本发明公开了一种短积分时间内实现大灰度数的红外景象生成方法及系统。采用两套DMD(3a、3b)和DMD的驱动器(2a、2b)，DMD(3a)用于能量调整，DMD(3b)用于红外景象显示。DMD(3a)的驱动器(2a)接收来自待测试红外成像传感器或图形计算机发出的同步信号(8)，DMD(3b)的驱动器(2b)接收驱动器(2a)发出的同步信号，同步信号控制DMD(3a)和DMD(3b)同步工作，在短积分时间内实现大灰度数的红外景象生成。本发明可用来研制短积分时间内实现大灰度数的基于DMD的红外景象模拟器。
1.短积分时间内实现大灰度数的红外景象生成方法，其特征在于采用两套DMD，即第一DMD(3a)，第二DMD(3b)和两套DMD驱动器，即第一DMD驱动器(2a)，第二DMD驱动器(2b)；黑体光源(6)辐射的红外光经第一光源光学系统(7a)整形后均匀照射用于能量调整的第一DMD(3a)，第一DMD(3a)输出的红外光经第二光源光学系统(7b)整形后均匀照射用于景象显示的第二DMD(3b)；通过对景象显示的第二DMD(3b)显示的灰度图像进行二进制光学编码，对能量调整的第一DMD(3a)显示的图像进行能量编码，在积分时间内实现大灰度数的红外景象生成；
能量调整的第一DMD(3a)的第一DMD驱动器(2a)接收来自待测试红外成像传感器或图形计算机发出的同步信号，景象显示的第二DMD(3b)的第二DMD驱动器(2b)接收第一DMD驱动器(2a)发出的同步信号，同步信号控制第一DMD(3a)和第二DMD(3b)同步工作；
能量调整的第一DMD(3a)受第一DMD驱动器(2a)控制，在时序子场内输出的能量依次减半或加倍；
对能量调整的第一DMD(3a)显示的图像进行能量编码，使之在时序子场内输出的能量依次减半的方法是，在第一个时序子场内，第一DMD驱动器(2a)控制第一DMD(3a)的全部N个微镜处于开态；在第二个时序子场内，第一DMD驱动器(2a)控制第一DMD(3a)N/2个微镜处于开态；在第三个时序子场内，第一DMD驱动器(2a)控制第一DMD(3a)N/4个微镜处于-(n-1)开态；依次类推，在第n个时序子场内，第一DMD驱动器(2a)控制第一DMD(3a)2 N个微镜处于开态；
对能量调整的第一DMD(3a)显示的图像进行能量编码，使之在时序子场内输出的能量依次加倍的方法是，在第n个时序子场内，第一DMD驱动器(2a)控制第一DMD(3a)的全部微镜处于开态；在第n-1个时序子场内，第一DMD驱动器(2a)控制第一DMD(3a)N/2个微镜处于开态；在第n-2个时序子场内，第一DMD驱动器(2a)控制第一DMD(3a)N/4个微镜处于-(n-1)开态；依次类推，在第1个时序子场内，第一DMD驱动器(2a)控制第一DMD(3a)2 N个微镜处于开态。
2.根据权利要求1所述的短积分时间内实现大灰度数的红外景象生成方法，其特征在于，红外景象生成系统主要构成为：图形计算机(1)；第一DMD驱动器(2a)、第二DMD驱动器(2b)；第一DMD(3a)、第二DMD(3b)；成像光学系统(4)；黑体光源(6)；第一光源光学系统(7a)、第二光源光学系统(7b)；来自待测试红外成像传感器或图形计算机的同步信号(8)；
图形计算机(1)与用于红外景象显示的DMD的第二DMD驱动器(2b)连接；第二DMD驱动器(2b)与第一DMD驱动器(2a)连接。
3.根据权利要求1所述的短积分时间内实现大灰度数的红外景象生成方法，其特征在于景象显示的第二DMD(3b)在积分时间内显示的图像按照时序均分为n个时序子场显示，n为整数，1≤n≤99，每个时序子场对应一个数据位。
4.根据权利要求1所述的短积分时间内实现大灰度数的红外景象生成方法，其特征在-(n-1) -(n-1)
于为使第一DMD(3a)有2 N个微镜处于开态，选择第一DMD(3a)的几何中心周围2 N(n-1)
