半實物仿真紅外干擾彈運動特性模擬方法研究

陳海燕，王艷奎，趙松慶，吳根水

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽　471009)

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半實物仿真紅外干擾彈運動特性模擬方法研究

陳海燕，王艷奎，趙松慶，吳根水

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽471009)

摘要：為了滿足紅外制導(dǎo)武器半實物仿真試驗的需求，提出了一種使用紅外動態(tài)景象模擬器模擬紅外干擾彈運動特性的方法，建立了圖像坐標(biāo)系下目標(biāo)-干擾運動學(xué)模型；采用MOS電阻陣列紅外動態(tài)景象模擬器實現(xiàn)了干擾運動特性的模擬，成功應(yīng)用于某型紅外制導(dǎo)武器半實物仿真試驗。

關(guān)鍵詞：紅外動態(tài)景象模擬器；干擾運動學(xué)建模；半實物仿真

本文引用格式：陳海燕，王艷奎，趙松慶，等.半實物仿真紅外干擾彈運動特性模擬方法研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(6):69-71.

Citation format:CHEN Hai-yan, WANG Yan-kui, ZHAO Song-qing, et al.Research on the Infra-Red Jamming Cartridge Kinematic Modeling and Simulation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(6):69-71.

紅外制導(dǎo)武器發(fā)展到第四代先進紅外成像制導(dǎo)模式，導(dǎo)引頭可以輸出紅外圖像，根據(jù)導(dǎo)引頭采集的紅外圖像可以分析導(dǎo)引頭工作狀態(tài)。第二、三代紅外制導(dǎo)武器半實物仿真試驗中，通常采用點源目標(biāo)模擬器，點源目標(biāo)模擬器對于目標(biāo)、干擾的模擬通常采用分光路生成再通過半透半反鏡合成的方式實現(xiàn)，控制半透半反鏡擺動，可以實現(xiàn)干擾與目標(biāo)的分離以及干擾的運動(圖1 給出了點源目標(biāo)干擾模擬原理框圖)。此種干擾運動特性模擬方式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，安裝在轉(zhuǎn)臺上重量較重，無法實現(xiàn)多個干擾。隨著第四代紅外成像制導(dǎo)武器的出現(xiàn)，以及紅外動態(tài)景象模擬器的成功研制，如何在實驗室采用紅外動態(tài)景像模擬器直接模擬目標(biāo)、干擾及其相對運動成為現(xiàn)實所需[1-2]。

在紅外制導(dǎo)武器制導(dǎo)系統(tǒng)半實物仿真試驗中，需要對整個彈道過程中目標(biāo)、干擾的紅外特性及其運動特性進行模擬。本文通過建立目標(biāo)-干擾相對運動學(xué)模型，以MOS電阻陣列紅外動態(tài)景象模擬器[3-4]為基礎(chǔ)介紹了一種干擾運動特性模擬的新方法。

1　基于MOS電阻陣列的紅外動態(tài)景象模擬器工作原理

紅外動態(tài)景象模擬器是用來在實驗室模擬真實目標(biāo)、干擾的紅外輻射特性和姿態(tài)運動特性，對武器系統(tǒng)性能測試和評估。它通常由圖像生成計算機、控制驅(qū)動器、MOS電阻陣列紅外動態(tài)景象生成器和紅外光學(xué)匹配投射系統(tǒng)組成。其系統(tǒng)組成方框圖見圖2。其中紅外動態(tài)景象生成器是紅外動態(tài)景象模擬器的關(guān)鍵器件，它在控制驅(qū)動器的作用下產(chǎn)生所需紅外動態(tài)景象。

