專利名稱：中波紅外二極管陣列場景生成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紅外半實(shí)物仿真技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種含有二極管陣列 的中波紅外場景生成器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代武器光電系統(tǒng)是多模式、高幀率、高動(dòng)態(tài)范圍的裝置，必須考慮導(dǎo)彈尋的器、 前視紅外系統(tǒng)、跟蹤器、自動(dòng)識(shí)別器等光電系統(tǒng)的試驗(yàn)問題。通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立半實(shí)物紅外仿真系統(tǒng)，模擬各種野外真實(shí)場景，對武器光電系統(tǒng)性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試評(píng)估。要求紅外半實(shí)物仿真系統(tǒng)的場景生成器能夠(1)提供具有高分辨率高幀頻的紅外場景；(2)與計(jì)算機(jī)圖像產(chǎn)生系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。低溫背景中波紅外二極管陣列場景生成器是一種將可見光圖像轉(zhuǎn)換為紅外圖像的器件。在IEEE VOL. 32發(fā)表了一篇《倒裝法連接68X68中波紅外二極管陣列》論文。該中波紅外二極管陣列由68X68個(gè)中波紅外二極管構(gòu)成，利用微電子技術(shù)將中波紅外二極管和驅(qū)動(dòng)器集成在P型GaSb襯底上，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)一個(gè)二極管，驅(qū)動(dòng)器由CMOS邏輯開關(guān)、儲(chǔ)能電容和三極管組成，通過CMOS邏輯開關(guān)的通斷對儲(chǔ)能電容充放電，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)三極管使紅外二極管發(fā)光，產(chǎn)生紅外圖像。該中波紅外二極管陣列的主要缺點(diǎn)是(1)掃描方式生成紅外圖像，適合凝視光電傳感系統(tǒng)，對于掃描式光電傳感系統(tǒng)，需要兩者精確保持掃描同步。(2)用于高溫目標(biāo)的仿真，不能產(chǎn)生低溫背景，無法滿足低溫背景(< 0°C )仿真測試的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種無需與掃描式光電傳感器同步掃描的中波紅外二極管陣列場景生成器。本發(fā)明要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種能夠形成低溫背景圖像的中波紅外二極管陣列場景生成器。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的中波紅外二極管陣列場景生成器包括圖像控制器、驅(qū)動(dòng)電路由集成在第一基板正面的mXn個(gè)紅外二極管構(gòu)成的二極管陣列和直流電源，且m、n為大于128且小于640的自然數(shù)；所述圖像控制器含有網(wǎng)絡(luò)模塊、微控制器、圖像幀緩存A和圖像幀緩存B，微控制器通過網(wǎng)絡(luò)模塊逐幀接收上位機(jī)生成的圖像數(shù)據(jù)和控制命令，將奇數(shù)幀和偶數(shù)幀一一對應(yīng)存入圖像幀緩存A和圖像幀緩存B中，在向所述圖像幀緩存A或圖像幀緩存B中保存當(dāng)前幀的同時(shí)，讀取圖像幀緩存B或圖像幀緩存A中的上一幀圖像數(shù)據(jù)和控制命令；根據(jù)讀取的控制命令更改讀取圖像數(shù)據(jù)中的刷新頻率、動(dòng)態(tài)范圍及相關(guān)參數(shù)，將更改后的圖像數(shù)據(jù)通過總線送入所述驅(qū)動(dòng)電路；所述驅(qū)動(dòng)電路在第二基板的正面集成有多通道D/A轉(zhuǎn)換器和電壓跟隨器，多通道D/A轉(zhuǎn)換器的輸出通道及電壓跟隨器的數(shù)量均為mXn個(gè)，驅(qū)動(dòng)電路與所述二極管陣列背對背疊層放置并通過接插件連接，多通道D/A轉(zhuǎn)換器通過SPI總線接收圖像控制器輸出的圖像數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與多通道D/A轉(zhuǎn)換器輸出通道相對應(yīng)的一組電壓信號(hào)，該組電壓信號(hào)經(jīng)過一一對應(yīng)的電壓跟隨器靜態(tài)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的紅外二極管。