（物理电子学专业论文）仿真系统中数据传输及复合光源系统设计.pdf

摘要 摘要 本文以双色半实物仿真系统为研究对象，论述了双色半实物仿真系统的工作 过程，并根据双色半实物仿真系统的框架，分析了主要模块的设计思路和功能 本文着重讨论了两个方面的问题。首先讨论了软、硬件的接口问题。围绕这 个问题讨论了接口如何选取，计算机端程序如何编写，固件程序如何编写，驱动 程序如何开发等具体实现方面的问题。然后描述了复合光源模拟系统的设计，针 对光路的合成、扩柬做了详细的论述。作为系统的核心结构，该部分性能的好坏 直接影响仿真的效果。根据虚拟视场样机计算出的双波段辐射数据，光源控制系 统对两路激光器进行了能量控制，并使用激光功率计和实际敏感器对合成后的复 合红外辐射进行测量，给出了测量结果。 关键宇：半实物仿真接口驱动程序光源 a b s w a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rd e a l sw i t had u a l - b a n di n f i - a r e ds i m u l a t i o ns y s t e m , w h i c hi sd e s i g n e d f o rt e s t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f 蛆i n f i a r e ds e n s o ri nd i f f e r e n tb a t t l e f i e l d st m d e r d i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e s f o rd e s i g n i n gt h es i m u l a t i o ns y s t e mc o r r e c t l y , t h ep a p e r d e s c r i b e st h ew o r k i n gp i o c e $ 8o f t h es e n s o ri nb f i e b a s e0 1 1t h ew o r k i n gp r i n c i p l e , t h e p a p e rp u t sf o r w a r daf r a m e w o r ko ft h es i m u l a t i o ns y s t e ma n da n a l y s e st h ed e s i g n m e t h o d sa n dt h ef u n c t i o n so f e a c hp a r t t w op a r t so ft h eh w i ls i m u l a t i o ns y s t e ma r ed e s c r i b e di nd e t a i l f i r s t l y , t h e i n t e r f a c eb e t w e e ns o f t w a r ea n dh a r d w a r ei sv e r yi m p o r t a n tt ot h es i m u l a t i o n t h e f u n c t i o n so ft h ei n t e r f a c ei n c l u d et h et r a n s f e rp r o t o c o lw h i c hw i l lb eu s e dt o 删t t i n gt h ed a t a , h o w t op r o g r a mt h ec o n t r o ls o f t w a r ea n dt h e6 l m w a r ea n dh o w t od e v e l o pt h ed r i v e rf o rt h es p e c i f i e da p p l i c a t i o n s e c o n d l y , h o wt os y n t h e s i z et w o b e a m so f i n f r a r e dl a s e rl i g h ti n t os i n g l e0 1 1 0a n dh o wt oc o n t r o lt h ee m i s s i o np o w e ro f t h el a s e r s 黜t h ek e yp a r t so ft h eo p t i c a ls y s t e m ，s op a r t i c u l = d e s c r i p t i o na b o u tt h e c o m p o u n di n f r a r e dl a s e rl i g h ts o u r c e si sg i v e n a c c o r d i n gt ot h ed o u b l eb a n dr a d i a t i o n d a t aw h i c ha r ec a l c u l a t e db yt h