一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統及其仿真方法
2023-05-13 12:09:26 1
專利名稱：一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統及其仿真方法
技術領域：
本發明涉及計算機仿真技術，尤其涉及一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統及其仿真方法。
背景技術：
隨著紅外技術的發展，紅外成像系統在目標探測、識別和跟蹤等技術領域的應用日益廣泛。然而，複雜的結構以及外場性能測試使紅外成像系統的研製開發過程面臨周期長、費用高以及設計靈活度低的不利局面。由於外場試驗不可能滿足在各種複雜環境下的測試需求，因此紅外成像系統的評估範圍受到限制，且耗費巨大。為了提高紅外成像系統的設計效率和設計質量，從根本上協助解決其設計難、測試難的問題，計算機仿真技術被大量應用在了其系統的設計中。
計算機仿真技術主要採用計算機作為工具，通過建立紅外成像系統計算機仿真模型如光學系統CODE V模型，成像效應模型，目標預處理模型等，充分地模擬紅外成像系統和各種複雜的外場環境，以達到準確地預測其系統性能的目的。這些系統性能包括紅外熱成像系統、紅外搜索與跟蹤系統、機器視覺系統和掃描系統等等各種紅外成像系統的特性。利用先進的仿真結構和精確地建模方法可以降低紅外成像系統開發過程中的危險係數，減少外場試驗的次數，從而減少開發與維護的費用。
目前，國內外對於紅外成像系統的仿真理論研究、測試與驗證等方面都較為深入， 各種各樣的仿真建模方法也層出不窮。但是，由於紅外成像系統的複雜結構以及日新月異的技術革新，很難提出一套完整的仿真系統或者方法使得能夠兼容多類紅外成像系統的計算機仿真過程。針對紅外成像系統的仿真系統或方法需要滿足兩方面的仿真需求一、必須滿足紅外成像系統的基本仿真需求，如單個分系統的獨立仿真過程、多個分系統的協同仿真過程、閉環仿真過程、仿真數據特別是紅外圖像的傳輸、多領域模型的嵌入等等；二、能支持仿真系統後續開發的需要，如由於紅外成像系統結構變化所造成的仿真成員的更改、由於仿真模型開發工具的更改所造成的模型的重開發等等。而現有的通用仿真系統往往專注於其通用性，許多對於紅外成像系統不必要的功能結構增加了仿真成員開發的困難，造成了仿真過程的繁瑣；同時，由於通用仿真系統的針對性較差，因此也不能完全滿足紅外成像系統仿真的需求。
發明內容
本發明針對目前欠缺能夠兼容多類紅外成像系統的計算機仿真方法或者系統的現狀，提出了一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統及其仿真方法。
一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統，包括一個綜合管理總體仿真過程的仿真平臺，一個存儲仿真成員信息的仿真成員庫，一個存儲仿真過程配置信息的仿真信息表， 多個綜合了單個或多個仿真模型的仿真成員，以及多個仿真成員客戶端。所述的多個仿真成員運行在不同的控制計算機中或者運行在同一個控制計算機中，每個仿真成員對應有一個仿真成員客戶端，仿真成員與對應的仿真成員客戶端處於同一個控制計算機中。
所述的仿真平臺從仿真成員庫中獲取仿真成員的信息，生成仿真過程的仿真配置信息並存儲到仿真信息表中，在仿真系統的仿真過程啟動後，根據仿真信息表中的仿真配置信息將仿真控制信號發送給仿真成員客戶端，在每推進一個仿真成員仿真完成後更新一次仿真信息表；所述的仿真成員客戶端根據接收到的仿真控制信號推進仿真成員進行仿真；所述的仿真成員通過仿真平臺將自身的信息註冊到仿真成員庫中，通過仿真成員客戶端將仿真運行狀態和仿真數據返回給仿真平臺，仿真平臺對接收的仿真數據進行分析，對所仿真的紅外成像系統的性能進行評估。
所述的仿真平臺包括仿真成員管理器、仿真配置器、仿真控制器和仿真數據分析
ο 所述的仿真成員包括一個基於XML語言的描述文件、一個仿真成員基本組件和一個與描述文件相對應的窗口應用程式模塊。
所述的仿真客戶端通過調用仿真成員基本組件實現對仿真成員的控制。
所述的仿真客戶端與仿真控制器構成了客戶/伺服器通信體系架構，實現了仿真成員與仿真控制器之間的交互以及分布式的仿真體系。
