面源红外干扰弹对抗红外成像制导导弹的仿真研究＊

2011-04-23孔晓玲马胜贤杜玉萍

指挥控制与仿真 2011年1期

孔晓玲，马胜贤，杜玉萍，林涛

(东北电子技术研究所光电信息控制和安全技术重点实验室，河北三河 065201)

随着红外成像技术的不断发展，红外成像制导导弹已对军用飞机构成严重威胁，因此,如何保护飞机免遭红外成像导弹攻击成为各国军方面临的重大课题。红外干扰弹作为一种效费比高的有效对抗手段，在实战中得到广泛使用。但一般的点源型单光谱高能量红外干扰弹无法起到干扰红外成像制导导弹的作用，为此世界各国正积极采用新技术发展、大面积、高效能、宽光谱、抗识别的面源型红外干扰弹。

为了更好地研究机载面源型红外干扰弹的应用条件和干扰的有效性，对面源型红外干扰弹干扰红外成像制导导弹进行建模和仿真十分必要。本文在分析典型红外成像制导导弹和面源红外干扰弹工作机理的基础上，针对机载面源红外干扰弹的特点和红外成像导引头的信息处理过程，分别对面源红外干扰弹和红外成像制导导弹进行建模，实现了面源红外干扰弹干扰红外成像制导导弹的对空仿真系统，并结合具体的仿真试验场景进行仿真试验，分析了仿真试验结果，证明其有效性。

1 面源红外干扰弹干扰机理

1.1 红外成像制导机理[1-2]

红外成像制导导弹的组成框图如图1所示。根据红外成像制导导弹控制过程，红外成像制导导弹可以分解为红外成像制导导引头部分和弹体本身控制部分。其中红外成像导引头通常由红外成像部件、红外图像信号处理器和伺服机构等部分组成。弹体则包括导弹舵机控制和弹体运动两部分。

图1红外成像制导导弹组成框图

在红外成像制导导弹发射前，由发射控制站搜索、捕获要攻击的目标。当目标的位置被确定，导弹上的寻的器立即跟踪并锁定此目标。导弹发射后，成像导引头对视场内景物成像，通过图像预处理，经分类、识别等算法对图像信号进行处理，区分出目标、背景信息，并抑制噪声信号。当有目标存在时，跟踪处理器形成的波门把目标套住，对波门内的目标进行跟踪解算，根据解算得出的误差信号控制导引头伺服机构和弹体的舵机，使导引头光轴和弹体弹轴对准目标。通常导引头光轴与弹体弹轴不重合，导引头光轴始终对准目标，弹体不断调整，使导弹飞向选定的目标。随着导弹与目标之间距离的缩小，目标在图像平面上的投影将扩大，且变得越来越清晰。此时，导弹根据目标的形状识别出它的要害部位，并选目标要害部位的中心作为攻击点进行攻击。

1.2 面源型红外干扰弹干扰机理

面源型红外干扰弹在干扰红外成像制导导弹时采用了在空间布设红外辐射场破坏目标红外特征的原理，将装有许多燃烧单元或爆炸后能形成许多燃烧单元的干扰弹通过发射器从可进入导引头视场的方向发射出去，发射后引爆燃烧。在燃烧过程中，可以在保护目标方向上形成红外光谱特征和空间热红外图像均相似于被保护目标的一定大小的红外辐射场，由于与被保护目标同处于来袭导弹的视场内，且燃烧时间长于来袭导弹的制导时间，故可达到掩盖或欺骗的目的，使导引头丢失所要跟踪的真实目标[2-3]。

根据面源型红外干扰弹使用平台的不同，干扰可分为“迷茫”和“扰乱”两种方式。其中“扰乱”式干扰多用来保护机动性很强的空中快速目标。当有来袭导弹时，飞机同时投放出多发具有一定辐射强度、运动轨迹和辐射面积的红外干扰弹，这样，就会在红外成像制导视场中同时出现多个红外辐射源，在一定距离上与被保护平台交融在一起，形成与被保护目标相似的空间热红外图像，从而对红外成像制导系统起到扰乱作用，达到干扰目的。机载面源红外干扰弹在投放时，既要有一定的初速度，使其点燃不危及载体平台的安全，又不能与载体分离太快，以便与载体同时进入导引头视场内，因此其投放时机和方式是影响干扰效果的重要因素。

