基于多源紅外模擬器的導(dǎo)彈抗干擾仿真與評估技術(shù)

李 凡，張 勵，李艷紅，李 奇，陸志灃，岳 峰

（1.上海機(jī)電工程研究所，上海201109；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海201109）

0 引言

紅外導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)，而抗干擾性能是紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，如何對紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的抗干擾性能進(jìn)行評定，是目前紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈面臨的最嚴(yán)峻的問題?？垢蓴_仿真技術(shù)為解決該問題提供了一種有效的技術(shù)手段。建立紅外制導(dǎo)抗干擾半實(shí)物仿真系統(tǒng)，可以有效地對紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的抗干擾性能作出評定。美、英、法等國在紅外抗干擾仿真方面已進(jìn)行了多項(xiàng)研究，如美國艾格林空軍基地懷特實(shí)驗(yàn)室的動態(tài)紅外導(dǎo)彈評估設(shè)施（DIME）［1］中的紅外景象投影儀（IRSP）和點(diǎn)源模擬器，用于仿真動態(tài)目標(biāo)，而用黑體和二極管激光器仿真干擾。美國空軍電子戰(zhàn)評估仿真中心（AFEWES）［2］的紅外光電對抗測試設(shè)施目前已具備紅外光電對抗測試環(huán)境仿真的能力，可模擬紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈和某些航空器的飛行，及光電對抗中的機(jī)動飛行，各種點(diǎn)源曳光彈，以及燈光和激光干擾系統(tǒng)。

本文對基于多源紅外模擬器的抗干擾仿真系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，對基于多源紅外模擬器的抗干擾仿真系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和分析。

1 基于多源紅外模擬器的抗干擾仿真系統(tǒng)組成

為驗(yàn)證紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的抗干擾性能，基于多源紅外模擬器的抗干擾仿真系統(tǒng)應(yīng)能滿足以下功能：

1）實(shí)現(xiàn)高幀頻、大動態(tài)范圍的紅外復(fù)雜場景圖像實(shí)時(shí)生成、紅外圖像轉(zhuǎn)換和目標(biāo)高速視線運(yùn)動，考核紅外制導(dǎo)系統(tǒng)在復(fù)雜背景下的跟蹤及抗干擾能力；

2）考核紅外制導(dǎo)系統(tǒng)對紅外誘餌彈的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈和干擾高壓制比的模擬；

3）實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)系統(tǒng)全過程和彈目相對運(yùn)動的實(shí)時(shí)仿真；

4）實(shí)現(xiàn)對紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的抗干擾性能評估；

5）實(shí)現(xiàn)仿真試驗(yàn)過程的自動化控制；

6）實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)系統(tǒng)全過程仿真數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)分析和評估。

圖1 紅外成像制導(dǎo)抗干擾半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成

紅外制導(dǎo)抗干擾半實(shí)物仿真系統(tǒng)由多源紅外模擬系統(tǒng)、抗干擾仿真性能評估系統(tǒng)、仿真計(jì)算機(jī)及控制系統(tǒng)、五軸飛行轉(zhuǎn)臺和數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)組成。如圖1所示，多源紅外模擬系統(tǒng)由多個點(diǎn)源目標(biāo)／干擾模擬系統(tǒng)和成像模擬系統(tǒng)組成，由點(diǎn)源目標(biāo)／干擾模擬系統(tǒng)模擬干擾投放過程，由成像模擬系統(tǒng)通過數(shù)字接口實(shí)時(shí)接收彈目相對運(yùn)動數(shù)據(jù)，根據(jù)目標(biāo)特性和圖像傳輸模型，實(shí)時(shí)生成具有足夠分辨率和對比度的動態(tài)目標(biāo)場景圖像，并利用紅外成像轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)地將計(jì)算機(jī)生成的目標(biāo)場景視頻信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)波段的紅外圖像投影至探測器視場；仿真計(jì)算機(jī)及控制系統(tǒng)采用基于高速實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分布式實(shí)時(shí)仿真體系結(jié)構(gòu)，它通過VMIC網(wǎng)絡(luò)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送仿真過程控制命令，仿真計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)解算彈體動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)方程，輸出各種彈體及目標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)控制參試部件和模擬器工作；五軸飛行轉(zhuǎn)臺，模擬導(dǎo)彈飛行過程中的姿態(tài)變化，包括偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)。抗干擾仿真性能評估系統(tǒng)對制導(dǎo)系統(tǒng)的抗干擾性能進(jìn)行離線和在線評估。

2 抗干擾仿真技術(shù)

基于多源紅外模擬器的抗干擾仿真系統(tǒng)的研制涉及多項(xiàng)技術(shù)，在研制過程中必須解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)，本文對這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