ev i r t u a li n s t a n tf i e l do f8 c e n es i m u l a t i o ns o f t w a r e t h e l i g h ts o u r c e sc o n t r o ls y s t e mm o d u l a t e st h ep o w e ro ft h et w ol a s e r s , a n dt h e nt h e r a d i a t i o np o w e ri sm e a s u r e db yt h er a d i o m e t e ra n dt h e 联m s o r t h ed e t e c t i n gr e s u l t s 搬 a l s og i v e 吨 k e y w o r d s ：h w l l i n t e r f a c ed r i v e r n o t - s o u r c e 独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学 本人签名： 导师签名：日期兰! 皇：! 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了红外敏感器半实物仿真系统的研究背景、意义以及国内外发 展概况，然后结合具体的应用提出了本文研究的对象，范围和研究方向，并在此 基础上介绍了本文开展的工作 1 1 研究背景和研究意义 随着装甲作战攻击战术的不断发展，防御作战的一方也需要更为有效的反装 甲武器。目前，在近距离( 5 0 0 0 米) 内，各种各样的直瞄式反坦克导弹可以大显身 手，但超出了这个距离，直瞄武器就无能为力了。间瞄武器虽然射程远，但精度 差，命中率低。为了使问瞄武器能远距离地攻击敌方行进中的集群装甲目标，人 们提出了许多技术方案，灵巧弹药就是其中的一种。 灵巧弹药是一种能够探测出目标的方位并使战斗部朝着目标方向飞行的炮 弹。灵巧弹药多采用子母弹结构，母弹内装多个子弹，母弹仅仅是载体，只有子 弹才具有探测功能，子弹可以用多种载体运载，如炮弹、远程火箭、航空火箭、 飞机撒布器等，一次发射( 或投射) 可攻击多个不同的目标【1 】。用灵巧弹药来攻击集 群装甲车辆的顶部装甲，是一种以多对多的反集群装甲和火炮的有效武器。灵巧 弹药除了具有常规炮弹阃瞄射击的优点以外，还能在目标区上空自动探测、识别 并攻击目标，实现“打了不管”，是一种具有高效费比的智能炮弹。 但是，灵巧弹药并不是一种制导武器，因为它没有制导系统，不像红外制导 的导弹那样可以自动跟踪目标，也不像激光制导的导弹那样需要指示器照射目标。 它的作用原理是这样的：装有子弹药的母弹由火炮或火箭炮发射后按预定弹道以 无控的方式飞向目标，到达目标区域上空的预定高度后，通过时间引信点燃抛射 药，将子弹从弹体尾部抛出，子弹被抛出后，靠减速和减旋装置达到预定的稳定 状态。在子弹的降落过程中，弹上的敏感装置开始工作，i 司时扫描装置对地面做 螺旋状扫描。弹上还有距离敏感装置，当它测出预定的距地面的斜距时，即解除 引爆机构的保险。随着子弹的下降，螺旋扫描的范围越来越小，一旦敏感装置在 其视场范围内发现目标( 也就是被激活) 时，弹上信号处理器就发出一个起爆信号， 战斗部起爆后瞬时形成高速飞行( 2 0 0 0 - 3 0 0 0 米秒) 的“自锻造”侵彻体去攻击装 甲目标，如果敏感装置没有探测到目标，子弹便在着地时白毁。 影响灵巧弹药性能的因素有很多。例如，敏感装置正确识别目标的能力不仅 和探测器的性能有关，还和弹上信号处理器以及软件有关。但是其中最关键的还 是探测器的性能，其好坏直接决定着探测的效果。为了在不同的地面战场环境中 有效地对付不同目标，对于红外探测器在不同气象环境( 主要指大气传输条件的改 2 仿真系统中数据传输及复合光源系统设计 变) 、不同地面背景和不同目标状态下的响应特性进行深入研究是非常重要的。当 获得了红外探测器在多种条件下的响应特性数据后，在研制设计阶段就可以通过 对红外探测器系统参数的改进，使红外探测器在使用条件发生改变时，它仍能保 持良好的响应特性。这对红外探测器硬件系统的优化设计无疑是很重要的。更重 要的是，在红外探测器的目标识别器的设计中，通过红外探测器在不同环境条件 下的试验，对目标信号处理和目标识别的算法的优化设计也是必不可少的。通过 设计合理的信号检测算法和合理设置用于目标识别的判据，是智能弹药在不同的 使用环境下保持较高作用概率的关键。 要解决红外探测器的环境适应性问题，我们就需要进行大量的野外试验，获 取红外探测器在不同环境中和不同背景下的响应数据，从实践中来看，这一做法 是不现实的。在实际外场试验过程中，由于受到试验方法、试验经费、研制周期 的限制，往往只能在比较单一的环境背景条件下进行一种或几种弹目交会方式试 验，而在大多数地物背景、多种环境、不同高度、随机的弹日交会方式下进行试 验是无法实施的。 仿真技术作为一门新兴的边缘学科，经过三、四十年的发展日渐成熟，在各 个领域得到了广泛的应用，它所具有的现实系统不可比拟的优势使它的应用贯穿 于武器系统研制、试验和鉴定的始终，并用于武器系统的作战使用和训练，在国 防现代化建设中发挥越来越重要的作用。 