現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境中紅外面目標(biāo)模擬源實現(xiàn)方法

駱 強,呂鴻鵬,孫衛(wèi)平,劉 灝,常 磊,張翔宇,楊 勇

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065)

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境日趨復(fù)雜，人們對紅外精確制導(dǎo)武器的戰(zhàn)場適應(yīng)性提出了更高要求，如何檢驗和評估武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能成為重要的研究課題[1,2]。紅外成像目標(biāo)模擬器是半實物仿真實驗中不可缺少的重要組成部分[3]，它可以有效考核武器系統(tǒng)關(guān)鍵部件(紅外導(dǎo)引頭)對紅外目標(biāo)的探測與跟蹤能力。在以往的試驗中，通常采用支架加電熱毯構(gòu)建的簡易紅外目標(biāo)源作為模擬被攻擊目標(biāo)[4]。這種方法可簡單有效地模擬點目標(biāo)[5]，但是無法真實模擬面目標(biāo)的紅外輻射特性，無法區(qū)分主要發(fā)熱部位、過渡區(qū)域以及其它部分的溫差變化細(xì)節(jié)；同時，由于溫差的形成為開環(huán)方式，無法設(shè)定需要的溫度值，導(dǎo)致受外界環(huán)境變化的影響較大，不確定因素較多。總之，該模擬方法目標(biāo)相似度較低，無法真實有效地考核導(dǎo)引頭對實際軍事目標(biāo)的探測與跟蹤能力。國外已經(jīng)建立起從目標(biāo)紅外模擬成像和戰(zhàn)場背景模擬到多目標(biāo)紅外模擬的模擬系統(tǒng)，并應(yīng)用到靶場測試中，取得了很好的效果[6-7]。

為此，本文提出一種新型的紅外面目標(biāo)模擬方法，通過采用模塊化設(shè)計，將面目標(biāo)分為多個子單元，對每個子單元分別進(jìn)行加熱和實時控制，可以較為精確地模擬近似于戰(zhàn)場環(huán)境下固定工事、坦克和直升機(jī)的靜態(tài)與動態(tài)目標(biāo)紅外輻射特性，提高了模擬目標(biāo)的相似度，彌補了目前紅外導(dǎo)引頭試驗條件和環(huán)境的不足，并為精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)研究、光電干擾設(shè)備的性能和干擾效果的測試、評估提供了必要條件。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由溫度傳感器、模擬目標(biāo)、支撐裝置、發(fā)熱材料、調(diào)功電路、調(diào)理模塊、電源系統(tǒng)、綜合測控系統(tǒng)組成。整個系統(tǒng)組成框圖如圖1。

首先，支撐裝置根據(jù)不同的目標(biāo)對象構(gòu)建相應(yīng)的支撐立體結(jié)構(gòu)，固定發(fā)熱材料并支撐相關(guān)的設(shè)備放置。其次，溫度傳感器通過高精度熱電阻采集發(fā)熱材料的溫度，調(diào)理模塊將溫度傳感器采集的溫度變成標(biāo)準(zhǔn)電流信號，綜合測控系統(tǒng)實現(xiàn)溫度信號采集及發(fā)熱材料溫度控制功能。最后，電源系統(tǒng)采用大功率發(fā)電機(jī)及相關(guān)電源模塊為調(diào)功電路供電，調(diào)功電路根據(jù)綜合測控系統(tǒng)計算的PID值對發(fā)熱材料的溫度進(jìn)行控制。發(fā)熱材料選用硅橡膠電加熱板，將目標(biāo)溫度加熱到指定溫度。本系統(tǒng)的硬件采集系統(tǒng)采用PXI計算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡，軟件系統(tǒng)采用基于LabVIEW的控制管理軟件。

本文的模擬目標(biāo)包括坦克和直升機(jī)目標(biāo)源。目標(biāo)源模擬系統(tǒng)將硅橡膠電加熱板根據(jù)模型加工成規(guī)矩的形狀并安裝在支撐裝置上。試驗時，在綜合測控系統(tǒng)中可以根據(jù)不同的模擬目標(biāo)給出相應(yīng)的不同溫度控制策略和模塊連接方式，進(jìn)而對不同發(fā)熱單元進(jìn)行溫度控制。

紅外模擬目標(biāo)的表面溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)[8]，采用綜合測控系統(tǒng)控制相關(guān)部位的溫度。紅外模擬目標(biāo)的表面溫度由熱電阻傳感器采集提供，溫差的標(biāo)校采用紅外點溫儀選定的背景進(jìn)行逐點測量，為了方便參數(shù)設(shè)置，可通過綜合測控系統(tǒng)屏幕上的界面進(jìn)行對應(yīng)設(shè)置。布置在紅外模擬目標(biāo)上的溫度傳感器信號經(jīng)信號調(diào)理模塊調(diào)理后以電流的方式傳輸給綜合測控系統(tǒng)采集模塊，綜合測控系統(tǒng)采集模塊將電流信號轉(zhuǎn)換成可識別的數(shù)字信號，并將該數(shù)字信號與屏幕上輸入的理論溫度進(jìn)行比較，從而得到控制調(diào)節(jié)溫度的控制信息。該信息通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成電壓信號后，傳輸給電壓調(diào)理模塊，通過電壓調(diào)理模塊控制輸出功率，實現(xiàn)對加熱體的控制。溫度控制方案原理框圖如圖2。

