基于多源红外模拟器的导弹抗干扰仿真与评估技术

李 凡，张 励，李艳红，李 奇，陆志沣，岳 峰

（1.上海机电工程研究所，上海201109；2.上海航天控制技术研究所，上海201109）

0 引言

红外导弹制导控制系统是一个十分复杂的系统，而抗干扰性能是红外制导导弹的关键技术指标之一，如何对红外制导系统的抗干扰性能进行评定，是目前红外制导导弹面临的最严峻的问题。抗干扰仿真技术为解决该问题提供了一种有效的技术手段。建立红外制导抗干扰半实物仿真系统，可以有效地对红外制导导弹的抗干扰性能作出评定。美、英、法等国在红外抗干扰仿真方面已进行了多项研究，如美国艾格林空军基地怀特实验室的动态红外导弹评估设施（DIME）［1］中的红外景象投影仪（IRSP）和点源模拟器，用于仿真动态目标，而用黑体和二极管激光器仿真干扰。美国空军电子战评估仿真中心（AFEWES）［2］的红外光电对抗测试设施目前已具备红外光电对抗测试环境仿真的能力，可模拟红外制导导弹和某些航空器的飞行，及光电对抗中的机动飞行，各种点源曳光弹，以及灯光和激光干扰系统。

本文对基于多源红外模拟器的抗干扰仿真系统进行了介绍，对基于多源红外模拟器的抗干扰仿真系统需要解决的关键技术进行了研究和分析。

1 基于多源红外模拟器的抗干扰仿真系统组成

为验证红外制导系统的抗干扰性能，基于多源红外模拟器的抗干扰仿真系统应能满足以下功能：

1）实现高帧频、大动态范围的红外复杂场景图像实时生成、红外图像转换和目标高速视线运动，考核红外制导系统在复杂背景下的跟踪及抗干扰能力；

2）考核红外制导系统对红外诱饵弹的抗干扰能力，实现导弹和干扰高压制比的模拟；

3）实现制导系统全过程和弹目相对运动的实时仿真；

4）实现对红外制导系统的抗干扰性能评估；

5）实现仿真试验过程的自动化控制；

6）实现制导系统全过程仿真数据的实时采集、数据分析和评估。

图1 红外成像制导抗干扰半实物仿真系统组成

红外制导抗干扰半实物仿真系统由多源红外模拟系统、抗干扰仿真性能评估系统、仿真计算机及控制系统、五轴飞行转台和数据采集及监控系统组成。如图1所示，多源红外模拟系统由多个点源目标／干扰模拟系统和成像模拟系统组成，由点源目标／干扰模拟系统模拟干扰投放过程，由成像模拟系统通过数字接口实时接收弹目相对运动数据，根据目标特性和图像传输模型，实时生成具有足够分辨率和对比度的动态目标场景图像，并利用红外成像转换器实时地将计算机生成的目标场景视频信号转换为相应波段的红外图像投影至探测器视场；仿真计算机及控制系统采用基于高速实时网络技术的分布式实时仿真体系结构，它通过VMIC网络向其他节点发送仿真过程控制命令，仿真计算机实时解算弹体动力学、运动学方程，输出各种弹体及目标数据，实时控制参试部件和模拟器工作；五轴飞行转台，模拟导弹飞行过程中的姿态变化，包括偏航、俯仰和滚转。抗干扰仿真性能评估系统对制导系统的抗干扰性能进行离线和在线评估。

2 抗干扰仿真技术

基于多源红外模拟器的抗干扰仿真系统的研制涉及多项技术，在研制过程中必须解决一系列的关键技术，本文对这些关键技术进行了探讨。

2.1 复杂场景建模与实现技术

复杂场景建模［3］是在时间、空间、光谱以及辐射量等方面，对典型目标、典型干扰和背景红外辐射分布的一种模拟，并根据导弹制导控制模型进行制导控制过程的仿真。利用计算机模拟复杂红外场景，建立一系列反映复杂战场环境的典型目标、典型干扰、天空背景和海面背景的数据库和模型，在通用红外环境模型中进行集成，为红外仿真提供高逼真度的复杂战场环境模拟。

红外目标／干扰／背景红外辐射特性建模主要流程如图2所示，包括：1）对于红外目标的建模，根据目标的材料、结构、热特性、工作状态，以及大气、目标周围环境及过去的热状态等因素来计算它的温度分布和红外辐射特性分布；对于背景的建模，海面背景需要分别针对不同海情、包含海天线的海面背景、包含海面亮带的进行红外辐射特性计算；天空背景需要根据大气中的光辐射传输特性计算以及针对不同的云的类型进行散射特性计算。2）根据计算出的原始数据建立红外辐射特性数据库。3）按照通用接口规范建立目标／干扰／背景的红外辐射特性模型。

复杂战场环境多波段综合建模是一个复杂的系统工程，涉及数学、物理、环境、材料及计算机等众多学科和领域，除了光学系统的工作原理以外，还必须对自然环境、光学传播效应、大气辐射传输效应、目标反射特性和目标红外、紫外（可见光）辐射特性等进行建模。因此有必要构建一个具有标准模型接口的多波段光学建模平台，使来自不同波段的模型能够单独建模，而无须担心模型的集成，同时该平台不仅能够实现武器系统研制、测试与评估过程的标准化和无缝连接，而且能够与更高层次的仿真体系结构互连，以促进模型的可重用性、互操作性及支持多分辨率系统仿真。

