红外目标模拟器（三）-影响模拟目标生成效果的关键因素分析

继续上期的内容（红外目标模拟器（二）—DMD如何决定分辨率、灰度与帧频），本期我们系统分析红外目标模拟器的波段范围、对比度、温度范围、温度控制精度，温度稳定性和信号同步触发时间。

红外目标模拟器主要功能是生成具备实际目标辐射特性的模拟目标。通常分为中波（3~5μm）和长波（8~12μm）两种类型。一般采用微型黑体作为系统的光源。其最终生成的目标光谱范围取决各光学元件的透射波段。

红外目标模拟器中光学元件包括DMD芯片、投影镜头和照明镜头。投影镜头和照明镜头需要选择红外波段的材料设计即可。DMD芯片自身是反射式元件，能够反射中长波红外光。然而，标准DMD芯片的封装窗口玻璃是针对可见光波段优化的，对中长波红外的透过率很低。目前国内主要是通过更换DMD窗口玻璃材料来满足中、长波红外场景仿真系统的需求。主要使用较多的光学材料有：Ge、Si、MgF2，蓝宝石、ZnS、ZnSe等。

图1  DMD芯片更换窗口玻璃

红外目标模拟器所使用的光源为黑体，其温度范围、温度控制精度及温度稳定性等性能指标均由黑体本身决定。其中，温度控制精度和温度稳定性直接对应黑体的技术指标，一般要求黑体温度控制精度可达±0.1℃，温度稳定性优于0.1℃/h。

黑体在不同温度下发出的红外辐射光经照明光学系统、空间调制器（如DMD）以及投影光学系统后，最终在出瞳面形成模拟目标的辐射图像。由于光线在传输过程中会经历多次反射、吸收与透射损耗，到达出瞳时的辐射能量相较黑体源本身会显著衰减，因此系统输出的模拟温度并不等同于黑体的实际物理温度。

一般情况下，红外目标模拟器的有效模拟温度范围较小，多位于室温至约100℃之间，可满足多数红外探测与成像测试需求。

在实际使用过程中，我们要使用经过标定后的红外热像仪测试其实际温度范围。

对比度指的是图像中明暗区域最亮的白和最暗的黑之间的不同亮度层级的测量，差异范围越大代表对比越大。由于微镜尺寸和红外波长相差不大，当把DMD用于红外波段时，衍射现象比较严重。生成图像的空间分辨率和对比度都有所下降。在可见光波段，DMD凭借其微镜的物理遮挡，可实现极高的原生对比度（通常>1000:1）。然而，在红外波段，由于衍射效应加剧，'开'态光会泄漏到'关'态区域，导致系统对比度显著下降。对比度性能与光学设计水平密切相关，通过采用优化照明/投影光路，可以有效抑制杂散光，在中波红外实现数百至上千比一的对比度，在衍射效应更严重的长波红外，也应力争实现上百比一的对比度。

DMD的灰度范围一般是通过脉宽调制的，因此基于DMD的红外目标模拟器必须与被测单元同步，并且DMD的显示时间与被测单元的积分时间也要相匹配，否则将采集不到完整的灰度图像。导致探测器单元采集的信号会出现闪烁和对比度等级低的现象。通常DMD的信号处理电路外接探测系统的同步信号，通过同步电路保证DMD的显示的图像和红外探测系统采集图像保持同步，从而获得最佳的图像质量。一般红外目标模拟器同步触发时间在1ms以内。

如上图3，通过精确的同步触发控制，红外探测器能够接收到稳定、无闪烁的清晰图像。

在本篇文章中，我们从红外目标模拟器的实际可实现效果出发，对其性能进行分析。红外目标模拟器的正常功能实现依赖于各子系统的高效协同配合，包括光源、光学元件、空间光调制器以及信号同步控制等。接下来，我们将重点对红外目标模拟器的光学参数进行系统分析。

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西安立鼎光电科技有限公司成立于2016年4月，是一家专业从事短波红外成像系统及光电测试装备的研发生产、系统集成、销售服务为一体的国家级高新技术企业。公司专注于为客户提供从器部组件到全套光电系统产品的完整解决方案。近年来，公司研制的短波红外成像系统在激光光斑检测、半导体检测、激光通信、光谱成像、激光切割、生物医疗、天文观测、安防等领域得到了广泛的应用。多年来，根据用户需求研制的多款光电测试装备为用户产品的性能指标保证发挥了重要作用。

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