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紫外到红外动态场景模拟器

阅读：371发布：2024-02-17

专利汇可以提供紫外到红外动态场景模拟器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种紫外到红外动态场景模拟器，属于动态场景仿真技术领域。该模拟器将被测光电设备提供的外源驱动信号或者选择的内源驱动信号经过外同步控制器按照试验要求合成一个同步驱动信号，复合式宽波段辐射源发射出的宽波段辐射通过积分球均匀照射到带宽波段透射窗口的DMD上，视频转换驱动电路根据同步驱动信号和仿真计算机送来的动态场景视频信号，控制DMD按照动态场景对应的灰度等级，以脉冲宽度调制方式对宽波段入射光束进行调制，调制后的反射光束由准直光学系统投射到被测光电设备的入瞳。本发明能够完成对跟踪和制导等复杂系统的测试，满足近紫外、可见光至近红外 CCD、红外成像导引头、红外成像跟踪与火控系统半实物仿真的需要。，下面是紫外到红外动态场景模拟器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种紫外到红外动态场景模拟器，包括数字微反射镜阵列(1)、视频转换驱动电路(3)、平面反射镜(6)和抛物面反射镜(7)，其特征在于：还包括外同步控制器(2)、复合式宽波段辐射源(4)和积分球(5)；所述复合式宽波段辐射源(4)为圆形或方形且包括红外辐射源(4-1)、多个可见光光源(4-2)和多个紫外波段辐射源(4-3)，红外辐射源(4-1)位于中心，可见光辐射源(4-2)和紫外辐射源(4-3)相间均布在红外辐射源(4-1)的周围；
所述数字微反射镜阵列(1)的光学窗口选用透红外宽波段的BaF2光学玻璃制作，透射波段
0.2～12μm，其中0.3～11μm波段光谱的透过率大于80％；所述外同步控制器(2)含有微控制器、显示器和同步信号驱动电路，微控制器为内置有控制软件包和具备多个外源驱动端口的单片机，所述控制软件包按功能划分为菜单界面模块、计算模块、驱动模块和显示模块：菜单界面模块包括倍频数、延时时间、内部信号源和外部信号源选项，倍频数选项用于设置同步驱动信号的倍频数，延迟时间选项用于设置同步驱动信号相对于源驱动信号的延迟时间，内部信号源选项用于设置内部信号源的频率参数，一旦确认某一频率值则形成内源驱动信号并送给计算模块，外部信号源选项用于查询单片机的外源驱动端口是否有外源驱动信号，若为否，则在显示器上显示“无外部信号源”，若有信号则采集外源驱动信号送给计算模块；计算模块根据以下公式计算内源驱动信号或外源驱动信号的频率和占空比：
T1=a×T(μs)，T2=b×T(μs) (1)
F’=1／(T1+T2) (2)
Г=T1／T2 (3)
式中，T1为源驱动信号的高电平持续的时间长度，T2为源驱动信号的低电平持续的时间长度，T为单片机的时钟周期，a为第一计数器的计时长度，b为第二计数器的计时长度，F’为源驱动信号的频率，Г为源驱动信号的占空比；同步驱动模块根据选择的倍频数、延迟时间以及源驱动信号的频率及占空比合成同步驱动信号，并将同步驱动信号送入同步信号驱动电路；显示模块的功能是将菜单界面模块选择的信号源和计算模块获得的源驱动信号频率显示在显示器上；所述同步信号驱动电路对微控制器输出的同步驱动信号进行功率放大，并将放大信号送入视频转换驱动电路(3)的输入端；所述视频转换驱动电路(3)接收来自仿真计算机的动态场景视频信号和来自外同步控制器(2)的同步驱动信号，按照动态场景对应的灰度等级，以脉冲宽度调制方式对宽波段入射光束进行调制；所述复合式宽波段辐射源(4)的辐射面与积分球(5)的入口对接，积分球(5)的出口面法线与数字微反射阵列(1)的法线夹角是微反射镜偏转角的2倍；复合式宽波段辐射源(4)发出的宽波段辐射通过积分球(5)后均匀照射到数字微反射镜阵列(1)，由数字微反射镜阵列(1)出射的调制宽波段场景光束依次经平面反射镜(6)和抛物面反射镜(7)反射后，以平行光的形式投射到被测光电设备的入瞳处。
2.根据权利要求1所述的紫外到红外动态场景模拟器，其特征在于：所述单片机带有第一、第二、第三外源驱动端口，第一驱动端口通过视频场同步分离电路接收被测光电设备提供的视频信号，第二驱动端口通过RS422转换电路接收被测光电设备提供的RS422信号，第三驱动端口直接接收被测光电设备提供的外同步脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的紫外到红外动态场景模拟器，其特征在于：所述红外辐射源(4-1)采用波段2μm～12μm的黑体；所述可见光辐射源(4-2)采用波段0.38μm～2μm的卤素光源；所述紫外辐射源(4-3)采用波段为0.2μm～0.4μm的紫外二极管。
4.根据权利要求1所述的紫外到红外动态场景模拟器，其特征在于：所述数字微反射镜阵列(1)选用XGA格式，分辨率1024×768，所述光学窗口在围绕其透射区(A)的环带内表面镀银或铝，透射区(A)的光圈数N=2，局部光圈ΔN=0.5。
5.根据权利要求1所述的紫外到红外动态场景模拟器，其特征在于：所述数字微反射镜阵列(1)选用1080p格式，分辨率1920×1080，所述光学窗口在围绕其透射区(A)的环带包镶合金框架，透射区(A)的光圈数N=2，局部光圈ΔN=0.5。
6.根据权利要求1所述的紫外到红外动态场景模拟器，其特征在于：所述内部信号源含有三个频率选择值，即40Hz、50Hz和60Hz。
7.根据权利要求1所述的紫外到红外动态场景模拟器，其特征在于：所述倍频数选项包括0.5倍、1倍、2倍、3倍和4倍五种选择值，其默认值为前次试验的最后选定值；延迟时间选项用于设置同步驱动信号的延迟时间，每按一次上移键则延迟时间增加1μs，每按一次下移键则延迟时间减少1μs，延迟时间栏的其起始值为0，默认值为前次试验的最后选定值。