仿真系统的分类方法有很多，根据所用模型的类型( 物理模型、数学模型、物 理数学模型) 可分为物理仿真、计算机仿真( 或称数学仿真) 以及半实物仿真。由 于物理仿真周期长、资金耗费较大，实际应用中以后两种为主，其中数学仿真是 指首先建立系统的数字模型，并将数学模型转化为仿真计算模型，通过仿真模型 的运行达到仿真系统运行的目的。半实物仿真是指被测实体在回路中 ( i - i a r d w a r e , - i n - t h e l o o p ) 的仿真。这种仿真将系统的一部分以数学模型描述，并把 它转化为仿真计算模型，另一部分以实物方式引入仿真回路。 半实物仿真具有灵活性高、可控性好、保密性强、节省资源( 包括经费、时问 等) 、效费比高、重复性好等优势，为解决外场试验不能鉴定和评估的问题提供了 有效的方法，并且可以克服外场试验的一些制约条件。生成外场试验难以生成的 可修改的信号。 1 2 国内外的发展状况 仿真技术综合了当代科学技术中多种现代化尖端手段，极大地扩展了人类的 视野、时限和能力，在科学技术领域起到了极其重要的作用。近1 0 年来，我国仿 真技术得到迅速发展。从应用的广泛程度看，已经从早期的航空航天、火力发电 第一章绪论 3 和核动力发电部门扩展到今天的军事、电子、通信、交通、舰船、冶金、建筑、 气象、地质、机械制造、轻工、技术训练等多种行业和部门，其应用已渗透到系 统生命周期的全过程。 1 2 1 半实物仿真发展现状 半实物仿真作为仿真技术的一个分支，涉及的领域极广，包括机电技术、液 压技术、控制技术、接口技术等。从某种角度上讲，一个国家的半实物仿真技术 的发展水平也代表其整体的科技实力。半实物仿真是工程领域内一种应用较为广 泛的仿真技术，是在计算机仿真回路中接入一些实物进行的试验，因而更接近实 际情况。这种仿真试验将对象实体的动态特性通过建立数学模型、编程，在计算 机上运行，在飞机与导弹控制和制导系统中这是必须进行的仿真试验 2 , 3 1 。 仿真方法的应用最早可追溯到1 7 7 3 年。法国自然学家用仿真方法做物理实验 估计石值。1 8 7 6 年美国统计学家第一次用仿真方法做随机数实验。1 9 0 8 年 w s c o s s e t 用仿真方法证明了“t 2 ，- 布法”。2 0 世纪4 0 年代初美国开始了飞行模 拟器的设计1 9 6 6 年美国麻省理工学院的林肯实验室开始研制头盔式显示器。 1 9 8 3 年美国的先进防御研究项目署开始开发实用的虚拟战场，设计出s n 垣n e t 系统。1 9 8 9 年形成了约2 6 0 个地面装甲仿真器及通讯网络、指挥所和数据处理设 备等互联的网络，结点分布在美国和德国的1 1 个城市。1 9 8 9 年北欧制定“欧几 里德计划”，将仿真技术作为1 l 项优先合作发展的项目之一。t 9 9 2 年美国提出2 2 项国家关键技术，仿真技术列第1 6 项；提出2 1 项国防关键技术。仿真技术列第 6 项。2 0 世纪9 0 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。因此可以说仿真技术 是科学实验的有效手段，对科学技术的发展起到了巨大的推动作用。而半实物仿 真技术自2 0 世纪6 0 年代问世始终盛行不衰，美国大多数主要的航天和国防承包 商都有一个或多个半实物仿真试验室，这些实验室代表了当前世界先进水平。其 先进性体现在：( 1 ) 有高速高精度的仿真机：( 2 ) 有先进完备的环境模拟设备。国内 半实物仿真技术在导弹制导、火箭控制、卫星姿态控制等应用研究方面也达到了 较高水平。这些半实物仿真系统在武器型号研制中发挥了重大作用。2 0 世纪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，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。 4 仿真系统中数据传输及复合光源系统设计 半实物仿真所涉及的技术方面包括： 1 运动环境模拟技术； 2 建模与仿真方法； 3 仿真方法： 4 目标与环境特性仿真技术： 5 仿真软件： 6 虚拟现实技术： 7 信息交换与接口技术 该论文主要研究的是针对某红外敏感器所开展的半实物仿真系统中所涉及到 的目标特性仿真器和信息交换接口，因此接下来分别对这两部分做一简单介绍。 a ) 目标特性仿真器 在进行导弹仿真时有两种目标环境：一种是电磁效应，另一种是光学效应 射频目标仿真器用以提供辐射目标及背景的射频信号。而现在比较常用的仿真光 学效应目标的仿真器有红外目标仿真器和激光目标仿真器f 2 1 。 对于电磁和光学效应这两种目标环境，各国普遍研究和利用的有两种半实物 仿真系统：一种是射频仿真系统用于复现雷达目标的射频环境( 包括目标、背景和 干扰) ，在不同频段上产生多种射频目标和背景是现在射频仿真系统目标仿真的发 展方向；另外一种是红外仿真系统。随着科技的发展，当今红外制导导弹探测目 标时，看到的不再是一个点而是目标的红外图像。目前各国均在研制红外成像的 制导武器，这样不仅可提高对目标的辨识能力，而且可提高武器系统的杀伤效率。 