（测试计量技术及仪器专业论文）动态模拟测试系统目标投射方法的研究.pdf

摘要 随着愈来愈多的成像跟踪制导系统的开发和研制，其测试评估方法也发生了重大变 化。利用动态目标半实物仿真技术，可用来进行动态目标的投射，模拟真实的目标运动。 本系统基于半实物仿真技术；采用以计算机景象生成及目标图像光学投影为基础 的h w i l 仿真方式；用三轴飞行转台模拟目标运动过程中的姿态运动，通过伺服控制 系统改变对三周转台进行控制，以模拟背景和目标的相对位移；采用球形幕投影显示， 这样能在一定程度上使目标放大。便于操作人员观察。系统包括：图像生成部分( s g i 工作站及相应软件环境) 、大屏幕显示设备、姿态模拟部分( 三轴电动转台) 和主控计 算机四部分。 论文对动态目标系统总体设计分析，对现有技术进行研究比较，并根据系统需要 进行了必要的改进，对系统的机械部分进行总体考虑，重点设计视景生成系统中的投 影系统，视景系统包括目标投影系统和背景投影系统，前者将目标实时地投影到仿真 系统的投影球幕上，后者将实际景物实时地投影到球幕上，设计达到系统要求。 关键字：动态目标半实物仿真视景生成投影系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho fm o r ea n dm o r ei m a g et r a c k e rg u i d i n g s y s t e m s ，i t st e s t i n ge v a l u a t i n gm e t h o dh a sa l s ob e e nc h a n g e d 。b yt h ew a y so f d y n a m i ct a r g e ts e m i p r a c t i c a l i t ye m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，w ec a np r o j e c tt h e d y n a m i ct a r g e ta n ds i m u l a t et h ea c t u a lm o v i n go ft h et a r g e t 。 t h es y s t e mi sb a s e do f ft h es e m i p r a c t i c a lit ye m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e h w i lw a y sw h i c hi sb a s e do nt h ec o m p u t e ri m a g ea n dt a r g e ti m a g eo p t i c s p r o j e c t i n g ：i ta l s ou s e st r i a x i a lf l y i n gt u r n i n gt os i m u l a t et h eg e s t u r e m o v e m e n ti nt h et a r g e tm o v e m e n t ，a n dc o n t r o lt h et r i a x i a lp l a t f o r ma sw e l la s s i m u l a t eb a c k g r o u n da n dt h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n to ft h et a r g e tw i t ht h ec o n t r o l s y s t e m ；t h es p h e r i c i t ys c r e e ns h o w 。 c o u l de n l a r g et h et a r g e ta n dm a k et h ec r e w so b s e r v ee a s i l y 。t h es y s t e m i n c l u d e s ：i m a g ec r e a t i n g 、l a r g es c r e e ns h o we q u i p m e n t 、g e s t u r es i m u l a t i o na n d m a i nc o n t r o lc o m p u t e r 。 t h et h e s i sd e s i g n st h ed y n a m i ct a r g e ts y s t e m ，a n dc o m p a r e st h ec u r r e n t t e c h n i q u e 。