顧振杰

（中國人民解放軍91336部隊(duì),河北 秦皇島 066000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用,導(dǎo)彈在戰(zhàn)場(chǎng)上面臨的作戰(zhàn)環(huán)境越來越惡劣,單一頻段或模式的制導(dǎo)體制受其性能的局限,已不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)的需求。復(fù)合制導(dǎo)體制可以充分發(fā)揮多種制導(dǎo)體制的優(yōu)勢(shì),克服單一制導(dǎo)體制的缺陷,取長補(bǔ)短,從而有效提高導(dǎo)彈命中精度和突防能力,極大地增強(qiáng)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。復(fù)合制導(dǎo)已成為精確制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的重要方向。

射頻/紅外復(fù)合制導(dǎo)是精確制導(dǎo)中重要且應(yīng)用很廣泛的一種。射頻/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種:一是分口徑結(jié)構(gòu),即每個(gè)通道采用單獨(dú)的射頻/紅外天線和探測(cè)器;二是共口徑結(jié)構(gòu),即采用一個(gè)共用的射頻/紅外天線和分開設(shè)置的探測(cè)器。兩種結(jié)構(gòu)形式各有優(yōu)缺點(diǎn),綜合比較,第二種更能夠滿足導(dǎo)引頭高性能和小型化的要求。

目前,精確制導(dǎo)武器末制導(dǎo)也越來越多地采用射頻/紅外復(fù)合體制。作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制過程中有效的檢驗(yàn)與驗(yàn)證手段,射頻/紅外復(fù)合制導(dǎo)半實(shí)物仿真試驗(yàn)技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。該技術(shù)針對(duì)任務(wù)需求,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中將不同體制的射頻、紅外目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行復(fù)合,并構(gòu)建半實(shí)物仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)的閉環(huán)仿真,為新型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的試驗(yàn)鑒定提供良好的半實(shí)物仿真試驗(yàn)環(huán)境。

1 復(fù)合導(dǎo)引頭仿真試驗(yàn)系統(tǒng)方案

國外對(duì)復(fù)合導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真的研究已開展多年,并取得了一定成果。目前,國外研制的射頻/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭的結(jié)構(gòu)布局可分為“分口徑”和“共口徑”兩種方式,并建立了相應(yīng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。

第一類是為采用“分口徑”結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合導(dǎo)引頭提供仿真環(huán)境的仿真試驗(yàn)系統(tǒng),簡稱“分口徑”仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。以美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的射頻/紅外雙模制導(dǎo)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)為例,“分口徑”仿真試驗(yàn)系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)臺(tái)、紅外圖像生成系統(tǒng)、仿真計(jì)算機(jī)、射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)和面陣等組成,如圖1所示。

圖1 “分口徑”仿真試驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖

“分口徑”仿真試驗(yàn)系統(tǒng)具有單獨(dú)的紅外圖像生成系統(tǒng)和射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)。紅外仿真分系統(tǒng)分為微波暗室內(nèi)和暗室外兩部分。暗室外部分用于生成帶有目標(biāo)和背景信息的紅外信號(hào),該信號(hào)經(jīng)光路組合后從暗室窗口進(jìn)入到暗室內(nèi),經(jīng)過反射進(jìn)入紅外導(dǎo)引頭視場(chǎng)。紅外仿真分系統(tǒng)中目標(biāo)/背景的運(yùn)動(dòng)主要由垂直掃描多棱鏡和水平掃描多棱鏡模擬。掃描多棱鏡和目標(biāo)/背景源都放置在暗室外的光學(xué)平臺(tái)上。射頻仿真分系統(tǒng)中面陣安裝在一面圓柱墻上,導(dǎo)引頭安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上。轉(zhuǎn)臺(tái)位于面陣的回轉(zhuǎn)中心處,模擬方位運(yùn)動(dòng)。

第二類是為采用“共口徑”結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合導(dǎo)引頭提供仿真環(huán)境的仿真試驗(yàn)系統(tǒng),簡稱“共口徑”仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。這類仿真試驗(yàn)系統(tǒng)也具有單獨(dú)的紅外圖像生成系統(tǒng)和射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng),二者產(chǎn)生的紅外信號(hào)和射頻信號(hào)經(jīng)波束合成器復(fù)合后,入射到被測(cè)導(dǎo)引頭的入瞳處。以美國埃格林（Eglin）空軍基地的射頻/紅外復(fù)合制導(dǎo)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)為例,“共口徑”仿真試驗(yàn)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)臺(tái)、波束合成器、紅外圖像生成系統(tǒng)、仿真計(jì)算機(jī)、射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)和面陣等組成,如圖2所示。面陣輻射的射頻信號(hào)經(jīng)波束合成器透射后到達(dá)導(dǎo)引頭,而紅外圖像生成系統(tǒng)發(fā)出的紅外輻射信號(hào)經(jīng)過波束合成器反射后到達(dá)導(dǎo)引頭。