圖1　點源目標(biāo)干擾模擬原理框圖

圖2　紅外動態(tài)景象模擬器系統(tǒng)方框圖

圖像生成計算機接收仿真計算機鎖定的目標(biāo)與導(dǎo)彈的位置和姿態(tài)信息、大氣參數(shù)，依據(jù)目標(biāo)環(huán)境特性參數(shù)，計算出紅外目標(biāo)環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)。圖像邏輯控制及驅(qū)動器接收圖像生成計算機給出的紅外目標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)，通過控制器的格式轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)送往驅(qū)動器，與此同時，控制器還要給驅(qū)動器產(chǎn)生MOS電阻陣所需要的行、列掃描信號，由驅(qū)動器驅(qū)動MOS電阻陣產(chǎn)生紅外熱圖。最后，MOS電阻陣列紅外圖像轉(zhuǎn)換器生成的紅外目標(biāo)環(huán)境動態(tài)熱圖經(jīng)紅外光學(xué)匹配投射系統(tǒng)傳輸給紅外成像制導(dǎo)武器系統(tǒng)，經(jīng)光學(xué)接收系統(tǒng)成像于武器系統(tǒng)焦平面上。

圖3為某紅外成像半實物仿真系統(tǒng)圖片。紅外動態(tài)景象生成器和光學(xué)匹配投射系統(tǒng)安裝在外兩軸框架上，紅外制導(dǎo)武器安裝在三軸轉(zhuǎn)臺上，共同構(gòu)成五軸轉(zhuǎn)臺式半實物仿真系統(tǒng)[5]。

圖3　五軸轉(zhuǎn)臺式紅外半實物仿真系統(tǒng)

2　干擾運動模型建立

在實驗室對干擾的運動特性進行模擬，實際上是模擬制導(dǎo)武器所處位置探測到的二維圖像中目標(biāo)、干擾的相對運動。根據(jù)導(dǎo)彈、目標(biāo)、干擾相對運動學(xué)原理可以建立干擾的運動模型。首先，根據(jù)干擾的初始位置和初始速度，并考慮干擾投放后空氣阻力和重力對其影響，建立干擾在慣性系下的運動學(xué)模型。然后結(jié)合目標(biāo)、導(dǎo)彈在慣性系下的位置，建立干擾及目標(biāo)在轉(zhuǎn)臺框架系下的相對運動學(xué)模型。最后利用成像原理建立目標(biāo)和干擾在紅外動態(tài)景象模擬器圖像坐標(biāo)系下的運動學(xué)模型[6-10]。圖4為干擾運動軌跡模型計算流程圖。

圖4　干擾運動軌跡模型計算流程

2.1慣性系下干擾運動學(xué)模型

由干擾投放時刻目標(biāo)位置信息確定出干擾在慣性系下的初始位置、目標(biāo)的速度信息和干擾投放速度確定干擾在慣性下的初始速度?？紤]干擾在運動過程中所受空氣阻力F和重力G的影響，可得干擾運動學(xué)模型：

式(2)中：dt為計算步長；rf、vf分別為干擾彈的位置和速度；a為干擾彈加速度。

2.2轉(zhuǎn)臺框架坐標(biāo)系目標(biāo)干擾相對運動學(xué)模型

依據(jù)紅外制導(dǎo)系統(tǒng)半實物仿真實驗室的試驗方法，試驗都是在五軸轉(zhuǎn)臺上完成。模擬場景是由安裝在外兩軸上的紅外動態(tài)景象模擬器產(chǎn)生的。在建立實驗室干擾軌跡模型時，需要把慣性系下計算的干擾位置和速度模型轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)臺框架坐標(biāo)系，得到轉(zhuǎn)臺框架坐標(biāo)系干擾運動軌跡模型。轉(zhuǎn)換時依據(jù)目標(biāo)兩個框架的角度可以得到轉(zhuǎn)臺框架坐標(biāo)系目標(biāo)-干擾相對運動學(xué)模型：

(3)

(4)

2.3圖像坐標(biāo)系目標(biāo)干擾相對運動學(xué)模型

根據(jù)場景模擬器光學(xué)系統(tǒng)的焦距和干擾相對導(dǎo)彈的位置將干擾相對目標(biāo)位置折算到目標(biāo)模擬器的電阻陣平面，即圖像坐標(biāo)系上，如圖5所示。按折算后的位置坐標(biāo)控制電阻陣完成干擾運動軌跡圖像的生成。

圖5　坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖

圖像坐標(biāo)系中干擾相對目標(biāo)的位置：

(5)

3　干擾運動特性的實現(xiàn)