a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do ft h es y s t e m , i ta l s od e s i g n st h em a c h i n e o ft h es y s t e ma n dp r o j e c t i n gs y s t e mo fi m a g ec r e a t i n gw h i c hi n c l u d i n gg o a l p r o j e c t i o ns y s t e ma n db a c k g r o u n dp r o j e c t i o ns y s t e m ，t h ef o r m e rp r o j e c t st h e g o a lt oo nt h es i m u l a t i o ns y s t e mp r o j e c t i o nb a l lc u r t a i ni nr e a l t i m e ，t h e l a t t e rp r o j e c t st h ea c t u a ls c e n e r yt ot h eb a l lc u r t a i ni nr e a l t i m ea 1 1o ft h e d e s i g nm e e t st h es y s t e mr e q u i r e m e n t s 。 k e yw o r d s ：d y n a m i ct a r g e ts e m i - p r a c t i c a l i t ye m u l a t i o n v i s i o nc r e a t i n g p r o j e c t i n gs y s t e m 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，动态模拟测试系统目标投射方法 的研究是本入在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：座望珏j 月2 妇 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：壅堑 2 1 1 壅，年五月2 厶 指导导师签名： 丑杰! 互2 1 堑年互月二厶 指导导师签名： 幺丝：乙2 1 竖年三月丛日 第一章绪论 1 1 课题背景 动态目标，主要包括飞机、各种制式导弹、火箭、观测卫星等，尽管空中目标的 种类不同，同一目标性能差异也很大。目前国内外开展空中目标红外辐射特性研究的 手段主要有以下两种方法：在真实战术环境条件下的试飞及实际测量：理论或工 程计算模拟方法。前者的优势在于可以得到空中目标在真实飞行状态下最直接的测量 结果，逼近程度较高，但是，由于战场目标的多样性、非合作性及背景的复杂性，对 目标和背景的红外辐射特性进行实际测量是行不通的。为此，许多国家都在采用模拟 和软件计算的方法来开展这方面的研究工作。随着计算机技术的发展及其硬件设备价 格的降低，计算机模拟技术在军事领域获得了广泛应用，利用计算机模拟生成空中目 标的红外图像的技术已用于目标识剔与跟踪、导弹寻的模拟等方面。与外场实验相比， 计算机模拟不仅能节约大量的试验费用，而且还可产生恶劣地理及自然条件下外场试 验无法获取的热红外图像，因而具有极其重要的军事价值。 对于武器系统而言，要完成对目标的摧毁任务，就必须对目标的位置、速度、加 速度等状态进行估计和预测，即要对目标进行跟踪。而需要跟踪的目标存在机动性； 同时，由于观测设备精度有限，存在测量误差。这些客观条件的存在，使得对机动目 标的跟踪成为系统的一个难点。 目标坐标测定仪是连续目标航路参数测量设备，它能对低空或超低空的运动目标 航路进行连续的精确测量和传输，为跟踪系统提供动态目标航路参数，用来连续测量 5 5 k m 以内的空中动态目标。要提高跟踪精度，除了提高目标坐标测定仪的性能之外， 还要采用适当的控制算法并进行验证，这样就需要频繁地进行实验，但在军工及航空 航天领域的研究过程中，这样频繁地采取实地实物实验有时条件是不完备的，实现很 困难。因此可以用一个目标模拟器来模拟目标运动，给目标坐标测定仪提供一个测量 对象，这样在实验室中就可以实现目标跟踪，以半实物仿真的形式来实现跟踪系统捕 捉目标、跟踪目标的能力和动态性能的测试和评估。 近几年，由于数字图像处理、计算机视觉等技术的发展，使得图像处理技术在军 事领域的应用成为可能，所以，获取动态目标的图像对于红外搜索跟踪系统及导弹制 导等系统而言，具有更为重要的意义。 目前，仿真技术已广泛深入地应用到国民经济、国防防卫各个领域中。半实物仿 真技术在二次世界大战之后，伴随自动化武器系统的研制及计算机技术的发展而迅速 发展，尤其在武器系统的研制过程中起着重要作用。半实物仿真把被仿真对象部分实 物放在仿真系统中，使部件性能在满足系统整体性能指标的环境中得到验证，是对系 统设计进行检验，是对实际系统进行动态调试不可缺少的技术手段。既可以考察部件 的性能是否符合设计要求，又能提供大量数据，为优化设计提供依据，提高系统设计 的可靠性，缩短研制周期。半实物仿真具有靶场飞行试验所不能替代的优越性。靶场 飞行试验虽然可以在实际工作条件下检验整个武器系统的性能，但这里的“实际工作 条件”只是飞行试验进行时特定的一种或几种条件，飞行试验昂贵耗时，难以多次重 复，而半实物仿真实验室是在可控制韵环境下进行的，这样可以对飞行试验不能覆盖 的情况进行建模、验模及仿真试验，同时可以确定不同部件性能指标的重复性乜1 。 此外。