某型光電裝備全景圖像仿真測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)?

（海軍裝備部駐武漢地區(qū)第七軍事代表室 武漢 430223）

1 引言

利用仿真技術(shù)手段構(gòu)造裝備運行的試驗環(huán)境，將仿真技術(shù)、模擬樣機技術(shù)和測試技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)造出仿真測試平臺，為裝備提供一個良好的仿真性的調(diào)試、診斷環(huán)境，是現(xiàn)代復(fù)雜武器裝備設(shè)計與測試技術(shù)研究的一個重要方向。通過仿真測試平臺，不僅可以對裝備的各項測試性技術(shù)指標(biāo)給出結(jié)論性意見，而且可以縮短裝備研制周期、降低成本，是裝備發(fā)展的必然趨勢［1～2］。

在對光電裝備進行試驗驗證時，需要獲取海戰(zhàn)場背景下不小于多批目標(biāo)（包括飛機、艦船和導(dǎo)彈，通常為數(shù)十批）進行直線運動的紅外圖像。如采用飛艇、氣球和汽艇等真實目標(biāo)進行試驗，需要花費大量的人力、財力和物力，而且受天氣影響較大。通過搭建全景圖像仿真測試系統(tǒng)，生成與紅外探測器格式相同的紅外圖像數(shù)據(jù)，可以解決該難題［3～7］。

2 系統(tǒng)設(shè)計

光電裝備全景圖像仿真測試系統(tǒng)采用工控機（安裝全景圖像仿真模擬器軟件）和全景圖像仿真電路板組成的設(shè)計。工控機模擬產(chǎn)生兩路相應(yīng)場景的紅外視頻，每路視頻覆蓋90°視場，通過PCI總線將圖像數(shù)據(jù)寫入圖像仿真板的雙口RAM內(nèi)，圖像仿真板FPGA根據(jù)需要模擬扇掃紅外熱像儀輸出的圖像數(shù)據(jù)和同步信號，然后對圖像進行幀計數(shù)、行計數(shù)，并根據(jù)幀計數(shù)狀態(tài)讀取雙口RAM內(nèi)的紅外圖像數(shù)據(jù)，將兩路紅外圖像進行旋轉(zhuǎn)變換后通過CameraLink接口輸出給光纖發(fā)送板，光纖發(fā)送板采集圖像數(shù)據(jù)后通過光纖發(fā)送模塊將兩路圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至圖像采集板，圖像采集板收到圖像數(shù)據(jù)后將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)提取板，圖像采集板對紅外圖像進行旋轉(zhuǎn)變換、圖像細節(jié)增強等處理，并經(jīng)CPCI總線發(fā)送至加固機顯示。目標(biāo)提取板提取圖像中的可疑目標(biāo)后經(jīng)CPCI將目標(biāo)信息發(fā)送至上位機。

具體流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作處理框圖

仿真系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）方位：0～360°，俯仰：-15°～45°；

2）目標(biāo)數(shù)：不小于200批；

3）圖像更新頻率：1Hz；

4）根據(jù)320×256面陣紅外探測器的工作時序，實時輸出紅外仿真圖像。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 圖像仿真電路板

圖像仿真電路板采用目前主流的FPGA+大容量緩存為中心的硬件形式［8～12］。系統(tǒng)組成包括控制算法模塊、PCI接口通訊模塊、雙口RAM存儲器模塊、差分信號發(fā)送模塊等。原理框圖如圖2所示。

圖2 圖像仿真電路板原理框圖

1）控制算法模塊

控制算法模塊是圖像仿真電路板的中樞部分，內(nèi)存讀寫控制信號、紅外圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)生、幀同步、列同步信號和PCI通訊控制都由控制算法模塊控制。該模塊主要通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)。采用商用級芯片EP2S90F1508，實現(xiàn)存儲器接口控制、PCI總線控制和圖像的坐標(biāo)變換等功能，以6片IDT70T3509存儲器作為圖像緩沖區(qū)，結(jié)合PCI、CameraLink接口，實現(xiàn)圖像的采集和輸出。圖像仿真板與上位機采用“乒乓”方式實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的交互，F(xiàn)PGA根據(jù)紅外圖像的時序要求產(chǎn)生圈同步、幀同步信號，在每幀圖像結(jié)束的位置給上位機發(fā)送中斷信號，上位機收到中斷信號后將仿真圖像寫入圖像仿真板的雙口RAM中。

