CN101738139A - 图像注入式目标模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字图像注入式的目标模拟器，该模拟器的跟踪训练控制装置接收主控计算机发送来的目标初始参数及目标跟瞄设备参数，实时计算出目标在数字图像画幅中所占的像素数和脱靶量，并将其发送到数字图像生成装置；数字图像生成装置接收主控计算机发送来的图像帧频、图像大小和图像深度，根据目标在图像画幅中所占的像素数和脱靶量生成目标，调用跟踪训练控制装置中存储的背景图像数据，并将目标与背景图像合成后实时送给数字图像注入装置；数字图像经数字图像注入装置进行接口匹配后传送给图像处理***。本发明能够模拟目标的动态飞行，从而在不开启红外相机的情况下完成对设备的仿真检测和操作训练任务，大大减少了训练成本。

Description

图像注入式目标模拟器

技术领域

本发明涉及一种目标模拟器，特别设计一种数字图像注入式目标模拟器工程应用。

背景技术

目标模拟器的主要使命是完成操作手对光电跟瞄设备的操作训练和实现对整个光电跟瞄***的动态检测。通过增加操作手对设备的实际操作训练，一方面可以考核其业务能力，另一方面也可以完成对设备的检测和日常维护。因此，靶场试验基地需要这样专门的、低成本而又高效率的模拟训练器。

在国外，对于光电跟瞄设备仿真训练的研究，目前还没有查找到相关的研究成果。而我国在操作手仿真训练方面已经取得了一些研究成果，但这些研究成果从内容上看，都是属于纯计算机仿真训练***，脱离了具体的跟瞄设备，在跟踪捕获慢速目标方面，能达到很好的训练效果，而相对于捕获高速运动目标，效果就不是很理想；从使用情况看，现有的装备仿真训练***功能单一，且很难在接近真实的飞行条件下进行训练；另一方面，模拟训练不能实现闭环的要求，也无法实现对光电跟瞄设备的动态仿真检测。

因此，研究开发一套能够提供真实的目标飞行轨迹、实现对目标跟瞄设备的动态检测以及完成闭环训练的模拟训练***，具有一定的工程意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够提供真实的目标飞行轨迹，从而实现对目标跟瞄设备的动态检测以及完成闭环模拟训练的数字图像注入式目标模拟器。

为了解决上述技术问题，本发明的数字图像注入式的目标模拟器包括跟踪训练控制装置，数字图像生成装置，数字图像注入装置；跟踪训练控制装置接收主控计算机发送来的目标初始参数及目标跟瞄设备参数，利用目标轨迹方程实时计算出目标在数字图像画幅中所占的像素数和脱靶量，并将其发送到数字图像生成装置；数字图像生成装置接收主控计算机发送来的图像帧频、图像大小和图像深度，根据目标在图像画幅中所占的像素数和脱靶量生成目标，调用跟踪训练控制装置中存储的背景图像数据，并将目标与背景图像合成，最后，将合成后的数字图像实时送给数字图像注入装置；数字图像经数字图像注入装置进行接口匹配后传送给目标跟瞄设备的图像处理***。

所述跟踪训练控制装置包括Nios II SOPC***及作为该***运行内存和外存的SDRAM存储器和FLASH存储器；背景图像数据预先烧写于FLASH存储器中；Nios II SOPC***通过RS422-RS232转换接口与主控计算机连接，接收主控计算机发送来的目标初始参数及目标跟瞄设备参数，利用目标轨迹方程实时计算出目标在数字图像画幅中所占的像素数和脱靶量，并将其发送到数字图像生成装置。

本发明能够利用主控计算机发送来的目标初始参数、目标跟瞄设备参数及目标轨迹方程实时计算出目标在数字图像画幅中所占的像素数和脱靶量，生成目标后，将其与背景图像数据合成为一幅数字图像，注入到目标跟瞄设备的数字图像处理***中，从而实现目标动态飞行及目标环境的构建。本发明能够模拟目标的动态飞行，从而在不开启红外相机的情况下完成对设备的仿真检测和操作训练任务，大大减少了训练成本。本发明实现简单方便、可操作性强。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的数字图像注入式目标模拟器的结构框图。

图2为实现本发明的硬件电路结构框图。

图3为FPGA主控模块结构框图。

图4为Nios II SOPC***结构框图。

图5为异步FIFO模块结构框图。

图6为目标空间坐标系示意图。

图7为目标生成及背景合成模块流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的数字图像注入式的目标模拟器包括跟踪训练控制装置、数字图像生成装置和数字图像注入装置。

