基于mos网络的红外图像实时生成系统

基于mos网络的红外图像实时生成系统

0红外成像制导武器系统的研究最终系统从点源勘探发展到观测焦平面勘探，所使用的红外段从3.5m扩大到8.15m。红外制导、红外成像制导武器发展,对红外制导和红外成像制导武器的目标识别和目标跟踪的要求越来越高,在武器的设计和研制阶段对红外导引头各项指标的检测是提高和保证武器性能的必要步骤。由于红外制导的半实物仿真系统的重要地位,美英等发达国家和地区积极开展了详细深入的研究,在这些研究中,如何逼真地实时模拟目标及背景的红外辐射是仿真的关键。本文即是关于红外成像制导仿真中图像实时生成系统的研究。在20世纪80年代末期和90年代初期,国外就对红外成像目标模拟投入了大量的人力和物力进行研究,取得大量的研究成果,出现了多种形式的红外成像目标靶,如红外CRT、激光扫描成像、液晶光阀投影成像、MOS电阻面阵红外成像、投影仪等。其中基于MOS电阻面阵红外成像装置、激光扫描成像装置已经在成像制导武器系统研制中得到很好的应用。本文基于超大规模D/A控制板使得面阵控制简单,同时更容易向256×256像素面阵扩展。1系统描述和主要技术1.1基于景光辐射的红外成像导引头图像实时生成系统是用来模拟产生反映实际追踪目标过程中导引头接收系统入瞳处场景(目标及背景等)红外辐射,用以考核红外成像导引头接收目标信息、分辨识别目标、跟踪目标和抗干扰能力,它是针对红外成像制导半实物仿真系统而专门研制的,是红外成像制导仿真中最关键的子系统。本系统利用计算机生成目标/干扰景象数据,通过相应接口系统驱动MOS电阻面阵,产生红外热图像。1.2主要技术：200hz；图像源：128.128莫斯电阻器；粒度：2568bit；亮度:程控调字节;对比度:程控调节;非均匀修正模式:离线测试,实时修正;景像生成方式:实时生成。2系统的组成和工作原则2.1系统组成和功能红外图像实时生成系统主要有:图像生成及显示计算机、硅桥MOS电阻面阵控制计算机系统、128×128MOS电阻面阵及电源、实时通讯反射内存网络(反射内存卡及光纤)、目标及背景红外图像实时生成软件和MOS电阻面阵控制软件等6部分组成,如图1所示。2.2和弹目相对运动模型系统根据仿真计算机解算的导弹、目标及干扰位置和姿态参数,以及大气传输参数,按照目标和背景模型,导弹动力学模型和弹目相对运动模型,由图像生成计算机运算和处理,实时生成红外目标的图像数据,再与相应的背景景像合成,生成目标景像数据,通过反射内存将数据实时传送到MOS电阻面阵控制计算机中,由嵌入式控制机根据景像数据生成电阻阵的驱动信号和控制信号,并经过相应的变换、放大和处理后按一定的扫描方式形成红外热景像图形,进而完成红外目标的动态模拟。3轴转台及其他资源系统的工作原理,也注意到提高系统实时性的背景需要建立的图像实时生成系统,一方面要实时生成红外图像,并且要实时或事后显示所计算的红外图像,这就决定了系统的实时性要求很高;另一方面MOS电阻面阵的驱动电路要放于五轴转台的框架上面,距离地面仿真机有15m左右,于是就带来了两个主要问题:一是长线数据传输,这就要涉及干扰、压降等;另一个是面阵驱动装置的重量不能超过了五轴转台的负载重量。3.1图像数据的处理图像生成及显示计算机及软件系统主要功能是生成128×128个像素的电压值,图像数据计算及传输以200Hz的频率进行,同时能够在计算机上方便地完成参数设置和显示(事后显示方式)。1初始估计图像生成根据帧频200Hz的要求可以知道,获取导弹及目标参数、图像生成、数据传输总时间(ms)为T图像生成及传输=T图像生成+T图像传输＜1f帧频=1200?Hz=5(1)Τ图像生成及传输=Τ图像生成+Τ图像传输＜1f帧频=1200?