CN105807268A - 激光成像雷达目标回波信号模拟器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光成像雷达制导半实物仿真系统中的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置，属于光电信息系统技术领域。包括反射内存卡、目标场景生成计算机、同步信号接收装置、信号分配装置、回波信号生成装置、光源驱动装置和光源阵列；通过目标场景生成计算机实时接收仿真计算机发送的目标轨迹数据，并根据数据生成方法生成延时数据和脉宽数据，并送至回波信号生成装置。回波信号生成装置在触发信号的触发之下，根据当前的延时数据和脉宽数据对其进行延时和展宽后，光源阵列经光源驱动装置驱动下发射出多路光学回波信号。本发明集成度高、稳定性好，具有为被测试的激光成像雷达传感器提供物理的、实时的、延时范围大、时间精度高、脉宽可调的多路光学回波信号等优点。

Description

激光成像雷达目标回波信号模拟器装置

技术领域

本发明涉及一种激光成像雷达制导半实物仿真系统中的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置，主要应用于制导弹药半实物仿真目标模拟系统，属于光电信息系统技术领域。

背景技术

激光成像雷达目标回波信号模拟器装置是激光成像雷达制导制导半实物仿真系统中的关键部件。激光成像雷达目标回波信号模拟器装置在实验室条件下为被试激光成像雷达提供物理的、实时的光学回波信号。

目前国内外有关光学回波信号的生成方式，主要有直接电信号注入、光信号投影和光学微机电系统(MEMS)微镜阵列。直接电信号注入方式绕过了被试激光成像雷达的光电探测系统，直接将生成的回波电信号注入至被试激光成像雷达的信号处理机构。这种方式需要额外的仿真模块来模拟光电探测系统的影响，因而不能验证和测试被试激光成像雷达的全部性能。光信号投影方式是将含有目标距离信息的光学回波信号通过光学系统直接投影至被试激光成像雷达的接收光学系统的入瞳处。然而对于采用焦平面阵列探测器的激光成像雷达，光信号投影方式需要为每一个探测像元提高精度高、延时范围大的光学回波信号。目前采用这种方式的装置的光学回波信号生成通道数量较少(少于64路)，因此只能通过扫描的方式来形成大阵列的距离图像的生成，这样增加了系统的复杂度和体积。光学MEMS微镜阵列方式的原理与光信号投影相似，它采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列作为光源，以MEMS微镜阵列作为图像投影器。这种方式降低了成本和体积，然而这种方式目前只是停留在概念设计和分析阶段，并且没有关于这种方式的进一步报道。

相比于直接电信号注入和光学MEMS微镜阵列，光信号投影仍然是实现光学回波信号生成最为合适的方法。针对上述提及的光学回波信号生成通道数量少、系统复杂度高和体积大等问题，我们提出了一种基于光信号投影方式的激光成像雷达目标回波信号模拟器。该方法能提供并行输出多路光学回波信号，具有延时精度高、延时范围大等优点。并且可以通过光学投影系统后可为被试激光成像雷达提供无扫描的光学回波信号，因此可大大降低系统的复杂度，提高易操作性和易维护性等。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有激光成像雷达目标回波信号生成技术方案中光学回波生成通道数量少、系统复杂度高和体积大等问题，而提供了一种能够一种激光成像雷达目标回波信号模拟器装置。

本发明的目的是是通过下述技术方案实现的：

本发明的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置，包含反射内存卡、目标场景生成计算机、同步信号接收装置、信号分配装置、回波信号生成装置、光源驱动装置和光源阵列，其中：