FPGA根據(jù)幀計數(shù)器的狀態(tài)控制上位機對雙口RAM的讀寫，當(dāng)前幀號位奇數(shù)時，上位機通過PCI將圖像數(shù)據(jù)寫入DPRAM1、DPRAM2、DPRAM3，F(xiàn)P?GA讀取DPRAM4、DPRAM5、DPRAM6里面的圖像數(shù)據(jù)，對圖像數(shù)據(jù)做旋轉(zhuǎn)變換后經(jīng)過CameraLink總線輸出圖像數(shù)據(jù)；當(dāng)前幀號位偶數(shù)時，上位機通過PCI將 圖 像 數(shù) 據(jù) 寫 入 DPRAM4、DPRAM5、DPRAM6，F(xiàn)PGA讀取DPRAM1、DPRAM2、DPRAM3里面的圖像數(shù)據(jù)，對圖像數(shù)據(jù)做旋轉(zhuǎn)變換后經(jīng)過CameraLink總線輸出圖像數(shù)據(jù)。

2）PCI接口通訊模塊

圖像仿真板與PC機通過PCI接口進行通信，實現(xiàn)紅外圖像和控制命令的傳輸，PCI接口峰值最大速率可以到132Mb/s，通過PCI接口，工控機可將圖像數(shù)據(jù)寫入圖像仿真電路板上存儲器，同時通過PCI總線也可實時的讀取存儲器中圖像數(shù)據(jù)，在工控機中顯示分析圖像數(shù)據(jù)。

目前PCI總線接口的開發(fā)分為兩類：一種是采用符合PCI規(guī)范的PLD芯片，另一種是采用PCI總線專用的控制芯片。使用專用的PCI接口芯片是一種省時省力的方案，這方面開發(fā)經(jīng)驗較多，本模塊也使用了PLX公司的PCI9054芯片，它是一種33Mb/s的32bitPCI接口控制器，可以實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)交換要求。

3）雙口RAM存儲器模塊

雙口RAM存儲器主要用于紅外圖像數(shù)據(jù)的緩存，選擇使用大容量存儲器構(gòu)成，要求數(shù)據(jù)讀出速度不小于16Mb/s。本模塊采用了同步靜態(tài)雙口RAM（IDT70T3509），容量 1MB*36，讀寫速度為133MHz。

4）差分信號發(fā)送模塊

差分發(fā)送芯片采用TI公司生產(chǎn)的DS90CR287芯片可減少差模干擾，提高信號的抗干擾能力。

3.2 軟件實現(xiàn)

光電裝備全景圖像仿真測試系統(tǒng)軟件劃分為模擬目標(biāo)視頻生成模塊、模擬目標(biāo)視頻傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

1）模擬目標(biāo)視頻生成模塊

（1）功能：生成海戰(zhàn)場環(huán)境下，方位0～360°，俯仰-15°～45°，不小于200批目標(biāo)（包括飛機、艦船和導(dǎo)彈）進行直線運動的中波紅外圖像，可根據(jù)需要在俯仰-15°～45°內(nèi)進行俯仰方向的抬頭和低頭。

