繼上期介紹紅外目標(biāo)模擬器（紅外動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器（一）—從技術(shù)指標(biāo)到仿真系統(tǒng)應(yīng)用），從本期起，我們將系統(tǒng)分析紅外目標(biāo)模擬器的核心性能指標(biāo)。本篇首先結(jié)合DMD芯片的工作機(jī)制，深入探討其對(duì)分辨率、灰度等級(jí)與幀頻的決定作用。

DMD是美國(guó)德州儀器公司（TI）開發(fā)的一種空間光調(diào)制器，通過對(duì)紅外輻射進(jìn)行反射調(diào)制而得到紅外圖像。它是一種單片集成的微機(jī)電系統(tǒng)，把電、機(jī)械、光學(xué)功能集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上，具有在數(shù)字信號(hào)下快速反射光的性能。

 （a）DMD芯片          （b）DMD像元的掃描電鏡圖

圖1展示了DMD芯片與像元結(jié)構(gòu)。每個(gè)DMD芯片由數(shù)百萬個(gè)微反射鏡單元組成，每個(gè)微鏡可沿對(duì)角線方向偏轉(zhuǎn)±12°（不同型號(hào)略有差異），以反射光束至不同位置，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制。

常用型號(hào)包括：

0.7”XGA DMD：分辨率1024×768，鏡元尺寸13.68μm；

DLP9500：分辨率1920×1080，鏡元尺寸10.8μm。

紅外目標(biāo)模擬器的空間分辨率與所采用DMD芯片的分辨率直接對(duì)應(yīng)，芯片性能決定了系統(tǒng)的成像精度與細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力。

單個(gè)DMD微反射鏡單元的結(jié)構(gòu)可分為四個(gè)部分，如下圖所示：

1.上層（反射鏡面）

上層為懸浮結(jié)構(gòu)的方形微反射鏡，表面鍍高反射率鋁膜，負(fù)責(zé)反射紅外輻射。

2.第二層（扭鉸鏈與尋址電極）

通過扭鉸鏈結(jié)構(gòu)將反射鏡與下層連接，允許鏡面繞鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)。尋址電極負(fù)責(zé)產(chǎn)生靜電驅(qū)動(dòng)力。

3.第三層（金屬層與著陸平臺(tái)）

包含扭臂梁的尋址電極、偏置/復(fù)位電極及微鏡著陸平臺(tái)，并與底層CMOS電路相連，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸與電勢(shì)控制。

4.底層（CMOS 存儲(chǔ)與驅(qū)動(dòng)單元）

每個(gè)微鏡對(duì)應(yīng)一組獨(dú)立的靜態(tài)RAM，存儲(chǔ)邏輯“1/0”，從而控制微鏡翻轉(zhuǎn)方向。

微鏡的三種典型狀態(tài)

1.靜止?fàn)顟B(tài)（0°）：無驅(qū)動(dòng)時(shí)，微鏡處于水平位置，不反射有效光。

2.“開”狀態(tài)（+12°）： 邏輯“1”，光反射至投影光路，形成亮像素。

3.“關(guān)”狀態(tài)（?12°）：邏輯“0”，光偏離光路，對(duì)應(yīng)暗像素。

因此，一個(gè)微鏡本質(zhì)上是一個(gè)二狀態(tài)高速光開關(guān)。成千上萬個(gè)微鏡根據(jù)輸入位平面同步切換，形成完整二進(jìn)制圖像。

DMD 是二值調(diào)制器，僅能顯示亮/暗兩種狀態(tài)。為了生成紅外圖像需要的連續(xù)灰度等級(jí)，系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制（PWM） 技術(shù)。

