红外视景仿真系统及其辐射场联合调控方法与流程
本发明属于半实物仿真技术领域，主要涉及红外视景仿真，具体是一种红外视景仿真系统及其辐射场联合调控方法，用于对红外图像进行高逼真度的仿真。
背景技术：
随着半实物仿真技术和计算机软硬件条件的日益成熟，红外视景仿真系统引起越来越多的关注，被广泛应用于军事光电侦察装备的性能鉴定试验，与传统的外场试验相比，红外视景仿真系统具有成本低、应用便捷等优势。然而，此类半实物仿真系统应用测试的成功与否很大程度上依赖红外视景仿真系统的仿真逼真程度，即红外视景仿真系统再现复杂真实自然环境的真实程度。
国内的大部分研究局限于对红外数字场景仿真的逼真度研究或红外目标模拟器的逼真度研究，缺少对于红外视景仿真系统进行系统级的研究。
经本发明在一定范围内查新，有关于红外数字场景的研究和报道，张建奇、黄曦等人在红外数字场景中对红外辐射建模、红外纹理设计、大气传输建模方面进行了研究，使红外数字场景能够反映真实自然环境，但是没有考虑红外数字场景应用到红外视景仿真系统中时红外数字场景中图像亮度量化范围和红外成像设备动态范围相吻合的问题。例如通过建立全局辐射模型、三维几何尺度转换模型、位置姿态转换模型来提高红外数字场景的逼真度，但没有考虑到红外数字场景应用到红外视景仿真系统中带来的问题，如红外数字场景单元的图像信号经红外目标模拟器投影传输后红外图像中目标的辐射、几何、位置姿态的逼真度，以及红外数字场景单元和红外成像与显示设备的响应动态范围等问题。
也有关于dmd红外目标模拟器的研究和报道，何永强、耿达、韩庆等人对dmd红外目标模拟器中对微镜片的衍射特性、能量转换效率、显示帧频等进行了研究，提高了dmd红外目标模拟器中光源照明的均匀性、光能利用率、显示帧频等，但是没有考虑dmd红外目标模拟器应用到红外视景仿真系统中与红外数字场景、红外成像设备的参数耦合性。对红外目标模拟器的研究是从红外目标模拟器的自身结构出发，通过改变目标模拟器的照明光源、投影光学系统、控制电路等，单纯提高目标模拟器的逼真度。
现有研究中，一部分研究专注于提高红外数字场景的逼真度，另一部分研究专注于提高红外目标模拟器的逼真度，现在还没有将红外数字场景和红外目标模拟器相结合进行的研究。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种逼真度更高的辐射场联合调控的红外视景仿真系统，根据仿真系统信号传输方向依次连接有基于计算机的红外数字场景模块、红外目标模拟器和红外成像与显示设备，红外数字场景生成模块按信号传输方向依次连接有待仿真的红外图像输入单元、仿真场景生成单元和红外数字场景单元，其特征在于，所述红外目标模拟器为dmd红外目标模拟器，dmd红外目标模拟器中按照红外图像信号处理方向依次连接有dmd控制和驱动电路、微反射镜阵列和准直投影光学系统。黑体光源照射在微反射镜阵列上，dmd控制与驱动电路同时同红外成像与显示设备、红外数字场景单元之间数据双向交互，且控制图像信号帧同步。通过调整红外数字场景单元的图像辐射亮度和dmd红外目标模拟器中的黑体光源温度，实现对红外视景仿真的辐射场联合调控。
本发明还是一种红外视景仿真系统的辐射场联合调控方法，其特征在于，包括有如下步骤：
(1)构建红外视景仿真系统；红外视景仿真系统为辐射场联合调控的红外视景仿真系统，根据仿真系统信号传输方向依次连接有基于计算机的红外数字场景生成模块、dmd红外目标模拟器和红外成像与显示设备；红外数字场景生成模块按信号传输方向依次连接有待仿真的红外图像输入单元、仿真场景生成单元和红外数字场景单元，dmd红外目标模拟器中按照红外图像信号处理方向依次连接有dmd控制和驱动电路、微反射镜阵列和准直投影光学系统，能够调节温度的黑体光源照射在微反射镜阵列上，dmd控制与驱动电路同时同红外成像与显示设备、红外数字场景单元之间数据双向交互，且控制图像信号帧同步，通过调整红外数字场景单元的图像辐射亮度和dmd红外目标模拟器中的黑体光源温度，实现对红外视景仿真的辐射场联合调控；
