多模復(fù)合制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

朱曉勤，張 翔，朱克煒，王 洋

(1海軍駐西安彈藥專業(yè)軍事代表室，西安 710043;2中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065)

0 引言

在多模復(fù)合制導(dǎo)體制中，紅外/毫米波/激光多模復(fù)合制導(dǎo)因其優(yōu)良的探測(cè)和抗干擾能力在上世紀(jì)90年代得到了廣泛關(guān)注和迅速發(fā)展。目前采用紅外/毫米波/激光多模復(fù)合制導(dǎo)體制的武器系統(tǒng)有美國(guó)JAGM聯(lián)合空地導(dǎo)彈、英國(guó)硫磺石空地導(dǎo)彈以及德國(guó)斯瑪特末制導(dǎo)炮彈等。這些武器系統(tǒng)技術(shù)含量高，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，探測(cè)模式多，控制難度大，因此需要研制相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，以對(duì)武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制和改進(jìn)提供依據(jù)，而半實(shí)物仿真無疑是最好的選擇。在多模仿真領(lǐng)域，國(guó)外在上世紀(jì)90年代就已取得重大突破。美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心使用小型紅外源成功實(shí)現(xiàn)了紅外/毫米波雙模仿真[1];約翰霍普金斯大學(xué)開發(fā)了射頻/紅外復(fù)合仿真系統(tǒng)[2]，相比海軍空戰(zhàn)中心，該系統(tǒng)目標(biāo)模擬的能力更加逼真，可對(duì)復(fù)合導(dǎo)引頭進(jìn)行全面的測(cè)試與評(píng)估;美國(guó)陸軍導(dǎo)彈司令部研制的復(fù)合仿真系統(tǒng)[3]，能夠?yàn)槎嗄?dǎo)引頭的開發(fā)提供高質(zhì)量的仿真支持。此外，埃格林空軍基地以及先進(jìn)多模仿真試驗(yàn)驗(yàn)收源也開發(fā)了高性能的復(fù)合仿真系統(tǒng)[4]，后者具備了紅外/毫米波/激光三模復(fù)合仿真的能力，可以將三種波束在空間合成并同時(shí)投射到一個(gè)導(dǎo)引頭入瞳。國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，近年來雖然在一些關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破[5]，但和國(guó)外相比仍有不小的差距。

文中主要對(duì)紅外/毫米波/激光多模復(fù)合制導(dǎo)半實(shí)物仿真技術(shù)進(jìn)行研究。首先對(duì)多模仿真系統(tǒng)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì);然后分析紅外目標(biāo)模擬、毫米波目標(biāo)模擬、激光回波模擬、多模目標(biāo)波束合成、目標(biāo)隨動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑;最后給出了多模仿真的工作原理和試驗(yàn)流程。

1 多模復(fù)合制導(dǎo)仿真系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

紅外/毫米波/激光多模復(fù)合制導(dǎo)仿真系統(tǒng)由毫米波目標(biāo)模擬系統(tǒng)、紅外目標(biāo)模擬器、激光回波模擬器、紅外/毫米波/激光波束合成器、紅外/激光波束合成器、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、目標(biāo)隨動(dòng)系統(tǒng)、慣導(dǎo)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)、舵機(jī)負(fù)載模擬器、仿真計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和試驗(yàn)總控制臺(tái)系統(tǒng)組成。其中，毫米波目標(biāo)模擬系統(tǒng)包括毫米波暗室、陣列及饋電系統(tǒng)、射頻信號(hào)源、干擾信號(hào)模擬器、校準(zhǔn)裝置、試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)等。參試部件包括導(dǎo)引頭、慣性導(dǎo)航裝置、彈上計(jì)算機(jī)和舵機(jī)。仿真系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 多模復(fù)合制導(dǎo)仿真系統(tǒng)原理框圖

如圖1所示，整個(gè)仿真系統(tǒng)分為暗室內(nèi)部分和暗室外部分。暗室內(nèi)部分由毫米波目標(biāo)模擬系統(tǒng)、紅外目標(biāo)模擬器、激光回波模擬器、紅外/毫米波/激光波束合成器、紅外/激光波束合成器、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)及目標(biāo)隨動(dòng)系統(tǒng)組成;暗室外部分由慣導(dǎo)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)、舵機(jī)負(fù)載模擬器、仿真計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和試驗(yàn)總控制臺(tái)系統(tǒng)組成。