2.1 復(fù)雜場景建模與實(shí)現(xiàn)技術(shù)

復(fù)雜場景建模［3］是在時(shí)間、空間、光譜以及輻射量等方面，對典型目標(biāo)、典型干擾和背景紅外輻射分布的一種模擬，并根據(jù)導(dǎo)彈制導(dǎo)控制模型進(jìn)行制導(dǎo)控制過程的仿真。利用計(jì)算機(jī)模擬復(fù)雜紅外場景，建立一系列反映復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的典型目標(biāo)、典型干擾、天空背景和海面背景的數(shù)據(jù)庫和模型，在通用紅外環(huán)境模型中進(jìn)行集成，為紅外仿真提供高逼真度的復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境模擬。

紅外目標(biāo)／干擾／背景紅外輻射特性建模主要流程如圖2所示，包括：1）對于紅外目標(biāo)的建模，根據(jù)目標(biāo)的材料、結(jié)構(gòu)、熱特性、工作狀態(tài)，以及大氣、目標(biāo)周圍環(huán)境及過去的熱狀態(tài)等因素來計(jì)算它的溫度分布和紅外輻射特性分布；對于背景的建模，海面背景需要分別針對不同海情、包含海天線的海面背景、包含海面亮帶的進(jìn)行紅外輻射特性計(jì)算；天空背景需要根據(jù)大氣中的光輻射傳輸特性計(jì)算以及針對不同的云的類型進(jìn)行散射特性計(jì)算。2）根據(jù)計(jì)算出的原始數(shù)據(jù)建立紅外輻射特性數(shù)據(jù)庫。3）按照通用接口規(guī)范建立目標(biāo)／干擾／背景的紅外輻射特性模型。

復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境多波段綜合建模是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及數(shù)學(xué)、物理、環(huán)境、材料及計(jì)算機(jī)等眾多學(xué)科和領(lǐng)域，除了光學(xué)系統(tǒng)的工作原理以外，還必須對自然環(huán)境、光學(xué)傳播效應(yīng)、大氣輻射傳輸效應(yīng)、目標(biāo)反射特性和目標(biāo)紅外、紫外（可見光）輻射特性等進(jìn)行建模。因此有必要構(gòu)建一個具有標(biāo)準(zhǔn)模型接口的多波段光學(xué)建模平臺，使來自不同波段的模型能夠單獨(dú)建模，而無須擔(dān)心模型的集成，同時(shí)該平臺不僅能夠?qū)崿F(xiàn)武器系統(tǒng)研制、測試與評估過程的標(biāo)準(zhǔn)化和無縫連接，而且能夠與更高層次的仿真體系結(jié)構(gòu)互連，以促進(jìn)模型的可重用性、互操作性及支持多分辨率系統(tǒng)仿真。

圖2 目標(biāo)／干擾／背景建模基本流程

2.2 多源紅外模擬器波束合成技術(shù)

多源紅外模擬器可實(shí)現(xiàn)對多個波段點(diǎn)源目標(biāo)／干擾和成像目標(biāo)的模擬。多源紅外模擬器工作在不同波段和不同模式，因此其每一路的光路會有所差異，實(shí)現(xiàn)基于多源紅外模擬器抗干擾仿真的關(guān)鍵在于如何在同一孔徑上實(shí)現(xiàn)多源波束的共軸合成。

本文采用一種基于多波段光纖面板復(fù)合的波束合成技術(shù)，通過光學(xué)系統(tǒng)、光纖面板復(fù)合系統(tǒng)和主投影光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同波段的點(diǎn)源和成像目標(biāo)波束的合成和準(zhǔn)直。光學(xué)系統(tǒng)是各模擬器通道的光學(xué)系統(tǒng)，分別對不同波段的光束進(jìn)行傳輸。光纖面板復(fù)合系統(tǒng)是整個波束合成的核心，能夠?qū)⒉煌较?、不同波段的光束匯聚到成像面上，合成一個方向輸出。主投影光學(xué)系統(tǒng)將合成的光束進(jìn)行共軸共孔徑準(zhǔn)直輸出。多源紅外模擬器波束合成原理如圖3所示。

圖3 多源紅外模擬器共孔徑波束合成原理圖

多波段點(diǎn)源目標(biāo)／干擾通道的光學(xué)系統(tǒng)將多波段點(diǎn)源波束投影到光纖面板的中間像面上。紅外成像目標(biāo)則是通過場景投影系統(tǒng)和紅外成像轉(zhuǎn)換器［4-5］將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成紅外圖像投影至光纖面板的中間像面上。經(jīng)由光纖面板將各通道的波束進(jìn)行復(fù)合并由主投影光學(xué)系統(tǒng)將波束投影至探測器視場內(nèi)進(jìn)行仿真。