(2)构建空间光调制器透过率和红外数字场景单元的辐射亮度关系g(x,y)：定义空间光调制器透过率是红外数字场景单元中不同位置处的图像辐射亮度进行灰度调制的归一化结果，在红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围内对红外数字场景单元中不同位置处的图像进行灰度调制，得到不同位置处的图像辐射亮度值，建立空间光调制器透过率和红外数字场景单元的辐射亮度关系，作为红外数字场景单元的辐射亮度对空间光调制器透过率调控的依据；
(3)构建红外数字场景单元的辐射亮度和dmd红外目标模拟器黑体光源温度关系：建立黑体光源温度与红外数字场景单元的图像辐射亮度的关系，得到红外数字场景单元中图像最大辐射亮度对应的黑体光源温度，作为红外数字场景单元的辐射亮度对黑体光源温度调控的依据；
(4)构建dmd红外目标模拟器出瞳处辐射照度传递模型e出瞳：建立dmd红外目标模拟器准直投影光学系统出瞳处辐照度传递模型，利用红外数字场景单元的辐射亮度和dmd红外目标模拟器黑体光源温度、空间光调制器透过率关系，得到黑体光源温度和红外数字场景单元辐射亮度与出瞳处辐照度的传递模型；
(5)确定参与联合调控的红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围和黑体光源温度的范围：根据红外成像设备静态性能测试的信号传递函数和对应的响应动态范围(s型曲线)设置黑体光源温度范围和红外数字场景单元的图像辐射亮度量化标尺范围，设置中，红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围、红外成像设备动态响应范围及其图像亮度量化尺度均保持一致；
(6)构建红外视景仿真系统全链路辐射调控模型：令红外视景仿真系统出瞳处辐射场分布与真实场景在红外成像设备入瞳处一致，以此建立红外视景仿真系统全链路辐射调控模型；
(7)制作黑体光源辐射亮度和黑体光源温度对照表：黑体辐射出射度m是关于温度t的函数，利用公式m＝πl中黑体辐射出射度与辐射亮度的关系，通过多次计算建立黑体光源辐射亮度和黑体光源温度的对照表；
(8)确定调控模型参数：根据设定红外数字场景单元图像辐射亮度的量化范围，由红外视景仿真系统全链路辐射调控模型计算得到黑体光源辐射亮度值，查找黑体辐射亮度和温度的对照表，得到黑体光源温度理论计算结果；
(9)红外视景仿真系统辐射场的联合调控：利用确定的调控模型参数设置红外数字场景单元图像辐射亮度的量化范围和黑体光源温度，在红外成像和显示设备上逼真再现红外辐射场景。
本发明综合考虑了dmd红外目标模拟器能量传递过程，建立dmd红外目标模拟器出瞳处辐射照度传递模型；综合dmd红外目标模拟器能量传递效率和基底辐射的影响，建立红外视景仿真系统全链路辐射调控模型，确定红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围与dmd红外目标模拟器黑体光源温度的理论关系，实现联合调控。
本发明与现有技术比具有如下优点：
第一，提高了红外视景仿真的逼真度：不同于以往的研究，本发明从红外视景仿真系统整体考虑，分析红外视景仿真系统全链路能量传递过程和系统中可调控因素，将红外数字场景单元和dmd红外目标模拟器进行联合调控，提高了红外视景仿真系统的逼真度，使红外视景仿真系统投射出逼真度更高的红外辐射，能够再现真实自然环境的红外辐射分布。
第二，操作简单，易于调控：本发明建立了红外视景仿真系统全链路辐射调控模型，只需调控红外数字场景单元的辐射亮度量化范围和dmd红外目标模拟器黑体光源温度，操作简单，易于调控，实现对红外视景仿真系统的联合调控。
附图说明
图1为本发明的红外视景仿真系统组成示意图；
图2为本发明的红外视景仿真系统的辐射场联合调控方法流程图；
图3为红外成像设备中直流耦合成像的响应度曲线；
图4为红外成像设备中交流耦合成像的响应度曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
实施例1
红外视景仿真系统属于半实物仿真系统的一种，被广泛应用于军事光电侦察装备的性能鉴定试验，如检验红外光电设备的目标探测、识别、跟踪性能等。此类半实物仿真系统可在室内条件下完成测试试验，与传统的外场实验相比具有成本低、应用便捷等优势。然而此类半实物仿真系统应用测试的成功与否很大程度上依赖红外视景仿真系统的仿真逼真程度，即红外视景仿真系统再现复杂真实自然环境的真实程度。