成果也往往是在成品完成之后进行检验的，过程中的检验很难完成，这可 能造成在研发过程中的某些错误不能及时发现并改正，只能在最终产品才被发现，导 致研究工作和资源的浪费。在火力控制系统的研究中。要求火控系统在对目标运动规 律有深切地了解后，采取合理有效的方案。因此有必要设计一套实验室条件下的目标 运动仿真系统。该仿真系统将为目标跟踪、数据采集提供一个实验平台。此外，也可 利用此仿真平台对其它伺服系统进行定性或定量性能的检测。 1 2 系统仿真发展前沿与展望 伴随着第一台电子管电子计算机的诞生和以相似理论为基础的模拟技术的应用， 仿真作为一种研究、发展新产器、薪技术的科学手段，在航空、航天、造船、兵器等与 国防科研相关的行业中首先发展起来，并显示了巨大的社会效益和经济效益。以武器的 作战使用训练为例，1 9 3 0 年左右美国陆、海军航空队就使用了林克式仪表飞彳亍模拟训练 器。据说当时其经济效益相当于每年节约1 3 亿美元，而且少牺牲5 2 4 名飞行员，此后， 固定基座及三自由度飞行模拟座舱陆续大量投入使用。1 9 5 0 5 3 年美国首先利用计算 机来模拟战争，防空兵力或地空作战被认为是具有最大训练潜力的应用范畴。6 0 年代， 目标探测、捕获、跟踪和电子对抗已经进入了仿真系统。7 0 年代利用放电影方式，在大 球幕内实现了多目标、飞机一导弹作战演习。随着8 0 年代数字计算机的高速发展，训 练仿真开始蓬勃发展，甚至呈现了两个新概念。即武器系统研制与训练装置的开发同步 进行和训练装置作为武器系统可嵌入的组成部分而进入整个计算机软件系统。至于武 器的控制与制导( c & g ) 系统研制、试验与定型中仿真技术的应用则更为普遍。在8 0 年 代对于导弹研制，由于采用仿真就有了减小飞行试验数量3 0 4 0 、节约研制经费 l o 4 0 和缩短周期3 0 6 0 的效果，这足以说明系统仿真在工程应用中的重大意义。 近十年来系统仿真更有了迅猛发展，它主要得益于如下几种因素： 首推是数字计算机技术的快速发展，日益提高的处理速度、高速数字通讯与网络、 海量存贮以及各种高质量接口，这些是硬件基础；系统软件、高级与仿真专用语言、 数据库管理以及包括模型校验、验证与确认( v v a ) 在内的各类应用程序的开发是软件基 础，建立在它们之上的系统仿真，无论是精度、速度、实时性、效率，还是在应用范 围、所处理问题的能力上相对过去都有“质”的飞跃。 第二是半实物仿真非标设备研制有了长足的进步。在5 0 年代还断言不可能实现的 6 自由度仿真器，在7 0 8 0 年代已经问世，覆盖射频、声频和光学( 含可见光、红外、 2 紫外) 频段的各类目标与环境仿真技术已趋成熟，尤其成像目标与环境模拟器的出现使 得精确制导与各类训练模拟器也有了“质”的提高。在先进的控制理论、仿真原理和 高精度、高性能的传感器、光机电系统基础上和充分利用了计算机技术使各类仿真非 标设备研制有了良好条件，这样对那些模型建立尚感困难或把握不大的一些系统，可 以刹用半实物仿真手段得以充分研究。 第三是视景生成及图形显示技术的发展。似乎视景与图形显示和系统仿真没有直 接关联，但是，由于入与客观世界之阊信息交换的7 0 要依靠视觉，不仅图形显示可为 仿真结果与过程提供最直接的信息，更重要的是视景生成技术为以成像目标为探测对 象的精确制导仿真和有人参与的系统仿真及训练提供了十分重要的视觉环境。虽然给 机器“看”的和给人看的图像信息仿真生成的侧重点不同，但它们都要提供一个“逼 真”的场景，以供机器和人来进行判断| 3 1 4 计算机图形学、计算机图像生成( c i g ) 技术、 不同频段之间图像信息的转换和频率匹配技术、显示与投影技术的发展为视景生成与 图形显示技术提供了良好条件，同时这些进步直接促进了仿真技术在更广泛的领域内 得到应用。 第四是系统仿真本身建模、校模与验模的理论和方法的成熟。仿真是以模型为基 础的，模型是否真实，或者更确切地说是在一定使用范围内是否“足够”真实地反映 了现实是仿真得以立足的生命线。随着在频域和时域校模、模型简化和以试验( 例如飞 行试验) 数据应用为基础的验模理论和方法的成功应用，使得人们对仿真所用的模型有 了信任感，从而使具有安全、可靠、经济、使用灵活、适用性强的仿真技术得以进入 各个工程领域以及社会科学领域。 一种技术或科学的发展除去技术基础之外，更重要的则是社会需求。促使系统仿 真全面向更高、更全面发展的因素有三个： 第一是军事需求，在当前战争仍然是作为解决国际之间利害冲突的重要手段的条 件下，发展先进武器是各个国家共同的策略。鉴于仿真具有明显韵安全、可靠、保密、 应用灵活和高效费比的优点，而且它可应用于武器发展的全过程，从而先进的国家都 把仿真作为重要的关键技术而掘以重视。9 4 年1 0 1 1 月份北大珏洋组织进行的代号为 “大西洋决心9 4 ”的世界规模的作战演习是基于分布式交互仿真( d i s ) 的成功先例。无 论在军事上、政治影响还是技术上，它都标志着以系统仿真与i j 0 练为主要形势的作战 仿真或演练已经走上了历史舞台，仿真与训练正在对武器发展策略、武器的运用、战 场指挥与决策，甚至演习与作战方式起着愈来愈大的影响。 第二是节省经费，尽管在直接数字统计上有着一定困难，但仿真技术可以节约经 费是个明白的事实。