CN100443859C - 用于光电经纬仪的目标仿真方法 - Google Patents

Abstract

用于光电经纬仪的目标仿真方法，其特点在于：同时对目标的轨迹、目标特性和背景进行仿真，其仿真结果送至目标图像合成模块，目标图像合成模块根据目标位置计算模块、目标特性计算模块和背景图像选择模块的结果，在背景图像上叠加目标图像，完成整幅图像的生成；最终生成的图像传输至光电经纬仪的电视图像处理***，综合驱动光电经纬仪的电视图像处理***、计算机数据处理***和跟踪控制***，使仪器对仿真目标进行跟踪。本发明提供了一种实时的、较真实的目标仿真图像，可快速完备地完成光电经纬仪的室内联调、外场校飞和训练工作，且使用方便、成本低廉、效果良好，适合于仿真各种不同运动特征和成像特征的目标。

Description

用于光电经纬仪的目标仿真方法

所属技术领域

本发明涉及一种用于光电经纬仪的目标仿真方法，具体涉及目标轨迹、目标特性以及背景图像的仿真方法。

背景技术

光电经纬仪通常是由光学***、光电探测器、电视图像处理***、角度编码器、计算机数据处理***和跟踪控制***组成。在现代光电经纬仪的设计研制中，一般需要经历***设计加工、室内联调、外场校飞、操作手训练和进行实际任务等阶段。在室内联调、外场校飞以及操作手训练的过程中，由于实际目标图像难以获取，一般采用光学静态和动态靶标进行目标的模拟，以考验仪器设备的性能。

在室内联调时，对于静态目标一般采取平行光管模拟目标，可初步进行目标位置的提取。但此时的目标图像质量很好，且背景简单，无法深入考验电视图像处理***在不同背景条件下的目标信号提取和处理能力；并且由于目标处于静止状态，难以和实际目标图像的情况接近，无法使电视图像处理***、计算机数据处理***以及跟踪控制***等各***联合调试以检验整机的性能。通常改进的方法是采用室内动靶标进行目标模拟，此时可在一定范围内进行目标运动的仿真，但是由于室内设备的限制，模拟出的目标的运动范围、速度、轨迹等特性受限，难以同真实目标相接近。

在外场校飞和操作手训练的时候，通常采用信号弹、气球靶或者飞机进行***初步性能检测，然后使用待测实弹或特性相似的实弹进行试验。信号弹所产生的目标图像质量较好，但目标机动性较强，且只有可见光探测器可以进行目标提取；气球靶放飞时目标运动很慢，目标飞行不具有明显、光滑的目标轨迹；飞机校飞时所产生的目标图像一般为面目标，同导弹的目标图像不同，无论打信号弹还是采用飞机校飞成本都很高；利用实弹测试不但成本高，而且风险也大，试验结果难以再现。

总之，现有的各种目标仿真技术难以方便完整地产生同真实任务相类似的条件，无法深入、方便地综合检测仪器的电视图像处理***、计算机数据处理***和跟踪控制***等关键部分的性能，从仪器生产完成到正式投入使用的周期长，外场校飞和操作手训练成本高。

发明内容

本发明需要解决的技术问题：克服现有目标图像仿真技术的不足，提供一种实时的、较真实的目标图像仿真方法，快速完备地完成光电经纬仪的室内联调、外场校飞和训练工作，且使用方便、成本低廉、效果良好，可对各种具有不同运动特征和成像特征的目标进行仿真。

本发明的技术解决方案是：同时对目标的轨迹、特性和背景进行仿真。具体包括下列步骤：

(1)首先由目标轨迹仿真模块1根据所需目标的运动特征，如最大加速度、最大速度、飞行高度、机动性能等参数，生成目标的运动轨迹数据送至目标特性仿真模块2，同时将轨迹数据经坐标转换后送至目标位置计算模块4；目标位置计算模块4根据目标的位置，结合光电经纬仪的角度编码器11的实时角度信息以及光电探测器的像素物理尺寸计算目标在最终图像中的位置，并将此信息送至目标图像合成模块7。

(2)目标特性仿真模块2根据目标位置、目标类型、环境参数等确定目标的图像特征，如大小、灰度和形状等，将此信息送至目标图像合成模块7。

(3)背景图像仿真模块3根据背景图像的要求生成仿真背景图像传输至背景图像选择模块5；背景图像采集模块6实时采集光电探测器9的图像传输至背景选择模块5；背景图像选择模块5根据需要可采用仿真背景或者实时图像作为仿真图像的背景，并将此仿真图像的背景送至目标图像合成模块7。