现有技术中要么专注于红外数字场景的逼真度研究，要么通过红外目标模拟器中的改进提高逼真度，但是还没有将红外数字场景和红外目标模拟器相结合的研究和报道，也还没有对红外视景仿真系统全链路进行分析。
本发明也对红外视景仿真系统经过深入研究、不断探讨提出一种辐射场联合调控的红外视景仿真系统，简称仿真系统。参见图1，根据仿真系统信号传输方向依次连接有基于计算机的红外数字场景生成模块、红外目标模拟器和红外成像与显示设备，红外数字场景生成模块按信号传输方向依次连接有待仿真的红外图像输入单元、仿真场景生成单元和红外数字场景单元，所述红外目标模拟器为dmd红外目标模拟器，参见图1，本发明的dmd红外目标模拟器中按照红外图像信号处理方向依次连接有dmd控制和驱动电路、微反射镜阵列和准直投影光学系统，准直光学系统的输出就是红外视景仿真系统的出瞳处；能够调节温度的黑体光源照射在微反射镜阵列上，dmd控制与驱动电路同时同红外成像与显示设备、红外数字场景单元之间数据双向交互，且控制图像信号帧同步。也就是说dmd控制与驱动电路同红外成像与显示设备之间数据双向交互，且控制图像信号帧同步，本发明中的红外成像与显示设备简称为成像设备。dmd控制与驱动电路同红外数字场景单元之间也是数据双向交互，且控制图像信号帧同步。
红外数字场景单元的输出图像信号传输到dmd控制和驱动电路，由dmd控制和驱动电路处理后控制微反射镜的开、闭状态，微反射镜在开态时将黑体光源发出的红外辐射反射进入准直投影光学系统，准直投影光学系统投射出的红外辐射场，由红外成像设备在出瞳处采集该红外辐射场并成像，投影的成像结果在显示设备中显示。dmd驱动和控制电路参与控制，保证红外数字场景单元的帧频与红外成像设备输出图像的帧同步。通过调整红外数字场景单元的图像辐射亮度和dmd红外目标模拟器中的黑体光源温度，实现对红外视景仿真的辐射场联合调控。
为提高红外视景仿真系统的逼真度，许多研究局限于对红外数字场景仿真的逼真度研究或红外目标模拟器的逼真度的研究，缺少对红外数字场景和红外目标模拟器的联合研究。本发明从整体上构建了一种辐射场联合调控的红外视景仿真系统，将红外数字场景单元和dmd红外目标模拟器中的可调控参数相关联，实现红外数字场景单元的辐射亮度对dmd红外目标模拟器中黑体光源温度和空间光调制器透过率的控制。设置红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围与红外成像与显示设备的响应动态范围及其图像亮度量化尺度保持一致，同时设置黑体光源温度与之对应的范围，实现红外数字场景单元的图像亮度量化范围、dmd红外目标模拟器黑体光源温度、红外成像设备动态响应范围及其图像亮度量化尺度三者耦合是进行有效联合调控的关键。
实施例2
辐射场联合调控的红外视景仿真系统的总体构成同实施例1，本发明的红外目标模拟器为dmd红外目标模拟器，本发明的红外数字场景单元中设有手动设置场景图像辐射亮度的窗口，所述dmd红外目标模拟器中的黑体光源有温度参数设置按钮，利用红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围与黑体光源温度一一对应的辐射场联合调控关系，通过dmd驱动与控制电路，实现对红外视景仿真的辐射场联合调控。
通过在红外数字场景单元中设有手动设置图像亮度的窗口，可在该窗口中手动设置红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围，通过dmd红外目标模拟器中的黑体光源的温度参数设置按钮，可以手动设置黑体光源的温度，利用红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围与黑体光源温度一一对应的辐射场联合调控关系，在红外数字场景单元的图像辐射亮度的量化范围内手动设置某一辐射亮度范围，在此辐射亮度量化范围相对应的黑体光源上有相应的温度范围，手动设置该温度，实现对红外视景仿真系统的辐射场联合调控。
实施例3