Ηz=5(1)由于采用的是光纤反射内存传输,图像传输的时间可以表示为T图像传输=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪128×128×2?byte14.8?Mbyte/s=2.214?ms方式1128×128×2?byte29.5?Mbyte/s=1.110?ms方式2128×128×2?byte44?Mbyte/s=0.744?ms方式3(2)Τ图像传输={128×128×2?byte14.8?Μbyte/s=2.214?ms方式1128×128×2?byte29.5?Μbyte/s=1.110?ms方式2128×128×2?byte44?Μbyte/s=0.744?ms方式3(2)不考虑操作系统的非实时性,可以初步估计图像生成的时间为T图像生成=⎧⎩⎨⎪⎪5−2.214=2.786?ms方式15−1.110=3.890?ms方式25−0.744=4.256?ms方式3(3)Τ图像生成={5-2.214=2.786?ms方式15-1.110=3.890?ms方式25-0.744=4.256?ms方式3(3)考虑到Windows2000操作系统工作的非实时性和反射内存的读写操作的硬件间冲突等(设两者造成的不定时间约为0.8ms),可以初步估计图像生成的时间为T图像生成＜⎧⎩⎨⎪⎪2.0?ms方式13.1?ms方式23.4?ms方式3(4)Τ图像生成＜{2.0?ms方式13.1?ms方式23.4?ms方式3(4)于是可以知道,在设置反射内存网络工作的方式为DMA(方式3)传输模式,图像生成速度尽量小于3ms。2每帧数据容量以浮点数格式处理、保存和传输等,即数据宽度为16bit;每帧数据容量为128×128×2byte=32kB;每秒数据容量为200Hz×32kB=6.25MB。32文字描述符卡由于需要高速的动画计算与显示,所以拟选用专业图形显示卡。4计算机选择计算机选择选用专业图形处理计算机。5操作系统与仿真主机的操作系统一致,操作系统选为Windows2000Professional。3.2光纤反射内存卡图像生成计算机与MOS电阻面阵控制计算机间采用了与仿真计算机相一致反射内存通讯网络。反射内存通讯网技术较为成熟,利用光纤传输技术,抗干扰能力强,数据通讯速率高,能较好地满足系统数据传输技术要求。图像数据传输与仿真计算机构成环型网的拓扑结构,硬件方面以GE公司的光纤反射内存卡为基础,利用光纤将各个仿真设备连接起来。光纤反射内存卡是GE公司成熟的光纤实时网络互连产品,具有数据传输实时性好,抗干扰能力强,误码率低等优点。利用光纤反射内存卡组成的网络可以采用环型或星型拓扑结构,在本系统中设计采用环形拓扑网络。每块反射内存卡上带有双口内存,各节点反射内存卡之间通过光纤联成环型通讯网络。由于反射内存卡传输数据时使用了独特的读写和传输方法,从而保证了数据传输的实时性,使数据更新所花费的时间占仿真帧时的比重很小,保证了图像生成系统实时性的要求,因此,采用反射内存进行图像数据的远程传输是可行的。本系统中采用了VMIPCI-5587,这种板卡具有3种工作方式:方式1网络传输速度为14.8MB/s(冗余传输模式);方式2网络传输速度为29.5MB/s(不带冗余传输模式);方式3网络传输速度为44MB/s(DMA传输模式);3.3硅桥连接电阻器的mos输电面矩阵的计算机系统硅桥MOS电阻面阵控制计算机系统由工业控制计算机、多通道DA和多通道DO等组成。3.3.1利用工业控制计算机进行模拟硅桥MOS电阻面阵控制计算机主要用于接收数据和完成MOS面阵的高速扫描,这里选用高速的工业控制计算机,一方面可以承受恶劣环境下工作,另一方面可以快速地完成面阵的驱动和扫描。