现代战场环境中红外面目标模拟源实现方法

骆 强,吕鸿鹏,孙卫平,刘 灏,常 磊,张翔宇,杨 勇

(西安现代控制技术研究所, 西安 710065)

随着现代战场环境日趋复杂，人们对红外精确制导武器的战场适应性提出了更高要求，如何检验和评估武器系统的作战效能成为重要的研究课题[1,2]。红外成像目标模拟器是半实物仿真实验中不可缺少的重要组成部分[3]，它可以有效考核武器系统关键部件(红外导引头)对红外目标的探测与跟踪能力。在以往的试验中，通常采用支架加电热毯构建的简易红外目标源作为模拟被攻击目标[4]。这种方法可简单有效地模拟点目标[5]，但是无法真实模拟面目标的红外辐射特性，无法区分主要发热部位、过渡区域以及其它部分的温差变化细节；同时，由于温差的形成为开环方式，无法设定需要的温度值，导致受外界环境变化的影响较大，不确定因素较多。总之，该模拟方法目标相似度较低，无法真实有效地考核导引头对实际军事目标的探测与跟踪能力。国外已经建立起从目标红外模拟成像和战场背景模拟到多目标红外模拟的模拟系统，并应用到靶场测试中，取得了很好的效果[6-7]。

为此，本文提出一种新型的红外面目标模拟方法，通过采用模块化设计，将面目标分为多个子单元，对每个子单元分别进行加热和实时控制，可以较为精确地模拟近似于战场环境下固定工事、坦克和直升机的静态与动态目标红外辐射特性，提高了模拟目标的相似度，弥补了目前红外导引头试验条件和环境的不足，并为精确制导武器系统的抗干扰技术研究、光电干扰设备的性能和干扰效果的测试、评估提供了必要条件。

1 系统结构

系统主要由温度传感器、模拟目标、支撑装置、发热材料、调功电路、调理模块、电源系统、综合测控系统组成。整个系统组成框图如图1。

首先，支撑装置根据不同的目标对象构建相应的支撑立体结构，固定发热材料并支撑相关的设备放置。其次，温度传感器通过高精度热电阻采集发热材料的温度，调理模块将温度传感器采集的温度变成标准电流信号，综合测控系统实现温度信号采集及发热材料温度控制功能。最后，电源系统采用大功率发电机及相关电源模块为调功电路供电，调功电路根据综合测控系统计算的PID值对发热材料的温度进行控制。发热材料选用硅橡胶电加热板，将目标温度加热到指定温度。本系统的硬件采集系统采用PXI计算机与数据采集卡，软件系统采用基于LabVIEW的控制管理软件。

本文的模拟目标包括坦克和直升机目标源。目标源模拟系统将硅橡胶电加热板根据模型加工成规矩的形状并安装在支撑装置上。试验时，在综合测控系统中可以根据不同的模拟目标给出相应的不同温度控制策略和模块连接方式，进而对不同发热单元进行温度控制。

红外模拟目标的表面温度调节系统是闭环控制系统[8]，采用综合测控系统控制相关部位的温度。红外模拟目标的表面温度由热电阻传感器采集提供，温差的标校采用红外点温仪选定的背景进行逐点测量，为了方便参数设置，可通过综合测控系统屏幕上的界面进行对应设置。布置在红外模拟目标上的温度传感器信号经信号调理模块调理后以电流的方式传输给综合测控系统采集模块，综合测控系统采集模块将电流信号转换成可识别的数字信号，并将该数字信号与屏幕上输入的理论温度进行比较，从而得到控制调节温度的控制信息。该信息通过数/模转换模块转换成电压信号后，传输给电压调理模块，通过电压调理模块控制输出功率，实现对加热体的控制。温度控制方案原理框图如图2。

加热板布局是根据目标尺寸要求设计的。将加热板支架尺寸设计为3块，第一块为5×8=40个，第二块为5×8=40个，第三块为2×8=16个，加热板数量为12×8=96个，当模型为坦克时，安装第一、第二模板的加热板，当模型为直升机时，安装三个模板的加热板，布局如图3。

支撑装置根据不同的目标对象构建相应的支撑立体结构，固定发热材料。支撑装置可根据目标要求组成相应的模拟目标，支撑相关的设备放置。以第一安装支架为例，其支撑装置结构如图4。该支撑装置由可快速组合拼装的模块组成，在野外试验时可以快速搭建。

