红外导引头半实物仿真中红外图像注入器设计

靳文平，符文星，肖 堃，林凡涌

（1.西北工业大学 航天学院，陕西 西安 710072；2.西北工业大学 365研究所，陕西 西安 710072）

红外导引头半实物仿真中红外图像注入器设计

靳文平1，符文星1，肖 堃1，林凡涌2

（1.西北工业大学 航天学院，陕西 西安 710072；2.西北工业大学 365研究所，陕西 西安 710072）

为了实现红外导引头半实物仿真中红外图像的实时生成和注入，设计了红外图像实时注入系统，并完成了软硬件系统设计方案。该系统的软件部分基于OSG生成实时红外仿真图像，硬件部分主要为一块PCI图像数据发送卡，将软件部分生成的实时红外仿真图像转化成Camera Link格式输出。实际应用表明，该系统完全可以实现红外图像实时仿真和注入。

半实物仿真；红外成像仿真；OSG；PCI图像数据发送卡

红外导引头是红外制导武器的核心部件，其性能直接影响导弹的飞行控制信号，对导弹的性能起着关键作用。在导弹的研制过程中，半实物仿真的作用越来越重要，根据美国大西洋导弹试验基地统计，大约有90%左右的导弹系统评估参数来自于半实物仿真实验[1]。

红外导引头半实物仿真系统将真实的红外导引头接入仿真回路，构造一个接近真实的红外场景，检测外导引头接收目标信息、跟踪目标和抗干扰能力。这个红外场景由红外图像注入器和红外成像模拟器产生。红外图像注入器根据需要，实时生成目标、背景景象数据，通过通信线路发送给红外成像模拟器，红外成像模拟器接收信号并产生红外辐射物理场，供红外导引头接收。红外成像模拟器主要用DMD实现[2]，这里就不再赘述。对于红外图像注入器，关键技术是实时生成动态红外图像和图像数据的传输，主要体现在图像成像的质量和实时性上。

1 总体设计

红外图像注入器主要包括工控机、RS422串口卡和图像数据发送卡，其连接关系如图1所示。其中计算机通过RS422串口卡接收仿真指令、气象条件、环境温度、目标类型数量、运动参数等相关指令和参数，由软件部分生成红外图像，并将图像数据通过图像数据发送卡输出。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 软件方案

整个系统可以分为下面几步：接收仿真参数，根据接收到的参数从早先建好的模型库中读取相关模型生成仿真方案，仿真方案主要包括目标背景的红外辐射信息仿真、目标在背景中的实时位置，然后模拟红外导引头实时视场图像。软件设计的结构如图2所示。

1）模型库的建立

建立目标、背景模型库主要是对目标和背景进行建模，建好的模型以模型文件的形式存储，在仿真过程中进行调用。

图2 系统软件设计结构图Fig.2 Schematic diagram of the software test system

需要建立的目标模型主要有典型飞机、坦克、舰船等。建立目标模型可使用建模工具如3dsMax、Creator建立目标的三维几何模型，并将代表材料热特性和光学特性的材质作为纹理，与模型中的面元建立映射关系，便于红外辐射计算[3]。

需要建立的背景模型主要有特定区域海天、空天、地形背景等。背景建模有很多种方法，可以以视点为中心建立包围球，建立红外辐射纹理，并将其与包围球的每一个面元建立映射关系；或者使用建模软件建立地面机场、房屋等三维几何模型，根据实际需要建立不同的模型；还可以使用数字地图红外辐射和高程数据建立大范围地形数据[4]。

2）仿真参数的接受

主要接收的参数有控制系统的运行状态的启动、运行、停止等控制指令以及目标类型、数量，目标的运动轨迹和姿态，背景类型，气象条件，环境温度，导引头位置姿态等。

3）仿真方案的生成和红外导引头实时视场仿真

这一部分利用OpenSceneGraph开发包（简称OSG）完成红外图像的生成。OSG是一个开放源码的图形开发包。主要为图形图像应用程序的开发提供场景管理和图形渲染优化的功能，使用OpenGL底层渲染API。具有开发品质高，费用低的优点[5]。

要生成仿真方案，首先得根据接收到的信息从模型库中读取模型，OSG有相应的模型读取插件，非常方便。再综合考虑目标热物性参数、表面光学特性参数、内热源、几何结构等目标自身特性参数及不同地表类型自身与周围环境的换热特性，气候环境（如雨、雾、晴等天气）等环境因素的影响，建立目标/背景光学特征计算模型，计算模型获得目标表面和背景的辐射亮度分布[6]。

在OSG中物体的运动对应的是模型的几何变换，几何变换是基于矩阵变换的,通过平移变换，旋转变换和缩放变换实现目标的平移，旋转和缩放。通过这样的运动，就可以根据目标运动轨迹模拟出目标在场景中的实时位置。

在计算机图形学中，导引头所获取的图像实际上是对三维图像根据导引头的视场进行三维裁剪，并经过投影变换得到的二维图像。在不同位置和姿态下得到的图像是不同的，通过实时地改变导引头的位置和姿态参数可以的得到实时图像。