紅外、毫米波、激光目標(biāo)的共孔徑合成由波束合成器來實(shí)現(xiàn)[6]。如圖1所示，首先，利用紅外/激光波束合成器將紅外與激光信號(hào)合成，再將合成后的信號(hào)與毫米波信號(hào)通過紅外/毫米波/激光波束合成器二次組合后投射到被試導(dǎo)引頭的入瞳，實(shí)現(xiàn)多模目標(biāo)信號(hào)的共孔徑投射。

2 多模復(fù)合制導(dǎo)仿真關(guān)鍵技術(shù)

2.1 紅外目標(biāo)模擬

紅外信號(hào)的模擬由紅外目標(biāo)模擬器來實(shí)現(xiàn)。紅外目標(biāo)模擬器可以向被試導(dǎo)引頭提供高動(dòng)態(tài)、高分辨率的紅外場(chǎng)景，主要由計(jì)算機(jī)圖像生成系統(tǒng)、可見光/紅外圖像轉(zhuǎn)換器和準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng)等組成。紅外目標(biāo)模擬器的工作過程為:將計(jì)算機(jī)圖像生成系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景變成微顯示器能夠接受的場(chǎng)景灰度圖像，控制電路將灰度圖像轉(zhuǎn)換為各個(gè)像元的控制電流或電壓信號(hào)，進(jìn)而生成相應(yīng)的可見光動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，最后，通過可見光/紅外圖像轉(zhuǎn)換器將可見光場(chǎng)景轉(zhuǎn)換為紅外場(chǎng)景，并由準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)投射出去。

圖2 紅外目標(biāo)模擬器原理框圖

2.2 毫米波目標(biāo)模擬

毫米波信號(hào)的模擬由毫米波目標(biāo)模擬系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。毫米波目標(biāo)模擬系統(tǒng)主要由毫米波暗室、陣列及饋電系統(tǒng)、射頻信號(hào)源、干擾信號(hào)模擬器、校準(zhǔn)裝置、試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)等設(shè)備組成，其目標(biāo)模擬過程為:射頻信號(hào)源接收被試導(dǎo)引頭的發(fā)射信號(hào)，將其變頻到微波中頻頻段;射頻信號(hào)源和干擾信號(hào)模擬器收到發(fā)射信號(hào)后，對(duì)導(dǎo)引頭輸出信號(hào)進(jìn)行彈目距離、幅度以及多普勒調(diào)制，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波信號(hào)模擬，通過對(duì)導(dǎo)引頭輸出信號(hào)進(jìn)行干擾信號(hào)幅相調(diào)制等多種信號(hào)的處理，實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)模擬;所模擬的目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)通過陣列饋電系統(tǒng)以動(dòng)態(tài)的輻射角度向被試導(dǎo)引頭輻射。

2.3 激光回波模擬

激光回波信號(hào)的模擬由激光回波模擬器來實(shí)現(xiàn)。激光回波模擬器主要由控制系統(tǒng)、激光器、光斑遮擋模擬、能量模擬、光斑大小模擬、光斑位置振動(dòng)模擬、準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)等部分組成。

2.4 紅外/激光波束合成

紅外與激光信號(hào)的共孔徑合成由紅外/激光波束合成器來實(shí)現(xiàn)。其工作原理為反射紅外透射激光，將紅外目標(biāo)模擬器生成的紅外信號(hào)與激光回波模擬器生成的激光信號(hào)在空間組合后投射到紅外/毫米波/激光波束合成器上。合成器基片采用對(duì)毫米波吸收較小的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。合成器表面鍍有多層介質(zhì)膜，通過膜系設(shè)計(jì)，使之具有3～5μm 、8～12μm波段的高反射帶。紅外/激光波束合成器通常要求紅外反射率大于80%，激光透過率大于70%。

