某型光电装备全景图像仿真测试系统的设计与实现∗

2021-04-06

舰船电子工程 2021年3期

（海军装备部驻武汉地区第七军事代表室武汉 430223）

1 引言

利用仿真技术手段构造装备运行的试验环境，将仿真技术、模拟样机技术和测试技术相结合，构造出仿真测试平台，为装备提供一个良好的仿真性的调试、诊断环境，是现代复杂武器装备设计与测试技术研究的一个重要方向。通过仿真测试平台，不仅可以对装备的各项测试性技术指标给出结论性意见，而且可以缩短装备研制周期、降低成本，是装备发展的必然趋势［1～2］。

在对光电装备进行试验验证时，需要获取海战场背景下不小于多批目标（包括飞机、舰船和导弹，通常为数十批）进行直线运动的红外图像。如采用飞艇、气球和汽艇等真实目标进行试验，需要花费大量的人力、财力和物力，而且受天气影响较大。通过搭建全景图像仿真测试系统，生成与红外探测器格式相同的红外图像数据，可以解决该难题［3～7］。

2 系统设计

光电装备全景图像仿真测试系统采用工控机（安装全景图像仿真模拟器软件）和全景图像仿真电路板组成的设计。工控机模拟产生两路相应场景的红外视频，每路视频覆盖90°视场，通过PCI总线将图像数据写入图像仿真板的双口RAM内，图像仿真板FPGA根据需要模拟扇扫红外热像仪输出的图像数据和同步信号，然后对图像进行帧计数、行计数，并根据帧计数状态读取双口RAM内的红外图像数据，将两路红外图像进行旋转变换后通过CameraLink接口输出给光纤发送板，光纤发送板采集图像数据后通过光纤发送模块将两路图像数据发送至图像采集板，图像采集板收到图像数据后将图像数据转发给目标提取板，图像采集板对红外图像进行旋转变换、图像细节增强等处理，并经CPCI总线发送至加固机显示。目标提取板提取图像中的可疑目标后经CPCI将目标信息发送至上位机。

具体流程如图1所示。

图1 系统工作处理框图

仿真系统的主要技术指标如下：

1）方位：0～360°，俯仰：-15°～45°；

2）目标数：不小于200批；

3）图像更新频率：1Hz；

4）根据320×256面阵红外探测器的工作时序，实时输出红外仿真图像。

3 系统实现

3.1 图像仿真电路板

图像仿真电路板采用目前主流的FPGA+大容量缓存为中心的硬件形式［8～12］。系统组成包括控制算法模块、PCI接口通讯模块、双口RAM存储器模块、差分信号发送模块等。原理框图如图2所示。

图2 图像仿真电路板原理框图

1）控制算法模块

控制算法模块是图像仿真电路板的中枢部分，内存读写控制信号、红外图像数据产生、帧同步、列同步信号和PCI通讯控制都由控制算法模块控制。该模块主要通过现场可编程门阵列（FPGA）实现。采用商用级芯片EP2S90F1508，实现存储器接口控制、PCI总线控制和图像的坐标变换等功能，以6片IDT70T3509存储器作为图像缓冲区，结合PCI、CameraLink接口，实现图像的采集和输出。图像仿真板与上位机采用“乒乓”方式实现图像数据的交互，FPGA根据红外图像的时序要求产生圈同步、帧同步信号，在每帧图像结束的位置给上位机发送中断信号，上位机收到中断信号后将仿真图像写入图像仿真板的双口RAM中。

FPGA根据帧计数器的状态控制上位机对双口RAM的读写，当前帧号位奇数时，上位机通过PCI将图像数据写入DPRAM1、DPRAM2、DPRAM3，FP⁃GA读取DPRAM4、DPRAM5、DPRAM6里面的图像数据，对图像数据做旋转变换后经过CameraLink总线输出图像数据；当前帧号位偶数时，上位机通过PCI将图像数据写入 DPRAM4、DPRAM5、DPRAM6，FPGA读取DPRAM1、DPRAM2、DPRAM3里面的图像数据，对图像数据做旋转变换后经过CameraLink总线输出图像数据。

2）PCI接口通讯模块

图像仿真板与PC机通过PCI接口进行通信，实现红外图像和控制命令的传输，PCI接口峰值最大速率可以到132Mb/s，通过PCI接口，工控机可将图像数据写入图像仿真电路板上存储器，同时通过PCI总线也可实时的读取存储器中图像数据，在工控机中显示分析图像数据。

目前PCI总线接口的开发分为两类：一种是采用符合PCI规范的PLD芯片，另一种是采用PCI总线专用的控制芯片。使用专用的PCI接口芯片是一种省时省力的方案，这方面开发经验较多，本模块也使用了PLX公司的PCI9054芯片，它是一种33Mb/s的32bitPCI接口控制器，可以实现基本的数据交换要求。

