光電跟蹤儀目標(biāo)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅靜玲+杜娟

摘要： 艦載光電跟蹤儀需全天候工作，具有信息量大、可視性強(qiáng)、分辨率高等特點(diǎn)，是艦船情報(bào)系統(tǒng)的重要組成部分。設(shè)計(jì)了一種針對艦船和空中目標(biāo)進(jìn)行光電跟蹤的仿真系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的組成和仿真軟件的功能模塊，通過對該系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)目標(biāo)跟蹤能力分析與測試，證實(shí)該系統(tǒng)可以對艦載光電跟蹤儀跟蹤能力進(jìn)行全面的測試。

關(guān)鍵詞： 動態(tài)目標(biāo)； 目標(biāo)仿真； 模擬場景

中圖分類號： TN 2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.013

Design of target simulator for optoeletronical tracking system

LUO Jingling， DU Juan

（Wuhan National Laboratory for Optoelectronics， China Shipbuilding Industry Group

No.717 Research Institute， Wuhan 430020， China）

Abstract： Optoelectronical tracking system works day and night. It has the advantages of lots of information， high resolution and it is an intelligent system on the ships. In this paper， we design a target simulator for ships and aerial target. It presents the system composition and the function blocks of simulation software. By analysis of the system for static and dynamic target tracking， we calculate tracking accuracy for optoelectronical tracking system.

Keywords： dynamic target； target simulation； simulative scene

引言艦載光電跟蹤儀是艦炮武器系統(tǒng)中跟蹤?？漳繕?biāo)的跟蹤設(shè)備，采用光電成像方式，將自然景物的光信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l圖像。它是艦載近程反導(dǎo)武器系統(tǒng)中最適合的跟蹤設(shè)備，目標(biāo)的跟蹤能力是光電跟蹤儀的重要性能指標(biāo)之一[1]。因此在光電跟蹤儀的跟蹤能力測試中，目標(biāo)的選取至關(guān)重要。光電跟蹤儀對目標(biāo)進(jìn)行可靠提取并跟蹤通常要同時(shí)滿足3個(gè)條件：目標(biāo)表面光或熱輻射能量經(jīng)大氣傳輸達(dá)到接收光學(xué)系統(tǒng)最小接收范圍；目標(biāo)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)在靶面上成像的尺寸應(yīng)滿足跟蹤提取目標(biāo)的要求；目標(biāo)和背景在探測器像面對比度應(yīng)大于信號檢測所需要的最小對比度要求[23]。目前，在光電跟蹤儀試驗(yàn)和測試過程中，目標(biāo)的選取主要還是依賴于實(shí)體目標(biāo)。本文介紹了一種艦載光電跟蹤儀的目標(biāo)仿真系統(tǒng)，通過軟件對目標(biāo)進(jìn)行仿真，可對海上和空中兩種目標(biāo)進(jìn)行仿真，從而達(dá)到對艦載光電跟蹤儀跟蹤能力的全面測試。1系統(tǒng)組成及基本原理光電跟蹤儀目標(biāo)仿真系統(tǒng)的原理是通過計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)場景的變換，通過視頻疊加技術(shù)，在海天背景上疊加海上和空中目標(biāo)，配合光電跟蹤儀進(jìn)行工作，達(dá)到了真實(shí)儀器和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)同步，從而完成對光電跟蹤儀跟蹤能力的測試[45]。光電跟蹤儀目標(biāo)仿真系統(tǒng)主要由工控計(jì)算機(jī)和控制機(jī)箱組成?？刂茩C(jī)箱包含操控模塊、低壓電源、距離模擬電路板、檢測控制板和角度轉(zhuǎn)換板五個(gè)部分。工控計(jì)算機(jī)中包含高速視頻疊加卡、顯卡。高速視頻疊加卡用于目標(biāo)的疊加和產(chǎn)生，距離模擬電路板和角度轉(zhuǎn)換板用于目標(biāo)三維航路的生成，檢測控制板用于激光主、回波信號的模擬和時(shí)統(tǒng)信號的對準(zhǔn)。其原理圖如圖1所示。

圖1光電跟蹤儀目標(biāo)仿真系統(tǒng)原理圖

Fig.1Schematic diagram of target simulator for optoelectronical tracking system

光學(xué)儀器第37卷

第2期羅靜玲，等：光電跟蹤儀目標(biāo)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工作原理通過光電跟蹤儀目標(biāo)仿真系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件界面設(shè)置模擬目標(biāo)參數(shù)，計(jì)算機(jī)根據(jù)目標(biāo)的距離、航向、航速、航路捷徑和光電跟蹤儀傳送過來的測角模擬量，由計(jì)算機(jī)解算出目標(biāo)疊加在視頻圖像上的位置；通過視頻疊加卡生成模擬目標(biāo)視頻信號及相關(guān)背景，并依據(jù)模擬目標(biāo)的距離確定激光主、回波信號，將疊加了模擬目標(biāo)的視頻和模擬的激光主、回波信號回送給光電跟蹤儀；通過控制機(jī)箱的操控模塊對光電跟蹤儀進(jìn)行操控，完成模擬目標(biāo)捕獲、提取、跟蹤和測距，光電跟蹤儀目標(biāo)仿真系統(tǒng)根據(jù)光電跟蹤儀發(fā)送回來的目標(biāo)跟蹤誤差來評定其跟蹤性能[6]。2目標(biāo)仿真軟件設(shè)計(jì)光電跟蹤儀目標(biāo)仿真系統(tǒng)采用Windows XP操作系統(tǒng)，其軟件設(shè)計(jì)采用VC6.0、OpenGL。功能模塊可分為人機(jī)交互、目標(biāo)航路計(jì)算、目標(biāo)仿真圖像繪制、仿真圖像視頻疊加、數(shù)據(jù)與圖像處理發(fā)送、數(shù)據(jù)處理評估、系統(tǒng)自檢等模塊。