以“爱国者”导弹射击指挥训练器的应用为例，开发该系统需1 3 0 0 万美元，而建立战术系统本身则需i 亿美元，投资并不算多，但每次训练就可以为军 方节约9 千美元。学员与设备的比例也由2 ：l 变为4 ：1 ，即大大减少了对指挥官和设 备的需求，而演练效果十分逼真，( 学员操作中手心冒汗的紧张程度也和真的一样) 从 而达到非常好的训练效果。至于作战仿真取代真实的作战演习而带来的物力、人力、 时间方面的效益更是巨大，此外它的保密性、可重复性和灵活适用性也是真实演习无 法比拟的。不仅军事上，在国民经济各个部门如交通、动力、化工、制造以至农业、 社会科学都可以借助于仿真手段获得巨大的经济效益，从而达到“多、快、好、省” 的目标。 第三是特殊需求，对于那些不允许或因代价太高两难于通过实验两达到研究目的 问题，仿真可以说是唯一的手段或途径。如当前的核武器实验、载人航天试验、高能 武器试验，通过少量子样试验取得足够可靠的模型条件下，人们就可以实现对这些投 资高、风险大、动用人力物力多的系统的仿真研究。由于人类对于客观事物的了解和 开发各类资源的难度愈来愈大，对系统仿真这方面的要求会愈来愈多。 正是由于这些需求和技术实现的可能，系统仿真已经有了如下几个方面的明显变 化。其一是仿真规模由小到大、从局部向全面发展，例如在武器系统的发展范畴已由 控制和制导系统研制中的应用向全武器系统及其全生命周期发展；其二是由以实物及 外场试验为主向以数学模型及试验室内仿真为主，例如大规模的作战演练已经可以通 过分布交互式仿真，借助于参试人员与作战平台和建立在数字计算机技术为支撑的虚 拟仿真、各种计算机生成兵力、武器运行模型、作战规划流程交互作用而实现，这其中 数学模型起到了核心作用，分布交互式仿真和由综合集成为特色的先进的分布仿真将 成为军事应用的重要发展方向；其三是由军用转向了国民经济各个方面的应用，例如各 类大型工业、运输行业系统运行操作的培训已有了众多的成功先例，而且仿真已开始向 产业方向的发展。作为可以为各行各业服务的公用手段，仿真技术正在不断自身完善 和规范化，从而在国民经济中今后可以更好地得以应用。 系统仿真作为人类认识客观和改造客观世界的有效手段正在也必将发挥日愈巨大 的作用。 1 3 国内外发展现状 我国系统仿真技术和飞行训练仿真的研究与应用开展较早，自二十世纪五十年代 开始，在自动控制领域首先采用仿真技术，面向工程建模和模拟计算机的数据仿真获得 较普遍的应用。随后又在发展仿真技术的基础之上研制出了一系列复杂仿真系统和实 物仿真器。先后经历了实物仿真、模拟仿真、数字仿真、多媒体仿真、分布式仿真和 高层体系结构仿真的过程，发展速度与国际基本同步。在军机仿真系统研制方面，飞 行模拟训练经历了从无到有，从简单到复杂，从自发到有组织地发展过程。6 0 年代， 先后仿制了歼五，歼七仪表飞行练习器和轰五轰炸练习器，利用这些设备，曾掀起模 拟训练高潮。7 0 年代和8 0 年代，我国建设了一批高水平、大规模的半实物仿真系统， 如歼击机工程飞行模拟器、歼击机半实物仿真系统等，并在武器型号研制中发挥了重 大作用。9 0 年代，我国开始对分布交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术及其应用进行 研究，开展了较大规模的复杂系统仿真，并由单个武器平台的性能仿真发展为多武器 平台在作战环境下的对抗仿真。进入9 0 年代末期，随着计算机技术的飞速发展，模拟 4 技术水平也在不断提高，应用高新技术，广泛采用仿真建模、计算机成像、仿真网络 和多媒体等技术，先后研制成功歼击机飞行模拟器、运输机飞行模拟器、直升机飞行 模拟器、飞行指挥模拟器、领航轰炸模拟器和空中加受油模拟器等多种功能的模拟器， 为航空部队和地方企业，提供了具有先进水平的训练模拟器材，取得了可喜的训练效 益和经济效益。 美国是世界上最早开展模拟训练研究和应用的国家，其技术和装备一直居国际领 先地位。二十世纪四十年代初，美国就开始了飞行模拟器的设计。1 9 6 6 年，美国m i t ( 麻 省理工学院) 的林肯实验室开始了头盔式显示器的研制。二十世纪九十年代，美国进行 了“扩展的防空仿真系统”( e a d s i m ) 计划，该系统是用于攻防体系对抗研究的作战仿 真系统。近年来美国更加重视仿真，将发展合成仿真环境作为国际科技发展的7 个科 技推动领域之一。 据统计，仅1 9 9 5 2 0 0 0 年用于三军的模拟训练装备费用就高达3 6 亿美元。2 0 0 3 年，美国军方出资1 0 亿美元购买一套战争模拟训练系统( s t r i c 0 m ) 。从2 0 世纪9 0 年 代起，美军就把作战模拟系统正式用于实战。美军利用先进的计算机技术，将高分辨 率卫星图像与战场数字地图相结合，生成一种逼真的战场仿真环境。飞行员首先在这 个合成环境中演练，熟悉预定飞行线路以及作战目标的特性，从而大大提高了空袭效 果。据报道，这种具有虚拟现实功能的现代军机作战仿真系统在波黑战争中使美国空 军只需出动原定飞行架次的5 0 就可以摧毁预定目标。