而应用半物理仿真方法研究红外成像导引头是较为实用的方法，其中的关键技术 是目标与环境的动态红外图像的实时生成。另外为了适应带有射频红外一双模式 导引头导弹试验的需要，可在一台设备上产生这两种目标和背景的仿真系统也是 将来必须研究的课题。 b ) 信息交换与接口技术 仿真计算机输出的驱动信号经接口变换后驱动相应的环境模拟设备，接口设 备同时将实物系统的控制输入信号馈入仿真计算机目前除了一般的d a 、a d 接口之外，主要的信息转换接口有d a ( 或d d ) 加正弦调制、d a ( 或d d ) 加脉宽 调制、d a ( 或d d ) 加v f ( 或d 0 变换、d a 加v i 变换、d d 变换，其他还有一 些地线、阻抗隔离电路和传输电缆。总之接口连接中不应该引入干扰和畸变。 图i i 为半实物仿真系统逻辑框图，从图中我们可以很清楚地了解到本文所 研究的问题在半实物仿真系统中所处的位置。 第一章绪论 计算机 if 接口 lf i环境仿真设备卜叫 被测系统 图1 1 典型半实物仿真系统框图 1 2 2 计算机接口技术发展现状 随着计算机技术的不断发展，其处理能力也越来越强，其外部接口也在不断 的发展，从最早的串口，并口，p s 2 ，i s a ，e i s a 插槽，到现在的p c la g f ，。 p c i e ，i e e e l 3 9 4 火线和u s b 串行接e l i 4 , 卯，接口的速度不断的提高，使用也越来 越方便计算机上常见的接口介绍如下： 标准串口能够达到最高1 1 5 2 k b p s 的数据传输速度，而一些增强型串口如 e s p ( e n h a n c e ds e r i a lp o r t ，增强型串e 1 ) 、s u p e re s p ( s u p e re n h 锄c e ds e r i a lp o r t ，超 级增强型串口) 等则能达到4 6 0 k b p s 的数据传输速率。理论上讲、标准r s 2 3 2 传 输应为1 5 米，但可以把r s 2 3 2 电平传输转换成电流传输，传输距离可以达到4 0 米左右 标准并口，最高传输速度为1 m b p s ，传输距离随传输速度的不同而变化。优 点是不需要在计算机中用其它的卡，设备的安装及使用容易，缺点是速度比u s b 和s c s i 慢，抗干扰能力差，安装也比u s b 麻烦。 i e e e l 3 9 4 是一种外部串行总线标准，它可以达到4 0 0 m b p s 以上的数据传输 速率，标准的1 3 9 4 接口可以同时传送数字视频信号以及数字音频信号，相对于模 拟视频接口，1 3 9 4 技术在采集和回录过程中没有任何信号的损失，十分适合视频 影像的传输。但是现在使用的计算机大多没有此接口，需要通过插入接口卡的方 式来增加此接口，增加了成本，并且支持i e e e l 3 9 4 传输的设备也没有支持u s b 传输的设备那么丰富。 p c i 是由i n t e l 公司1 9 9 1 年推出的一种局部总线。从结构上看，p c i 是在c p u 和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管 理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能 支持l o 种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡、声卡、网卡、m o d e m 6 仿真系统中数据传输及复合光源系统设计 等设备提供了连接接口，它的工作频率为3 3 m l - i z 6 6 m l - i z 。 p c ie x p r e s s 的接1 3 根据总线位宽不同而有所差异，包括x l 、x 4 、x 8 以及 x 1 6 ( x 2 模式将用于内部接1 3 而非插槽模式) 。p ( 2 i e x p r e s s 卡支持的三种电压分别 为+ 3 3 v 、3 3 v a u x 以及+ 1 2 v 。用于取代a g p 接口的p c ie x p r e s s 接口位宽为x 1 6 ， 将能够提供5 g b s 的带宽，即便有编码上的损耗但仍能够提供约为4 g b s 左右的 实际带宽，远远超过a g p8 x 的2 1 g b ，s 的带宽。 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是 一种应用在p c 领域的新型接口技术。早在1 9 9 5 年，就已经有p c 机带有u s b 接 口了，但由于缺乏软件及硬件设备的支持，这些p c 机的u s b 接口都闲置未用。 1 9 9 8 年后，随着微软在w i n d o w s 9 8 中内置了对u s b 接口的支持模块，加上u s b 设备的日渐增多，u s b 接口才逐步走进了实用阶段。而且新出现的u s b 2 0 可以 使用原来u s b 定义中同样规格的电缆，接头的规格也完全相同，在高速的前提下 一样保持了u s b1 1 的优秀特色，并且，u s b2 0 的设备不会和u s b1 1 设备在 共同使用的时候发生任何冲突。