1)目标场景生成计算机通过反射内存卡实时接收目标轨迹数据，并生成延时数据和脉宽数据。

2)同步信号接收装置将同步信号转换为触发信号。

3)信号分配装置将外部时钟信号和触发信号分别送至目标场景生成计算机和回波信号生成装置。

4)回波信号生成装置在触发信号的触发之下，根据当前数据缓存中的延时数据和脉宽数据对触发信号进行延时和展宽，生成多路回波电信号。

5)光源驱动装置将回波电信号转换为光源驱动信号。

6)光源阵列在光源驱动信号驱动下生成多路光学回波信号。

本发明的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置生成多路光学回波信号的过程为：

1)目标场景生成计算机在数据同步时钟的上升沿接收目标轨迹数据，通过解算后得到延时数据和脉宽数据，之后立即发送至回波信号生成装置。

2)同时，同步信号接收装置不断检测同步信号是否到来，如果检测到则将其转换为触发信号。

3)在触发信号的驱动下，回波信号生成装置根据当前数据缓存中的延时数据和脉宽数据生成多路回波电信号。

4)多路回波电信号经光源驱动装置提高驱动能力后，驱动光源阵列生成多路光学回波信号。

本发明的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置中的目标场景生成计算机生成延时数据和脉宽数据的过程为：

1)为了保证半实物仿真系统的实时性，在接收目标轨迹数据之前，目标场景生成计算机已经预先生成了不同距离时在不同视点下的目标距离数据。首先通过三维引擎软件载入目标模型和地面模型，并设定目标距离和视点坐标，然后以视点为原点创建一个扫描线段，在一定的视场内对该线段进行旋转，并不断的使用三维引擎软件的碰撞检测功能得到目标表面与线段的碰撞点的坐标，通过两点间距离公式计算得出目标距离数据。最终生成了在不同距离时不同视点下的目标距离数据库。

2)根据得到了不同距离时不同视点下的目标距离数据，分别以视点和参考点建立视点坐标系和参考坐标系，通过坐标变换将目标距离数据变换至参考坐标系中，得到在参考坐标系下的目标距离数据。

3)在实时仿真时，目标场景生成计算机根据目标轨迹数据得到当前的目标中心点坐标和视点坐标，根据目标中心点与视点之间距离去调取步骤2)中生成的在参考坐标系下的目标距离数据，然后以该视点建立一个直角坐标系，之后通过坐标变换将参考坐标系下的目标距离数据转换到该视点坐标系下。

4)通常在一个视点下对目标进行观测时，由于遮挡的原因，应当将视线中看不见的目标坐标点去掉。实现的方法是将该视点下的目标坐标转换为球坐标，在相同或者差别微小的视线下，只取离视点距离最小的坐标数据。最终将距离数据通过激光雷达测距方程转换为脉冲的延时数据。

5)脉冲的展宽数据则是通过将目标的表面冲激响应函数与入射光信号进行卷积计算后得出。

本发明的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置中的回波信号生成装置可以使用逻辑编程器件(FPGA或者CPLD)编程来实现，具体实现的模块由脉冲延时计数器、延时比较器、脉冲展宽计数器、展宽比较器、I/O模块、DRAM组成。

本发明的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置可以使用LED阵列作为光源阵列来实现光学回波信号的物理显示，也可以使用LD阵列或者激光器阵列作为光源阵列；光源阵列的组成方式可以采用采用1×N的线阵的方式，也可以采用M×N的面阵的方式。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下有益优点：

