光電跟蹤儀目標仿真系統(tǒng)設計

羅靜玲+杜娟

摘要： 艦載光電跟蹤儀需全天候工作，具有信息量大、可視性強、分辨率高等特點，是艦船情報系統(tǒng)的重要組成部分。設計了一種針對艦船和空中目標進行光電跟蹤的仿真系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的組成和仿真軟件的功能模塊，通過對該系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)目標跟蹤能力分析與測試，證實該系統(tǒng)可以對艦載光電跟蹤儀跟蹤能力進行全面的測試。

關鍵詞： 動態(tài)目標； 目標仿真； 模擬場景

中圖分類號： TN 2文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.013

Design of target simulator for optoeletronical tracking system

LUO Jingling， DU Juan

（Wuhan National Laboratory for Optoelectronics， China Shipbuilding Industry Group

No.717 Research Institute， Wuhan 430020， China）

Abstract： Optoelectronical tracking system works day and night. It has the advantages of lots of information， high resolution and it is an intelligent system on the ships. In this paper， we design a target simulator for ships and aerial target. It presents the system composition and the function blocks of simulation software. By analysis of the system for static and dynamic target tracking， we calculate tracking accuracy for optoelectronical tracking system.

Keywords： dynamic target； target simulation； simulative scene

引言艦載光電跟蹤儀是艦炮武器系統(tǒng)中跟蹤海空目標的跟蹤設備，采用光電成像方式，將自然景物的光信息轉變?yōu)橐曨l圖像。它是艦載近程反導武器系統(tǒng)中最適合的跟蹤設備，目標的跟蹤能力是光電跟蹤儀的重要性能指標之一[1]。因此在光電跟蹤儀的跟蹤能力測試中，目標的選取至關重要。光電跟蹤儀對目標進行可靠提取并跟蹤通常要同時滿足3個條件：目標表面光或熱輻射能量經(jīng)大氣傳輸達到接收光學系統(tǒng)最小接收范圍；目標經(jīng)光學系統(tǒng)在靶面上成像的尺寸應滿足跟蹤提取目標的要求；目標和背景在探測器像面對比度應大于信號檢測所需要的最小對比度要求[23]。目前，在光電跟蹤儀試驗和測試過程中，目標的選取主要還是依賴于實體目標。本文介紹了一種艦載光電跟蹤儀的目標仿真系統(tǒng)，通過軟件對目標進行仿真，可對海上和空中兩種目標進行仿真，從而達到對艦載光電跟蹤儀跟蹤能力的全面測試。1系統(tǒng)組成及基本原理光電跟蹤儀目標仿真系統(tǒng)的原理是通過計算機模擬真實場景的變換，通過視頻疊加技術，在海天背景上疊加海上和空中目標，配合光電跟蹤儀進行工作，達到了真實儀器和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的實時同步，從而完成對光電跟蹤儀跟蹤能力的測試[45]。光電跟蹤儀目標仿真系統(tǒng)主要由工控計算機和控制機箱組成。控制機箱包含操控模塊、低壓電源、距離模擬電路板、檢測控制板和角度轉換板五個部分。工控計算機中包含高速視頻疊加卡、顯卡。高速視頻疊加卡用于目標的疊加和產(chǎn)生，距離模擬電路板和角度轉換板用于目標三維航路的生成，檢測控制板用于激光主、回波信號的模擬和時統(tǒng)信號的對準。其原理圖如圖1所示。

圖1光電跟蹤儀目標仿真系統(tǒng)原理圖

Fig.1Schematic diagram of target simulator for optoelectronical tracking system

光學儀器第37卷

第2期羅靜玲，等：光電跟蹤儀目標仿真系統(tǒng)設計

工作原理通過光電跟蹤儀目標仿真系統(tǒng)的計算機軟件界面設置模擬目標參數(shù)，計算機根據(jù)目標的距離、航向、航速、航路捷徑和光電跟蹤儀傳送過來的測角模擬量，由計算機解算出目標疊加在視頻圖像上的位置；通過視頻疊加卡生成模擬目標視頻信號及相關背景，并依據(jù)模擬目標的距離確定激光主、回波信號，將疊加了模擬目標的視頻和模擬的激光主、回波信號回送給光電跟蹤儀；通過控制機箱的操控模塊對光電跟蹤儀進行操控，完成模擬目標捕獲、提取、跟蹤和測距，光電跟蹤儀目標仿真系統(tǒng)根據(jù)光電跟蹤儀發(fā)送回來的目標跟蹤誤差來評定其跟蹤性能[6]。2目標仿真軟件設計光電跟蹤儀目標仿真系統(tǒng)采用Windows XP操作系統(tǒng)，其軟件設計采用VC6.0、OpenGL。功能模塊可分為人機交互、目標航路計算、目標仿真圖像繪制、仿真圖像視頻疊加、數(shù)據(jù)與圖像處理發(fā)送、數(shù)據(jù)處理評估、系統(tǒng)自檢等模塊。

