基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的雷達維修虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計

馬景奕

(1.甘肅省氣象局，蘭州 730000； 2.蘭州大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州 730020)

0 引言

配置維護的相關(guān)技術(shù)人員，邀請相關(guān)專家參與，用此方法完成維護過程，確實能起到保證維修可靠性和培訓(xùn)相關(guān)技術(shù)人員的作用[1]。但是，這只適用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單、復(fù)雜度較低的原裝雷達設(shè)備。高技術(shù)設(shè)備在實際生活上的大量投入，提高了雷達設(shè)備的技術(shù)水平，必須需要更多專家參與[2]。專業(yè)人才缺乏會導(dǎo)致雷達故障診斷的不準(zhǔn)確，不但不能提高工作效率，而且可能影響設(shè)備。由于專業(yè)檢測技術(shù)的使用成本高，數(shù)量少，對維修人員的技術(shù)水平要求也很高，這就給維修虛擬培訓(xùn)內(nèi)容帶來了困難。維護人員要有較高的技術(shù)地位和維護水平，就必須進行大量的長期培訓(xùn)，急需一套行之有效的培訓(xùn)方法[3]。僅僅依靠大量技術(shù)人員的投入來維修雷達設(shè)備，這種“有組織”、“指揮”的傳統(tǒng)維修方式已經(jīng)不能適應(yīng)高技術(shù)條件下雷達維修需要，必須進行新的維修方式探索[4]。針對這一背景，提出了基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的雷達維修虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計思想。雷達維修虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)完美利用了3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)用戶的真實全景體驗，也實現(xiàn)了雷達維修過程的交互式控制，極大地提高了保障信息的可信性。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照功能要求和設(shè)計思想，圖1顯示了雷達維修虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 雷達維修虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要是由顯示器、控制臺、投影儀、信號處理柜、伺服驅(qū)動柜、配電柜、轉(zhuǎn)盤柜、高頻盒分機等組成，展示臺、信號處理柜、伺服驅(qū)動柜、配電柜、高頻分機箱等均按實物1:1制作安裝[5]。

1.1 轉(zhuǎn)臺分機

轉(zhuǎn)臺擴展控制模塊很小，結(jié)合高頻盒擴展，將其放在單盒中，將撥盤(虛擬故障)和連接器安裝在印制板上，利用仿真軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺分析控制功能[6]。

圖2顯示了每個分機擴展的內(nèi)部組件虛擬器結(jié)構(gòu)。

圖2 分機組件虛擬器結(jié)構(gòu)

為方便設(shè)計，每一個部件都要有統(tǒng)一的尺寸，這樣印制板的尺寸也一樣。印刷板上的所有部件都是一樣的，但定義不同[7]。各個分離器內(nèi)部部件采用統(tǒng)一的箱式和印制板結(jié)構(gòu)，便于模塊化設(shè)計和實現(xiàn)[8]。

1.1.1 教員控制臺

通過對教員控制臺的設(shè)置，實現(xiàn)了雷達外導(dǎo)臺、局部基準(zhǔn)、時間控制等設(shè)備的仿真，并對各雷達分機故障設(shè)置狀態(tài)進行了實時監(jiān)控[9]。教員控制臺有一個雷達虛擬系統(tǒng)的電源開關(guān)和一個投影電源開關(guān)，用以控制整個系統(tǒng)的運行。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對雷達目標(biāo)的跟蹤，仿真了雷達搜索跟蹤目標(biāo)的全過程[10]。

1.1.2 顯控臺

顯示器控制臺通過串口直接與各接口通訊，顯示控制臺上還安裝了8串口卡[11]。每一次擴展的故障狀態(tài)變化都同時發(fā)送到教員控制臺，還可以通過串口發(fā)送到顯示器。這樣就可以判斷故障位置，給出不同故障現(xiàn)象，顯控臺通過串口向每個擴展發(fā)送操作指令[12]。

教員控制臺通過網(wǎng)絡(luò)端口直接與顯示控制臺相連，教員控制臺計算機上有8個串口卡，通過串口卡與其它設(shè)備連接，并通過串口將故障設(shè)置狀態(tài)發(fā)送到指導(dǎo)控制計算機中[13]。

1.2 天線

對于天線部分的設(shè)計，由于系統(tǒng)安裝了大量的機械零件，如果采用物理虛擬，則成本較高，實際效益較低，因此采用3D數(shù)據(jù)顯示的方法。天線3D顯示軟件也運行在指令控制的電腦上[14]。通過屏幕擴展，將操作結(jié)果投影到120英寸投影屏幕上，輸出到投影儀上。高效而直觀[15]。天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用耦合饋電連接方式，見圖3。