本发明还是一种红外视景仿真系统的辐射场联合调控方法，在上述的辐射场联合调控的红外视景仿真系统上实现，辐射场联合调控的红外视景仿真系统的总体构成同实施例1-2，参见图2，包括有如下步骤：
(1)构建红外视景仿真系统；红外视景仿真系统为辐射场联合调控的红外视景仿真系统，根据仿真系统信号传输方向依次连接有基于计算机的红外数字场景生成模块、dmd红外目标模拟器和红外成像与显示设备。红外数字场景生成模块按信号传输方向依次连接有待仿真的红外图像输入单元、仿真场景生成单元和红外数字场景单元，dmd红外目标模拟器中按照红外图像信号处理方向依次连接有dmd控制和驱动电路、微反射镜阵列和准直投影光学系统，能够调节温度的黑体光源照射在微反射镜阵列上，dmd控制与驱动电路同时同红外成像与显示设备、红外数字场景单元之间数据双向交互，且控制图像信号帧同步，通过调整红外数字场景单元的图像辐射亮度和dmd红外目标模拟器中的黑体光源温度，实现对红外视景仿真的辐射场联合调控。
在现有的关于红外视景仿真系统的研究中，一般包括红外数字场景、红外目标模拟器和红外成像与显示设备三部分，其中红外目标模拟器主要有基于mos热电阻阵面、激光二极管、ir-crt、ir液晶光阀和数字微镜器件的目标模拟器。本发明选用基于数字微镜器件的红外目标模拟器即dmd红外目标模拟器，在本发明的dmd红外目标模拟器中，照明光源选择的是标准黑体光源，关键在于本发明建立了黑体光源温度与红外数字场景生成模块中红外数字场景单元的辐射亮度的关系，把dmd红外目标模拟器与红外数字场景单元相结合，实现对红外视景仿真系统的联合调控。
(2)构建空间光调制器透过率和红外数字场景单元的辐射亮度关系g(x,y)：定义空间光调制器透过率是红外数字场景单元中不同位置处的图像辐射亮度进行灰度调制的归一化结果，在红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围内对红外数字场景单元中不同位置处的图像进行灰度调制，得到不同位置处的图像辐射亮度值，建立空间光调制器透过率和红外数字场景单元的辐射亮度关系，作为红外数字场景单元的辐射亮度对空间光调制器透过率调控的依据，即建立空间光调制器透过率和红外数字场景单元的辐射亮度在量化范围内一一对应的关系。
(3)构建红外数字场景单元的辐射亮度和dmd红外目标模拟器黑体光源温度关系：建立黑体光源温度与红外数字场景单元的图像辐射亮度的关系，得到红外数字场景单元中图像最大辐射亮度对应的黑体光源温度，作为红外数字场景单元的辐射亮度对黑体光源温度调控的依据。
(4)构建dmd红外目标模拟器出瞳处辐射照度传递模型e出瞳：建立dmd红外目标模拟器准直投影光学系统出瞳处辐照度传递模型，利用红外数字场景单元的辐射亮度和dmd红外目标模拟器黑体光源温度、空间光调制器透过率关系，得到dmd红外目标模拟器出瞳处辐照度的传递模型；参照图1，dmd红外目标模拟器出瞳处即为红外视景仿真系统出瞳处，本发明所构建的传递模型与黑体光源温度有关，同时还与红外数字场景单元辐射亮度有关。
(5)确定参与联合调控的红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围和黑体光源温度的范围：根据红外成像设备静态性能测试的信号传递函数和对应的响应动态范围(s型曲线)设置黑体光源温度和红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围，设置中，红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围与红外成像设备动态响应范围及其图像辐射亮度量化尺度均保持一致。参见图3，图3为红外成像设备直流耦合成像的响应度曲线，图3的横坐标中的l代表辐射亮度，纵坐标v代表输出电压。红外成像设备中直流耦合成像响应度曲线的饱和温度是黑体光源温度可设置的最大温度，响应度曲线的最大线性输入范围是红外数字场景单元的辐射亮度的最大量化范围,图3中对应的辐射亮度的量化范围是lmin到lmax之间。