2.5 紅外/毫米波/激光波束合成

紅外、毫米波、激光信號(hào)的共孔徑合成由紅外/毫米波/激光波束合成器來實(shí)現(xiàn)。其工作原理為反射紅外、激光，透射毫米波，將經(jīng)紅外/激光波束合成器反射的紅外、激光信號(hào)與毫米波目標(biāo)模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的毫米波信號(hào)在空間組合后投射到被試導(dǎo)引頭的入瞳。合成器基片采用對(duì)毫米波吸收較小的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。合成器表面鍍有多層介質(zhì)膜，通過膜系設(shè)計(jì)，使之具有 3 ～5μm、8 ～12μm、1.064μm 波段的高反射帶。紅外/毫米波/激光波束合成器通常要求紅外和激光的反射率大于80%，毫米波透過率大于60%。波束合成器的尺寸根據(jù)毫米波、紅外及激光波段的視場(chǎng)角決定，同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)室總體布局結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)干涉。

2.6 目標(biāo)隨動(dòng)

紅外/激光目標(biāo)的隨動(dòng)由目標(biāo)隨動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。目標(biāo)隨動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載紅外目標(biāo)模擬器、激光回波模擬器及紅外/激光波束合成器。目標(biāo)隨動(dòng)系統(tǒng)接收并響應(yīng)仿真計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)輸出的控制信號(hào)，將紅外目標(biāo)模擬器產(chǎn)生的紅外信號(hào)和激光回波模擬器產(chǎn)生的激光信號(hào)投射到紅外/毫米波/激光波束合成器上。以球面運(yùn)動(dòng)的方式帶動(dòng)紅外和激光目標(biāo)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)較長(zhǎng)半徑上的方位、俯仰方向的視線角運(yùn)動(dòng)模擬。

3 工作原理和試驗(yàn)流程

3.1 工作原理

多模復(fù)合制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的工作原理為:三軸轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)載導(dǎo)引頭，與紅外/激光/毫米波目標(biāo)模擬器系統(tǒng)一起模擬彈目的相對(duì)運(yùn)動(dòng);慣導(dǎo)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)載慣導(dǎo)，模擬導(dǎo)彈飛行姿態(tài);舵機(jī)負(fù)載模擬器負(fù)載舵機(jī)，模擬導(dǎo)彈在飛行過程中舵面所受的鉸鏈力矩;紅外目標(biāo)模擬器接收計(jì)算機(jī)圖像生成系統(tǒng)生成的圖像信號(hào)將其轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)紅外場(chǎng)景;激光回波模擬器實(shí)時(shí)生成編碼激光回波信號(hào);毫米波目標(biāo)模擬系統(tǒng)實(shí)時(shí)生成毫米波回波信號(hào)。仿真開始后，紅外/激光波束合成器反射紅外信號(hào)透射毫米波信號(hào)，將二者在空間組合后投射到紅外/毫米波/激光波束合成器上;紅外/毫米波/激光波束合成器反射紅外/激光信號(hào)透射毫米波信號(hào)將三種信號(hào)在空間組合后投射到被試導(dǎo)引頭的入瞳，實(shí)現(xiàn)多模目標(biāo)模擬。整個(gè)仿真試驗(yàn)流程由仿真計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈飛行過程仿真。

3.2 試驗(yàn)流程

多模半實(shí)物仿真試驗(yàn)的參試部件一般為復(fù)合導(dǎo)引頭、慣性導(dǎo)航裝置、彈上計(jì)算機(jī)、舵機(jī)等，其仿真試驗(yàn)流程遵循以下步驟:

1)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的調(diào)試驗(yàn)收

為保證仿真試驗(yàn)的正確、可靠、可信，仿真系統(tǒng)需調(diào)試驗(yàn)收的有:各種仿真設(shè)備(包括毫米波目標(biāo)模擬系統(tǒng)、紅外目標(biāo)模擬器、激光回波模擬器等)、導(dǎo)彈飛行半實(shí)物仿真軟件、仿真信息接口、數(shù)據(jù)記錄裝置等，試驗(yàn)前必須對(duì)各分系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)收。

①半實(shí)物仿真軟件調(diào)試驗(yàn)收

半實(shí)物仿真軟件是仿真的核心，它的正確與否直接關(guān)系著仿真試驗(yàn)的成敗，必須給予高度重視。仿真軟件的研制以控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、彈體參數(shù)、氣動(dòng)力參數(shù)、推力模型、邊界條件、干擾條件、發(fā)射控制時(shí)序等為依據(jù)研制完成。進(jìn)行正式試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)半實(shí)物仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)收，確認(rèn)仿真軟件滿足仿真要求，同時(shí)給出半實(shí)物仿真軟件試驗(yàn)結(jié)果判據(jù)，作為正式試驗(yàn)中仿真結(jié)果正確與否的依據(jù)。

②實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)收

完成實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的調(diào)試，確保實(shí)時(shí)性達(dá)到仿真試驗(yàn)的要求。

③數(shù)據(jù)記錄裝置調(diào)試驗(yàn)收

數(shù)據(jù)記錄裝置的功能是接收參試部件發(fā)出的各種數(shù)據(jù)，同時(shí)采集仿真試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)數(shù)據(jù)，記錄成文件形式，供試驗(yàn)結(jié)果分析判定使用，該裝置應(yīng)滿足實(shí)時(shí)、可靠、完整等要求。

④仿真信息接口調(diào)試驗(yàn)收

仿真信息接口的功能是按照武器系統(tǒng)工作時(shí)序，分別給參試部件產(chǎn)生各種所需要的數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的總線送給各參試部件。武器系統(tǒng)工作時(shí)序復(fù)雜，傳送參數(shù)多，仿真信息接口在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中起著數(shù)據(jù)傳送和轉(zhuǎn)換的作用，數(shù)據(jù)來源由仿真計(jì)算機(jī)按照各部件模型實(shí)時(shí)產(chǎn)生，通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳送給仿真信息接口。仿真信息接口的驗(yàn)收按照武器系統(tǒng)工作時(shí)序要求進(jìn)行，在實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)仿真狀態(tài)下，由數(shù)據(jù)記錄裝置進(jìn)行采集和分析驗(yàn)證。

⑤仿真系統(tǒng)預(yù)仿真試驗(yàn)

在各分系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)收后，接入?yún)⒃嚥考M(jìn)行預(yù)備性仿真試驗(yàn)，完成對(duì)整個(gè)仿真系統(tǒng)的調(diào)試，確認(rèn)仿真系統(tǒng)是否工作正常。

2)參試部件測(cè)試驗(yàn)收試驗(yàn)

利用調(diào)試好的仿真系統(tǒng)對(duì)復(fù)合導(dǎo)引頭、慣性導(dǎo)航裝置、彈上計(jì)算機(jī)、舵機(jī)等參試部件開展測(cè)試驗(yàn)收試驗(yàn)，所有參試部件應(yīng)為驗(yàn)收合格的產(chǎn)品，試驗(yàn)在開環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行，重點(diǎn)考核各參試部件的技術(shù)狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求及達(dá)到仿真試驗(yàn)要求。

3)地面制導(dǎo)部件半實(shí)物仿真試驗(yàn)

按照地面制導(dǎo)部件仿真試驗(yàn)方案，先進(jìn)行仿真調(diào)試，連通各種仿真接口，待仿真系統(tǒng)工作正常后再按試驗(yàn)方案和仿真條件開展地面制導(dǎo)部件半實(shí)物仿真試驗(yàn)。

4)彈上控制部件半實(shí)物仿真試驗(yàn)

按照彈上控制部件仿真試驗(yàn)方案，先進(jìn)行仿真調(diào)試，連通各種仿真接口，待仿真系統(tǒng)工作正常后再按試驗(yàn)方案和仿真條件開展彈上控制部件半實(shí)物仿真試驗(yàn)。

5)全系統(tǒng)閉環(huán)半實(shí)物仿真試驗(yàn)

按照全系統(tǒng)閉環(huán)仿真試驗(yàn)方案，先進(jìn)行仿真調(diào)試，連通各種仿真接口，待仿真系統(tǒng)工作正常后再按試驗(yàn)方案和仿真條件開展全系統(tǒng)閉環(huán)半實(shí)物仿真試驗(yàn)。

4 結(jié)論

文中對(duì)多模復(fù)合制導(dǎo)半實(shí)物仿真技術(shù)進(jìn)行了研究，給出了多模復(fù)合制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。對(duì)紅外目標(biāo)模擬、毫米波目標(biāo)模擬、激光回波模擬、多模目標(biāo)波束合成、目標(biāo)隨動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，給出了多模仿真的工作原理和試驗(yàn)流程。本研究可用于多模仿真系統(tǒng)的建設(shè)以及作為開展多模仿真試驗(yàn)的參考依據(jù)，具有很好的應(yīng)用前景。

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