紅外成像制導(dǎo)半實(shí)物仿真技術(shù)研究

周莉莉,李海鳳,佟佳慧,2,孔文華

(1.北京機(jī)電工程研究所,北京 100074;2.復(fù)雜系統(tǒng)控制與智能協(xié)同技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100074)

0 引言

光學(xué)成像制導(dǎo)技術(shù)是由飛行器上的光學(xué)成像探測(cè)器利用目標(biāo)區(qū)反射或輻射的可見(jiàn)光或紅外信號(hào),完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的成像,通過(guò)人在回路或自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別等方式搜索、截獲、跟蹤目標(biāo),導(dǎo)引飛行器偵察、打擊、命中目標(biāo)的制導(dǎo)技術(shù)。光學(xué)成像制導(dǎo)技術(shù)已在各類武器系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。其中,紅外成像制導(dǎo)技術(shù)由于具有全天時(shí)、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好、效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為制導(dǎo)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。

為充分考核和優(yōu)化試驗(yàn)室條件下紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的性能,需要構(gòu)建半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng),建立貼近真實(shí)的模擬環(huán)境,閉環(huán)迭代開展動(dòng)態(tài)試驗(yàn),完成對(duì)紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)工作流程及其性能的驗(yàn)證。

1 飛行器制導(dǎo)控制系統(tǒng)工作過(guò)程

飛行器的控制是指使飛行器按照預(yù)定或指定的規(guī)律運(yùn)動(dòng),其控制回路閉合流程如圖1所示。飛行器接收來(lái)自基準(zhǔn)裝置或參考裝置以及成像系統(tǒng)的導(dǎo)引信息控制導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與質(zhì)心運(yùn)動(dòng)航跡等參數(shù)經(jīng)控制系統(tǒng)的測(cè)量裝置獲取后,與輸入進(jìn)行比較,按所得誤差及其處理信息進(jìn)一步控制飛行器機(jī)體運(yùn)動(dòng),直至滿足控制精度要求為止。

圖1 制導(dǎo)控制系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the guidance and control system

飛行器的制導(dǎo)是指建立飛行器運(yùn)動(dòng)與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)(目標(biāo)所在的位置信息)的相互關(guān)系,由導(dǎo)引系統(tǒng)完成對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)或位置的搜索、識(shí)別、捕獲和跟蹤,并給出飛行器相對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息,經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)形成相應(yīng)的控制指令,操縱飛行器趨近目標(biāo)。

2 典型的紅外成像制導(dǎo)仿真系統(tǒng)

紅外成像制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)主要為紅外成像系統(tǒng)提供接近真實(shí)的模擬環(huán)境,使其在試驗(yàn)室的工作過(guò)程與在飛行器上工作過(guò)程一致,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)成像、搜索、捕獲、識(shí)別、跟蹤目標(biāo)能力及其性能的檢驗(yàn)。按圖1所示,仿真系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的主要功能包括飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)模擬、目標(biāo)區(qū)場(chǎng)景模擬以及成像系統(tǒng)與目標(biāo)之間的相對(duì)視線角運(yùn)動(dòng)模擬、飛行器運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算等。以下介紹2種典型的紅外成像制導(dǎo)仿真系統(tǒng)工作原理。

2.1 基于五軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的紅外成像仿真系統(tǒng)

基于五軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的紅外成像仿真系統(tǒng)主要組成包括仿真機(jī)、五軸轉(zhuǎn)臺(tái)、圖像生成計(jì)算機(jī)、目標(biāo)模擬器以及實(shí)時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò)等[2-3],如圖2所示。

圖2 基于五軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的紅外成像仿真系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of IR imaging simulation system based on five axis movement simulator

仿真機(jī)用于實(shí)時(shí)解算飛行器運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型,輸出飛行器和目標(biāo)的各種參數(shù)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)控制仿真系統(tǒng)運(yùn)行。

五軸轉(zhuǎn)臺(tái)接收仿真機(jī)實(shí)時(shí)解算飛行器的姿態(tài)角和視線角數(shù)據(jù)。其中：三軸部分安裝紅外成像系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)飛行器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、航向角3個(gè)姿態(tài)角變化的模擬;兩軸部分安裝目標(biāo)模擬器,實(shí)現(xiàn)飛行器與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的視線方位角和視線高低角變化的模擬。

