CN103591968A - 一种基于可见光目标模拟器的真实目标景象模拟系统 - Google Patents

一种基于可见光目标模拟器的真实目标景象模拟系统 Download PDF

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Abstract

一种基于可见光目标模拟器的真实目标景象模拟系统，包括图像仿真机和可见光目标模拟器，其中图像仿真机包括：数据通信模块、数据转换模块、图像仿真模块；可见光目标模拟器包括：DMD驱动控制系统、DMD显示系统、投影光学系统和通光量控制系统。本发明具有仿真影像动态输出并提高仿真真实度的优点。

Description

一种基于可见光目标模拟器的真实目标景象模拟系统
技术领域
本发明涉及一种基于可见光目标模拟器的真实目标景象模拟系统，能够对空间环境及空间目标进行模拟和仿真，并可以动态输出，属于目标特性与探测技术领域。
背景技术
目前空间目标模拟主要是基于屏幕显示的空间目标影像模拟，或者使用计算机输入二维图像，使用光学准直投影系统输出。
使用胶片投影的原理，产生空间目标模拟图像的系统，其装置由计算机图像生成系统、胶片图像源系统、光学耦合系统、主控计算机、控制系统及二轴转台等部分组成。这种方法使用模拟信号作为影像输入，受限于胶片提供的图像信息无法动态的输出，无法实现在线编程与动态响应，空间目标模拟能力相对较弱。
基于大屏幕的可见光目标模拟系统是在电视制导武器半实物仿真系统中利用视景仿真软件Vega和MFC实现视景生成，并将其使用大屏幕进行输出。该方法使用大屏幕作为图像输出端，探测系统直接对大屏幕结果进行成像。探测系统容易受杂散光的影响，不利于成像系统识别与检测能力的测试；探测系统曝光时间与屏幕刷新频率无法实现同步，影响成像的真实性；探测系统与屏幕的角度对准关系的标定较为复杂，不利于验证有导航控制精度要求的试验系统的能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：克服现有技术仿真影像无法动态输出以及成像效果差的缺点，提供一种基于可见光目标模拟器的真实目标景象模拟系统，达到仿真影像动态输出并提高仿真真实度的优点。
本发明的技术解决方案是：一种基于可见光目标模拟器的真实目标景象模拟系统，包括图像仿真机和可见光目标模拟器，其中图像仿真机包括：数据通信模块、数据转换模块、图像仿真模块；可见光目标模拟器包括：DMD（Digital Micro Mirror Device，数字微镜元件）驱动控制系统、DMD显示系统、投影光学系统和通光量控制系统；
数据通信模块，实时响应半实物仿真网络传送来的坐标和时间参数，所述坐标和时间参数包括时间信息和探测器、目标位置和姿态参数，将所述时间和坐标参数传送给数据转换模块；实时接收图像仿真模块的图像仿真结果，并将所述图像仿真结果送至可见光目标模拟器的DMD驱动控制系统；
数据转换模块，将数据通信模块传递的时间和坐标参数转换成目标相对探测器的位置、姿态参数；太阳相对探测器的位置参数，地球相对探测器的位置参数，从而得到符合图像仿真的坐标位置信息，并所述的坐标位置信息传递给图像仿真模块；
图像仿真模块，利用目标的三维模型，对数据转换模块传来的坐标位置信息进行三维场景建模仿真，得到三维场景，然后通过OpenGL（Open GraphicLibrary，开放性图形库）虚拟绘制并驱动GPU（Graphic Processing Uni，图像处理器）完成三维场景的二维投影，从而得到图像仿真结果，并将图像仿真结果送至数据转换模块；
DMD驱动控制系统，对数据通信模块传来的图像仿真结果进行解码、缓存，根据外同步信号要求，调用缓存的图像仿真数据驱动DMD显示系统；
DMD显示系统，根据DMD驱动控制系统传来的图像仿真数据，利用数字微镜阵列，反射投影光学系统的照射光线，生成数字投影图像；
投影光学系统，根据通光量控制系统输出控制光源的通光量，使光源出射光线经准直后照射到DMD显示系统上，生成数字投影图像，再经放大光学系统投影在透射屏上，最后再经过投影光学镜头将图像投射到探测系统上；
通光量控制系统，用于调节投影光学系统光源的通光量。