2.1目標航路計算根據(jù)設定的目標類型、目標速度、航向等信息，實現(xiàn)目標航路的計算，實時計算出目標在當前時刻的三維坐標參數(shù)。

2.2目標仿真圖像繪制模塊實現(xiàn)目標模型的繪制、場景圖像的繪制、依據(jù)目標距離和視場匹配目標大小、目標姿態(tài)調(diào)整。目標仿真圖像繪制子功能模塊組成如圖2所示。

2.3仿真圖像視頻疊加模塊依據(jù)目標運行軌跡，實現(xiàn)目標與背景場景的準確疊加。包括目標三維數(shù)據(jù)折算成像素點坐標、目標模型在像素點坐標的貼圖。其組成如圖3所示。

圖2目標仿真圖像繪制子功能模塊圖

Fig.2Function block for images plotting of

the target simulator圖3仿真圖像視頻疊加子功能模塊圖

Fig.3Function block for image superposition of

the target simulator

2.4數(shù)據(jù)與圖像處理模塊實現(xiàn)測角方位、高低數(shù)據(jù)的采樣、激光狀態(tài)采樣、仿真圖像數(shù)據(jù)發(fā)送、目指數(shù)據(jù)發(fā)送等。其組成如圖4所示。

2.5數(shù)據(jù)處理評估實現(xiàn)光電跟蹤的誤差統(tǒng)計。光電設備對模擬目標進行跟蹤時，統(tǒng)計光電跟蹤的方位和高低誤差量，計算出方位和高低方向跟蹤誤差的均方差，與設備要求的跟蹤精度進行比較，并判斷跟蹤性能是否合格。

2.6操控組件檢測實現(xiàn)操縱桿、觸摸屏、摸球等操控組件的檢測。如圖5所示。

圖4數(shù)據(jù)與圖像處理子模塊圖

Fig.4Function block for data and image processing圖5操控組件檢測子模塊組成圖

Fig.5Function block for component testing

3系統(tǒng)測試光電跟蹤儀目標仿真系統(tǒng)操作界面如圖6所示。在人機界面上可以選擇目標類型“海上目標”或是“空中目標”，然后對目標的運動方向、距離、速度、圖6光電跟蹤儀目標仿真系統(tǒng)界面

Fig.6Interface of the target simulator system加速度等參數(shù)進行設置，還可以預設幾個固定的目標軌跡，以便隨時調(diào)用。當目標參數(shù)設置完畢后，即可開始仿真，系統(tǒng)會按照相應的目標參數(shù)模擬出目標的實時視頻。該仿真視頻輸入光電跟蹤儀，操作手操作光電跟蹤儀對目標進行捕獲跟蹤，系統(tǒng)則會統(tǒng)計出方位與高低方向的跟蹤誤差，并判斷光電跟蹤儀的跟蹤性能是否滿足要求。測試數(shù)據(jù)如表1所示，可見該仿真系統(tǒng)可正確地進行目標仿真，并能有效地測試光電跟蹤儀的跟蹤精度。

表1測試數(shù)據(jù)表

Tab.1Test data

序號目標距離/m運動速度/（m·s-1）運動方向/（°）目標類型航路捷徑/m跟蹤精度/mrad110 0001290海上目標1 0000.08212 00020030空中目標5000.2037 00018045空中目標4000.18

4結論該目標仿真系統(tǒng)采用視頻疊加技術生成仿真目標的視頻，供光電跟蹤儀進行目標跟蹤。經(jīng)實際應用表明該系統(tǒng)可穩(wěn)定正常地產(chǎn)生仿真目標視頻，并自動計算光電跟蹤儀的跟蹤精度，有效地檢驗了光電跟蹤儀的跟蹤性能。參考文獻：

[1]蔣鴻旺.艦用光電跟蹤儀的發(fā)展特點和趨勢[J].應用光學，1995，16（42）：16.

[2]趙建川，姜潤強，王偉國.光電跟蹤儀作用距離分析[J].光電技術應用，2009，24（3）：1516.

[3]孫希東.光電觀察系統(tǒng)對海作用距離測試與評價方法[J].光學與光電技術，2010，8（5）：2829.

[4]陳緯真，張春華，王學偉，等.空間觀測序列圖像目標運動成像仿真[J].激光與紅外，2008，8（3）：1419.

[5]何永強，唐德帥，胡文剛，等.一種紅外場景仿真系統(tǒng)工作狀態(tài)尋優(yōu)方法[J].光學儀器，2013，35（6）：4347.

[6]韓意，孫華燕，李迎春，等.基于OpenGL的空間目標圖像生成方法[J].計算機仿真，2010，27（6）：267270.

（編輯：張磊）