精确制导仿真实验室.docx

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精确制导仿真实验室

“精确制导武器”以其“打得准、打得狠”著称，在近年来的局部战争中，发挥了巨大威力。

成像型精确制导技术提供了丰富的目标／背景信息，具有很强的抗干扰性能，特别是具有目标选择和命中点选择能力，能在复杂的战场环境下实施精确打击¨。

自海湾战争以来，成像型精确制导技术成为当今世界各国竞相发展的精确制导技术之一，国内外都在这一领域投入了大量人力物力。

精确制导武器的发展，促进了精确制导系统仿真的研究和应用。

成像型精确制导技术与以往非成像制导技术有本质的区别，检验设计中图像处理、图像识别、图像跟踪算法可行性以及抗干扰能力等军方感兴趣的指标，靠最后的靶场试验不可能进行全面的检验，需要加强对成像型精确制导系统仿真的研究。

成像型精确制导系统仿真在武器系统的设计、研制中发挥着越来越重要的作用，具有重要的军事和经济意义。

近些年来，不少国家在精确制导系统仿真试验方面进行了大量研究，所采用的成像型精确制导系统仿真主要是半实物仿真，有景象投影和信号注入式2种方式，并取得很好的效益和应用价值。

本文基于半实物仿真原理，通过闭环和开环仿真方式，构建成一个TV／IR成像型精确制导系统仿真评估系统，对电视和红外导引头的图像处理算法、搜索算法、识别算法、跟踪算法进行验证评估，并完成对电视、红外成像导引头的抗干扰性能评估。

1仿真评估系统构成

成像型精确制导信息处理系统需完成对视频图像的采集、图像预处理、图像分割、目标识别以及目标跟踪等处理工作，由于成像包含的信息量非常大，运算量也相应很大，因此对成像型精确制导系统的仿真评估系统软硬件提出了很高的要求，系统结构原理框图见图1。

1．1系统硬件组成

系统硬件由图形工作站、主控计算机、视频存储计算机和DSP高速图像处理系统、可控转台、CCD摄像头及光学投影仪等组成。

（1）HP图形工作站

图形工作站用于生成实时动态的红外、电视虚拟战场环境图像信号，在考虑大气传输等对能量传输影响的情况下，实现对典型目标、典型背景、典型干扰的仿真模拟，或根据需要提供合适的外场实拍红外或电视录像，为成像型精确制导系统仿真评估提供图像源。

（2）DSP高速图像处理系统

DSP高速图像处理系统由CG300视频采集显示卡和TI公司TMS320C6201DSP高速图像处理板组成。

视频采集显示卡主要负责红外／电视图像的采集和显示，DSP高速图像处理板对采集的红外／电视图像进行目标识别和跟踪算法处理后，输出目标的误差信息给主控计算机。

（3）可控转台

具有六自由度的可控转台的作用是根据主控计算机发来的指令调整方位、俯仰角，使目标始终处于视场中相应的位置，转台控制器可通过计算机接口发送指令进行操作。

（4）主控计算机

主控计算机用于对成像型精确制导系统进行制导性能评估，通过CG300视频卡采集并显示送来的红外／电视视频信号，通过RS422接口实时接收转台输出的目标方位、俯仰信息并将目标误差数据送转台，通过IPC5313D接口实时接收DSP高速图像处理系统送来的误差信号，通过IPC5375D接口控制红外／电视信号切换，并通过RS232接1：

3与存储计算机实时通信。

（5）存储计算机存储计算机通过RS232接口和主控计算机进行实时通信，通过CG300视频卡实时采集、显示并存储红外和电视2路图像信号，并可重放所存储的视频图像，以便进行事后评估工作。

（6）CCD摄像头

CCD摄像头的作用是通过镜头将物空间的实际景象转换成模拟电信号，送信号到图像采集卡并交计算机处理。

1．2系统软件组成模块

系统软件主要由虚拟战场环境生成模块、监控软件模块、实时图像处理模块、计算机实时图像存储模块及评估模块几部分组成，软件系统各模块功能如下：

（1）虚拟战场环境生成模块

虚拟战场环境生成模块提供整个成像型精确制导系统仿真评估的图像源，设计时需要考虑许多因素。

根据典型目标的类型、参数、性能指标、运动状态，以及典型背景的类型、状态，在不同的气候、地点、天气、时刻的特性，并考虑大气影响大小，以及导引头光学部分、探测器部分的影响，生成能反映目标、背景红外或可见光特性的战场环境。

