《光电子成像技术》-13

13.1引言系统建模仿真(Modelling&Simulation,M&S)是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。所谓建模仿真，就是通过建立实际系统模型，并利用所建模型对实际系统进行仿真实验研究的过程。这里，需要明确的几个基本概念分别是:“系统”指的是M&S技术服务的对象，它既可以是连续系统或离散事件系统；也可以是按其数理特征划分的线性系统和非线性系统；或者是定常系统或时变系统；以及集中参数系统和分布参数系统等。本章研究的对象是涉及光、机、电、算、控的综合光电子成像系统；下一页返回13.1引言“建模”指的是根据系统的具体情况和用途，建立相应的物理模型、数学模型、静态模型、动态模型、时间离散模型或离散事件模型；“仿真”指的是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性的和试验性的学科。系统仿真进而可分类为物理仿真、数学仿真和物理-数学仿真几类。上一页下一页返回13.1引言现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统特别是高新技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段，其应用范围在不断扩大，应用效益也日渐显著。本章将在详细说明建模仿真技术的基本概念、功能分类、实施过程、应用领域和发展动态的基础上，分别介绍光电系统理论建模性能评估技术、综合光电成像半实物仿真系统、三维动态场景计算机生成技术、仿真模块功能如何实现和动态仿真场景投射新技术。上一页下一页返回13.1引言本章要点：系统建模仿真技术内涵(概念、分类、步骤、应用和动态)光电系统理论建模性能评估技术综合光电成像半实物仿真系统三维动态场景计算机生成技术仿真模块功能实现动态仿真场景投射新技术上一页返回13.2系统建模仿真技术13.2.1系统的概念、建模及其分类仿真技术研究的对象是系统，而系统模型化又是进行仿真的核心和必要前提。系统、系统模型和系统仿真三者之间是密切相关的。1系统的概念系统是由相互联系、相互制约、相互依存的若干组成部分(要素)结合在一起而形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。上述定义中的各组成部分通常被称为子系统或分系统，而系统本身又可以看做它所从属的那个更大系统的组成部分。下一页返回13.2系统建模仿真技术系统是实体的集合。这里的实体特指组成该系统的个体。组成系统的实体具有一定的属性。属性指的是组成系统的每一实体所具有的全部有效特征(如状态和参数等)。系统的活动特性。活动是指实体随时间推移而发生的属性变化。各种系统，不论是简单的，还是复杂的，总是由一些实体组成的，而每一实体又有其属性，整个系统处于其主要活动之中。因此，实体、属性与活动构成了系统的三大要素。由这三大要素组成的系统整体性能状态称为系统状态。研究系统，往往是研究系统状态的变化，即研究系统的动态特性和运动规律。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术系统的分类方法。可以根据对系统特性的描述，分为连续系统(用微分方程或差分方程来描述的系统)和离散事件系统(用逻辑条件或流程图来描述的系统)；或者按照系统的物理结构和数学性质将系统分为线性系统和非线性系统；定常系统和时变系统；集中参数系统和分布参数系统等。2系统模型模型是系统某种特定性能的一种抽象形式。通过模型可以描述系统的本质和内在的关系。无论是工程系统还是非工程系统，都可以建立起一定形式的模型。模型一般分为物理模型和数学模型两大类。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术

(1)物理模型。物理模型与实际系统有相似的物理性质。这些模型是将实际系统按比例缩小，外形上与实际系统相似，如风洞试验的飞行器外形和船体外形，或生产过程中试制的样机模型；又如导弹上的陀螺、导引头样机等。(2)数学模型。用抽象的数学方程描述系统内部物理变量之间的关系而建立起来的模型，称为该系统的数学模型。通过对系统的数学模型的研究，可以揭示系统的内在运动和系统的动态性能。数学模型又可以分为静态模型和动态模型两类。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术静态模型：静态模型的一般形式是代数方程、逻辑表达关系式。动态模型：连续系统模型分为确定性模型和随机模型，确定性模型又分为集中参数模型和分布参数模型两种。集中参数模型描述系统运动用的是常微分方程、状态方程和传递函数。而描述热传递过程的偏微分方程则是典型的分布参数模型。时间离散模型：这种系统又称为采样控制系统，一般用差分方程、离散状态方程和脉冲传递函数来描述。这种系统的特性其实是连续的，仅仅在采样的时刻点上来研究系统的输出。各种数字式控制器的模型均属于这类。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术离散事件模型：这种系统用概率模型描述。这种系统的输出不完全由输入作用的形式描述，往往存在着多种可能的输出。它是一个随机系统，如库存系统、管理车辆流通的交通系统、排队服务系统等。输入和输出在系统中是随机发生的，一般要用概率模型来描述这种系统。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术3系统仿真定义及分类(1)系统仿真的定义。系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性的和试验性的学科。

(2)相似理论。相似理论是系统仿真学科的最主要的基础理论之一。相似理论包括相似性原理、相似方式和实现相似的方法。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术

(a)相似性原理。相似性是一个非常朴素和极其普遍的概念，是自然界一种普遍存在的现象。相似性原理就是指按某种相似方式或相似规则对各种事物进行分类，获得多个类集合；在每一个类集合中选取一个具体事物并对它进行综合性研究，获得有关信息、结论和规律性的东西；这种规律性的东西可以方便地推广到该类集合的其他事物中去。相似定理1:以S表示系统整体或其部分所具有的某些特征，则相似具有下列性质。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术自反性:SwS这里符号w表示相似)；对称性:即若S1wS2，则S2wS1；传递性:若S1wS2，S2wS3。;，则S1wS3。对于传递性，应该指出，它会直接影响相似度，即S1与S2，S2与S3以及S1与S3之间的相似度可能两两都不相等。相似定理2:相似系统可用文字相同的方程组描述，或者说它们具有相同的数学描述。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术表征相似系统的对应量在四维空间(通常意义下的三维空间加上一维的时间空间)互相匹配且呈一定的比例关系。由于描述相似系统的对应量互成比例，同时描述相似系统的方程又是相同的，所以各对应量的比值(相似倍数)不能是任意的，而是彼此相约束的。(B)相似方式。在系统仿真学科中有多种相似方式，如:比例相似:比例相似包括几何相似和综合参量比例相似。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术感觉信息相似:感觉相似包括运动感觉信息相似、视觉相似和音响感觉相似等。各种训练模拟器及当前正蓬勃兴起的虚拟现实技术，都是应用感觉信息相似的例子。数学相似:应用原始数学模型，仿真数学模型，数字仿真或模拟仿真，近似地而且尽可能逼真地描述某一系统的物理或主要物理特征，则为数学相似。逻辑相似:思维是人脑对客观世界反映在人脑中的信息进行加工的过程，逻辑思维是科学抽象的重要途径之一，它在感性认识的基础上，运用概念、判断、推理等思维形式，反映客观世界的状态与进程。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术