个微镜处于开态；或选择将第一DMD(3a)的所有微镜分成大小为2 个微镜的子块，每个子块中有一个微镜处于开态。
短积分时间内实现大灰度数的红外景象生成方法及系统
(一)技术领域
[0001] 本发明属于红外传感器技术领域，具体涉及一种用于室内条件下进行红外成像传感器功能和精度半实物仿真测试的短积分时间内实现大灰度数的红外景象生成方法及系统。(二)背景技术
[0002] 红外成像传感器广泛应用于天文学、空间科学、夜间观察、红外成像制导、搜索、跟踪、告警以及科学实验中。为了测试用于卫星、红外成像导引头、红外搜索与跟踪系统、红外告警系统的红外成像传感器的性能，需要在实验室内为其提供一定的与使用条件匹配的红外景象作为输入图像，使红外成像传感器产生一定的输出，进行半实物仿真测试。数字阵列器件(digital micromirror devices，DMD)可产生宽波段红外光学景象。美国光科公司最早将DMD用于中波红外和长波红外景象的产生(Proceedings of SPIE，Technologies for SyntheticEnvironments：Hardware-in-the-Loop Testing VI，2001，4366：96-102)。申请者也开发出基于DMD的红外景象模拟器(红外与激光工程，2008，37(5)：753)。现有的DMD红外景象模拟器由图形计算机(1)、黑体(6)、光源光学系统(7)、DMD(3)、DMD的驱动器(2)和红外成像光学系统(4)组成，其工作原理如图1所示。DMD的驱动器接收图形计算机输出的图像信号，驱动DMD工作。DMD通过调制黑体发出的经光源光学系统会聚的光将图形计算机输出的图像信号转变为红外辐射图像，再由红外成像光学系统成像在成像面，待测试的红外成像传感器的探测面位于成像面，供红外成像传感器系统仿真测试使用。
[0003] DMD通常采用脉冲宽度调制方法实现对图像灰度的控制。在一帧时间内，DMD根据驱动器输入的脉宽信号，通过控制DMD的微镜反射进入成像光学系统的光的时间长短来实现对像素灰度的数字控制。
[0004] 随着红外成像传感器的发展，红外成像传感器的积分时间越来越短。这意味着，在一帧时间内，只有在红外成像传感器的积分时间内控制DMD的微镜反射进入成像光学系统的光的时间长短才是有效的。例如，对于积分时间只有500μs的红外成像传感器，需要在500μs内通过脉冲宽度调制完成对像素灰度的数字控制。但是，现有的DMD及其驱动器控制一个微镜处于开态的最短时间约为15μs，因此DMD的微镜反射进入成像光学系统的光的最短时间约为15μs。这样，在500μs积分时间内通过脉冲宽度调制只能实现33级灰度。
另一方面，在进行500μs短积分时间的红外成像传感器功能和精度半实物仿真测试时，需要能提供更高灰度数的红外景象，例如256级灰度。现有的基于单个DMD的红外景象生成方法无法在短 积分时间内，通过脉冲宽度调制方法生成大灰度数的红外景象。
(三)发明内容
[0005] 本发明的目的是克服现有技术的不足。
[0006] 本发明的另外一个目的是提出一种短积分时间内实现大灰度数的红外景象生成方法及系统。
[0007] 本发明的解决方案是：一种短积分时间内实现大灰度数的红外景象生成方法，采用两套DMD(3a，3b)和驱动DMD工作的驱动器(2a，2b)；
[0008] 黑体光源(6)辐射的红外光经光源光学系统(7a)整形后均匀照射用于能量调整的DMD(3a)，DMD(3a)输出的红外光经光源光学系统(7b)整形后均匀照射用于景象显示的DMD(3b)；
[0009] 通过对景象显示的DMD(3b)显示的灰度图像进行二进制光学编码，对能量调整的DMD(3a)显示的图像进行能量编码，在积分时间内实现大灰度数的红外景象生成。 [0010] 景象显示的DMD(3b)在积分时间内显示的图像按照时序均分为n个子场显示(n为整数，1≤n≤99)，每个时序子场对应一个数据位。