（2）监控模块

监控模块是控制系统运行的中心，具有通信功能、数据库存储功能以及精确定时功能，能通过RS一422和RS一232两种串行口分别与转台以及存储计算机通信，能在试验过程中将试验数据实时地存储起来，并能通过I／O板与DSP图像处理机通信。

（3）实时图像处理模块

实时图像处理模块是成像型精确制导系统仿真评估的核心，包括目标识别和跟踪算法的设计，并通过硬件平台将算法实时实现。

基于红外／电视图像的低对比度和可能的各种噪声干扰，对数字化的图像进行预处理、图像分割、特征提取及目标识别。

考虑到目标的各种可能情况，采用形心跟踪、相关跟踪、差分跟踪、峰值跟踪、预测跟踪等多种跟踪算法进行目标跟踪，以适应目标的大小和姿态变化，各种跟踪算法根据判别因子自动切换。

基于提出的算法，进行硬件定型并移植到硬件系统。

（4）评估模块

评估模块作用是对算法的有效性进行评估，评估时有3种评估方法：

①是DSP高速图像处理系统对跟踪效果的判定：

通过计算前后两帧的角偏差之差，如果在闽值之内，则跟踪有效，否则，跟踪无效。

DSP高速图像处理系统将跟踪效果实时输出给主控计算机，将结果实时显示在屏幕上；②是转台对跟踪效果的判定：

转台可以输出一个字节，标识跟踪效果；③是人工观察跟踪波门，对制导性能进行判定。

评估采用在线实时评估和离线事后评估2种评估方式对制导性能进行评估。

（5）计算机实时图像存储模块

本模块的功能是将红外和电视2路视频信号通过视频接口实时存储到计算机。

由于数据量非常大，主要采取3个措施达到图像的实时存储：

①是采用2块IDE硬盘、2个通道进行数据存储；②是采用多线程技术保证2个通道均匀使用CPU；③是采用批处理方法，一次性将若干帧图像数据写入一个文件。

2系统工作原理

系统基于半实物仿真的景象投影和信号注入2种仿真评估方式，采用闭环仿真评估方式和开环仿真评估方式进行仿真评估。

（1）闭环仿真评估

闭环仿真评估也就是景象投影半实物仿真评估方法，试验过程中，实际外场拍摄或计算机生成的场景图像信号通过投影仪形成虚拟战场环境，安装在转台上的电视导引头（CCD摄像头）获取虚拟战场环境，视频采集显示卡采集CCD摄像头传输过来的场景图像并交给DSP图像处理板进行处理。

DSP高速图像处理板对采集的电视图像进行图像预处理、图像分割、特征提取、目标识别和跟踪算法处理后，模拟电视导引头的工作过程，并输出目标的位置误差给主控计算机。

评估主控计算机实现接收时统信号、DSP处理过程信息及伺服跟踪目标的方位、俯仰数据，综合处理后通过转台控制实现导引头的搜索、跟踪，完成对导引头的性能评估。

__主控计算机按时统标记实时记录输入的场景视频图像，叠加跟踪窗口后实时显示跟踪过程。

对存储的目标／背景／干扰图像检索、记录，在事后评估时，作为信号源进行重复、可控评估。

（2）开环仿真评估

开环仿真评估也就是信号注入式半实物仿真评估方法，试验过程中，实际外场拍摄或计算机生成的红外、电视场景图像信号不需要投影系统，而是直接由DSP高速图像处理板进行图像预处理、图像分割、特征提取、目标识别和跟踪算法处理后，模拟电视／红外成像系统制导头的工作过程，实现对导引头的搜索、跟踪算法的验证评估，以及实现对导引头的抗干扰性能评估。

3关键技术

成像型精确制导仿真评估系统的研究包括成像型精确制导系统仿真技术研究、各种目标的特性研究、红外建模研究和实时识别跟踪算法研究，包括了很强的理论性研究和一些功能实现的硬件攻关。

（1）实时场景生成技术

实时场景生成技术是一个重点研究课题，要求详细描述场景中的物理现象及辐射能量，真实地仿真来自天空、太阳光、目标、地物和大气的辐射分量。

在建立曳光弹及烟幕弹等干扰以及目标几何模型和辐射能量模型的基础上，考虑相应的大气传输修正和探测器效应模拟以及干扰投放时刻、运动状态，对实拍复杂背景加以数字图像处理并与干扰模型、目标模型相叠加，生成动态红外／可见光干扰图像，并考虑目标与背景环境条件的一致性，红外场景生成基本方法见文献[8]。

