1. 引言
红外场景投影仪是红外成像制导半实物仿真试验系统的一个重要组成部分。红外成像投影仪实时生成红外图像，实现与导引头光学系统的耦合，为导引头等提供与真实作战环境等效的目标红外辐射特性，对红外导引头的各种指标进行验证，完成红外导引头的半实物仿真。随着红外成像传感器的发展，红外导引头、红外告警系统等光电性能进一步提高，同时对半实物仿真试验提出了更高的要求。对于以数字微反射镜器件(DMD)作为场景生成器的红外场景投影仪而言，红外成像器件积分时间的缩短要求DMD在较短的时间内产生高灰度等级的红外场景[1]，以提高半实物仿真测试的逼真度，由于DMD器件内部微反射镜本身的偏转时间有上限[2]，因此单个DMD无法在很短积分时间内，通过脉冲宽度调制生成高灰度等级的动态红外场景[3]，采用双DMD同步调制的模式可有效提高红外场景投影仪输出红外场景的帧速和灰度[4]。
本文介绍了一种基于双DMD的中波红外场景投影仪，通过两个DMD联合工作，可以有效地提高红外场景投影仪输出红外场景的帧速和灰度等级，从而提高半实物仿真的逼真度。文章主要介绍了系统整体的结构框架、镜筒组件的设计及有限元分析等。
2. 光学系统和主要光机结构
2.1. 光学系统
根据红外场景投影仪的技术指标要求，光学系统主要参数如下：焦距为75.07 mm，视场为8˚ (圆视场)，入瞳距离为850 mm，系统总长为447.88 mm。
红外投影光学系统(如图1所示)，由准直投影部分、照明部分、DMD棱镜模块和黑体组成。DMD1用于调制图像的红外辐射强度，DMD2用于调制图像的空间分布特征；照明系统使DMD1上的红外辐射强度调制和DMD2上图像空间分布调制相叠加，实现对红外光束的同步调制。准直投影光学系统将经过DMD2调制得到的红外图像，准直投射出去，模拟来自无穷远的动态红外场景[5]。
2.2. 系统整体结构设计要求及框架
根据光学系统结构特点，结合装调方法及搭载平台，整体结构设计需满足：
Figure 1. Diagram of scene projector
图1. 投影系统组成图
1、镜筒 ≤ Φ300 mm；
2、系统总重量 ≤ 40 KG；
3、满足系统功能(装调方便可靠)；
4、满足3 g冲击下光机组件的光轴与机械轴重合度要求小于20"。
根据光学系统结构，结合整体设计要求，中波红外场景投影仪结构由法兰、镜筒、照明显示组件和箱体组成。根据搭载转台接口尺寸以及出瞳要求，结合光学系统结构确定该投影仪与转台配合面的位置。准直投影系统第一片透镜口径为φ212 (重1.14 Kg)，距离主法兰轴向距离324 mm，工作状态下的扰动会对光轴产生影响。因此，在左侧增加辅助法兰。准直投影部分镜筒分为两部分设计，照明显示部分采用一体化铸造设计，箱体采用支架蒙皮的方式设计。通过整体不断优化改进设计，确定最终设计方案，场景投影仪实物图见图2。
Figure 2. Medium wave infrared scene projector
图2. 中波红外场景投影仪
2.3. 投影镜筒组件结构设计
由光学系统可知：准直投影部分总长366.72 mm，由8片透镜组成，前四片结构紧凑，尺寸接近，后四片尺寸接近，仅够紧凑；前四片中最大口径φ212 mm，后四片中最大口径φ85 mm [5]；第四片和第五片透镜之间间距较大。根据光学结构情况结合机械加工精度要求以及装调方式，将准直投影镜筒部分分为两部分来设计(如图3)，既可以更好地保证镜筒组件的精度、方便透镜的装配和调试，还可以减轻重量[6]。
2.4. 显示组件设计
双DMD投影系统中显示组件部分的结构较为复杂，每个DMD和TIR配合使用，两个DMD需要联合工作，它们与柯勒照明部分以及黑体之间的位置关系对成像质量起重要作用，将它们集成安装在转接件(此转接件为精密铸造经数控加工而成的高精度零件)上，同时每个零部件都留有足够调节余量，通过调整确保均匀性、灰度等满足系统指标要求(如图4所示)。
Figure 3. Diagram of barrel assembly
图3. 镜筒组件结构图
Figure 4. The structure of lighting system