(C)相似方法:模式相似方法:模式相似方法又包括统计决策法和句法(或结构)方法。统计决策法是指选择某一类事物的特征空间的某些典型或主要特征，实际上是使特征空间降维，设计有效的模式分类器。句法(或结构)方法，将事物的模式类比语言中的句子，借用形式语言来描述和表达模式。待分类的模式，只需根据各模式方法进行句法分析即可判别它的类型，并给出其结构描述。无论哪种模式识别方法，其识别结果都是对实际模式的相似。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术模糊相似法:如果说概率统计是研究一级不确定性问题的话，那么模糊理论则是研究双重或多级不确定性。对仿真系统来说，相似方法是用来分析仿真系统与真实系统的相似程度(精度)。仿真系统在很多情况下确实存在模糊问题，需要用模糊相似方法才能进行分析研究。组合相似方法:在仿真系统中，即使各个部件和子系统均已获得足够精度的相似处理，已经满足各自的性能指标，但未必能保证系统整体性能满足要求，故有必要对各子系统建立组合相似模块并进行综合补偿处理，形成组合相似方法，以适应不同模态、不同情况的需要。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术坐标变换相似方法:坐标变换相似法是研究空中运动体系统不可缺少的一种方法，经常用于飞行器状态数学模型中，在视景系统的相似变换中更是常用。(C)系统仿真分类标准:根据被研究系统的特征可分为两大类，连续系统仿真和离散事件系统仿真。连续系统仿真是指对那些系统状态量随时间连续变化的系统的仿真研究，包括数据采集与处理系统的仿真。这类系统的数学模型包括连续模型(微分方程等)，离散时间模型(差分方程等)以及连续J离散混合模型。所谓离散事件系统仿真，则是指对那些系统状态只在一些时间点上因某种随机事件的驱动而发生变化的系统进行仿真试验。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术这类系统的状态量是由于事件的驱动而发生变化的，在两个事件之间状态量保持不变，因而是离散变化的，称之为离散事件系统。这类系统的数学模型通常用流程图或网络图来描述。按仿真实验中所取的时间标尺t(模型时间)与自然时间(原型)时间标尺T之间的比例关系可将仿真分为实时仿真和非实时仿真两大类。若t/T=1，则称为实时仿真，否则称为非实时仿真。非实时仿真又分为超实时(t/T<1)和亚实时(t/T>1)两种。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术

(d)系统仿真分类:按照参与仿真的模型的种类不同，将系统仿真分为物理仿真、数学仿真及物理-数学仿真(又称半物理仿真或半实物仿真)。物理仿真:又称物理效应仿真，是指按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验研究。物理仿真直观形象，逼真度高，但不如数学仿真方便；尽管不必采用昂贵的原型系统，但在某些情况下构造一套物理模型也需花费较大的投资，且周期也较长，此外在物理模型上做试验不易修改系统的结构和参数。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术数学仿真:是指首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化成仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。现代数学仿真由仿真系统的软件/硬件环境，动画与图形显示、输入/输出等设备组成。数学仿真在系统分析与设计阶段是十分重要的，通过它可以检验理论设计的正确性与合理性。数学仿真具有经济性、灵活性和仿真模型通用性等特点，今后随着并行处理技术、集成化软件技术、图形技术、人工智能技术和先进的交互式建模/仿真软硬件战术的发展，数学仿真必将获得飞速发展。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术物理-数学仿真:又称为半实物仿真，准确称谓是硬件(实物)在回路中(HardwareintheLoop)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(或物理模型)方式引入仿真回路。半实物仿真有以下几个特点:原系统中的若干子系统或部件很难建立准确的数学模型，再加上各种难以实现的非线性因素和随机因素的影响，使得进行纯数学仿真十分困难或难以取得理想效果。在半实物仿真中，可将不易建模的部分以实物代之参与仿真试验，这样可以避免建模的困难。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术利用半实物仿真，可以检验构成真实系统的某些实物部件乃至整个系统的性能指标及可靠性，以准确调整系统的参数和控制规律。利用半实物仿真可以进一步检验系统数学模型的正确性和数学仿真结果的准确性。在航空航天、武器系统等研究领域，半实物仿真是不可缺少的重要手段。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术

(e)仿真系统校核、验证与验收。仿真模型是否精确，计算机软硬件是否可靠，其他仿真设备的性能是否满足需要，仿真系统的实验结果正确性是否能满足决策和分析的需要，这些都是仿真系统开发者和用户所关心的问题。这些问题可以归结到仿真系统可信度评估的研究范畴。仿真系统校核、验证与验收(Verification,ValidationandAccreditatoin,VV&A)是可信度评估工作的基础，它通过仿真系统生命周期中的有关活动，对各阶段工作及其成果的正确性、有效性进行全面的评估。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术进入20世纪90年代以来，仿真技术研究进一步深入，并取得了日益广泛的应用，使仿真系统的功能和性能都获得了巨大的提高，但这同时也增加了仿真系统校验的难度，因此迫切需要建立全面有效的VV&A过程和方法。VV&A研究的重点从仿真模型的校验方法研究为主，转向如何更加全面系统的对仿真系统进行VV&A上来。美国国防部5000系列指令(DODDirective)提出了关于国防部武器装备采购的新规范和要求，明确规定了国防部在建模与仿真应用方面的一系列政策，要求国防部所属的各军兵种制订其建模与仿真计划和仿真系统的VV&A规范，并用于仿真系统中。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术13.2.2系统仿真的一般过程与步骤1系统仿真的一般过程系统仿真是对系统进行试验研究的综合性技术学科。对于任何一个系统的仿真研究都是一项或简或繁的系统工程，特别是对复杂系统或综合系统的总体仿真研究，更是一件难度很大的工作。诸如系统仿真实验总体方案设计，仿真系统的集成，仿真试验规范和标准的制定，各类模型(数学模型、物理模型、由数学模型转换而来的仿真模型等)的建立、校核、验证及确认，仿真系统的可靠性和精度分析与评估，仿真结果的认可和置信度分析等，涉及面十分广泛。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术为了使仿真试验顺利进行并获得预期效果，必须把针对某一实际系统的仿真试验，切实作为一项系统工程来抓。通常系统仿真试验是为特定目的而设计的，是为仿真用户服务的，因此，复杂的系统仿真试验需要仿真工作者与仿真用户共同参与，从这个意义上讲，仿真试验过程应包括如下三个工作阶段。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术(1)建模阶段:在这一阶段中，通常是先分块建立子系统的模型。若为数学模型，则需要进行模型变换，即把数学模型变为可以在仿真计算机上运行的模型，并对其进行初步的校验；若为物理模型，需要在功能与性能上覆盖系统的对应部分。然后根据系统的工作原理，将子系统的模型进一步集成为全系统的仿真实验模型。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术(2)模型实验阶段:在这一阶段中，首先要根据实验目的，制定实验计划和实验大纲，在计划和大纲的指导下，设计一个好的流程，选定待测量变量和相应的测量点，选用适当的测量仪表。之后转入模型运行，即进行仿真试验并记录实验数据结果。(3)结果分析阶段(结果分析在仿真过程中占有重要的地位。在这一阶段中，需要对实验数据进行去粗取精、去伪存真的科学分析，并根据分析结果做出正确的判断和决策。因为结果反映的是仿真模型系统的行为，这种行为能否代表实际系统的行为，往往得由仿真用户或熟悉系统领域的专家来判定。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术如能得到认定，则可以转入文档处理，否则，需返回建模和模型试验阶段查找原因，或修改模型结构和参数，或检查试验流程和试验方法，然后再进行试验，如此往复，直到获得满意的结果。2系统仿真的步骤对于一般意义的系统仿真，通常分为十个步骤。见表13-1所示。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术13.2.3系统建模仿真技术的应用及其最新发展动态1系统仿真技术发展概况在计算机出现之前，只存在所谓的物理仿真(模拟)，系统仿真是依附于其他有关学科的。后来随着计算机硬、软件技术的突破，及系统科学研究的深入，在控制理论、计算技术、信息处理技术等研究中，提出了大量的共性的技术问题，使得系统仿真逐步发展成为一门独立的综合性学科。国际上成立了专门的计算机仿真协会(InternationalAssociationforMathematicsandComputerinSimulation,IAMCS)。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术美国、英国、日本等国都有各自的仿真协会。1988年中国系统仿真学会成立，标志着系统仿真学科在我国已经获得了蓬勃的发展。

