基于虛擬圖像注入的目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)

軍隊(duì)靶場(chǎng)訓(xùn)練基地用于跟蹤高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的主要手段是光電跟瞄設(shè)備。對(duì)于光電跟瞄系統(tǒng)而言，操作訓(xùn)練需要外部目標(biāo)環(huán)境的緊密配合，因此，訓(xùn)練所需的目標(biāo)環(huán)境構(gòu)建成為對(duì)操作手訓(xùn)練和對(duì)光電跟瞄設(shè)備仿真檢測(cè)的關(guān)鍵因素之一。如果通過現(xiàn)場(chǎng)飛行試驗(yàn)來構(gòu)造目標(biāo)環(huán)境，則訓(xùn)練成本過大，還受到天氣等環(huán)境因素的影響。因此，如何低成本而又高效率地完成操作訓(xùn)練是目前困擾相關(guān)軍事單位的一個(gè)難題。
　　目前，在靶場(chǎng)訓(xùn)練的項(xiàng)目中，通過研制目標(biāo)模擬器來構(gòu)造目標(biāo)環(huán)境，并采用虛擬場(chǎng)景注入的方法來實(shí)現(xiàn)。該方法通過事先錄制好一段目標(biāo)場(chǎng)景的圖像，操作手根據(jù)觀看播放的錄像，操縱光電跟瞄設(shè)備對(duì)錄像中的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤捕獲訓(xùn)練。但此方法沒有反饋，而且實(shí)時(shí)性較差。本文提出一種新的虛擬圖像注入方法。該方法實(shí)時(shí)獲得跟蹤設(shè)備及目標(biāo)的運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)速度追蹤原理模擬生成目標(biāo)及背景的圖像數(shù)據(jù)，從而達(dá)到跟蹤訓(xùn)練的目的。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便、可操作性強(qiáng)，更加注重操作手對(duì)光電跟瞄設(shè)備操縱的性能。
1 目標(biāo)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的運(yùn)行模式
　　在工作過程中，首先由操作手根據(jù)訓(xùn)練需要設(shè)定目標(biāo)模擬的速度、機(jī)動(dòng)特性等初始參數(shù)并送到主控系統(tǒng)；按照設(shè)定的目標(biāo)運(yùn)行特點(diǎn)在每幀待輸出圖像上設(shè)定、調(diào)整目標(biāo)位置；目標(biāo)模擬器通過主控計(jì)算機(jī)接收編碼器位置信息，并解算設(shè)備運(yùn)行速度，根據(jù)速度追蹤原理輸出實(shí)時(shí)跟蹤的圖像數(shù)據(jù)；將圖像處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到接收目標(biāo)模擬器輸出圖像信息的模式；圖像處理器將疊加十字絲的視頻圖像傳送給操作手的監(jiān)視器；操作手操作單桿控制伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，使回轉(zhuǎn)平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行模擬捕獲；最后，圖像處理器根據(jù)編碼器返回?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整目標(biāo)位置，完成對(duì)目標(biāo)捕獲過程的模擬訓(xùn)練。系統(tǒng)運(yùn)行模式如圖1所示。

2 數(shù)學(xué)建模
　　目標(biāo)模擬器的數(shù)學(xué)模型基于速度追蹤原理：假設(shè)目標(biāo)按照特定速度與設(shè)備視軸做等速運(yùn)動(dòng)，該速度在單幀合成圖片中體現(xiàn)為位置脫靶量，如圖2所示。

　　圖2中ΔA和ΔE的初始設(shè)置為：
　　
　　當(dāng)操作手開始進(jìn)行手動(dòng)跟蹤時(shí)，目標(biāo)仿真圖像的調(diào)整數(shù)學(xué)模型為：
　　

3 硬件設(shè)計(jì)
　　目標(biāo)模擬器由串口轉(zhuǎn)換模塊、DSP模塊、FPGA模塊、Camera Link接口模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

DSP采用TI公司的TMS320F2812芯片，它是目前用于控制領(lǐng)域的最高性能的處理器，具有控制精度高、速度快、使用靈活以及集成度高等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行速率可達(dá)150 MIPS，指令采用流水線處理，使得數(shù)據(jù)處理的能力大大增強(qiáng)[1]。設(shè)計(jì)中主要利用其串行通信(SCI)接口、外部中斷（XINTx）接口和外部擴(kuò)展（XINTF）接口。通過與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，接收模擬目標(biāo)和跟蹤設(shè)備的參數(shù)，并根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型解算出目標(biāo)及設(shè)備的坐標(biāo)，實(shí)時(shí)生成目標(biāo)及背景的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)接收時(shí)統(tǒng)的同步中斷信號(hào)。
　　設(shè)計(jì)中選用MAXIM公司的MAX3070芯片進(jìn)行RS-422到RS-232協(xié)議的轉(zhuǎn)換，利用DSP2812的SCI模塊實(shí)現(xiàn)與主控計(jì)算機(jī)的通信。把MAX3070的DI腳與DSP2812的SCITXD相連，RO與DSP2812的SCIRXD相連，同時(shí)為了保證順利地與主控計(jì)算機(jī)通信，允許接收RE#腳直接接地，允許發(fā)送DI腳直接接VCC。加上兩個(gè)電阻以及去耦電容實(shí)現(xiàn)了串行通信接口的硬件設(shè)計(jì)[2]。DSP2812通過外部擴(kuò)展接口（XINTF）與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，將XWE#引腳作為寫使能信號(hào)與FPGA的I/O腳相連，將XCLKOUT引腳作為寫時(shí)鐘信號(hào)與FPGA的I/O腳相連，將16位數(shù)據(jù)線與FPGA的I/O腳相連，來傳送圖像數(shù)據(jù)信號(hào)。