專利名稱:圖像注入式目標(biāo)模擬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種目標(biāo)模擬器，特別設(shè)計(jì)一種數(shù)字圖像注入式目標(biāo)模擬器工程應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目標(biāo)模擬器的主要使命是完成操作手對(duì)光電跟瞄設(shè)備的操作訓(xùn)練和實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè) 光電跟瞄系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。通過(guò)增加操作手對(duì)設(shè)備的實(shí)際操作訓(xùn)練，一方面可以考核其業(yè) 務(wù)能力，另一方面也可以完成對(duì)設(shè)備的檢測(cè)和日常維護(hù)。因此，靶場(chǎng)試驗(yàn)基地需要這樣專門 的、低成本而又高效率的模擬訓(xùn)練器。
在國(guó)外，對(duì)于光電跟瞄設(shè)備仿真訓(xùn)練的研究，目前還沒(méi)有查找到相關(guān)的研究成果。 而我國(guó)在操作手仿真訓(xùn)練方面已經(jīng)取得了一些研究成果，但這些研究成果從內(nèi)容上看，都 是屬于純計(jì)算機(jī)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，脫離了具體的跟瞄設(shè)備，在跟蹤捕獲慢速目標(biāo)方面，能達(dá)到 很好的訓(xùn)練效果，而相對(duì)于捕獲高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，效果就不是很理想；從使用情況看，現(xiàn)有的 裝備仿真訓(xùn)練系統(tǒng)功能單一，且很難在接近真實(shí)的飛行條件下進(jìn)行訓(xùn)練；另一方面，模擬訓(xùn) 練不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的要求，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)光電跟瞄設(shè)備的動(dòng)態(tài)仿真檢測(cè)。
因此，研究開(kāi)發(fā)一套能夠提供真實(shí)的目標(biāo)飛行軌跡、實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)跟瞄設(shè)備的動(dòng)態(tài) 檢測(cè)以及完成閉環(huán)訓(xùn)練的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，具有一定的工程意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠提供真實(shí)的目標(biāo)飛行軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)
目標(biāo)跟瞄設(shè)備的動(dòng)態(tài)檢測(cè)以及完成閉環(huán)模擬訓(xùn)練的數(shù)字圖像注入式目標(biāo)模擬器。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的數(shù)字圖像注入式的目標(biāo)模擬器包括跟蹤訓(xùn)練控
制裝置，數(shù)字圖像生成裝置，數(shù)字圖像注入裝置；跟蹤訓(xùn)練控制裝置接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)
的目標(biāo)初始參數(shù)及目標(biāo)跟瞄設(shè)備參數(shù)，利用目標(biāo)軌跡方程實(shí)時(shí)計(jì)算出目標(biāo)在數(shù)字圖像畫幅
中所占的像素?cái)?shù)和脫靶量，并將其發(fā)送到數(shù)字圖像生成裝置；數(shù)字圖像生成裝置接收主控
計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的圖像幀頻、圖像大小和圖像深度，根據(jù)目標(biāo)在圖像畫幅中所占的像素?cái)?shù)和
脫靶量生成目標(biāo)，調(diào)用跟蹤訓(xùn)練控制裝置中存儲(chǔ)的背景圖像數(shù)據(jù)，并將目標(biāo)與背景圖像合
成，最后，將合成后的數(shù)字圖像實(shí)時(shí)送給數(shù)字圖像注入裝置；數(shù)字圖像經(jīng)數(shù)字圖像注入裝置
進(jìn)行接口匹配后傳送給目標(biāo)跟瞄設(shè)備的圖像處理系統(tǒng)。
