光电系统半实物仿真的研究

光电系统半实物仿真的研究

0系统模型测试光滑系统的半实物模拟系统采用网络化结构，作为验证正确制导武器设备在不破坏和重复的实验室测试和评估工具，可以提高真实、接近真实的动态红外场景、目标和各种干扰，从而形成接近真实环境和载机目标的相对运动。为激发和评估设计中的光系统的实物，引入仿真测试电路，检测和评估光系统接收的目标信息、目标、跟踪目标和干扰。这是光电系统开发的有力工具。为光电系统的原理研究、性能评价等提供经济、安全、精确、可控制和可重复的半物理仿真实验条件,对光电系统在研制、开发过程中,缩短研制周期,节省经费,提高产品性能和质量等方面有着重要意义。1光电系统半实物仿真系统的主要研究内容作为经济、安全、精确、可控制和可重复的半物理仿真实验条件,光电系统半实物仿真系统主要针对新型光电探测系统进行原理研究、算法测试、性能评价,可以支持开展光电系统关键技术研究、光电系统关键功能和性能实验以及含光电系统的火控系统半实物闭环仿真。2半实物仿真试验系统实时图形貌光电半实物仿真系统主要由仿真试验综合控制器、五轴转台、受试产品、实时图形工作站、红外/可见光动态投影仪、仿真计算机、实时网络等组成。仿真试验综合控制器对半实物仿真过程进行统一指挥和管理,为仿真实验提供激励环境,进行仿真模型的加载、初始参数设置、资源配置、指令收发、数据流协调以及状态显示,仿真数据记录,对数据进行处理并进行仿真结果、产品性能的分析和评估,最后对仿真结果进行显示和输出。五轴转台实现载机三自由度、目标二自由度的运动姿态模拟,并生成对应的运动和姿态参数。受试产品由受试光电产品及其控制台组成,实现受试产品的输入与输出信息处理、目标检测与跟踪等关键算法的验证。实时图形工作站包含典型的目标背景图像数据库、目标背景计算模块和图像数据管理模块3部分,为红外/可见光动态投影仪提供所需的红外/可见光图像序列。红外/可见光动态投影仪可模拟生成光电系统测试和半实物仿真试验过程中所需要的各种动态、静态红外/可见光目标图像,经红外光学耦合系统对图像进行放大、准直和配准后,作为光电系统的模拟目标。仿真计算机负责仿真载机的各种运动数据,并解算载机的运动方程。实时网络由高速以太网构成,实现各个节点之间的数据通讯、信息资源共享。3获取目标数据如图1所示,光电产品半实物闭环仿真环境是利用目标运动方程和载机六自由度方程获取传感器数据和稳定平台数据,同时利用建模工具和红外/可见光图像数据库等手段获取目标数据;结合大气辐射传输的计算,通过合成和处理重构出红外/可见光目标场景视频信息和载机、目标的姿态信息,分别传送给红外/可见光动态场景投影仪和五轴飞行转台,光电系统在实验过程中安装在三轴飞行转台上,以此仿真环境开展光电系统研制过程中的性能检测与评估,并可对使用光电系统时的协调工作和战术予以仿真研究。4与光电系统的配套随着光电系统战术性能的提高,极高的时域、空域、频域分辨力,强大的抗电磁干扰能力,独有的夜间观察功能和良好的战场适应性,对其半实物仿真系统也提出了更高的要求,与之配套的半实物仿真也需具备比光电系统更高的精度、分辨率及动态范围。因此,光电系统半实物仿真系统需具备如下关键技术:1)逼真的场景、目标模拟技术;2)高帧频、高分辨率高动态范围的动态场景投影技术。4.1红外/可见光目标/背景图像图1如图2所示,动态场景模拟为成像系统提供足够逼真的复杂动态场景图像,使其如同在真实环境下工作。真实的红外/可见光目标/背景图像既有空间信息,又有温度/亮度信息。红外/可见光场景生成系统根据探测系统视场和空间位置变化,实时提供相应的场景图像。逼真和实时地模拟生成红外/可见光场景是光电系统半实物仿真系统中关键的技术,场景模拟方法主要有外场实验测量法、基于理论模型的计算机生成法、理论计算与测试综合法。4.1.1数据库的建立和使用利用光谱辐射计、热像仪等设备对各种不同的目标、干扰、背景直接进行大量的外场实验,获得目标与背景在实际情况下的温度/亮度分布、辐射特征及其对比特性,然后进行归纳、整理、分析和数据拟合,建立不同目标的运动特性数据库、几何特征和热辐射特性数据库、各种背景数据库、各种典型干扰数据库等,使用时再根据要求把有关图片从相应数据库中取出,利用图像合成方法生成要求的红外/可见光图像。