CN104360891A - 可见光图像制导导弹仿真简易目标模拟系统及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可见光图像制导导弹仿真简易目标模拟系统，采用投影仪向投影幕布投射目标十字；采用控制计算机控制三轴转台的偏航和俯仰方向角；采用可见光导引头探测目标十字；采用目标显示计算机进行目标模拟：接收外部输入的模拟目标相对于三轴转台中心的偏航方向角和俯仰方向角，依据内部存有的二维映射表计算获得十字目标在投影图像中的位置坐标，依据该位置坐标控制投影仪向投影幕布投射十字目标；采用标定计算机进行标定：建立一个三轴转台的偏航方向角和俯仰方向角与十字目标位置一一对应的二维映射表，二维映射表建立完成之后发送至目标显示计算机。该系统能够进行简易图像生成，并能够保证一定的仿真精度。

Description

可见光图像制导导弹仿真简易目标模拟系统及其模拟方法

技术领域

本发明属于半实物仿真技术领域，可用于替代五轴转台及目标模拟器完成图像制导武器的半实物仿真实验。

背景技术

半实物仿真是精确武器系统研制过程中不可缺少的一个重要的环节，对于采用可见光图像制导的导弹，目前半实物仿真常规的做法是采用五轴转台，利用五轴转台的内三轴模拟弹体姿态，利用外两轴模拟目标的相对位置，并在外两轴上安装可见光目标模拟器，模拟可见光目标及其背景。

虽然采用五轴转台方案可以得到较高的仿真精度高，但由于五轴转台和专用目标模拟器的投资大、建设周期长(需12个月以上)，导致很多半实物仿真实验室在型号研制初期无法具备末制导仿真的条件，从而延误了型号的研制进度。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了可见光图像制导导弹仿真简易目标模拟系统，能够进行简易图像生成，投资成本低、建设周期短，并且能够保证一定的仿真精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：该系统由投影仪、投影幕布、摄像头、可见光导引头、三轴转台及其控制计算机、目标显示计算机和标定计算机组成。

投影仪在目标显示计算机的控制下向投影幕布投射投影图像，该投影图像为一个位置确定的目标十字。

控制计算机接收转台控制信号，并根据该转台控制信号控制三轴转台的偏航方向角和俯仰方向角。

摄像头安装于三轴转台的滚转轴上，用于在标定过程中对投影图像进行采集。

可见光导引头安装于三轴转台的滚转轴上，用于对投影幕布上的目标十字进行探测。

目标显示计算机在进行目标模拟时，接收外部输入的模拟目标相对于三轴转台中心的偏航方向角和俯仰方向角，依据内部存有的二维映射表计算获得十字目标在投影图像中的位置坐标，依据该位置坐标控制投影仪向投影幕布投射十字目标。

标定计算机采用设定的标定过程建立一个三轴转台的偏航方向角和俯仰方向角与十字目标位置一一对应的二维映射表，二维映射表建立完成之后发送至目标显示计算机。

进一步地，设定的标定过程具体为：

第一步、将摄像头中心轴固定于三轴转台的滚转轴上；在摄像头镜头中心处设定一个标定十字，将投影图像通过投影仪投射于投影幕布上，投影图像中具有一个目标十字；采用摄像头采集投影图像，并在显示计算机显示摄像头所采集的图像。

第二步、确定二维映射表中三轴转台偏航角和俯仰角度的范围：

A、获取粗略的偏航角度范围[α_min，α_max]以及俯仰角度范围[β_min，β_max]，在该范围内，投影幕布处于摄像头的视场中；其中α为偏航角度、β为俯仰角度，以下角标区分不同的偏航角度和俯仰角度。

B、控制三轴转台初始角度为(α_min,β_min)。

C、控制三轴转台的滚转角度分别为0°、90°、180°和270°时，标定计算机发送一个目标控制指令至目标显示计算机，从而控制投影仪向投影幕布投射目标十字，该目标控制指令满足目标十字与标定十字中心重合，则依次对应滚转角度分别为0°、90°、180°和270°时，目标十字在投影图像上的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、(x₄,y₄)。

D、获得当前步骤下的(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线L₁与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线L2；判断直线L₁和L₂之间有无交点：

若无，则控制三轴转台的偏航角增加角度K_α*X_r，俯仰角增加角度K_β*Y_r，重复本步骤C和步骤D，其中K_α和K_β为投影图像像素到转台角度的横向变化系数；