(6)构建红外视景仿真系统全链路辐射调控模型：令红外视景仿真系统出瞳处辐射场分布与真实场景在红外成像设备入瞳处辐射场分布一致，以此建立红外视景仿真系统全链路辐射调控模型。参见图1，本发明dmd红外目标模拟器中准直投影光学系统出瞳处即为红外视景仿真系统出瞳处。理想情况下，红外视景仿真系统出瞳处辐射场分布在综合能量传递效率和基底辐射的影响下应与真实场景在红外成像设备入瞳处辐射场分布一致，建立等式关系，得到系统的全链路辐射调控模型。
(7)制作黑体光源辐射亮度和黑体光源温度对照表：黑体辐射出射度m是关于温度t的函数，利用公式m＝πl中黑体辐射出射度与辐射亮度的关系，通过多次测试计算建立黑体辐射亮度l和黑体光源温度t的对照表。
(8)确定调控模型参数：根据红外成像设备响应度曲线中辐射亮度的范围，设定红外数字场景单元图像辐射亮度的量化范围，由红外视景仿真系统全链路辐射调控模型计算得到黑体光源辐射亮度值，根据黑体光源辐射亮度值在黑体光源辐射亮度和黑体光源温度的对照表中查找，得到黑体光源温度理论计算结果。该理论结果与设定的红外数字场景单元图像辐射亮度的量化范围相对应，也就是说红外数字场景单元中一个图像辐射亮度量化范围对应于一个黑体光源温度。
(9)红外视景仿真系统辐射场的联合调控：利用确定的调控模型参数设置红外数字场景单元图像辐射亮度的量化范围和黑体光源温度，在红外成像和显示设备上逼真再现红外辐射场景。手动设置红外数字场景单元中的图像辐射亮度量化范围和目标模拟器中黑体光源温度，实现对红外视景仿真系统的联合调控。
本发明的一种红外视景仿真系统及其辐射场联合调控方法，使红外视景仿真系统能够更逼真的再现红外辐射场分布。首先构建了红外视景仿真系统，将红外数字场景单元与dmd红外目标模拟器相结合，建立红外数字场景单元的辐射亮度和dmd红外目标模拟器黑体光源温度、空间光调制器透过率的关系；根据dmd红外目标模拟器辐射能量传递过程，建立dmd红外目标模拟器出瞳处辐射照度传递模型，dmd红外目标模拟器出瞳处的辐照度场在综合能量传递效率和基底辐射的影响下应和真实场景在红外成像设备入瞳处的辐照度场一致，以此建立红外视景仿真系统全链路辐射调控模型，得到黑体光源辐射亮度与红外数字场景单元中亮度量化范围之间的调控模型。通过调控黑体光源温度和红外数字场景单元中亮度量化范围，实现对红外视景仿真系统的联合调控，提高红外视景仿真系统投影的逼真度。
实施例4
红外视景仿真系统及其辐射场联合调控方法同实施例1-3，步骤(2)中所述的构建空间光调制器透过率和红外数字场景单元的辐射亮度关系g(x,y)，
(2.1)假定归一化灰度量化范围为[0,1]，对应的红外数字场景单元中图像辐射亮度量化范围为[lmin,lmax]，则红外数字场景单元中不同位置灰度调制的空间光调制器透过率g(x,y)分布为：
l(x,y,t,θi,φi,θr,φr)是红外数字场景单元中位置坐标为(x,y)，入射方向为(θi,φi)，反射方向为(θr,φr)的辐射亮度，t为黑体绝对温度(k)，式中lmax和lmin为红外数字场景单元的辐射亮度量化范围上下限。
(2.2)对于不同的红外数字场景单元中图像辐射亮度量化范围[0,lsmax]，空间光调制器透过率g(x,y)为
式中lsmax红外数字场景单元中某个区域最大辐射亮度值，以此确立红外数字场景单元的辐射亮度值对空间光调制器透过率的准确控制。
实施例5
红外视景仿真系统及其辐射场联合调控方法同实施例1-4，步骤(3)中所述的构建红外数字场景单元的辐射亮度和dmd红外目标模拟器黑体光源温度关系，为实现红外数字场景单元的辐射亮度对黑体光源温度的调控，
(3.1)建立红外数字场景单元的辐射亮度与黑体光源辐射亮度的关系，红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围为[lmin,lmax]时，黑体光源亮度l源可设置为红外数字场景单元中最大辐射亮度lsmax决定的黑体光源亮度值，即
式中l源为目标模拟器黑体光源亮度，lsmax、lsmin为红外数字场景单元中某个区域最大辐射亮度值和最小辐射亮度值。
红外数字场景单元中图像辐射亮度量化范围为[0,lsmax]，黑体光源亮度设置为
l源＝lsmax
(3.2)计算黑体光源辐射亮度与黑体光源温度的关系，根据辐射学理论，建立黑体光源温度与输出辐射亮度之间的关系，具体计算公式如下：