说明书全文

紫外到红外动态场景模拟器

技术领域

[0001] 本发明属于动态场景仿真技术领域，涉及一种动态场景模拟器，尤其涉及一种适用于室内模拟紫外到红外波段真实目标和背景的动态场景模拟器。

背景技术

[0002] 随着光电测试设备的发展和应用，越来越多的光电设备需要进行测试评估，特别是工作在紫外和红外波段的像增强器、制导武器系统、红外热成像系统等，迫切需要一种在实验室环境下能够模拟真实环境中目标和背景的半实物仿真测试系统，通过模拟各种静态靶标和动态场景，对武器光电设备性能进行动态测试评估。因此要求场景模拟器能够提供高帧频、高分辨率、较宽输出波段的动态场景，并能够与测试光电设备同步完成测试，保证获得的图像稳定清晰，便于下一步分析处理。

[0003] 紫外到红外动态场景模拟器是一种将动态场景视频转换成紫外到红外宽光谱范围场景的光电系统。《红外与激光工程》Vol.37No.5发表了一篇“数字微镜阵列红外动态景象模拟器的研制”的论文，文章中论述的动态红外图像生成系统采用黑体作为辐射源，工作在红外中波3～5μm，像元数为800×600，最高帧频为60Hz，具有同步功能。其他期刊中发表的类似论文论述的系统在工作波段上可扩展到8～12μm，像元数可达到1024×768，帧频可达到85Hz，其他指标无提高。在这些论文中，系统的工作波段均只在红外波段，最高像元分辨率只达到1024×768，没有明确论述空间调制器DMD的窗口透过波段和外同步控制的工作原理和实现途径，同步帧频不可调，不利于建立实际的动态场景投射系统。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是，针对现有技术中的不足，为各类光电设备提供一种高分辨率、高帧频、具有同步功能、能够灵活模拟真实动态目标和背景的紫外到红外波段的动态场景模拟器。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供的动态场景模拟器包括数字微反射镜阵列、外同步控制器、视频转换驱动电路、复合式宽波段辐射源、积分球、平面反射镜和抛物面反射镜；所述复合式宽波段辐射源为圆形或方形且包括红外辐射源、多个可见光光源和多个紫外波段辐射源，红外辐射源位于中心，可见光辐射源和紫外辐射源相间均布在红外辐射源的周围；所述数字微反射镜阵列的光学窗口选用透红外宽波段的BaF2光学玻璃制作，透射波段0.2～12μm，其中0.3～11μm波段光谱的透过率大于80％；所述外同步控制器含有微控制器、显示器和同步信号驱动电路，微控制器为内置有控制软件包和具备多个外源驱动端口的单片机，所述控制软件包按功能划分为菜单界面模块、计算模块、驱动模块和显示模块：菜单界面模块包括倍频数、延时时间、内部信号源和外部信号源选项，倍频数选项用于设置同步驱动信号的倍频数，延迟时间选项用于设置同步驱动信号相对于源驱动信号的延迟时间，内部信号源选项用于设置内部信号源的频率参数，一旦确认某一频率值则形成内源驱动信号并送给计算模块，外部信号源选项用于查询单片机的外源驱动端口是否有外源驱动信号，若为否，则在显示器上显示“无外部信号源”，若有信号则采集外源驱动信号送给计算模块；计算模块根据以下公式计算内源驱动信号或外源驱动信号的频率和占空比：