所述通光量控制系统包括：调光片位置传感器、衰减片、步进电机、单片机、步进电机驱动模块。外部操控通过422串口下发通光量大小调节命令，单片机接收到调节命令后，根据通光量大小要求，生成步进电机控制指令。单片机发出步进脉冲及换向脉冲通过步进电机驱动模块控制步进电机带动衰减片转动寻找零位然后控制衰减片转到要求位置，从而调节光源的通光量。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
（1）本发明图像仿真模块采用基于OpenGL加速方式，解决了可见光目标成像仿真运算量大、计算速度慢的问题，满足了半实物仿真试验的实时性要求。
（2）本发明通光量控制系统实现大范围，高精度照度调节。可见光目标模拟器要实现光照度1.01×10-8lx～2000lx的变化，工作照度的变化率是1012倍，本发明采用高、低两个光源与调光系统解决此问题。
（3）本发明采用DMD显示系统，将输入的图像电信号转换为光信号输出给探测系统，可以提高目标模拟显示的分辨率，增大灰度等级的显示范围，降低信噪比、延长使用寿命。
（4）本发明光学投影系统采用光学二次投影方法解决可见光面目标模拟需要大视场的问题。
附图说明
图1为本发明系统组成框图；
图2为本发明中数据通信模块示意图；
图3为本发明中数据转换模块示意图；
图4为本发明中图像仿真模块示意图；
图5为本发明中DMD驱动控制系统示意图；
图6为本发明中DMD显示系统示意图；
图7为本发明中光学投影系统示意图；
图8为本发明中通光量控制系统示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种基于可见光目标模拟器的真实目标景象模拟系统，包括图像仿真机和可见光目标模拟器，其中图像仿真机包括：数据通信模块、数据转换模块、图像仿真模块；可见光目标模拟器包括：DMD驱动控制系统、DMD显示系统、投影光学系统和通光量控制系统。
如图2所示，数据通信模块通过光纤内存卡完成对半实物仿真网络传输进来的数据的读取与处理工作。实时接收传递过来的J2000坐标系下的目标和探测器的位置、姿态参数，以及时间参数，如果发现数据有更新，则把最新的数据写入到数据转换模块中。仿真程序也在每一帧开始的时候检测数据是否有更新，如果有更新则取出最新的数据给数据转换模块，如果没有新的数据则继续重复上一次的参数。
具体实现是：
（1）首先创建参数查询线程；
（2）然后将其设置线程优先级设置为最高级；
（3）将该线程设置为独占某一CPU内核；
（4）利用该线程实时查询光纤内存卡中的参数更新情况，并采用最新的坐标和时间参数传递给数据转换模块。
同时，数据通信模块实时接收图像仿真模块的图像仿真结果，并将图像数据通过DVI（Digital Visual Interface，数字视频接口）接口传送至显示器和可见光目标模拟器。
如图3所示，数据转换模块，将数据通信模块传递的J2000坐标系下目标的位置、姿态参数，探测器的位置、姿态参数，利用坐标转换四元数，转换成目标相对探测器的位置、姿态参数。
利用时间参数，根据天文学计算方法计算得到太阳、地球在J2000坐标系下的位置参数。再利用坐标转换四元数，转换成太阳相对探测器的位置参数，地球相对探测器的位置参数。从而得到符合图像仿真的坐标位置信息，并将所述的坐标位置信息传递给图像仿真模块。
如图4所示，图像仿真模块生成仿真图像的实现过程如下：
（1）读取目标三维模型，获得数据转换模块传来的坐标参数；
（2）使用OpenGL对所建立的模型进行数学描述；
（3）根据坐标参数，使用OpenGL把景物模型放在三维空间中，并且设置视点；
（4）计算模型中所有物体的色彩，同时确定光照条件、纹理粘贴方式等；
（5）OpenGL调用GPU驱动程序，使用显卡来完成三维场景的二维投影计算，实现空间目标和背景仿真的加速。
这样，通过OpenGL虚拟绘制和GPU的超长流水线与并行计算的优势。实现高精度的空间目标和背景的实时仿真。从而得到图像仿真结果，并将图像仿真结果送至数据通信模块。
如图5所示，DMD驱动控制系统的工作过程如下：
（1）接收与解码数据通信模块传输的图像数据，接口部件采用德州仪器（TI）公司的DVI专用接口芯片TFP401A。