(1)分布交互式仿真技术。分布交互仿真DIS(DistributedInteractiveSimulation)是从1983年美国国防部的国防高级研究计划局(DARPA)制订的仿真器网络SIMNET(SimulatorNetwork)计划发展而来的，并开始研究和应用。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术当时主要应用于任务演练、训练、武器评估等军事领域，如今，分布交互仿真技术已应用于航空航天、交通运输、医疗、娱乐、互联网商业、制造业等其他领域。DIS以网络为基础，通过联网技术将分散在各地的人员，在回路仿真器、计算机生成兵力以及其他仿真设备连接为一个整体，形成一个时间和空间上一致的综合环境，实现平台(飞机、导弹、舰艇、坦克等)与环境(地形、大气、海洋等)之间、平台与平台之间、环境与环境之间的交互作用和相互影响，在DIS的体系结构、数据通信等方面IEEE已提出了系统标准。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术在此之后又提出的以离散事件为主的作战仿真系统(聚合级仿真协议ALSP(AggregateLevelSimulationProtocal)，它实质上是“构造仿真”(Constructivesimulation)。1994年10-11月北约在全世界范围内，成功地组织了一次基于分布交互仿真的军事演习，这是集成化、分布式仿真技术的一次成功应用，并因此引起了世界范围内的分布交互式仿真热。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术分布交互仿真技术在航天仿真中日益受到人们的重视。美国空军技术研究所在1990年初期，成功地开发了一套用于卫星轨道建模与近地空间环境仿真系统(SM)，SM在网络界面下工作时遵从DIS2.0协议，并支持分布式交互仿真。SM可以逼真地模拟近地空间环境，可以同时描绘来自多个不同行星与人造卫星群的多颗卫星在轨道上运行时的三维动态图形，允许用户从虚拟环境中的空基和地基等各种不同视点，去观察在轨卫星运行情况，并可以在仿真过程中与多颗卫星模型及星群进行信息的交换和交互处理。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术SM采用轨道力学进行在轨对象运动的计算，用高度精确的;Q图形描绘卫星群及地球、月亮，使用户有一种置身浩渺太空的临近感和沉浸感。SM模型所具备的网络界面，允许其他交互式数字视频系统(DVE)中所有用户提供的卫星传播数据，特别适用于多星管理的仿真。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术1996年4月美国国防部正式公布了高级体系结构(HighLevelArchitecture,HLA)方案，它使DIS有了新的发展，HLA是在DIS和ALSP的基础上发展起来的新的分布交互仿真体系结构，它能提供更大规模的、将构造仿真/虚拟仿真/实况仿真集成在一起的综合环境，实现各类仿真系统间的互操作、动态管理、一点对多点的通信、系统和部件的重用以及建立不同层次和不同粒度的对象模型。按照HLA要求，可更节省带宽，使仿真应用开发者不必关心系统的底层实现，只要专注于仿真应用本身的开发。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术

(2)仿真软件技术。仿真研究的许多活动是通过仿真软件来实现的，仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户。仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。仿真软件的发展目标一直是不断改善其面向问题、面向用户的模型描述能力及增强它对模型建立、试验、分析设计和检验的功能。从应用性和广泛性的角度看，仿真语言仍然是仿真软件的主体，它一直在吸取新技术，以求得不断地完善和发展，尤其是在用户的友好性上。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术建模由初期的机器代码，经历较高级的编程语言，面向问题描述的仿真语言，发展到模块化概念。从支持仿真活动的角度看，从支持部分活动，发展到支持全生命周期的一体化仿真环境，以至支持活动中的团队工作与流程管理。从建模仿真功能看，从支持传统的连续系统仿真(采用常微分方程或微分方程和/或差分方程描述)、离散系统仿真(采用进程或事件或活动来描述)，到支持含构造仿真、虚拟仿真的综合建模仿真环境。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术从仿真软件的支撑环境及技术上看，已从专用仿真机，发展到通用个人计算机、大型机、并行机及基于Internet/Web技术的网络计算系统。因而，其支撑技术也由简单的程序设计技术、编译技术、传统的数值计算技术，发展到面向对象技术、软件工程技术、分布计算技术、Web技术、嵌入式软件技术、虚拟技术及人工智能技术等。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术2系统建模仿真技术应用系统建模仿真技术在系统分析与设计、系统理论研究、专职人员训练等方面都有着十分重要的应用。(1)系统建模仿真技术在系统分析与设计中的应用。对尚未建立起来的系统，进行方案论证及可行性分析，为系统设计打下基础；在系统设计阶段，利用仿真技术可以帮助人们建立系统模型，进行模型简化及验证，并进行最优化设计；在系统建成之后，可以利用仿真技术来分析系统的运行状况，寻求改进系统的最佳途径，找出最优的控制策略。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术

(2)系统建模仿真技术在系统理论研究中的应用。对系统理论的研究，过去主要依靠理论推导。如今，系统仿真技术为系统理论研究提供了一个十分有力的工具。它不仅可以验证理论本身的正确性，而且还可能进一步暴露系统理论在实现中的矛盾与不足，为理论研究提供新的研究课题。目前，在最佳控制系统、自适应控制、大系统的分解协调等理论问题的研究中都应用了仿真技术。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术

(3)仿真在专职人员训练与教育方面的应用。系统仿真用于训练与教育是它的一个重要特点。现在已经为各种运载工具(飞机、汽车、船舶等)以及各种复杂设备及系统(电站、电网、化工设备等)制造出各种训练仿真器。它们在提高训练效率、节约能源、安全训练等方面起着十分重要的作用。据统计，1978-1983年期间，世界各国用于训练仿真器的费用达82亿美元，其中仅美国就占了50亿美元。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术