图4. 双DMD照明系统结构
3. 镜筒组件有限元分析
3.1. 有限元计算
根据技术协议：系统满足水平、垂直和径向三个方向上都应能承受8 g的过载，冲击下光机组件的光轴与机械轴重合度要求小于20"，转台恢复后投影仪仍可正常工作。应用软件ANSYS对镜筒组件进行有限元分析，分析的结果用以指导设计的改进和优化，系统模型有限元模型如图5所示。
Figure 5. Finite element model of projector
图5. 镜筒组件有限元模型
所用材料为脆性材料，破环准则为抗拉破坏，这里取第一主应力作为计算结果。各工况的计算结果如表1所示，应力云图和位移云图如图6~图11所示。
Figure 6. Displacement cloud image under working condition 1
图6. 工况一位移云图
Figure 7. Stress cloud image under working condition 1
图7. 工况一应力云图
Figure 8. Displacement cloud image under working condition 2
图8. 工况二位移云图
Figure 9. Stress cloud image under working condition 1
图9. 工况二应力云图
Figure 10. Displacement cloud image under working condition 3
图10. 工况三位移云图
Figure 11. Stress cloud image under working condition 3
图11. 工况三应力云图
3.2. 计算结果分析
从镜筒组件有限元分析结果，可以得到三种工况下最大应力和最大位移(见表1)。
Table 1. Maximum stress and displacement of under three working conditions
表1. 三种工况下最大应力和最大位移
| 工况 |
最大应力(Mpa) |
最大位移(mm) |
| 一(水平) |
0.07 |
0.00723 |
| 二(垂直) |
0.0123 |
0.00253 |
| 三(径向) |
0.0165 |
0.00744 |
根据系统对光机组件的光轴与机械轴重合度要求小于20"，即20/3600 = 0.00055˚。
根据有限元分析结果可知最大位移偏移量为0.00744 mm，光轴和机械轴偏移角度为0.00744/369.5 = 0.000121˚ < 0.00055˚，设计保证的位移偏移量值在最大偏转角度范围之内。
零部件所选材料为7A04 (GB/T3191-2019)，其抗拉强度为
。由计算可知最大应力为X轴施加8 g加速度工况下，其值0.07MPa远远小于抗拉强度
，设计可靠满足需求。
4. 灰度等级测试
中波红外场景投影仪的测试系统由两台工控机(一台产生输入场景投影仪场景；另一台连接热像仪，显示热像仪接收到的图像)，中波热像仪、光学平台、水平仪和三脚架(可以调节高度、俯仰、横滚)等组成[7]。将热像仪放置于出瞳位置，用水平仪将置于光学平台上的红外场景投影仪调至水平。图像生成计算机给红外投影仪输入256级灰度图，红外投影仪投射出灰度图像场景，热像仪接收到投射场景，与热像仪相连的图像采集计算机采集到热像仪接收到的光学场景，将图像显示到显示器上[8]。从机械设计角度出发，通过微调两个DMD和照明镜筒，得到如图12所示的系统输出灰度图。图12中的灰度曲线基本呈线性分布，图像具有良好的灰度。
Figure 12. Testing result of the grey level
图12. 灰度测试结果
5. 结论
为了提高系统的帧速和灰度显示等级，设计了双DMD同步调试模式中波红外场景投影仪。通过有限元分析，验证了系统设计，满足指标给定的冲击载荷。重量、外形尺寸及力学性能均满足设计要求，整个系统结构紧凑，调试方便。通过仿真测试验证，场景投影系统具有良好的灰度等级，满足使用要求。