[0006] T1＝a×T(μs)，T2＝b×T(μs) (1)

[0007] F’＝1/(T1+T2) (2)

[0008] Γ＝T1/T2 (3)式中，T1为源驱动信号的高电平持续的时间长度，T2为源驱动信号的低电平持续的时间长度，T为单片机的时钟周期，a为第一计数器的计时长度，b为第二计数器的计时长度，F’为源驱动信号的频率，Γ为源驱动信号的占空比；同步驱动模块根据选择的倍频数、延迟时间以及源驱动信号的频率及占空比合成同步驱动信号，并将同步驱动信号送入同步信号驱动电路；显示模块的功能是将菜单界面模块选择的信号源和计算模块获得的源驱动信号频率显示在显示器上；所述同步信号驱动电路对微控制器输出的同步驱动信号进行功率放大，并将放大信号送入视频转换驱动电路的输入端；所述视频转换驱动电路接收来自仿真计算机的动态场景视频信号和来自外同步控制器的同步驱动信号，根据动态场景视频信号中的光谱信息和强度信息向数字微反射镜阵列提供驱动信号；所述复合式宽波段辐射源的辐射面与积分球的入口对接，积分球的出口面法线与数字微反射阵列的法线夹角是微反射镜偏转角的2倍；复合式宽波段辐射源4发出的宽波段辐射通过积分球后均匀照射到数字微反射镜阵列，由数字微反射镜阵列出射的宽波段场景图像依次经平面反射镜和抛物面反射镜反射后，以平行辐射的形式投射到被测光电设备的入瞳处。

[0009] 在本发明中，所述单片机带有第一、第二、第三外源驱动端口，第一驱动端口通过视频场同步分离电路接收被测光电设备提供的视频信号，第二驱动端口通过RS422转换电路接收被测光电设备提供的RS422信号，第三驱动端口直接接收被测光电设备提供的外同步脉冲信号。

[0010] 在本发明中，所述红外辐射源采用波段2μm～12μm的黑体；所述可见光辐射源采用波段0.38μm～2μm的卤素光源；所述紫外辐射源采用波段为0.2μm～0.4μm的紫外二极管。

[0011] 本发明的有益效果体现在以下几个方面。

[0012] (一)本发明紫外到红外动态场景模拟器采用含有宽波段透射窗口的数字微反射镜阵列、紫外到红外波段的复合式宽波段辐射源以及全反射式投射光学系统，因此产生的动态场景具有很宽的波段范围，可为被测试光电设备提供高达1K×1K以上的测试分辨率。该动态场景模拟器能够在实验室内建立半实物宽波段仿真系统，通过输入目标和背景的静态图像或视频图像源，能够模拟产生多种类型的标准测试图标和战场条件下的各种真实场景，给出目标和背景的近紫外、可见光和红外辐射特征，对武器系统进行动态测试评估，特别是能够完成对跟踪和制导等复杂系统的测试，满足近紫外、可见光至近红外CCD、红外成像导引头、红外成像跟踪与火控系统半实物仿真的需要。

[0013] (二)本发明不仅适用于多种外部信号驱动源，而且还提供了不同的内部信号驱动源供试验选择，因而，对提供视频输出信号或脉冲信号或RS422信号的被测光电设备以及无法提供外部驱动信号的光电设备都能够进行测试，因此具有很强的适应性和广泛的应用前景。