3 硬件方案

图像数据发送卡基于工控机上的PCI总线进行图像数据传输，其功能主要是将图像数据生成Camera Link格式数据输出。Camera Link采用了LVDS格式，具有传输率高和抗噪性能好等优点。图像数据发送卡的工作原理及电路设计框图如图3所示。其功能电路以DPRAM为界，可以分为两个功能部分：PCI总线读写DPRAM和修改配置寄存器部分，缓冲区数据的高速串行发送部分，这两步分的逻辑控制功能分别在CPLD和FPGA内实现。

图3 PCI图像数据发送卡结构图Fig.3 PCI image data transmission card system

PCI总线桥接芯片使用PLX9054，CPLD芯片选用EPM1270-144，FPGA芯片选用 EP2C8QF256，DPRAM使用IDT公司的IDT70V9289高速同步双口SRAM，其存储容量为64K×16。通过使用DPRAM，可以方便的控制读出数据的顺序，必要时可以完成图像格式的转换。Camera Link输出使用DS90CR287来完成。

CPLD芯片内部逻辑控制主要分为两个部分：

1）PLX9054的Local Bus接口与DPRAM和内部寄存器之间的逻辑控制。这部分的主要工作是将PLX9054设定在C工作模式下，Local Bus的接口空间划分为两个部分，一是用于与DPRAM连接的RAM空间，二是用于内部寄存器配置的IO空间，通过状态机电路完成Local Bus的空间地址译码等控制，使得可以完成Single和Burst两种总线操作模式，便于DPRAM和内部RAM的读写控制。

2）通过IO操作方式，与FPGA的逻辑协调，控制 FPGA逻辑的工作。

FPGA模块内的核心逻辑是根据CPLD提供的同步控制信号从DPRAM中提取图像数据并控制DS90CR287进行并转串转换,完成Camera Link发送功能。FPGA的发送逻辑关系非常简单，等待一个允许发送的命令，接到命令后便读DPRAM并写入DS90CR287。

4 结束语

文中介绍了红外导引头半实物仿真系统中红外图像注入器完整的软硬件解决方案。本套方案已经用在了某型号导弹的导引头半实物仿真系统中，其图像成像的质量和实时性都完全满足实验要求。

[1]沈永福，邓方林，柯熙政.激光制导炸弹导引头半实物仿真系统方案设计[J].红外与激光工程，2002，31（2）：166-169.

SHEN Yong-fu，DENG Fang-lin，KE Xi-zheng.Scheme design of semi-physical simulation system for a laser-guided bomb seeker[J].InfraredandLaserEngineering，2002，31（2）：166-169.

[2]张凯，孙力，闫杰.基于 DMD的红外场景仿真器设计及测试[J].红外与激光工程，2008（37）:369-372.

ZHANG Kai，SUN Li，YAN Jie.Design and test of IR scene simulatorbased on the DMD[J].Infrared and Laser Engineering，2008（37）:369-372.

[3]郭明，王学伟.空间目标/星空背景红外建模与仿真[J].红外与激光工程，2002，31（2）:166-169.

GUO Ming，WANG Xue-wei.IR modeling and simulation of space target/star and space environment[J].Infrared and Laser Engineering，2002，31（2）:166-169.

[4]黄涛，明德烈，揭斐然，等.一种实时红外场景仿真方法[J].计算机与数字工程，2013（279）:121-123.

HUANG Tao，MING De-lei，JIE Fei-ran，etal.Realtime simulationofinfraredscene[J].Computer&DigitalEngineering，2013（279）:121-123.

[5]尹志永，王涛，周磊，等.基于开源 OSG引擎开发三维管线信息系统[J].城市勘测，2013（1）:57-59.

YIN Zhi-yong，WANG Tao，ZHOU Lei，et la.Development of 3D pipeline information system based on OSG engine[J].Urban Geotechnical Investigation&Surveying，2013（1）:57-59.

[6]黄建峰.基于OSG的红外场景仿真技术的研究[D].北京：北京邮电大学，2012.

Design of infrared image injector system in infrared seeker semi-physical simulation

JIN Wen-ping， FU Wen-xing， XIAO Kun， LIN Fan-yong2
（1.School of Astronautics,Northwestern Polytechnic University,Xi’an710072,China；2.The365Inst，North Western Ploytechnic University，Xi’an710072，China）

In order to achieve real-time infrared image generation and injection in infrared seeker semi-physical simulation,real-time infrared image injection system was designed.The software part of the system based on OSG generate real-time infrared simulation image,Hardware part is mainly a PCI image data transmission card,it transformed the real-time infrared simulation images generated by software to Camera Link data and sent out.The experiment and application show that this system has good performance,and achieve the design requirement.

semi-physical simulation;infrared image simulation;OSG；PCI image data transmission card

TN216

A

1674-6236（2014）02-0159-02

2013-05-29 稿件编号：201305286

靳文平（1987—），男，宁夏隆德人，硕士研究生，研究方向：导航制导与控制。