式中
(3.3)建立红外数字场景单元的辐射亮度对黑体光源温度的关系：黑体光源发出的辐射经过dmd反射后产生的辐射亮度
式中ρ2为柯勒照明光路的透过率和dmd反射率的乘积。
dmd反射后产生的辐射亮度
红外数字场景单元中图像辐射亮度量化范围为[lmin,lmax]时，
红外数字场景单元中图像辐射亮度量化范围为[0,lsmax]时，
以此确立红外数字场景单元中的辐射亮度对黑体光源温度的调控。
实施例6
红外视景仿真系统及其辐射场联合调控方法同实施例1-5，步骤(4)中所述的构建dmd红外目标模拟器出瞳处辐射照度传递模型e出瞳，根据dmd红外目标模拟器辐射能量传递过程，建立最初的dmd红外目标模拟器出瞳处辐射照度传递模型为
g(x,y)为红外数字场景单元中灰度分布决定的空间光调制器透过率分布，归一化为[0,1]，由a/d动态量化范围和位数决定，f0是投影光学系统的总焦距，τ0为红外目标模拟器总的透过率，s(x,y)为目标在空间光调制器即dmd器件上所覆盖的有效尺寸
s(x,y)＝a·b·n
式中a,b分别为dmd像元的水平和垂直尺寸，n为目标所覆盖的像素数目。
将l源与g(x,y)的关系代入可得
最终的出瞳处福照度传递模型进一步表示为
由上式给出黑体光源温度和红外数字场景单元辐射亮度与dmd红外目标模拟器出瞳处辐照度传递模型。本发明将红外数字场景单元中最大辐射亮度决定的黑体光源亮度l源乘以空间光调制器透过率g(x,y)，使黑体光源辐射能够准确反映红外数字场景单元中不同位置处的辐射亮度分布。
实施例7
红外视景仿真系统及其辐射场联合调控方法同实施例1-6，步骤(6)中所述的构建红外视景仿真系统全链路辐射调控模型，本发明中，红外视景仿真系统出瞳处的辐射照度场即dmd红外目标模拟器出瞳处的辐射照度场，在综合能量传递效率和基底辐射的影响下应和真实场景在红外成像设备入瞳处的辐照度场一致，令红外视景仿真系统出瞳处的辐射照度场和真实场景在红外成像设备入瞳处的辐照度场相等，建立红外视景仿真系统全链路辐射调控模型，具体包括如下步骤：
(6.1)对于红外成像设备是直流耦合成像时，有如下关系：
式中lvs(x,y)为红外数字场景单元辐射亮度分布，lrs(x,y)真实场景辐射亮度分布，dsdmd为dmd像元面积，r基底为目标模拟器基底辐射系数，tatm为大气透过率，fsensor为探测器焦距，ad为探测器光敏面面积。
红外数字场景单元归一化截取的lmin应等于目标模拟器基底辐射亮度，即满足
代入可得
假设
lvs(x,y)＝lrs(x,y)
进一步得到
(6.2)对于红外成像设备是交流耦合成像时，系统响应的背景直流辐射分量将被去除，有如下关系：
可得
到此得到黑体光源辐射亮度与红外数字场景单元中辐射亮度量化范围之间的调控模型。
在上述调控模型中，包括一些系统固有参数，如探测器光敏面面积ad，探测器焦距fsensor，dmd像元面积dsdmd，投影光学系统总焦距f0。还有一些参数是通过试验测试获得的，大气透过率tatm，红外目标模拟器总的透过率τ0，这些参数通过试验测试获得。还包括可调控参数，如红外数字场景单元的辐射亮度量化范围[lmin,lmax]，dmd红外目标模拟器中黑体光源辐射亮度l源。通过调控模型得到红外数字场景单元的辐射亮度量化范围与黑体光源亮度一一对应的关系，对系统进行联合调控。
下面给出一个更加详细的例子，把红外视景仿真系统和辐射场联合调控方法融合在一起，对本发明进一步说明。
实施例8
红外视景仿真系统及其辐射场联合调控方法同实施例1-7，本发明提供一种红外视景仿真系统的辐射场联合调控方法，参照图2，包括有如下步骤：
步骤1，构建红外视景仿真系统；红外视景仿真系统为辐射场联合调控的红外视景仿真系统，根据仿真系统信号传输方向依次连接有基于计算机的红外数字场景生成模块、红外目标模拟器和红外成像与显示设备，红外数字场景生成模块按信号传输方向依次连接有待仿真的红外图像输入单元、仿真场景生成单元和红外数字场景单元，所述红外目标模拟器为dmd红外目标模拟器，dmd红外目标模拟器中按照红外图像信号处理方向依次连接有dmd控制和驱动电路、微反射镜阵列和准直投影光学系统，能够调节温度的黑体光源照射在微反射镜阵列上，dmd控制与驱动电路同时同红外成像与显示设备、红外数字场景单元之间数据双向交互，且控制图像信号帧同步，通过调整红外数字场景单元的图像亮度和dmd红外目标模拟器中的黑体光源温度，实现对红外视景仿真的辐射场联合调控。