2.1目標(biāo)航路計(jì)算根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)類型、目標(biāo)速度、航向等信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)航路的計(jì)算，實(shí)時(shí)計(jì)算出目標(biāo)在當(dāng)前時(shí)刻的三維坐標(biāo)參數(shù)。

2.2目標(biāo)仿真圖像繪制模塊實(shí)現(xiàn)目標(biāo)模型的繪制、場景圖像的繪制、依據(jù)目標(biāo)距離和視場匹配目標(biāo)大小、目標(biāo)姿態(tài)調(diào)整。目標(biāo)仿真圖像繪制子功能模塊組成如圖2所示。

2.3仿真圖像視頻疊加模塊依據(jù)目標(biāo)運(yùn)行軌跡，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與背景場景的準(zhǔn)確疊加。包括目標(biāo)三維數(shù)據(jù)折算成像素點(diǎn)坐標(biāo)、目標(biāo)模型在像素點(diǎn)坐標(biāo)的貼圖。其組成如圖3所示。

圖2目標(biāo)仿真圖像繪制子功能模塊圖

Fig.2Function block for images plotting of

the target simulator圖3仿真圖像視頻疊加子功能模塊圖

Fig.3Function block for image superposition of

the target simulator

2.4數(shù)據(jù)與圖像處理模塊實(shí)現(xiàn)測角方位、高低數(shù)據(jù)的采樣、激光狀態(tài)采樣、仿真圖像數(shù)據(jù)發(fā)送、目指數(shù)據(jù)發(fā)送等。其組成如圖4所示。

2.5數(shù)據(jù)處理評估實(shí)現(xiàn)光電跟蹤的誤差統(tǒng)計(jì)。光電設(shè)備對模擬目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)，統(tǒng)計(jì)光電跟蹤的方位和高低誤差量，計(jì)算出方位和高低方向跟蹤誤差的均方差，與設(shè)備要求的跟蹤精度進(jìn)行比較，并判斷跟蹤性能是否合格。

2.6操控組件檢測實(shí)現(xiàn)操縱桿、觸摸屏、摸球等操控組件的檢測。如圖5所示。

圖4數(shù)據(jù)與圖像處理子模塊圖

Fig.4Function block for data and image processing圖5操控組件檢測子模塊組成圖

Fig.5Function block for component testing

3系統(tǒng)測試光電跟蹤儀目標(biāo)仿真系統(tǒng)操作界面如圖6所示。在人機(jī)界面上可以選擇目標(biāo)類型“海上目標(biāo)”或是“空中目標(biāo)”，然后對目標(biāo)的運(yùn)動方向、距離、速度、圖6光電跟蹤儀目標(biāo)仿真系統(tǒng)界面

Fig.6Interface of the target simulator system加速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，還可以預(yù)設(shè)幾個(gè)固定的目標(biāo)軌跡，以便隨時(shí)調(diào)用。當(dāng)目標(biāo)參數(shù)設(shè)置完畢后，即可開始仿真，系統(tǒng)會按照相應(yīng)的目標(biāo)參數(shù)模擬出目標(biāo)的實(shí)時(shí)視頻。該仿真視頻輸入光電跟蹤儀，操作手操作光電跟蹤儀對目標(biāo)進(jìn)行捕獲跟蹤，系統(tǒng)則會統(tǒng)計(jì)出方位與高低方向的跟蹤誤差，并判斷光電跟蹤儀的跟蹤性能是否滿足要求。測試數(shù)據(jù)如表1所示，可見該仿真系統(tǒng)可正確地進(jìn)行目標(biāo)仿真，并能有效地測試光電跟蹤儀的跟蹤精度。

表1測試數(shù)據(jù)表

Tab.1Test data

序號目標(biāo)距離/m運(yùn)動速度/（m·s-1）運(yùn)動方向/（°）目標(biāo)類型航路捷徑/m跟蹤精度/mrad110 0001290海上目標(biāo)1 0000.08212 00020030空中目標(biāo)5000.2037 00018045空中目標(biāo)4000.18

4結(jié)論該目標(biāo)仿真系統(tǒng)采用視頻疊加技術(shù)生成仿真目標(biāo)的視頻，供光電跟蹤儀進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)可穩(wěn)定正常地產(chǎn)生仿真目標(biāo)視頻，并自動計(jì)算光電跟蹤儀的跟蹤精度，有效地檢驗(yàn)了光電跟蹤儀的跟蹤性能。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：張磊）