一種針對紅外成像系統的仿真方法，具體包括下面六個步驟 步驟一、用戶根據仿真需要，構建仿真成員，所述的仿真成員綜合了單個或多個針對紅外成像系統的仿真模型。
步驟二、仿真平臺中的仿真成員管理器通過將仿真成員的描述文件保存在仿真成員庫中，來將仿真成員註冊在仿真成員庫中。
步驟三、用戶通過仿真平臺中的仿真配置器從仿真成員庫中獲取已註冊的仿真成員的描述文件，通過分析仿真成員的描述文件獲得仿真成員的基本信息及輸入輸出數據信息，然後採用圖形化描述方式定製仿真過程形成仿真配置信息，對形成的仿真配置信息，仿真配置器檢查每個仿真成員的輸入數據是否連接有另一個仿真成員的輸出數據、且數據類型相符，若是，則將該仿真配置信息存儲到仿真信息表中，若不是，則提示用戶錯誤，重新定製仿真過程。
步驟四、建立連接，開始進行仿真推進；首先仿真成員通過仿真客戶端與仿真平臺中的仿真控制器建立連接，仿真控制器通知仿真客戶端啟動仿真開始，然後仿真控制器根據仿真信息表提供的仿真配置信息，以仿真客戶端為媒介，從啟動成員開始進行仿真的推進，仿真客戶端將該仿真成員的仿真運行狀態和仿真數據通過仿真客戶端返回給仿真控制器和仿真平臺的仿真數據分析器，每完成一個仿真成員的全部仿真過程，仿真控制器對仿真信息表中的仿真變量進行更新。
步驟五、仿真數據分析器通過自身內置的紅外成像系統性能計算模型完成對獲得的仿真數據的分析和所仿真的紅外成像系統的性能評估。
步驟六、在對參加仿真的所有仿真成員都完成仿真後，仿真控制器通知仿真客戶端斷開連接，結束本次仿真操作。
本發明與現有的紅外成像系統仿真技術相比具有的優點和積極效果在於 (1)本發明的全數字仿真系統採用了基於組件模式的開放式體系結構，一方面能通過已開發的仿真成員完成紅外成像系統虛擬樣機的快速搭建，另一方面其靈活、開放的架構保證了仿真成員的後續開發與更改。
(2)本發明的全數字仿真系統及其仿真方法支持仿真過程的多樣性和擴展性，可通過靈活配置仿真成員之間的數據交互關係實現紅外成像系統的多方位仿真，包括單個分系統獨立仿真、多個分系統聯合仿真以及整個虛擬樣機的分布式協同仿真。
(3)本發明的全數字仿真系統及其仿真方法能夠支持多領域仿真模型的開發與嵌入，使得紅外成像系統的仿真過程能與實際設計過程相對應，同時也保證了多領域仿真模型的後續開發、重定義和重用。
(4)本發明的全數字仿真系統及其仿真方法基於.Net架構體系實現，支持面向對象設計和跨語言開發，支持多種語言的互操作，大大簡化了仿真系統的開發難度。
圖1為本發明的全數字仿真系統的整體結構示意圖； 圖2為本發明所述的仿真成員的結構示意圖； 圖3為本發明所述的仿真客戶端與仿真控制器的結構圖以及信息交互示意圖； 圖4為本發明所述的仿真信息表的示意圖； 圖5為本發明的全數字仿真方法的步驟流程圖； 圖6為本發明的全數字仿真方法中更新仿真變量表的流程示意圖。
圖中 1-仿真平臺；2-仿真成員庫；3-仿真信息表；4-仿真成員；5-仿真成員客戶端； 6_仿真成員基本組件；7-描述文件；8-窗口應用程式模塊；11-仿真成員管理器；12-仿真配置器；13-仿真控制器；14-仿真數據分析器；51-仿真窗體模塊；52-仿真控制模塊； 53-第二通信客戶端模塊；61-仿真窗體驅動組件；62-仿真中轉組件；63-仿真通信組件； 81-仿真界面子模塊；82-仿真邏輯子模塊；83-仿真數據子模塊；131-仿真控制窗體模塊； 132-仿真控制邏輯模塊；133-仿真成員管理模塊；134-第一通信客戶端模塊。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明提供的針對紅外成像系統的全數字仿真系統及其仿真方法進行詳細說明。
本發明針對紅外成像系統的全數字仿真系統，如圖1所示，包括一個綜合管理總體仿真過程的仿真平臺1、一個存儲仿真成員信息的仿真成員庫2、一個存儲仿真過程配置信息的仿真信息表3、多個仿真成員4和仿真成員客戶端5。整個全數字仿真系統採用了分布式仿真體系，多個仿真成員4分別運行在不同的控制計算機中也可以運行在同一個控制計算機中，不同的仿真成員4分別由各自的仿真成員客戶端5控制仿真的推進，仿真成員4 通過仿真成員客戶端5實現其與仿真平臺1的交互。仿真成員4與對應的仿真成員客戶端 5處於同一個控制計算機中。仿真成員4既可以是紅外成像系統中涉及的計算機仿真模型， 也可以是為計算機仿真模型提供模型輸入數據的數據源模塊，如模擬真實外場環境的紅外圖像仿真模塊等等；仿真成員4既可以是單模型結構，也可以是多個模型組成的模塊。