圖像生成計(jì)算機(jī)根據(jù)目標(biāo)區(qū)的場(chǎng)景特征、飛行器位置/高度信息、紅外成像系統(tǒng)視線角等信息,實(shí)時(shí)生成具有足夠分辨率和對(duì)比度的目標(biāo)場(chǎng)景動(dòng)態(tài)圖像,并以視頻信號(hào)形式輸出給目標(biāo)模擬器。

目標(biāo)模擬器主要由動(dòng)態(tài)紅外圖像轉(zhuǎn)換和光學(xué)投影系統(tǒng)兩部分組成,其作用是將圖像生成計(jì)算機(jī)生成的目標(biāo)區(qū)場(chǎng)景信息的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅外波段的信號(hào),經(jīng)過(guò)光學(xué)投影系統(tǒng)投射到成像系統(tǒng)入瞳處[4-5]。

實(shí)時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò)主要由光纖反射內(nèi)存卡、HUB、光纖等組成,用于實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)設(shè)備間的實(shí)時(shí)高速通訊。

2.2 基于六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的紅外成像仿真系統(tǒng)

基于六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的紅外成像仿真系統(tǒng)主要包括實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)、六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、目標(biāo)區(qū)場(chǎng)景沙盤以及實(shí)時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò)等,其系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 基于六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的紅外成像仿真系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of IR imaging simulation system based on the six-freedom-degree movement system

六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通常由三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和3個(gè)線位移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。三軸轉(zhuǎn)臺(tái)用于安裝紅外成像系統(tǒng),模擬飛行器飛行過(guò)程中的姿態(tài)角變化。線位移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬飛行器質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的X,Y,Z三個(gè)方向的線位移變化,通常在X方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上安裝有目標(biāo)區(qū)場(chǎng)景的紅外沙盤模型,為成像系統(tǒng)提供紅外場(chǎng)景模擬。

目標(biāo)區(qū)場(chǎng)景沙盤包括各類典型的紅外目標(biāo)模型,以及用于模擬不同目標(biāo)輻射溫度的加溫裝置等。

以上2種方法均可為紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)提供與真實(shí)工作過(guò)程一致的仿真環(huán)境,主要差異體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)基于五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的方案中兩軸運(yùn)動(dòng)位置與目標(biāo)區(qū)場(chǎng)景模擬之間存在同步誤差,而基于六自由度的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案不存在這個(gè)問(wèn)題。

2)基于五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的方案中如果兩軸部分運(yùn)動(dòng)關(guān)系與視線角坐標(biāo)系定義不一致,則需要進(jìn)行坐標(biāo)變換,由此可能帶來(lái)目標(biāo)場(chǎng)景模擬器圖像產(chǎn)生像旋,需要在仿真過(guò)程中予以補(bǔ)償,而六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)不存在這個(gè)問(wèn)題。

3)基于五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的方案系統(tǒng)規(guī)模緊湊,直接模擬視線角,精度較高,使用方便;而六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案的規(guī)模較大,線位移是通過(guò)縮比實(shí)現(xiàn)的,間接模擬視線角,精度與基于五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的方案相比略低。

4)基于五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的方案目標(biāo)區(qū)場(chǎng)景模擬通過(guò)圖像生成計(jì)算機(jī)、紅外目標(biāo)模擬器等實(shí)現(xiàn),場(chǎng)景易于更換;而六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案是通過(guò)目標(biāo)區(qū)沙盤模型等實(shí)現(xiàn),更換的成本較高,但模擬的目標(biāo)區(qū)特性比采用目標(biāo)模擬器輸出的特性更真實(shí)。

從系統(tǒng)復(fù)雜程度、建設(shè)成本、靈活使用等方面進(jìn)行綜合權(quán)衡,目前國(guó)內(nèi)基于五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的成像制導(dǎo)仿真系統(tǒng)較多。

3 紅外成像制導(dǎo)仿真技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及仿真需求分析

為適應(yīng)未來(lái)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境作戰(zhàn)、偵察打擊目標(biāo)多樣化的需求,紅外成像制導(dǎo)技術(shù)將向多維度、高分辨率探測(cè)、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和低成本方向發(fā)展[6]。

1)由單波段單譜段向多波段多譜段發(fā)展

隨著干擾技術(shù)的快速發(fā)展,人工干擾和偽裝技術(shù)的發(fā)展使得單波段紅外探測(cè)器的探測(cè)和識(shí)別能力下降,復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下適應(yīng)性不夠,導(dǎo)致命中精度降低。因此,結(jié)合目標(biāo)、干擾等不同材質(zhì)在不同波段呈現(xiàn)出較明顯的特征差異,采用雙波段或多譜段探測(cè)器件獲取二維空間圖像信息的同時(shí),獲得了光譜信息不同波段信息,提供更豐富更精確的目標(biāo)區(qū)信息,能夠提升對(duì)各種人工干擾的鑒別能力[7]。