圖3 天線結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)包括兩個天線單元，其結(jié)構(gòu)各尺寸分別為10 mm×22 mm和10 mm×60 mm，兩個天線單元之間的距離只有16 mm，與饋線構(gòu)成直接饋線部分，用來連接兩個長為50 mm天線元件的u型金屬線，比低頻諧振點長得多。微帶金屬線旨在實現(xiàn)低頻解耦，一個t形的地面分支被添加到天線的背面，該結(jié)構(gòu)主要是用來減少高頻段兩個天線元件的耦合。

1.3 配電箱

針對維修虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實際供電需求設(shè)計配電箱接線方式，如圖4所示。

圖4 配電箱接線圖

通過圖4可以看出，系統(tǒng)主要將主三相380 V電源轉(zhuǎn)換為多個AC220V輸出顯示器，利用控制臺和收發(fā)室實現(xiàn)電路連接，通過空氣開關(guān)和引信將指示燈安裝在面板上。

1.4 收發(fā)機柜

1.4.1 控保分機

控制器擴展設(shè)計是基于實際安裝的，配置15個LED指示燈，多個相關(guān)儀表、變送器開關(guān)及其它相關(guān)旋鈕。分配器用來監(jiān)測變送器的工作狀態(tài)，完成分配器的切換、延遲控制，內(nèi)部電路設(shè)計了故障檢測接口板、開關(guān)控制邏輯板和信號設(shè)定板，并進行了安全擴展。變送器不同位置的故障信號具有不同類型、不同幅度等特點。錯誤檢測界面板將一些錯誤信號的 LED錯誤指示轉(zhuǎn)換為信號形式顯示在驅(qū)動面板上。開關(guān)控制邏輯板能夠控制維護虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，確定訓(xùn)練故障源。

1.4.2 發(fā)射分機

發(fā)射分機系統(tǒng)由觸發(fā)板、開關(guān)板、偏置板和脈沖放大板四部分組成。在脈沖放大電路中，從定時器開始和審查脈沖信號放大，轉(zhuǎn)換成由觸發(fā)器啟動信號板，然后觸發(fā)開關(guān)管的開關(guān)板產(chǎn)生主調(diào)制脈沖，最后移除 DC偏壓，再將電網(wǎng)調(diào)制脈沖加到網(wǎng)格行波管中。它能夠通過擊穿保護的方式保護浮動源。

1.4.3 接收分機

該部分主要用于接收整機定時信號和雷達輻射所需的雷達信號。接收分機配置了CF5135C型號計時器面板、JDS2800型號信號源面板、 MC3361BP中頻放大器和FS-V11型號視頻檢測放大器。每塊板都裝在一個插件箱里，通過機箱主板提供所需的電源和控制信號。

2 軟件部分設(shè)計

2.1 基于硬件加速的軟陰影技術(shù)

軟陰影技術(shù)是基于陰影圖的3D軟陰影處理技術(shù)，投影映射方法是從光源角度渲染場景的深度信息到紋理，然后比較場景渲染時的深度信息，以判斷像素是否位于陰影中。它解決了透明紋理在模型陰影模式下的陰影投影問題，并且可以很容易地軟化陰影邊緣，使陰影效果更真實。

圖像濾波分為空域濾波和傾斜域濾波，其主要作用是對圖像進行去噪處理，空域濾波是以原始圖像為數(shù)據(jù)源的一種直接濾波方法，頻域海灘波是一種間接濾波方法，它首先將圖像轉(zhuǎn)換到頻域空間，然后再對其進行處理，從而實現(xiàn)對圖像的直接計算。采用空域濾波技術(shù)對陰影貼圖進行了濾波處理。為此，著重研究了這種濾波方法。空域濾波實質(zhì)上是鄰域運算，若目標(biāo)像素的鄰接像素作線性計算，計算結(jié)果作輸出像素，稱為線性濾波，否則為非線性濾波，其像素值結(jié)果計算公式為：

T=λ1T1+λ2T2+…+λnTn

(1)

公式(1)中,λn表示像素所賦予的權(quán)值；Tn表示鄰域像素數(shù)值。

直線濾波減小了圖像的變化量，提高了平滑度。在陰影貼圖技術(shù)中，它更適合陰影邊界的漸變平滑。生成陰影貼圖是相當(dāng)簡單的，通過輸出光源空間中每個像素的深度值到像素處理程序的相應(yīng)紋理，就可以得到陰影貼圖。圖5中顯示了硬件加速過程。