具有支持热插拔，传输速度高，连接方便的优点。 通过对仿真系统所要传输的数据经过分析，数据传输的平均速率在2 m b ，s 左 右。我们要进行的是数据传输，需要严格保证数据的准确性，因此选择一种合适 的接口进行数据的传输就显得十分重要。通过比较和分析，串口和并口虽然操作 简单，但是传输速率低，没有纠错功能，使用不方便，不支持热插拔。p c i 接口 和p c 接口虽然传输速率高，但是由于是直接插在计算机主板上，因此板卡的 体积受到严格限制，而且计算机内部电磁环境复杂，对电路板的设计提出了更高 的要求。并且由于我们需要采集和控制的信号比较多，板上电源类型复杂，在计 算机内对其进行供电比较复杂，而且不方便调试。u s b 接口具有传输速率高，传 输稳定，接口简单的优点。通过对比各种接口，权衡其优缺点，最终选取u s b2 0 接口作为数据传输接口。 1 2 3 半实物仿真系统的发展方向 半实物仿真系统伴随着现代科学技术的飞速发展和人们对其认识的不断深 入，其软件和硬件水平将进一步得到发展，从而使仿真操作不断简化，仿真性能 及可靠性不断提高。具体表现在以下几个方面【m 】： 1 仿真建模水平的不断提高。仿真建模是系统仿真的基础。系统仿真能否 达到预期的效果，在全数字仿真的今天，数学模型将起到关键作用。动 态建模和大系统建模将走向实用化； 2 仿真计算机软硬件的水平将进一步提高，使仿真更为智能、更为高效； 环境模拟设备将向着空间集成化、机械轻量化、试验多功能化方向发展； 第一章绪论 7 3 仿真系统将不断地采用高新技术，并将进一步拓宽其应用领域。随着人 们对物质世界认识的深化和成熟，半实物仿真也将向智能、高效、可靠 方向发展，其应用领域将更为广泛，并成为科研和工程设计的必要手段 针对红外敏感器探测系统的半实物仿真系统在国内还是一个空白，为满足红 外敏感器在研制和改进过程中的需要，本文开展了半实物仿真系统中数据传输和 复合模拟光源系统的研究。 1 3 本文的研究内容 1 3 1 研究内容 该仿真系统是基于实时红外场景生成技术进行的双色红外敏感器室内半实物 仿真系统，所生成的红外场景包含有红外辐射亮度数据，硬件模块也会返回大量 有关探测器状态响应的数据，这些数据需要在计算机端和半实物仿真系统之间进 行实时的交换因此就需要根据仿真系统所要完成的控制和传输的数据量，设计 合适的传输协议，并且在传输协议的基础上。应用所选的传输方式完成数据的传 输。 基于以上的分析，需要设计合适的电路来完成数据传输，还需要设计合适的 软件并制定相应的通信协议来完成f p g a 程序的加载、系统的初始化和复合模拟 光源的控制。 此外，由于两路红外激光器发出的激光光束的能量太强，不能直接作用在探； 测器上，因此设计了满足要求的复合光源系统来完成能量衰减和光束扩柬，使激 光能量在一定的区域内分布均匀，同时激光强度也能够满足系统要求。 最后，把采集回至计算机的数据和发送的数据进行比较，以此来衡量探测器 是否做出了正确的响应，从而可准确的对整个系统的性能做出评价。 1 3 2 章节安排 本文分为五个章节进行了论述。 第一章，绪论。阐述了双色敏感器半实物仿真系统研究的背景及其重要意义， 介绍了目前国内外半实物仿真系统的发展状况，并在此基础上介绍了本文开展的 工作。 第二章，双色半实物仿真系统总体框架。结合第一章中介绍的灵巧弹药的工 作过程，说明了在仿真过程中影响敏感器探测性能的各方面因素，描述了整个半 实物仿真系统的设计方案并对方案中所涉及的各部分的功能做了简要的介绍，给 出了设计框图。 仿真系统中数据传输及复合光源系统设计 第三章，硬件仿真系统接口及控制软件设计。在本章的开始部分介绍了u s b 2 0 的特点，接着根据开发u s b 的需要，简单介绍了u s b 的数据包的格式和四种 不同的数据传输方式，然后给出了计算机软件实现和单片机固件程序的流程图， 最后给出了部分的实现代码。 第四章，复合红外光源模拟系统设计。首先给出了光源模拟系统的整体框架， 描述了整个模拟系统的实现原理，介绍了所使用的两路光源，然后对光源模拟系 统的安装调试过程做了完整的描述，并给出了光源模拟系统的测试方法和实际的 测试结果 第五章，结论。对本文完成的工作进行了总结和概括，对今后的工作提出了 几点建议。 1 3 3 本文的特点 1 设计了一套半实物仿真系统仿真方案。 2 设计并实现了一种半实物仿真系统数据传输方法。该传输方法具有传输速 率高，可靠性高，接口简单等特点。 3 设计并实现了一套双色红外光源系统。该光源系统具有调制精度高，调制 速率快，功率动态范围大的特点。 4 采用实验与实际测试相结合的方法，得到了控制复合模拟光源输出能量的 方法，并计算出了被测敏感器所需要的辐射功率。 第二章t 叹色半实物仿真系统总体框架 9 第二章双色半实物仿真系统总体框架 本章首先根据灵巧弹药的工作过程简要介绍了在仿真过程中的影响仿真结果 的因素，结合半实物仿真的目的构建了双色半实物仿真系统的总体框架，然后对 各个模块进行了具体的描述，并详细讨论了各个模块的设计方案 2 1 系统整体功能及设计思想 灵巧弹药是一种能够探测出目标的方位并使战斗部朝着目标方向飞行的炮 弹。