若有，获取其交点(X_m1,Y_m1)。

E、获取此时(X_m1,Y_m1)对应的三轴转台的位置为(α_min1,β_min1)。

F、控制三轴转台的初始角度分别为(α_min,β_max)、(α_max,β_min)和(α_max,β_max)时，执行步骤C～E，获取对应的三轴转台的位置分别为(α_min2,β_max1)、(α_max1,β_min2)和(α_max2,β_max2)。

G、取(α_min1，β_min1)、(α_min2，β_max1)、(α_max1，β_min2)、(α_max2，β_max2)的最小子集，获得精确的三轴转台偏航角和俯仰角的范围[α_minf，α_maxf]，[β_minf，β_maxf]。

第三步、生成标定数据：

I、将[α_minf，α_maxf]平均分成m+1个点α_i，其中i＝0,1,2,3…m；将俯仰角度范围[β_minf，β_maxf]平均分成n+1个点β_j(j＝0,1,2,3…n)；以α_i为行，β_j为列建立二维映射表。

II、以(α_i,β_j)作为三轴转台的偏航角和俯仰角，执行步骤C，并计算(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线的交点，将该交点写入二维映射表中对应第i行第j列交汇的表项中，其中i取遍0,1,2,3…m，j取遍0,1,2,3…n，最终获得完整的二维映射表。

优选地，K_α和K_β的计算方法为：

a、将标定十字的中心点对准投影图像的中心点进行采集，此时三轴转台的位置为(α₁，β₁)。

b、执行步骤C，计算(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成直线的交点(X_p1,Y_p1)。

c、计算上述交点(X_p1,Y_p1)与(x₁,y₁)的偏差(X_r,Y_r)。

d、将标定十字的中心点对准投影图像的中心点进行采集，此时三轴转台的位置为(α₂,β₂)；其中α₁与α₂之间偏差大于1°并在一定范围之内，β₁与β₂之间的偏差大于1°并在一定范围之内。

e、执行步骤C，并计算(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线的交点(X_p2,Y_p2)。

f、计算投影图像像素到转台角度的横向变化系数K_α和K_β，公式为：K_α＝(α₂-α₁)/(X_p2-X_p1)，K_β＝(β₂-β₁)/(Y_p2-Y_p1)。

优选地，步骤D中获取交点(X_m1,Y_m1)之后，对(X_m1,Y_m1)进行如下步骤的优化：

D1、判断(X_m1,Y_m1)与投影图像中偏航方向边缘的像素距离是否2*X_r1，若是，则控制三轴转台的偏航角减少K_α*X_r1，执行步骤C，获得由(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线的交点(X_m2,Y_m2)，以(X_m2,Y_m2)替代(X_m1,Y_m1)，执行步骤D2；否则，直接执行步骤D2。

D2、判断像素偏移(X_m1,Y_m1)在俯仰方向与相对应的边缘的像素距离是否超过2*Y_r1，若是，则控制三轴转台俯仰角减少K_β*Y_r1，执行步骤C，获得由(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线的交点(X_m3,Y_m3)，以(X_m3,Y_m3)替代(X_m1,Y_m1)，结束步骤D；否则直接结束步骤D。

进一步地，目标显示计算机接收外部输入的模拟目标相对于三轴转台中心的偏航角α_x和俯仰角β_y，依据内部存有的二维映射表计算获得十字目标在投影图像中的位置坐标(x,y)的具体方法为：判断(α_x,β_y)是否为二维映射表所记载的角度，若存在i',j'；i'＝0,1,2,3…m,j'＝0,1,2,3…n，使得α_x＝α_i'，且β_x＝β_j'，则直接在二维映射表中定位获取第i'行第j'列交汇的表项作为(x,y)，若不存在符合上述条件的i',j'，则采用如下方法计算(α_x,β_y)对应的(x,y)：

S1、建立坐标系，以偏航方向定义为X坐标轴，向右为正，俯仰方向定义为Y坐标轴，向下为正，以二维表内均匀分布的偏航角度值为X坐标轴刻度值，以二维表内均匀分布的俯仰角度值为Y坐标轴刻度值。

S2、在X轴上取距α_x最近的右侧三个相邻已知刻度值α_k1、α_k2、α_k3,取β_y在Y轴上距其最近的下侧已知刻度值β_k，在二维映射表中查找与(α_k1,β_k)、(α_k2,β_k)、(α_k3,β_k)一一对应的表项的X坐标：X_mk1k、X_mk2k、X_mk3k。

S3、以X_mk1k、X_mk2k、X_mk3k三点所在直线L_k为底边，以三轴转台回转中心为顶点构建直角三角形Δ_k，俯仰角为β_k，偏航角为0°时三轴转台回转中心线与直线L_k的交点为X_m。