所述跟蹤訓(xùn)練控制裝置包括Nios II SOPC系統(tǒng)及作為該系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)存和外存的 SDRAM存儲(chǔ)器和FLASH存儲(chǔ)器；背景圖像數(shù)據(jù)預(yù)先燒寫于FLASH存儲(chǔ)器中；Nios II S0PC系 統(tǒng)通過(guò)RS422-RS232轉(zhuǎn)換接口與主控計(jì)算機(jī)連接，接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的目標(biāo)初始參數(shù) 及目標(biāo)跟瞄設(shè)備參數(shù)，利用目標(biāo)軌跡方程實(shí)時(shí)計(jì)算出目標(biāo)在數(shù)字圖像畫幅中所占的像素?cái)?shù) 和脫靶量，并將其發(fā)送到數(shù)字圖像生成裝置。
本發(fā)明能夠利用主控計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的目標(biāo)初始參數(shù)、目標(biāo)跟瞄設(shè)備參數(shù)及目標(biāo)軌 跡方程實(shí)時(shí)計(jì)算出目標(biāo)在數(shù)字圖像畫幅中所占的像素?cái)?shù)和脫靶量，生成目標(biāo)后，將其與背
3景圖像數(shù)據(jù)合成為一幅數(shù)字圖像，注入到目標(biāo)跟瞄設(shè)備的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn) 目標(biāo)動(dòng)態(tài)飛行及目標(biāo)環(huán)境的構(gòu)建。本發(fā)明能夠模擬目標(biāo)的動(dòng)態(tài)飛行，從而在不開(kāi)啟紅外相 機(jī)的情況下完成對(duì)設(shè)備的仿真檢測(cè)和操作訓(xùn)練任務(wù)，大大減少了訓(xùn)練成本。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn) 單方便、可操作性強(qiáng)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明的數(shù)字圖像注入式目標(biāo)模擬器的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為FPGA主控模塊結(jié)構(gòu)框圖。
圖4為Nios II S0PC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖5為異步FIFO模塊結(jié)構(gòu)框圖。
圖6為目標(biāo)空間坐標(biāo)系示意圖。
圖7為目標(biāo)生成及背景合成模塊流程圖。
具體實(shí)施方式
如圖l所示，本發(fā)明的數(shù)字圖像注入式的目標(biāo)模擬器包括跟蹤訓(xùn)練控制裝置、數(shù) 字圖像生成裝置和數(shù)字圖像注入裝置。
跟蹤訓(xùn)練控制裝置的主要功能一是接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的目標(biāo)的起始參數(shù) (包括目標(biāo)的起始點(diǎn)、目標(biāo)高度、目標(biāo)速度、目標(biāo)大小)，目標(biāo)跟瞄設(shè)備參數(shù)(包括光學(xué)焦距、 半視場(chǎng)角、CCD尺寸、設(shè)備方位角和設(shè)備俯仰角)，實(shí)時(shí)采集并解算出目標(biāo)跟瞄編碼器輸出 的方位角A值和俯仰角E值；二是仿真試驗(yàn)設(shè)定(即模擬目標(biāo)的飛行軌跡設(shè)定目標(biāo)軌跡方 程)，從而對(duì)仿真試驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)行控制；三是將目標(biāo)的起始參數(shù)和目標(biāo)跟瞄設(shè)備參數(shù)代入目 標(biāo)軌跡方程對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算；并將計(jì)算出的目標(biāo)在數(shù)字圖像畫幅所占中的像 素?cái)?shù)和脫靶量發(fā)送到數(shù)字圖像生成裝置；四是存儲(chǔ)背景圖像數(shù)據(jù)。
數(shù)字圖像生成裝置主要作用是負(fù)責(zé)整個(gè)生成數(shù)字圖像的時(shí)序控制。數(shù)字圖像分為 兩個(gè)部分，一部分是背景圖像，一部分是目標(biāo)圖像。該裝置的主要功能一是接收主控計(jì)算 機(jī)發(fā)送來(lái)的圖像幀頻、圖像大小和圖像深度；二是實(shí)時(shí)接收由跟蹤訓(xùn)練控制裝置發(fā)送來(lái)的 目標(biāo)在數(shù)字圖像畫幅中所占的像素?cái)?shù)和脫靶量，并生成目標(biāo)，同時(shí)調(diào)用背景圖像數(shù)據(jù)，將目 標(biāo)與背景圖像合成一幅數(shù)字圖像，三是將合成的數(shù)字圖像實(shí)時(shí)送給數(shù)字圖像注入裝置。 