DMD上，使投影DMD避免受到辐射源的长期照射，减小了自身辐射能力，提高了图像的对比度，成品实验中发现对比度从8位提高到了12位。
随着分辨率和精度要求的不断提高，2013年，美国SBIR公司设计了基于两个像素元均为1024×1024的MIRAGE-XL电阻阵列的红外双波段目标模拟器[12]。电阻阵列的工作频率为200Hz，在中波红外下温度达到675K，在长波红外下温度达到550K，每个MIRAGE-XL包含三个部分：数字辐射器DEE＼温度支持系统TSS＼控制电子系统C&CE。系统结构图如图7所示，模拟器的部分实物图如图8所示。和之前的技术相比，本次设计中对控制电子系统C&CE进行了改进，提供了更宽的工作光谱段，减小了波段覆盖的可能性，实现了两个波段之间的串扰校正，并且使串扰低于单一波段要求的1%。同时采用内插修正的方法，增强了两个波段的景象匹配程度，使空间匹配精度误差不到0.1个像元，尽管阵列边缘的精度有的会超过0.25个像元，但在两个波段内的非一致性矫正平均低于2%，最终双波段的光谱和空间特性得到改善。
2.3 系统的准直与图像的配准
在需要景象融合的双波段模拟器中，准直系统是图像配准的重要组成部分，它的微小偏差会导致模拟像的位置和真实像的位置存在偏离。由于两个独立波段的光学系统存在多个光程差，增加了对准的复杂程度。为了解决这个问题，主要考虑以下三个方面：（1）实时校正点源光线；（2）两个通道独立的应用程序；（3）实时进行扩展原数据的处理。针对这些问题，2002年，WayneKeen等人提出了利用图形学和点源逆失真的方法来解决这个问题[13]。虽然效果显著，但当两个波段的噪声相差过大或者存在冷、热辐射点源仍会对结果产生微小的影响。
两个波段间的串扰也是双波段模拟器中重要问题，即两个波段之间存在着能量覆盖。产生这种现象的主要原因是分束整合器并不能完全分离两个谱段。2003年，R.Bryan等人使用一个双波段目标模拟器以及与模拟器对应波段辐射的一体化相机进行数据测量，通过测量数据建立了串扰的数学模型，利用数学模型设计了可以减少串扰的滤光片，并确定了滤光片的光谱特性，结构图如图9所示[14]。另外，针对滤光片处理不够理想的情况，如光谱段重叠过大，他们还提出共同驱动（以前是独立驱动）投影机的耦合校准方法，可以把串扰信号转化成所需要的信号。
在这些研究的基础上，2006年美国的艾格林空军基地的真空实验室，运用滤光片和耦合校准的方法对先前设计的双波段红外目标模拟器进行改进，改进后的模拟器在空间匹配和辐射度校正上都有了明显的提高[15]。在研究设计过程中，他们提出“反响应函数”的概念。反响应函数从测量中得来，表示期望输出的一个多项式函数，通过每一次辐射、每一帧图像可以得到一个反响应函数，通过反响应函数可以实现对下次辐射和下一帧图像的校正。
3 国内双波段目标模拟器的发展
国内的景象仿真技术起步比较早，在20世纪90年代就有一定数量的成品研制出来。但我国在双波段景象仿真方面起步相对较晚，还需要做一些深入的研究。
国内最早在2006年，上海技术物理研究所研制出了双波段红外辐射源系统，如图10所示。它包括长波红外和短波红外两个波段，长波红外采用中温黑体源，短波红外采用高温黑体源。中、高温黑体源通过光阑孔的出射辐射经调制器变成正弦调制辐射，两路光束经光学耦合器合成一路光束，再经平面反射镜入射到离轴抛物面主反射镜后变成平行光出射。为了抑制干扰，在耦合器一侧设置一个吸收腔，把耦合器反射的高温黑体辐射及其透过的中温黑体辐射全部吸收掉。该系统一方面可以通过电控箱的操作面板，人工进行温度、调制频率的设定；另一方面可与计算机通讯，实现自动控制。主要参数如下：
中温黑体：
温度分辨率：0.001℃；
目前，国内比较先进的双波段目标模拟器在分辨率和背景温度方面可以达到以下标准：在角分辨率方面，中波角分辨率和长波角分辨率分别能够做到0.12mrad和0.29mrad；在温度分辨率方面，最高温度分辨率可以达到0.05℃，最高背景温度能够达到600℃；在像元数和灰度等级方面，在1～5μm波段像元数为1280×1024，在8～14μm波段像元数为640×512，灰度等级可以达到256级，帧频约为100～200Hz。
4 结 论
在对双波段探测系统检测的过程中，双波段红外目标模拟器起到了关键的作用，景象生成器的研发、仿真系统内部结构设计以及辐射能量校正和双色图像配准是其中的关键技术，创新点在目标模拟器的内部结构改善以及回路反馈系统的优化，以美国为首的西方国家无论在系统分辨率和误差精度上都领先国内现有的技术水平。我国虽然在系统结构设计方面紧跟国外的先进思路，但在景象生成器的制作工艺以及系统整体的精度上还有一定的差距。红外双波段探测未来的发展趋势是多波段探测，并且配合可见光、紫外以及激光的多元化探测系统，我国应加紧在这一方面的研究，紧跟世界最先进技术的发展。
然而双波段探测技术的迅猛发展，使现有的双波段目标模拟器已无法满足动态范围的要求，尽管灰度级数字化可以通过电路驱动的改进来实现，但对比度的严重不足已经制约现有目标模拟器的使用。在对DMD表面反射和衍射等条件进行分析后发现，对比度只能实现8位图像。这主要是由于DMD阵列在任何情况下都受到光源的照射（如投影黑夜中的亮点目标），DMD受到长时间照射后自发辐射影响了图像的对比度，于是在2012年他们又提出了新的内部结构的设计方案[11]，如图6所示。该方案和2009年提出的设计方案相比，系统结构中多了一个光源调制DMD阵列，这就意味着红外辐射源辐射的能量可以有选择性地透射到投影DMD上，使投影DMD避免受到辐射源的长期照射，减小了自身辐射能力，提高了图像的对比度，成品实验中发现对比度从8位提高到了12位。
随着分辨率和精度要求的不断提高，2013年，美国SBIR公司设计了基于两个像素元均为1024×1024的MIRAGE-XL电阻阵列的红外双波段目标模拟器[12]。电阻阵列的工作频率为200Hz，在中波红外下温度达到675K，在长波红外下温度达到550K，每个MIRAGE-XL包含三个部分：数字辐射器DEE＼温度支持系统TSS＼控制电子系统C&CE。系统结构图如图7所示，模拟器的部分实物图如图8所示。和之前的技术相比，本次设计中对控制电子系统C&CE进行了改进，提供了更宽的工作光谱段，减小了波段覆盖的可能性，实现了两个波段之间的串扰校正，并且使串扰低于单一波段要求的1%。同时采用内插修正的方法，增强了两个波段的景象匹配程度，使空间匹配精度误差不到0.1个像元，尽管阵列边缘的精度有的会超过0.25个像元，但在两个波段内的非一致性矫正平均低于2%，最终双波段的光谱和空间特性得到改善。
2.3 系统的准直与图像的配准
在需要景象融合的双波段模拟器中，准直系统是图像配准的重要组成部分，它的微小偏差会导致模拟像的位置和真实像的位置存在偏离。由于两个独立波段的光学系统存在多个光程差，增加了对准的复杂程度。为了解决这个问题，主要考虑以下三个方面：（1）实时校正点源光线；（2）两个通道独立的应用程序；（3）实时进行扩展原数据的处理。针对这些问题，2002年，WayneKeen等人提出了利用图形学和点源逆失真的方法来解决这个问题[13]。虽然效果显著，但当两个波段的噪声相差过大或者存在冷、热辐射点源仍会对结果产生微小的影响。
两个波段间的串扰也是双波段模拟器中重要问题，即两个波段之间存在着能量覆盖。产生这种现象的主要原因是分束整合器并不能完全分离两个谱段。2003年，R.Bryan等人使用一个双波段目标模拟器以及与模拟器对应波段辐射的一体化相机进行数据测量，通过测量数据建立了串扰的数学模型，利用数学模型设计了可以减少串扰的滤光片，并确定了滤光片的光谱特性，结构图如图9所示[14]。另外，针对滤光片处理不够理想的情况，如光谱段重叠过大，他们还提出共同驱动（以前是独立驱动）投影机的耦合校准方法，可以把串扰信号转化成所需要的信号。
在这些研究的基础上，2006年美国的艾格林空军基地的真空实验室，运用滤光片和耦合校准的方法对先前设计的双波段红外目标模拟器进行改进，改进后的模拟器在空间匹配和辐射度校正上都有了明显的提高[15]。在研究设计过程中，他们提出“反响应函数”的概念。反响应函数从测量中得来，表示期望输出的一个多项式函数，通过每一次辐射、每一帧图像可以得到一个反响应函数，通过反响应函数可以实现对下次辐射和下一帧图像的校正。
3 国内双波段目标模拟器的发展
国内的景象仿真技术起步比较早，在20世纪90年代就有一定数量的成品研制出来。但我国在双波段景象仿真方面起步相对较晚，还需要做一些深入的研究。
国内最早在2006年，上海技术物理研究所研制出了双波段红外辐射源系统，如图10所示。它包括长波红外和短波红外两个波段，长波红外采用中温黑体源，短波红外采用高温黑体源。中、高温黑体源通过光阑孔的出射辐射经调制器变成正弦调制辐射，两路光束经光学耦合器合成一路光束，再经平面反射镜入射到离轴抛物面主反射镜后变成平行光出射。为了抑制干扰，在耦合器一侧设置一个吸收腔，把耦合器反射的高温黑体辐射及其透过的中温黑体辐射全部吸收掉。该系统一方面可以通过电控箱的操作面板，人工进行温度、调制频率的设定；另一方面可与计算机通讯，实现自动控制。主要参数如下：
中温黑体：
温度分辨率：0.001℃；
目前，国内比较先进的双波段目标模拟器在分辨率和背景温度方面可以达到以下标准：在角分辨率方面，中波角分辨率和长波角分辨率分别能够做到0.12mrad和0.29mrad；在温度分辨率方面，最高温度分辨率可以达到0.05℃，最高背景温度能够达到600℃；在像元数和灰度等级方面，在1～5μm波段像元数为1280×1024，在8～14μm波段像元数为640×512，灰度等级可以达到256级，帧频约为100～200Hz。
4 结 论
在对双波段探测系统检测的过程中，双波段红外目标模拟器起到了关键的作用，景象生成器的研发、仿真系统内部结构设计以及辐射能量校正和双色图像配准是其中的关键技术，创新点在目标模拟器的内部结构改善以及回路反馈系统的优化，以美国为首的西方国家无论在系统分辨率和误差精度上都领先国内现有的技术水平。我国虽然在系统结构设计方面紧跟国外的先进思路，但在景象生成器的制作工艺以及系统整体的精度上还有一定的差距。红外双波段探测未来的发展趋势是多波段探测，并且配合可见光、紫外以及激光的多元化探测系统，我国应加紧在这一方面的研究，紧跟世界最先进技术的发展。
