靳文平，符文星，肖 堃，林凡涌

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，陜西 西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué) 365研究所，陜西 西安 710072）

紅外導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真中紅外圖像注入器設(shè)計(jì)

靳文平1，符文星1，肖 堃1，林凡涌2

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，陜西 西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué) 365研究所，陜西 西安 710072）

為了實(shí)現(xiàn)紅外導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真中紅外圖像的實(shí)時(shí)生成和注入，設(shè)計(jì)了紅外圖像實(shí)時(shí)注入系統(tǒng)，并完成了軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)的軟件部分基于OSG生成實(shí)時(shí)紅外仿真圖像，硬件部分主要為一塊PCI圖像數(shù)據(jù)發(fā)送卡，將軟件部分生成的實(shí)時(shí)紅外仿真圖像轉(zhuǎn)化成Camera Link格式輸出。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)紅外圖像實(shí)時(shí)仿真和注入。

半實(shí)物仿真；紅外成像仿真；OSG；PCI圖像數(shù)據(jù)發(fā)送卡

紅外導(dǎo)引頭是紅外制導(dǎo)武器的核心部件，其性能直接影響導(dǎo)彈的飛行控制信號，對導(dǎo)彈的性能起著關(guān)鍵作用。在導(dǎo)彈的研制過程中，半實(shí)物仿真的作用越來越重要，根據(jù)美國大西洋導(dǎo)彈試驗(yàn)基地統(tǒng)計(jì)，大約有90%左右的導(dǎo)彈系統(tǒng)評估參數(shù)來自于半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)[1]。

紅外導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真系統(tǒng)將真實(shí)的紅外導(dǎo)引頭接入仿真回路，構(gòu)造一個接近真實(shí)的紅外場景，檢測外導(dǎo)引頭接收目標(biāo)信息、跟蹤目標(biāo)和抗干擾能力。這個紅外場景由紅外圖像注入器和紅外成像模擬器產(chǎn)生。紅外圖像注入器根據(jù)需要，實(shí)時(shí)生成目標(biāo)、背景景象數(shù)據(jù)，通過通信線路發(fā)送給紅外成像模擬器，紅外成像模擬器接收信號并產(chǎn)生紅外輻射物理場，供紅外導(dǎo)引頭接收。紅外成像模擬器主要用DMD實(shí)現(xiàn)[2]，這里就不再贅述。對于紅外圖像注入器，關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)時(shí)生成動態(tài)紅外圖像和圖像數(shù)據(jù)的傳輸，主要體現(xiàn)在圖像成像的質(zhì)量和實(shí)時(shí)性上。

1 總體設(shè)計(jì)

紅外圖像注入器主要包括工控機(jī)、RS422串口卡和圖像數(shù)據(jù)發(fā)送卡，其連接關(guān)系如圖1所示。其中計(jì)算機(jī)通過RS422串口卡接收仿真指令、氣象條件、環(huán)境溫度、目標(biāo)類型數(shù)量、運(yùn)動參數(shù)等相關(guān)指令和參數(shù)，由軟件部分生成紅外圖像，并將圖像數(shù)據(jù)通過圖像數(shù)據(jù)發(fā)送卡輸出。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 軟件方案

整個系統(tǒng)可以分為下面幾步：接收仿真參數(shù)，根據(jù)接收到的參數(shù)從早先建好的模型庫中讀取相關(guān)模型生成仿真方案，仿真方案主要包括目標(biāo)背景的紅外輻射信息仿真、目標(biāo)在背景中的實(shí)時(shí)位置，然后模擬紅外導(dǎo)引頭實(shí)時(shí)視場圖像。軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1）模型庫的建立

建立目標(biāo)、背景模型庫主要是對目標(biāo)和背景進(jìn)行建模，建好的模型以模型文件的形式存儲，在仿真過程中進(jìn)行調(diào)用。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of the software test system

需要建立的目標(biāo)模型主要有典型飛機(jī)、坦克、艦船等。建立目標(biāo)模型可使用建模工具如3dsMax、Creator建立目標(biāo)的三維幾何模型，并將代表材料熱特性和光學(xué)特性的材質(zhì)作為紋理，與模型中的面元建立映射關(guān)系，便于紅外輻射計(jì)算[3]。

需要建立的背景模型主要有特定區(qū)域海天、空天、地形背景等。背景建模有很多種方法，可以以視點(diǎn)為中心建立包圍球，建立紅外輻射紋理，并將其與包圍球的每一個面元建立映射關(guān)系；或者使用建模軟件建立地面機(jī)場、房屋等三維幾何模型，根據(jù)實(shí)際需要建立不同的模型；還可以使用數(shù)字地圖紅外輻射和高程數(shù)據(jù)建立大范圍地形數(shù)據(jù)[4]。

2）仿真參數(shù)的接受

主要接收的參數(shù)有控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)的啟動、運(yùn)行、停止等控制指令以及目標(biāo)類型、數(shù)量，目標(biāo)的運(yùn)動軌跡和姿態(tài)，背景類型，氣象條件，環(huán)境溫度，導(dǎo)引頭位置姿態(tài)等。

3）仿真方案的生成和紅外導(dǎo)引頭實(shí)時(shí)視場仿真

這一部分利用OpenSceneGraph開發(fā)包（簡稱OSG）完成紅外圖像的生成。OSG是一個開放源碼的圖形開發(fā)包。主要為圖形圖像應(yīng)用程序的開發(fā)提供場景管理和圖形渲染優(yōu)化的功能，使用OpenGL底層渲染API。具有開發(fā)品質(zhì)高，費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)[5]。