1)装置中没有采用扫描系统，从而避免了与激光成像雷达复杂的同步过程，并且使装置的复杂度减低；

2)能够模拟延时范围大、时间精度高、脉宽可调的多路并行输出激光回波信号；

2)具有集成度高，稳定性好，实时性高，试验过程可控，可重复操作等优点；

3)可在实验室条件下测试被试激光成像雷达的目标探测、跟踪和识别性能。

附图说明

图1为本发明实施例的基本机构示意图；

图2为本发明实施例的工作时序图；

图3为本发明实施例中回波电电信号生成流程图；

图4为本发明实施例中预先生成的目标距离数据生成流程图；

图5为本发明实施例中实时仿真时目标距离数据生成示意图；

图6为本发明实施例中目标表面倾斜对入射光脉宽的脉宽展宽结果图；

图7为本发明实施例中光源驱动装置的电路组成示意图；

图8为本发明实施例中实时仿真中使用的目标模型图；

图9为本发明实施例所生成的目标距离图像和模拟距离误差图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

如图1所示，本发明的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置，其装置包括反射内存卡、目标场景生成计算机、同步信号接收装置、信号分配装置、回波信号生成装置、光源驱动装置和光源阵列组成。采用GEcPCI-5565PIORC作为反射内存卡，通过其光钎数据接口来接收目标轨迹数据。采用NIPXIe-8135作为目标场景生成计算机，根据仿真计算机发送的目标轨迹数据，通过解算后得到延时数据和脉宽数据。采用NIPXIe-6674T作为同步信号接收装置，通过PFI0接口或其他PFI接口接收同步信号，并将其转换为触发信号送至PXIe总线中。采用NIPXIe-1082作为信号分配装置，通过REFIN接口接收外部时钟信号，并通过PXIe总线将外部时钟信号和触发信号送至目标场景生成计算机和回波信号生成装置。采用2块NIPXIe-7972R和2块NI6581作为回波信号生成装置，通过使用LabView编程来生成回波电信号。其中，反射内存卡GEcPCI-5565PIORC、目标场景生成计算机NIPXIe-8135、同步信号接收装置NIPXIe-6674T、回波信号生成装置NIPXIe-7972R和NI6581均安装在信号分配装置NIPXIe-1082的插槽之中。采用MAX5048C和IRLML2030作为光源驱动装置，将回波电信号转换为光源驱动信号。光源阵列为输出波长为1064nm的红外LED阵列，生成光学回波信号供被试设备进行探测。

本发明实施例的工作时序图如图2所示。目标场景生成计算机在数据同步时钟的上升沿接收目标轨迹数据，并对其进行解算得到延时数据和脉宽数据，之后立即发送至回波信号生成装置。同步信号接收装置将同步信号转换为触发信号。在触发信号的驱动下，回波信号生成装置根据当前数据缓存中的延时数据和脉宽数据生成108路回波电信号。光源阵列经光源驱动装置驱动后生成108路光学回波信号。

本发明实施例中其中一个回波电信号生成流程图如图3所示。当检测到触发信号时，开始对触发信号进行延时，否则继续等待；当延时值与设定值相同时，结束对其延时，并对其进行展宽；当展宽值与设定值相同时，结束对其展宽，并通过数字I/O输出回波电信号。

本发明实施例中预先生成的目标距离数据生成流程图如图4所示。使用开源三维引擎软件OSG(OpenSceneGraph)作为目标距离数据生成工具。首先通过初始化程序后，载入仿真中所使用的目标和地面模型，并设定目标和视点坐标。然后，以该视点为原点创建扫描线段，并在视场内旋转线段。之后，不断的检测线段是否与目标发生碰撞，如果发生碰撞，则保存当前碰撞点的坐标及距离数据，如果没有发生碰撞，则继续在视场内旋转线段。之后，检测扫描是否完成，如果是则结束数据的生成，如果不是则继续在视场内旋转线段。

本发明实施例中在实时仿真时目标距离数据生成示意图如图5所示。目标数据匹配如图5(a)所示，对于一个视点A，以视点A和参考点O分别建立视点A坐标系O_aX_aY_aZ_a和参考坐标系OXYZ。根据Bursa转换公式由坐标系O_aX_aY_aZ_a到坐标系OXYZ的转换关系为：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x\\ \mathrm{\Δ}y\\ \mathrm{\Δ}z\end{array}\right]+\mathrm{\λ}R\left(\mathrm{\ω}\right)\left[\begin{array}{c}{x}_a\\ y_a\\ z_a\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，(x_a,y_a,z_a)^T为目标上某点在坐标系O_aX_aY_aZ_a下的坐标，(x,y,z)^T为该点在坐标系OXYZ下的坐标，(Δx,Δy,Δz)^T为坐标系O_aX_aY_aZ_a到O坐标系的平移参数，(ω_X,ω_Y,ω_Z)为旋转参数，λ为尺度因子。