圖5 硬件加速流程

硬件加速時，首先計算出光源頂點坐標(biāo)空間和對應(yīng)的陰影頂點處理器映射紋理坐標(biāo)，然后裝載該紋理映射處理器采樣獲取對應(yīng)深度值，最后得到焦點，即光源距離。其結(jié)果用0或1表示，并存儲在特定紋理中。

2.2 虛擬培訓(xùn)流程設(shè)計

訓(xùn)練過程采用了一種雷達維修虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，訓(xùn)練過程可以分為四個步驟：選擇訓(xùn)練對象，系統(tǒng)初始化，裝備訓(xùn)練，效果評估，如圖6所示。

圖6 虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)基本流程

1)訓(xùn)練目標(biāo)的選擇：系統(tǒng)啟動后，根據(jù)訓(xùn)練計劃在主界面上進行訓(xùn)練目標(biāo)的選擇，并對系統(tǒng)進行初始化；

2)系統(tǒng)初始化：讀庫數(shù)據(jù)，載入實際環(huán)境中，雷達維修結(jié)構(gòu)展示模型，裝備機制模型，初始裝備狀態(tài)設(shè)定；

3)裝備訓(xùn)練：在對設(shè)備進行操作培訓(xùn)時，操作者可以利用鍵盤、鼠標(biāo)等人機交互設(shè)備提供相應(yīng)的提示信息，系統(tǒng)可以實時記錄下操作步驟。

4)培訓(xùn)效果評估：系統(tǒng)在運行結(jié)束后，利用運行過程數(shù)據(jù)和訓(xùn)練效果評估模型對訓(xùn)練效果進行評估，并顯示評估結(jié)果。

3 實驗

為了驗證基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的雷達維修虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計合理性，進行實驗驗證分析。以某型雷達為驗證平臺，分別采用投入維修人員技術(shù)、專家測量技術(shù)與3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)對系統(tǒng)培訓(xùn)效果進行虛擬實驗，并對故障維修結(jié)果和實際情況展開分析。

故障虛擬試驗中出現(xiàn)的故障情況如表1所示。

表1 故障情況

針對這四種情況，雷達顯示情況如圖7所示。

圖7 雷達顯示情況

序號1情況下雷達信號是呈完整圓圈形式的，序號2情況下雷達信號是規(guī)律性的，上下變化幅度一致；序號3情況下雷達信號出現(xiàn)部分無規(guī)律波動現(xiàn)象；序號4情況下雷達信號出現(xiàn)大部分無規(guī)律波動現(xiàn)象。

分別使用投入維修人員技術(shù)、專家測量技術(shù)與3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)對雷達信號顯示結(jié)果展開對比分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 三種技術(shù)雷達信號顯示結(jié)果

由圖8可知：使用投入維修人員技術(shù)與專家測量技術(shù)雷達顯示結(jié)果與實際情況相差較大，尤其是序號4情況波動幅度最大，且信號與實際相差最大；而使用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)雷達信號顯示結(jié)果與實際結(jié)果一致。

為進一步驗證該系統(tǒng)設(shè)計合理性，需將三種系統(tǒng)培訓(xùn)內(nèi)容加以分析，結(jié)果如表2所示。

表2 三種系統(tǒng)培訓(xùn)內(nèi)容

由表2可知：使用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠針對各種故障問題展開深入研究，通過及時更換高頻接收器能夠處理斷開總單元電纜問題；通過及時更換高頻接收器能夠處理斷開處理單元副1路電纜問題；通過及時更換頻綜器能夠處理斷開處理單元副1路電纜、2路電纜問題。而其余兩種技術(shù)故障處理效果較差，也說明利用這兩種技術(shù)設(shè)計的系統(tǒng)會給培訓(xùn)帶來誤區(qū)。

通過實驗對比結(jié)果可知，基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的雷達維修虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計是具有合理性的。

4 結(jié)束語

雷達維護虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)是基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的，可以使學(xué)員在不依賴于真實設(shè)備的情況下進行真實的教學(xué)和訓(xùn)練。本系統(tǒng)適用于多個專業(yè)的設(shè)備運行維護教學(xué)與培訓(xùn)實踐，充實教學(xué)培訓(xùn)手段，提高學(xué)員參與培訓(xùn)的積極性，有效地提高設(shè)備化教學(xué)培訓(xùn)效果。該系統(tǒng)的設(shè)計可供其它設(shè)備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)時參考，具有一定的實用價值和參考意義。研制的雷達維修虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)在航空航天、汽車運輸市場有著廣闊需求和發(fā)展前景。但是由于時間限制，該系統(tǒng)目前仍需進一步投入使用，在接下來的研究中，將以完善網(wǎng)絡(luò)功能為重點研究方向，以期為用戶提供更多的培訓(xùn)服務(wù)。