对于子弹而言，探测系统是至关重要的组成部分，其效能的高低直接决定了 整个灵巧弹药的效能。在半实物仿真中，将灵巧弹药的探测系统作为实体参与试 验，与其它物理模型、数学模型构成闭合回路，这样的仿真测试能够非常方便而 又准确的得到探测系统的响应信号，其测试结果比单纯的数学仿真更加全面、客 观、真实因此，对红外敏感探测系统开展半实物仿真是十分必要的 设计该半实物仿真系统的目的是用来评估红外敏感探测器的性能，而为了全 面而又细致地评估红外敏感探测器的性能，我们需要关心的是红外敏感探测系统 在稳态扫描过程中对不同的场景会有什么样的响应，在相同的战场环境而气候状 况不同时敏感器的响应信号会有什么样的变化，以及初始高度、下落速度和转速 对实战应用会有什么样的影响等等。诸如此类的问题都是进行半实物仿真时所要 解决的问题 1 0 - i i i 。 因此，本文所设计的半实物仿真技术系统以灵巧弹药的红外敏感器为仿真对 象，生成尽量逼近真实环境的场景，设计合适的光源控制器和复合光源模拟系统 为敏感器提供近似于实战环境中所能探测到的红外辐射能量，并采用合适的采样 电路采集其响应信号，使用仿真评估软件对这些信号进行分析，以达到对敏感器 进行评估的目的。 2 2 系统总体框架 该半实物仿真系统模拟灵巧弹药在真实环境中一次完整地攻击过程，以敏感 器对地面目标的扫描、探测性能为仿真目的。利用三维红外场景仿真技术生成了 敏感器两个工作波段的瞬时视场的红外辐射数据；设计了红外敏感器室内半实物 仿真系统复合光源模拟器和仿真系统数据采集器；开发了仿真系统数据传输及控 制软件、仿真数据库软件和仿真性能评估软件等，与待测敏感器构成闭环仿真系 统。 1 0 仿真系统中数据传输及复合光源系统设计 红外敏感器半实物仿真系统逻辑框图如图2 1 所示，图中描述了该半实物仿 真系统中所涉及到的不同功能模块之间的逻辑关系。 复 数 场 光特 据 景 源光翱 传 仿输 真 4控 源 +最4 控 软 制 模感 制 嚣拟嚣 件软 器 件 了丁 仿真数据库 j r 仿真评估软件 图2 1 红外敏感器半实物仿真系统逻辑框图 根据仿真系统设计思路，本文将整个系统划分为虚拟场景仿真系统、复合光 源模拟系统、控制、采集系统三大部分。功能模块经过结构划分后的逻辑关系如 图2 2 所示： 虚拟场景仿 真系统 复合光源 模拟系统 图2 2 红外敏感器半实物仿真系统结构示意图 1 虚拟场景仿真系统包括基于v e g a 的红外场景仿真软件( 以下简称v e g a ) 、 基于实测数据的场景仿真软件( 以下简称d 3 d ) 、目标背景数据库、仿真 测试数据库、评估软件、数据采集，发送接口等。 2 控制、采集系统包括光源控制器和数据采集器。 3 光源系统包括红外激光器、能量( 光路) 合成器。这三大部分形成一个闭合 回路，组成双色红外敏感器半实物仿真系统。 本系统以高速计算机为计算平台和控制中心，以目标、背景数据库为基础， 利用m u l t i g e nc r e a t o r 建模工具建立地面背景和目标的三维几何模型，基于v e g a 第二章叔色中实物仿真系统总体框架 开发三维红外场景仿真软件，为敏感器生成仿真试验所需的双波段红外数字场景。 而基于实测数据的场景仿真软件则是基于d 3 d 技术实现的。光源控制器将从仿真 软件得到的虚拟视场样机瞬时红外视场辐射数字信号转换为红外激光器能量控制 信号。两路光源分别受各自的调制信号控制，经过调制的双波段红外辐射由光路 合成器将两个波段的红外准直激光束按照要求合成为一路复合红外辐射照射在敏 感器的辐射接收面上敏感器在仿真过程( 搜索、发现、攻击) 中对光源系统输出 的红外辐射做出响应，输出响应电信号，数据采集器则实时采集敏感器的响应信 号( 包括三路数字信号和两路模拟信号) 并通过数据采集接口反馈给虚拟场景仿真 系统。虚拟场景仿真系统再把采集回来的信号存储在仿真测试数据库中，由评估 软件调用和处理这些数据，对敏感器进行评估。 2 2 1 虚拟场景仿真系统 场景、模型建模是整个仿真系统的数据来源，其中场景用来为仿真软件提供 合适的仿真环境，而模型则用来为仿真软件提供合适仿真目标。 本系统的建模工作使用m u l t i g e n - p a r a d i g m 的m u l t i g e nc r e a t o r2 6 完成， m u l t i g e nc r e a t o r 是一个对视景仿真建模做过特殊优化的3 d 建模软件，其建模方 式有利于对使用多边形的数目进行良好的控制，降低不必要的浪费。 要生成三维地形，我们首先需要生成数字高程数据，数据的来源主要有两种： 一种是实际测量，这种数据主要用于对实际场景的复现。另外一种是算法生成， 这种数据由地形生成算法生成，可以创造现实中并不存在的地形，并可根据应用 的意图来调整地形起伏，从而达到理想的数据。本系统场景建模选用了第二种模 式。 得到高程数据以后，我们需要将高程数据三角化。三角化是将高程数据转化 为三维地形的重要步骤，其主体思想是通过对高程数据进行重新采样，然后把采 样后的点连接成三角形，通过三角形拼接成三维地形。 三角化完成后，还需要进行地表的纹理映射。