以8 bit灰度圖像為例，每個(gè)像素的亮度由8個(gè)不同權(quán)重的二值圖像（稱為“位平面”）疊加而成。系統(tǒng)將一個(gè)灰度周期劃分為255個(gè)時(shí)間單位，不同位平面對(duì)應(yīng)的光開啟時(shí)間占比依次為1/255、2/255、4/255……128/255。雖然每個(gè)位平面只有“開”或“關(guān)”兩種狀態(tài)，但通過控制開啟時(shí)間的長(zhǎng)短和順序組合，DMD可以實(shí)現(xiàn)從0到255共256級(jí)亮度變化。從宏觀視覺效果來看，這種基于時(shí)間的高速二值調(diào)制被人眼或紅外探測(cè)器積分后，呈現(xiàn)出連續(xù)的灰度層次，從而生成層次豐富、過渡平滑的模擬圖像。

在紅外目標(biāo)仿真中，除了灰度位數(shù)外，幀頻同樣是衡量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)。

DMD的驅(qū)動(dòng)過程主要包括三個(gè)階段：數(shù)據(jù)加載、復(fù)位和微鏡穩(wěn)定時(shí)間。

●數(shù)據(jù)加載：圖像數(shù)據(jù)寫入到DMD對(duì)應(yīng)的CMOS存儲(chǔ)單元的過程。DMD每個(gè)存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)不是同步更新，而是依次加載。

●復(fù)位：DMD底層存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)更新后，鏡子并不會(huì)立刻進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，當(dāng)接到“微鏡定時(shí)脈沖”后，如通常把向 DMD 發(fā)送“微鏡定時(shí)脈沖”信號(hào)驅(qū)動(dòng)微鏡進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的過程叫復(fù)位。

●微鏡穩(wěn)定時(shí)間：DMD完成復(fù)位之后，還需要8μs的時(shí)間保持微鏡穩(wěn)定，在這段時(shí)間內(nèi)微鏡不能進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，也不能進(jìn)行數(shù)據(jù)加載。

以0.7 英寸 XGA 為例數(shù)據(jù)加載（30.72 μs），微鏡復(fù)位（5 μs），微鏡穩(wěn)定8 μs。

可以看出一個(gè)完整的DMD循環(huán)43.72μs（數(shù)據(jù)加載+復(fù)位+穩(wěn)定）。而其中的有效顯示時(shí)間為38.72μs。（穩(wěn)定+新的數(shù)據(jù)加載）。一個(gè)二進(jìn)制圖像幀頻為1/0.00004372s=22867Hz。

為了顯示更高位的圖像，采用脈寬灰度調(diào)制的方式。將1幀圖像顯示時(shí)間分為8個(gè)位平面。每個(gè)位平面顯示時(shí)間采取二進(jìn)制的時(shí)間。即位面0顯示t,位面1則顯示2t,位面2顯示4t.......位面7顯示128t。而每個(gè)位面有亮暗兩種狀態(tài)。這樣就能實(shí)現(xiàn)256級(jí)的灰度變化。上面我們知道DMD的最小顯示時(shí)間為38.72μs。所以8位圖像的顯示時(shí)間是（1x38.72μs+2x38.72μs+......128x38.72μs）。每個(gè)位面都要微鏡翻轉(zhuǎn)，即復(fù)位8次。所以翻轉(zhuǎn)時(shí)間為8x5μs。為了保證圖像顯示的連續(xù)性，在上一位平面的顯示時(shí)間內(nèi)完成下一個(gè)位平面的數(shù)據(jù)加載工作。所以一個(gè)位平面的時(shí)間是（復(fù)位時(shí)間+顯示時(shí)間）。

一幀圖像的顯示時(shí)間為

幀頻為

紅紅外目標(biāo)模擬器的幀頻通常要求大于 100 Hz，即可滿足一般測(cè)試與模擬需求。

本期我們分析了數(shù)字微鏡器件對(duì)紅外目標(biāo)模擬器分辨率、灰度等級(jí)和幀頻的影響。可以看出，這些核心性能指標(biāo)主要取決于 DMD 芯片本身的參數(shù)及所采用的脈寬調(diào)制算法。下一期將繼續(xù)探討其余關(guān)鍵指標(biāo)及系統(tǒng)優(yōu)化思路。

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