实时场景生成技术难度在于实时性和逼真度，几何模型和能量计算关系到准确度和逼真度，逼真度越高需要几何模型具有越多的面元结构，这将带来更大的计算数据量，实时性将变差。

目前可采用单元分割法、几何模型LOD技术、能量离线预计算以及内存管理技术等来解决这两者矛盾。

（2）目标实时识别和跟踪算法

目标识别和跟踪一直都是国内外学者们研究的热点，目前，已提出了许多目标识别和跟踪的算法，对静态图像的识别效果也不错。

但图像处理的最大特点就是信息量大，所以一进入实用阶段，针对实时采集的视频图像，实时性问题就特别突出，如何解决制导精确性与实时性之间的矛盾是一个非常困难的问题。

算法设计尽量实用化，首先采用复合去噪和对比度增强对输入图像进行预处理，接着应用自适应阈值模糊区域增长技术分割目标，最后采用模糊综合评判技术进行目标识别，并用改进的形心跟踪和相关匹配算法对目标进行智能跟踪，较好地解决了制导精确性与实时性之间的矛盾。

跟踪时考虑红外和电视2种情况：

对红外图像，采用自适应波门跟踪；对电视图像，跟踪方式和波门大小手动切换。

4结束语

本仿真评估系统基于半实物仿真原理，采用高性能的图形工作站、DSP处理系统和六自由度的转台伺服系统构建起可对电视／红外成像精确制导系统验证评估的试验平台，具有结构简单、造价低廉、体积小巧等特点，既可与光电跟踪仪一起外场试验，又可以实现实验室内性能评估。