本發(fā)明還包括用以給二極管陣列制冷的液氮制冷部件和用以檢測二極管陣列背景溫度值的溫度傳感器，所述液氮制冷部件含有液氮制冷瓶、制冷管和隔熱層，隔熱層固定在所述第二基板的背面，制冷管以“S”形排列分布在隔熱層與所述第一基板之間的空間內(nèi)且其輸入、輸出端與液氮制冷瓶相連；所述溫度傳感器安裝隔熱層上并位于制冷管的空隙中；所述微控制器通過A/D轉(zhuǎn)換器接收溫度傳感器輸出的背景溫度值并通過所述網(wǎng)絡(luò)模塊回送給所述上位機(jī)。本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(一 )本發(fā)明的低溫背景中波紅外二極管陣列場景生成器采用中波紅外二極管， 其光譜波段是武器光電系統(tǒng)紅外傳感器的常用光譜波段，可以滿足大部分武器光電系統(tǒng)仿真測試的需要。本發(fā)明用D/A轉(zhuǎn)換器以靜態(tài)方式驅(qū)動(dòng)二極管，與采用掃描方式驅(qū)動(dòng)二極管德現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明生成的紅外圖像溫度均勻性效果更好且沒有溫度波動(dòng)，不僅適用于凝視光電傳感器系統(tǒng)，同樣也適用于掃描式光電傳感器系統(tǒng)，克服了掃描方式驅(qū)動(dòng)二極管場景生成器需要與掃描式光電傳感器同步掃描的問題。(二)本發(fā)明的場景生成器圖像刷新頻率高，可達(dá)到200Hz，能滿足高幀頻中波紅外半實(shí)物仿真測試的需要，并且圖像刷新頻率可以從5Hz到200Hz任意設(shè)定。此外，通過采用液氮制冷技術(shù)對二極管陣列進(jìn)行制冷，使本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)生成低溫背景(<0°C)的仿真圖像，這是現(xiàn)由許多場景發(fā)生器所不具備的。


圖1是本發(fā)明二極管陣列場景生成器的原理組成示意圖。圖2是本發(fā)明中圖像控制器的原理組成示意圖。圖3是本發(fā)明中圖像控制器的工作流程圖。圖4是本發(fā)明中驅(qū)動(dòng)電路的工作原理圖。圖5是本發(fā)明中液氮制冷部件的安裝位置示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述。正如圖1所示，本發(fā)明包括圖像控制器1、驅(qū)動(dòng)電路2、二極管陣列3、液氮制冷部件 4以及為上述組成供電的電源。電源選用5V直流電源。二極管陣列3由mXn個(gè)紅外二極管集成在第一基板的正面且各紅外二極管的陰極與地線相接。在本優(yōu)選實(shí)施例中，二極管陣列3為U8X 128陣列，紅外二極管型號(hào)為LED43，峰值波長4. 3 μ m。圖像控制器1通過網(wǎng)絡(luò)模塊接收上位機(jī)生成的圖像數(shù)據(jù)和控制命令，經(jīng)過緩存處理后，通過SPI總線將圖像數(shù)據(jù)送給驅(qū)動(dòng)電路2，驅(qū)動(dòng)電路2通過多通道D/A轉(zhuǎn)換器，將圖像控制器1輸出的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與圖像數(shù)據(jù)成正比的電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路2中的電壓跟隨器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)二極管陣列3的紅外二極管發(fā)光，從而生成紅外圖像。液氮制冷部件 4對二極管陣列3進(jìn)行制冷，進(jìn)而形成紅外圖像的低溫背景。