數(shù)字圖像注入裝置提供數(shù)字圖像注入接口，并負(fù)責(zé)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)通信控制，其通 信和接口應(yīng)與被試目標(biāo)跟瞄設(shè)備一致。本發(fā)明中數(shù)字圖像注入裝置對(duì)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行 Camera Link接口匹配，采用Camera Link接口芯片與被試目標(biāo)跟瞄設(shè)備的圖像處理系統(tǒng)連 接。Camera Link接口標(biāo)準(zhǔn)使用每條鏈路需兩個(gè)導(dǎo)線的低壓差分信號(hào)(LVDS)傳輸技術(shù)，由 于采用LVDS進(jìn)行傳輸，提高了信號(hào)的傳輸距離和精度。
如圖2所示，本發(fā)明的數(shù)字圖像注入式的目標(biāo)模擬器采用FPGA作為主控模 塊，在其外部擴(kuò)充SDRAM存儲(chǔ)器和FLASH存儲(chǔ)器。主控計(jì)算機(jī)與配置芯片EPCS4通過(guò) Byte-Blaster II下載電纜進(jìn)行連接。如圖3所示，F(xiàn)PGA內(nèi)部主要?jiǎng)澐譃镹ios II S0PC系 統(tǒng)模塊(李蘭英等.Nios II嵌入式軟核S0PC設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用.北京北京航空航天大學(xué)出版社)、目標(biāo)生成及背景合成模塊、Camera Link接口匹配模塊。SDRAM存儲(chǔ)器和FLASH 存儲(chǔ)器分別作為構(gòu)建NiosII SOPC系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)存和外存使用，其中FLASH存儲(chǔ)器還用 來(lái)存儲(chǔ)目標(biāo)背景的數(shù)據(jù)。跟蹤訓(xùn)練控制裝置由FPGA主控模塊中的Nios II SOPC系統(tǒng)模 塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，Nios II SOPC系統(tǒng)模塊使用RS422-RS232串行通訊接口與主控計(jì)算機(jī)通訊，由 RS422-RS232串行通訊接口將LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL信號(hào)。數(shù)字圖像生成裝置由FPGA主控模 塊中的目標(biāo)生成及背景合成模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字圖像注入裝置由FPGA主控模塊中的Camera Link接口匹配模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。Camera Link接口匹配模塊采用Camera Link接口作為標(biāo)準(zhǔn)的 相機(jī)接口與被試目標(biāo)跟瞄設(shè)備的圖像處理分系統(tǒng)進(jìn)行連接。
如圖4所示，Nios II SOPC系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計(jì)通過(guò)軟件Quartus II SOPCBuilder實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)通過(guò)C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。主要功能是用來(lái)實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收、 目標(biāo)軌跡的計(jì)算以及傳送FLASH存儲(chǔ)器中的背景圖像數(shù)據(jù)。串口數(shù)據(jù)主要是操作手通過(guò)主 控計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的目標(biāo)的起始參數(shù)(包括目標(biāo)的起始點(diǎn)、目標(biāo)高度、目標(biāo)速度、目標(biāo)大小)，及 目標(biāo)跟瞄設(shè)備通過(guò)主控計(jì)算機(jī)傳輸?shù)哪繕?biāo)跟瞄設(shè)備參數(shù)(包括光學(xué)焦距、半視場(chǎng)角、CCD尺 寸、設(shè)備方位角和設(shè)備俯仰角)，采用DMA(直接存儲(chǔ)器訪問(wèn))接收UART數(shù)據(jù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。 目標(biāo)軌跡的計(jì)算結(jié)果通過(guò)PIO接口送到目標(biāo)生成及背景合成模塊中。FLASH存儲(chǔ)器中的背 景圖像數(shù)據(jù)是在燒寫程序的時(shí)候一起燒寫到一塊固定的存儲(chǔ)區(qū)中，用到的時(shí)候通過(guò)FLASH 讀命令從里面讀出來(lái)，再通過(guò)PIO接口發(fā)送到異步FIFO模塊中。