要生成仿真方案，首先得根據(jù)接收到的信息從模型庫中讀取模型，OSG有相應(yīng)的模型讀取插件，非常方便。再綜合考慮目標(biāo)熱物性參數(shù)、表面光學(xué)特性參數(shù)、內(nèi)熱源、幾何結(jié)構(gòu)等目標(biāo)自身特性參數(shù)及不同地表類型自身與周圍環(huán)境的換熱特性，氣候環(huán)境（如雨、霧、晴等天氣）等環(huán)境因素的影響，建立目標(biāo)/背景光學(xué)特征計(jì)算模型，計(jì)算模型獲得目標(biāo)表面和背景的輻射亮度分布[6]。

在OSG中物體的運(yùn)動對應(yīng)的是模型的幾何變換，幾何變換是基于矩陣變換的,通過平移變換，旋轉(zhuǎn)變換和縮放變換實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的平移，旋轉(zhuǎn)和縮放。通過這樣的運(yùn)動，就可以根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動軌跡模擬出目標(biāo)在場景中的實(shí)時(shí)位置。

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，導(dǎo)引頭所獲取的圖像實(shí)際上是對三維圖像根據(jù)導(dǎo)引頭的視場進(jìn)行三維裁剪，并經(jīng)過投影變換得到的二維圖像。在不同位置和姿態(tài)下得到的圖像是不同的，通過實(shí)時(shí)地改變導(dǎo)引頭的位置和姿態(tài)參數(shù)可以的得到實(shí)時(shí)圖像。

3 硬件方案

圖像數(shù)據(jù)發(fā)送卡基于工控機(jī)上的PCI總線進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸，其功能主要是將圖像數(shù)據(jù)生成Camera Link格式數(shù)據(jù)輸出。Camera Link采用了LVDS格式，具有傳輸率高和抗噪性能好等優(yōu)點(diǎn)。圖像數(shù)據(jù)發(fā)送卡的工作原理及電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。其功能電路以DPRAM為界，可以分為兩個功能部分：PCI總線讀寫DPRAM和修改配置寄存器部分，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的高速串行發(fā)送部分，這兩步分的邏輯控制功能分別在CPLD和FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

圖3 PCI圖像數(shù)據(jù)發(fā)送卡結(jié)構(gòu)圖Fig.3 PCI image data transmission card system

PCI總線橋接芯片使用PLX9054，CPLD芯片選用EPM1270-144，F(xiàn)PGA芯片選用 EP2C8QF256，DPRAM使用IDT公司的IDT70V9289高速同步雙口SRAM，其存儲容量為64K×16。通過使用DPRAM，可以方便的控制讀出數(shù)據(jù)的順序，必要時(shí)可以完成圖像格式的轉(zhuǎn)換。Camera Link輸出使用DS90CR287來完成。

CPLD芯片內(nèi)部邏輯控制主要分為兩個部分：

1）PLX9054的Local Bus接口與DPRAM和內(nèi)部寄存器之間的邏輯控制。這部分的主要工作是將PLX9054設(shè)定在C工作模式下，Local Bus的接口空間劃分為兩個部分，一是用于與DPRAM連接的RAM空間，二是用于內(nèi)部寄存器配置的IO空間，通過狀態(tài)機(jī)電路完成Local Bus的空間地址譯碼等控制，使得可以完成Single和Burst兩種總線操作模式，便于DPRAM和內(nèi)部RAM的讀寫控制。

2）通過IO操作方式，與FPGA的邏輯協(xié)調(diào)，控制 FPGA邏輯的工作。

FPGA模塊內(nèi)的核心邏輯是根據(jù)CPLD提供的同步控制信號從DPRAM中提取圖像數(shù)據(jù)并控制DS90CR287進(jìn)行并轉(zhuǎn)串轉(zhuǎn)換,完成Camera Link發(fā)送功能。FPGA的發(fā)送邏輯關(guān)系非常簡單，等待一個允許發(fā)送的命令，接到命令后便讀DPRAM并寫入DS90CR287。

4 結(jié)束語

文中介紹了紅外導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真系統(tǒng)中紅外圖像注入器完整的軟硬件解決方案。本套方案已經(jīng)用在了某型號導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，其圖像成像的質(zhì)量和實(shí)時(shí)性都完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。

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Design of infrared image injector system in infrared seeker semi-physical simulation

JIN Wen-ping， FU Wen-xing， XIAO Kun， LIN Fan-yong2
（1.School of Astronautics,Northwestern Polytechnic University,Xi’an710072,China；2.The365Inst，North Western Ploytechnic University，Xi’an710072，China）

In order to achieve real-time infrared image generation and injection in infrared seeker semi-physical simulation,real-time infrared image injection system was designed.The software part of the system based on OSG generate real-time infrared simulation image,Hardware part is mainly a PCI image data transmission card,it transformed the real-time infrared simulation images generated by software to Camera Link data and sent out.The experiment and application show that this system has good performance,and achieve the design requirement.

semi-physical simulation;infrared image simulation;OSG；PCI image data transmission card

TN216

A

1674-6236（2014）02-0159-02

2013-05-29 稿件編號：201305286

靳文平（1987—），男，寧夏隆德人，碩士研究生，研究方向：導(dǎo)航制導(dǎo)與控制。