圖2示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例圖像控制器的組成，圖像控制器含有溫度傳感器1-1、信號(hào)調(diào)理電路1-2、A/D轉(zhuǎn)換器1-3、網(wǎng)絡(luò)模塊1-4、微控制器1_5、圖像幀緩存A1-6和圖像幀緩存B1-7。溫度傳感器1-1選用鉬電阻傳感器，或選用熱電偶傳感器，本發(fā)明優(yōu)選線性度好的鉬電阻傳感器，具體型號(hào)為WZP型PT100。信號(hào)調(diào)理電路1-2采用常規(guī)的鉬電阻傳感器信號(hào)調(diào)理電路，即低通濾波和通用運(yùn)放組成的放大電路。溫度傳感器1-1用于測量二極管陣列3的背景溫度，其輸出值通過信號(hào)調(diào)理電路1-2調(diào)理后通過A/D轉(zhuǎn)換器1-3 送入微控制器1-5。本實(shí)施例中，A/D轉(zhuǎn)換器1-3選用AD7853型8位以上A/D轉(zhuǎn)換器。網(wǎng)絡(luò)模塊1-4含有以太網(wǎng)絡(luò)收發(fā)電路、脈沖隔離變壓器以及網(wǎng)絡(luò)接口 ；以太網(wǎng)絡(luò)收發(fā)電路通過脈沖隔離變壓器和網(wǎng)絡(luò)接口與以太網(wǎng)連接。網(wǎng)絡(luò)模塊1-4的功能是實(shí)現(xiàn)微控制器1-5與上位機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)通訊。本實(shí)施例的網(wǎng)絡(luò)模塊1-4選用百兆以太網(wǎng)絡(luò)收發(fā)芯片，型號(hào)為DM9000。微控制器1-5是圖像控制器1的核心且必須采用高速微控制器，本發(fā)明優(yōu)選型號(hào)為AT91SAM9261的微控制器，其功能是通過網(wǎng)絡(luò)模塊1_4接收上位機(jī)生成的圖像數(shù)據(jù)和控制命令并將此圖像數(shù)據(jù)和控制命令寫入到圖像幀緩存A1-6或圖像幀緩存B1-7中；根據(jù)控制命令改變圖像數(shù)據(jù)中的刷新頻率、動(dòng)態(tài)范圍參數(shù)并將更改的圖像數(shù)據(jù)輸出給驅(qū)動(dòng)電路2。讀取A/D轉(zhuǎn)換器1-3輸出的背景溫度值并通過網(wǎng)絡(luò)模塊1-4上傳給上位機(jī)。圖像幀緩存A1-6和圖像幀緩存B1-7主要是存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)和控制命令，采用雙緩存設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“乒乓”切換，主要是提高圖像的處理速度。圖像幀緩存可以選用SDRAM(同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器)，也可以選用SRAM (靜態(tài)存儲(chǔ)器)，本優(yōu)選實(shí)施例選用IC42S8200型SDRAM。 圖3示出了圖像控制器1在微控制器1-5操控下的工作流程。當(dāng)開機(jī)上電時(shí)，微控制器1-5復(fù)位，對網(wǎng)絡(luò)模塊1-4進(jìn)行初始化，初始化完成后，微控制器1-5通過網(wǎng)絡(luò)模塊 1-4使用TCPIP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，微控制器1-5接收數(shù)據(jù)格式依次為幀號(hào) (1字節(jié))、命令類型(1字節(jié))、命令數(shù)據(jù)(1字節(jié))和圖像數(shù)據(jù)(128X128字節(jié))，發(fā)送數(shù)據(jù)格式為背景溫度值(2字節(jié))。當(dāng)微控制器1-5接收到一幀圖像數(shù)據(jù)和控制命令，首先判斷幀號(hào)是奇數(shù)還是偶數(shù)，如果是奇數(shù)，則將圖像數(shù)據(jù)和控制命令寫入到圖像幀緩存A中，反之，如果是偶數(shù)，則將圖像數(shù)據(jù)和控制命令寫入到圖像幀緩存B中。當(dāng)向其中一組圖像幀緩存A或B寫入的同時(shí)，微控制器1-5從另一組圖像幀緩存B或A中讀取前一幀寫入的圖像數(shù)據(jù)和控制命令，然后根據(jù)命令類型和命令數(shù)據(jù)改變圖像刷新頻率、動(dòng)態(tài)范圍參數(shù)，同時(shí)將圖像數(shù)據(jù)通過SPI總線輸出到驅(qū)動(dòng)電路2，生成中波紅外圖像。