2.3 多源紅外模擬器抗干擾仿真實(shí)時(shí)控制技術(shù)

多源紅外模擬器的控制系統(tǒng)包括點(diǎn)源控制系統(tǒng)和成像控制系統(tǒng)。本文主要針對點(diǎn)源控制系統(tǒng)中抗干擾仿真實(shí)時(shí)控制技術(shù)進(jìn)行研究。點(diǎn)源抗干擾仿真實(shí)時(shí)控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)干擾的能量和干擾運(yùn)動狀態(tài)的變化。多源紅外模擬器抗干擾仿真點(diǎn)源控制系統(tǒng)采用基于RTX 的反射內(nèi)存（VMIC）的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對干擾的實(shí)時(shí)控制。該系統(tǒng)由控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件和相應(yīng)軟件組成?？刂茩C(jī)構(gòu)由電源控制器、電機(jī)驅(qū)動器、電機(jī)運(yùn)動控制卡、驅(qū)動控制網(wǎng)絡(luò)、反射內(nèi)存卡、I／O 卡、編碼器和控制計(jì)算機(jī)組成?？刂葡到y(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由輻射特性控制的光闌控制電機(jī)、濾光片控制電機(jī)、光源開關(guān)以及運(yùn)動特性控制電機(jī)組成。多源紅外模擬器中可有多路控制原理相同的點(diǎn)源控制系統(tǒng)。運(yùn)動控制卡接收指令，通過環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，對各個電機(jī)下發(fā)指令，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制，并接收反饋數(shù)據(jù)，顯示運(yùn)動狀態(tài)。同時(shí)I／O 卡接收指令實(shí)現(xiàn)對多路光源進(jìn)行控制并反饋狀態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)單個干擾不同方向的連續(xù)投放和多個干擾不同方向的連續(xù)投放方式，其中目標(biāo)與干擾最大分離角速度為2°／s，干擾投放間隔最小為0.1s。點(diǎn)源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 點(diǎn)源控制系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用RTX 操作系統(tǒng)，系統(tǒng)之間采用共享內(nèi)存的方式進(jìn)行通信。通過VMIC 網(wǎng)絡(luò)接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送的自檢、加載、運(yùn)行、停止等仿真過程控制命令對干擾通道的能量和運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)抗干擾全過程的實(shí)時(shí)仿真。

2.4 抗干擾仿真評估技術(shù)

對紅外制導(dǎo)系統(tǒng)抗干擾能力評定的關(guān)鍵在于制導(dǎo)系統(tǒng)所采用的信號處理算法，因此對抗干擾仿真性能評估的核心是制導(dǎo)系統(tǒng)信號處理單元。信號處理算法仿真性能評估系統(tǒng)由三個開放式模塊組成，即圖像數(shù)據(jù)庫、信號處理算法模塊、性能評估模塊，如圖5所示。

圖5 信號處理算法仿真性能評估流程

圖像數(shù)據(jù)庫包括多種不同來源的數(shù)據(jù)圖像，其中模擬圖像是由復(fù)雜場景建模軟件根據(jù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和具體應(yīng)用生成不同干擾類型和干擾模型的復(fù)雜干擾場景序列圖像。信號處理算法模塊將算法進(jìn)行模塊化分解以便于對每個模塊的性能進(jìn)行單項(xiàng)評估。性能評估模塊則可以對仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，制定相應(yīng)的評估指標(biāo)，采用層次分析法對整個處理過程進(jìn)行評估。

抗干擾仿真評估技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜干擾環(huán)境下，紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的抗干擾能力的評定。利用該項(xiàng)技術(shù)，可以對復(fù)雜天空背景、復(fù)雜海環(huán)境背景、不同干擾類型（如人工誘餌干擾彈的單發(fā)連續(xù)投放、多發(fā)連續(xù)投放）等進(jìn)行抗干擾仿真，對紅外制導(dǎo)系統(tǒng)信號處理算法的檢測概率、虛警概率、跟蹤精度、算法復(fù)雜度進(jìn)行評定，并最終給出綜合評估結(jié)果。

3 結(jié)束語

紅外制導(dǎo)抗干擾半實(shí)物仿真系統(tǒng)已在紅外制導(dǎo)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈研制中得到應(yīng)用，該系統(tǒng)為紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈提供了一個具有高逼真度的紅外場景，模擬了導(dǎo)彈飛行全過程的姿態(tài)變化，模擬了紅外誘餌彈的投放過程，并對紅外制導(dǎo)抗干擾性能進(jìn)行評估，滿足了紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈抗干擾的仿真需求?！?/p>

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