[0014] (三)本发明可根据试验需要设置不同的倍频数和延迟时间，据此生成用于驱动DMD各种同步驱动信号，从而可以保证动态场景模拟器生成的图像帧频大于等于被测光电探测器的成像频率，并与被测光电探测器积分时间保持一致，从而保证获得的图像质量稳定无频闪，有利于后续目标和背景的计算提取。附图说明

[0015] 图1是本发明紫外到红外动态场景模拟器的组成示意图。

[0016] 图2是图1中所示的宽波段辐射源的组成形式示意图。

[0017] 图3是本发明中XGA格式DMD的窗口外型图。

[0018] 图4是本发明中1080p格式DMD的窗口外型图。

[0019] 图5是图1中所示的外同步控制器的组成示意图。

[0020] 图6是图4中所示的微控制器的操作流程图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

[0022] 正如图1所示，本发明优选实施例提供的紫外到红外动态场景模拟器包含数字微反射镜阵列(DMD)1、外同步控制器2、视频转换驱动电路3、复合式宽波段辐射源4、积分球5、平面反射镜6、抛物面反射镜7和直流电源及风扇。电源选用12V直流供电，在分电路板上有各自的降压电路。风扇主要用于DMD1、宽波段辐射源4和各电路板的散热。

[0023] 根据图2所示，复合式宽波段辐射源4为圆形或方形且包括红外辐射源4-1、多个可见光辐射源4-2和多个紫外辐射源4-3三种辐射源，其中红外辐射源4-1位于中心，可见光辐射源4-2和紫外辐射源4-3相间均布在红外辐射源4-1的周围，红外辐射源4-1、可见光辐射源4-2和紫外辐射源4-3的辐射面位于同一平面。红外辐射源4-1采用波段2μm～12μm的高温黑体，可见光辐射源4-2采用波段0.38μm～2μm的卤素光源，紫外辐射源
4-3采用波段0.2μm～0.4μm的紫外高功率二极管。

[0024] 根据图3所示，DMD1具有透射紫外到红外波段光谱的光学窗口，复合式宽波段辐射源4的辐射投射到DMD1上，微反射镜阵列根据各自的驱动信号独立改变其偏转角，实现输出光束的调制。在优选实施例中，DMD1选用XGA格式，分辨率1024×768，其光学窗口选用透红外宽波段的BaF2光学玻璃制作，透射波段0.2～12μm，其中0.3～11μm波段光谱的透过率达80％以上，厚度2mm～3mm，长、宽尺寸分别为32.8mm、25mm。光学窗口中心区域A即透射区的尺寸为16mm×13mm，光圈数N＝2，局部光圈ΔN＝0.5；在围绕窗口中心区域A的环带(图中斜线部分)内表面镀银或铝，环带的长、宽尺寸分别为32mm、24mm。本发明还可选用1080p格式且分辨率为1920×1080的DMD，其窗口由合金框架和BaF2光学玻璃构成(参见图4)，合金框架的四周带突沿，其外型尺寸为36.4mm×36.4mm；光学玻璃镶嵌在合金框架的中心，光学玻璃为BaF2，尺寸为21.5mm×12mm，光学玻璃的面形指标与图3中透射区的相同。

[0025] 根据图5所示，外同步控制器2含有微控制器、操作键盘、显示器和同步信号驱动电路。显示器选用66×164点阵真空荧光显示屏。操作键盘选用通用4键键盘，其4个按键为确认键、取消键、上移键和下移键，其功能是根据显示器显示出的菜单界面，选择相应的试验参数。

[0026] 微控制器为内置有控制软件包的单片机，本优选实施例选用ATmega16L-8PI单片机。单片机上设有三个外源驱动端口，其第一驱动端口接视频场同步分离电路、第二驱动端口接RS422转换电路，如果被测光电设备提供的外部驱动信号为PAL制(逐行倒相制式)或NTSC制(全国电视系统委员会制式)视频信号时，则视频场同步分离电路分离该信号中的场脉冲信号，并将场脉冲信号送到第一驱动端口。如果被测光电设备提供的外部驱动信号为RS422，则RS422转换电路分离该信号中的帧脉冲信号，并将场脉冲信号送到第二驱动端口。如果被测光电设备提供的外部驱动信号为外同步脉冲信号，则直接接入第三驱动端口。视频场同步分离电路选用LM1881N型视频同步分离集成电路。RS422转换电路由SN75176型集成电路和光电耦合器TLP521构成。