(4)系统仿真在高科技中的地位。今天，系统仿真技术已经受到各级政府部门、工业和科研单位的普遍重视。在国际上，系统仿真技术在高科技中所处的地位在日益提高。根据国外统计资料，20世纪70年代世界上整个科学技术领域内，系统仿真费用约占总经费的?X，至于某些科学技术领域内，系统仿真所占的费用更高一些，如导弹系统研制过程中，仿真费用约占导弹研制费用的5%，到了八九十年代，所占比例有了更大幅度的提高。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术1989年，北约组织的欧洲盟国制定了一个“欧几里德计划”，把仿真技术作为11项优先合作发展的重点项目之一。1992年，美国提出了22项国家关键技术，系统仿真技术被列在第、2位。1992年，美国提出了21项国防科技关键技术，系统仿真被列为第2位。美国甚至还提出要把仿真技术作为今后科技发展战略的关键推动力。1994年，美国国防部预研工作的七大重点中，仿真技术是其中之一。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术1995年，美国国防部高级研究计划局投资战略的核心包括四个方面，即开发先进的信息技术、创建与国力相称的国防技术、促进军民一体化工业基础的建设、加强新技术向军品转移等，在每个方面都把模拟与仿真，特别是先进的分布式仿真系统的开发列为年度投资的重点之一。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术3系统仿真技术的最新发展动向(1)仿真实验任务的扩展。仿真实验任务随着科学技术与生产水平的不断发展而不断扩大，当前已提出基于仿真设计、仿真工程，全生命周期仿真和分布仿真等多方面的仿真任务要求，即对整个设计任务、整个大型工程项目，仿真对象的整个生命周期，以及分布于广阔时空的各类事物，都能进行高逼真度的仿真，从而达到正确决策、指导科学研究、系统开发与生产实践，培训乘务人员、操纵人员、指挥人员、决策人员的目的。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术

(2)仿真技术的发展动向。由于仿真理论及方法的提高，仿真实验任务的扩大以及相关学科的发展，当前主要向下列几个方向发展。(a)向广阔时空发展。以现代复杂军事系统为例，它涉及战略、战术、技术决策系统，指挥、通信、运输系统，外层空间、内层空间、武器和运载系统，地面与空间各军兵种、我友协同作战系统，作战环境、武器群配置及后勤管理系统等。这种激烈对抗的军事系统对时空一致、任务协同、实时性、实用性等都有很高要求，因而在这个复杂仿真系统中有很多复杂、艰巨的技术问题亟待解决。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术

(b)向快速、高效与海量信息通道发展。对大型复杂系统、分布系统、综合系统进行实时仿真，由于信息量庞大，并须进行快速、高效传输、变换和处理。(c)向规模化模型校核、验证、确认技术发展。建立模型后，如果没有规模化模型校核、验证、确认来检验和评价模型的正确性及置信度，则仿真的精度和可靠性是无法保证的。目前它已引起仿真界的高度重视。

(d)向虚拟现实技术发展。虚拟现实是将真实环境、模型化物理环境和用户融为一体，为用户提供视觉、听觉、嗅觉和触觉，以逼真感觉的仿真系统使人感到如同身临其境。上一页下一页返回13.2系统建模仿真技术

(e)向高水平的一体化、智能化仿真环境发展。开展仿真科学仿真理论和系统技术研究，需要像一体化、智能化仿真环境等有效工具，在这方面，我们同发达国家的差距还相当大，是值得注意的一个问题。(f)向广阔的应用领域扩展与其他有关学科融合。由于仿真的对象愈来愈广泛和复杂，应用领域更加广阔，相关的学科不断增多而且它们间的关系日趋密切。应该敏锐地洞察这一趋势，抓住机遇，使系统仿真向广阔的应用领域扩展，并及时与相关学科融合，协同开拓新的仿真科技园地。上一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术13.3.1光电系统理论建模性能评估流程光电传感系统工作流程如图13-1所示。光电系统性能预估模型是指在特定的运行条件下，预估成像系统或系统设计性能的一组程序或方法。性能预估模型有许多种分类方法，我们将它们分为基于参数的模型和基于图像的模型。基于图像的模型必须有可以利用的图像；基于参数的模型利用的系统的设计和运行参数。但大多数基于参数模型也可以使用图像的测量参数。下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术总的来说，性能预估模型是为四类成像传感系统开发的，它们分别是合成孔径雷达(SAR)、俯视可见光和红外成像系统、战场目标捕获系统(低仰角可见光和红外系统)和视频系统。主要的度量有NIIRS、任务执行概率和主观质量等级。表13-2列出几种性能评估模型。基于参数的模型主要提供系统设计人员使用。如果可以确定必要的输入参数，利用给予参数的模型，在制造开始之前就可以预测出系统的性能，同样的道理，给定一个性能目标，系统设计人员可以用它来进行多个参数优化匹配。这里主要讲目标捕获性能建模-NVESD的鉴别概率模型。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术目标捕获行业内使用最小可分辨温度差(MRTD)、最小可分辨对比度(MRC)，以及给定目标和大气条件下目标发现、识别和辨认概率的捕获模型来描述成像系统的性能。这些分辨概率绘制成关于距离的函数曲线，用于确定目标捕获武器系统的有效作用距离。MRTD或MRC可以由传感器模型来预测，可以测量，也可以在传感器设计中给定。目标捕获传感器的使用设计要求可以是，“在标准U.S大气条件下，保证对3.5km远处M1A2坦克的识别概率超过90%”。对MRTD或MRC的要求也来自于这一使用要求。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术在坦克、自行高炮、重型反坦克导弹、武装直升机、近程反导光电跟踪仪、战斗机、无人机以及其他大量战术平台上都使用了目标捕获传感器。“分辨概率”技术是一个依赖于众多参数的模型，这些参数包括目标尺寸和目标/背景的对比度。对于红外成像系统(2-14μm)，目标和背景间的对比度用等效黑体的温度差表示，对于光电成像系统(0.4-2.0μm)，目标和背景间的对比度用目标和背景反射光的亮度差表示。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术在成像系统入瞳处的表观温度差(或表观对比度)受到了大气的影响。红外成像系统的性能可以用MRTD表示，光电成像仪的性能可以用MRC表示。像MRTD(或MRC)这种描述系统性能的参数依赖于系统的灵敏度和分辨率，而系统的灵敏度和分辨率又依赖于大量的参数，如焦距、入瞳直径、探测器尺寸等。MRTD(或MRC)适用于当前的目标J背景特征，可以给出成像系统的频率响应，而与成像系统的频率响应Johnson准则相比较后，可以得到目标发现、识别和确认概率。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术13.3.2Johnson准则研究表明，对于某一类特定的成像系统，目标识别能力同系统的极限分辨率有关。当观测者执行非运动目标识别任务时，成像系统性能称为静态性能。目前，用线状靶标代替真实目标进行成像系统的分析、设计和评估工作，美国陆军夜视和电子遥感设备局(NVSD)负责的相关试验研究工作，均依此制定对地面目标、特别是战术目标的发现、识别和辨认对不同种类传感器要求。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术考虑图13-2中的目标和它们的等价靶标，Johnson确定了执行不同级别分辨任务所需的目标跨越线对数或周期数。在不进行长度校正的条件下，NVSD进一步地试验也得到了类似的结果。长度校正通过对目标长度平方改善了目标信号。发现、识别和辨认任务的周期数判据见表13-3。其中一维的描述对应跨越目标最小尺寸的周期数，二维的要求对应目标的特征尺寸(传感器观测到的目标宽度和高度乘积的平方根)。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术