（2）初始設(shè)置：目標(biāo)數(shù)量。

（3）輸入：用戶控制命令（開始、結(jié)束），警戒區(qū)域設(shè)置，波門顯示設(shè)置。

（4）輸出：顯示本地保存目標(biāo)的時戳、批號、方位和俯仰，目標(biāo)/背景的模擬視頻。

（5）模擬仿真流程：仿真軟件啟動后，首先初始化，倒入飛機、艦船、導(dǎo)彈等目標(biāo)的三維模型數(shù)據(jù)；等待用戶設(shè)置飛機、艦船、導(dǎo)彈三類目標(biāo)的數(shù)量，點擊“開始”控制按鍵啟動模擬仿真；當(dāng)仿真開始后，根據(jù)仿真目標(biāo)的數(shù)量加入相應(yīng)的個數(shù)的目標(biāo)模型，設(shè)置目標(biāo)的三維坐標(biāo)，并根據(jù)目標(biāo)的距離調(diào)整目標(biāo)的尺寸，根據(jù)目標(biāo)的對比度設(shè)置調(diào)整目標(biāo)的灰度。

（6）模擬仿真實現(xiàn)

圖像仿真軟件基于DirectX接口進行編程。DirectX（Direct extension，DX）是由微軟公司創(chuàng)建的多媒體編程接口，由C++編程語言實現(xiàn)，遵循COM，被廣泛應(yīng)用于電子游戲開發(fā)及圖形、圖像仿真。目標(biāo)的運動是隨機產(chǎn)生并符合一定規(guī)律的。隨機產(chǎn)生目標(biāo)的初始位置、朝向，在正常的目標(biāo)運動速度基礎(chǔ)上迭加一定量的隨機速度，讓目標(biāo)在三維場景中做直線運動。為保證圖像視場內(nèi)可見目標(biāo)數(shù)量的大致恒定，讓超出視場和距離超出一定范圍的目標(biāo)消失并產(chǎn)生一個新的目標(biāo)，保證用于目標(biāo)檢測的數(shù)量達到要求。

2）模擬目標(biāo)視頻傳輸模塊

（1）功能：通過PCI接口，以1Hz的頻率把方位0～360°，俯仰2.7°的模擬目標(biāo)視頻寫入到圖像仿真電路板中。

（2）輸入：用戶控制命令（開始、結(jié)束），抬頭，低頭。

（3）輸出：方位0～360°，俯仰2.7°的模擬目標(biāo)視頻。

圖像仿真開始后，生成方位0～360°、俯仰2.7°的模擬視頻圖像，緩存方位360°分為內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，在仿真軟件界面上分四個條帶同時刷新顯示圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)寫入PCI總線，以1HZ頻率輸出圖像數(shù)據(jù)。仿真產(chǎn)生的圖像分辨率為320行×45760列，每個傳感器陣列圖像為320行×11440列。

3）數(shù)據(jù)處理模塊

（1）功能：接收綜合信息處理顯控臺通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的目標(biāo)信息，記錄成相應(yīng)的文件；事后，對仿真得到的目標(biāo)信息和綜合信息處理顯控臺發(fā)送的目標(biāo)信息進行匹配，計算出紅外警戒模塊正確探測的目標(biāo)信息。

（2）輸入：網(wǎng)絡(luò)時統(tǒng)信息，仿真得到的目標(biāo)信息，目標(biāo)探測信息。

（3）輸出：紅外警戒模塊正確探測的目標(biāo)信息。

保存目標(biāo)信息時，需保存目標(biāo)所處的幀號、目標(biāo)的方位角及俯仰角。綜合信息處理顯控臺通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的目標(biāo)信息，是在接收到仿真圖像并進行目標(biāo)檢測后輸出的目標(biāo)檢測信息，因此綜合信息處理顯控臺通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的目標(biāo)信息較仿真目標(biāo)信息要延后一幀。根據(jù)幀號對比圖像數(shù)據(jù)，由于目標(biāo)缺乏一一對應(yīng)的關(guān)系，只能以仿真目標(biāo)信息為參考，在檢測目標(biāo)信息中一一匹配找到方位角、俯仰角誤差最小且小于一定數(shù)值的一組數(shù)據(jù)為最佳匹配，記錄能夠匹配上的點對數(shù)量計算出檢測概率，分別計算方位角、俯仰角的誤差均方差。如此可作為檢驗被檢設(shè)備目標(biāo)檢測性能的依據(jù)。