2)由集中式獲取信息向分布式獲取信息方向發(fā)展

為了實(shí)現(xiàn)物美價(jià)廉的精確制導(dǎo)系統(tǒng),正在大力發(fā)展具有可承受成本的高端紅外成像探測(cè)器技術(shù)、高性能非制冷紅外探測(cè)器技術(shù)、低成本捷聯(lián)導(dǎo)引頭技術(shù)。通過(guò)將多個(gè)低成本探測(cè)器或高端低端混合探測(cè)器獲取的信息進(jìn)行共享等方式可提高整體效能,降低單個(gè)成本[8]。此外,通過(guò)分布式探測(cè)模式,可以快速獲取大范圍的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景信息,利用多信息融合處理技術(shù),提取出典型目標(biāo)的信息,再分發(fā)給不同的成像制導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤等,進(jìn)一步提升復(fù)雜環(huán)境下的飛行器性能。

3)紅外成像制導(dǎo)技術(shù)與人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)深度融合

隨人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等快速發(fā)展,飛行器基于紅外成像系統(tǒng)獲得圖像信息,并綜合利用其他傳感器和接收的外部信息及目標(biāo)特征數(shù)據(jù),通過(guò)飛行器信息處理系統(tǒng)中的深度學(xué)習(xí)算法等,實(shí)現(xiàn)在各種使用環(huán)境下的自動(dòng)探測(cè)、自動(dòng)分類、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)捕獲和跟蹤,并且自主判斷與決策[9]。這對(duì)于各類飛行器適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,提升性能和效能具有重要意義。

以上發(fā)展趨勢(shì)給系統(tǒng)仿真帶來(lái)了諸多新的需求,主要包括：

1)目標(biāo)區(qū)多波段多譜段場(chǎng)景的模擬

不同材料組成的物體表現(xiàn)出的光譜信息不同,在紅外不同波段輻射的溫度也不同。因此,為了驗(yàn)證多波段多譜段紅外成像系統(tǒng)的探測(cè)能力,以及豐富的信息提取能力等,需要在內(nèi)場(chǎng)仿真試驗(yàn)室建立近似真實(shí)的目標(biāo)區(qū)多波段多譜段場(chǎng)景,反映出目標(biāo)區(qū)各類物體的固有屬性。

2)面向博弈對(duì)抗的復(fù)雜仿真場(chǎng)景模擬

針對(duì)紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的人為干擾主要有三類：煙幕干擾、紅外誘餌干擾、激光致眩干擾。煙幕干擾是人工產(chǎn)生的起遮蔽作用的氣溶膠。這些氣溶膠對(duì)不同波段的光學(xué)信號(hào)有較強(qiáng)的衰減作用,從而降低了紅外圖像的對(duì)比度,降低目標(biāo)被紅外成像系統(tǒng)探測(cè)到的可能性。紅外誘餌干擾具有與被保護(hù)目標(biāo)相似的紅外特征,用以欺騙或誘惑敵方紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的干擾。紅外誘餌干擾分為點(diǎn)輻射型和面源紅外誘餌。面源紅外誘餌可以模擬真實(shí)目標(biāo)的紅外輻射特征甚至目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性,從而使紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別出目標(biāo),或者影響跟蹤點(diǎn)的位置,導(dǎo)致無(wú)法正確跟蹤目標(biāo)。激光致眩干擾是利用輻射的激光能量消弱敵方光電探測(cè)和成像制導(dǎo)系統(tǒng)正常工作能力的一種光電干擾。為了檢驗(yàn)紅外成像系統(tǒng)的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性和各種智能算法的性能等,需生成帶各類干擾對(duì)抗場(chǎng)景的仿真環(huán)境,開展大量的仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。

3)分布式協(xié)同制導(dǎo)的實(shí)時(shí)仿真環(huán)境構(gòu)建

針對(duì)分布式探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì),需要建立覆蓋分布式探測(cè)范圍的大場(chǎng)景,確保各探測(cè)器在同一場(chǎng)景下工作,探測(cè)到的同一目標(biāo)區(qū)的同一個(gè)目標(biāo),識(shí)別出的特征、位置信息等是一致的,從而驗(yàn)證分布式探測(cè)相關(guān)技術(shù)。