（2）以DDR2SDRAM为核心的高速缓存器在主控FPGA控制下，对图像数据进行缓存。DDR2-SDRAM选用MICRO公司的内存芯片MT47H64M16。4片DDR2芯片分为两组，分别构成缓存器1和缓存器2，统一由主控FPGA内的DDR2控制器及其逻辑接口协调完成数据的乒乓读写操作。
（3）DMD电压控制芯片将主控FPGA传输的数据转换成相应的DMD显示命令，并负责提供DMD显示复位和时序信息给DMD时序控制芯片。
（4）DMD时序控制芯片生成DMD显示复位和时序信号，并根据外同步信号脉冲，驱动DMD显示系统进行图像显示。
如图6所示，DMD显示系统，其核心是DMD显示芯片。DMD显示芯片是一组集成在CMOS存储器上的可旋转的铝制微镜面阵列。每个微反射镜都相当于一个数字光开关，能够旋转±12度。DMD显示芯片根据DMD电压控制芯片和DMD时序控制芯片产生的驱动信号，控制微反射镜阵列进行翻转，对光学投影系统照射在其表面的入射光进行反射，生成数字图像，经光学投影系统变换后输出到探测系统中。
如图7所示，投影光学系统实现图像输出的实现过程如下：
（1）光源经光阑和通光量控制系统形成满足照度要求的光线。其中，光源分为低照度光源和高照度光源。低照度光源是一个照度低于10lx的低电压、高电流的白炽灯泡；高照度光源是UHP气体放电灯；
（2）光线通过聚光镜扩束成平行光，照射到DMD显示芯片上，将DMD芯片照亮；
（3）光线经DMD芯片反射后，产生的数字图像，经过放大光学系统投影在投影屏上；
（4）投影光学镜头将投影屏上的图像放大，转换成平行光输出，投射到探测系统上，从而完成了可见光模拟器投影光学图像的功能。
放大光学系统的参数为，
1)物距：200mm；
2)波长：450nm～900nm，中心波长600nm；
3)半物高：23.1mm；
4)半像高：5.85mm；
5)全视场：MTF>0.4(50lp/mm)。
投影镜头的参数为，
1)出瞳直径：65mm；
2)焦距：250mm；
3)视场角：10.6°×10.6°；
4)出瞳距：100mm；
5)图像畸变：＜1％。
如图8所示，通光量控制系统，实现1.01×10-8lx～2000lx的可见光目标模拟器出光照度调节。工作照度在1lx以下是一个低照度的调光系统，而1lx以上是高照度的调光系统，分别与低照度光源和高照度光源相结合。为了方便实现高低两种照度的相互转换，它们中间有照度交叉部分，以保证转换的顺利进行。因此高照度范围是：2000lx～0.1lx，低照度范围是：1lx～1.01×10-8lx。
通光量控制系统主要包括两套渐变衰减盘、两套阶梯衰减盘、翻转反射镜和快门系统。光源通过小孔光阑照射到衰减盘。
将渐变中性密度滤光片用于光路衰减的具体方法是：选用圆形渐变中性密度滤光片的减光范围是100%～10%，两片组合后就可以达到100%～1%，两个圆形渐变中性密度滤光片转动方向是反向的，这样可以弥补单个渐变中性密度滤光片所产生的不均匀性，以保证在出射光孔出光均匀；当需要减光到1%以下时，加入阶梯衰减片，其减光率为10-2；当减光到0.01%时，可以再加入10-4的中性减光片，依次类推。这样就可以达到亮度范围从1～10-8的技术指标，在低照度调光系统的阶梯衰减盘中，有一个通孔和3个衰减片结构，其衰减系数为：1、10-2、10-4和10-6，这样和渐变衰减盘组合后，就达到了对光源进行10-8衰减的目的。在高照度调光系统的阶梯衰减盘中有两个孔和2个衰减片构成，其衰减系数为：1、10-2、10-4，这样和渐变衰减盘组合后，就达到了2000lx～0.1lx光照度输出。
通光量控制系统实现通光量控制的实现过程如下：
（1）外部操控通过422串口下发高低照度选通指令，单片机接收到高低照度选通指令后，控制翻转反射镜将镜面对准相应的高低照度光路，并进行相应的高低照度光路的快门开合操作；
（2）外部操控通过422串口下发照度大小调节指令，单片机接收到照度大小调节命令后，根据通光量大小要求，生成步进电机控制指令。
（3）单片机发出步进脉冲及换向脉冲通过步进电机驱动模块控制步进电机带动衰减盘转动寻找零位然后控制衰减盘转到要求位置。其中，渐变衰减盘、阶梯衰减盘分别由不同的电机带动，二者由单片机的脉冲命令及进电机驱动共同作用，相互配合，实现光通量的调节。