之后，微控制器1-5讀取A/ D轉(zhuǎn)換器1-3輸出的背景溫度值，并通過網(wǎng)絡(luò)模塊1-4將溫度值上傳給上位機(jī)。在紅外半實(shí)物仿真測試中，由于被測光電系統(tǒng)選取的紅外探測器不同，造成探測器的成像頻率和探測紅外圖像溫度的動(dòng)態(tài)范圍也不同，這就要求場景生成器生成圖像的刷新頻率 > 被測光電系統(tǒng)的成像頻率，生成紅外圖像的溫度范圍與被測光電系統(tǒng)的探測范圍相一致。因而本發(fā)明的場景生成器接收控制命令中包括設(shè)定刷新頻率和動(dòng)態(tài)范圍參數(shù)，圖像刷新頻率用以改變輸出圖像數(shù)據(jù)的速率，使生成圖像的頻率滿足被測光電系統(tǒng)的成像頻率要求，其圖像刷新頻率可在5 200Hz范圍內(nèi)任意設(shè)定；動(dòng)態(tài)范圍參數(shù)就是將接收到的圖像數(shù)據(jù)乘以一定的系數(shù)輸出給驅(qū)動(dòng)電路2，改變驅(qū)動(dòng)電路2中的D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓范圍， 由此改變生成紅外圖像的動(dòng)態(tài)范圍，使之與被測光電系統(tǒng)的探測范圍相一致。如圖4所示，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電路2含有2048個(gè)多通道D/A轉(zhuǎn)換器2_1 和16384個(gè)電壓跟隨器2-2并集成在第二基板的正面，每個(gè)多通道D/A轉(zhuǎn)換器2_1采用8位以上且以SPI總線級(jí)聯(lián)方式連接的D/A轉(zhuǎn)換器，其型號(hào)為TLV5631且含8個(gè)輸出通道。電壓跟隨器2-2選用常用的NPN型三極管，三極管的基極連接到多通道D/A轉(zhuǎn)換器2-1的一個(gè)輸出通道上，集電極連接到直流電源上，發(fā)射極與二極管陣列3上紅外二極管的陽極連接，多通道D/A轉(zhuǎn)換器2-1的每個(gè)通道控制一個(gè)紅外二極管，以實(shí)現(xiàn)紅外二極管的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路2的功能是通過SPI總線接收圖像控制器1輸出的圖像數(shù)據(jù)，并由多通道D/A轉(zhuǎn)換器2-1的輸出通道輸出與圖像數(shù)據(jù)成正比的電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)通過與其對應(yīng)的電壓跟隨器2-2靜態(tài)驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的紅外二極管，使紅外二極管發(fā)光，進(jìn)而生成紅外圖像。只要圖像數(shù)據(jù)值不變，流過紅外二級(jí)管的驅(qū)動(dòng)電流就不變，因而二極管發(fā)光強(qiáng)度也不會(huì)變化。
如圖5所示，液氮制冷部件4含有液氮制冷瓶4-1、制冷管4-2和隔熱層4_3。驅(qū)動(dòng)電路2與二極管陣列3采用疊層安裝且兩者之間采用接插件連接，因此，第一、第二基板的背面之間留有一定的距離，便于安裝制冷管4-2和隔熱層4-3。隔熱層4-3安裝在驅(qū)動(dòng)電路2第二基板的背面，制冷管4-2采用“S形”排列分布在隔熱層4-3與二極管陣列3之間， 與液氮制冷瓶相連，對二極管陣列3進(jìn)行制冷，從而實(shí)現(xiàn)< 0°C的背景溫度。圖像控制器中的溫度傳感器1-1安裝在制冷管4-2之間。
權(quán)利要求
