典型末敏弹对抗可视化仿真软件研究*

唐辉辉,郭　锐,檀艳朝,刘荣忠,张　俊

(1　南京理工大学机械工程学院智能弹药国防重点学科实验室,南京　210094;

2　国营5103厂,河南南阳　473000)

典型末敏弹对抗可视化仿真软件研究*

唐辉辉1,郭锐1,檀艳朝2,刘荣忠1,张俊1

(1南京理工大学机械工程学院智能弹药国防重点学科实验室,南京210094;

2国营5103厂,河南南阳473000)

摘要:文中基于MATLAB/GUI软件开发了一套用于典型末敏弹对抗的可视化仿真软件,通过人机交互界面输入典型末敏弹的初始参数、气象条件等,可获得末敏弹飞行过程的实时运动状态、红外辐射特性等,并给出了相应的干扰措施,仿真结果以表格或图像形式实时输出显示。仿真结果表明,本仿真准确地反映了末敏弹运动参数的变化,控制方便,可为末敏弹的研制、对抗及战术训练提供技术支持。

关键词:末敏弹;MATLAB/GUI;运动模块;红外辐射特性模块;对抗模块

0引言

末敏弹是一种敏感器引爆弹药,是把先进的敏感器技术和爆炸成形弹丸(EFP)技术应用到子母弹领域中的一种新型弹药[1]。传统研究多采用大量物理实验方法,成本高、效率低,而运用可视化仿真系统软件,可得到末敏弹运动的实时图像,就可以形象直观的根据末敏弹的运动状态及时发现问题,通过修改结构、弹道、气动等参数进一步完善末敏弹的弹道模型,以达到更好的攻击效果。

目前常规弹药的可视化仿真软件研究很多,文献[2]针对鱼雷在既定的弹道、不同导引律下的运动过程进行了可视化仿真。文献[3]对基于VR的末敏弹可视化仿真方法进行了研究,但其主要功能为末敏弹全弹道可视化仿真,不具备人机交互功能。

根据末敏弹告警对抗的军事需要,文中开发了一套用于对抗外军典型末敏弹的可视化仿真软件,基于MATLAB/GUI进行了界面设计,通过人机交互界面输入初始参数便可得到计算结果并且可以直观显示典型末敏弹在设定战情条件下的实时飞行轨迹,获得典型末敏弹飞行过程的红外辐射特性,并能给出相应的对抗干扰措施。

1MATLAB/GUI图形用户界面

MATLAB集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,在系统建模和仿真、科学和工程绘图及应用程序开发等方面有着广泛应用。MATLAB /GUI图形用户界面[4]包含了各种图形控制对象,如图形窗口、菜单、对话框以及文本等内容的用户界面。为了让界面实现各种功能,需要对各个图形对象进行布局和时间编程。利用这些用户界面,用户可以和计算机之间进行信息交流。用户可以通过某种方式来选择或者激活这些图形对象,来运行一些特性的M文件。

2对抗可视化仿真软件总体设计

此软件同时具备参数输入、仿真计算及计算结果数据的保存和输出功能。

末敏弹可视化仿真系统大致包括主界面模块、弹道仿真模块、视景显示模块等。其中主界面模块包括了仿真控制模块、参数设置模块、图表显示模块。视景显示模块包括末敏弹几何特性模型和地形几何特性模型。仿真系统结构如图1所示。

图1　仿真系统结构图

2.1　参数定义模块

参数定义模块主要设置大气参数(风速、风向、温度),外弹道初始参数(末敏弹位置、姿态、速度、角速度等)等的功能。参数设置模块结构与功能如表1所示。

表1　参数设置模块结构与功能

2.2　弹道仿真模块

末敏弹弹道[5]仿真模块包括4个部分,分为母弹飞行力学特性模块、子弹抛射动力学特性模块、子弹减速减旋飞行动力学特性模块、子弹稳态扫描动力学特性模块。其中各个阶段分别有相应的弹道方程,依据参数设置模块设置的参数,运用四阶龙格-库塔法求解弹道方程组,得出各个阶段的弹道轨迹。弹道仿真模块结构如图2所示。

图2　弹道仿真模块结构图

2.3　红外辐射特性模块

末敏弹红外辐射特性模块[6]大致分为参数设置模块、末敏弹自身热辐射计算模块、末敏弹外表面反射红外辐射特性模块、Modtran大气传输计算模块。温度计算模块由对流热计算模块、面元间辐射计算模块、外部辐射计算模块组成。红外辐射特性模块内部模块的关系结构图如图3所示。

图3　末敏弹红外辐射特性结构图

2.4　对抗干扰模块

主要针对末敏弹的毫米波辐射计和红外辐射计特性,提出两种对抗末敏弹的干扰方法。

1)有源干扰对抗

有源干扰对抗[7]是采用毫米波干扰源发射窄频信号产生热源,经辐射计宽带接收和检波后获得宽时信号波形,视频放大器低频电路的微分作用使宽时信号波形失真为正、负脉冲形式的分裂信号,其中负脉冲部分类似末敏弹探测装甲目标的负向脉冲波形,实现模拟冷目标的干扰效果。