仿真成員4通過仿真平臺1將其自身的相關信息註冊到仿真成員庫2中；仿真系統準備仿真之前，仿真平臺1從仿真成員庫2中獲取仿真成員4的信息，生成仿真過程的仿真配置信息並存儲到仿真信息表3中；仿真系統的仿真過程啟動後，仿真平臺1根據仿真信息表3中的內容將仿真控制信號發送給仿真成員客戶端5，仿真成員客戶端5根據接收到的仿真控制信號推進仿真成員4進行仿真，仿真成員4的仿真運行狀態和仿真數據通過仿真成員客戶端5返回給仿真平臺1。所述的仿真運行狀態指仿真成員4是處於啟動、暫停或停止的狀態。所述的仿真數據是指仿真過程中仿真成員4需要與仿真平臺1或其他仿真成員 4交互的數據。
仿真平臺1由仿真成員管理器11、仿真配置器12、仿真控制器13和仿真數據分析器14組成，具體每個模塊的功能說明如下。
①仿真成員管理器11 仿真成員管理器11通過將仿真成員4的描述文件存儲在仿真成員庫2中來完成仿真成員4在仿真成員庫2中的註冊。
②仿真配置器12 仿真配置器12為用戶提供了仿真流程的配置環境，用戶通過該配置環境從仿真成員庫2中獲取已註冊的仿真成員4的描述文件，定義仿真配置信息並將仿真配置信息存儲到仿真信息表3中。仿真配置信息中描述了用戶定義的仿真過程，具體仿真過程包括參與仿真過程的仿真成員、參與仿真過程的仿真成員之間的連接關係以及各仿真成員4之間的數據交換關係，整個配置過程採用圖形化描述方式定製仿真成員4之間的數據交互關係。
③仿真控制器13 仿真控制器13根據仿真信息表3提供的仿真配置，以仿真客戶端5為媒介，控制相關的仿真成員4的仿真推進。
所述的仿真控制器13的結構如圖3所示，包括 仿真控制窗體模塊131 提供用戶操作界面，控制仿真控制器13的運行、設置以及狀態顯示。
仿真控制邏輯模塊132 負責運行仿真的主體邏輯，向各個仿真成員4發送控制命令並接收各個仿真成員4的反饋信息； 仿真成員管理模塊133 用於管理仿真信息表3 ； 第一通信客戶端模塊134 與仿真客戶端5的通信客戶端一起構建客戶/伺服器的通信架構。
④仿真數據分析器14 仿真數據分析器14通過內置的紅外成像系統性能計算模型完成對仿真數據的分析和所仿真的紅外成像系統的性能評估。所述的紅外成像系統性能計算模型有多種，如作用距離計算模型、跟蹤精度計算模型和穩定精度計算模型等等。
如圖2所示，本發明所述的仿真成員4包括一個基於XML語言的描述文件7、一個與描述文件相對應的.Net窗口應用程式模塊8和一個仿真成員基本組件6。
所述的描述文件7是仿真成員4在註冊和仿真配置過程中的唯一識別標誌，採用標準格式的三類關鍵字描述仿真成員4 ①仿真成員基本信息包括仿真成員4的名稱及窗口應用程式模塊8的路徑；仿真成員4的名稱具有唯一性，其對應的窗口應用程式模塊8的路徑涵蓋兩重信息——所在計算機的網絡地址信息和應用程式的絕對路徑信息； ②仿真成員輸入數據信息輸入數據信息包括數據名稱、數據類型、數據初始值和數據描述； ③仿真成員輸出數據信息輸出數據信息包括數據名稱、數據類型和數據描述。
所述的窗口應用程式模塊8是仿真成員的主體部分，採用.Net平臺開發。該窗口應用程式模塊8通過充分利用.Net平臺與其它多領域仿真工具如光學設計工具CODE V、大氣效應計算工具M0DTRAN、仿真工具SIMULINK等的兼容性實現多領域仿真模型的嵌入，因此用戶可根據紅外成像系統的實際設計過程開發多領域仿真模型，並將仿真模型封裝成窗口應用程式模塊8的結構以完成仿真成員4的核心開發過程。窗口應用程式模塊8具有下面三個子模塊 ①仿真界面子模塊81 提供與用戶操作相關的界面、顯示仿真結果； ②仿真邏輯子模塊82:該模塊用於控制仿真成員的仿真過程，實現仿真成員的仿真過程的預備、仿真過程的推進和仿真過程的停止。通過包括裝載仿真模型以及初始化一些狀態參數來實現仿真過程的預備。採用固定幀周期調度模式實現仿真過程的推進，也就是使用定時器每隔一段時間觸發一次仿真推進事件，該事件的響應對應仿真模型的具體仿真過程，如成像效應模型對紅外圖像的處理過程、目標檢測算法模型對紅外圖像中目標的檢出過程、控制系統模型對紅外成像系統機械結構的控制過程等等。仿真過程的停止是通過卸載仿真模型以及釋放一些相關資源來實現的。