若将目标考虑为一个轮廓，用轮廓面积的平方根作为特征尺寸更为准确。表13-3中的周期数判据对应的任务分辨概率为50%。穿越目标周期数为N，任务分辨概率为

N50由任务的性质来决定。例如，如果希望得到的是识别概率，N50应当取3.0。P(N)是N的函数。二维判据比一维判据更为常用。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术13.3.3MRTD和MRC由于谢德(Schade)在20世纪50年代和60年代的工作，他成了现代成像系统模型的奠基者。谢德得出了一个摄影、动画和电视系统的性能评估。谢德模型来自于存在噪声条件下观测者对标准空军三线靶标的分辨问题。为了应用于红外成像系统，森达尔(Sendall)、洛瑟尔(Rosell)和杰诺德(Genoud)对谢德模型做了改进，MRTD的测量使用了四线靶标，得到热像模型。巴纳德、劳松和拉什改进了热成像模型，得到了美国陆军夜视实验室(NVL)——现在称为夜视电子传感设备局(NVESD)的静态性能模型。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术在过去20年间，许多科学家和工程师都参与了NVESD静态模型的改进工作，开发了前视红外FLIR92MRTD传感器模型和夜视热传感器模型(NVTherm)。借助于MRC，NVESD理论也可以应用于光电成像系统中。该领域最新的工作改进了对噪声的描述和建模方法。噪声等效温差(NETD)描述了红外系统的灵敏度，MTF描述了红外成像系统的分辨率。噪声等效输入和MTF分别描述了光电系统的灵敏度和分辨率。虽然灵敏度和分辨率被认为是可分离的，但实际上红外成像系统中却是不可分的。MRTD和MRC将灵敏度描述成了分辨率的函数，构成红外和光电成像系统最主要的性能参数。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术将传感器观察者恰好可以分辨四线靶标时的温度差定义为MRTD。作为传感器性能参数的MRTD是四线靶标频率(或分辨率)的函数，而不是一个数值。MRTD测试靶标的长宽比为7:1，外形为一个正方形，如图13-3所示。改变目标/背景间的温度差值，直至四条靶线可以分辨为止，而且是从一个大的温度差值减少到恰好可以分辨时的温度差值称为MRTD。测量每一个目标频率的最小可分辨温度差，并将这些数据结合在一起就是一条MRTD曲线。注意，MRTD曲线图同MTF曲线的颠倒形式很相像，实际情况也的确如此。尽管MRTD的建模采用了不同方法，但MRTD的测试方法却非常标准。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术在理论上，一维MRTD方程为

式中:

——视觉阈值函数(量纲为1)；

——光学系统的.数(量纲为1)；

——空间频率变量(周/毫弧度)；

——系统MTF(量纲为1)；上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术

——光学系统的有效焦距(cm)

——探测器的峰值(波长的函数)比探测率(单位：)；

——人眼的积分时间(s)；

——带内等效光学透过率(量纲1)；

——填充系数或凝视传感器的效率(量纲为1)；上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术扫描传感器的效率，其中ηeff是扫描效率，Nd是探测器单元数目，Adef是探测器面积。还需要计算两个空间噪声的积分，一个是空间信号积分和一个探测器相应积分上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术式中:

——靶标线条宽度(mrad)

——靶标线条长度(mrad)

——作用在噪声上的传递函数(量纲为1)；

——人眼传递函数(量纲为1)；

——靶标线条宽度的MTF(量纲为1)；

——靶标线条长度的MTF(量纲为1)

——规定系统MTF(量纲为1)；

——背景辐亮度[]；

——背景温度(K)；

——归一化到峰值响应的探测器响应度(量纲为1)。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术对于光电系统，与MRTD非常类似的一个参数是MRC。MRC与MRTD的概念相同，但光电系统MRC测量使用的四线对比度靶标。在垂直方向上的MRC如下:

这里Nf是考虑到非理想性能的噪声因子，Eav是单位立体角电子数，其余参数定义同前。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术虽然上面的表述是针对的是摄像管相机的，但也适用于CCD相机。由于光电系统中噪声和背景电流取决于照射到探测器上光的强度，MRC与MRTD有细微的差别。光电成像系统中的噪声包括读出噪声、随机噪声和固定模式噪声。随机噪声是目标-背景对比度的函数，因此，MRC是由光强大小决定的一组曲线(每条MRC曲线对应一个具体的光强值)。组合水平和垂直曲线就得到二维的MRTD或MRC曲线，将MRTD(或MRC)值在水平方向和垂直方向上进行匹配，并且标注相应的空间频率ξx和ξy，该匹配值与一个新的二维空间频率由式(13-6)给出:上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术

与这组匹配的MRTD(或MRC)值对应的二维空间频率便构成了二维的MRTD(或MRC)。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术13.3.4捕获概率绘制探测、识别和确认概率曲线的过程相当简单，程序流程如图13-4所示。生成一个随距离变化的静态分辨概率曲线需要四个参数，它们分别是(目标-背景温差估计值；目标高度和宽度估计值；工作谱段内若干距离相关的大气透过率估计值；传感器的二维MRTD或MRC(实际系统的测量值或模型的预测值)。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术首先需要确定的是目标参数。目标特征尺寸可以取高度和宽度的几何平均值，或更精确地取目标投影面积的平方根。其次是基于目标和背景特征，估计目标和背景间的温度差，对于地面目标，目标和背景的温度差通常在1.5-4.0K。然后是确定大气的透过率，同时基于大气衰减计算出目标的表观温度差。大气透过率t(R)的确定不是通过试验得到，而是利用MODTRAN或LOWTRAN这样复杂的大气模型软件计算给出的。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术一旦确定了表观温度差，就可以在MRTD曲线上求出对应目标表观温度差的空间频率，这就是传感器可以分辨的最高空间频率。传感器在特定距离上，可以实际分辨的跨越目标特征尺寸的周期数，决定了在此距离上目标的分辨(探测、识别和辨认)概率。

上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术式:

——最大可分辨空间频率(周/毫弧度)；

——目标的特征尺寸(m)；

——目标到传感器之间的距离(km)。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术分辨概率可以用式(13-2)给出的目标变换概率函数(ttpf)来确定，在表13-3中选择与分辨水平(探测、识别和确认)对应的50%周期判据N50。然后由式(13-7)给出的周期数对应的目标变换概率函数，可以确定探测、识别和辨认概率。再将任务的分辨概率同作用距离联系在一起，可得典型的分辨概率曲线，它就是距离的函数，因此，这一过程应在若干不同距离上需要重复多次。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术有许多因素可以提高红外成像系统的目标探测、识别和辨认概率，比如更大的目标、更大的目标J背景温度差、更高的目标辐射率、更高的大气透过率、更低的MRTD值(空间频率的函数)，如果目标J背景间的温度差不是特别小的话，小的视场也能改善目标分辨概率。上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术13.3.5目标搜索与NVESD/PD模型有关的方程和实例都是对静态条件，目标与显示器设备对于观察者来说是不动的。作为NVESD捕获模型的一部分，除探测、识别和辨认任务外，还定义了目标搜索项目。搜索项是基于经验的，假设发现目标的概率以静态识别概率为极限。将需要搜索的面积分为几个子面积，每个子面积相当于传感器的一个视场，定义探测概率:

上一页下一页返回13.3光电系统理论建模性能评估技术Pd(t)是时间t内的探测概率，Pd∞的定义与式(13-2)相同，Pds用于目标发现的修正因子。定义为

M是子面积的数量，时间常数t定义为

这里1.7是极限时间，N/N50同TTPF中的定义相同，在有些情况下，极限时间可以被忽略，模型假设平均锁定观测时间为0.3s，且不计切换时间。上一页返回13.4综合光电成像半实物仿真系统动态红外硬件闭环仿真系统能在试验室内对红外热像仪、导弹寻的器及各种红外探测系统的动态性能进行测试与评估。半实物仿真系统的核心器件是动态红外场景投射器(DIRSP)，它能在试验室环境下产生动态二维红外景象，以模拟真实物体及其环境的红外辐射特性。DIRSP可用来测试如下类型的传感器:前视红外(FLIR)、红外搜索与跟踪(IRST)、导弹预警系统(MWS)、导弹发射探测器(MLD)和红外制导寻的器。可以减少野外试验次数，降低试验成本和风险，节省人力、物力和时间。下一页返回13.4综合光电成像半实物仿真系统进行这种试验需要高帧频、高分辨率、大动态范围的动态红外场景投射器，为此，许多国家都投入大量资金对此进行研究和开发。美国红石技术试验中心(RTTC)承担试验导弹和航空传感器及其辅助设备(寻的器、目标捕获装置、火控子系统等)的任务，通常使用可见光、激光、红外、毫米波和紫外技术辅助设备。一些子系统和部件实验室的成功试验证明，在检验硬件性能方面比起广泛的、高费用的飞行或者集成完整的系统在靶场试验有极高的效费比。上一页下一页返回13.4综合光电成像半实物仿真系统现有的红石技术试验中心对子系统的试验和仿真能力升级，以便对高性能红外传感器、毫米波传感器和用于动态威胁场景的多频谱传感器进行评价。红石技术试验中心研制先进的多频谱传感器和子系统试验能力(AMSSTC)。(AMSSTC)将包括多频谱导弹半实物仿真器。这种仿真器的研制是由红石技术试验中心、航空和导弹司令部的研究开发部与工程中心共同承担。仿真器用于研制和试验新下一代多频谱导弹仿真试验，可在红外、毫米波和激光波段提供飞行运动仿真和实时三维目标及地形场景生成能力。上一页下一页返回13.4综合光电成像半实物仿真系统仿真器具备独有的特征，能同时将红外、毫米波和激光目标场景投射到被试导弹上。关键技术是一种三色合成器，它对毫米波起着透过窗口作用，对红外和激光起着反射镜的作用。AMSSTC将包括虚拟试验场的虚拟靶道，在气象、环境良好和污染的战场条件下提供毫米波靶道特性，毫米波地形数据库对现有的可见光、中波红外和长波红外数据库作全面的修正，以广泛的多频谱能力提供给红石技术试验中心。AMSSTC还开发提供一定频谱带通内对应的传感器激励器，以试验先进的可见光和多频谱带红外传感器、导弹寻的器和目标捕获装置。上一页下一页返回13.4综合光电成像半实物仿真系统例如，动态红外场景投影器仪(DIRSP)将被改进升级，增加可编程电子接口以实时考虑大气影响和不均匀性修正，还要扩充容量热电阻阵列和更高带宽的电子仪器，以满足新下一代寻的器和目标捕获传感器的需求。在实验室内，通过产生宽光谱动态模拟场景，完成对光电系统(光电搜索、跟踪、制导、火控、成像导引头等)的动态性能测试、评估和先期技术演示验证的功能。采用新原理、新技术、新途径，开展基于DMD微反射镜宽光谱场景生成新技术研究，提供高逼真度宽波段动态场景，满足实用化要求，为综合光电系统仿真测试评估试验研究服务。上一页下一页返回13.4综合光电成像半实物仿真系统研究DMD器件同步驱动、宽光谱窗口置换、读出与投射光学系统、高逼真度动态场景计算机生成、载体运动模拟与综合光电系统半实物仿真评估等新技术，构建基于DMD数字微反射镜器件宽光谱半实物仿真试验系统，相关研究课题包括:(a)高置信度的光电系统建模评估技术；(b)宽波段DMD数字化动态场景投射技术；(c)高逼真度动态场景计算机生成技术；(d)综合光电系统半实物仿真评估集成技术，其构成如图13-5所示。上一页下一页返回13.4综合光电成像半实物仿真系统可模拟目标及背景:空中目标及天空背景(包括飞机与导弹、地球辐射形成的天空背景、云、雾、雨、雪等)、海面目标与海面(包括各种水面舰艇、海面自身的热辐射和天空辐射的反射)、地面目标与地物背景(包括坦克、车辆、火炮、电站、桥梁、机场、建筑物)等；可模拟干扰(烟雾干扰(包括被动遮蔽和主动遮蔽，建立烟雾的数学模型)、红外诱饵；可模拟大气透过率等对红外侦察与红外导引头性能的影响；可模拟目标相对于背景的运动和背景辐射特性随时间的变化。上一页下一页返回13.4综合光电成像半实物仿真系统载体运动模拟技术考核光电系统的稳定跟踪动态性能，需要在实验室内进行加载各种运动，模拟光电系统在车辆、飞机、舰船、无人机等载体上的实际运动环境。为了提高仿真的逼真度，需要给三轴运动模拟器，输入不同载体的震动频谱，使三轴运动模拟器产生对应载体平台的运动特性。首先去现场采集各种载体的运动频谱，获得相应的频谱特性后，通过计算机送给三轴运动模拟器，控制转台产生相应的运动。上一页下一页返回13.4综合光电成像半实物仿真系统三轴运动模拟器主要指标:最大负载:30okg位置精度1.4”(角秒)；

