MOS電阻陣紅外目標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.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009; 2.航空制導武器航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471009)

0 引言

在紅外成像制導武器研制過程中，紅外成像制導半實物仿真系統是驗證武器系統在實戰環境中制導性能的重要手段。它是由紅外成像目標模擬器、紅外仿真總控臺、五軸飛行模擬轉臺等組成，可以為紅外制導系統的半實物仿真試驗營造一個逼真的外場實戰紅外環境。其中，紅外成像目標模擬器的功能是實現對高逼真度動態紅外場景的模擬，即可以在紅外制導系統的工作波段內，模擬真實目標/干擾在三維空間的形態特征、姿態運動特征、彈目接近過程和紅外輻射特性。目前，國內具有代表性的動態場景模擬技術有MEMS薄膜、DMD數字微鏡陣列和MOS電阻陣列等。其中，基于MOS電阻陣列的紅外成像目標模擬器由于高幀頻、動態范圍寬等優點，備受國內外關注，成為國內外廣泛研究且發展較為成熟的一種紅外成像目標模擬器。以美國導彈指揮仿真中心、海軍空軍中心仿真實驗室及海軍空軍中心仿真實驗室三大美國國防仿真實驗中心為代表的歐美等國家仿真實驗室已經大量地成功使用基于MOS電阻陣列紅外目標模擬器的半實物仿真系統。除此之外，國內也加快了對MOS電阻陣列紅外目標模擬器研究的腳步，到目前為止已經取得了顯著成果。

紅外成像目標模擬器的圖像幀頻是指單位時間內生成動態紅外熱圖像的幀數，是衡量紅外目標模擬器的性能參數之一。對于高速飛行的目標而言，它自身的姿態變化及與被測紅外成像制導系統的距離變化都是很快的，為了實現對目標運動的逼真模擬，紅外成像目標模擬器更新動態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換器所能達到的最高工作頻率時，上?？茖W院上海技術物理研究所[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換器響應時間波形，分析響應上升和下降時間，從而確定獲得MOS電阻陣列紅外圖像轉換器所能達到的最高工作頻率。該文[4]僅描述了測試MOS電阻陣列紅外圖像轉換器自身可達到的最大幀頻參數方法，并沒有提及整個紅外目標模擬器的圖像幀頻測試方法。

在測試DMD紅外目標模擬器的幀頻時，中國人民解放軍 63892 部隊使用熱像儀測試模擬器視頻處理電路能夠適應的幀頻范圍，利用單元探測器和示波器測試模擬器驅動電路能夠適應的幀頻范圍[2]。同樣地，也沒有提及整個紅外目標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模擬器的組成部分和工作原理進行了介紹，闡述了半實物仿真試驗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模擬器的輸出圖像幀頻進行了測試。

1 MOS電阻陣紅外成像目標模擬器

基于MOS電阻陣列的紅外成像目標模擬器是由計算機圖像生成系統、電阻陣列控制驅動系統、MOS電阻陣列紅外圖像轉換器和紅外光學準直系統組成，組成框圖如圖1所示。

圖1 MOS電阻陣紅外目標模擬器組成框圖

圖像生成計算機接收由仿真計算機計算出目標與被測系統的位置、姿態角隨時間變化數據等參數，根據收集到的目標環境特性參數，計算生成一組數字紅外場景和目標圖像序列。該圖像序列傳輸給電阻陣控制器，按照控制器的格式轉換后送往驅動器。同時，控制器為驅動器產生MOS電阻陣列需要的行列掃描信號，并由驅動器驅動MOS電阻陣列生成對應的紅外場景輻射熱圖像，該紅外動態輻射熱圖像通過紅外光學準直系統準直成平行光束，然后投射進入紅外成像探測系統的光學系統，最后由紅外成像探測系統采集、計算并完成圖像的識別和跟蹤。

2 MOS電阻陣列紅外圖像轉換器

256×256元MOS電阻陣列紅外圖像轉換器由256×256元電阻陣列芯片、襯底冷卻系統和真空環境箱系統構成，能夠將計算機圖像生成系統生成的目標/干擾紅外數字圖像轉換為被測紅外成像制導武器系統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電阻陣列芯片結構

MOS電阻陣列的主體部分是組成陣列的像素物理結構，每個像素單元由一個電阻形式的微輻射體和一組單元驅動電路組成，二者平鋪在一個區域內[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，用來對像素單元進行選通控制。