4 仿真試驗

4.1 試驗方案

利用某光電裝備演示驗證系統(tǒng)作為陪試設(shè)備，該系統(tǒng)有兩個傳感器陣列A、B。首先仿真系統(tǒng)生成典型戰(zhàn)場的紅外仿真圖像，然后將仿真圖像按90°方位角等間隔分成4路，選取第1路和第2路圖像，分別發(fā)送給PCI圖像仿真處理板1，圖像仿真處理板根據(jù)生成相應(yīng)的紅外視頻，直接注入演示驗證系統(tǒng)陣列A和陣列B中的紅外警戒模塊進行試驗。試驗可模擬生成方位范圍在0～360°，俯仰范圍在-15°～45°范圍的紅外圖像；可添加艦船目標(biāo)、飛機目標(biāo)和導(dǎo)彈目標(biāo)，目標(biāo)總數(shù)不超過200個；按幀輸出模擬紅外圖像，每幀圖像分辨率320×256（該參數(shù)每個傳感器陣列的具體情況可調(diào)）。

1）試驗步驟

試驗流程如圖4所示。

圖4 試驗示意圖

（1）演示驗證系統(tǒng)安裝在實驗室內(nèi)，兩個傳感器陣列的光學(xué)窗口法線呈成90°夾角布置，覆蓋180°的空域。兩個傳感器陣列的光軸在同一水平位置上。用已知方位、俯仰角的典型目標(biāo)對傳感器陣列進行位置標(biāo)定，系統(tǒng)正常后，進入防空反導(dǎo)工作模式。

（2）啟動圖像仿真計算機（含PCI圖像仿真處理板）進行功能檢查。接著，對圖像仿真計算機與演示驗證系統(tǒng)之間的視頻傳輸和網(wǎng)絡(luò)通訊接口檢查，用模擬的典型目標(biāo)位置（方位、俯仰）對演示驗證系統(tǒng)、圖像仿真計算機進行位置標(biāo)定。

（3）在圖像仿真計算機上設(shè)置模擬目標(biāo)的數(shù)量，在0°～180°方位范圍內(nèi)目標(biāo)數(shù)不小于100批，軟件隨機產(chǎn)生目標(biāo)的起始位置、運動方向和運動速度，生成視頻，直接注入演示驗證系統(tǒng)，演示驗證系統(tǒng)接收并處理收到的視頻，給出探測結(jié)果，由試驗記錄設(shè)備進行數(shù)據(jù)記錄（重復(fù)10次），取平均值并用四舍五入方法取整數(shù)。

2）數(shù)據(jù)處理

演示驗證系統(tǒng)每個陣列將不小于50批的紅外目標(biāo)探測出來，并將各自角坐標(biāo)航跡數(shù)據(jù)打印輸出；圖像仿真計算機同時也將這些目標(biāo)的角坐標(biāo)航跡數(shù)據(jù)打印輸出。對照兩者的數(shù)據(jù)是否相符合，數(shù)據(jù)相符合的目標(biāo)數(shù)就是演示驗證系統(tǒng)同時追蹤記憶目標(biāo)能力，即多目標(biāo)處理能力。

4.2 試驗結(jié)果

按照仿真需求，模擬目標(biāo)包括艦船60艘、飛機20架、導(dǎo)彈30枚。錄取檢測數(shù)據(jù)200幀，具體數(shù)據(jù)見下圖。

圖5 檢測目標(biāo)信息圖

該型仿真測試系統(tǒng)的主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)實現(xiàn)情況如表1所示。

表1 主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)實現(xiàn)情況

5 結(jié)語

本文設(shè)計實現(xiàn)了一套光電裝備全景圖像仿真測試系統(tǒng)，并進行了試驗驗證。研究成果較好解決了光電裝備在研制、試驗、維修保障中多批量目標(biāo)模擬難度大的難題，對縮短裝備能研制周期發(fā)揮教好作用。