最大速度500°/s；

最大加速度:2000°/s2；

频率范围:0.001-25Hz。上一页返回13.5三维动态场景计算机生成技术13.5.1动态红外仿真系统软件动态红外仿真系统软件以服务器/客户端方式，运行在主控计算机和图形发生计算机上，在系统中，主控计算机实施控制，图形发生软件通过网络端口接收到主控计算机的测试方案后，实现动态场景的参数控制并发生数字图像。场景图像通过投射系统产生红外/可见光场景图像。图像经场景准直投射系统投射出去，实现无穷远目标场景的模拟输出。下一页返回13.5三维动态场景计算机生成技术主控计算机软件部分提供用户设置界面，初始化仿真方案，并设置仿真过程中的场景参数；通过网络接口接收状态数据，解算计算机的目标控制参数，并发送场景参数；接收被测武器系统的同步脉冲相应；采集被测武器系统的跟踪图像；采用数据库方式管理仿真方案中的参数设置及目标特征数据，包括仿真目标场景类型、目标场景红外特性参数、大气环境参数等。场景发生计算机软件部分提供用户操作手柄的交互式控制运动目标功能；上一页下一页返回13.5三维动态场景计算机生成技术通过网络接口接收主控软件的目标运动参数，发送目标状态输出；发生并输出可见光/红外场景图像；数据交换及算法规则支持交互式操作及图形发生功能的实现。图13-6所示为可见/红外仿真软件系统模块构成。主控计算机主要实现接收PCI启动脉冲信号、设置场景控制参数、采集被测系统的跟踪图像、网络通信、数据库支持功能；图形发生计算机主要实现场景发生、多串口通信、网络通信功能。从功能上将整体软件系统整合为六个功能模块:网络通信模块、多串口通信模块、PCI脉冲响应模块、图像采集模块、数据库模块、场景发生模块。上一页下一页返回13.5三维动态场景计算机生成技术13.5.2系统模块功能可见/红外仿真软件系统中六大模块分别实现以下主要功能。(1)网络通信模块:主控计算机通过网络接收目标状态解算计算机的目标控制参数，发送仿真场景设定参数；图形发生软件接收仿真场景参数，实现目标的受控运动，同时将目标场景运动参数通过网络输出给被测武器系统。(1)多串口通信模块:利用多串口卡扩展图形发生计算机的串口数量，实现USB接口操作手柄与仿真软件Vega之间的间接通信。并预留与被测武器系统的串口通信接口。上一页下一页返回13.5三维动态场景计算机生成技术(3)PCI脉冲响应模块:主控计算机通过PCI高速数据采集卡，接收被测武器系统的触发信号，以控制仿真的同步启动和发生。(4)图像采集模块:主控计算机通过PCI图像采集卡，采集被测武器系统的光电跟踪视频图像，并保存跟踪过程图像。(5)数据库模块(实现目标/场景类型、红外特性、大气环境参数数据库存储功能。通过调用数据库信息，在用户通过人机界面初始化仿真方案以及仿真方案实施过程中提供多种选择。上一页下一页返回13.5三维动态场景计算机生成技术(6)场景发生模块(目标功能有固定翼飞机、直升机、坦克、导弹、军舰、靶标、滩涂阵地、人物等常见目标。实现仿真过程中的目标类型及其运动方式切换；实现人物肢体常规运动方式的模拟。(7)模拟场景(天空、云彩、海洋、平原、山地、城镇等。实现仿真场景之间不退出系统的切换方式。(8)模拟大气环境(夏季、冬季、春秋季节的典型气候环境。实现可见/红外的24小时场景特征变化。上一页下一页返回13.5三维动态场景计算机生成技术(9)目标运动特征:(a)按照目标状态解算计算机的状态输入运动；(b)沿预定路线往返运动；(c)按给定运动函数运动；(d)交互式操作手柄控制目标运动；(e)目标运动过程中的音效特征；(f)红外场景中目标运动过程的热效特征；(g)可见光场景中目标运动过程的阴影特征。上一页返回13.6仿真模块功能的实现13.6.1仿真软件响应实时性处理技术对可见/红外仿真软件系统在数据通信及图形发生方面都有较高的实时性要求。为了提高仿真软件响应实时性，引入基于Windows平台的实时扩展子系统——RTX。下一页返回13.6仿真模块功能的实现RTX是基于Windows操作系统的纯软件硬实时扩展子系统，图13-7所示为RTX体系结构图。RTX并不对Windows系统进行任何封装或修改，其通过在HAL层增加实时HAL扩展来实现基于优先级的抢占式的实时任务的管理和调度。RTX实时子系统RTSS的线程优先于所有Windows线程，提供了对IRA、I/O、内存的精确直接控制，以确保实时任务的可靠实施。同时，通过高速IPC通信和同步机制，RTX能够方便地实现与Windows之间的数据交换。RTX支持实时反射内存网卡通信和实时串口通信。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现主控软件和图形发生软件均采用Windows与RTX相结合的软件结构。仿真软件中实时性要求较高的网络通信，多串口通信任务交由RTX创建进程的实时线程处理，其他非实时要求任务交由Win32进程处理。应该说明的是，仿真软件中对图像发生实时性的要求也是很高的，但并不能在RTX环境下运行，只能交由Win32进程处理。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现12.6.2仿真模块1网络通信模块仿真软件中的实时网络数据通信采用VMIC反射内存网；对实时响应和实时任务处理，采用基于Windows的RTX实时子系统。反射内存网是高速的基于共享内存(sharedmemory)的光纤连接的环形网络，能够在异构的总线结构和操作系统之间以确定的速率实时传输数据。RTX的实时响应用于命令通信，数据通信，紧急事件处理。通信命令如仿真开始，仿真参数设置变化等。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现数据通信响应是提高图像发生实时性的关键环节，网络接收目标状态数据，并实时产生图像就要求网络有极高的数据传输能力和响应速度。紧急事件如网线脱落，仿真过程中的工作异常必须得到及时处理。网络通信实现主控计算机与图形发生计算机之间的数据通信(测试项目、测试方案、运动控制参数等)；同时主控计算机发送目标模拟运动特性参数给被测光电系统。通信协议依据局域网TCP/IP协议。主要数据块包括:目标状态数据输入；目标静态特性设置输入；目标运动状态数据输出。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现2多串口通信模块采用PCI多串口卡扩展图形发生计算机的串口数量，用于扩充仿真图像发生软件平台Vega对操作手柄多自由度的支持。Vega平台对目前通用操作手柄的自由度支持有很大的限制。例如，对于SaitekX52型手柄，Vega中的FlightSimalator(飞行模拟)运动控制方式，只支持3个自由度控制。而且Vega只支持COM口的操作手柄输入设备，而目前主流操作手柄都是\。F接口。利用多串口的目的就是实现FlightSimulator运动方式对通用操作手柄的6自由度支持。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现具体实施方法是将多串口卡的第一和第二串口直接连接。其中第一个串口分配给Vega用于验证外接输入设备类型；第二个串口负责将操作手柄的各自由度数据及时发送给Vega平台，以使被控对象能够及时更新状态数据。开发基于RTX的驱动能够实现对多串口卡实时通信的支持。驱动开发程序分为串口卡的初始化和数据发送两个部分。初始化部分要完成多项对串口卡的操作。写命令主要由字符串操作函数和ib_write函数完成。串行通信采用RS232方式，采用DB9孔接插件。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现3PCI脉冲响应模块通过主控计算机的PCI高速采集卡接收武器系统控制计算机的TTL高电平信号，以启动目标动态场景。工作允许及告警信号和时钟信号共用DB9针接插件布置到各分系统。4图像采集模块根据被测武器系统的输出视频参数选用匹配的高性能PCI采集卡。主控计算机通过图像采集卡采集被测武器系统的视频输出，并实现同步保存和事后回放功能。图像采集时间只与硬盘存储空间有关。视频文件可以输出多种文件格式。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现5数据库模块数据库信息主要用于仿真初始化设置及仿真过程的目标特性校正。主控计算机通过人机界面提供给用户多种可视化选择方案，用户在可以预见的仿真环境中设置环境，并实时校正运行仿真方案效果。数据库采用基于WindowsNT平台的MicrosoftSQLServer数据库管理软件进行仿真软件数据库建库工作。数据库存储信息主要包括(三维模型数据；三维地形数据；实际采集的视频与图像；气象条件/大气等传输介质特性；典型目标红外特征数据。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现13.6.3场景发生模块的创建1软件整体设计工作流程如图13-8虚线框所示，场景发生软件模块设计工作流程包括三部分(仿真模型的预处理、LynX图形界面设计和仿真程序设计。仿真模型的预处理:主要有两个部分即MultigenCreator建立.flt格式的静态视景模型库和TerraVista生成的大场景地形模型库；LynX图形界面设计(主要包括基本环境设置、模型初始位置(主要指精细模型在大场景模型中的定位)、常用特效设置(如云、雾、雨、火和声效等)和大场景应用设置等内容；上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现仿真程序设计(主要完成整个仿真仿真过程，提供实时流畅的仿真结果，可以通过Vega提供的API函数直接调用仿真模型预处理生成的模型库，或通过调用LynX图形界面设计生成*.adf文件实现对模型库的控制，通过接收仿真数据对整个场景进行驱动。主要内容包括实时驱动算法实现、实时仿真数据处理、细节削减过渡策略、碰撞检测与响应、场景调度与管理和视点控制等内容。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现2场景发生模块的创建(1)三维目标模型的创建。创建三维模型的主要工具是MultigenCreator，其最终生成的*.flt格式文件，可以被仿真控制软件Vega直接调用。对于仿真软件，三维模型的逼真度要求与渲染的实时性要求是不能同时满足的。利用Creator建模时采用三种方法以平衡仿真系统的实时性和逼真度的兼顾要求。一是LOD(LevelsofDetail)技术，即当目标距离观察者较近时，用较精细的LOD模型绘制；反之，用较粗的LOD模型绘制。二是纹理代替细节显示。纹理映射技术的使用极大地降低了场景的复杂性，实现了逼真度和运行速度的平衡。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现用图像来替代物体模型中的可模拟或不可模拟细节，提高模拟逼真度和显示速度。三是实例技术。为了节约内存，实例方法中，相同的物体仅存放一个实例，当需要的时候将其进行平移、旋转、缩放得到所需的相同结构的物体，大大节省了空间。(2)三维地形的创建。三维地形数据库生成工具采用基于Windows平台的TerraVista。Vista以项目管理的方式管理三维地形数据，适合于大数据量的地形生成。其地形数据库输出格式是OpenFlightTM格式，适用于仿真控制软件。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现Vista地形生成包括三个步骤(原始数据输入、特征编辑、地形生成及发布。原始数据包括高程数据、文化特征数据、实时影像纹理、三维模型、地理特征影像(如航片和卫片等)及其他纹理。场景制作流程中，生成面积的高程信息和地表纹理图片是必须的原始数据。目前，受到获取高程数据和地表纹理图片来源的限制，大型场景生成技术仍然制约着仿真场景的多样化和逼真性。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现对于能够得到DED的地形，在地形生成软件下直接生成三维地形文件；不能直接得到DED的地形，将可利用数据格式(如高质量纸制地图、电子地图、卫星航拍照片等)转换成为DED格式。最后生成Vega可识别的三维地形文件。