此方法的优点是直观准确,但要获得比较全面的数据需要耗费大量的人力和物力。4.1.2目标/背景模型计算机生成法是基于目标和背景的理论模型,生成的红外图像反映的是场景中各点的相对灰度值,与其对应的是目标和背景的红外辐射亮度。为逼真地模拟红外场景,需要考虑目标和背景的类型、几何形状、表面温度、表面纹理特征、发射率、反射率、运动状态、大气条件等。通过分析目标和背景的物理特性以及它们之间的能量交换关系,根据传热、辐射和对流等定律,建立描述目标和背景温度/亮度分布的数学模型和辐射模型,并利用其表面辐射特征数据,计算各种情况下的目标与背景辐射特征及其对比特性,最后形成零视距离辐射图。目前通常采用三维建模工具、视景仿真生成工具和图像数据库、大气传输软件等,根据大气环境、地带模型、矢量特征、移动模型,模拟生成反映实战情况的目标种类的红外/可见光目标背景图像。功能流程图如图3所示。场景的真实性和辐射精度取决于模型的逼真性与实时过程的匹配。目标/背景的空间、光谱和瞬时特性建模为仿真系统提供原始的最初的模型,且为高保真再现提供非实时模型特性的分量。实时场景模拟必须有这些数据库的支持,即一些源的建造,如目标辐射模型、羽烟辐射模型、飞机导弹轨迹模型、地物数据库、大气模型、干扰的辐射特性和模型等数据库。4.1.3景的合成及后续处理将模拟的目标添加到实拍场景中,生成目标和背景相结合的准真实场景,并对合成的场景进行相应的后续处理来完成。这种方法综合了上述两种方法,即在理论方程中加入一些经验参数,这些参数是经过对大量实验数据的分析获得的。此方法简化了理论模型,减少了计算量。4.2与对接光电系统的对接红外/可见光动态场景投影技术是光电半实物仿真试验的最重要的关键技术,为达到先进光电系统半实物仿真要求,要求它投射的图像逼真、质量高,无闪烁、混淆现象,与对接光电系统能够实现完善耦合,具备帧频高、空间分辨率高、温度/亮度分辨率高、模拟温度/亮度范围宽、精度高且连续可调等。4.2.1直接红外辐射法目前产生红外图像的动态图像转换技术可分为两类:直接红外辐射法和红外辐射调制法。直接红外辐射法主要有:电阻阵列和红外CRT技术。红外辐射调制法主要有:红外液晶光阀和数字微镜技术。1红外图像辐射源的测定微电阻阵列是由许多微小电阻集成在热的不良基片上组成,每个电阻通过集成电阻网与控制信号相接。由于物体的红外辐射强度与物体的温度成正比,利用此原理,微电阻阵列通过控制流经每一个微电阻的电流来达到每个像元所需的辐射强度,从而使全阵列构成完整的红外图像辐射源。优点是辐射式、帧频高。但分辨率有限,背景温度控制较难,发射特性差,动态范围很小,非均匀校正难度大。国外微电阻阵列技术先进,分辨率已经达到1024×1024,但国内目前很难买到该类产品。2多谱光谱显像管红外CRT是一种利用受视频信号调制强弱的光栅扫描电子束轰击荧光材料发光形成显示图像的电真空器件,其工作原理类似于可见光CRT显像管。通过采用不同的荧光材料及窗口材料已研制出紫外、近红外、中红外和长波红外波段的器件,通过不同波段荧光材料的混合物制做荧光屏可获得多波段的IR-CRT。适用于各类探测器,易实现低温背景,直接辐射式。不足点是分辨率低,存在闪烁拖尾、发光点不稳定、使用寿命短、对比度低等缺点。3红外图像视频电转换该技术利用液晶的双折射和扭曲效应,将可见光图像或视频电信号转换为红外图像。技术优点是分辨率高、不闪烁、驱动简单,但是其性能受可见光写入图像和黑体的限制,在动态范围方面存在局限性。4微反射镜阵列式动态图像滤波器微反射镜阵列式动态图像转换技术是对红外辐射进行反射调制而得到红外景象。红外光源发出红外光照在红外动态图像转换器的微反射镜阵列上,微反射镜阵列上的每一个反射镜受转换器驱动器的控制,调制反射光能射入红外光学系统,因此在红外光学系统的出射端观察时,红外动态图像转换器的每一个微反射镜将有不同的亮度,由于温度与亮度有函数关系,可观察到由红外动态转换器产生的红外图像。微反射镜阵列式动态图像转换器具有高分辨率、高帧频、对比度大和均匀性好等优点。但是微镜型红外场景产生器只能与凝视面阵型红外探测器匹配,且中波和长波不能通用。4.2.2场景动态成像技术可见光场景模拟器技术一般分为CRT、LCD、DLP、LCOS4种方式。