紅外導引頭半實物仿真中紅外圖像注入器設計

靳文平，符文星，肖 堃，林凡涌

（1.西北工業大學 航天學院，陜西 西安 710072；2.西北工業大學 365研究所，陜西 西安 710072）

紅外導引頭半實物仿真中紅外圖像注入器設計

靳文平1，符文星1，肖 堃1，林凡涌2

（1.西北工業大學 航天學院，陜西 西安 710072；2.西北工業大學 365研究所，陜西 西安 710072）

為了實現紅外導引頭半實物仿真中紅外圖像的實時生成和注入，設計了紅外圖像實時注入系統，并完成了軟硬件系統設計方案。該系統的軟件部分基于OSG生成實時紅外仿真圖像，硬件部分主要為一塊PCI圖像數據發送卡，將軟件部分生成的實時紅外仿真圖像轉化成Camera Link格式輸出。實際應用表明，該系統完全可以實現紅外圖像實時仿真和注入。

半實物仿真；紅外成像仿真；OSG；PCI圖像數據發送卡

紅外導引頭是紅外制導武器的核心部件，其性能直接影響導彈的飛行控制信號，對導彈的性能起著關鍵作用。在導彈的研制過程中，半實物仿真的作用越來越重要，根據美國大西洋導彈試驗基地統計，大約有90%左右的導彈系統評估參數來自于半實物仿真實驗[1]。

紅外導引頭半實物仿真系統將真實的紅外導引頭接入仿真回路，構造一個接近真實的紅外場景，檢測外導引頭接收目標信息、跟蹤目標和抗干擾能力。這個紅外場景由紅外圖像注入器和紅外成像模擬器產生。紅外圖像注入器根據需要，實時生成目標、背景景象數據，通過通信線路發送給紅外成像模擬器，紅外成像模擬器接收信號并產生紅外輻射物理場，供紅外導引頭接收。紅外成像模擬器主要用DMD實現[2]，這里就不再贅述。對于紅外圖像注入器，關鍵技術是實時生成動態紅外圖像和圖像數據的傳輸，主要體現在圖像成像的質量和實時性上。

1 總體設計

紅外圖像注入器主要包括工控機、RS422串口卡和圖像數據發送卡，其連接關系如圖1所示。其中計算機通過RS422串口卡接收仿真指令、氣象條件、環境溫度、目標類型數量、運動參數等相關指令和參數，由軟件部分生成紅外圖像，并將圖像數據通過圖像數據發送卡輸出。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 軟件方案

整個系統可以分為下面幾步：接收仿真參數，根據接收到的參數從早先建好的模型庫中讀取相關模型生成仿真方案，仿真方案主要包括目標背景的紅外輻射信息仿真、目標在背景中的實時位置，然后模擬紅外導引頭實時視場圖像。軟件設計的結構如圖2所示。

1）模型庫的建立

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

圖2 系統軟件設計結構圖Fig.2 Schematic diagram of the software test system

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

需要建立的背景模型主要有特定區域海天、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系；或者使用建模軟件建立地面機場、房屋等三維幾何模型，根據實際需要建立不同的模型；還可以使用數字地圖紅外輻射和高程數據建立大范圍地形數據[4]。

2）仿真參數的接受

主要接收的參數有控制系統的運行狀態的啟動、運行、停止等控制指令以及目標類型、數量，目標的運動軌跡和姿態，背景類型，氣象條件，環境溫度，導引頭位置姿態等。

3）仿真方案的生成和紅外導引頭實時視場仿真

這一部分利用OpenSceneGraph開發包（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包。主要為圖形圖像應用程序的開發提供場景管理和圖形渲染優化的功能，使用OpenGL底層渲染API。具有開發品質高，費用低的優點[5]。

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

在OSG中物體的運動對應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，旋轉變換和縮放變換實現目標的平移，旋轉和縮放。通過這樣的運動，就可以根據目標運動軌跡模擬出目標在場景中的實時位置。

在計算機圖形學中，導引頭所獲取的圖像實際上是對三維圖像根據導引頭的視場進行三維裁剪，并經過投影變換得到的二維圖像。在不同位置和姿態下得到的圖像是不同的，通過實時地改變導引頭的位置和姿態參數可以的得到實時圖像。

3 硬件方案

圖像數據發送卡基于工控機上的PCI總線進行圖像數據傳輸，其功能主要是將圖像數據生成Camera Link格式數據輸出。Camera Link采用了LVDS格式，具有傳輸率高和抗噪性能好等優點。圖像數據發送卡的工作原理及電路設計框圖如圖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，緩沖區數據的高速串行發送部分，這兩步分的邏輯控制功能分別在CPLD和FPGA內實現。

圖3 PCI圖像數據發送卡結構圖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，FPGA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據的順序，必要時可以完成圖像格式的轉換。Camera Link輸出使用DS90CR287來完成。

CPLD芯片內部邏輯控制主要分為兩個部分：

1）PLX9054的Local Bus接口與DPRAM和內部寄存器之間的邏輯控制。這部分的主要工作是將PLX9054設定在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，二是用于內部寄存器配置的IO空間，通過狀態機電路完成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和內部RAM的讀寫控制。

2）通過IO操作方式，與FPGA的邏輯協調，控制 FPGA邏輯的工作。

FPGA模塊內的核心邏輯是根據CPLD提供的同步控制信號從DPRAM中提取圖像數據并控制DS90CR287進行并轉串轉換,完成Camera Link發送功能。FPGA的發送邏輯關系非常簡單，等待一個允許發送的命令，接到命令后便讀DPRAM并寫入DS90CR287。

4 結束語

文中介紹了紅外導引頭半實物仿真系統中紅外圖像注入器完整的軟硬件解決方案。本套方案已經用在了某型號導彈的導引頭半實物仿真系統中，其圖像成像的質量和實時性都完全滿足實驗要求。

[1]沈永福，鄧方林，柯熙政.激光制導炸彈導引頭半實物仿真系統方案設計[J].紅外與激光工程，2002，31（2）：166-169.

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ZHANG Kai，SUN Li，YAN Jie.Design and test of IR scene simulatorbased on the DMD[J].Infrared and Laser Engineering，2008（37）:369-372.

[3]郭明，王學偉.空間目標/星空背景紅外建模與仿真[J].紅外與激光工程，2002，31（2）:166-169.

GUO Ming，WANG Xue-wei.IR modeling and simulation of space target/star and space environment[J].Infrared and Laser Engineering，2002，31（2）:166-169.

[4]黃濤，明德烈，揭斐然，等.一種實時紅外場景仿真方法[J].計算機與數字工程，2013（279）:121-123.

HUANG Tao，MING De-lei，JIE Fei-ran，etal.Realtime simulationofinfraredscene[J].Computer&DigitalEngineering，2013（279）:121-123.

[5]尹志永，王濤，周磊，等.基于開源 OSG引擎開發三維管線信息系統[J].城市勘測，2013（1）:57-59.

YIN Zhi-yong，WANG Tao，ZHOU Lei，et la.Development of 3D pipeline information system based on OSG engine[J].Urban Geotechnical Investigation&Surveying，2013（1）:57-59.

[6]黃建峰.基于OSG的紅外場景仿真技術的研究[D].北京：北京郵電大學，2012.

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：導航制導與控制。