張 亮，楊 凱，徐振海，吳迪軍，王雪松

(1國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073;2北京仿真中心導(dǎo)彈控制系統(tǒng)仿真國防科技重點實驗室，北京 100854)

0 引言

信息化戰(zhàn)爭條件下的體系對抗是作戰(zhàn)雙方諸多兵力、武器形成的作戰(zhàn)體系在多維戰(zhàn)場空間進(jìn)行的對抗。導(dǎo)彈武器系統(tǒng)仿真研究是體系對抗仿真的重要組成部分，作為紅外導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)輸入裝置的紅外導(dǎo)引頭是紅外導(dǎo)彈的關(guān)鍵部位，主要用于截獲目標(biāo)信號，并把從任何物理特征背景和干擾中區(qū)分出來的目標(biāo)信號直接傳送到紅外自動導(dǎo)引系統(tǒng)中，形成導(dǎo)彈相對目標(biāo)的位置和運(yùn)動信號，以便能夠很好的跟蹤目標(biāo)和輸出控制導(dǎo)彈飛行的信號[1]。如何建立滿足體系對抗仿真系統(tǒng)需求的紅外導(dǎo)引頭模型，是目前亟需解決的問題。

文中對體系對抗仿真系統(tǒng)中的紅外導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)進(jìn)行建模，著重結(jié)合實戰(zhàn)背景，加入視場判斷、地形遮擋判斷和傳感器飽和判斷等實戰(zhàn)要素，在此基礎(chǔ)上建立紅外導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)的總體模型。最后在CISE平臺的支撐下，在整個體系對抗仿真系統(tǒng)中實現(xiàn)了紅外導(dǎo)引頭模型，為體系對抗條件下紅外導(dǎo)彈的仿真提供了支持。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和仿真流程

體系對抗條件下紅外導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)的建模仿真必須滿足以下功能要求：

①實現(xiàn)戰(zhàn)情想定數(shù)據(jù)庫的訪問，對紅外導(dǎo)引頭性能參數(shù)進(jìn)行靈活設(shè)置和修改;

②接收導(dǎo)彈的引導(dǎo)信息，在引導(dǎo)信息的指示下實現(xiàn)空域搜索、目標(biāo)檢測等功能，生成探測信息和關(guān)鍵事件信息，并上報給導(dǎo)彈武器系統(tǒng);

③體現(xiàn)一定的實戰(zhàn)要素對紅外導(dǎo)引頭探測性能的影響;

④將仿真過程產(chǎn)生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)文件，供顯示、仿真回放及事后分析與評估之用。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，各模塊功能如下：

①戰(zhàn)情參數(shù)設(shè)置模塊：實現(xiàn)對戰(zhàn)情想定數(shù)據(jù)庫的訪問，對紅外導(dǎo)引頭性能參數(shù)、戰(zhàn)情參數(shù)等進(jìn)行靈活設(shè)置和修改，包括數(shù)字地圖、天氣參數(shù)等。

②仿真主控模塊：利用數(shù)據(jù)庫得到的參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，控制探測功能的調(diào)度，將仿真過程產(chǎn)生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)文件，供顯示、仿真回放及事后分析與評估之用。

③實戰(zhàn)背景判斷模塊：判斷傳感器是否已達(dá)到飽和(傳感器飽和判斷);判斷目標(biāo)是否在導(dǎo)引頭的視場內(nèi)(視場判斷);判定地形是否阻擋了紅外導(dǎo)引頭和目標(biāo)之間的視線(地形遮擋判斷模塊)。

④目標(biāo)紅外特征數(shù)據(jù)庫：建立所關(guān)心目標(biāo)的紅外輻射特征數(shù)據(jù)庫，在仿真中根據(jù)目標(biāo)的紅外特征參數(shù)，查詢目標(biāo)在觀察方向的紅外輻射值。

⑤探測模塊：根據(jù)目標(biāo)指示信息對指定空域進(jìn)行探測，包括大氣透過率計算模塊、大氣輻射度計算模塊，以及根據(jù)紅外信號能量、大氣透過率、目標(biāo)距離、噪聲等因素計算SNR模塊。

⑥輸出信息生成模塊：根據(jù)探測后的結(jié)果，生成探測信息和導(dǎo)引頭關(guān)鍵事件信息，上報給導(dǎo)引頭。

圖1 紅外導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2給出了紅外導(dǎo)引頭仿真系統(tǒng)探測流程圖。虛線框為導(dǎo)引頭在工作過程中執(zhí)行的實戰(zhàn)背景判斷模塊，能更好的適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境。