[0027] 控制软件包按功能划分为菜单界面模块、计算模块、驱动模块和显示模块并根据图6所示的流程完成相关操作。

[0028] 菜单界面模块包括倍频数、延时时间、内部信号源和外部信号源选项。倍频数选项用于设置同步驱动信号的倍频数，包括0.5倍、1倍、2倍、3倍和4倍五种参数，其默认值为前次试验的最后选定值。延迟时间选项用于设置同步驱动信号相对于源驱动信号的延迟时间，每按一次上移键则延迟时间增加1μs，每按一次下移键择延迟时间减少1μs。延迟时间栏的起始值为0，默认值为前次试验的最后选定值。内部信号源选项用于设置内部信号源的频率参数，其选择值为40Hz、50Hz和60Hz，一旦确认某一频率值则形成内部源驱动信号送给计算模块。外部信号源选项用于查询微控制器的各外部驱动信号端口是否有外部驱动信号，若没有，则在显示器上显示“无外部信号源”，若有信号则采集外部源驱动信号送给计算模块。当被测光电设备无法提供外部驱动源时，试验中才会采用内部信号源。

[0029] 计算模块计算内部源驱动信号或外部源驱动信号的频率和占空比，计算步骤为：当源驱动信号的高电平到来时，第一计数器开始计数直至低电平到来停止，当源驱动信号的低电平到来时，第二计数器开始计数直至下一个周期的高电平到来停止，并根据以下公式计算：

[0030] T1＝a×T(μs)，T2＝b×T(μs) (1)

[0031] F’＝1/(T1+T2) (2)

[0032] Γ＝T1/T2 (3)

[0033] 式中，T1为源驱动信号的高电平持续的时间长度，T2为源驱动信号的低电平持续的时间长度，T为单片机的时钟周期，a为第一计数器的计时长度，b为第二计数器的计时长度，F’为源驱动信号的频率，Γ为源驱动信号的占空比。

[0034] 同步驱动模块根据选择的倍频数、延迟时间以及源驱动信号的频率及占空比合成同步驱动信号，并将同步驱动信号送入同步信号驱动电路。该同步信号的周期为(T1+T2)/m且m为设定的倍频数，占空比与源驱动信号的占空比相同。

[0035] 显示模块的功能是将菜单界面模块选择的信号源和计算模块获得的源驱动信号频率显示在显示器上，显示源驱动信号频率的目的是帮助试验人员验证内部源信号或外部源信号是否正确。

[0036] 显示完成后如果操作键盘有新的输入值，则根据输入选择倍频数、延时时间、内部信号源和外部信号源，进入下一轮计算；如果操作键盘没有输入，则始终采集当前的信号源进行计算，循环输出同步驱动信号。

[0037] 同步信号驱动电路由PNP型三极管和NPN型三极管级联构成，其功能是对微控制器输出的同步驱动信号进行功率放大，并将放大信号送入视频转换驱动电路3的输入端。

[0038] 视频转换驱动电路3根据同步驱动信号和仿真计算机送来的动态场景视频信号，控制DMD1按照动态场景对应的灰度等级，以脉冲宽度调制方式(PWM)对宽波段入射光束进行调制，调制后的反射光束由准直光学系统投射到被测光电设备的入瞳，得到与真实目标背景空间分布一致的图像。其中视频转换电路采用AD9882KST-140型视频专用处理电路，处理视频中的R、G、B颜色分量灰度数据，采用DDP2000型大规模逻辑器件完成数据重组和排列，采用SECK4R271669F型内存芯片作为数据的缓存，采用DAD1000型驱动芯片完成对DMD 1的电平驱动。

[0039] 再参见图1，复合式宽波段辐射源4和积分球5用以给DMD 1提供均匀照明，其中积分球5的入口与复合式宽波段辐射源4的辐射出射面对接，积分球5的出口面法线与DMD1的法线呈2倍于微反射镜偏转角度关系。抛物面反射镜7的焦距f’为650mm，圆锥曲线常数k为-1，离轴量为90，外径Φ为122mm，通光口径Φ为120mm。平面反射镜6将DMD出射的场景图像反射到抛物面反射镜7上，再经抛物面反射镜7的反射后以平行辐射的形式投射到被测光电设备的入瞳处。该平行辐射中含有相应的光谱和强度信息。

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