以坦克目标模拟为例，其模拟模型布局如图5所示。坦克模型对应10×8大小的加热板，为将加热板中的每一个点对应进软件系统，其亮点代表了模拟目标发热部分，暗点代表了模拟背景部分。计算机控制软件对不同点的发热温度进行设定后，便可对红外目标进行模拟。

2 红外目标模拟评估

系统根据试验要求模拟坦克、直升机在不同状态下的红外辐射特性，如图6～图9所示。

红外目标模拟评估采用相似度评估方法[9]，系统A、B之间存在n个相似要素，即构成n个相似元，设每个相似元的值为q(ui)，每个相似元对相似程度的影响权重为βi，系统A与B的相似度定义为[10]：

(1)

式(1)中，n/(k+l-n)表示A和B的要素数量n对系统相似度的影响；βiq(ui)表示每一相似要素的相似度及其权重对系统相似度的影响。

设模拟系统的输出结果为ys，被模拟对象系统的试验结果或理论结果为yr，则：

(2)

红外干扰目标模拟系统主要参数包括面积、温差、形状等[11]，设面积为q(u1)，温差为q(u2)，形状为q(u3)。在武器系统研制过程中，模拟常见军用红外目标热辐射特性一般将面积、温差、形状在红外干扰目标模拟系统技术参数中的权重分别为0.3、0.4、0.3。

试验中以坦克为例，在坦克模拟时，真实坦克面积为60(模拟块数量)，温差为105，形状为1，模拟系统面积为57(模拟块数量)，温差最大为85，形状为0.75，根据公式(2)，则q(u1)=0.947，q(u2)=0.81，q(u3)=0.75。

根据相似度公式Q(A,B)=β1×q(u1)+β2×q(u2)+β3×q(u3) =0.3×0.98+0.4×0.62+0.3×0.85=0.833，可以得出坦克红外模拟相似度为0.833，即83.3%。

在直升机模拟时，真实直升机面积为58(模拟块数量)，温差为115，形状为1，模拟系统面积为56(模拟块数量)，温差最大为85，形状为0.75，根据公式2则q(u1)=0.97，q(u2)=0.75，q(u3)=0.75。

根据相似度公式Q(A,B)=β1×q(u1)+β2×q(u2)+β3×q(u3)=0.3×0.97+0.4×0.75+0.3×0.75=0.816，可以得出坦克红外模拟相似度为0.816，即81.6%。该系统已多次参与系统对抗试验，以其优异的模拟性能获得相关单位的广泛认可。

3 结论

本文提出了一种新的红外面目标模拟方法，通过将红外面目标分为多个子单元，对每个子单元进行加热和实时控制，能够较为精确地模拟坦克和直升机目标红外辐射特性，分别达到了81.6%和83.7%的相识度，弥补了目前红外导引头试验条件和环境的不足，为红外导引头模拟试验提供了必要的条件保障。

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[1] 成娟,高教波,尹涛.室温下低温背景红外场景生成方法实验研究[J].应用光学,2009,30(5):844-848.

[2] 杨贵军,柳钦火,黄华国,等.基于场景模型的热红外遥感成像模拟方法[J].红外与毫米波学报,2007,26(1):15-21.

[3] 高辉,赵松庆.红外成像目标模拟器的应用探索[J].红外技术,2014,36(5):409-414.

[4] 吴永刚,吕俊杰.现有红外目标模拟器方案的分析[J].系统仿真学报,1993,5(4):15-19.

[5] 李旭东,冯爱国,周新妮,等.外场用红外目标模拟器辐射特性测量研究[J].应用光学,2010,31(2):256-260.

[6] HUDSON R D.Infrared system engineering[M].Wiley-Interscience,1969.

[7] WANG X W,SHEN T S,ZHOU X D.Multitarget and background simulation of infrared warning system[J].Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering,2001:4548.

[8] 胡勤.红外小目标检测跟踪系统的伺服控制研究[D].深圳：深圳大学,2016.

[9] 杨红坚,吴颖霞,魏立安.被烟幕干扰的红外目标图像的量化评估[C].长沙：第10届全国光电技术与系统学术会议，2003.

[10]周美立.相似工程学[M].机械工业出版社,1998.

[11]吴春光,王爱民.红外面目标模拟器温度控制技术的研究[J].长春理工大学学报(自然科学版),2010,33(4):74-76.