经过前面的处理后，地形的基 本起伏已经确定，但是这时场景中的三角形仅包含颜色属性，表达效果相当粗糙， 真实感的提升将通过纹理映射技术来完成。 自然地表生成之后，最后一步就是在地面加入房屋、建筑群、树木等典型地 表物体和公路等人工地貌。为了有效的减轻系统负担，在添加地表3 d 模型时我 们使用了a l p h a 纹理映射技术和l o d 技术，通过我们实际应用的结果来看，上面 的两种方法可以较为有效的减轻仿真真实性和系统性能之问的矛盾。图2 3 为采 用m u l t i g e nc r e a t o r2 6 生成的虚拟场景截图。 1 2 仿真系统中数据传输及复合光源系统设计 图2 3 虚拟场景截图 目标模型的方法与地形的生成完全不同，模型生成的重点在于获取模型的真 实几何信息和完美的纹理映射。对于实际常见的模型，我们可以去实际测量它们 的几何尺寸，记录外形，然后根据这些数据建立其几何框架。构建起的模型框架 只能表现目标模型的几何形状和尺寸，不能表现出其材质和颜色等其他特征。为 了进一步提高模型的分辨率和逼真度，必须要通过纹理和材质来表现经过赋材 质和纹理映射的模型结果如图2 4 所示。 图2 a 坦克模型截图 仿真软件主要完成基于仿真背景模型的红外敏感器探测视场对应瞬时场景的 生成功能以及相应的战场环境生成显示功能。 软件的主要功能为利用三维地形以及三维目标模型，仿真生成并显示红外导 引头敏感器所探测到的长波瞬时视场场景及短波瞬时视场场景，并据此生成红外 探测视场下的一维辐射序列信号，利用数据发送接口完成与硬件系统数据的传输； 在软件中还涉及对目标背景模型数据库及仿真测试数据库的读取和输入操作。 红外敏感器虚拟视场样机从人机界面或相关数据库获取各个参数，确定敏感 第二章双色半实物仿真系统总体框架 器在虚拟战场环境中的位置和姿态信息，在此基础上根据探测器视场角和距离地 面的高度来确定观测场景大小和分辨率，生成红外探测视场下的一维辐射序列信 号并将信号传递给u s b 控制系统，并与场景同步显示其曲线，根据控制系统返回 的信号数据及用户设置的反应参数对敏感器的进一步动作做出相应反应，完成相 关数据输入仿真测试数据库 图2 5v e g a 红外场景仿真软件流程图 程序的输出： 1 将生成的瞬时视场场景及一维辐射序列信号曲线同步显示在用户界面； 2 输出一维辐射序列信号到u s b 数据传输接口。 2 2 2 复合光源模拟系统 根据仿真的需要，我们采用两个工作波段不同的红外激光器作为基本红外光 源。在该双色红外半实物仿真系统中，光源到敏感器的光程很短。又由于激光光 束的平行度很高因此我们不需要使用平行光管对输出光束进行平行和准直只需 设计一套合束器将两束激光合成一束并通过扩束器将其扩束至合适敏感器光学入 瞳大小即可，复合光源模拟系统逻辑结构如图2 6 所示。 1 4 仿真系统中数据传输及复合光源系统设计 光源控制器l h 短波激光器hill 复合红外辐射 光源控制器2 _ 一长波激光器 _ 叫ii 二= = 二= = = 二二= = =l 合束器h 扩柬器卜二+ 图2 6 复合光源模拟系统结构示意图 2 2 3 控制、采集系统 控制系统完成的功能是接收从主机端发送的红外辐射数据，根据这些辐射数 据调制激光器，控制激光器输出功率的大小：采集系统完成的功能是采集探测器 的响应输出信号，并把采集到的信号传送回主机，进行下一步的处理。双色红外 敏感器半实物仿真系统硬件系统框图如图2 7 所示，数据采集系统结构框图如图 2 8 所示。 双路数据缓冲 叫d ，a 转换嚣卜 j 惦瓣鼬嚣翼1 碰玻佩兀斋l 器 j p m w 发生器f - 叫儆觥器卜 ， 高 u j 速s 光路 计 b ， i控制器 合成器 算 接 机 1 2 1 l + _ 一a ，d 转换器1 、2 数据采集 探测器 j 三路数字量1 + - 1 五路直流电压l 图2 7 双色红外敏感器半实物仿真系统硬件系统框图 刊加转换器t = d ( 系c y 统7 c 主6 处s 0 理1 3 器a ) 红外敏感器 刊燃燃 f p g a 串 ( e p i c q 2 4 0 c $ ) i z 一 三路数字量 五路直流电压 。高速计算机 图2 8 数据采集系统结构框图 第二章双色半实物仿真系统总体框架 硬件系统功能原理： 以高速计算机为计算平台和控制中心，利用三维建模工具，建立地面背景和 目标的三维几何模型，利用v e g a 三维驱动软件产生红外敏感器仿真试验所要求的 双波段红外数字场景并计算出所对应的瞬时视场辐射值，然后经主机u s b 接口输 出至光源控制器，光源控制器将短波所对应的数字场景信号经d a 转换器转换为 可以控制红外辐射调制器的模拟信号，去调制短波激光器；长波所对应的数字场 景信号经光源控制器内的p w m ( 脉冲宽度调制) 发生器，转换为p w m 信号，去调 制长波激光器。经过特殊调制的双波段红外辐射被滤波片和狭缝衰减后经过准直 扩束后，进入光路合成器，由光路合成器将两个波段的红外准直光束按照要求合 成为一路，供红外敏感器( 探测器) 接收，最后由采集器中的a d 转换器将红外敏 感器的响应信号( 包括：两路模拟量、三路数字量) 采集，将采集后的数据经u s b 2 0 接口送至主机工作站由评估软件完成对探测器的性能进行验证、评估。 