这些产品中之一是名为 “t o p s c e n e ”的训练仿真系统，美国海军在1 9 9 2 年只有2 台“t o p s c e n e ”，但到2 0 0 3 年，已拥有了3 0 0 多套更先进的“t o p s c e n e ”训练系统，这些训练系统在阿富汗战争 和2 0 0 3 年的伊拉克战争中发挥了重大作用。 俄罗斯同样是世界上的模拟训练“大国”和“强国”。俄罗斯在发展模拟训练器( 系 统) 上是不惜代价的，其数量约占世界总数的一半，仅俄罗斯试飞院就拥有1 0 余种昂 贵的空中飞行模拟器。他们的先进武器装备几乎都编配有相应的训练模拟器( 系统) ， 且正朝着通用化和嵌入武器作战运行的方向发展。 英、法、德等西欧国家也十分重视模拟训练。他们将发展训练模拟器( 系统) 视 为参加军备竞赛的极重要方面，致使模拟训练技术及应用始终处于世界先进行列，并 形成了十分繁荣的西欧“训练模拟器( 系统) ”商品市场。以色列、日本、印度、韩国、 新加坡等国家亦不甘于落后，据报道，他们在采购f _ 1 6 战机的同时，还分别引进了 f - 1 6 a b 飞行模拟器。 5 第二章动态目标投射系统方案 能够实现这一设计目标的方案有多种，最具代表性的是倾斜旋转圆圈方案、旋转 半圆拱方案、镜面反射方案和计算机投影仪方案。 2 1 倾斜旋转圆圈方案 如图2 1 所示，倾斜旋转圆圈方案将光源置于一可以旋转和倾斜的圆圈上，通过 控制圆圈旋转角度和倾斜角度，改变光源相对于测量点的方位角、俯仰角和距离，从 而得到所需的运动轨迹。动力传递过程是：基座一电机一传动轴一圆圈一光源。该方 案能基本实现设计目标，结构对称性好，便于加工制造；但由于圆圈的转动惯量较大， 启动和停止的时间弛豫较长，可控性不好，精度难以保证，且存在仪器自身构件遮挡 光源位置( 盲区) ，影响跟踪测量，所以该方案不是最佳方案。 目标生成器 图2 1 倾斜旋转圆圈方案示意图 跟j 裕 2 2 旋转半圆拱方案 如图2 2 所示，内表面开有导轨立槽的半圆拱铰连于垂直于基座的两根桂立柱上， 半圆拱可以绕过圆心的转轴一转动；光源安装在导轨槽内并可沿轨道做圆周运动，光 源通过带运动驱动，通过控制半圆拱和光源转角得到相应的运动轨迹。半圆拱的转矩 变化通过一力矩弹簧保持平衡。其动力传递过程是：电机一减速器一半圆拱一传动带 一光源。 6 支 图2 2旋转半圆拱方案示意图 柱 该方案能很好地实现设计目标，结构合理，没有盲区，跟踪仪可以安装于被测目 标运动中心位置。但是半圆拱及拱内的带传动系统结构复杂，加工工艺难度较大，外 形尺寸和结构重量也受到限制，因而不是最佳方案。 2 。3 镜面反射方案 如图2 3 所示，镜面反射方案是将一束不动光束投射到反射镜的中心上，通过反 射镜绕两正交轴的旋转来改变反射光束的反射方向从而在投影屏上得到运动光斑。下 面推导反射镜转角与反射光线在投影屏上的位置关系即反射光线方程。 图2 3 镜面反射方案示意图 镜 7 z 图2 4 反射光线方程推导用图 y 如图2 4 所示，而为入射光线，o q 为反射光线。在直角坐标系下，设平面1 的 法矢量为n ，_ ( o ，0 ，1 ) ，入射光线，d 与平面i 的夹角为口，入射光线上任意一点p 的坐 标为( o l c g a ) 。平面l 绕y 轴逆时针转动角度后所得到的平面为平面2 ，则平面2 的法矢量疗22 ( s i n p ，o c o s , a ) 。过点p 作平面2 的平行平面得平面3 ，则平面3 的法矢 量也为力2 ，求得平面3 的平面方程为 x s i n f l + z e o s f l 一辔口c o s = 0 ( 2 1 ) 过原点0 作平面3 的垂线。膨，交平面3 于m 点( 垂足) ，垂线o m 的方向矢量为 s = ( s i n p ，0 ，c o s , a ) ，求得垂线o m 的方程为 兰咝：旦：e o s _ _ _ _ f f _ f l 善 yz(2-2、 解方程( 2 - 1 ) 和( 2 - 2 ) 得m 点的坐标为( t g a s i n f l c o s f l ，0 ，喀贷c o s 2 ) 设反射光线与平面3 的交点q 的坐标为( a ，b ，c ) 。由反射定律可知，点p 与点q 关于点m 对称，由中点公式得： 口+ 0 = 2 t g 口s i n p c o s p 6 + l = 0 c + t g a = 2 t g g c o s 2 夕 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 解方程( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 6 ) 得：口一t g c e s i n ( 2 p ) ，6 = - 1 ，c2t g d e c o s ( 2 f 1 ) ，将 a ，b ，c 代入直线方程得反射光线方程： 三 = 三 = 一v t g c z s i n ( 2 b ) t g u c o s ( 2 p ) 7 ( 2 6 ) 若令原点到投影屏的距离为常数h ( z2 日) ，则： x = h t g ( 2 f 1 ) ( 2 7 ) y = 一月：唿口s e c ( 2 ) ( 2 8 ) 这就是反射镜旋转角度与光斑在投影屏上的位置之间的关系。