将在A视点得到的目标坐标数据带入公式(1)可得到在坐标系OXYZ的目标坐标数据。类似的，可将预先生成不同视点的目标坐标数据变换到坐标系OXYZ下。

目标数据再现如图5(b)所示，对于空间中任意一个视点C，以其作为原点建立坐标系O_cX_cY_cZ_c。由于已知O点坐标和C点坐标，因此可将坐标系OXYZ下的目标坐标数据通过坐标变换变换至坐标系O_cX_cY_cZ_c下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_c\\ {\mathrm{\Δy}}_c\\ {\mathrm{\Δz}}_c\end{array}\right]+{\mathrm{\λ}}_c{R}_c\left(\mathrm{\ω}\right)\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，(x,y,z)^T为目标上某点在坐标系OXYZ下的坐标，(x_c,y_c,z_c)^T为该点在坐标系O_cX_cY_cZ_c下的坐标，(Δx_c,Δy_c,Δz_c)^T为坐标系OXYZ到坐标系O_cX_cY_cZ_c的平移参数，R_c(ω)为坐标系OXYZ到坐标系O_cX_cY_cZ_c的旋转矩阵，λ_c为尺度因子，R_c(ω)＝R(ω_x)R(ω_y)R(ω_z)。

将在坐标系OXYZ下坐标数据代入公式(2)得到目标坐标系O_cX_cY_cZ_c下的坐标数据。然而由于遮挡原因，应当将视点C下看不到的目标点去掉。通过公式(3)将坐标系O_cX_cY_cZ_c下的直角坐标转换为球坐标。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_c=arctan(y_c/x_c)\\ {\mathrm{\β}}_c=arcsin(z_c/\sqrt{x_c^2+y_c^2+z_c^2})\\ R_c=\sqrt{x_c^2+y_c^2+z_c^2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

转换为球坐标后，在C视点下的同一视线中可能存在多个R值。而实际情况是在视点处只能观察到最近的目标轮廓，所以在相同或差别微小的视线角度的情况下取R最小的坐标数据。由此可以得到在视点下C的目标坐标数据，通过两点间距离公式便可得到目标距离数据。最后通过激光雷达测距方程将目标距离数据转换为延时数据：

t＝2R/c(4)

其中，c为光速。

假设目标表面是由多个不同倾斜子表面组成，每个子表面的倾斜角均不相同，则每个子表面的反射光信号p_r(t)可以表示为入射光p_t(t)与目标表面响应函数的卷积h(t)：

p_r(t)＝p_t(t)*h(t)(5)

假设入射光如高斯光束，则对于平面目标，它的表面冲激响应h(t)可表示为：

$h\left(t\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2}}cwsin\mathrm{\α}\exp \left(\frac{{(t-t^{\′})}^2}{{\mathrm{\τ}}_0^2}\right)---\left(6\right)$

其中，t′＝2R/c，w为高斯光束直径，α为入射光与表面法线之间的夹角。

在实时仿真时，由于已知目标模型和入射高斯光束的参数，所以目标表面中各个子表面的倾斜角也是已知的，因此各个子表面对入射光的展宽值便可通过对式(5)中的反射光信号p_r(t)的脉宽进行计算得出。当入射光脉宽为20ns时，对于不同夹角α，由于目标表面倾斜对入射光脉宽的脉宽展宽结果如图6所示，可知脉冲的展宽值随着夹角α的增大而增大，并且随着目标距离R的增大也增大。

通常每一个子表面与视点的距离和表面坡度均是不同的，因此每一个光学回波生成通道的延时和脉宽均需要进行单独设定。

本发明实施例中光源驱动装置的电路组成示意图如图7所示。光源驱动装置由MOSFET驱动芯片MAX5048C，MOSFET晶体管IRLML2030，电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C2、C3，电源VCC和输入信号Signal组成。上述R1＝0Ω，R2＝0Ω，R3＝6.2Ω，R4＝51Ω，C1＝10μF，C2＝1μF，C3＝0.1μF，电源VCC＝5V，光源为1064nm的脉冲发光二极管。

本发明在如图2所示的工作时序下，根据目标轨迹数据和同步信号生成光学回波信号。假设在实时仿真使用的目标模型如图8所示，模型为一个阶梯，在X方向上长度为16m，Z方向上高度为10m。阶梯共有10个子阶梯，每一个子阶梯的在Z方向上的高度为1m，在Y方向上的宽度为1.5m。目标的中心点坐标为(0m，1000m，0m)，视点坐标为(0m，0m，5m)。通过目标场景生成计算机根据上述提及的数据生成过程来生成脉冲的延时数据和脉宽数据。通过补偿后进行测量，得到的目标距离图像和仿真距离误差如图9所示。其中，图9(b)表示的每一个光学回波信号生成通道的仿真距离误差，即测量结果与实际设置值之差。通过测量，本发明在时钟系统频率为144MHz，同步信号频率为10KHz时，可模拟的距离范围为0km到15km，距离分辨率为1.04m，可模拟光学回波信号的通道数为108个，距离抖动误差为1.28cm，各个通道之间的测量峰谷值为15cm。