(4)目标图像合成模块7根据目标位置计算模块4、目标特性计算模块3和背景图像选择模块5的结果，在背景图像上叠加目标图像，完成整幅图像的生成，然后传输至光电经纬仪的电视图像处理***10。

(5)由以上过程最终生成的目标仿真图像综合驱动光电经纬仪的电视图像处理***10、计算机数据处理***12和跟踪控制***13，使仪器对仿真目标进行跟踪。

本发明的优点在于使用的方便性和低成本。通常进行目标仿真需要价格高昂的光学器件或者试验实弹任务来实施，而采用此方法，不仅操作简单方便，更重要的是其成本低廉，试验周期短。本方法适用于光学跟踪测量仪器在室内进行全面的调试，可以综合测试图像处理***、数据处理***和传动控制***的性能；在外场校飞/操作手训练时更加方便，成本低，周期短。

附图说明

图1为本发明的仿真过程示意图；

图2为本发明的一个实例的示意图。

具体实施方式

如图1所不，本发明用于光电经纬仪的目标仿真方法具体步骤如下：

(1)首先建立统一的空间直角坐标系O-XYZ，其坐标原点可在任意点。计算出测量设备在该坐标系中的位置(Xs，Ys，Zs)；同时建立测站局部极坐标系S-RAE，其坐标原点为测量设备测量中心。

(2)目标轨迹仿真模块1根据所需目标的运动特征，如最大加速度、最大速度、飞行高度、机动性能等参数，生成目标的在离散采样时间点上的理论运动轨迹数据(Xi，Yi，Zi)，该数据在坐标系O-XYZ中，将该轨迹数据转换为相对于测站局部极坐标系中的坐标(Ri，Ai，Ei)，将该数据送至目标特性仿真模块2；同时将其中的(Ai，Ei)送至目标位置计算模块4。

(3)目标位置计算模块4根据得到目标的在测站局部极坐标系中的位置(Ai，Ei)，减去光电经纬仪的角度编码器11提供的仪器角度指向信息(AOi，EOi)，得到目标在光电经纬仪电视试场中的角度偏移量(DAi，DEi)，根据光电探测器的物理像素尺寸可计算目标在最终图像中的像素位置(DXi，DYi)，并将此信息送至目标图像合成模块7。

(4)目标特性仿真模块2根据事先选择的目标类型确定目标的几何特性和物理特性，结合目标位置(Ri，Ai，Ei)和环境参数(如太阳位置，大气透过率，温度等)可确定目标在最终图像中的成像大小、形状和灰度分布，即日标在成像区域内每个像素上的灰度分布。将上述目标图像的像素灰度分布信息送至目标图像合成模块7。

(5)背景图像仿真模块3根据背景图像的要求生成仿真背景图像传输至背景图像选择模块5；背景图像采集模块6采用硬件电路实时采集光电探测器9的图像传输至背景选择模块5；背景图像选择模块5根据需要可采用仿真背景或者实时图像作为仿真图像的背景，并将此背景图像送至目标图像合成模块7。

(6)目标图像合成模块7根据目标位置计算模块4、目标特性计算模块3和背景图像选择模块5的结果，在背景图像上叠加目标图像，完成整幅图像的生成，然后传输至光电经纬仪的电视图像处理***10。

(7)由以上过程最终生成的目标仿真图像综合驱动光电经纬仪的电视图像处理***10、计算机数据处理***12和跟踪控制***13，使仪器对仿真目标进行跟踪。

在光电经纬仪的目标仿真方法中，目标轨迹仿真1、目标特性仿真2、背景图像仿真3、目标位置计算模块4主要由计算软件组成，依赖于通用的计算机硬件环境；背景图像采集6、目标图像合成7以硬件电路为主，辅以相应的计算机控制软件。

实施例：光电经纬仪室内联调

如图2所示为典型的导弹靶场测量示意图。图中以O-XYZ建立统一的靶场直角坐标系，Y轴垂直向上。测量设备S光电经纬仪位于该坐标系中(Xs，Ys，Zs)点。建立以S为原点的空间极坐标系S-RAE，其中A轴与O-XYZ中的X轴相平行，E零平面为O-XZ平面。

为了进行光电经纬仪***室内联调进行目标仿真，此时目标仿真***的参数可设置为：

目标仿真***根据所选的目标运动特性和轨道参数，首先计算出目标在***采样时刻点上的位置(Xi，Yi，Zi)，

Xi＝1000cos(45°)i²

i＝0，0.04，0.08，0.12，…

Zi＝0

对于每个时刻的目标空间位置(Xi，Yi，Zi)，解算出目标在测量设备局部坐标系中的局部坐标(Ri，Ai，Ei)，

$\mathrm{Ri}=\sqrt{{(\mathrm{Xi}-\mathrm{Xs})}^2+{(\mathrm{Yi}-\mathrm{Ys})}^2+{(\mathrm{Zi}-\mathrm{Zs})}^2}$