将x ，y 的值带入 设定的轨迹方程，即可解算出反射镜转角口与的控制关系m 。 该方案的特点是：在仪器精度允许情况下，可在投影屏上获得各种具有卫星运动 属性的运动光斑，速度和加速度皆可调。但由于光斑坐标与反射镜转角之间的关系复 杂，控制系统的设计难度较大，控制精度也难以保证，且使用前需要标定，因而该方 案不可取。 2 4 计算机投影仪方案 。 如图2 5 所示，被视为运动目标的光斑信号由计算机生成，并由投影仪将计算机 送来的光斑信号变成图像，投影到屏幕上。该方案能实现设计目标，没有盲区，简便 易行；虽然投影仪的幅宽和亮度有限，目标运动范围较小，目标相对亮度偏低，不便 跟踪测量，在本系统中我们将普通的投影仪进行了改进，克服了这方面的缺点，且生 成的运动轨迹在过仪器坐标原点的水平面的正法向空间内连续，没有盲区，因而应当 是本文所讨论的方案中最好的一种方案，最终选择这一方案。 9 图2 5 计算机投影仪方案示意图 1 0 第三章动态目标投射系统总体设计 明确系统设计的目的后进行总体设计，是达到性能指标要求的前提。此仿真系统 是给跟踪系统中目标跟踪系统提供一个跟踪的目标。本章先从典型航路开始分析，得 出仿真系统的性能指标，再进行系统总体方案设计。 3 1 实际航路向仿真航路转化 目标坐标测定仪采集目标位置信息示意图如图3 1 ，当目标沿不同轨迹运动时，测 定仪转过的角度是不同的。由图3 1 可以考虑到，要复现水平直线运行，所设计的模拟 器提供的模拟目标只要在一根水平导轨上滑行即可实现，相似地，要复现运动轨迹对 于平面运动，模拟目标要在两根导轨上滑行由于投射系统要模拟实际的航路，因此， 设计模拟器首先要考虑的问题即是将实际航路转化为仿真航路，来确定动态目标投射 系统应该具有的性能指标，为投射系统的总体设计做准备。 ， ， 图3 i目标坐标测定仪采集位置信息示意图 3 i 1 匀速直线航路 考虑线速度2 5 m j ，航高8 0 0 m ，航迹捷径5 0 0 m 的目标航路。由于航迹较长，对于 目标采集系统来说，直接用一个日标模拟器的运动来模拟航路则系统机械结构太过庞 大。因此考虑采用分段模拟的方法来对航路进行模拟，将总航路分成几个小段来分析。 在捷径点处角加速度可以到达极限值，此段航路变化最大，对跟踪系统性能要求最高， 故应作为制定跟踪系统性能指标的依据。而且对目标跟踪和醛准一般都会在捷径点前 的某一个位置，分析捷径点前几段具有特别重要的意义，所以本系统主要研究捷径点 至其前l o o m 处航路的变化。对于航路的起始段及航路的末段的研究，也可以通过切换 及采用相应的插补算法进行航路跟踪。 对所选的航路，计算模拟器技术指标，由图3 2 所示 鼬昱孰 v 图3 2 技术指标计算 目标速度2 5 0 米秒，航高8 0 0 米，捷径5 0 0 米的典型航路，它的目标距离炮位最近 为9 4 3 米，而稳定滤波需要4 秒的肘问。4 秒共飞行1 0 0 0 米，如果采用5 米长的导轨模拟， 则比例尺为2 0 0 比1 ，模拟目标运亏q 速度应为1 2 5 米秒- 再考虑到实际的装配余量等情 况，实际中取导轨长度为5 5 m ，线速度范围0 2 5 m a ，加速度范围为0 2 0 m s 2 。 典型跟踪系统要求位置偏差i m i l ，速度偏差3 m i l s ，其中m i l 是角度单位，且有 3 6 0 。= 6 0 0 0 m 玎。i m i l 位置偏差折算为本目标模拟器的位置偏差为 塑三丝1 0 34 9 4 m m ，。 6 0 0 01 8 02 0 0 ；j 删l 3 的速度偏差折算为本目标摸拟器的速度偏差 旦三塑1 0 3 3 ：1 4 8 册居 为6 0 0 0 1 8 02 0 0 考虑提高运动模拟器精度可以提高目标跟踪精 度，最后选择速度精度偏差s 6 m m $ ，和位置精度偏差s 2 历掰。 3 1 2 直升机航路 对以线速度为5 0 m s ，半径为1 0 0 0 m 作盘旋运动的直升机航路，如果采用上述的技 术指标，考虑模拟平面是以2 m 为半径的圆，此时运动半径缩d 、5 0 0 倍，线速度将变为 0 1 m s ，小于指标要求的速度最大值。而2 s 的跟踪时间内，模拟器运动了o 2 m ，大于 位置精度偏差。因此认为上述动态目标投射系统的指标合理，可以达到系统要求”。 3 1 3 系统技术指标 由航路分析，得到本系统应该具备的性能指标为： 1 ) 运动范围： 5 m 5 m 2 ) 速度范围：0 2 s m s 3 ) 加速度范围：0 2 0 纠j 2 4 ) 速度精度偏差： s6 r o w s 1 2 5 ) 位置精度偏差： 2 r a m 3 2 方案设计 由机械结构方案选择适宜的动力装置和驱动方式，是伺服控制系统设计首先需要 解决的问题。电动机具有惯性小、动力大且易于使用微机来进行控制，本系统采用电 动机作为伺服系统的动力装置。伺服控制系统主要是通过计算确定对动力装置的功率、 速度等要求，相应采取何种形式的驱动部件；同时根据系统的要求如位置、速度精度 以及运动形式的要求( 预定轨迹运动或随动跟踪) 确定控制方式，选择相应的控制器件。 在此基础上还需要考虑系统的软件设计，确定用户界面等。