图2 目标／干扰／背景建模基本流程

2.2 多源红外模拟器波束合成技术

多源红外模拟器可实现对多个波段点源目标／干扰和成像目标的模拟。多源红外模拟器工作在不同波段和不同模式，因此其每一路的光路会有所差异，实现基于多源红外模拟器抗干扰仿真的关键在于如何在同一孔径上实现多源波束的共轴合成。

本文采用一种基于多波段光纤面板复合的波束合成技术，通过光学系统、光纤面板复合系统和主投影光学系统实现不同波段的点源和成像目标波束的合成和准直。光学系统是各模拟器通道的光学系统，分别对不同波段的光束进行传输。光纤面板复合系统是整个波束合成的核心，能够将不同方向、不同波段的光束汇聚到成像面上，合成一个方向输出。主投影光学系统将合成的光束进行共轴共孔径准直输出。多源红外模拟器波束合成原理如图3所示。

图3 多源红外模拟器共孔径波束合成原理图

多波段点源目标／干扰通道的光学系统将多波段点源波束投影到光纤面板的中间像面上。红外成像目标则是通过场景投影系统和红外成像转换器［4-5］将数字图像转换成红外图像投影至光纤面板的中间像面上。经由光纤面板将各通道的波束进行复合并由主投影光学系统将波束投影至探测器视场内进行仿真。

2.3 多源红外模拟器抗干扰仿真实时控制技术

多源红外模拟器的控制系统包括点源控制系统和成像控制系统。本文主要针对点源控制系统中抗干扰仿真实时控制技术进行研究。点源抗干扰仿真实时控制技术可实现干扰的能量和干扰运动状态的变化。多源红外模拟器抗干扰仿真点源控制系统采用基于RTX 的反射内存（VMIC）的实时网络控制技术实现了对干扰的实时控制。该系统由控制机构和执行机构的硬件和相应软件组成。控制机构由电源控制器、电机驱动器、电机运动控制卡、驱动控制网络、反射内存卡、I／O 卡、编码器和控制计算机组成。控制系统的执行机构由辐射特性控制的光阑控制电机、滤光片控制电机、光源开关以及运动特性控制电机组成。多源红外模拟器中可有多路控制原理相同的点源控制系统。运动控制卡接收指令，通过环形网络，对各个电机下发指令，实现运动控制，并接收反馈数据，显示运动状态。同时I／O 卡接收指令实现对多路光源进行控制并反馈状态信息，可实现单个干扰不同方向的连续投放和多个干扰不同方向的连续投放方式，其中目标与干扰最大分离角速度为2°／s，干扰投放间隔最小为0.1s。点源控制系统结构框图如图4所示。

图4 点源控制系统的控制机构结构框图

实时操作系统采用RTX 操作系统，系统之间采用共享内存的方式进行通信。通过VMIC 网络接收主控计算机发送的自检、加载、运行、停止等仿真过程控制命令对干扰通道的能量和运动状态进行控制，实现抗干扰全过程的实时仿真。

2.4 抗干扰仿真评估技术

对红外制导系统抗干扰能力评定的关键在于制导系统所采用的信号处理算法，因此对抗干扰仿真性能评估的核心是制导系统信号处理单元。信号处理算法仿真性能评估系统由三个开放式模块组成，即图像数据库、信号处理算法模块、性能评估模块，如图5所示。

图5 信号处理算法仿真性能评估流程

图像数据库包括多种不同来源的数据图像，其中模拟图像是由复杂场景建模软件根据战术指标和具体应用生成不同干扰类型和干扰模型的复杂干扰场景序列图像。信号处理算法模块将算法进行模块化分解以便于对每个模块的性能进行单项评估。性能评估模块则可以对仿真结果进行统计分析，制定相应的评估指标，采用层次分析法对整个处理过程进行评估。

抗干扰仿真评估技术可以实现复杂干扰环境下，红外制导系统的抗干扰能力的评定。利用该项技术，可以对复杂天空背景、复杂海环境背景、不同干扰类型（如人工诱饵干扰弹的单发连续投放、多发连续投放）等进行抗干扰仿真，对红外制导系统信号处理算法的检测概率、虚警概率、跟踪精度、算法复杂度进行评定，并最终给出综合评估结果。

3 结束语

红外制导抗干扰半实物仿真系统已在红外制导旋转导弹研制中得到应用，该系统为红外成像制导导弹提供了一个具有高逼真度的红外场景，模拟了导弹飞行全过程的姿态变化，模拟了红外诱饵弹的投放过程，并对红外制导抗干扰性能进行评估，满足了红外制导导弹抗干扰的仿真需求。■

［1］Huber，Edward G，Courtney，et al.Hardware-in-theloop simulation at wright laboratory’s Dynamic Infrared Missile Evaluator （DIME）facility［J］.SPIE，1997，3084：2-8.

［2］Hank D，Jackson Ⅱ，Nathanael L，et al.Air force electronic warfare evaluation simulator（AFEWES）infrared test and evaluation capabilities［J］.Proc.of SPIE，2006，6208（2）：1-12.

［3］李奇，陆志沣，王晓铭，等.复杂场景的红外成像建模和仿真［J］.红外激光与工程，2008，37（z）：425-427.

［4］张励，冯晓晨，张琰，等.基于电阻阵的红外图像实时生成和显示系统［J］.系统仿真学报，2006，18（z）：460-462.

［5］Li Yanhong，Zhang Li，Li Zhuo.PI film property analysis in the application of infrared image transform technique［J］.Proc.of SPIE，2013，8907（14）：1-11.