異步FIF0模塊如圖5所示，主要功能是用來(lái)實(shí)現(xiàn)背景圖像數(shù)據(jù)的緩存功能，用 FPGA片內(nèi)的雙端口 RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)緩存，所以讀出和寫入的速度很快。異步FIFO模塊可以采用 普通的外部緩存器代替。
目標(biāo)動(dòng)態(tài)飛行的模擬可通過(guò)目標(biāo)軌跡方程來(lái)建立。下面舉例說(shuō)明目標(biāo)軌跡方程的
建立過(guò)程，但這不能對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成任何限制。
目標(biāo)空間坐標(biāo)系的建立
在仿真訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)中，必須考慮目標(biāo)的幾何形狀，而不能把目標(biāo)當(dāng)成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，在描 述目標(biāo)的空間坐標(biāo)時(shí)，以目標(biāo)的幾何中心(形心)作為參考點(diǎn)。目標(biāo)的空間坐標(biāo)用o-xyz 下直角坐標(biāo)(x，y，z)描述，如圖6所示。在模擬訓(xùn)練試驗(yàn)前，需要給定目標(biāo)運(yùn)行參數(shù)，在訓(xùn) 練過(guò)程中，根據(jù)給定的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和試驗(yàn)進(jìn)程時(shí)間實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)的空間坐標(biāo)值。 假設(shè)A， B為兩條理論航跡，(x。， y。， z。)為目標(biāo)起始點(diǎn)，z。為目標(biāo)起始高度，假定目 標(biāo)在飛行進(jìn)程中高度不變，則飛行過(guò)程中目標(biāo)位置滿足如下方程(1):
y "。 ± v ("
方程(1)中、，Vy為目標(biāo)在x方向和y方向的速度，為了滿足截距為d，、，Vy應(yīng)滿 足等式(2):
^= 、/
2
j2 (2) vy
V少?！?
由等式(2)可以計(jì)算出目標(biāo)在x方向和y方向的速度，公式如(3)所示[0032]
v工 =vcos(arc'tan
vv = vcos(arctan
^ 2(3)
在(3)式中v為目標(biāo)飛行速度，為已知參數(shù)，由操作手通過(guò)主控計(jì)算機(jī)提供,
目標(biāo)像素大小和像素位置的計(jì)算
目標(biāo)相對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的距離Rp方位角V俯仰角ET計(jì)算公式如(4)式所示
90270- arctan(丄;) x<0 x
0 x = 0 , ;; 2 0
180 x=0,y<0
(4)
五
a r c s i n (—)
根據(jù)(4)式計(jì)算的目標(biāo)方位角Ap俯仰角Et，比照編碼器數(shù)值得到設(shè)備的實(shí)際指 向A， E，來(lái)判斷目標(biāo)是否在跟蹤設(shè)備的視場(chǎng)內(nèi)，若|A-AT| <w， |E-ET| 〈w(w為跟蹤設(shè)備的
半視場(chǎng)角)，則目標(biāo)在視場(chǎng)內(nèi)，脫靶量為
Ai = AT_A
Ei = ET_E
則根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)可以計(jì)算得到
目標(biāo)像素尺寸為
/ X / X w
一
以像素為單位的目標(biāo)脫靶量為 丄x w
Zarg" _ 7 =
2w x cos(五) 五；x w 2 w
式中參數(shù)CCD尺寸aXa，CCD像元數(shù)nXx，光學(xué)系統(tǒng)焦距f，目標(biāo)尺寸1。
目標(biāo)生成及背景合成模塊通過(guò)Verilog HDL語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。
如圖7所示，目標(biāo)生成及背景合成模塊流程包括如下步驟
首先接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送的圖像初始化參數(shù)(圖像幀頻、圖像大小、圖像深度)； 接著接收跟蹤訓(xùn)練控制裝置發(fā)送來(lái)的目標(biāo)參數(shù)(目標(biāo)在圖像中所占的像素?cái)?shù)和脫靶量)和 背景圖像數(shù)據(jù)；然后根據(jù)接收的參數(shù)生成目標(biāo)，并在背景中合成目標(biāo)；最后將合成后的數(shù) 字圖像發(fā)送到Camera Link接口匹配裝置。