[0011] 能量调整的DMD(3a)的驱动器(2a)接收来自待测试红外成像传感器或图形计算机发出的同步信号(8)，景象显示的DMD(3b)的驱动器(2b)接收驱动器(2a)发出的同步信号，同步信号控制DMD(3a)和DMD(3b)同步工作。
[0012] 能量调整的DMD(3a)受驱动器(2a)控制，在时序子场内输出的能量依次减半或加倍。
[0013] 对能量调整的DMD(3a)显示的图像进行能量编码，使之在时序子场内输出的能量依次减半的方法是，在第一个子场内，驱动器(2a)控制DMD(3a)的全部微镜(N个)处于开态；在第二个时序子场内，驱动器(2a)控制DMD(3a)N/2个微镜处于开态；在第三个时序子场内，驱动器(2a)控制DMD(3a)N/4个微镜处于开态；依次类推，在第n个时序子场内，驱动-(n-1)器(2a)控制DMD(3a)2 N个微镜处于开态。
[0014] 对能量调整的DMD(3a)显示的图像进行能量编码，使之在时序子场内输出的能量依次加倍的方法是，在第n个时序子场内，驱动器(2a)控制DMD(3a)的全部微镜处于开态；在第n-1个时序子场内，驱动器(2a)控制DMD(3a)N/2个微镜处于开态；在第n-2个时序子场内，驱动器(2a)控制DMD(3a)N/4个微镜处于开态；依次类推，在第1个时序子场内，驱动-(n-1)
器(2a)控制DMD(3a)2 N个微镜处于开态。
[0015] 为使DMD(3a)有2-(n-1)N个微镜处于开态，可选择DMD(3a)的几何中心周围2-(n-1)N(n-1)个微镜处于开态；还可选择将DMD(3a)的所有微镜分成大小为2 个微镜的子块，每个子块中有一个微镜处于开态。
[0016] 本发明涉及的短积分时间内实现大灰度数的红外景象生成系统，其主要构成为：图形计算机(1)；DMD驱动器(2a、2b)；DMD(3a、3b)；成像光学系统(4)；黑体光源(6)；光源光学系统(7a、7b)；来自待测试红外成像传感器或图形计算机的同步信号(8)；图形计算机(1)与用于红外景象显示的DMD的驱动器(2b)连接；驱动器(2b)与驱动器(2a)连接。 [0017] 本发明具有以下效果：本发明采用两套DMD，一套用于能量调整，一套用于红外景象显示，两套DMD同步工作，在短积分时间内实现大灰度数的红外景象生成。本发明可用来研制短积分时间内实现大灰度数的基于DMD的红外景象模拟器。
[0018] (四)附图说明
[0019] 图1是现有的基于DMD的光学景象模拟器的工作原理图。
[0020] 图2是本发明基于DMD的短积分时间内实现大灰度数的红外景象生成的示意图。 [0021] 其中序号1是图形计算机；2是DMD的驱动器，3是DMD；
[0022] 2a、2b是两套DMD的驱动器；
[0023] 3a、3b是两套DMD；
[0024] 4是成像光学系统；
[0025] 5是成像光学系统的成像面，待测试的红外成像系统的探测面位于该成像面； [0026] 6是黑体光源；7是光源光学系统；
[0027] 7a、7b是两套光源光学系统；
[0028] 8是来自待测试红外成像传感器或图形计算机的同步信号。
[0029] (五)具体实施方式
[0030] 结合图2说明本实施方式，在500μs积分时间内实现100Hz帧频、256级灰度的2-5μm红外景象生成。
[0031] 采用两套1024×768个微镜的2-5μm红外DMD(3a，3b)和驱动DMD工作的驱动器(2a，2b)；黑体光源(6)辐射的红外光经光源光学系统(7a)整形后均匀照射用于能量调整的DMD(3a)，DMD(3a)的输出红外光经光源光学系统(7b)整形后均匀照射用于景象显示的DMD(3b)；通过对景象显示的DMD(3b)显示的灰度图像进行二进制光学编码，对能量调整的DMD(3a)显示的图像进行能量编码，在500μs积分时间内实现256级灰度的红外景象生成。
[0032] 景象显示的DMD(3b)在500μs积分时间内显示的图像按照时序均分为8个子场显示，每个时序子场对应一个数据位，每个时序子场对应DMD(3b)的微镜处于开态的时间为62.5μs。
[0033] 能量调整的DMD(3a)的驱动器(2a)接收来自待测试红外成像传感器的同步信号(8)，景象显示的DMD(3b)的驱动器(2b)接收驱动器(2a)发出的同步信号，同步信号控制DMD(3a)和DMD(3b)同步工作。
[0034] 能量调整的DMD(3a)受驱动器(2a)控制，在时序子场内输出的能量依次加倍。 [0035] 对能量调整的DMD(3a)显示的图像进行能量编码，使之在时序子场内输出的能量依次加倍的方法是，在第1个时序子场内，驱动器(2a)控制DMD(3a)1/128的微镜处于开态；在第2个时序子场内，驱动器(2a)控制DMD(3a)1/64的微镜处于开态；依次类推，在第8个时序子场内，驱动器(2a)控制DMD(3a)的所有微镜均处于开态。
[0036] 为使DMD(3a)有1/128的微镜处于开态，选择DMD(3a)的几何中心周围6144个微镜处于开态；为使DMD(3a)有1/64的微镜处于开态，选择DMD(3a)的几何中心周围12288个微镜处于开态，依次类推。这些图像模式存储在DMD(3a)的驱动器(2a)的存储器中(未给出)。
[0037] 下面具体说明在500μs积分时间内256级灰度的实现方法。设DMD(3a)所有微镜在一个时序子场内均处于开态时输出红外辐射均匀照射DMD(3b)，DMD(3b)上一个处于开态微镜的输出能量为E。在第八个时序子场内，驱动器(2a)控制DMD(3a)的所有微镜均处于开态，DMD(3b)上的一个微镜处于关态或开态，对应输出能量为0，E；在第七个时序子场内，驱动器(2a)控制DMD(3a)的一半微镜处于开态，DMD(3b)上的一个微镜处于关态或开态，对应输出能量为0，E/2；在第六个时序子场内，驱动器(2a)控制DMD(3a)1/4的微镜处于开态，DMD(3b)上的一个微镜处于关态或开态，对应输出能量为0，E/4；依次类推，在第一个时序子场内，驱动器(2a)控制DMD(3a)1/128的微镜处于开态，DMD(3b)上的一个微镜处于关态或开态，对应输出能量为0，E/128。这样，8个时序子场内DMD(3b)上的一个微镜在500μs内可能输出的能量为0，E/128，2E/128，3E/128，......，255E/128，共有256个能量输出状态，实现了256级灰度显示。例如，若要实现一个象素灰度数为106，其二进制分解为
01101010，驱动器(2b)接收来自图形计算机的灰度数106并控制DMD(3b)的一个微镜在第
1、2、3、4、5、6、7、8个时序子场内的状态分别为0，1，0，1，0，1，1，0，其中0代表关态，1代表开态；驱动器(2a)控制DMD(3a)在第1、2、3、4、5、6、7、8个时序子场内分别有1/128、1/64、
1/32、1/16、1/8、1/4、1/2、全部的微镜处于开态。若要实现一个象素灰度数为234，其二进制分解为11101010，驱动器(2b)接收来自图形计算机的灰度数234并控制DMD(3b)的一个微镜在第1、2、3、4、5、6、7、8个时序子场内的状态分别为0，1，0，1，0，1，1，1，驱动器(2a)控制DMD(3a)在第1、2、3、4、5、6、7、8个时序子场内分别有1/128、1/64、1/32、1/16、1/8、1/4、
1/2、全部的微镜处于 开态。
[0038] 前面的示范性实施例，不应该理解为是对本发明的限制。此外，对本发明示范性实施例的描述的用意是为了例示，而不是限制本发明的范围，许多替代、修改和改变对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