跟踪训练控制装置的主要功能：一是接收主控计算机发送来的目标的起始参数(包括目标的起始点、目标高度、目标速度、目标大小)，目标跟瞄设备参数(包括光学焦距、半视场角、CCD尺寸、设备方位角和设备俯仰角)，实时采集并解算出目标跟瞄编码器输出的方位角A值和俯仰角E值；二是仿真试验设定(即模拟目标的飞行轨迹设定目标轨迹方程)，从而对仿真试验进程进行控制；三是将目标的起始参数和目标跟瞄设备参数代入目标轨迹方程对目标运动轨迹进行实时计算；并将计算出的目标在数字图像画幅所占中的像素数和脱靶量发送到数字图像生成装置；四是存储背景图像数据。

数字图像生成装置主要作用是负责整个生成数字图像的时序控制。数字图像分为两个部分，一部分是背景图像，一部分是目标图像。该装置的主要功能：一是接收主控计算机发送来的图像帧频、图像大小和图像深度；二是实时接收由跟踪训练控制装置发送来的目标在数字图像画幅中所占的像素数和脱靶量，并生成目标，同时调用背景图像数据，将目标与背景图像合成一幅数字图像，三是将合成的数字图像实时送给数字图像注入装置。

数字图像注入装置提供数字图像注入接口，并负责数字图像数据通信控制，其通信和接口应与被试目标跟瞄设备一致。本发明中数字图像注入装置对数字图像数据进行Camera Link接口匹配，采用Camera Link接口芯片与被试目标跟瞄设备的图像处理***连接。Camera Link接口标准使用每条链路需两个导线的低压差分信号(LVDS)传输技术，由于采用LVDS进行传输，提高了信号的传输距离和精度。

如图2所示，本发明的数字图像注入式的目标模拟器采用FPGA作为主控模块，在其外部扩充SDRAM存储器和FLASH存储器。主控计算机与配置芯片EPCS4通过Byte-Blaster II下载电缆进行连接。如图3所示，FPGA内部主要划分为Nios II SOPC***模块(李兰英等.Nios II嵌入式软核SOPC设计原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社)、目标生成及背景合成模块、Camera Link接口匹配模块。SDRAM存储器和FLASH存储器分别作为构建NiosII SOPC***运行的内存和外存使用，其中FLASH存储器还用来存储目标背景的数据。跟踪训练控制装置由FPGA主控模块中的Nios II SOPC***模块来实现，Nios II SOPC***模块使用RS422-RS232串行通讯接口与主控计算机通讯，由RS422-RS232串行通讯接口将LVDS信号转换为TTL信号。数字图像生成装置由FPGA主控模块中的目标生成及背景合成模块来实现。数字图像注入装置由FPGA主控模块中的Camera Link接口匹配模块来实现。Camera Link接口匹配模块采用Camera Link接口作为标准的相机接口与被试目标跟瞄设备的图像处理分***进行连接。

如图4所示，Nios II SOPC***模块的硬件设计通过软件Quartus II SOPCBuilder实现，软件设计通过C语言编程实现。主要功能是用来实现串口数据的接收、目标轨迹的计算以及传送FLASH存储器中的背景图像数据。串口数据主要是操作手通过主控计算机发来的目标的起始参数(包括目标的起始点、目标高度、目标速度、目标大小)，及目标跟瞄设备通过主控计算机传输的目标跟瞄设备参数(包括光学焦距、半视场角、CCD尺寸、设备方位角和设备俯仰角)，采用DMA(直接存储器访问)接收UART数据的方式来实现。目标轨迹的计算结果通过PIO接口送到目标生成及背景合成模块中。FLASH存储器中的背景图像数据是在烧写程序的时候一起烧写到一块固定的存储区中，用到的时候通过FLASH读命令从里面读出来，再通过PIO接口发送到异步FIFO模块中。

异步FIFO模块如图5所示，主要功能是用来实现背景图像数据的缓存功能，用FPGA片内的双端口RAM来实现缓存，所以读出和写入的速度很快。异步FIFO模块可以采用普通的外部缓存器代替。

目标动态飞行的模拟可通过目标轨迹方程来建立。下面举例说明目标轨迹方程的建立过程，但这不能对本发明的保护范围构成任何限制。

目标空间坐标系的建立：

在仿真训练实验中，必须考虑目标的几何形状，而不能把目标当成一个质点，在描述目标的空间坐标时，以目标的几何中心(形心)作为参考点。目标的空间坐标用o-xyz下直角坐标(x，y，z)描述，如图6所示。在模拟训练试验前，需要给定目标运行参数，在训练过程中，根据给定的目标运动参数和试验进程时间实时计算目标的空间坐标值。