實驗室模擬的目標(biāo)在整個彈道過程中始終處于場景模擬器的固定位置，一般在中心位置，干擾從目標(biāo)上分離出，實驗室模擬干擾的運動實際上是目標(biāo)-干擾的相對運動。

應(yīng)用MOS電阻陣列紅外動態(tài)景象模擬器實現(xiàn)干擾運動特性的模擬，首先要把目標(biāo)干擾相對運動學(xué)模型寫入圖像生成計算機，完成干擾運動控制模塊軟件。

然后完成動態(tài)景象模擬器生成圖像方向的標(biāo)定。因為景象模擬器生成圖像的方向除了與光學(xué)系統(tǒng)成像方向有關(guān)，還與電阻陣列芯片安裝方向和驅(qū)動方向相關(guān)，要保證模擬干擾的投放方向與設(shè)置方向一致，需要完成模擬器生成圖像方向的標(biāo)定。若不一致，則要在式(5)的基礎(chǔ)上做方向變換。

生成圖像時，圖像生成計算機接收仿真計算機實時解算的目標(biāo)速度、位置信息，導(dǎo)彈速度、位置信息，并依據(jù)干擾投放模式要求，包括干擾投放時刻，投放個數(shù)，投放間隔，投放方向，投放速度等。通過干擾運動模型解算，計算出每幀數(shù)據(jù)下目標(biāo)干擾在景象模擬器上的位置信息。圖像邏輯控制及驅(qū)動器接收圖像生成計算機給出的紅外目標(biāo)干擾的圖像數(shù)據(jù)，通過控制器的格式轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)送往驅(qū)動器。與此同時，控制器還要給驅(qū)動器產(chǎn)生MOS電阻陣所需要的行、列掃描信號，由驅(qū)動器驅(qū)動MOS電阻陣產(chǎn)生紅外熱圖。最后，MOS電阻陣列紅外圖像轉(zhuǎn)換器生成的紅外目標(biāo)環(huán)境動態(tài)熱圖經(jīng)紅外光學(xué)匹配投射系統(tǒng)傳輸給紅外成像制導(dǎo)武器系統(tǒng)，經(jīng)其光學(xué)接收系統(tǒng)成像于武器系統(tǒng)焦平面上。一般情況下，仿真機仿真周期較短，約0.5～1 ms，目前場景模擬器周期約5～7 ms，圖像生成計算機實時接收仿真機數(shù)據(jù)時，需要考慮周期同步問題。

圖6就是應(yīng)用128×128 MOS電阻陣列景象模擬器生成并經(jīng)某型紅外成像導(dǎo)引頭探測后輸出的目標(biāo)干擾圖像。圖中左1像點為目標(biāo)，其余均為干擾。

4　結(jié)論

本文通過建立干擾的運動軌跡模型，提出了在動態(tài)景象生成器上模擬目標(biāo)-干擾相對運動的方法，并在MOS電阻陣列紅外動態(tài)景象模擬器上實現(xiàn)了干擾運動特性的逼真模擬，為紅外制導(dǎo)武器系統(tǒng)全彈道仿真試驗及導(dǎo)引頭抗干擾算法驗證提供了可行的試驗驗證手段。

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(責(zé)任編輯周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.016

收稿日期：2016-01-31；修回日期：2016-02-25

作者簡介：陳海燕(1981—)，女，工程師，主要從事制導(dǎo)與控制系統(tǒng)仿真研究。

中圖分類號：V216.7

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)06-0069-03

Research on the Infra-Red Jamming Cartridge Kinematic Modeling and Simulation

CHEN Hai-yan, WANG Yan-kui, ZHAO Song-qing, WU Gen-shui

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Abstract:In order to test the infrared imaging guidance missiles in hardware-in-the-loop simulation, the method of the infra-red jamming cartridge kinematic simulation with the infrared dynamic scene simulator was given. The jamming cartridge kinematic model in the image coordinate system was built. The jamming’s moving was simulated with the MOS resistor array infrared dynamic scene simulator. This method was successfully used in one of the infrared imaging guidance missile’s hardware-in-the-loop simulation.

Key words:infrared dynamic scene simulator; kinematic modeling of the jamming; hardware-in-the-loop simulation