经过实验室实验和实际外场试验应用表明，本系统较好地完成了对导引头搜索跟踪算法的稳定性、有效性和抗干扰能力的验证评估工作，也可用于评估干扰效果。

导引头光学系统性能测试仪的研制

彭其圣

（中南民族大学电信学院，湖北武汉430074）

摘要：

研制了一种基于1．064btm导引头的光斑测试仪。

该测试仪以1．064m导引头为被测对象，

以红外面阵CCD探测器为接收器，采用1．064btm的激光光源模拟无穷远点光源，分析光源通过被检

系统后，其焦平面上成像光斑的质量。

通过RS-232串口通讯及图像采集卡的实时数据采集自动寻找

最佳像面位置及最大视场角。

测试结果表明：

系统重复性好、可靠性高、自动化程度高。

关键词：

红外导引头；电荷耦合器件；数据采集；自动聚焦

中图分类号：

TN216文献标识码：

A文章编号：

1001—8891（2004）01—0027—04

引言

当代红外导引技术最重要的发展趋势，就是将实时红外成像技术（主要是8～12p．m远红外波段和3～5m

中红外波段）用于导弹导引，并与计算机图像信息自动处理相结合，实现导弹导引技术智能化，这是当代精确导引

技术发展的重要方向。

随着计算机技术的发展，很多被动成像系统已具有较完整的软件系统，可实现图像处理、

图像运算等功能，以改善图像质量。

但是，在把红外成像技术与计算机图像处理和自动控制相结合构成一个综合

性、技术性强的测试系统方面，目前，国内还是一个空白。

1测试原理方案

该测试仪系采用积木式组合结构。

整个系统由1．064btm光源、平行光管、衰减器（获得合适的光斑能量）、

被测光学系统、成像接收及数据采集处理6个部分组成。

仪器启动工作时，将装配好的被测光学组件置于定位夹

持器上，然后，操作计算机进行测量与计算。

该系统的结构布局如图1所示。

1．激光器；2．平行光管；3．复合衰减器；4．被测光学系统；5．电转台；6．CCD探测器；7．三维调整装置；8．纵向电移台；9光具底座；10．

采集卡；11．横向电移台；12．打印机；13．计算机；14．三维电控箱；15．被测件调整装置；16．激光器驱动电源控制箱

图1导引头光学系统性能测试仪系统布局图Fig．1Schemeoftestingsystemofinfraredguidancehead

2系统实现

2．1系统主要技术指标的确定

根据用户单位的实际要求，我们制定了该测试系统的主要技术指标：

工作波长：

1．064btm视场定位精度：

3

测试视场范围：

+20。

探测器输出动态范围：

~1000倍光学系统像面上的空间分辨率：

≤O．05mm

调焦最小步距：

≤O．Olmm

光束发散度：

≤1mrad

2．2模拟光源

1）光源部分：

输出光束均匀性：

≤1O

光束有效直径：

≥60mm

寿命：

≥5000h

根据红外成像系统对光源的要求，采用LD半导体激光器泵浦YAG（石榴石）光源，其波长为1．064／tm，功

率为50W，通过HH系列激光器驱动电源控制箱调节光源能量。

2）平行光管部分：

根据技术要求及光学设计像质指标，在使用中主要考虑平行光管物镜的调焦误差。

一般情况下，采用自准直

消视差法调焦，确定焦距f一600~1000him，有效通光口径D一60~100mm，物镜采用双分离式，相对孔径控制

在D／f≤i／i0。

从该仪器实际使用情况考虑，为了使整个仪器不致太庞大，经实践确定，在采用三分离物镜情况

下，使得相对孔径控制在D／厂≤1／4～1／5时，f=300mm，像质仍然满意。

2．3成像接收部分

由被测光学系统装夹座及调整装置、CCD摄像器件及调整装置、纵向与横向平移台及旋转台等组成。

被测件装夹座及其调整装置具有俯仰微倾与左右微动机构，以使被测透镜处于正确的工作状态；该装置系统

可沿光轴方向独立运动，以使被测光学系统后节点位于转台旋转轴线上，可适应偏离光轴作轴外测量的定位要

求。

轴外测量时，照明系统固定不动，被测件装夹座及调整装置刚性的固定在纵向平移台及转台上，可随转台绕

竖轴回转。

CCD摄像器件夹持器与调整装置以及横向平移台均安放在纵向平移台的滑动座上，既可沿光轴实现

精密调焦，亦可使CCD器件垂直于光轴作相应的移动，以补偿轴外测量时光斑横向移动而形成的位置偏差，如图

2所示。

2．4CCD图像采集及数据处理部分

由CCD数据采集系统[1]、计算机、三维电控箱及打印

机等部分组成。

主要完成光学图像成像、光电能量转换或

光电图像转换、数据信号采集与处理、模／数转换和计算机

处理与分析（见图3）。

其核心是CCD实时数据采集程序、

光斑质量检测软件以及步进电机驱动程序的编制。

并采用

基于PCI总线的1O比特图像采集卡，直接插在计算机总线

的扩展槽内。

2．5软件设计图

1．准直物镜；2．被测透镜；3．CCD探测器；4．电移平台

图2CCD装置平移示意图

Fig．2CCDdevicetranslation

采用VC++6．0及OpenGL[]图像处理软件作为开．

发工具，在前端PC机上开发一个软件平台，能按照要求取得或存贮所需要的图像及数据，并以二维或三维图形

方式直观显示。

系统软件包括两个部分：

控制软件及测试软件。

该应用程序以单文档结构、FormView视图基类

为基础，采用激活消息的方式来切换不同的功能，并采取面向对象的程序设计方法及模块化的编程方式。

整个测

试软件的流程图如图4。

控制软件主要是利用VisualC++6．0提供的

串口控件来实现计算机与步进电机控制器之间的数

据通讯，从而控制步进电极横向、纵向移动以及改变

视场角，最终完成由CCD传感器采集信息，实现由

计算机控制的视场像面位置的设置和改变；并根据

不同视场、不同像面位置处光斑成像情况，判断出被

检系统的视场大小与最佳像面位置。

测试软件主要是完成图像采集卡的参数设置、

图像采集卡的打开与关闭、实时采集并显示光斑图像及图像的冻结、单帧采集并显示光斑图像并将图像对应的灰

度数据写入缓存；用于调整零视场时光学系统光轴中心与CCD摄像机的光敏面中心一致，从而建立与四象限探测器坐标系一致的二维直角坐标系并完成光斑中心偏移量及光斑左右象限光强和之差的计算与显示；完成光斑

三维图形、任意方向的截面图的绘制；输出按不同定义计算的不同视场、不同像面位置处的光斑大小；用于显示光

斑图像对应的灰度数据。

3测试实验

3．1不同视场角的光斑大小测试数据

对某一实际的光学导引头，在激光器电源的驱动电流为1．45A，衰减片为三片的情况下测得不同视场角时

的光斑直径如表1所示。

从对成像光斑的定量测试数据的结果表明：

系统重复性较好，最大重复性误差<2。

3．2不同像面位置处的光斑图像、三维能量分布图

从远焦、适焦、近焦处的光斑图像及能量分布图可以清楚地分辨出焦点处的能量最集中，图像质量及对称性

最好。

4结论

1）该测试仪能对光学系统像面上的光斑能量进行求和、求差、比较、求偏心等统计计算。

它可以自动寻找最

佳像面位置，自由选取像方不同位置、不同视场、不同截面来进行测量，以数据形式显示光斑直径的测量结果，并