圖2 紅外導(dǎo)引頭仿真系統(tǒng)探測流程圖

2 關(guān)鍵模塊的數(shù)學(xué)模型

2.1 傳感器飽和判斷

紅外導(dǎo)引頭在背景大氣中探測目標(biāo)的能力與其接收的背景大氣輻射量I和傳感器的飽和門限(Isat)有關(guān)。傳感器飽和判斷模型首先計算傳感器接收的背景大氣輻射量，將其與Isat進(jìn)行對比，若I不小于Isat，則傳感器在目標(biāo)方向已經(jīng)被背景大氣飽和，不能探測目標(biāo);否則，傳感器能繼續(xù)探測目標(biāo)。其中I=Ω×L，L為沿傳感器至目標(biāo)路徑的背景輻亮度，Ω=δ×α，方位和俯仰視場寬度δ和α滿足：

假設(shè)探測器為焦平面矩形陣列，其中N和M分別為焦平面行和列上的單邊像元數(shù)目，a為探測單元的邊長，f為焦平面的焦距。

2.2 視場判斷

視場判斷模型根據(jù)導(dǎo)引頭的天線視場和導(dǎo)引頭與目標(biāo)之間位置矢量D，判斷目標(biāo)是否在導(dǎo)引頭的視場范圍內(nèi)。在地心直角坐標(biāo)系中定義Horizontal Boresight Vertical(HBV)坐標(biāo)系，B軸沿導(dǎo)引頭焦平面的視軸矢量B，方位視場寬度δ指在HB平面上的全部角度，俯仰視場寬度α指在VB平面上的全部角度。則導(dǎo)引頭的視場范圍可由B、δ和α來描述。紅外導(dǎo)引頭的天線視場通常為橢圓形或圓形，且δ和α一般較小，視場判斷模型包括以下三個部分。

①在地心直角坐標(biāo)系下計算視軸矢量B與位置矢量D的夾角θ的余弦值(見式(3))，初步判斷目標(biāo)是否視場內(nèi)。

②計算HBV坐標(biāo)系下的視線矢量B，水平矢量H和垂直矢量V。

③得到視場在目標(biāo)處與HV平面平行的投影橢圓，計算H和V方向上該橢圓的距離C和E，與目標(biāo)的距離h和v(詳細(xì)定義見圖3)，判斷目標(biāo)是否處于橢圓視場內(nèi)。

圖3 橢圓天線波束在接收機(jī)處的投影

視場判斷模型具體的流程圖如圖4所示，需要用到的公式如下。

其中P為地心直角坐標(biāo)系中的導(dǎo)引頭位置矢量，a=tanδ，b=tanα。

2.3 地形遮擋判斷

地形遮擋判斷模型對于工作在復(fù)雜地形下的紅外導(dǎo)引頭來說非常必要，它用來判斷導(dǎo)引頭至目標(biāo)之間的視線是否被地形遮擋，若被遮擋，則無法探測該目標(biāo)。包括三個步驟。

1)用 MaxElev10K(地球半徑 +10km)對目標(biāo)和傳感器進(jìn)行調(diào)整，見圖5。

2)判斷調(diào)整后的視線與最大地形高度線是否有交點。若無交點且視線端點高度均高于最大地形高度，則視線不被遮擋;否則，繼續(xù)下一個步驟。

3)以一定間隔計算視線上每點的高度，將其與地圖數(shù)據(jù)上該點的地形高度相比，判斷地形是否存在遮擋。

圖4 視場判斷模型流程圖

圖5 視線調(diào)整

2.4 目標(biāo)紅外特性計算

目標(biāo)物體的紅外輻射特征主要取決于物體自身溫度分布和表面輻射特性。仿真系統(tǒng)預(yù)先將導(dǎo)引頭關(guān)心目標(biāo)隨觀測角度的紅外輻射值存入數(shù)據(jù)庫，在仿真過程中根據(jù)計算的觀測角度進(jìn)行查詢，可大大減少計算量。這里考慮的目標(biāo)主要包括飛機(jī)、各種制式導(dǎo)彈、火箭等在內(nèi)的空中目標(biāo)，其可供探測的熱輻射主要來自3個部分[2]：一是尾噴管等熱發(fā)動機(jī)部件;二是尾焰氣體包括水、二氧化碳、一氧化碳和碳粒等;三是蒙皮，包括空氣動力加熱和內(nèi)部熱源的輻射以及來自天空、地面和海樣等背景輻射的反射輻射。目標(biāo)的紅外總輻射是上述三部分在觀察方向觀察波段上的線性疊加。

通常，蒙皮和尾噴管可被認(rèn)為是具有一定發(fā)射率的灰體，尾焰的主要輻射區(qū)可近似成錐形，此錐形區(qū)域在2.7μm和4.3μm處也可視為灰體[2]。灰體的光譜輻射亮度可表示為：