假设A，B为两条理论航迹，(x₀，y₀，z₀)为目标起始点，z₀为目标起始高度，假定目标在飞行进程中高度不变，则飞行过程中目标位置满足如下方程(1)：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_0\±v_{x}t\\ y=y_0\±v_{y}t\\ z=z_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

方程(1)中v_x，v_y为目标在x方向和y方向的速度，为了满足截距为d，v_x，v_y应满足等式(2)：

$\frac{v_x}{v_y}=\sqrt{\frac{d^2}{y_0^2-d^2}}---\left(2\right)$

由等式(2)可以计算出目标在x方向和y方向的速度，公式如(3)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_x=v\cos \left(\arctan \sqrt{\frac{d^2}{{y_0}^2-d^2}}\right)\\ v_y=v\cos \left(\arctan \sqrt{\frac{d^2}{{y_0}^2-d^2}}\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

在(3)式中v为目标飞行速度，为已知参数，由操作手通过主控计算机提供。

目标像素大小和像素位置的计算：

目标相对观测点的距离R_T、方位角A_T、俯仰角E_T计算公式如(4)式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_T=\sqrt{x^2+y^2+z^2}\\ A_T=\left\{\begin{array}{cc}90-\arctan \left(\frac{y}{x}\right)& x>0\\ 270-\arctan \left(\frac{y}{x}\right)& x<0\\ 0& x=0,y\&GreaterEqual;0\\ 180& x=0,y<0\end{array}\right.\\ E_T=\arcsin \left(\frac{z}{r}\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

根据(4)式计算的目标方位角A_T、俯仰角Et，比照编码器数值得到设备的实际指向A，E，来判断目标是否在跟踪设备的视场内，若|A-A_T|＜w，|E-E_T|＜w(w为跟踪设备的半视场角)，则目标在视场内，脱靶量为：

A_i＝A_T-A

E_i＝E_T-E

则根据光学***参数可以计算得到：

目标像素尺寸为：

$t\arg \mathrm{et}\_\mathrm{pix}=\frac{l\&times;f\&times;n}{R_T\&times;a}$

以像素为单位的目标脱靶量为：

$t\arg \mathrm{et}\_x=\frac{A_i\&times;n}{2w\&times;\cos \left(E\right)}$

$t\arg \mathrm{et}\_y=\frac{E_i\&times;n}{2w}$

式中参数：CCD尺寸a×a，CCD像元数n×x，光学***焦距f，目标尺寸l。

目标生成及背景合成模块通过Verilog HDL语言编程来实现。

如图7所示，目标生成及背景合成模块流程包括如下步骤：

首先接收主控计算机发送的图像初始化参数(图像帧频、图像大小、图像深度)；接着接收跟踪训练控制装置发送来的目标参数(目标在图像中所占的像素数和脱靶量)和背景图像数据；然后根据接收的参数生成目标，并在背景中合成目标；最后将合成后的数字图像发送到Camera Link接口匹配装置。

Camera Link接口匹配模块通过Verilog HDL语言编程来实现，协议的转换通过标准的Camera Link接口芯片实现。

Claims (2)

1.一种数字图像注入式的目标模拟器，其特征在于包括跟踪训练控制装置，数字图像生成装置，数字图像注入装置；跟踪训练控制装置接收主控计算机发送来的目标初始参数及目标跟瞄设备参数，利用目标轨迹方程实时计算出目标在数字图像画幅中所占的像素数和脱靶量，并将其发送到数字图像生成装置；数字图像生成装置接收主控计算机发送来的图像帧频、图像大小和图像深度，根据目标在图像画幅中所占的像素数和脱靶量生成目标，调用跟踪训练控制装置中存储的背景图像数据，并将目标与背景图像合成，最后，将合成后的数字图像实时送给数字图像注入装置；数字图像经数字图像注入装置进行接口匹配后传送给目标跟瞄设备的图像处理***。

2.根据权利要求1所述的数字图像注入式的目标模拟器，其特征在于所述跟踪训练控制装置包括Nios II SOPC***及作为该***运行内存和外存的SDRAM存储器和FLASH存储器；背景图像数据预先烧写于FLASH存储器中；Nios II SOPC***通过RS422-RS232转换接口与主控计算机连接，接收主控计算机发送来的目标初始参数及目标跟瞄设备参数，利用目标轨迹方程实时计算出目标在数字图像画幅中所占的像素数和脱靶量，并将其发送到数字图像生成装置。

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