基于mos網(wǎng)絡的紅外圖像實時生成系統(tǒng)

基于mos網(wǎng)絡的紅外圖像實時生成系統(tǒng)

0紅外成像制導武器系統(tǒng)的研究最終系統(tǒng)從點源勘探發(fā)展到觀測焦平面勘探，所使用的紅外段從3.5m擴大到8.15m。紅外制導、紅外成像制導武器發(fā)展,對紅外制導和紅外成像制導武器的目標識別和目標跟蹤的要求越來越高,在武器的設計和研制階段對紅外導引頭各項指標的檢測是提高和保證武器性能的必要步驟。由于紅外制導的半實物仿真系統(tǒng)的重要地位,美英等發(fā)達國家和地區(qū)積極開展了詳細深入的研究,在這些研究中,如何逼真地實時模擬目標及背景的紅外輻射是仿真的關鍵。本文即是關于紅外成像制導仿真中圖像實時生成系統(tǒng)的研究。在20世紀80年代末期和90年代初期,國外就對紅外成像目標模擬投入了大量的人力和物力進行研究,取得大量的研究成果,出現(xiàn)了多種形式的紅外成像目標靶,如紅外CRT、激光掃描成像、液晶光閥投影成像、MOS電阻面陣紅外成像、投影儀等。其中基于MOS電阻面陣紅外成像裝置、激光掃描成像裝置已經(jīng)在成像制導武器系統(tǒng)研制中得到很好的應用。本文基于超大規(guī)模D/A控制板使得面陣控制簡單,同時更容易向256×256像素面陣擴展。1系統(tǒng)描述和主要技術1.1基于景光輻射的紅外成像導引頭圖像實時生成系統(tǒng)是用來模擬產(chǎn)生反映實際追蹤目標過程中導引頭接收系統(tǒng)入瞳處場景(目標及背景等)紅外輻射,用以考核紅外成像導引頭接收目標信息、分辨識別目標、跟蹤目標和抗干擾能力,它是針對紅外成像制導半實物仿真系統(tǒng)而專門研制的,是紅外成像制導仿真中最關鍵的子系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用計算機生成目標/干擾景象數(shù)據(jù),通過相應接口系統(tǒng)驅(qū)動MOS電阻面陣,產(chǎn)生紅外熱圖像。1.2主要技術：200hz；圖像源：128.128莫斯電阻器；粒度：2568bit；亮度:程控調(diào)字節(jié);對比度:程控調(diào)節(jié);非均勻修正模式:離線測試,實時修正;景像生成方式:實時生成。2系統(tǒng)的組成和工作原則2.1系統(tǒng)組成和功能紅外圖像實時生成系統(tǒng)主要有:圖像生成及顯示計算機、硅橋MOS電阻面陣控制計算機系統(tǒng)、128×128MOS電阻面陣及電源、實時通訊反射內(nèi)存網(wǎng)絡(反射內(nèi)存卡及光纖)、目標及背景紅外圖像實時生成軟件和MOS電阻面陣控制軟件等6部分組成,如圖1所示。2.2和彈目相對運動模型系統(tǒng)根據(jù)仿真計算機解算的導彈、目標及干擾位置和姿態(tài)參數(shù),以及大氣傳輸參數(shù),按照目標和背景模型,導彈動力學模型和彈目相對運動模型,由圖像生成計算機運算和處理,實時生成紅外目標的圖像數(shù)據(jù),再與相應的背景景像合成,生成目標景像數(shù)據(jù),通過反射內(nèi)存將數(shù)據(jù)實時傳送到MOS電阻面陣控制計算機中,由嵌入式控制機根據(jù)景像數(shù)據(jù)生成電阻陣的驅(qū)動信號和控制信號,并經(jīng)過相應的變換、放大和處理后按一定的掃描方式形成紅外熱景像圖形,進而完成紅外目標的動態(tài)模擬。3軸轉(zhuǎn)臺及其他資源系統(tǒng)的工作原理,也注意到提高系統(tǒng)實時性的背景需要建立的圖像實時生成系統(tǒng),一方面要實時生成紅外圖像,并且要實時或事后顯示所計算的紅外圖像,這就決定了系統(tǒng)的實時性要求很高;另一方面MOS電阻面陣的驅(qū)動電路要放于五軸轉(zhuǎn)臺的框架上面,距離地面仿真機有15m左右,于是就帶來了兩個主要問題:一是長線數(shù)據(jù)傳輸,這就要涉及干擾、壓降等;另一個是面陣驅(qū)動裝置的重量不能超過了五軸轉(zhuǎn)臺的負載重量。3.1圖像數(shù)據(jù)的處理圖像生成及顯示計算機及軟件系統(tǒng)主要功能是生成128×128個像素的電壓值,圖像數(shù)據(jù)計算及傳輸以200Hz的頻率進行,同時能夠在計算機上方便地完成參數(shù)設置和顯示(事后顯示方式)。1初始估計圖像生成根據(jù)幀頻200Hz的要求可以知道,獲取導彈及目標參數(shù)、圖像生成、數(shù)據(jù)傳輸總時間(ms)為T圖像生成及傳輸=T圖像生成+T圖像傳輸＜1f幀頻=1200?Hz=5(1)Τ圖像生成及傳輸=Τ圖像生成+Τ圖像傳輸＜1f幀頻=1200?Ηz=5(1)由于采用的是光纖反射內(nèi)存?zhèn)鬏?圖像傳輸?shù)臅r間可以表示為T圖像傳輸=?????????????128×128×2?byte14.8?Mbyte/s=2.214?ms方式1128×128×2?byte29.5?Mbyte/s=1.110?ms方式2128×128×2?byte44?Mbyte/s=0.744?ms方式3(2)Τ圖像傳輸={128×128×2?byte14.8?Μbyte/s=2.214?ms方式1128×128×2?byte29.5?Μbyte/s=1.110?ms方式2128×128×2?byte44?Μbyte/s=0.744?ms方式3(2)不考慮操作系統(tǒng)的非實時性,可以初步估計圖像生成的時間為T圖像生成=?????5?2.214=2.786?ms方式15?1.110=3.890?ms方式25?0.744=4.256?ms方式3(3)Τ圖像生成={5-2.214=2.786?ms方式15-1.110=3.890?ms方式25-0.744=4.256?ms方式3(3)考慮到Windows2000操作系統(tǒng)工作的非實時性和反射內(nèi)存的讀寫操作的硬件間沖突等(設兩者造成的不定時間約為0.8ms),可以初步估計圖像生成的時間為T圖像生成＜?????2.0?ms方式13.1?ms方式23.4?ms方式3(4)Τ圖像生成＜{2.0?ms方式13.1?ms方式23.4?ms方式3(4)于是可以知道,在設置反射內(nèi)存網(wǎng)絡工作的方式為DMA(方式3)傳輸模式,圖像生成速度盡量小于3ms。2每幀數(shù)據(jù)容量以浮點數(shù)格式處理、保存和傳輸?shù)?即數(shù)據(jù)寬度為16bit;每幀數(shù)據(jù)容量為128×128×2byte=32kB;每秒數(shù)據(jù)容量為200Hz×32kB=6.25MB。32文字描述符卡由于需要高速的動畫計算與顯示,所以擬選用專業(yè)圖形顯示卡。4計算機選擇計算機選擇選用專業(yè)圖形處理計算機。5操作系統(tǒng)與仿真主機的操作系統(tǒng)一致,操作系統(tǒng)選為Windows2000Professional。3.2光纖反射內(nèi)存卡圖像生成計算機與MOS電阻面陣控制計算機間采用了與仿真計算機相一致反射內(nèi)存通訊網(wǎng)絡。反射內(nèi)存通訊網(wǎng)技術較為成熟,利用光纖傳輸技術,抗干擾能力強,數(shù)據(jù)通訊速率高,能較好地滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術要求。圖像數(shù)據(jù)傳輸與仿真計算機構(gòu)成環(huán)型網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu),硬件方面以GE公司的光纖反射內(nèi)存卡為基礎,利用光纖將各個仿真設備連接起來。光纖反射內(nèi)存卡是GE公司成熟的光纖實時網(wǎng)絡互連產(chǎn)品,具有數(shù)據(jù)傳輸實時性好,抗干擾能力強,誤碼率低等優(yōu)點。利用光纖反射內(nèi)存卡組成的網(wǎng)絡可以采用環(huán)型或星型拓撲結(jié)構(gòu),在本系統(tǒng)中設計采用環(huán)形拓撲網(wǎng)絡。每塊反射內(nèi)存卡上帶有雙口內(nèi)存,各節(jié)點反射內(nèi)存卡之間通過光纖聯(lián)成環(huán)型通訊網(wǎng)絡。由于反射內(nèi)存卡傳輸數(shù)據(jù)時使用了獨特的讀寫和傳輸方法,從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性,使數(shù)據(jù)更新所花費的時間占仿真幀時的比重很小,保證了圖像生成系統(tǒng)實時性的要求,因此,采用反射內(nèi)存進行圖像數(shù)據(jù)的遠程傳輸是可行的。本系統(tǒng)中采用了VMIPCI-5587,這種板卡具有3種工作方式:方式1網(wǎng)絡傳輸速度為14.8MB/s(冗余傳輸模式);方式2網(wǎng)絡傳輸速度為29.5MB/s(不帶冗余傳輸模式);方式3網(wǎng)絡傳輸速度為44MB/s(DMA傳輸模式);3.3硅橋連接電阻器的mos輸電面矩陣的計算機系統(tǒng)硅橋MOS電阻面陣控制計算機系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機、多通道DA和多通道DO等組成。3.3.1利用工業(yè)控制計算機進行模擬硅橋MOS電阻面陣控制計算機主要用于接收數(shù)據(jù)和完成MOS面陣的高速掃描,這里選用高速的工業(yè)控制計算機,一方面可以承受惡劣環(huán)境下工作,另一方面可以快速地完成面陣的驅(qū)動和掃描。由于要采用多板卡系統(tǒng),初步選用5PCI槽的無源底板,盡可能地節(jié)省空間,減少重量。同時要在高振動的環(huán)境中工作,系統(tǒng)硬盤不能采用機械式硬盤,這里考慮采用6GB電子硬盤。3.3.2cpu板的選擇選擇高性能CPU板作為數(shù)據(jù)控制單元,初步選擇1.6GHz的PCI板。3.3.3da板板的選擇根據(jù)對MOS電阻面陣器件測試,得到近似計算線性區(qū)平均斜率系數(shù)為14mV/k,按0.1k的分辨率計算,得到電壓Vs的分辨率近似為1.4mV,在7V的范圍內(nèi),分辨點數(shù)為7?V1.4?mV=50007?V1.4?mV=5000(點)(5)于是知道數(shù)據(jù)寬度至少是13bit,再考慮到(Vs-T)曲線最大斜率大于平均值,所以數(shù)據(jù)寬度不少于14bit,因此在工程中需選用16bit的DA較為合適。同時考慮空間和擴展PCI的驅(qū)動能力,于是在選擇DA板時,盡可能地選用通道數(shù)目多的DA板卡和速度高的板卡。對DA板轉(zhuǎn)換頻率等指標的確定見以下分析。1系統(tǒng)間的操作根據(jù)面陣控制計算機的功能可知,占用計算機總線時間的操作主要是:從反射內(nèi)存中讀取幀數(shù)據(jù)、列選通及D/A轉(zhuǎn)換時間、程序語句處理和操作系統(tǒng)非實時占用時間(如:硬件間請求沖突、各種信號握手)等。2數(shù)據(jù)讀取時間數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入的時間基本上是相等的,同3.1節(jié)中的計算。32非實時程序操作時間在這里簡化處理,估計為0.8~1.3ms左右。4列選通tl的估計圖像實時生成幀周期為200幀/s的紅外圖像,熱電阻采用128通道并列掃描方式,于是可知:列選通TL=(1200?Hz?ΤL=(1200?Ηz-讀取時間-程序執(zhí)行及OS非實時)/128=23.4μs(6)注:這里估計的列掃描/幀的時間為3ms。于是可知到DA轉(zhuǎn)換時間必須在23.4μs內(nèi),即轉(zhuǎn)換頻率為大于42kHz。5-ao-97/16特征板卡經(jīng)過調(diào)研,設計時選用UnitedElectronicIndustries,Inc.公司的PD2-AO-96/16和PD2-AO-32/16兩種板卡。這兩種板卡能夠很好滿足總體設計指標。①?PD2-AO-96/16主要技術指標通道數(shù):96路D/A轉(zhuǎn)換,8路數(shù)字輸出,8路數(shù)字輸入;精度:16位;插槽類型:PCI2.1;轉(zhuǎn)換速率:100kHz~1.5MHz;輸出電壓:±10V。②?PD2-AO-32/16主要技術指標通道數(shù):32路D/A轉(zhuǎn)換,8路數(shù)字輸出,8路數(shù)字輸入;精度:16位;插槽類型:PCI2.1;轉(zhuǎn)換速率:100kHz~1MHz;輸出電壓:±10V。3.3.4出患兒監(jiān)控方式如圖2所示,實現(xiàn)列選通信號硬件可以利用PD2-AO板上現(xiàn)有的DO信號,經(jīng)過多輸出可編程邏輯器件進行7路DO的譯碼,轉(zhuǎn)換成128個列控制信號,再經(jīng)過邏輯放大電路實現(xiàn)電壓放大(將TTL電平轉(zhuǎn)換成-8~-11V列驅(qū)動電壓)等處理后,實現(xiàn)列選通。在選擇器件時要考慮譯碼和放大單元的轉(zhuǎn)換時間,應該在幾個微秒或微秒級以下。3.41紅外導引頭的產(chǎn)生和輸出紅外熱圖像,在控制MOS電阻面陣是用于紅外圖像的生成區(qū)域,在目標圖像實時生成及驅(qū)動控制驅(qū)動器的控制下產(chǎn)生的紅外熱圖像作為紅外導引頭的輸入信號;電源為MOS電阻面陣供電。1主要技術描述：128.128；治療頻率：400hz；運行頻率：-4-8v；列驅(qū)動電壓:-8~-11V;Vs-T曲線平均斜率:14mV/k;Vs分辨率:≈1.4mV(按0.1k分辨率計算)。2電源方案設計電源為MOS電阻面陣的供電,為了減輕重量、縮小體積、一個電源可驅(qū)動多個系統(tǒng)(可給MOS電阻面陣、譯碼電路和放大電路等供電),在設計時充分考慮電壓種類、電流、功率、穩(wěn)定性、精度等各項指標。3.5主框架的設計由于MOS電阻面陣控制計算機系統(tǒng)是安放在五軸轉(zhuǎn)臺的框