Camera Link接口匹配模塊通過(guò)Verilog HDL語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，協(xié)議的轉(zhuǎn)換通過(guò)標(biāo) 準(zhǔn)的Camera Link接口芯片實(shí)現(xiàn)。
6
權(quán)利要求
一種數(shù)字圖像注入式的目標(biāo)模擬器，其特征在于包括跟蹤訓(xùn)練控制裝置，數(shù)字圖像生成裝置，數(shù)字圖像注入裝置；跟蹤訓(xùn)練控制裝置接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的目標(biāo)初始參數(shù)及目標(biāo)跟瞄設(shè)備參數(shù)，利用目標(biāo)軌跡方程實(shí)時(shí)計(jì)算出目標(biāo)在數(shù)字圖像畫幅中所占的像素?cái)?shù)和脫靶量，并將其發(fā)送到數(shù)字圖像生成裝置；數(shù)字圖像生成裝置接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的圖像幀頻、圖像大小和圖像深度，根據(jù)目標(biāo)在圖像畫幅中所占的像素?cái)?shù)和脫靶量生成目標(biāo)，調(diào)用跟蹤訓(xùn)練控制裝置中存儲(chǔ)的背景圖像數(shù)據(jù)，并將目標(biāo)與背景圖像合成，最后，將合成后的數(shù)字圖像實(shí)時(shí)送給數(shù)字圖像注入裝置；數(shù)字圖像經(jīng)數(shù)字圖像注入裝置進(jìn)行接口匹配后傳送給目標(biāo)跟瞄設(shè)備的圖像處理系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的數(shù)字圖像注入式的目標(biāo)模擬器，其特征在于所述跟蹤訓(xùn)練控制裝置包括Nios II S0PC系統(tǒng)及作為該系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)存和外存的SDRAM存儲(chǔ)器和FLASH存儲(chǔ)器；背景圖像數(shù)據(jù)預(yù)先燒寫于FLASH存儲(chǔ)器中；Nios II S0PC系統(tǒng)通過(guò)RS422-RS232轉(zhuǎn)換接口與主控計(jì)算機(jī)連接，接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的目標(biāo)初始參數(shù)及目標(biāo)跟瞄設(shè)備參數(shù)，利用目標(biāo)軌跡方程實(shí)時(shí)計(jì)算出目標(biāo)在數(shù)字圖像畫幅中所占的像素?cái)?shù)和脫靶量，并將其發(fā)送到數(shù)字圖像生成裝置。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)字圖像注入式的目標(biāo)模擬器，該模擬器的跟蹤訓(xùn)練控制裝置接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的目標(biāo)初始參數(shù)及目標(biāo)跟瞄設(shè)備參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出目標(biāo)在數(shù)字圖像畫幅中所占的像素?cái)?shù)和脫靶量，并將其發(fā)送到數(shù)字圖像生成裝置；數(shù)字圖像生成裝置接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的圖像幀頻、圖像大小和圖像深度，根據(jù)目標(biāo)在圖像畫幅中所占的像素?cái)?shù)和脫靶量生成目標(biāo)，調(diào)用跟蹤訓(xùn)練控制裝置中存儲(chǔ)的背景圖像數(shù)據(jù)，并將目標(biāo)與背景圖像合成后實(shí)時(shí)送給數(shù)字圖像注入裝置；數(shù)字圖像經(jīng)數(shù)字圖像注入裝置進(jìn)行接口匹配后傳送給圖像處理系統(tǒng)。本發(fā)明能夠模擬目標(biāo)的動(dòng)態(tài)飛行，從而在不開(kāi)啟紅外相機(jī)的情況下完成對(duì)設(shè)備的仿真檢測(cè)和操作訓(xùn)練任務(wù)，大大減少了訓(xùn)練成本。
文檔編號(hào)F41G1/00GKCN101738139SQ200910266663
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月31日
發(fā)明者于國(guó)權(quán), 于洋, 宋振豐, 崔爽, 李姜, 李巖, 楊詞銀, 王建軍, 路明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan