射频/红外双模复合制导仿真试验系统

顾振杰

（中国人民解放军91336部队,河北 秦皇岛 066000）

0 引言

随着科学技术的高速发展及其在军事领域的应用,导弹在战场上面临的作战环境越来越恶劣,单一频段或模式的制导体制受其性能的局限,已不能满足现代战场作战的需求。复合制导体制可以充分发挥多种制导体制的优势,克服单一制导体制的缺陷,取长补短,从而有效提高导弹命中精度和突防能力,极大地增强导弹武器系统的作战效能。复合制导已成为精确制导技术发展的重要方向。

射频/红外复合制导是精确制导中重要且应用很广泛的一种。射频/红外复合导引头的结构形式主要有两种:一是分口径结构,即每个通道采用单独的射频/红外天线和探测器;二是共口径结构,即采用一个共用的射频/红外天线和分开设置的探测器。两种结构形式各有优缺点,综合比较,第二种更能够满足导引头高性能和小型化的要求。

目前,精确制导武器末制导也越来越多地采用射频/红外复合体制。作为导弹武器系统研制过程中有效的检验与验证手段,射频/红外复合制导半实物仿真试验技术成为研究热点。该技术针对任务需求,在实验室环境中将不同体制的射频、红外目标信号进行复合,并构建半实物仿真系统,实现对制导系统的闭环仿真,为新型导弹武器系统的试验鉴定提供良好的半实物仿真试验环境。

1 复合导引头仿真试验系统方案

国外对复合导引头半实物仿真的研究已开展多年,并取得了一定成果。目前,国外研制的射频/红外复合导引头的结构布局可分为“分口径”和“共口径”两种方式,并建立了相应的半实物仿真试验系统。

第一类是为采用“分口径”结构形式的复合导引头提供仿真环境的仿真试验系统,简称“分口径”仿真试验系统。以美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的射频/红外双模制导仿真试验系统为例,“分口径”仿真试验系统主要由转台、红外图像生成系统、仿真计算机、射频目标模拟系统和面阵等组成,如图1所示。

图1 “分口径”仿真试验系统组成示意图

“分口径”仿真试验系统具有单独的红外图像生成系统和射频目标模拟系统。红外仿真分系统分为微波暗室内和暗室外两部分。暗室外部分用于生成带有目标和背景信息的红外信号,该信号经光路组合后从暗室窗口进入到暗室内,经过反射进入红外导引头视场。红外仿真分系统中目标/背景的运动主要由垂直扫描多棱镜和水平扫描多棱镜模拟。扫描多棱镜和目标/背景源都放置在暗室外的光学平台上。射频仿真分系统中面阵安装在一面圆柱墙上,导引头安装在转台上。转台位于面阵的回转中心处,模拟方位运动。

第二类是为采用“共口径”结构形式的复合导引头提供仿真环境的仿真试验系统,简称“共口径”仿真试验系统。这类仿真试验系统也具有单独的红外图像生成系统和射频目标模拟系统,二者产生的红外信号和射频信号经波束合成器复合后,入射到被测导引头的入瞳处。以美国埃格林（Eglin）空军基地的射频/红外复合制导半实物仿真试验系统为例,“共口径”仿真试验系统由转台、波束合成器、红外图像生成系统、仿真计算机、射频目标模拟系统和面阵等组成,如图2所示。面阵辐射的射频信号经波束合成器透射后到达导引头,而红外图像生成系统发出的红外辐射信号经过波束合成器反射后到达导引头。

图2 “共口径”仿真试验系统组成示意图

射频/红外“分口径”复合导引头是早期的一种应用方式。这种复合导引头一般采用分时工作的方式,远距采用射频制导,作用距离远;近距采用红外制导,跟踪精度高。但该模式复合导引头数据融合处理性能较差,且体积较大,抗干扰能力较弱。随着对导引头小型化和抗干扰能力要求的提高,“共口径”的射频/红外复合导引头被广泛研究。由于其共用天线,可有效减小导引头体积。射频和红外两种制导模式可同时工作,后端进行数据融合处理,可极大提高导引头的抗干扰能力。而且,随着波束合成技术的不断发展,制约“共口径”仿真试验系统建设的瓶颈得到了突破。本文重点对“共口径”仿真试验系统的功能组成和关键技术进行分析。

2 复合导引头仿真试验系统总体设计

尽管复合导引头的射频导引系统和红外成像导引系统彼此存在诸多不同,但在末制导段,射频导引系统和红外成像导引系统需同时工作,捕获同一目标。因此,要求仿真试验系统必须同时提供射频目标/背景模拟信号和红外目标/背景模拟信号,并且满足复合导引头探测器的入射位置及视场要求。图3为射频/红外“共口径”复合导引头仿真试验系统原理框图。

图3 射频/红外“共口径”复合导引头仿真试验系统原理框图

该系统主要包括射频目标模拟系统、红外图像生成系统、波束合成器、转台、仿真计算机和面阵等。其中射频目标模拟系统主要由射频源、阵列馈电和控制计算机等组成;红外图像生成系统由转移器及红外投影系统和图像生成计算机等组成。被测系统（导引头）放置在转台上,模拟导弹的俯仰、偏航和滚转运动。在仿真计算机控制下,由红外图像生成计算机生成实时红外视景,经转移器及红外投影系统生成目标红外信号;同时,射频信号控制计算机控制射频源产生目标回波信号,经阵列馈电和面阵在暗室内辐射。红外信号和射频信号经波束合成器合成并被导引头探测接收。仿真过程中,由仿真计算机对目标运动学方程、导弹动力学与运动学方程、导弹与目标相对运动方程等进行实时解算,为红外图像生成系统和射频目标模拟系统以及试验转台提供相关参数。

仿真试验系统为实现复合目标模拟信号的共口径输出引入了波束合成器,波束合成器的设计和安装是半实物仿真系统的关键。另外,半实物仿真系统的实时性保障、仿真试验系统集成和系统精度保障等也是制约系统建设的关键技术,需开展深入研究。

3 关键技术

3.1 波束合成器的设计及安装

波束合成器所采用的技术路线及方案决定了波束合成器的性能。目前的波束合成器主要采用以下几种技术方案:镀有红外反射膜的介质基板、频率选择表面、衍射光学元件和光子晶体全方位反射器等。其中,镀红外反射膜的方法是应用较广泛、发展最成熟的一种。但这种合成方法也存在一些缺点:一是对入射角度敏感,反射镜一般都是基于信号垂直入射进行设计的,对于倾斜入射的信号,反射带会向短波漂移,反射系数会有所下降;二是由于设计工艺等因素,器件尺寸受限,如尺寸太大,会产生边缘效应,导致射频信号畸变。

波束合成器一般采用多层结构。这是因为用作红外反射镜的材料对微波的吸收和反射使微波的透过率很低,为了提高微波的透过率,需要把波束合成器设计成多层结构。

波束合成器的安装通常是在试验转台地基近前方搭建一个独立的结构,支撑射频/红外波束合成器,实现稳定的红外信号反射以及射频信号透射。在被试产品侧后方安装红外仿真转台,上装反射镜光学系统,将红外目标信号投射到射频/红外波束合成器上。红外信号源安装在暗室外,通过窗口将红外目标信号投射到红外仿真转台反射镜上。

3.2 双模复合导引头高速实时仿真

最小仿真步长、帧同步精度和时间同步精度是反映半实物仿真实时特性的三个主要性能指标。实时性除了和仿真系统的计算速度、接口输入/输出速度、数据交互速度等硬件特性相关,还与仿真帧时间控制、仿真系统时间函数的精度、仿真控制框架等软件特性相关。

在进行双模复合导引头闭环半实物仿真试验过程中,为了与被测产品控制系统的设计参数相匹配,保证红外图像数据、射频目标馈电控制数据、双模复合导引头仿真控制数据及被测产品控制数据的实时传输,需采用高速、实时的仿真控制技术,保证仿真试验的精度。

双模复合导引头仿真控制系统的实时控制设计主要围绕仿真帧时间控制和仿真控制框架这两个方面展开。首先从帧时间控制的角度来分析仿真系统,以保证最小仿真步长满足系统半实物仿真要求。常用的方法有帧时间平衡、进程控制、实时通讯等。然后从时间同步精度控制的角度分析复合仿真控制系统可以采用的过程控制方式,并选择最优的控制方式加以实现。可采用反射内存构建高速、实时、确定性的仿真网络,解决仿真控制系统中数据传输的实时性问题。对仿真模型而言,关键是平衡每帧的仿真计算量,选择恰当的时间函数和仿真运行控制框架。

3.3 复合目标仿真系统集成

射频/红外复合目标仿真系统集成包括红外图像生成系统、射频目标模拟系统的安装调试与测试。射频/红外复合目标仿真系统集成的难点在于确定影响射频目标精度的主要因素,减小环境对射频目标的影响,提高红外目标光轴与射频目标电轴的同轴精度。通过理论分析和仿真计算,确定影响目标仿真精度的主要因素,并根据分析和计算的结果,对复合目标仿真系统进行调试和集成。

影响目标仿真精度的主要因素有三个:一是波束合成器对射频信号的影响,波束合成器采用多层结构来提高微波的透过率,可用四端网络理论来计算微波在多层介质平板中的传输特性;二是波束合成器对红外信号的影响,波束合成器采用介质反射膜反射红外信号,介质反射膜是基于多光束干涉原理实现红外反射的,在反射过程中会造成红外场景分辨率的降低,进而影响系统的仿真精度;三是波束合成器引起的瞄准线误差,电磁波通过波束合成器时将产生相位和幅度的变化,这些变化将使天线的跟踪轴线发生偏移,从而产生瞄准线误差。由于导引头的工作体制不同,工作波段不同,波束合成器的引入将会产生不同的瞄准线误差影响,因此使用前需要测试波束合成器插入前后导引头输出的角度,在仿真过程中进行精度补偿。

4 结束语

随着复合制导技术研究与应用的深入,其仿真试验技术日益受到重视,如不尽快开展相关研究,提出有效的仿真试验系统建设方案,将会影响新体制导弹的试验能力。本文针对射频/红外复合制导半实物仿真试验系统构建的关键技术进行了探讨,设计仿真试验系统总体方案,可为复合制导导弹试验条件建设提供参考,对于同类仿真系统的建设也具有一定的借鉴意义。