S4、直角三角形Δ_k的直角边与底边的交点坐标x₀以及直角边长度z_x通过如下公式计算获得：

$x_0=X_{\mathrm{mk}1k}+X_{\mathrm{mk}3k}-X_{\mathrm{mk}2k}-\frac{{2X}_{\mathrm{mk}2k}-X_{\mathrm{mk}1k}-X_{\mathrm{mk}3k}}{\frac{\tan ({\mathrm{\α}}_{k2}-{\mathrm{\α}}_0)}{\tan ({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{k3}-{\mathrm{\α}}_{k2})}-1}$

$z_x=\frac{X_{\mathrm{mk}1k}-x_0}{\tan ({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_0)}$

其中 ${\mathrm{\α}}_0={\mathrm{\α}}_{k1}-\arctan \left(\frac{(X_{\mathrm{mk}2k}-X_{\mathrm{mk}1k})\tan ({\mathrm{\α}}_{k3}-{\mathrm{\α}}_{k2})-(X_{\mathrm{mk}3k}-X_{\mathrm{mk}2k})\tan ({\mathrm{\α}}_{k2}-{\mathrm{\α}}_{k1})}{\tan ({\mathrm{\α}}_{k2}-{\mathrm{\α}}_{k1})\tan ({\mathrm{\α}}_{k3}-{\mathrm{\α}}_{k2})({2X}_{\mathrm{mk}2k}-X_{\mathrm{mk}1k}-X_{\mathrm{mk}3k})}\right).$

S5、则偏航为α_x时的像素点横坐标x＝z_xtan(α_x-α₀)+x₀。

S6、取β_y在Y轴上距其最近的下侧三个相邻已知刻度值β_p1、β_p2、β_p3,取α_x在X轴上距其最近右侧的已知刻度值α_p，在二维映射表中查找与(α_p,β_p1)、(α_p,β_p2)、(α_p,β_p3)一一对应的表项的Y坐标Y_mpp1、Y_mpp2和Y_mpp3。

S7、以Y_mpp1、Y_mpp2和Y_mpp3三点所在直线L_p为底边，以三轴转台回转中心为顶点构建直角三角形Δ_p，偏航角为α_p，俯仰角为0°时三轴转台回转中心线与直线L_p的交点为Y_m。

S8、直角三角形Δ_p的直角边与底边的交点坐标y₀以及直角边长度z_y通过如下公式计算获得：

$y_0=Y_{\mathrm{mpp}1}+Y_{\mathrm{mpp}3}-Y_{\mathrm{mpp}2}-\frac{{2Y}_{\mathrm{mpp}2}-Y_{\mathrm{mpp}1}-Y_{\mathrm{mpp}3}}{\frac{\tan ({\mathrm{\β}}_{p2}-{\mathrm{\β}}_0)}{\tan ({\mathrm{\β}}_{p1}-{\mathrm{\β}}_0+{\mathrm{\β}}_{p3}-{\mathrm{\β}}_{p2})}-1}$

$z_y=\frac{Y_{\mathrm{mpp}1}-y_0}{\tan ({\mathrm{\β}}_{p1}-{\mathrm{\β}}_0)}$

其中 ${\mathrm{\β}}_0={\mathrm{\β}}_{p1}-\arctan \left(\frac{(Y_{\mathrm{mpp}2}-Y_{\mathrm{mpp}1})\tan ({\mathrm{\β}}_{p3}-{\mathrm{\β}}_{p2})-(Y_{\mathrm{mpp}3}-Y_{\mathrm{mpp}2})\tan ({\mathrm{\β}}_{p2}-{\mathrm{\β}}_{p1})}{\tan ({\mathrm{\β}}_{p2}-{\mathrm{\β}}_{p1})\tan ({\mathrm{\β}}_{p3}-{\mathrm{\β}}_{p2})({2Y}_{\mathrm{mpp}2}-Y_{\mathrm{mpp}1}-Y_{\mathrm{mpp}3})}\right)$

S9、则俯仰角为β_y时的像素点纵坐标y为：y＝z_ytan(β_y-β₀)+y₀。

有益效果：

1、本发明所提供的可见光图像制导导弹仿真简易目标模拟系统，能够进行简易图像生成，投资成本低、建设周期短，并且能够保证一定的仿真精度。

2、该系统利用摄像头获取图像的位置信息，可实现标定过程的自动化，大幅度的提高了标定的进度并降低了操作人员的工作强度。标定的结果是一个三轴转台偏航、俯仰角度与投影图像像素偏移之间的二维映射表，通过这个映射表可以得到图像显示位置与角度之间的映射关系，该二维映射表为后续进行目标模拟提供了方便。