伺服控制系统主要涉及系 统的选型以及系统的软硬件结构等方面工作“1 。 3 2 1 机械系统设计 1 ) 结构形式选择 实现物体在平面上按任意曲线运动机械结构，常常采用三种结构形式：关节式、 极坐标式和直角坐标式。 关节式，此种结构形式占用空间小，但定位精度低，不适应高速、大加速度的运 动。极坐标式，这种方式比较简单，但运动轨迹多变时，控制换算难度将迅速增加。 还有是直角坐标式如图3 3 ，这种方式定位精度较高，宜于控制，但占用空间比较大。 ( b ) 图3 3 直角坐标式 直角坐标式又有两种设计形式，一种形式如图3 3 ( a ) 所示，其横坐标整体上下移 动。运动时电动机等无效负载也跟随运动，它们的重力增加了纵轴电动机的负荷。另 一种如图3 3 ( b ) 所示，纵轴整体移动，这种方式的纵轴电动机重力不会增加横轴电动 机功率，但纵轴运动范围应该用框架保护起来以增加安全系数。本系统采用直角坐标 式中( b ) 方案作为机械本体结构形式。 2 ) 传动方案选择 3 直角坐标式传动方案采用机械直线传动单元。机械直线传动单元按传动方式分为 两类：齿形带传动和丝杠导轨传动方式。丝杠导轨传动方式允许的工作速度和加速度 小，自重大，价格高，但驱动功率小。 齿形同步带是由一根内周表面设有等间距齿的封闭环形胶带和相应的带轮所组 成，工作时，带齿与带轮的齿槽相啮合，是一种啮合传动，因而具有齿轮传动、链传 动和带传动的各自优点。传动准确，平稳，噪音小，可获得恒定速比，且齿形带传动 方式允许的工作速度和加速度大( 分别是2 5 m s 和2 0 m s 2 ) ，自重小，价格低，驱动功率 大。考虑具体工作环境和技术指标要求，本系统垂直和水平方向韵直线传动方式均采 用同步齿形带方式。 3 ) 机械外形结构 由结构形式及传动方案可得如图3 4 的机械外形。 图3 4 目标模拟器机械外形 3 3 仿真系统总体结构组成 制导系统仿真要求能够真实地模拟导弹在飞行过程中包括质心运动和姿态运动六 个自由度的运动。在实验室环境下通常将导弹的质心运动和姿态运动分别模拟，用三 轴飞行转台模拟导弹飞行过程中的姿态运动；通过改变目标的相对位置来模拟导弹和 1 4 目标的接近过程“。 整个目标模拟器系统由四个部分组成：图像生成部分( s g i 工作站及相应软件环 境) 、大屏幕显示设备、姿态模拟部分( 三轴电动转台) 和主控计算机四部分组成，如 图3 5 所示。 图3 ，5 仿真系统工作原理 仿真中主控计算机首先发出初始化指令，目标环境模拟应用程序( 工作在s g i 工 作站) 和转台控制系统启动并返回准备好信号。主控计算机接到准备好信息后，根据 拟定的目标运动方式和即时的导弹飞行位置计算出弹目相对位置坐标，根据导弹动力 学、运动学方程计算出弹体姿态坐标。向目标应用程序和转台控制系统分别发送弹目 相对位置坐标和弹体飞行的姿态坐标。目标环境模拟应用程序读取来自主控计算机的 位置坐标值，根据弹目相对位置实时地生成可见光目标背景图像，并在高亮度显示器 ( c r t ) 显示图像以此作为图像源，经过光学投影装置在大屏幕上显示。三轴飞行模 拟转台按照主控机计算的姿态位置( 或速度) 动作。这样由大屏幕和三轴转台共同实 时地模拟了导弹的六个自由度的运动，完成了导弹飞行过程的真实模拟。导引头实时 地识别、捕获、跟踪大屏幕显示的目标。并将偏差信号送给伺服系统控制电视摄像机 跟踪目标。同时通过测速陀螺仪将偏差信号送到弹上控制系统，控制导弹作飞行姿态 调整，直至导弹击中目标。主控机( 仿真机) 根据导弹“飞行”测得的各项参数来考 核导引头的性能指标。 第四章仿真系统中各分系统实现方法研究 4 1 仿真中目标模拟技术选择 4 。i i 模拟技术概述 图4 i 导引头半事物仿真框图 目前，在武器的开发、定型试验和采购中，为了节省人力、物力嚣短试验周期，大量采 用半实物仿真( h w m ) 方法，对整个武器系统和主要的部件( 如导引头等) 进行试验和测 试，评定其功能。h w i l 就是将一些功能硬件设备同计算机实现的数学模型组合在一个 闭环仿真系统中，检武器系统级或部件的功能，这样做也避免了对复杂武器部件进行建 模和由此带来的不准确性。一个导引头的半实物仿真系统原理如图2 所示。 h w i l 仿真一般采用两种目标模拟方式：直接信号注入( d s l ) 方式；目标影像 投影方式。在信号直接注入模式中，不用传感器硬件，数据直接输入给导引头的信号 处理器，产生导引头对目标影像的响应输出。为了逼真地仿真导弹获取的目标影像， 注入的目标信号还应该包括前端传感器等的影响，因此与景象投影相比，d s i 模式需 要一些额外的处理，增加对几种重要影响的模拟“1 。 在投影方式中，专用的景象投影仪将计算机生成的一幅目标图像投射给导引头的 传感器，为被试品提供十分逼真的带内辐射特征图像。目前已开发了多种景象投影成 像技术，如基于热辐射电阻阵列的投影技术，基于激光二极管阵列和光纤等的投影技 术。上述的这两种目标模拟技术，各有其优缺点，适合于不同的被试系统，有不同的 用途。 4 i 2i ) s i 技术 1 6 尽管在半实物仿真中影像投影技术的优点是显而易见的，但技术上还是比较复杂 的，其所产生的影像仍存在一些实际的限制。