③仿真數據子模塊83 提供仿真邏輯子模塊82所需的數據源和仿真模型，提供仿真界面子模塊81所需的仿真結果、根據用戶需求保存仿真邏輯子模塊82在仿真過程中涉及的仿真參數、中間變量及仿真結果。所述的數據源是指為該仿真成員4提供輸入數據的仿真成員4或者用戶指定的文件，比如熱成像分系統仿真成員，當開發窗口應用程式模塊8 時，所處理的圖象來源於用戶指定的圖象文件，當封裝成仿真成員時，所處理的圖象來源於其它仿真成員4。
所述的仿真成員基本組件6為分布式仿真模式中操作仿真成員4的代理機構。通過該代理機構能大大降低仿真成員4之間的耦合度，簡化仿真成員4之間的互操作關係。例如仿真成員4_2需要仿真成員4_1的輸出數據A和B，則仿真成員4_2通過自身仿真成員基本組件6中的方法獲取數據A和B的值，仿真成員4_1通過自身仿真成員基本組件6中的方法給數據A和B賦值。仿真過程中，仿真成員4_1對應的仿真客戶端5通過調用仿真成員4_1的仿真成員基本組件6間接獲得數據A和B的值，並返回給仿真平臺1 ；仿真平臺 1將數據A和B的值發送給仿真成員4_2對應的仿真客戶端5，該仿真成員4_2對應的仿真客戶端5通過調用仿真成員4_2的仿真成員基本組件6間接將數據A和B的值賦給仿真成員4_2。仿真成員4中的仿真成員基本組件6是一個在.Net架構下由C++/CLI編寫開發的動態連結庫，是仿真過程中仿真成員之間交互以及仿真成員與仿真平臺之間交互的中介者。由於仿真成員基本組件6採用託管環境下的C++編寫，因此對於託管對象和非託管對象都具有兼容性。通過.Net平臺開發的窗口應用程式模塊8都可通過集成仿真成員基本組件6進行封裝後成為仿真成員4的一部分。仿真客戶端5對仿真成員4的訪問和控制都通過仿真成員基本組件6完成。所述的仿真成員基本組件6包括仿真窗體驅動組件61、仿真通信組件62和仿真中轉組件63。
①仿真窗體驅動組件61 用於實現仿真成員窗體的裝載。該組件中定義了仿真窗體驅動基類，窗口應用程式模塊8的仿真界面子模塊81是通過繼承仿真窗體驅動基類實現的，仿真客戶端5通過加載仿真窗體驅動基類間接加載了窗口應用程式模塊8的仿真界面子模塊81 ； ②仿真通信組件62 負責仿真數據的交互。該組件中定義了仿真通信基類，仿真通信基類提供了一個哈希表類型的變量，存儲所有允許外部訪問的仿真變量，同時提供三個方法——設定變量、獲得指定變量的值和設置指定變量的值，以實現對該哈希表的讀寫； 窗口應用程式模塊8的仿真數據子模塊83通過調用上述三個方法實現與外部數據的交互。
為了保證仿真過程的順利進行，仿真成員4中通過仿真通信組件62設定的輸入輸出變量必須與該仿真成員4的描述文件7中的輸入輸出數據的信息相對應。
根據紅外成像系統的仿真特點，仿真成員之間的數據交互包含浮點型和位圖型兩種類型，浮點型數據如紅外成像系統的搜索跟蹤分系統的水平姿態角、垂直姿態角等，位圖型數據如紅外成像系統的紅外熱成像分系統合成的紅外圖像等。在本發明基於.Net平臺的分布式仿真系統中，浮點型數據為單個數據元素，傳遞方便，而位圖數據網絡數據的傳遞必須通過網絡流對象實現，其支持的數據格式為二進位型的數組，因此窗口應用程式模塊8在利用仿真通信組件62獲得指定位圖型數據變量或設置位圖型數據變量之前必須通過.Net類庫提供的方法對位圖型數據分別進行二進位串行化和反串行化。
③仿真中轉組件63 負責所在仿真成員的仿真邏輯。該組件中定義了仿真中轉基類，仿真客戶端5通過調用仿真中轉基類實現對窗口應用程式模塊8中仿真過程的控制。仿真中轉基類包括三個接口函數仿真預備、仿真推進和仿真停止。窗口應用程式模塊8將仿真邏輯子模塊82中仿真過程的預備、仿真過程的推進和仿真過程的停止這三個部分稍作修改，來實現與仿真中轉基類的接口。
仿真預備函數集成仿真邏輯子模塊82中仿真過程的預備部分的功能-裝載仿真模型以及初始化狀態參數。窗口應用程式模塊8對仿真邏輯子模塊82中仿真過程的預備修改的內容為通過仿真通信組件62設定允許外部訪問的變量，包括外部輸入變量和輸出給外部的變量。
仿真推進函數集成仿真邏輯子模塊82中仿真過程的定時器事件響應部分的功能_採用固定幀周期調度模式推進仿真過程。窗口應用程式模塊8對仿真邏輯子模塊82 中仿真過程的推進修改的內容為在事件響應開始時通過仿真通信組件62獲得已指定的外部輸入變量的值，並賦給仿真數據子模塊83 ；定時器響應事件結束後即仿真推進一步結束後，再通過仿真通信組件62設置已指定的輸出給外部的變量的值； 仿真停止函數集成仿真邏輯子模塊82中仿真過程的停止部分的功能-卸載仿真模型以及釋放相關資源。
本發明所述的仿真客戶端5的結構包括 ①仿真窗體模塊51 提供容器和方法將仿真成員4的界面裝載至仿真客戶端5的公共窗口中，同時顯示仿真過程中的交互信息；所述的交互信息，例如有與仿真平臺是否連接的信息，仿真成員當前運行狀態的信息(啟動暫停或停止)，仿真成員當前的仿真步數等等； ②仿真控制模塊52 通過調用仿真成員基本組件6實現對仿真成員4的仿真控制以及數據交互； ③第二通信客戶端模塊53 採用Socket技術實現與仿真平臺1的連接和各類數據信息的交互。
如圖3所示，本發明中的仿真客戶端5和仿真控制器13 —起構成了客戶/伺服器通信體系構架，實現了仿真成員4與仿真平臺1之間的交互。仿真成員4通過仿真客戶端 5的第二通信客戶端模塊53向仿真控制器13的第一通信客戶端模塊134發送連接或斷開請求，第一通信客戶端模塊134收到該請求後與第二通信伺服器模塊53建立或斷開連接； 仿真控制器13的仿真控制邏輯模塊132向仿真控制模塊52發送仿真控制命令，通過仿真客戶端5控制仿真成員4的仿真運行，仿真成員4的仿真運行狀態和仿真數據由仿真控制模塊52返回給仿真控制邏輯模塊132。
本發明所述的仿真配置器12是實現紅外成像系統多方位仿真的關鍵模塊。通過仿真配置器12可以靈活定製仿真過程，該過程保存在仿真信息表3中。仿真過程的自定義內容包括 (1)參與仿真過程的仿真成員4 用戶可以選擇參與仿真過程的仿真成員4，仿真成員可以為仿真成員庫2中的任意一個或任意多個，如選擇模擬真實外場環境的仿真成員、模擬成像效應的仿真成員、模擬目標檢出過程的仿真成員和模擬機械部分控制過程的仿真成員便可構成一個簡單的紅外成像系統虛擬樣機；若選擇以上仿真成員中的任意一個或幾個便可進行紅外成像系統單個分系統或多個分系統的仿真過程。
(2)參與仿真過程的仿真成員之間的連接關係用戶可以根據紅外成像系統某次仿真的具體需求定義仿真成員間的運行邏輯關係，如為了同時考察熱成像分系統和信號處理分系統的獨立工作能力，可以將模擬真實環境的仿真成員與模擬成像效應的仿真成員、 模擬目標檢出過程的仿真成員分別連接；如為了考察熱成像分系統和信號處理分系統的聯合工作能力，則將模擬真實環境的仿真成員與模擬成像效應的仿真成員相連，然後再將模擬成像效應的仿真成員和模擬目標檢出過程的仿真成員相連。
(3)參與仿真過程的仿真成員之間的數據交互關係用戶可以根據需求定義仿真成員間的數據交互關係，條件是輸入輸出數據類型必須對應，且仿真成員的輸入數據必須有與之相連的輸出數據來源，如根據性能考察目的的不同，目標檢出過程的信號處理系統所處理的紅外圖像既可以來自模擬真實環境的仿真成員，也可以來自模擬成像效應的仿真成員。
如圖4所示，本發明所述的仿真信息表3包括兩份信息表仿真成員表M和仿真變量表V。
所述的仿真成員表M描述了參與仿真的仿真成員4。該表將參與仿真的仿真成員 4劃分為兩類角色——啟動成員和常規成員。為了同時滿足開環仿真和閉環仿真的需求，每個參與仿真的仿真成員4的信息中記錄了該仿真成員是否為具有反饋信號模塊的信息。除此之外，每個參與仿真的仿真成員4的信息還包括唯一名稱標識、輸入變量名稱、輸出變量名稱，同時還包括該仿真成員是否具有反饋信號的模塊。
所述的仿真變量表V描述了在仿真中參與數據交互的所有數據變量。該表中的每個數據變量都包含唯一名稱標識、數據來源對應的仿真成員、數據輸出對應的仿真成員，同時還包括該仿真變量是否為反饋信號的描述。
如圖5所示，本發明採用基於發布與訂購(P/S)的通信模式控制實時仿真過程。實時仿真過程從啟動成員開始推進，例如啟動成員為仿真成員4_1，則從仿真成員4_1開始推進，推進一個仿真成員4更新一次仿真變量表V中相應變量的值，當某個仿真成員4所需的數據源都完成一次更新後，仿真控制器13操作該仿真成員4開始推進。對於具有反饋信號模塊的仿真成員，在第一次推進時其所需的反饋信號採用預置的初始值。
本發明一種針對紅外成像系統的全數字仿真方法，如圖5所示，具體包括以下步驟 步驟一、用戶根據仿真需要，構建仿真成員4。仿真成員4既可以是紅外成像系統中涉及的計算機仿真模型，也可以是為計算機仿真模型提供模型輸入數據的數據源模塊， 如模擬真實外場環境的紅外圖像仿真模塊等等；仿真成員4既可以是單模型結構，也可以是多個模型組成的模塊。用戶需要對整個紅外成像系統進行仿真，或是對紅外成像系統的某個分系統進行仿真， 或是對紅外成像系統的某個部件進行仿真，則開發相應的仿真模型。 如搭建一個簡單的紅外成像系統虛擬樣機需要開發模擬真實外場環境的仿真模型、模擬熱成像分系統的仿真模型、模擬信號處理分系統的仿真模型以及模擬控制分系統的仿真模型。這四部分的仿真模型可以由一個部件仿真模型描述，如模擬控制分系統的仿真模型由某種控制方法實現，也可以由多個部件仿真模型構成，如模擬熱成像分系統的仿真模型由多個成像效應模型共同聯合實現。仿真模型按照窗口應用程式模塊8的規範開發，進而構建出符合需要的仿真成員4。
步驟二、註冊仿真成員4。仿真平臺1中的仿真成員管理器11將仿真成員4註冊在仿真成員庫2中。具體就是仿真成員管理器11將仿真成員4的描述文件提供備份到仿真成員庫2中。
步驟三、用戶配置仿真流程。用戶通過仿真配置器12從仿真成員庫2中獲取已註冊的仿真成員4的描述文件，通過分析仿真成員的描述文件獲得仿真成員的基本信息及輸入輸出數據信息，然後採用圖形化描述方式定製由仿真成員4組成的仿真過程形成仿真配置信息。對於形成的仿真配置信息，仿真配置器12會檢查該仿真配置信息的可行性，檢查條件為每個仿真成員4的輸入數據必須連接另一個仿真成員4的輸出數據、且數據類型相符。符合這個檢測條件的，則該仿真配置信息可行，將其存儲到仿真信息表3中。不符合這個檢測條件的，提示用戶配置存在錯誤，需要重新定製仿真過程。
所述的定製仿真過程具體包括確定參與仿真過程的仿真成員4、參與仿真過程的仿真成員4之間的連接關係以及各仿真成員4之間的數據交換關係。
所述的仿真信息表3中包括兩份信息表仿真成員表和仿真變量表。仿真成員表描述了參與仿真的仿真成員，將參與仿真的仿真成員劃分為啟動成員和常規成員，每個參與仿真的仿真成員的信息包括唯一名稱、唯一輸入變量名稱、唯一輸出變量名稱以及該仿真成員是否為具有反饋信號模塊的信息。仿真變量表描述了在仿真中參與數據交互的所有仿真變量，每個仿真變量的信息包括唯一的名稱、唯一的數據來源對應的仿真成員、數據輸出對應的仿真成員以及該仿真變量是否為反饋信號的描述。
步驟四、建立連接，開始進行仿真推進。首先仿真成員4通過仿真客戶端5與仿真控制器13連接，仿真控制器13通知仿真客戶端5啟動仿真，然後仿真控制器13根據仿真信息表3提供的仿真配置信息，以仿真客戶端5為媒介，從啟動成員開始進行仿真的推進。 每完成一個仿真成員4的全部仿真過程，就將該仿真成員4的仿真數據通過仿真客戶端5 返回給仿真控制器13和仿真數據分析器14。如圖6所示，從啟動成員開始仿真，在啟動成員完成仿真後，仿真控制器13根據得到的仿真數據更新仿真變量表中相應變量的值，當某個常規成員所需的輸入變量也就是所需要的數據源都完成一次更新後，仿真控制器13通知該仿真成員4進行仿真，並在該仿真成員4完成仿真後，更新仿真變量表。
步驟五、分析仿真數據，對所仿真的紅外成像系統的性能進行評估。仿真數據分析器14通過自身內置的紅外成像系統性能計算模型完成對獲得的仿真數據的分析和所仿真的紅外成像系統的性能評估。所述的紅外成像系統性能計算模型有多種，如作用距離計算模型、跟蹤精度計算模型和穩定精度計算模型等等。
步驟六、斷開連接，仿真結束。在對參加仿真的所有仿真成員4都完成仿真後，仿真控制器13通知仿真客戶端5斷開連接，結束本次仿真操作。
權利要求
1.一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統，其特徵在於，包括一個綜合管理總體仿真過程的仿真平臺，一個存儲仿真成員信息的仿真成員庫，一個存儲仿真過程配置信息的仿真信息表，多個綜合了單個或多個仿真模型的仿真成員，和多個仿真成員客戶端；所述的多個仿真成員運行在不同的控制計算機中或者運行在同一個控制計算機中，每個仿真成員對應有一個仿真成員客戶端，仿真成員與對應的仿真成員客戶端處於同一個控制計算機中；所述的仿真平臺從仿真成員庫中獲取仿真成員的信息，生成仿真過程的仿真配置信息並存儲到仿真信息表中，在仿真系統的仿真過程啟動後，根據仿真信息表中的仿真配置信息將仿真控制信號發送給仿真成員客戶端，在每推進一個仿真成員仿真完成後更新一次仿真信息表；所述的仿真成員客戶端根據接收到的仿真控制信號推進仿真成員進行仿真；所述的仿真成員通過仿真平臺將自身的信息註冊到仿真成員庫中，通過仿真成員客戶端將仿真運行狀態和仿真數據返回給仿真平臺，仿真平臺對接收的仿真數據進行分析，對所仿真的紅外成像系統的性能進行評估。
2.根據權利要求1所述的一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統，其特徵在於，所述的仿真信息表包括兩份信息表仿真成員表和仿真變量表；所述的仿真成員表描述了參與仿真的仿真成員，將參與仿真的仿真成員劃分為啟動成員和常規成員，每個參與仿真的仿真成員的信息包括唯一的名稱、唯一的輸入變量名稱、 唯一的輸出變量名稱以及該仿真成員是否具有反饋信號的模塊；所述的仿真變量表描述了在仿真中參與數據交互的所有仿真變量，每個仿真變量的信息包括唯一的名稱、唯一的數據來源對應的仿真成員、數據輸出對應的仿真成員以及該仿真變量是否為反饋信號的描述。
3.根據權利要求1所述的一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統，其特徵在於，所述的仿真平臺包括仿真成員管理器、仿真配置器、仿真控制器和仿真數據分析器；所述的仿真成員管理器通過將仿真成員的描述文件存儲在仿真成員庫中來完成仿真成員在仿真成員庫中的註冊；所述的仿真配置器為用戶提供了仿真流程的配置環境，用戶通過該配置環境從仿真成員庫中獲取已註冊的仿真成員的描述文件，定義仿真配置信息並存儲到仿真信息表中，所述的仿真配置信息包括參與仿真過程的仿真成員、參與仿真過程的仿真成員之間的連接關係以及各仿真成員之間的數據交換關係；所述的仿真控制器根據仿真信息表提供的仿真配置信息，以仿真客戶端為媒介，控制仿真成員的仿真推進，仿真控制器採用發布與訂購的通信模式控制實時仿真過程，實時仿真過程從啟動成員開始推進，每推進一個仿真成員完成仿真，仿真控制器更新一次仿真變量表中相應的仿真變量，當某個仿真成員所需的數據源都完成一次更新後，仿真控制器通知仿真成員客戶端開始推進該仿真成員仿真，在第一次推進具有反饋信號模塊的仿真成員仿真時，該仿真成員所需要的反饋信號採用預置的初始值；所述的仿真數據分析器用於分析仿真數據和對所仿真的紅外成像系統的性能進行評估。
4.根據權利要求3所述的一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統，其特徵在於，所述的仿真控制器包括仿真控制窗體模塊、仿真控制邏輯模塊、仿真成員管理模塊和第一通信客戶端模塊；所述的仿真控制窗體模塊提供用戶操作界面；仿真控制邏輯模塊運行仿真的主體邏輯，向各仿真成員發送控制命令並接收各仿真成員的反饋信息；所述的仿真成員管理模塊用於管理仿真信息表；所述的第一通信客戶端模塊用於與仿真客戶端進行通信。
5.根據權利要求1或4所述的一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統，其特徵在於， 所述的仿真客戶端包括仿真窗體模塊、仿真控制模塊和第二通信客戶端模塊；所述的仿真窗體模塊提供容器和方法將仿真成員的界面裝載至仿真客戶端的公共窗口中，同時顯示仿真過程中的交互信息；所述的仿真控制模塊接收仿真控制邏輯模塊發送的仿真控制信號， 調用仿真成員的仿真成員基本組件實現對仿真成員的仿真控制，並將仿真成員的仿真運行狀態和仿真數據返回給仿真控制邏輯模塊；所述的第二通信客戶端模塊採用Socket技術實現，第二通信客戶端模塊向第一通信客戶端模塊發送連接或斷開請求，第二通信客戶端模塊收到該請求後與第一通信客戶端模塊建立或者斷開連接。
6.根據權利要求1所述的一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統，其特徵在於，所述的仿真成員包括一個基於XML語言的描述文件、一個仿真成員基本組件和一個與描述文件相對應的窗口應用程式模塊；所述的描述文件是仿真成員在註冊和仿真配置過程中的唯一識別標誌，採用三類關鍵字描述仿真成員基本信息、仿真成員輸入數據信息和仿真成員輸出數據信息；所述的仿真成員基本組件為在.Net環境中開發的動態連結庫，是仿真成員之間數據交互以及仿真成員與仿真平臺之間數據交互的中介者；所述的窗口應用程式模塊以.Net架構為基礎開發，控制仿真成員的仿真過程，並提供與用戶操作相關的界面，顯示仿真結果。