3、该系统目标显示计算机接收到外部输入的模拟目标相对于三轴转台中心在偏航、俯仰方向的角度，查询标定建立的二维映射表，得到目标图像在投影幕布上显示的位置，对于二维映射表中没有直接记载的角度，则通过一定的方法进行计算，该方法能够精确找到目标图像在投影幕布上显示的位置，相比传统的插值法更具备较高的精度。

附图说明

图1是本发明的系统组成图；

图2直角三角形Δ_k。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了可见光图像制导导弹仿真简易目标模拟系统，该系统如图1所示，由投影仪、投影幕布、摄像头、三轴转台及其控制计算机、目标显示计算机和标定计算机组成。

投影仪在目标显示计算机的控制下向投影幕布投射目标十字。

控制计算机接收转台控制信号，并根据该信号控制三轴转台的位置，该位置可以用偏航方向角和俯仰方向角来表示。

目标显示计算机在进行目标模拟时，接收外部输入的模拟目标相对于三轴转台中心的偏航方向角和俯仰方向角，依据内部存有的二维映射表计算获得十字目标在投影图像中的位置坐标，依据该位置坐标控制投影仪向投影幕布投射十字目标。

标定计算机采用设定的标定方法建立一个三轴转台位置与十字目标位置一一对应的二维映射表，二维映射表建立完成之后发送至目标显示计算机。

本实施例中的标定计算机的功能是为系统标定以获得二维映射表；系统的标定过程是在三轴转台与投影幕布的相对位置固定后进行的。标定过程只需一次，只有当三轴转台与投影幕布的相对位置发生变化后，才需再次标定。

上述设定的标定过程具体为：

第一步、将摄像头中心轴固定于三轴转台的滚转轴上；在摄像头镜头中心处设定一个标定十字，将投影图像通过投影仪投射于投影幕布上，投影图像中具有一个目标十字；采用摄像头采集投影图像，并在显示计算机显示摄像头所采集的图像；投影图像的像素分辨率为X_max,Y_max；在实际过程中，可以将目标十字设定为红色、将标定十字设定为白色以示区别。

本实施例中摄像头的放大倍率尽可能设置为高放大倍率，使得通过摄像头观察的图像尺寸是原投影图像尺寸的1/6至1/5。

第二步、确定二维映射表中三轴转台偏航角和俯仰角度的范围。

A、依据三轴转台的具体参数获取粗略的偏航角度范围[α_min，α_max]以及俯仰角度范围[β_min，β_max]，在该范围内，投影幕布处于摄像头的视场中。

B、控制三轴转台初始位置为(α_min,β_min)，该位置为右下边界位置，其中α_min为偏航角度、β_min为俯仰角度；

C、控制三轴转台的滚转角度分别为0°、90°、180°和270°时，标定计算机发送一个目标控制指令至所述目标显示计算机，从而控制所述投影仪向投影幕布投射目标十字，该目标控制指令满足所述目标十字与标定十字中心重合，则依次对应滚转角度分别为0°、90°、180°和270°时，目标十字在投影图像上的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、(x₄,y₄)；

D、执行步骤C，获得当前步骤下的(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线L₁与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线L2；判断直线L₁和L₂之间有无交点，

若无，则控制三轴转台的偏航角增加角度K_α*X_r，俯仰角增加角度K_β*Y_r，重复本步骤C和步骤D，其中K_α和K_β为投影图像像素到转台角度的横向变化系数。

若有，获取其交点(X_m1,Y_m1)。

计算上述交点(X_m1,Y_m1)与(x₁,y₁)的偏差(X_r1,Y_r1)。

本实施例中可以采用如下具体步骤进行变化系数K_α和K_β的计算：

a、将标定十字的中心点对准投影图像的中心点进行采集，此时三轴转台的位置为(α₁，β₁)，其中α为偏航角度、β为俯仰角度，以下角标区分不同的偏航角度和俯仰角度；

b、控制三轴转台的滚转角度分别为0°、90°、180°和270°时，标定计算机发送一个目标控制指令至目标显示计算机，从而控制投影仪向投影幕布投射目标十字，该目标控制指令满足目标十字与标定十字中心重合，即红色十字与白色十字重合，则依次对应滚转角度分别为0°、90°、180°和270°时，目标十字在投影图像上的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、(x₄,y₄)；计算(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成直线的交点(X_p1,Y_p1)该交点就是滚转轴与投影图像交点的像素偏移，从而便于后续消除摄像安装误差带来的影响。