加熱板布局是根據(jù)目標(biāo)尺寸要求設(shè)計的。將加熱板支架尺寸設(shè)計為3塊，第一塊為5×8=40個，第二塊為5×8=40個，第三塊為2×8=16個，加熱板數(shù)量為12×8=96個，當(dāng)模型為坦克時，安裝第一、第二模板的加熱板，當(dāng)模型為直升機(jī)時，安裝三個模板的加熱板，布局如圖3。

支撐裝置根據(jù)不同的目標(biāo)對象構(gòu)建相應(yīng)的支撐立體結(jié)構(gòu)，固定發(fā)熱材料。支撐裝置可根據(jù)目標(biāo)要求組成相應(yīng)的模擬目標(biāo)，支撐相關(guān)的設(shè)備放置。以第一安裝支架為例，其支撐裝置結(jié)構(gòu)如圖4。該支撐裝置由可快速組合拼裝的模塊組成，在野外試驗時可以快速搭建。

以坦克目標(biāo)模擬為例，其模擬模型布局如圖5所示。坦克模型對應(yīng)10×8大小的加熱板，為將加熱板中的每一個點對應(yīng)進(jìn)軟件系統(tǒng)，其亮點代表了模擬目標(biāo)發(fā)熱部分，暗點代表了模擬背景部分。計算機(jī)控制軟件對不同點的發(fā)熱溫度進(jìn)行設(shè)定后，便可對紅外目標(biāo)進(jìn)行模擬。

2 紅外目標(biāo)模擬評估

系統(tǒng)根據(jù)試驗要求模擬坦克、直升機(jī)在不同狀態(tài)下的紅外輻射特性，如圖6～圖9所示。

紅外目標(biāo)模擬評估采用相似度評估方法[9]，系統(tǒng)A、B之間存在n個相似要素，即構(gòu)成n個相似元，設(shè)每個相似元的值為q(ui)，每個相似元對相似程度的影響權(quán)重為βi，系統(tǒng)A與B的相似度定義為[10]：

(1)

式(1)中，n/(k+l-n)表示A和B的要素數(shù)量n對系統(tǒng)相似度的影響；βiq(ui)表示每一相似要素的相似度及其權(quán)重對系統(tǒng)相似度的影響。

設(shè)模擬系統(tǒng)的輸出結(jié)果為ys，被模擬對象系統(tǒng)的試驗結(jié)果或理論結(jié)果為yr，則：

(2)

紅外干擾目標(biāo)模擬系統(tǒng)主要參數(shù)包括面積、溫差、形狀等[11]，設(shè)面積為q(u1)，溫差為q(u2)，形狀為q(u3)。在武器系統(tǒng)研制過程中，模擬常見軍用紅外目標(biāo)熱輻射特性一般將面積、溫差、形狀在紅外干擾目標(biāo)模擬系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)中的權(quán)重分別為0.3、0.4、0.3。

試驗中以坦克為例，在坦克模擬時，真實坦克面積為60(模擬塊數(shù)量)，溫差為105，形狀為1，模擬系統(tǒng)面積為57(模擬塊數(shù)量)，溫差最大為85，形狀為0.75，根據(jù)公式(2)，則q(u1)=0.947，q(u2)=0.81，q(u3)=0.75。

根據(jù)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，可以得出坦克紅外模擬相似度為0.833，即83.3%。

在直升機(jī)模擬時，真實直升機(jī)面積為58(模擬塊數(shù)量)，溫差為115，形狀為1，模擬系統(tǒng)面積為56(模擬塊數(shù)量)，溫差最大為85，形狀為0.75，根據(jù)公式2則q(u1)=0.97，q(u2)=0.75，q(u3)=0.75。

根據(jù)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，可以得出坦克紅外模擬相似度為0.816，即81.6%。該系統(tǒng)已多次參與系統(tǒng)對抗試驗，以其優(yōu)異的模擬性能獲得相關(guān)單位的廣泛認(rèn)可。

3 結(jié)論

本文提出了一種新的紅外面目標(biāo)模擬方法，通過將紅外面目標(biāo)分為多個子單元，對每個子單元進(jìn)行加熱和實時控制，能夠較為精確地模擬坦克和直升機(jī)目標(biāo)紅外輻射特性，分別達(dá)到了81.6%和83.7%的相識度，彌補了目前紅外導(dǎo)引頭試驗條件和環(huán)境的不足，為紅外導(dǎo)引頭模擬試驗提供了必要的條件保障。

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