1.一種中波紅外二極管陣列場景生成器，包括圖像控制器(1)、由集成在第一基板正面的mXn個(gè)紅外二極管構(gòu)成的二極管陣列(3)和直流電源，且m、n為大于1 且小于640 的自然數(shù)，其特征在于還包括驅(qū)動(dòng)電路0)，所述圖像控制器(1)含有網(wǎng)絡(luò)模塊(1-4)、 微控制器(1-5)、圖像幀緩存A(1-6)和圖像幀緩存B(l-7)，微控制器(1- 通過網(wǎng)絡(luò)模塊 (1-4)逐幀接收上位機(jī)生成的圖像數(shù)據(jù)和控制命令，將奇數(shù)幀和偶數(shù)幀一一對應(yīng)存入圖像幀緩存A(l-6)和圖像幀緩存B(l-7)中，在向所述圖像幀緩存A(l-6)或圖像幀緩存B(l_7) 中保存當(dāng)前幀的同時(shí)，讀取圖像幀緩存B(l-7)或圖像幀緩存A(l-6)中的上一幀圖像數(shù)據(jù)和控制命令；根據(jù)讀取的控制命令更改讀取圖像數(shù)據(jù)中的刷新頻率和動(dòng)態(tài)范圍參數(shù)，將更改后的圖像數(shù)據(jù)通過SPI總線送入所述驅(qū)動(dòng)電路O)；所述驅(qū)動(dòng)電路( 在第二基板的正面集成有多通道D/A轉(zhuǎn)換器和電壓跟隨器，多通道D/A轉(zhuǎn)換器的輸出通道及電壓跟隨器的數(shù)量均為mXn個(gè)，驅(qū)動(dòng)電路( 與所述二極管陣列( 背對背疊層放置并通過接插件連接，多通道D/A轉(zhuǎn)換器通過SPI總線接收所述圖像控制器(1)輸出的圖像數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與多通道D/A轉(zhuǎn)換器的輸出通道相對應(yīng)的一組電壓信號(hào)，該組電壓信號(hào)經(jīng)過一一對應(yīng)的電壓跟隨器靜態(tài)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的紅外二極管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中波紅外二極管陣列場景生成器，其特征在于還包括用以給二極管陣列( 制冷的液氮制冷部件(4)和用以檢測二極管陣列( 背景溫度值的溫度傳感器，所述液氮制冷部件含有液氮制冷瓶、制冷管和隔熱層，隔熱層固定在所述第二基板的背面，制冷管以“S”形排列分布在隔熱層與所述第一基板之間的空間內(nèi)且其輸入、輸出端與液氮制冷瓶相連；所述溫度傳感器安裝隔熱層上并位于制冷管的空隙中；所述微控制器通過A/D轉(zhuǎn)換器接收溫度傳感器輸出的背景溫度值并通過所述網(wǎng)絡(luò)模塊回送給所述上位機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的中波紅外二極管陣列場景生成器，其特征在于所述的紅外二級(jí)管的型號(hào)為LED43，峰值波長為4. 3 μ m，電壓跟隨器2_2選用常用的NPN型三極管，所述總線為SPI總線，所述D/A轉(zhuǎn)換器選用8位以上且以SPI總線級(jí)聯(lián)方式連接的D/A轉(zhuǎn)換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的中波紅外二極管陣列場景生成器，其特征在于所述奇數(shù)幀和所述偶數(shù)幀“乒乓”切換方式對應(yīng)存入所述圖像幀緩存A和所述圖像幀緩存B。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的中波紅外二極管陣列場景生成器，其特征在于所述二極管陣列含U8X 1 像素，或含320X240像素，或含640X480像素。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中波紅外二極管陣列場景生成器，屬于紅外半實(shí)物仿真領(lǐng)域，該生成器采用二極管陣列作為圖像生成器件，用圖像控制器對圖像產(chǎn)生計(jì)算機(jī)給出的圖像數(shù)據(jù)和控制命令進(jìn)行處理后，獲得相應(yīng)的電壓信號(hào)并通過驅(qū)動(dòng)電路靜態(tài)驅(qū)動(dòng)二極管陣列中各中波紅外二極管而生成動(dòng)態(tài)場景圖像；用液氮制冷部件對二極管陣列進(jìn)行制冷，通過安裝在二極管陣列背面的溫度傳感器檢測背景溫度并通過圖像控制器反饋給圖像產(chǎn)生計(jì)算機(jī)，由此使本發(fā)明滿足低溫背景(≤0℃)中波紅外仿真測試的需要。
文檔編號(hào)G01M11/00GK102346095SQ201110112098
公開日2012年2月8日 申請日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月3日
發(fā)明者孫科鋒, 王吉龍, 高教波, 高飛 申請人:中國兵器工業(yè)第二〇五研究所