c、计算上述交点(X_p1,Y_p1)与(x₁,y₁)的偏差(X_r,Y_r)，该偏差即为摄像头中心与旋转轴中心的偏差。

d、将标定十字的中心点对准投影图像的中心点进行采集，此时三轴转台的位置为(α₂,β₂)，其中α₂为偏航方向角、β₂为俯仰方向角；其中α₁与α₂之间偏差大于1°并且在一定范围之内，β₁与β₂之间的偏差大于1°并且在一定范围之内，其中在本实施例中，只要α₁与α₂之间偏差和β₁与β₂之间的偏差稍微大于1°即可，可以控制在1°～3°的范围之内。

g、重复步骤b，并计算(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线的交点(X_p2,Y_p2)。

在获得了(X_m1,Y_m1)之后，本实施例中又对(X_m1,Y_m1)进行了优化，使(X_m1,Y_m1)在偏航方向和俯仰方向更靠近投影图像边缘；

优化方法具体为：

D1、判断(X_m1,Y_m1)与投影图像中偏航方向边缘的像素距离是否超过2*X_r1，若是，则控制三轴转台的偏航角减少K_α*X_r1，执行步骤C，获得由(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线的交点(X_m2,Y_m2)，以(X_m2,Y_m2)替代(X_m1,Y_m1)执行步骤D2；否则，直接执行步骤D2。

此步骤的作用是使(X_m1,Y_m1)在偏航方向更靠近边缘。

D2、判断像素偏移(X_m1,Y_m1)在俯仰方向与相对应的边缘的像素距离是否超过2*Y_r1，若是，则控制三轴转台俯仰角减少K_β*Y_r1，执行步骤C，获得由(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线的交点(X_m3,Y_m3)，以(X_m3,Y_m3)替代(X_m1,Y_m1)，结束步骤D；否则直接结束步骤D。

此优化的作用是使(X_m1,Y_m1)在俯仰方向更靠近边缘。

E、获取此时(X_m1,Y_m1)对应的三轴转台的位置为(α_min1,β_min1)；

F、分别控制三轴转台转动到粗略计算的其余三个边界位置，包括右上边界位置(α_min,β_max)、左下边界位置(α_max,β_min)和左上边界位置(α_max,β_max)，执行步骤C～E，获取对应的三轴转台的位置分别为(α_min2,β_max1)、(α_max1,β_min2)和(α_max2,β_max2)。

G、取(α_min1，β_min1)、(α_min2，β_max1)、(α_max1，β_min2)、(α_max2，β_max2)的最小子集，获得精确的三轴转台偏航角和俯仰角的范围[α_minf，α_maxf]，[β_minf，β_maxf]；

第三步、生成标定数据；

I、将[α_minf，α_maxf]平均分成m+1个点α_i(i＝0,1,2,3…m)；将俯仰角度范围[β_minf，β_maxf]平均分成n+1个点β_j(j＝0,1,2,3…n)；以α_i为行，β_j为列建立二维映射表；

II、以(α_i,β_j)作为三轴转台的偏航角和俯仰角，执行步骤b，并计算(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线的交点(X_mij,Y_mij)，将(X_mij,Y_mij)写入二维映射表中对应第i行第j列的表项中，最终获得完整的二维映射表。

本实施例中，目标显示计算机接收外部输入的模拟目标相对于三轴转台中心的偏航角α_x和俯仰角β_y，依据内部存有的二维映射表计算获得十字目标在投影图像中的位置坐标(x，y)，首先判断(α_x,β_y)是否为二维映射表所记载的角度，若存在i',j'；(i'＝0,1,2,3…m,j'＝0,1,2,3…n)，使得α_x＝α_i'，且β_x＝β_j'，则直接在二维映射表中定位获取第i'行第j'列交汇的表项(X_mi'j',Y_mi'j')作为(x，y)，若不存在符合上述条件的i',j'，则采用如下方法计算x和y的值：

S1、建立坐标系，以偏航方向定义为X坐标轴，向右为正，俯仰方向定义为Y坐标轴,向下为正，以二维表内均匀分布的偏航角度值为X坐标轴刻度值，以二维表内均匀分布的俯仰角度值为Y坐标轴刻度值；

S2、在X轴上取距α_x最近的右侧三相邻已知刻度值α_k1，α_k2，α_k3(k2-k1＝k3-k2＝1),取β_y在Y轴上距其最近的下侧已知刻度值β_k，在二维映射表中查找与(α_k1,β_k)、(α_k2,β_k)、(α_k3,β_k)一一对应的表项的X坐标：X_mk1k、X_mk2k、X_mk3k；