1几何失真调整CRT是指阴极射线管,可把输入信号源分解成红、绿、蓝3个管的荧光屏上,荧光粉在高压作用下发光系统放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。CRT场景模拟器技术成熟,显示的图像色彩丰富,还原性好,具有丰富的几何失真调整能力。但其重要技术指标图像分辨率与亮度相互制约,直接影响场景模拟器的亮度值;另外场景模拟器操作复杂,特别是会聚调整繁琐,机身体积大,只适合安装于环境光较弱、相对固定的场所,不宜搬动。2光电滤波器上的加光行为LCD可见光场景模拟器主要技术有液晶光阀,液晶光阀场景模拟器采用CRT管和液晶光阀作为成像器件,其工作原理是通过输出的光信号照射到光电转换器上,将光信号转换为持续变化的电信号,外光源产生一束强光,投射到光阀上,内部的镜子反射,通过光调制器,改变其光学特性,紧随光阀的偏振滤光片,将滤去其他方向的光,而只允许与其光学缝隙方向一致的光通过,这个光与CRT信号相复合,投射到屏幕上。液晶光阀场景模拟器亮度可达6000lm,分辨率为2500×2000,亮度、分辨率较高,但其价格高,体积大,光阀不易维修。3dlp场景模块DLP场景模拟器是以数字微镜装置芯片作为成像器件,通过调节反射光实现投射图像的一种投影技术。其工作原理是光线经过棱镜分解为R,G,B三原色后,投射DMD芯片。信号输入后,数字光处理器DLP把视频信号调制成等幅的脉宽调制信号,从而控制镜片的开启和偏转。入射光线在经过DMD镜片的反射后由投影镜头投影成像。DLP场景模拟器清晰度高、画面均匀,色彩锐利,三片机亮度可达2000lm以上,可随意变焦,调整便利,分辨率高,不经压缩分辨率可达1024×768。但是其核心芯片从货源和改造的技术难度来讲都是比较困难的,而且成本也比较高。4显示技术:半导体-金属基复合材料LCOS是一种反射型的液晶显示面板,特点是开口率高。LCOS显示是LCD与CMOS集成电路有机结合的反射型新型显示技术,利用半导体制成,借硅基CMOS集成电路技术,在单晶硅片上CMOS阵列取代TFTLCD中玻璃基板上TFT阵列,具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势。但其核心LCOS芯片的技术性能并不是很稳定。通过对可见光目标模拟器技术的调研与对比,目前LCD技术相对成熟,DLP技术较为先进,是可见光目标模拟器技术的两个主流方向。5重要的是，设计表面预留系统的注意事项5.1确保数据采集质量,和高效运行光电系统半实物仿真系统存在仿真设备繁杂、种类多,数据量大、实时性强等特点,要求仿真试验综合方面应满足如下要求:1)具备网络管理功能;2)应有时钟部件,与各实验节点保持数据同步;3)运行速度必须满足实时仿真的要求,动态模型数据处理的精度需保证仿真结果的有效性;4)需要具有足够的A/D、D/A和D/D接口以保证连接各个实验节点以及数据采集设备的要求;5)应有丰富的支撑软件环境,以便于仿真工作者利用这些软件工具编辑半实物系统的仿真所需要的各种专用仿真软件;6)光电系统半实物仿真数据流的内容、流向与不同的仿真状态有关,因此仿真综合控制系统的软件设计必须依据不同仿真状态的具体要求开展设计。5.2运行状态原则五轴转台为能够逼真地复现在空中飞行的状态,应满足如下要求:1)转台的转轴、角速度和角加速度应有足够的变化范围,必要的精度和很高的动态响应性;2)转台应有足够的试验载荷,以便加载不同的光电系统;3)应充分考虑转台的可靠性、可使用性、可维修性和可拓展性,方便使用、维护、延寿和功能拓展;4)应便于多类产品安装和拆卸;5)具有相应的工作安全防护措施。5.3模拟结果的输出场景、目标模拟生成方面,应满足如下要求:1)投影仪的空间分辨率高于受试系统2倍以上;2)投影仪的视场是受试系统的1.2倍;3)投影仪的动态范围(灰度等级)大于受试系统;4)投影仪的输出能量应用辐射亮度值来衡量,当模拟目标确定后,目标本身的辐射亮度值就作为仿真目标的最大辐射亮度值(这一数值对应最小仿真距离),但在整个距离模拟范围内还应保持到达光电系统探测器上的辐射照度大于其敏感阈值;5)投影仪的工作范围必须与受试光电系统的工作波段相对应,模拟的温度/亮度范围应足够大,以适应实际目标/背景图像的仿真;6)红外热像均匀、稳