步骤2，构建空间光调制器透过率和红外数字场景单元的辐射亮度关系，是为实现红外数字场景单元的辐射亮度值对图像生成器的准确控制，建立空间光调制器透过率分布与红外数字场景单元的辐射亮度的关系，具体包括有如下步骤：
(2.1)假定归一化灰度量化范围为[0,1]，对应的红外数字场景单元中图像辐射亮度量化范围为[lmin,lmax]，则红外数字场景单元中不同位置灰度调制的空间光调制器透过率g(x,y)分布为
l(x,y,t,θi,φi,θr,φr)是红外数字场景单元中位置坐标为(x,y)，入射方向为(θi,φi)，反射方向为(θr,φr)的辐射亮度，t为黑体绝对温度(k)，式中lmax和lmin为红外数字场景单元的辐射亮度量化范围上下限。
(2.2)对于不同的红外数字场景单元中图像辐射亮度量化范围[0,lsmax]，空间光调制器透过率g(x,y)为
式中lsmax红外数字场景单元中某个区域最大辐射亮度值，以此确立红外数字场景单元的辐射亮度值对空间光调制器透过率的准确控制。
步骤3，构建红外数字场景单元的辐射亮度和dmd红外目标模拟器黑体光源温度关系，为实现红外数字场景单元的辐射亮度对黑体光源温度的调控，建立黑体光源温度与红外数字场景单元的辐射亮度的关系，具体包括有如下步骤：
(3.1)建立红外数字场景单元的辐射亮度对黑体光源辐射亮度的关系，红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围为[lmin,lmax]时，黑体光源亮度l源可设置为红外数字场景单元中最大辐射亮度lsmax决定的黑体光源亮度
式中l源为目标模拟器黑体光源亮度，lsmax、lsmin为红外数字场景单元中某个区域最大辐射亮度值和最小辐射亮度值。
红外数字场景单元中图像辐射亮度量化范围为[0,lsmax]时，黑体光源亮度设置为
l源＝lsmax
(3.2)下面计算黑体光源达到上述辐射亮度值所需的控制参数，根据辐射学理论，建立黑体光源温度与输出辐射亮度之间的关系，具体计算公式如下：
黑体辐射出射度：
黑体辐射亮度：
式中
(3.3)黑体光源发出的辐射经过dmd反射后产生的辐亮度
式中ρ2为柯勒照明光路的透过率和dmd反射率的乘积。
dmd反射后产生的辐亮度
红外数字场景单元中图像辐射亮度量化范围为[lmin,lmax]时，
红外数字场景单元中图像辐射亮度量化范围为[0,lsmax]时，
以此确立红外数字场景单元中的辐射亮度对黑体光源温度的调控。
步骤4，构建dmd红外目标模拟器出瞳处辐射照度传递模型，根据dmd红外目标模拟器辐射能量传递过程，令τ0为dmd红外目标模拟器总的透过率，将黑体光源发出的红外辐射最终到达dmd目标模拟器出瞳过程中的能量损益统一考虑在内，dmd红外目标模拟器出瞳处的辐射照度传递模型为：
由几何关系知：
其中l源为黑体光源辐射亮度，g(x,y)为红外数字场景单元中灰度分布决定的空间光调制器透过率分布，归一化为[0,1]，由a/d动态量化范围和位数决定。f0是投影光学系统的总焦距，r是投影光学系统的出瞳半径，θ是dmd像元所对应的物方半孔径角，s(x,y)为目标在空间光调制器即dmd器件上所覆盖的有效尺寸
s(x,y)＝a·b·n
式中a,b分别为dmd像元水平和垂直尺寸，n为目标所覆盖的像素数目。由于θ很小，可以认为tanθ＝sinθ，代入可得：
将l源与g(x,y)代入上式可得
最终的出瞳处福照度传递模型进一步表示为
由上式给出黑体光源温度和红外数字场景单元辐射亮度与dmd红外目标模拟器出瞳处辐照度传递模型。本发明将红外数字场景单元中最大辐射亮度决定的黑体光源亮度l源乘以空间光调制器透过率g(x,y)，使黑体光源辐射能够准确反映红外数字场景单元中不同位置处的辐射亮度分布。