S3、以X_mk1k、X_mk2k、X_mk3k三点所在直线L_k为底边，以三轴转台回转中心为顶点构建直角三角形Δ_k，俯仰角为β_k，偏航角为0°时三轴转台回转中心线与直线L_k的交点为X_m；

S4、直角三角形Δ_k如图2所示，的直角边与底边的交点坐标x₀以及直角边长度z_x通过如下公式计算获得：

$x_0=X_{\mathrm{mk}1k}+X_{\mathrm{mk}3k}-X_{\mathrm{mk}2k}-\frac{{2X}_{\mathrm{mk}2k}-X_{\mathrm{mk}1k}-X_{\mathrm{mk}3k}}{\frac{\tan ({\mathrm{\α}}_{k2}-{\mathrm{\α}}_0)}{\tan ({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{k3}-{\mathrm{\α}}_{k2})}-1}$

$z_x=\frac{X_{\mathrm{mk}1k}-x_0}{\tan ({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_0)}$

其中 ${\mathrm{\α}}_0={\mathrm{\α}}_{k1}-\arctan \left(\frac{(X_{\mathrm{mk}2k}-X_{\mathrm{mk}1k})\tan ({\mathrm{\α}}_{k3}-{\mathrm{\α}}_{k2})-(X_{\mathrm{mk}3k}-X_{\mathrm{mk}2k})\tan ({\mathrm{\α}}_{k2}-{\mathrm{\α}}_{k1})}{\tan ({\mathrm{\α}}_{k2}-{\mathrm{\α}}_{k1})\tan ({\mathrm{\α}}_{k3}-{\mathrm{\α}}_{k2})({2X}_{\mathrm{mk}2k}-X_{\mathrm{mk}1k}-X_{\mathrm{mk}3k})}\right);$

S5、则偏航为α_x时的像素点横坐标x＝z_xtan(α_x-α₀)+x₀；

S6、取β_y在Y轴上距其最近的下侧三相邻已知刻度值β_p1、β_p2、β_p3(p2-p1＝p3-p2＝1),取α_x在X轴上距其最近右侧的已知刻度值α_p，在二维映射表中查找与(α_p,β_p1)、(α_p,β_p2)、(α_p,β_p3)一一对应的表项的Y坐标Y_mpp1、Y_mpp2和Y_mpp3；

S7、以Y_mpp1、Y_mpp2和Y_mpp3三点所在直线L_p为底边，以三轴转台回转中心为顶点构建直角三角形Δ_p，偏航角为α_p，俯仰角为0°时三轴转台回转中心线与直线L_p的交点为Y_m；

S8、直角三角形Δ_p的直角边与底边的交点坐标y₀以及直角边长度z_y通过如下公式计算获得：

$y_0=Y_{\mathrm{mpp}1}+Y_{\mathrm{mpp}3}-Y_{\mathrm{mpp}2}-\frac{{2Y}_{\mathrm{mpp}2}-Y_{\mathrm{mpp}1}-Y_{\mathrm{mpp}3}}{\frac{\tan ({\mathrm{\β}}_{p2}-{\mathrm{\β}}_0)}{\tan ({\mathrm{\β}}_{p1}-{\mathrm{\β}}_0+{\mathrm{\β}}_{p3}-{\mathrm{\β}}_{p2})}-1}$

$z_y=\frac{Y_{\mathrm{mpp}1}-y_0}{\tan ({\mathrm{\β}}_{p1}-{\mathrm{\β}}_0)}$

其中 ${\mathrm{\β}}_0={\mathrm{\β}}_{p1}-\arctan \left(\frac{(Y_{\mathrm{mpp}2}-Y_{\mathrm{mpp}1})\tan ({\mathrm{\β}}_{p3}-{\mathrm{\β}}_{p2})-(Y_{\mathrm{mpp}3}-Y_{\mathrm{mpp}2})\tan ({\mathrm{\β}}_{p2}-{\mathrm{\β}}_{p1})}{\tan ({\mathrm{\β}}_{p2}-{\mathrm{\β}}_{p1})\tan ({\mathrm{\β}}_{p3}-{\mathrm{\β}}_{p2})({2Y}_{\mathrm{mpp}2}-Y_{\mathrm{mpp}1}-Y_{\mathrm{mpp}3})}\right)$

S9、则俯仰角为β_y时的像素点纵坐标y为：y＝z_ytan(β_y-β₀)+y₀。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.可见光图像制导导弹仿真简易目标模拟系统，其特征在于，该系统由投影仪、投影幕布、摄像头、可见光导引头、三轴转台及其控制计算机、目标显示计算机和标定计算机组成； 