2 仿真系统建模

面源红外干扰弹干扰红外成像制导导弹计算机仿真系统是为评估机载面源红外干扰弹干扰效果而搭建的数学仿真环境，包括红外成像制导导弹仿真模型和面源红外干扰弹仿真模型，进行了对空中目标和干扰的成像模拟及运动模拟、对目标和干扰图像的识别和跟踪模拟、以及制导系统对目标或干扰的攻击模拟等，从而实现面源红外干扰弹对红外成像制导导弹干扰仿真过程。

2.1 红外成像制导导弹建模

红外成像制导导弹仿真模型用于实现导弹制导全过程，主要围绕生成包含目标和背景杂波的二维红外图像序列，建立准确的大气衰减模型，处理成像系统模型输出的图像并记录对模拟图像的处理结果等方面建模。以下重点介绍导引头信息处理中识别和跟踪过程的建模。

1）红外成像导引头识别算法建模

根据先验知识获得待攻击目标的图像尺寸（所占行数和所占列数），以及在由图像所占行数和所占列数构成的方阵中目标像素为1的个数，计算目标图像像素比例。采用滑窗方法，从经过图像分割后的黑白图像中，从左至右、从上至下提取滑窗中的像素值为1的个数，若滑窗中像素为1的个数占滑窗总图像像素的百分比与预知目标图像像素百分比的差异小于门限值，则认为该滑窗内的图像数据为待攻击的目标。

2）红外成像导引头跟踪算法建模

对空红外成像制导导弹在不同的阶段，目标图像经历了从无法提取图像特征、目标图像特征逐渐明晰到目标图像越来越大并逐渐溢出导引头视场的过程，因此，仿真中根据弹目距离的不同，选取不同的跟踪算法。当弹目距离较远时，目标像点很小，采用了形心跟踪算法；在弹道中段，采用了形心跟踪和相关跟踪相结合的跟踪算法；在弹道末段，采用了相关跟踪算法。在不同的制导阶段，若目标瞬间丢失，重新捕获时均采用形心法，用放大形心门去寻找目标。

形心是目标图像上一个确定的点。当目标姿态变化时，这个点的位置变动较小。假设图像大小为256×256像素，图像函数为f(z,y)，则目标形心计算公式如式（1）所示。

若像元信息值小于阈值，则f(z,y)为 0；反之f(z,y)为1。

相关算法采用了平均绝对差值算法，设基准图像为f(x,y)，大小为m×m个象素,实时图像为g(x,y)，大小为n×n个像素，其中m≤ n， (x0,y0)为基准图像在实时图像中的偏移值，计算公式如式（2）[4]所示。

2.2 面源红外干扰弹建模

从面源红外干扰弹干扰机理可以看出，面源红外干扰弹是由许多燃烧单元组成的，“扰乱”型面源红外干扰弹的干扰效果是由燃烧单元的红外辐射变化情况和空中分布所决定。因此，机载面源红外干扰弹的建模就围绕这两方面来进行。

1）面源红外干扰弹辐射特性建模

对实测红外干扰弹辐射变化数据曲线进行取样，经插值拟合平滑处理后，找出燃烧单元在燃烧过程中辐射值的变化趋势，图2为处理后的燃烧单元红外辐射特征曲线。当仿真开始后，若红外干扰弹释放并已爆炸，则判断此时是否在燃烧单元的初始燃烧时间内，如果已经超出燃烧的初始时间，则根据燃烧单元的燃烧速率和拟合出的辐射特征曲线，计算出此刻燃烧单元的燃烧辐射值。通过对每个燃烧单元燃烧辐射值的确认，从而合成得出面源红外干扰弹红外辐射场的辐射强度，合成时前面燃烧单元红外辐射会遮挡后面燃烧单元红外辐射。