Ai＝arctan((Zi-Zs)/(Xi-Xs))

Ei＝arcsin((Yi-Ys)/Ri)

在***实时工作过程中，光电经纬仪角度编码器实时采集的仪器指向为(AOi，EOi)，据此可求得时刻i目标相对与光电经纬仪主光轴的角度偏移量(DAi，DEi)，

DAi＝Ai-AOi

DEi＝Ei-EOi

根据光电经纬仪每个探测器的像素尺寸，可以确定目标在探测器靶面内成像的中心像素坐标(DXi，DYi)(如果目标相对于主光轴的偏移量(DAi，DEi)大于探测器的最大视场(2°×2°)，则目标将不出现在探测器的最终仿真图像之中)，

DXi＝DAi/3″+256

DYi＝DEi/3″+256

对于目标的大小特征可以根据事先设置的目标形状、尺寸以及***光学参数，计算出目标成像的物理大小，根据探测器的像素尺寸即可解算出目标的像素大小。目标的灰度仿真需要根据目标的局部坐标中的距离信息、光学***参数、探测器的灵敏度及光谱响应特性等综合确定，最终计算出目标各像素的灰度分布。

对于背景图像的获取可采用两种方式进行。一种是事先生成的仿真背景，该背景可以完全安装需要的背景图像特性(如背景亮度、噪声等)进行仿真生成，对于不易仿真的背景图像或者为考察仪器在真实背景图像中的工作情况，也可将通过其它途径事先采集好的背景图像(如星空)作为背景送入***。这种方式特别适用于仪器的室内联调。另一种方式是在光电经纬仪实时工作中采集光电探测器的实时图像作为背景图像。在获得目标的图像和背景的图像后即可进行仿真图像的合成。

在上述的目标仿真***中，通过调节目标的成像参数，可以使仿真目标在最终图像上的大小和灰度分布产生所需变化，从而考察光电经纬仪电视处理***对于弱小点目标或面目标的提取能力；通过改变目标的运动特性，可以考察计算机数据处理***和跟踪控制***对于平稳目标或机动目标的跟踪控制能力。

总之，通过综合考验光电经纬仪***的电视探测***、计算机数据处理***和跟踪控制***的能力，可快速完备的完成***的室内联调，增强***出厂时的可靠性，为***进行外场实地调试打下坚实的基础。

Claims (3)

1、用于光电经纬仪的目标仿真方法，其特征在于：能够同时对目标的轨迹、特性和背景进行仿真，具体包括下列步骤：

(1)由目标轨迹仿真模块根据所需目标的运动特征，生成目标的运动轨迹数据送至目标特性仿真模块，同时将轨迹数据经坐标转换后送至目标位置计算模块；目标位置计算模块根据目标的位置，结合光电经纬仪的角度编码器的实时角度信息以及光电探测器的像素物理尺寸计算目标在最终图像中的位置，并将此信息送至目标图像合成模块；

(2)目标特性仿真模块根据目标位置确定目标的图像特征，并将此信息送至目标图像合成模块；

(3)背景图像仿真模块根据背景图像的要求生成仿真背景图像传输至背景图像选择模块；背景图像采集模块实时采集光电探测器的图像传输至背景图像选择模块；背景图像选择模块根据需要可采用仿真背景或者实时图像作为仿真图像的背景，并将此仿真图像的背景送至目标图像合成模块；

(4)目标图像合成模块根据目标位置计算模块、目标特性计算模块和背景图像选择模块的结果，在背景图像上叠加目标图像，完成整幅图像的生成，然后传输至光电经纬仪的电视图像处理***；

(5)目标图像合成的仿真信号经过光电经纬仪的电视图像处理***及计算机数据处理***和跟踪控制***，使光电经纬仪对仿真目标进行跟踪。

2、据权利要求1所述的用于光电经纬仪的目标仿真方法，其特征在于：所述的步骤(1)中目标在仿真图像中的位置主要由目标仿真轨迹数据和光电经纬仪角度编码器的实时角度数据共同确定。

3、根据权利要求1所述的用于光电经纬仪的目标仿真方法，其特征在于：所述的最终生成目标仿真图像同时包括有目标位置、目标特性和背景的仿真结果。