圖2 “共口徑”仿真試驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖

射頻/紅外“分口徑”復(fù)合導(dǎo)引頭是早期的一種應(yīng)用方式。這種復(fù)合導(dǎo)引頭一般采用分時(shí)工作的方式,遠(yuǎn)距采用射頻制導(dǎo),作用距離遠(yuǎn);近距采用紅外制導(dǎo),跟蹤精度高。但該模式復(fù)合導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合處理性能較差,且體積較大,抗干擾能力較弱。隨著對(duì)導(dǎo)引頭小型化和抗干擾能力要求的提高,“共口徑”的射頻/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭被廣泛研究。由于其共用天線,可有效減小導(dǎo)引頭體積。射頻和紅外兩種制導(dǎo)模式可同時(shí)工作,后端進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理,可極大提高導(dǎo)引頭的抗干擾能力。而且,隨著波束合成技術(shù)的不斷發(fā)展,制約“共口徑”仿真試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)的瓶頸得到了突破。本文重點(diǎn)對(duì)“共口徑”仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的功能組成和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

2 復(fù)合導(dǎo)引頭仿真試驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

盡管復(fù)合導(dǎo)引頭的射頻導(dǎo)引系統(tǒng)和紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)彼此存在諸多不同,但在末制導(dǎo)段,射頻導(dǎo)引系統(tǒng)和紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)需同時(shí)工作,捕獲同一目標(biāo)。因此,要求仿真試驗(yàn)系統(tǒng)必須同時(shí)提供射頻目標(biāo)/背景模擬信號(hào)和紅外目標(biāo)/背景模擬信號(hào),并且滿足復(fù)合導(dǎo)引頭探測(cè)器的入射位置及視場(chǎng)要求。圖3為射頻/紅外“共口徑”復(fù)合導(dǎo)引頭仿真試驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖。

圖3 射頻/紅外“共口徑”復(fù)合導(dǎo)引頭仿真試驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

該系統(tǒng)主要包括射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)、紅外圖像生成系統(tǒng)、波束合成器、轉(zhuǎn)臺(tái)、仿真計(jì)算機(jī)和面陣等。其中射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)主要由射頻源、陣列饋電和控制計(jì)算機(jī)等組成;紅外圖像生成系統(tǒng)由轉(zhuǎn)移器及紅外投影系統(tǒng)和圖像生成計(jì)算機(jī)等組成。被測(cè)系統(tǒng)（導(dǎo)引頭）放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上,模擬導(dǎo)彈的俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在仿真計(jì)算機(jī)控制下,由紅外圖像生成計(jì)算機(jī)生成實(shí)時(shí)紅外視景,經(jīng)轉(zhuǎn)移器及紅外投影系統(tǒng)生成目標(biāo)紅外信號(hào);同時(shí),射頻信號(hào)控制計(jì)算機(jī)控制射頻源產(chǎn)生目標(biāo)回波信號(hào),經(jīng)陣列饋電和面陣在暗室內(nèi)輻射。紅外信號(hào)和射頻信號(hào)經(jīng)波束合成器合成并被導(dǎo)引頭探測(cè)接收。仿真過程中,由仿真計(jì)算機(jī)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、導(dǎo)彈與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程等進(jìn)行實(shí)時(shí)解算,為紅外圖像生成系統(tǒng)和射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)以及試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)提供相關(guān)參數(shù)。

仿真試驗(yàn)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)復(fù)合目標(biāo)模擬信號(hào)的共口徑輸出引入了波束合成器,波束合成器的設(shè)計(jì)和安裝是半實(shí)物仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵。另外,半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性保障、仿真試驗(yàn)系統(tǒng)集成和系統(tǒng)精度保障等也是制約系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù),需開展深入研究。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 波束合成器的設(shè)計(jì)及安裝

波束合成器所采用的技術(shù)路線及方案決定了波束合成器的性能。目前的波束合成器主要采用以下幾種技術(shù)方案:鍍有紅外反射膜的介質(zhì)基板、頻率選擇表面、衍射光學(xué)元件和光子晶體全方位反射器等。其中,鍍紅外反射膜的方法是應(yīng)用較廣泛、發(fā)展最成熟的一種。但這種合成方法也存在一些缺點(diǎn):一是對(duì)入射角度敏感,反射鏡一般都是基于信號(hào)垂直入射進(jìn)行設(shè)計(jì)的,對(duì)于傾斜入射的信號(hào),反射帶會(huì)向短波漂移,反射系數(shù)會(huì)有所下降;二是由于設(shè)計(jì)工藝等因素,器件尺寸受限,如尺寸太大,會(huì)產(chǎn)生邊緣效應(yīng),導(dǎo)致射頻信號(hào)畸變。

波束合成器一般采用多層結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)橛米骷t外反射鏡的材料對(duì)微波的吸收和反射使微波的透過率很低,為了提高微波的透過率,需要把波束合成器設(shè)計(jì)成多層結(jié)構(gòu)。

波束合成器的安裝通常是在試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)地基近前方搭建一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu),支撐射頻/紅外波束合成器,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的紅外信號(hào)反射以及射頻信號(hào)透射。在被試產(chǎn)品側(cè)后方安裝紅外仿真轉(zhuǎn)臺(tái),上裝反射鏡光學(xué)系統(tǒng),將紅外目標(biāo)信號(hào)投射到射頻/紅外波束合成器上。紅外信號(hào)源安裝在暗室外,通過窗口將紅外目標(biāo)信號(hào)投射到紅外仿真轉(zhuǎn)臺(tái)反射鏡上。