(3)基于VEGA平台的场景生成。Vega是用于实时仿真及虚拟现实的高性能软件环境和工具。它由场景渲染应用程序接口(API)和图形用户界面程序LynX组成。可通过添加用于特殊目的的新模块，对Vega的功能进行扩展。Vega提供了多个针对不同应用领域仿真的扩展模块，使其能满足特殊行业的需要，还提供了用户开发自己模块的功能。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现场景产生控制模块的功能是：获得测试项目；接收目标场景参数；启动Vega工作线程，并初始化Vega环境；进入仿真循环。初始化过程包括选择场景，设置场景亮度、场景时间、视场参数变量、目标速度、目标距离、目标高度、目标各部分亮度等。进入仿真循环后，响应主控计算机发出的控制参数，回复主控计算机目标状态参数。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现

(4)仿真目标多种运动轨迹的实现技术。仿真过程中目标的运动轨迹受到场景大小、视场大小及视点方向高度等各方面的限制，在尽可能接近野外真实目标典型运动轨迹的同时，提供多样化的运动轨迹，包括沿预定路线往返运动、按给定运动函数运动、交互式飞行摇杆控制目标运动等运动方式。除交互式飞行遥感控制方式外，各种运动方式在实现过程需要确定的场景位置和数学表达式，对于不同的场景需要不同的控制表达式。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现视景仿真软件Vega自带的FlightSimulator是一种复杂的空气动力学模型，可以使用Mouse(鼠标)，FlyBox(飞行盒)，JoyStick(操作手柄)作为输入。对于JoyStick硬件，Vega支持两个自由度输入；对于FlyBox,支持四自由度输入。在现有硬件条件下，为了实现Vega对JoyStick四自由度的支持，采用编程扩充Vega的支持功能，以提高摇杆控制的逼真度。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现(5)红外特征建模。利用Vega中的SensorVision模块实现红外场景显示，需要对三维模型及地形添加红外特征。MosartAtmosphericTool(MAT)和TextureMaterialMapper(TMM)工具是Vega提供的红外特征编辑图形界面工具。MAT用来创建、查看、编辑.mat文件，专门用来设定大气状态的工具软件。mat文件包含用户指定的属性(如地理位置、大气状况等)和对于给定的仿真与属性有关的计算得到的数据信息(如到达表面的太阳月亮能量、表面温度)。用户指定输入参数后，mat开始并监控MOSART和TERTEM程序的运行来检查数据量的计算。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现TMM是专门设置纹理材质的工具软件，使目标和背景能够被传感器识别。TMM常用的材质有合成物、沥青、混凝土、金属、木材、陈旧物6大类。这些处理软件包括7个文件:Readme文件；文件mat1、mat2、mat3、miX1、miX2、miX3。纹理材质传感器数据通过以下公式得到

工具实现材料纹理映射，此过程也被称为“材料分类”，这些纹理材料映射被。SensorVision模块使用。上一页下一页返回13.6仿真模块功能的实现首先利用MAT工具得到*.mat文件。mat文件包含用户定义的性质(如地理位置、大气条件、所感兴趣的波段范围等)及与特定仿真有关的计算数据(如照到地面的太阳及月亮的能量、地面的温度)。然后利用TMM工具将几何模型的纹理与特定的材料对应起来。SensorVision利用*.mat及*.tmm文件得到红外特征的仿真场景。上一页返回13.7动态仿真场景投射新技术13.7.1概述1动态红外场景投射器的构成及功能动态红外目标模拟器DIRSP是一种具有高分辨率的实验室内实时红外场景投射器，它能够将某一波段内与真实世界相似的人工合成红外图像，投射到红外传感器的入瞳内。DIRSP系统和红外成像传感器就像电视与人眼一样，DIRSP系统可以认为是红外电视。该系统用于红外成像