图2 红外辐射特征曲线图

2）面源红外干扰弹运动特性建模

面源红外干扰弹发射后，燃烧单元在空中除受地球重力、空气阻力、风速、风向、湿度等外界因素影响外，其自身质量也会随着燃烧减少。这些内外因素都会影响其运动轨迹。根据外场试验数据，发现面源红外干扰弹爆炸时燃烧单元空间分布基本呈现球面均匀分布[5]。故本文中燃烧单元爆炸时空间分布初始化按球面均匀分布，在爆炸时燃烧单元速度初始方向是沿所在球面的法线向外飞出。

在仿真中设定坐标系为地面坐标系（OdXdYdZd），原点为固定于地面上的某一点，OdXd与地球表面相切，指向射向为正；OdYd与地球表面垂直，向上为正，重力沿Yd的负向；OdZd垂直于平面OdXdYd，构成右手坐标系。假定发射面源红外干扰弹的瞬间，飞机在地面坐标系（OdXdYdZd）的坐标为（x,y,z），定义一个静止的坐标系（OXYZ），原点为（x,y,z），三个轴方向与坐标系（OdXdYdZd）相同，两个坐标系之间的坐标可以通过平移相互转换，坐标系（OXYZ）如图3所示。以下对面源红外干扰弹运动建模分析建立在（OXYZ）坐标系上。

图3 空间分布示意图

在发射面源红外干扰弹的瞬间，面源红外干扰弹坐标与飞机坐标一致，故在坐标系（OXYZ）中，O为干扰弹球心；M为球面上任意一点；P为M在平面OXZ内的投影；ϕ为有向线段OP与X轴正方向所夹的角，其范围为0～2π；θ为有向线段OP与有向线段OM所夹的角，其范围为0～2π。

燃烧单元在空中运动方程为：

其中，vx、vy、vz分别为当前时刻燃烧单元速度v在x、y、z方向上分量，ax、ay、az分别为当前时刻燃烧单元加速度a在x、y、z方向上分量，t为当前时刻。

式中，F为燃烧单元燃烧时受到的空气阻力；m为燃烧单元质量。

式中，F为空气阻力；ρ为大气密度；v为燃烧单元瞬时速度；S为燃烧单元燃烧时有效阻力面积；Cd为燃烧单元阻力系数。其中，大气密度ρ随着高度H 变化而变化，可由式（7）求得，式中

3 仿真系统实现

3.1 仿真系统组成

仿真系统采用了MATLAB编程、Simulink搭建的仿真手段，由目标模块、干扰模块、坐标变换模块、光学成像模块、信息处理模块、稳定陀螺模块、制导系统模块和数据记录模块组成。系统组成如图4所示。

图4 仿真系统组成框图

3.2 仿真试验及结果分析

仿真试验中通过设置仿真界面上的环境参数、探测器参数、目标参数以及干扰参数等来确定仿真的初始条件。以 0.01s为仿真步长，干扰弹可同时或间隔投放，每发由相同的燃烧单元组成。当仿真开始运行后，显现出导引头视场窗口，可实时观察导引头视场内的目标源，每个步长都将当前仿真时间与设置的干扰弹释放时间比较。若释放时间未到，干扰弹保持与目标相同的运动特性；若释放时间到达，则干扰弹以释放方向（方位、俯仰）为初始方向抛射，每个干扰弹爆炸，爆炸产生的能量将干扰弹弹壳炸开，每个干扰弹按照预设的燃烧单元进行分离，在重力和空气阻力的作用下运动。

根据上面分析的干扰机理和设定的仿真条件，对导弹不同攻击方向、发射器的安装位置和面源红外干扰弹的投射方案进行了仿真。图5设定的仿真场景为：仿真初始时刻的弹目距离为 3.1km；导弹尾追攻击目标，导弹飞行速度为610m/s；载机目标做匀速直线运动，运动速度为360m/s；载机携带10发面源红外干扰弹，每弹包括40个燃烧单元，在10发面源红外干扰弹同时投放前后导引头的模拟成像图如图5所示。

从仿真结果看，在干扰弹投放前，导弹能始终稳定跟踪目标，投放后，干扰弹和目标共同位于导引头跟踪波门内，随着两者的不断分离，目标出视场，导弹稳定跟踪干扰弹。