第三章硬件仿真系统接口及控制软件设计 第三章硬件仿真系统接口及控制软件设计 本章首先介绍了u s b 的特点和开发u s b 时所需要的一些基本知识，在此基 础上给出了u s b 软件开发流程图，并结合实际应用给出了一部分代码然后简述 了u s b 驱动程序的开发和驱动程序的安装过程 3 1 仿真系统软硬件接口描述 文中所设计的半实物仿真系统从总体上讲可以分为两大部分，软件部分和硬 件部分。软件部分主要包括虚拟视场样机仿真模块，数据库仿真评估模块，评估 软件，它们都运行在高速计算机上。硬件部分包括数据采集模块，光路合成模块， 光源控制模块。 要实现整个系统的闭环工作，计算机和硬件之间需要有良好的数据交换。这 种数据交换既要满足数据传输量的要求，又要有很强的纠错能力。基于以上的考 虑我们使用了u s b 2 0 接口作为我们数据交换的通道。 u s b ( 通用串行总线u n i v e r s a ls e r i a l b u s ) 作为一种新型的，基于令牌的高速串 行总线标准，对各种外设提供了统一的接口，在u s b l 1 规范中，其传输速率达 到1 2 m b p s ，而在最新的u s b 2 0 规范中，传输速率更是高达4 8 0 m b p s ，极大地提 高了数据传输率。u s b 的出现对计算机技术的发展有着重要的推动作用。目前， 很多计算机外设厂家都相继开发了各种各样的u s b 外设，得到了越来越广泛的应 用【4 】 u s b 的特点： 1 使用方便 使用u s b 接口可以连接多个不同的设备，支持热插拔。软件方面，为u s b 设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预。u s b 设备也不涉及i r q 冲突等问题，它单独使用自己保留中断，不与其他的设备争用p c 机有限的资源。 2 传输速率高 在传输速率方面，u s b 支持3 种传输速率：低速的1 5 m b s ，全速1 2 m b s 以 及高速的4 8 0 m b s 。通常u s b 传输速率指的是信号或者信道支持的位速率，每一 个u s b 设备的实际传输速率会比理论值低。除了数据以外，信道还需要传输状态， 控制与错误检查的信号。由于多个u s b 设备可能分享同一个信道，所以在实际的 应用中，对于单一传输最大速率，在高速模式下为5 3 m b s ，在全速模式下为 1 2 m b s ，在低速模式下为8 0 0 k b s 。 3 连接灵活 u s b 接口支持多个不同设备的连接，一个u s b 接口理论上可以连接1 2 7 个 1 8 仿真系统中数据传输及复合光源系统设计 u s b 设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用集线器( h u b ) 把多个设备连接在一起，再与p c 机的u s b 接口相连接。所有外设都在机箱外连 接，不必打开机箱；并且允许外设热插拔，而不必关闭电源。一个u s b 控制器可 连接多达1 2 7 个外设，每个外设间距离( 线缆长度) 可达5 米。u s b 还能智能识别 u s b 链上外围设备的接入或拆卸。 4 独立供电 普通使用串口、并口的设备都需要单独的供电单元，而u s b 设备不用，这是 因为u s b 接口提供了内置电源。由于u s b 电源能向低压设备提供5 v 的电源， 因此新的设备就不需要专门的交流电源，从而降低了设备的成本并提高了性价比。 5 支持多媒体 u s b 提供了对电话的两路数据支持，并可支持异步以及同步数据传输，使电 话可与p c 集成，共享语音邮件及其他特性。 另外，u s b 还具有稳定的传输，可工作在低功耗模式以及高性价比等特点 但是u s b 同时还存在着一些不足，主要表现在：缺乏对旧的设备和操作系统的支 持。传输速率与电缆长度的限制及不支持点对点( p e e r - t o - p e e r ) 的连接等方面。 u s b 设备不支持点对点的连接，外围设备之间不能直接彼此沟通，必须通过 主计算机才行。而i e e e - 1 3 9 4 设备支持点对点的连接，允许外围设备直接通信。 这样就大大限制了u s b 设备的应用领域。针对这个问题，u s b 的相关组织在2 0 0 1 年定义了一个u s bo t g ( o n - t h e - g o ) 规范来补充u s b 2 0 规范，从而弥补了原来 的不足。 3 2 1u s b 总线概述 3 2 主机端控制软件设计 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总线，是一种双向同步传输、支持热插拔 的数据总线。由c o m p a q 、i n t e l 、m i a - o s o f l 、n e c 等公司共同开发。其目的是为 了提供一种兼容低速和高速的、可扩充并且使用方便的外围设备接口 一个u s b 系统主要由3 个部分组成：u s bi n t e r e o n n e c t