步骤5，确定参与联合调控的红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围和黑体光源温度的范围，根据红外成像系统静态性能测试的信号传递函数和对应的响应动态范围(s型曲线)为标准，s型曲线的饱和温度为设置黑体温度的依据。假设饱和温度为tmax，则视景仿真系统出瞳处等效黑体温度可设置为tmax+2netd，进而根据目标模拟器辐射能量传递测试校准确定等效黑体温度k(tmax+2netd)。
红外数字场景单元中辐射亮度量化范围最大值为tmax+2netd对应的最大亮度，量化范围最小值也由红外成像设备响应传递函数曲线的最小值tmin-2netd决定的最小亮度。
步骤6，构建红外视景仿真系统全链路辐射调控模型，红外视景仿真系统出瞳处的辐照度场，即dmd红外目标模拟器出瞳处的辐射照度场应和真实场景在红外成像设备入瞳处的辐照度场一致，在综合能量传递效率和基底辐射的影响下，
(6.1)对于红外成像设备是直流耦合成像时，其响应度曲线如图3所示，有如下关系：
式中lvs(x,y)为红外数字场景单元辐射亮度分布，lrs(x,y)真实场景辐射亮度分布，dsdmd为dmd像元面积，r基底为目标模拟器基底辐射系数，tatm为大气透过率，fsensor为探测器焦距，ad为探测器光敏面面积。
红外数字场景单元归一化截取的lmin应等于目标模拟器基底辐射亮度，即满足
代入可得
假设
lvs(x,y)＝lrs(x,y)
可进一步得到
(6.2)对于红外成像设备是交流耦合成像时，响应的直流辐射分量被去除掉，交流耦合成像设备响应度曲线如图4所示，有如下关系：
假设
lvs(x,y)＝lrs(x,y)
可进一步得到
到此可以确定黑体光源辐射亮度与红外数字场景单元中辐射亮度量化范围之间的调控模型。
步骤7，制作黑体光源辐射亮度和黑体光源温度对照表，黑体辐射出射度m是关于温度t的函数，利用公式m＝πl中黑体辐射出射度m与辐亮度l的关系，建立黑体光源辐亮度l和温度t的关系，通过多次计算建立黑体光源辐射亮度和黑体光源温度的对照表。
步骤8，确定调控模型参数：根据红外成像设备响应度曲线中辐射亮度的范围，设定红外数字场景单元图像辐射亮度的量化范围，由红外视景仿真系统全链路辐射调控模型计算得到黑体光源辐射亮度值，根据黑体光源辐射亮度值在黑体光源辐射亮度和黑体光源温度的对照表中查找，得到黑体光源温度理论计算结果。该理论结果与设定的红外数字场景单元图像辐射亮度的量化范围相对应，也就是说红外数字场景单元中一个图像辐射亮度量化范围对应于一个黑体光源温度。
步骤9，红外视景仿真系统辐射场的联合调控，红外数字场景单元中设有图像辐射亮度量化范围调节窗口，手动设置红外数字场景单元图像辐射亮度量化范围，dmd红外目标模拟器中的黑体光源有温度参数设置按钮，根据建立的红外视景仿真系统全链路辐射调控模型，确定与红外数字场景单元中图像辐射亮度量化范围相对应的黑体光源温度，设置黑体光源温度，红外成像设备在红外视景仿真系统出瞳处采集投影结果并显示，逼真的再现红外辐射场。
本发明从红外视景仿真系统整体上进行考虑，将红外数字场景单元和dmd红外目标模拟器相结合，实现对红外视景仿真系统的联合调控。提供了红外视景仿真系统辐射场联合调控方法，该方法操作简单和易于调控，并能够以更高的逼真度再现红外辐射图像。
综上所述，本发明公开的一种红外视景仿真系统及其辐射场联合调控方法，解决了红外数字场景单元和dmd红外目标模拟器的联合调控问题。本发明的红外视景仿真系统中的dmd控制与驱动电路同时同红外成像与显示设备、红外数字场景单元之间数据双向交互，且控制图像信号帧同步。通过调整红外数字场景单元的图像辐射亮度和dmd红外目标模拟器中的黑体光源温度，实现对红外视景仿真系统的联合调控。本发明的辐射场联合调控方法是在红外视景仿真系统基础上，逐项建立红外数字场景单元的辐射亮度和dmd红外目标模拟器黑体光源温度、空间光调制器透过率的关系，建立dmd红外目标模拟器出瞳处辐射照度传递模型，确定参与联合调控的红外数字场景单元的图像辐射亮度量化范围和黑体光源温度的范围，建立红外视景仿真系统全链路辐射调控模型，制作并查找黑体光源辐射亮度和温度对照表，确定调控模型参数，实现红外视景仿真系统辐射场的联合调控，用于红外场景图像仿真。
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