Claims (2)

1.一种基于可见光目标模拟器的真实目标景象模拟系统，其特征在于：包括图像仿真机和可见光目标模拟器，其中图像仿真机包括：数据通信模块、数据转换模块、图像仿真模块；可见光目标模拟器包括：DMD驱动控制系统、DMD显示系统、投影光学系统和通光量控制系统；
数据通信模块，实时响应半实物仿真网络传送来的坐标和时间参数，所述坐标和时间参数包括时间信息和探测器、目标位置和姿态参数，将所述时间和坐标参数传送给数据转换模块；实时接收图像仿真模块的图像仿真结果，并将所述图像仿真结果送至可见光目标模拟器的DMD驱动控制系统；
数据转换模块，将数据通信模块传递的时间和坐标参数转换成目标相对探测器的位置、姿态参数；太阳相对探测器的位置参数，地球相对探测器的位置参数，从而得到符合图像仿真的坐标位置信息，并将所述的坐标位置信息传递给图像仿真模块；
图像仿真模块，利用目标的三维模型，对数据转换模块传来的坐标位置信息进行三维场景建模仿真，得到三维场景，然后通过OpenGL虚拟绘制并驱动GPU完成三维场景的二维投影，从而得到图像仿真结果，并将图像仿真结果送至数据转换模块；
DMD驱动控制系统，对数据通信模块传来的图像仿真结果进行解码、缓存，根据外同步信号要求，调用缓存的图像仿真数据驱动DMD显示系统；
DMD显示系统，根据DMD驱动控制系统传来的图像仿真数据，利用数字微镜阵列，反射投影光学系统的照射光线，生成数字投影图像；
投影光学系统，根据通光量控制系统输出控制光源的通光量，使光源出射光线经准直后照射到DMD显示系统上，生成数字投影图像，再经放大光学系统投影在透射屏上，最后再经过投影光学镜头将图像投射到探测系统上；
通光量控制系统，用于调节投影光学系统光源的通光量。
2.根据权利要求1所述的基于可见光目标模拟器的真实目标景象模拟系统，其特征在于：所述通光量控制系统包括：调光片位置传感器、衰减片、步进电机、单片机、步进电机驱动模块；外部操控通过422串口下发通光量大小调节命令，单片机接收到调节命令后，根据通光量大小要求，生成步进电机控制指令；单片机发出步进脉冲及换向脉冲通过步进电机驱动模块控制步进电机带动衰减片转动寻找零位然后控制衰减片转到要求位置。
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