由于要采用多板卡系统,初步选用5PCI槽的无源底板,尽可能地节省空间,减少重量。同时要在高振动的环境中工作,系统硬盘不能采用机械式硬盘,这里考虑采用6GB电子硬盘。3.3.2cpu板的选择选择高性能CPU板作为数据控制单元,初步选择1.6GHz的PCI板。3.3.3da板板的选择根据对MOS电阻面阵器件测试,得到近似计算线性区平均斜率系数为14mV/k,按0.1k的分辨率计算,得到电压Vs的分辨率近似为1.4mV,在7V的范围内,分辨点数为7?V1.4?mV=50007?V1.4?mV=5000(点)(5)于是知道数据宽度至少是13bit,再考虑到(Vs-T)曲线最大斜率大于平均值,所以数据宽度不少于14bit,因此在工程中需选用16bit的DA较为合适。同时考虑空间和扩展PCI的驱动能力,于是在选择DA板时,尽可能地选用通道数目多的DA板卡和速度高的板卡。对DA板转换频率等指标的确定见以下分析。1系统间的操作根据面阵控制计算机的功能可知,占用计算机总线时间的操作主要是:从反射内存中读取帧数据、列选通及D/A转换时间、程序语句处理和操作系统非实时占用时间(如:硬件间请求冲突、各种信号握手)等。2数据读取时间数据读取和数据写入的时间基本上是相等的,同3.1节中的计算。32非实时程序操作时间在这里简化处理,估计为0.8~1.3ms左右。4列选通tl的估计图像实时生成帧周期为200帧/s的红外图像,热电阻采用128通道并列扫描方式,于是可知:列选通TL=(1200?Hz−ΤL=(1200?Ηz-读取时间-程序执行及OS非实时)/128=23.4μs(6)注:这里估计的列扫描/帧的时间为3ms。于是可知到DA转换时间必须在23.4μs内,即转换频率为大于42kHz。5-ao-97/16特征板卡经过调研,设计时选用UnitedElectronicIndustries,Inc.公司的PD2-AO-96/16和PD2-AO-32/16两种板卡。这两种板卡能够很好满足总体设计指标。①?PD2-AO-96/16主要技术指标通道数:96路D/A转换,8路数字输出,8路数字输入;精度:16位;插槽类型:PCI2.1;转换速率:100kHz~1.5MHz;输出电压:±10V。②?PD2-AO-32/16主要技术指标通道数:32路D/A转换,8路数字输出,8路数字输入;精度:16位;插槽类型:PCI2.1;转换速率:100kHz~1MHz;输出电压:±10V。3.3.4出患儿监控方式如图2所示,实现列选通信号硬件可以利用PD2-AO板上现有的DO信号,经过多输出可编程逻辑器件进行7路DO的译码,转换成128个列控制信号,再经过逻辑放大电路实现电压放大(将TTL电平转换成-8~-11V列驱动电压)等处理后,实现列选通。在选择器件时要考虑译码和放大单元的转换时间,应该在几个微秒或微秒级以下。3.41红外导引头的产生和输出红外热图像,在控制MOS电阻面阵是用于红外图像的生成区域,在目标图像实时生成及驱动控制驱动器的控制下产生的红外热图像作为红外导引头的输入信号;电源为MOS电阻面阵供电。1主要技术描述：128.128；治疗频率：400hz；运行频率：-4-8v；列驱动电压:-8~-11V;Vs-T曲线平均斜率:14mV/k;Vs分辨率:≈1.4mV(按0.1k分辨率计算)。2电源方案设计电源为MOS电阻面阵的供电,为了减轻重量、缩小体积、一个电源可驱动多个系统(可给MOS电阻面阵、译码电路和放大电路等供电),在设计时充分考虑电压种类、电流、功率、稳定性、精度等各项指标。3.5主框架的设计由于MOS电阻面阵控制计算机系统是安放在五轴转台的框