2)无源干扰对抗

烟幕干扰[8]是一种重要的光电无源对抗手段,坦克装甲目标可以采用喷射烟幕或发射烟幕弹,在其上方形成自卫烟幕,从而改变目标及背景的辐射特性,降低目标与周围背景之间的对比度,降低末敏弹对坦克装甲目标的识别概率。

2.5　软件设计与应用流程

软件应用的大致流程为启动软件,输入参数及文件,判断是否合乎要求,进行各个阶段弹道解算,解算结果显示图像。弹道解算结果和几何模型导入视景模块。

图4　设计与应用流程

3典型算例

此算例是以末敏弹某飞行段作为研究对象。首先,在Matlab软件环境下,运用四阶龙格-库塔法求解弹道方程组建立了末敏弹的弹道模型,编写程序代码,最终生成末敏弹对抗可视化仿真软件主界面及多个GUI界面。仿真设计主界面如图5所示。

图5　仿真设计主界面

仿真设计主界面中的菜单结构包括文件、弹道模拟、参数、帮助。其中文件包括新建、打开、保存、另存为。参数设置包括风速参数、外弹道初始参数、抛射参数、红外辐射特性模块参数、对抗干扰模块参数。弹道模拟包括母弹飞行模拟、子母弹抛射分离模拟、减速减旋模拟、稳态扫描模拟。仿真包括全弹道模块仿真、红外辐射特性模块仿真、对抗干扰模块仿真。菜单结构图如图6所示。

图6　菜单结构图

这里主要考虑到两个方面的参数,外弹道初始参数和风速参数。外弹道参数设置和风速参数设置分别如图7、图8所示。仿真结果如图9所示。

图7　外弹道初始参数

图8　风速参数设置

图9　仿真运行结果

仿真结果界面中输出分别有空间距离图,x、y、z方向时间-距离曲线,x、y、z方向速度曲线,转速-时间曲线。左下角为末敏弹母弹质点运动曲线。右下角为位移,速度,角速度的数据输出。

4结论

结合MATLAB /GUI图形用户界面开发了一套用于典型末敏弹对抗的可视化仿真软件。可对末敏弹运动状态进行实时计算,并实时显示末敏弹的运动状态。软件反映了末敏弹运动规律,操作方便。通过使用高效率的编程语言和图表显示软件实现了末敏弹运动的实时计算和实时显示,并为CPU留下了很大时间余量,为系统扩展打下了很好的基础。给出了干扰末敏弹的相应措施,为末敏弹的研制、对抗及战术训练提供技术支持。

参考文献:

[1]刘荣忠. 末敏弹结构动态响应和结构特性分析 [D]. 南京: 南京理工人学, 1996.

[2]彭海军, 王德石, 陈觉之. 鱼雷弹道可视化仿真研究 [J]. 武汉理工大学学报, 2009, 31(6): 100-103.

[3]邱荷, 刘荣忠, 郭锐, 等. 末敏弹的可视化仿真研究 [J]. 计算机仿真, 2013, 3(1): 137-140.

[4]罗华飞. MATLAB/GUI设计学习手记 [M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2009.

[5]杨绍卿. 灵巧弹药工程 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2010.

[6]张俊. 典型末敏弹的红外辐射特性研究 [D]. 南京: 南京理工大学, 2014.

[7]陈曦, 许建中, 孟春祥. 末敏弹毫米波辐射计波形干扰新方法 [J]. 宇航学报, 2013, 34(6): 855-859.

[8]辛宇天, 杨成文, 樊琨. 末敏弹及其对抗方法分析 [J]. 舰船电子工程, 2013, 33(12): 72-75.

收稿日期:2014-06-04

基金项目:国家自然科学基金(11102088;11372136)资助

作者简介:唐辉辉(1989-),男,江苏南通人,硕士研究生,研究方向:弹药灵巧化与智能化技术。

中图分类号:TJ414.5

文献标志码:A

Countermeasure Visual Simulation Software of Typical
Terminal-sensitivive Projectile

TANG Huihui1,GUO Rui1,TAN Yanchao2,LIU Rongzhong,ZHANG Jun1

(1Ministerial Key Laboratory of ZNDY, School of Mechanical Engineering, Nanjing University of

Science & Technology, Nanjing 210094, China;2No.5103 Factory, Henan Nanyang 473000, China)

Abstract:Based on MATLAB/GUI software, a visual simulation software was developed for typical terminal-sensitive projectile countermeasure By entering initial parameters, weather conditions, etc. through interaction face, the projectile’s real-time motion, infrared radiation during flight can be got, and the corresponding measures of interference were given, the simulation results were output in real time as table or image. The simulation results show that the simulations accurately reflect the projectile’s motion parameter change, it is easy to control and provides technical support for developement, countermeasure and tactical training of terminal-sensitive projectile.

Keywords:terminal sensitive projectile; MATLAB/GUI; motion module; infrared radiation characteristics of module; countermeasure module