7.根據權利要求6所述的一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統，其特徵在於，所述的窗口應用程式模塊，包括仿真界面子模塊、仿真邏輯子模塊和仿真數據子模塊；所述的仿真界面子模塊通過繼承仿真成員基本組件中的仿真窗體驅動基類實現，提供與用戶操作相關的界面、接收仿真客戶端發送來的調用指令並顯示仿真結果；所述的仿真邏輯子模塊用於控制仿真成員的仿真過程，通過裝載仿真模型以及初始化狀態參數來實現仿真過程的預備，通過採用固定幀周期調度模式實現仿真過程的推進，通過卸載仿真模型以及釋放相關資源實現仿真過程的停止；所述的仿真數據子模塊提供仿真邏輯子模塊所需的數據源和仿真模型，提供仿真界面子模塊所需的仿真結果，並根據用戶需求保存仿真邏輯子模塊在仿真過程中涉及的仿真參數、中間變量及仿真結果。
8.根據權利要求6所述的一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統，其特徵在於，所述的仿真成員基本組件包括仿真窗體驅動組件、仿真通信組件和仿真中轉組件；所述的仿真窗體驅動組件實現仿真成員窗體的裝載，其內定義了仿真窗體驅動基類；所述的仿真通信組件負責仿真數據的交互，其內定義了仿真通信基類，所述的仿真通信基類提供了一個哈希表類型的變量，存儲所有允許外部訪問的仿真變量，同時提供三個方法——設定變量、獲得指定變量的值和設置指定變量的值，在利用仿真通信組件獲得指定位圖型數據變量或設置位圖型數據變量之前必須通過.Net類庫提供的方法對位圖型數據分別進行二進位串行化和反串行化；所述的仿真中轉組件負責所在仿真成員的仿真邏輯，其內定義了仿真中轉基類，所述的仿真中轉基類包括三個接口函數仿真預備、仿真推進和仿真停止，仿真客戶端通過調用仿真中轉基類實現對窗口應用程式模塊中仿真過程的控制。
9.應用根據權利要求1所述的全數字仿真系統的一種針對紅外成像系統的全數字仿真方法，其特徵在於，具體包括以下步驟步驟一、用戶根據仿真需要，構建仿真成員，所述的仿真成員綜合了單個或多個針對紅外成像系統的仿真模型；步驟二、仿真平臺中的仿真成員管理器通過將仿真成員的描述文件保存在仿真成員庫中，來將仿真成員註冊在仿真成員庫中；步驟三、用戶通過仿真平臺中的仿真配置器從仿真成員庫中獲取已註冊的仿真成員的描述文件，通過分析仿真成員的描述文件獲得仿真成員的基本信息及輸入輸出數據信息， 然後採用圖形化描述方式定製仿真過程形成仿真配置信息，對形成的仿真配置信息，仿真配置器檢查每個仿真成員的輸入數據是否連接有另一個仿真成員的輸出數據、且數據類型相符，若是，則將該仿真配置信息存儲到仿真信息表中，若不是，則提示用戶錯誤，重新定製仿真過程；步驟四、建立連接，開始進行仿真推進；首先仿真成員通過仿真客戶端與仿真平臺中的仿真控制器建立連接，仿真控制器通知仿真客戶端啟動仿真開始，然後仿真控制器根據仿真信息表提供的仿真配置信息，以仿真客戶端為媒介，從啟動仿真成員開始進行仿真的推進，仿真客戶端將該仿真成員的仿真運行狀態和仿真數據通過仿真客戶端返回給仿真控制器和仿真平臺的仿真數據分析器，每完成一個仿真成員的全部仿真過程，仿真控制器對仿真信息表中的仿真變量進行更新；步驟五、仿真數據分析器通過自身內置的紅外成像系統性能計算模型完成對獲得的仿真數據的分析和所仿真的紅外成像系統的性能評估；步驟六、在對參加仿真的所有仿真成員都完成仿真後，仿真控制器通知仿真客戶端斷開連接，結束本次仿真操作。
10.根據權利要求9所述的一種針對紅外成像系統的全數字仿真方法，其特徵在於，步驟三中所述的定製仿真過程具體是確定參與仿真過程的仿真成員、參與仿真過程的仿真成員之間的連接關係以及各仿真成員之間的數據交換關係。
全文摘要
本發明公開了一種針對紅外成像系統的全數字仿真系統及其仿真方法，仿真系統由仿真平臺、仿真成員庫、仿真信息表、多個仿真成員和仿真客戶端構成，仿真平臺綜合管理總體仿真過程，仿真成員庫存儲仿真成員信息，仿真信息表存儲仿真配置信息，仿真成員綜合了單個或多個仿真模型，通過仿真成員客戶端與仿真平臺進行交互。仿真方法具體是構建並註冊仿真成員，然後配置仿真過程，再由仿真平臺根據仿真過程對仿真成員進行仿真推進，並在仿真完成後對所仿真的系統進行性能評估。本發明能通過已開發的仿真成員完成紅外成像系統虛擬樣機的快速搭建，可實現單個分系統獨立仿真、多個分系統聯合仿真以及整個虛擬樣機的分布式協同仿真。
文檔編號G06F17/50GK102184288SQ20111011586
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月5日 優先權日2011年5月5日
發明者於勁松, 唐荻音, 陳雄姿, 劉浩, 郭奇, 吳思舉, 顧繼群, 姜楊, 劉逸 申請人:北京航空航天大學