4 成像制導(dǎo)仿真需要解決的主要關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)有紅外成像制導(dǎo)仿真系統(tǒng)大多針對(duì)單一飛行器、單一體制、單譜段進(jìn)行仿真驗(yàn)證,無(wú)法滿足上述需求,需要開展相關(guān)的仿真技術(shù)研究。

1)成像制導(dǎo)仿真總體技術(shù)

剖析成像制導(dǎo)系統(tǒng)在復(fù)雜對(duì)抗環(huán)境中的工作流程以及其紅外探測(cè)器件的工作原理,明確仿真驗(yàn)證內(nèi)容,分析仿真需求,開展成像仿真新方法研究。綜合考慮現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)、系統(tǒng)建設(shè)成本、可行性等因素,開展成像制導(dǎo)仿真系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì),綜合評(píng)估功能、成本、可行性后,確定仿真系統(tǒng)建設(shè)方案、關(guān)鍵設(shè)備組成、指標(biāo)分解等,完成總體設(shè)計(jì)。

2)多波段多譜段目標(biāo)區(qū)大范圍場(chǎng)景快速建模技術(shù)

針對(duì)探測(cè)區(qū)域的各類目標(biāo)、干擾、背景等特點(diǎn),研究具有多波段多譜段場(chǎng)景建模方法和驗(yàn)?zāi)７椒?建立高精度的場(chǎng)景圖像[10]。同時(shí),針對(duì)探測(cè)制導(dǎo)等多功能一體化,分布式協(xié)同探測(cè)等需求,需要開展幾十或上百公里的各類復(fù)雜地物背景的快速且精細(xì)化建模技術(shù)研究、大范圍光學(xué)場(chǎng)景生成技術(shù)研究、光學(xué)仿真場(chǎng)景一致性控制技術(shù)研究等,實(shí)現(xiàn)快速建立大范圍的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的目標(biāo)區(qū)場(chǎng)景模型。

3)目標(biāo)區(qū)場(chǎng)景多波段多譜段生成技術(shù)

目前單波段的目標(biāo)模擬器技術(shù)較為成熟,但多波段多譜段目標(biāo)模擬技術(shù),以及多波段多譜段信號(hào)實(shí)時(shí)合成技術(shù)等,還沒(méi)有取得完全突破,距離工程應(yīng)用還有一定差距,因此需要深入研究,實(shí)現(xiàn)真實(shí)自然環(huán)境下同一目標(biāo)場(chǎng)景的多特征信號(hào)的仿真。

4)博弈對(duì)抗環(huán)境下以及協(xié)同探測(cè)制導(dǎo)體制下的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真評(píng)估技術(shù)

目前使用較多的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法包括正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)、全面試驗(yàn)設(shè)計(jì)等。但針對(duì)博弈對(duì)抗環(huán)境下和分布式協(xié)同探測(cè)制導(dǎo)體制下的試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及紅外成像系統(tǒng)性能評(píng)估,不再局限于檢驗(yàn)單一外紅探測(cè)器件或某一算法的性能,而是全系統(tǒng)多項(xiàng)性能需求的統(tǒng)籌考慮。需要研究設(shè)計(jì)什么樣的試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)條件,才能全面充分地檢驗(yàn)實(shí)際成像系統(tǒng)的性能;研究采取哪些評(píng)估技術(shù)能客觀評(píng)價(jià)單項(xiàng)的技術(shù)改進(jìn)和綜合的技術(shù)改進(jìn),以及對(duì)提升成像制導(dǎo)系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性的貢獻(xiàn)度等。

5 結(jié)論

為進(jìn)一步提升紅外成像制導(dǎo)飛行器的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性,成像制導(dǎo)技術(shù)近年來(lái)得到快速發(fā)展。為支撐新成像制導(dǎo)技術(shù)的突破及有效性檢驗(yàn),需要同步開展仿真關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),支撐在內(nèi)場(chǎng)構(gòu)建貼近實(shí)戰(zhàn)、靈活設(shè)置、重復(fù)使用的半實(shí)物仿真試驗(yàn)環(huán)境,開展大量的飛行全流程、全過(guò)程、全系統(tǒng)級(jí)干擾及對(duì)抗試驗(yàn),從而檢驗(yàn)制導(dǎo)控制系統(tǒng)部件乃至全系統(tǒng)的性能,確定性能邊界并獲得超出設(shè)計(jì)條件的使用效果底數(shù),以確定真實(shí)任務(wù)背景下的成像制導(dǎo)技術(shù)使用方案等。