显然，本领域的技术人员和研究人员可以对本发明的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.激光成像雷达目标回波信号模拟器装置，其特征在于：包含反射内存卡、目标场景生成计算机、同步信号接收装置、信号分配装置、回波信号生成装置、光源驱动装置和光源阵列，其中：

1)目标场景生成计算机通过反射内存卡实时接收目标轨迹数据，并生成延时数据和脉宽数据；

2)同步信号接收装置将同步信号转换为触发信号；

3)信号分配装置将外部时钟信号和触发信号分别送至目标场景生成计算机和回波信号生成装置；

4)回波信号生成装置在触发信号的触发之下，根据当前数据缓存中的延时数据和脉宽数据对触发信号进行延时和展宽，生成多路回波电信号；

5)光源驱动装置将回波电信号转换为光源驱动信号；

6)光源阵列在光源驱动信号驱动下生成多路光学回波信号。

2.激光成像雷达目标回波信号模拟器装置，其特征在于：激光成像雷达目标回波信号模拟器装置生成多路光学回波信号的过程为：

1)目标场景生成计算机在数据同步时钟的上升沿接收目标轨迹数据，通过解算后得到延时数据和脉宽数据，之后立即发送至回波信号生成装置；

2)同时，同步信号接收装置不断检测同步信号是否到来，如果检测到则将其转换为触发信号；

3)在触发信号的驱动下，回波信号生成装置根据当前数据缓存中的延时数据和脉宽数据生成多路回波电信号；

4)多路回波电信号经光源驱动装置提高驱动能力后，驱动光源阵列生成多路光学回波信号。

3.根据权利要求1或2所述的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置，其特征在于：所述的目标场景生成计算机生成延时数据和脉宽数据的过程为：

1)为了保证半实物仿真系统的实时性，在接收目标轨迹数据之前，目标场景生成计算机已经预先生成了不同距离时在不同视点下的目标距离数据；首先通过三维引擎软件载入目标模型和地面模型，并设定目标距离和视点坐标，然后以视点为原点创建一个扫描线段，在一定的视场内对该线段进行旋转，并不断的使用三维引擎软件的碰撞检测功能得到目标表面与线段的碰撞点的坐标，通过两点间距离公式计算得出目标距离数据；最终生成了在不同距离时不同视点下的目标距离数据库；

2)根据得到了不同距离时不同视点下的目标距离数据，分别以视点和参考点建立视点坐标系和参考坐标系，通过坐标变换将目标距离数据变换至参考坐标系中，得到在参考坐标系下的目标距离数据；

3)在实时仿真时，目标场景生成计算机根据目标轨迹数据得到当前的目标中心点坐标和视点坐标，根据目标中心点与视点之间距离去调取步骤2)中生成的在参考坐标系下的目标距离数据，然后以该视点建立一个直角坐标系，之后通过坐标变换将参考坐标系下的目标距离数据转换到该视点坐标系下；

4)通常在一个视点下对目标进行观测时，由于遮挡的原因，应当将视线中看不见的目标坐标点去掉；实现的方法是将该视点下的目标坐标转换为球坐标，在相同或者差别微小的视线下，只取离视点距离最小的坐标数据；最终将距离数据通过激光雷达测距方程转换为脉冲的延时数据；

5)脉冲的展宽数据则是通过将目标的表面冲激响应函数与入射光信号进行卷积计算后得出。

4.根据权利要求1所述的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置，其特征在于：所述的回波信号生成装置使用逻辑编程器件FPGA或者CPLD编程来实现。

5.根据权利要求1所述的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置，其特征在于：可以使用LED阵列，也可以使用LD阵列或者激光器阵列作为光源阵列。

6.根据权利要求1所述的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置，其特征在于：光源阵列的组成方式采用1×N的线阵的方式或采用M×N的面阵的方式。