因此，实际试验中也常采用d s i 的方式来 激励导弹的导引头。 1 d s i 的工作原理 目标模拟信号直接注入方式的核心是景象生成，可以是实时的，也可以预先生成。 景象生成就是利用专用计算机图像生成设备来模拟系统的光学特征和图像特征，把辐 射交换、光学系统和传输的影响形成一个数字模型，用它驱动一个景象产生器，景象 产生器输出的数字影像直注入到导引头的信号图像处理器，绕过了导弹的所有光学系 统。这种仿真称为“跟踪器在线”仿真。在红外制导系统的半实物仿真中，信号注入 方式一般在不具备景象投影试验条件，或景象非常复杂难以模拟的情况下，才作为系 统开发的一种有效工具应用1 3 3 1 a 图4 2 是一个典型瓜制导武器系统d s i 的h w i l 仿 真原理图。 图4 2d i s 半实物仿真框图 d s i 仿真模式不用传感器硬件，但这一过程中需在注入的图像数据流中仿真传感 器的各种效应，这样才能真实地反映实际情况。所以信号注入系统要对生成的景像进 行修改和加工，加工修改的工作是由信号注入分系统内的卷积处理器和像元处理器完 成的。d s i 输入需要模拟的几个重要影响是： ( 1 ) 传感器模糊，包括成像系统和传感器的空间响应； ( 2 ) 来自传感器的探测器以及没有致冷的光学系统的辐射； ( 3 ) 探测器和电子系统的输入输出响应； ( 4 ) 噪声，包括传感器、电子系统、读出设备等； ( 5 ) 数模转换。 在d s i 模式的h w i l 仿真有2 个优点：不需要传感器硬件；不需要复杂的景 象投影器。但这种仿真的应用是有限的，影响应用的主要问题是，一般武器系统的设 计通常没有预留支持注入仿真的接口；另一个问题是不能测试传感器，而传感器也是 被测试的主要部件。 1 7 2 d s i 适用的情况 d s i 特别适用于以下情况： ( 1 ) 武器开发初期阶段，传感器硬件尚不可用； ( 2 ) 景象辐射特征( 空间、时间、谱和辐射) 超出了投射器的能力； ( 3 ) 在复杂的工程测试前，采用最有效、省时的方法，确定潜在的问题； ( 4 ) 当测试的焦点为信号处理算法，且传感器效果已知时； ( 5 ) 对应用动态传感器、多谱传感器系统来说，使用投影仪是很困难的： ( 6 ) 使用r f 、m m w 和声信号传感器的系统只能采用d s i 方式。 4 1 3 目标图像投影技术 虽然“信号注入”仿真技术已成功应用，但仍有一些武器系统的内在特性不能通 过d s i 方式来评定，因此必须采用各种不同的景象投影仪技术模拟实际的目标。在 h w i l 仿真中，红外景象投影是最常用、也是难度最大的部分。 在目标图像投影方式仿真中，投影仪把计算机图像生成系统( c i 生成的红外目标 ( 或景象) 视频信号，转换成相应谱段高逼真度的红外动态图像，投射到导弹导引头的入 瞳处，由导弹传感器接收处理。导弹导引头( 含光学系统和取探测器) 整个包括在半实物 仿真回路中，所以这类仿真被称为“导引头在回路仿真”。 目前已开发出多种投影仪。它们采用了多种不同的成像投影技术。包括液晶光阀 技术、热辐射电阻阵列技术、扫描激光技术和光纤成像技术等。下面分别介绍这几种 目标图像投影技术m 。 1 基于液晶光阀的投影技术 基于液晶光阀( l c l v ) 投影技术的系统是第一代可见m 图像转换器。它可以将可见 光图像转换为i r 图像的器件。该器件的工作原理是基于近年开发的单晶硅液晶光阀图 像转换器。当投影仪的可见光图像入射到器件时，激活工作在耗尽态的光导层，因此 光生载流子在硅片两边形成与写入图像对应的空间电压分布，施加到高阻的液晶层上， 使液晶分子重新排列，改变了其双折射率的分布，使读出红外光偏振态发生偏转，经黑 体照射液晶起偏检偏后，即完成液晶层的可见光到红外图像的转换，然后经光学系统 输出即可得到红外辐射图像 9 1 0 液晶光阀具有良好的空间分辨率( 例如6 4 0 x 4 8 0 元) ，现有l c l v 帧速可达到3 0 6 0h z ，可模拟仿真的最高温度为3 7 0k 左右，能用于测试现有的和未来的导弹导引头。 但受帧速、对比度和动态范围的限制，液晶光阀在实际应用中仍会受到制约。受固有 频谱噪声影响，对比度有所限制，在景象仿真时会导致温度梯度的出现。液晶光阀的 局限性推动了基础研究和技术的开发，这导致了基于电阻阵列的宽谱红外图像投影仪 和l d a p 投影仪等的产生。 2 基于电阻阵列的投影技术 当电流通过电阻元时，电阻元会升温而发射红外辐射，发射的红外能量与电阻的 1 8 温度、激活的电阻元与全部电阻元的比( 即填充系数) 和发射率有关。目前已开发的电阻 元阵列有3 种类型，硅桥电阻、绝缘薄膜电阻和悬置薄膜电阻。这些电阻配置成两维 阵列时，通过电子驱动网络每次可以选定其中一行或一列上的不同电阻，从而产生二 维的辐射图像，配以光学系统，形基于电阻阵列的投影仪系统。 3 基于二级管激光器的投影技术 激光二级管阵列投影器( l d a p ) 是目前最常用的投影技术，它的开发始于1 9 9 3 年， 1 9 9 7 年被美国陆军用于导引头试验中的高保真度动态取景象投影。 1 ) l d a p 结构与原理 图4 5 红外激光二级管阵列景象投影器 l d a p 是一种扫描式动态取景象投影系统