3）双口RAM存储器模块

双口RAM存储器主要用于红外图像数据的缓存，选择使用大容量存储器构成，要求数据读出速度不小于16Mb/s。本模块采用了同步静态双口RAM（IDT70T3509），容量 1MB*36，读写速度为133MHz。

4）差分信号发送模块

差分发送芯片采用TI公司生产的DS90CR287芯片可减少差模干扰，提高信号的抗干扰能力。

3.2 软件实现

光电装备全景图像仿真测试系统软件划分为模拟目标视频生成模块、模拟目标视频传输模块和数据处理模块，软件流程如图3所示。

图3 软件流程图

1）模拟目标视频生成模块

（1）功能：生成海战场环境下，方位0～360°，俯仰-15°～45°，不小于200批目标（包括飞机、舰船和导弹）进行直线运动的中波红外图像，可根据需要在俯仰-15°～45°内进行俯仰方向的抬头和低头。

（2）初始设置：目标数量。

（3）输入：用户控制命令（开始、结束），警戒区域设置，波门显示设置。

（4）输出：显示本地保存目标的时戳、批号、方位和俯仰，目标/背景的模拟视频。

（5）模拟仿真流程：仿真软件启动后，首先初始化，倒入飞机、舰船、导弹等目标的三维模型数据；等待用户设置飞机、舰船、导弹三类目标的数量，点击“开始”控制按键启动模拟仿真；当仿真开始后，根据仿真目标的数量加入相应的个数的目标模型，设置目标的三维坐标，并根据目标的距离调整目标的尺寸，根据目标的对比度设置调整目标的灰度。

（6）模拟仿真实现

图像仿真软件基于DirectX接口进行编程。DirectX（Direct extension，DX）是由微软公司创建的多媒体编程接口，由C++编程语言实现，遵循COM，被广泛应用于电子游戏开发及图形、图像仿真。目标的运动是随机产生并符合一定规律的。随机产生目标的初始位置、朝向，在正常的目标运动速度基础上迭加一定量的随机速度，让目标在三维场景中做直线运动。为保证图像视场内可见目标数量的大致恒定，让超出视场和距离超出一定范围的目标消失并产生一个新的目标，保证用于目标检测的数量达到要求。

2）模拟目标视频传输模块

（1）功能：通过PCI接口，以1Hz的频率把方位0～360°，俯仰2.7°的模拟目标视频写入到图像仿真电路板中。

（2）输入：用户控制命令（开始、结束），抬头，低头。

（3）输出：方位0～360°，俯仰2.7°的模拟目标视频。

图像仿真开始后，生成方位0～360°、俯仰2.7°的模拟视频图像，缓存方位360°分为内的图像数据，在仿真软件界面上分四个条带同时刷新显示图像数据，并将图像数据写入PCI总线，以1HZ频率输出图像数据。仿真产生的图像分辨率为320行×45760列，每个传感器阵列图像为320行×11440列。

3）数据处理模块

（1）功能：接收综合信息处理显控台通过网络发送的目标信息，记录成相应的文件；事后，对仿真得到的目标信息和综合信息处理显控台发送的目标信息进行匹配，计算出红外警戒模块正确探测的目标信息。

（2）输入：网络时统信息，仿真得到的目标信息，目标探测信息。

（3）输出：红外警戒模块正确探测的目标信息。

保存目标信息时，需保存目标所处的帧号、目标的方位角及俯仰角。综合信息处理显控台通过网络发送的目标信息，是在接收到仿真图像并进行目标检测后输出的目标检测信息，因此综合信息处理显控台通过网络发送的目标信息较仿真目标信息要延后一帧。根据帧号对比图像数据，由于目标缺乏一一对应的关系，只能以仿真目标信息为参考，在检测目标信息中一一匹配找到方位角、俯仰角误差最小且小于一定数值的一组数据为最佳匹配，记录能够匹配上的点对数量计算出检测概率，分别计算方位角、俯仰角的误差均方差。如此可作为检验被检设备目标检测性能的依据。

4 仿真试验

4.1 试验方案

利用某光电装备演示验证系统作为陪试设备，该系统有两个传感器阵列A、B。首先仿真系统生成典型战场的红外仿真图像，然后将仿真图像按90°方位角等间隔分成4路，选取第1路和第2路图像，分别发送给PCI图像仿真处理板1，图像仿真处理板根据生成相应的红外视频，直接注入演示验证系统阵列A和阵列B中的红外警戒模块进行试验。试验可模拟生成方位范围在0～360°，俯仰范围在-15°～45°范围的红外图像；可添加舰船目标、飞机目标和导弹目标，目标总数不超过200个；按帧输出模拟红外图像，每帧图像分辨率320×256（该参数每个传感器阵列的具体情况可调）。

1）试验步骤

试验流程如图4所示。