所述投影仪在所述目标显示计算机的控制下向投影幕布投射投影图像，该投影图像为一个位置确定的目标十字； 

所述控制计算机接收转台控制信号，并根据该转台控制信号控制所述三轴转台的偏航方向角和俯仰方向角； 

所述摄像头安装于所述三轴转台的滚转轴上，用于在标定过程中对投影图像进行采集； 

所述可见光导引头安装于所述三轴转台的滚转轴上，用于对投影幕布上的目标十字进行探测； 

所述目标显示计算机在进行目标模拟时，接收外部输入的模拟目标相对于所述三轴转台中心的偏航方向角和俯仰方向角，依据内部存有的二维映射表计算获得十字目标在所述投影图像中的位置坐标，依据该位置坐标控制所述投影仪向投影幕布投射十字目标； 

所述标定计算机采用设定的标定过程建立一个三轴转台的偏航方向角和俯仰方向角与十字目标位置一一对应的二维映射表，所述二维映射表建立完成之后发送至所述目标显示计算机。 

2.如权利要求1所述的可见光图像制导导弹仿真简易目标模拟系统，其特征在于，所述设定的标定过程具体为： 

第一步、将摄像头中心轴固定于三轴转台的滚转轴上；在摄像头镜头中心处设定一个标定十字，将投影图像通过投影仪投射于投影幕布上，所述投影图像中具有一个目标十字；采用摄像头采集投影图像，并在显示计算机显示摄像 头所采集的图像； 

第二步、确定二维映射表中三轴转台偏航角和俯仰角度的范围 

A、获取粗略的偏航角度范围[α_min，α_max]以及俯仰角度范围[β_min，β_max]，在该范围内，投影幕布处于摄像头的视场中；其中α为偏航角度、β为俯仰角度，以下角标区分不同的偏航角度和俯仰角度； 

B、控制三轴转台初始角度为(α_min,β_min)； 

C、控制三轴转台的滚转角度分别为0°、90°、180°和270°时，标定计算机发送一个目标控制指令至所述目标显示计算机，从而控制所述投影仪向投影幕布投射目标十字，该目标控制指令满足所述目标十字与标定十字中心重合，则依次对应滚转角度分别为0°、90°、180°和270°时，目标十字在投影图像上的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、(x₄,y₄)； 

D、获得当前步骤下的(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线L₁与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线L2；判断直线L₁和L₂之间有无交点： 

若无，则控制三轴转台的偏航角增加角度K_α*X_r，俯仰角增加角度K_β*Y_r，重复本步骤C和步骤D，其中K_α和K_β为投影图像像素到转台角度的横向变化系数； 

若有，获取其交点(X_m1,Y_m1)； 

E、获取此时(X_m1,Y_m1)对应的三轴转台的位置为(α_min1,β_min1)； 

F、控制三轴转台的初始角度分别为(α_min,β_max)、(α_max,β_min)和(α_max,β_max)时，执行步骤C～E，获取对应的三轴转台的位置分别为(α_min2,β_max1)、(α_max1,β_min2)和(α_max2,β_max2)； 

G、取(α_min1，β_min1)、(α_min2，β_max1)、(α_max1，β_min2)、(α_max2，β_max2)的最小子集，获得精确的三轴转台偏航角和俯仰角的范围[α_minf，α_maxf]，[β_minf，β_maxf]； 

第三步、生成标定数据； 

I、将[α_minf，α_maxf]平均分成m+1个点α_i，其中i＝0,1,2,3…m；将俯仰角度范围[β_minf，β_maxf]平均分成n+1个点β_j(j＝0,1,2,3…n)；以α_i为行，β_j为列建立二维映射表； 

II、以(α_i,β_j)作为三轴转台的偏航角和俯仰角，执行步骤C，并计算(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线的交点，将该交点写入所述二维映射表中对应第i行第j列交汇的表项中，其中i取遍0,1,2,3…m，j取遍0,1,2,3…n，最终获得完整的二维映射表。 