3.2 雙模復(fù)合導(dǎo)引頭高速實(shí)時(shí)仿真

最小仿真步長、幀同步精度和時(shí)間同步精度是反映半實(shí)物仿真實(shí)時(shí)特性的三個(gè)主要性能指標(biāo)。實(shí)時(shí)性除了和仿真系統(tǒng)的計(jì)算速度、接口輸入/輸出速度、數(shù)據(jù)交互速度等硬件特性相關(guān),還與仿真幀時(shí)間控制、仿真系統(tǒng)時(shí)間函數(shù)的精度、仿真控制框架等軟件特性相關(guān)。

在進(jìn)行雙模復(fù)合導(dǎo)引頭閉環(huán)半實(shí)物仿真試驗(yàn)過程中,為了與被測(cè)產(chǎn)品控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)相匹配,保證紅外圖像數(shù)據(jù)、射頻目標(biāo)饋電控制數(shù)據(jù)、雙模復(fù)合導(dǎo)引頭仿真控制數(shù)據(jù)及被測(cè)產(chǎn)品控制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,需采用高速、實(shí)時(shí)的仿真控制技術(shù),保證仿真試驗(yàn)的精度。

雙模復(fù)合導(dǎo)引頭仿真控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制設(shè)計(jì)主要圍繞仿真幀時(shí)間控制和仿真控制框架這兩個(gè)方面展開。首先從幀時(shí)間控制的角度來分析仿真系統(tǒng),以保證最小仿真步長滿足系統(tǒng)半實(shí)物仿真要求。常用的方法有幀時(shí)間平衡、進(jìn)程控制、實(shí)時(shí)通訊等。然后從時(shí)間同步精度控制的角度分析復(fù)合仿真控制系統(tǒng)可以采用的過程控制方式,并選擇最優(yōu)的控制方式加以實(shí)現(xiàn)?？刹捎梅瓷鋬?nèi)存構(gòu)建高速、實(shí)時(shí)、確定性的仿真網(wǎng)絡(luò),解決仿真控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性問題。對(duì)仿真模型而言,關(guān)鍵是平衡每幀的仿真計(jì)算量,選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間函數(shù)和仿真運(yùn)行控制框架。

3.3 復(fù)合目標(biāo)仿真系統(tǒng)集成

射頻/紅外復(fù)合目標(biāo)仿真系統(tǒng)集成包括紅外圖像生成系統(tǒng)、射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)的安裝調(diào)試與測(cè)試。射頻/紅外復(fù)合目標(biāo)仿真系統(tǒng)集成的難點(diǎn)在于確定影響射頻目標(biāo)精度的主要因素,減小環(huán)境對(duì)射頻目標(biāo)的影響,提高紅外目標(biāo)光軸與射頻目標(biāo)電軸的同軸精度。通過理論分析和仿真計(jì)算,確定影響目標(biāo)仿真精度的主要因素,并根據(jù)分析和計(jì)算的結(jié)果,對(duì)復(fù)合目標(biāo)仿真系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和集成。

影響目標(biāo)仿真精度的主要因素有三個(gè):一是波束合成器對(duì)射頻信號(hào)的影響,波束合成器采用多層結(jié)構(gòu)來提高微波的透過率,可用四端網(wǎng)絡(luò)理論來計(jì)算微波在多層介質(zhì)平板中的傳輸特性;二是波束合成器對(duì)紅外信號(hào)的影響,波束合成器采用介質(zhì)反射膜反射紅外信號(hào),介質(zhì)反射膜是基于多光束干涉原理實(shí)現(xiàn)紅外反射的,在反射過程中會(huì)造成紅外場(chǎng)景分辨率的降低,進(jìn)而影響系統(tǒng)的仿真精度;三是波束合成器引起的瞄準(zhǔn)線誤差,電磁波通過波束合成器時(shí)將產(chǎn)生相位和幅度的變化,這些變化將使天線的跟蹤軸線發(fā)生偏移,從而產(chǎn)生瞄準(zhǔn)線誤差。由于導(dǎo)引頭的工作體制不同,工作波段不同,波束合成器的引入將會(huì)產(chǎn)生不同的瞄準(zhǔn)線誤差影響,因此使用前需要測(cè)試波束合成器插入前后導(dǎo)引頭輸出的角度,在仿真過程中進(jìn)行精度補(bǔ)償。

4 結(jié)束語

隨著復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)研究與應(yīng)用的深入,其仿真試驗(yàn)技術(shù)日益受到重視,如不盡快開展相關(guān)研究,提出有效的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)方案,將會(huì)影響新體制導(dǎo)彈的試驗(yàn)?zāi)芰?。本文針?duì)射頻/紅外復(fù)合制導(dǎo)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討,設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)總體方案,可為復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)彈試驗(yàn)條件建設(shè)提供參考,對(duì)于同類仿真系統(tǒng)的建設(shè)也具有一定的借鑒意義。