圖2 MOS電阻陣列器件像素平面結構

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，驅動管T2及R組成源極跟隨器結構，給微輻射體提供充足的加熱電流。當傳輸門被選通打開時，信號Vs經T1傳輸到T2柵上，T2以相應電流給電阻R加熱。當傳輸門關閉時，存貯在電容C上的電荷經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、獨立的子模塊，各自分別進行控制和驅動的[5]。每個子模塊的規模是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。這樣分組的設計目的是為了減少電阻陣芯片的外部引腳數目，從而提高電阻陣器件的實用性。圖4是器件的總體電路原理圖，S1～S16 負責為左邊子模塊的 256行單元提供模擬控制信號，S1′～S16′負責為右邊子模塊的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據包。圖5是器件的子模塊電路原理圖，虛框內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，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，當掃描到某個單元時，相對應的串行模擬驅動電壓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動過之后，橫向移位寄存器轉而再驅動下一列單元，開始新一輪的驅動，就這樣循環往復，而之前驅動過的單元將依靠單元中的保持電容繼續來維持驅動電壓，直到下一幀來臨時，驅動信號才能夠得以刷新。

圖6 電阻陣器件子模塊驅動模式示意圖

3 紅外目標模擬器圖像幀頻測試

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

1) 像元數，即輸出紅外輻射圖像的像元數量；

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) 動態溫度范圍，反映了輸出紅外輻射圖像的亮暗邊界；

4) 輻射穩定性和均勻性，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模擬器的圖像幀頻主要有3個因素：1)計算機圖像生成系統的計算能力；2)MOS電阻陣列輻射單元的熱慣性，體現在時間常數上；3)紅外成像目標模擬器的驅動控制模式。

3.1 圖像幀頻測試需求

半實物仿真系統可以實現在實驗室內模擬紅外制導武器識別、跟蹤目標的全過程。對于高速飛行的目標而言，它自身的姿態變化及與被測紅外成像制導系統的距離變化都是很快的，為了實現對目標特性的逼真模擬，紅外成像目標模擬器單位時間內生成動態紅外熱圖像的數量越多越好，即幀頻越高越好。所以，為了給MOS電阻陣列紅外成像目標模擬器的研制、性能測試和應用提供依據，保證半實物仿真試驗的逼真度，對紅外成像目標模擬器的圖像幀頻進行測試是非常有必要的。

3.2 圖像幀頻測試原理

紅外目標模擬器的圖像幀頻測試原理為：首先，點亮MOS電阻陣中心列輻射單元，經過光學成像后，使中心列點亮的熱輻射圖像剛好成像在單元探測器上；然后，分別控制數字目標/干擾圖像的中心列以一幀亮一幀暗的方式驅動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模擬器的圖像周期，從而最終確定輸出動態紅外輻射圖像的幀頻。

3.3 圖像幀頻測試方法

紅外目標模擬器的圖像幀頻測試系統主要由調制器、單元探測器、前置放大器、鎖相放大器、輻射亮度數據處理系統和示波器等組成。按照紅外成像目標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備和正式測試兩個階段。

圖像幀頻測試準備階段：首先由圖像生成計算機生成中心一列點亮的靜態測試圖像，電阻陣列控制驅動系統驅動MOS電阻陣列紅外圖像轉換器生成對應的紅外輻射測試圖像，經過紅外光學準直系統準直成平行光束后進入光學系統；一邊分別調整二維平移臺兩個維度的方向，一邊觀察數據處理系統的數據變化，當數據處理系統測量出的輻亮度明顯變大且保持穩定，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，搭建幀頻測試平臺如圖7所示。

圖7 圖像幀頻準備測試搭建平臺

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 圖像幀頻測試結果

以256×256元MOS電阻陣列紅外成像目標模擬器為圖像幀頻測試對象。測試時使用的數字圖像是在一套基于OpenGL開發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，左側為中心列點亮的圖像，右側為中心列不點亮的圖像。

圖9 一幀亮一幀暗動態測試圖像

圖10是某次測試實驗中得到的示波器輸出波形結果，測時試使用的動態數字圖像幀頻為110 Hz。由圖可以看出，示波器獲得了穩定的紅外成像目標模擬器圖像幀頻波形。經分析， 256×256元 MOS電阻陣列紅外成像目標模擬器輸出了穩定的紅外輻射熱圖像，周期為18.6 ms/2=9.3 ms，輸出動態紅外輻射圖像幀頻為1000/9.3=107.53 Hz≈108 Hz。

在此紅外成像目標模擬器圖像幀頻測試過程中，單元探測器對光信號的響應時間是ns量級，示波器的采樣頻率可達Gsa/s量級。所以通過直接測試紅外成像目標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 結論

紅外目標模擬器輸出動態紅外輻射圖像的幀頻反映了所模擬動態場景的快速性。本文提出了一種MOS電阻陣列紅外成像目標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模擬器的輸出圖像幀頻進行了測試。測試結果表明：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模擬器的內部工作原理無直接關系，不僅能為MOS電阻陣列紅外成像目標模擬器的研制、性能測試和應用提供一定的依據，而且可推廣應用于其它類型紅外成像目標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果

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[7] 趙松慶，吳根水，劉曉寧,等. MOS電阻陣列紅外動態場景模擬器輻射特性測試方法[A] .第三屆紅外成像系統仿真測試與評價技術研討會論文集[C].2011.