3.如权利要求2所述的可见光图像制导导弹仿真简易目标模拟系统，其特征在于，K_α和K_β的计算方法为： 

a、将所述标定十字的中心点对准所述投影图像的中心点进行采集，此时三轴转台的位置为(α₁，β₁)； 

b、执行步骤C，计算(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成直线的交点(X_p1,Y_p1)； 

c、计算上述交点(X_p1,Y_p1)与(x₁,y₁)的偏差(X_r,Y_r)； 

d、将所述标定十字的中心点对准所述投影图像的中心点进行采集，此时三轴转台的位置为(α₂,β₂)；其中α₁与α₂之间偏差大于1°并在一定范围之内，β₁与β₂之间的偏差大于1°并在一定范围之内； 

e、执行步骤C，并计算(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线的交点(X_p2,Y_p2)； 

f、计算投影图像像素到转台角度的横向变化系数K_α和K_β，公式为：K_α＝(α₂-α₁)/(X_p2-X_p1)，K_β＝(β₂-β₁)/(Y_p2-Y_p1)。 

4.如权利要求2所述的可见光图像制导导弹仿真简易目标模拟系统，其特征在于，所述步骤D中获取交点(X_m1,Y_m1)之后，对(X_m1,Y_m1)进行如下步骤的优化： 

D1、判断(X_m1,Y_m1)与投影图像中偏航方向边缘的像素距离是否2*X_r1，若是， 则控制三轴转台的偏航角减少K_α*X_r1，执行步骤C，获得由(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线的交点(X_m2,Y_m2)，以(X_m2,Y_m2)替代(X_m1,Y_m1)，执行步骤D2；否则，直接执行步骤D2； 

D2、判断像素偏移(X_m1,Y_m1)在俯仰方向与相对应的边缘的像素距离是否超过2*Y_r1，若是，则控制三轴转台俯仰角减少K_β*Y_r1，执行步骤C，获得由(x₁,y₁)和(x₃,y₃)组成的直线与(x₂,y₂)和(x₄,y₄)组成的直线的交点(X_m3,Y_m3)，以(X_m3,Y_m3)替代(X_m1,Y_m1)，结束步骤D；否则直接结束步骤D。 

5.如权利要求2所述的可见光图像制导导弹仿真简易目标模拟系统，其特征在于，所述目标显示计算机接收外部输入的模拟目标相对于所述三轴转台中心的偏航角α_x和俯仰角β_y，依据内部存有的二维映射表计算获得十字目标在所述投影图像中的位置坐标(x,y)的具体方法为：判断(α_x,β_y)是否为二维映射表所记载的角度，若存在i’,j’，i’＝0,1,2,3…m,j’＝0,1,2,3…n，使得α_x＝α_i'，且β_x＝β_j'，则直接在二维映射表中定位获取第i'行第j'列交汇的表项作为(x,y)，若不存在符合上述条件的i',j'，则采用如下方法计算(α_x,β_y)对应的(x,y)： 

S1、建立坐标系，以偏航方向定义为X坐标轴，向右为正，俯仰方向定义为Y坐标轴，向下为正，以二维表内均匀分布的偏航角度值为X坐标轴刻度值，以二维表内均匀分布的俯仰角度值为Y坐标轴刻度值； 

S2、在X轴上取距α_x最近的右侧三个相邻已知刻度值α_k1、α_k2、α_k3,取β_y在Y轴上距其最近的下侧已知刻度值β_k，在二维映射表中查找与(α_k1,β_k)、(α_k2,β_k)、(α_k3,β_k)一一对应的表项的X坐标：X_mk1k、X_mk2k、X_mk3k； 

S3、以X_mk1k、X_mk2k、X_mk3k三点所在直线L_k为底边，以三轴转台回转中心为顶点构建直角三角形Δ_k，俯仰角为β_k，偏航角为0°时三轴转台回转中心线与直线L_k的交点为X_m； 

S4、所述直角三角形Δ_k的直角边与底边的交点坐标x₀以及直角边长度z_x通过如下公式计算获得： 

其中

S5、则偏航为α_x时的像素点横坐标x＝z_xtan(α_x-α₀)+x₀； 

S6、取β_y在Y轴上距其最近的下侧三个相邻已知刻度值β_p1、β_p2、β_p3,取α_x在X轴上距其最近右侧的已知刻度值α_p，在二维映射表中查找与(α_p,β_p1)、(α_p,β_p2)、(α_p,β_p3)一一对应的表项的Y坐标Y_mpp1、Y_mpp2和Y_mpp3； 

S7、以Y_mpp1、Y_mpp2和Y_mpp3三点所在直线L_p为底边，以三轴转台回转中心为顶点构建直角三角形Δ_p，偏航角为α_p，俯仰角为0°时三轴转台回转中心线与直线L_p的交点为Y_m； 

S8、所述直角三角形Δ_p的直角边与底边的交点坐标y₀以及直角边长度z_y通过如下公式计算获得： 

其中

S9、则俯仰角为β_y时的像素点纵坐标y为：y＝z_ytan(β_y-β₀)+y₀。