其中：ε為灰體的發(fā)射率，M(λ，T)為黑體的輻射率。滿足：

C1、C2為常數(shù)。則灰體的輻射強(qiáng)度為：

式中，A為灰體在觀察方向上的投影面積。也可近似表示為：

其中：σ =5.67 × 10－12W·cm2·K－4，T 為灰體溫度。

2.5 信噪比計算模型

紅外導(dǎo)引頭的探測能力受大氣噪聲和光學(xué)系統(tǒng)噪聲的限制。一般采用信噪比來表征紅外導(dǎo)引頭的探測能力，信噪比的計算如下：

其中：J為目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度;Tpath為大氣透過率;S為傳感器與目標(biāo)之間的斜距;NEFD為噪聲等效通量密度。

2.6 等效噪聲照度模塊

紅外導(dǎo)引頭的噪聲包括其光學(xué)系統(tǒng)固有的噪聲和大氣噪聲[3]，分別用NEFDs和NEFDb表示，總的噪聲等效通量密度為：

大氣噪聲等效通量密度NEFDb是背景輻亮度L的函數(shù)。對于光導(dǎo)型探測器，其對應(yīng)的噪聲等效通量密度為：

對于光伏型探測器，其對應(yīng)的噪聲等效通量密度為：

其中：d為光學(xué)系統(tǒng)孔徑的直徑;λ為工作波段的中心波長;t為探測單元積分時間;h為普朗克常數(shù);c為光速。

2.7 大氣透過率模塊

紅外輻射探測到的是經(jīng)過大氣衰減后的目標(biāo)輻射強(qiáng)度，因此需要考慮大氣衰減對紅外輻射的影響。一般來說，紅外輻射的大氣衰減一般考慮下面幾種因素[4]：①大氣分子的吸收;②大氣分子、氣溶膠、微粒等的散射;③ 氣象條件雨、雪等的衰減。用 τ1(λ)、τ2(λ)和τ3(λ)分別表示吸收、散射和氣象衰減的大氣透過率，則大氣總的透過率為：

這里采用一種簡化的計算模型，設(shè)氣象條件為：溫度T、相對濕度r、降雨強(qiáng)度Jr、降雪強(qiáng)度Js、大氣能見度V，紅外輻射在斜距S、仰角θ和觀察點海拔高度H條件下大氣吸收、散射和氣象衰減的透過率分別為：

式中：R為等效的海平面水平面路程，β為常數(shù)：水蒸氣時，β =0.0654;二氧化碳 時，β = 0.19。μH2O和 μCO2分別為大氣溫度5℃，相對濕度100%時水蒸氣和二氧化碳的光譜吸收系數(shù)，fT為溫度為T為時飽和空氣中的水蒸氣質(zhì)量;q為與視距有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)。

圖6 背景輻射度隨波長變化示意圖

2.8 背景輻射亮度

大氣背景輻射包括大氣自身氣體分子和氣溶膠的紅外輻射、太陽輻射、天地背景輻射以及由于大氣分子和氣溶膠的散射作用而進(jìn)入到探測器的紅外輻射。在特定的經(jīng)緯度下，天空背景輻射亮度隨高度、日期、時間、觀測方位角、水平角等因素變化，其中高度的影響最大[5]。在紅外波段，可用45°或135°時的背景輻射代替平均背景輻射[5]。鑒于紅外導(dǎo)引頭的波段一般是3～5μm和8～12μm，根據(jù)文獻(xiàn)[5]擬合這兩個波段的數(shù)據(jù)如圖6所示，然后選取了天空背景輻射亮度最大和最小值兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行考察，得到其隨高度的變化見圖7。在實際的工程使用中，用曲線擬合的方式即可計算相應(yīng)的背景輻射度。

圖7 背景輻射度隨高度變化示意圖

2.9 探測信息生成

紅外導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)在執(zhí)行完傳感器飽和判斷、目標(biāo)視場檢測、地形遮擋判斷和SNR門限檢測后，若確定傳感器能檢測到目標(biāo)，則生成探測信息，并上報紅外導(dǎo)彈C3I，探測信息的主體包括目標(biāo)在彈體坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角。將地心直角坐標(biāo)系下導(dǎo)引頭與目標(biāo)之間位置矢量D轉(zhuǎn)換成彈體坐標(biāo)系下位置矢量Db(xb，yb，zb)，則方位角Et和俯仰角為：

3 模型開發(fā)與仿真應(yīng)用

紅外導(dǎo)引頭仿真系統(tǒng)在基于組件的一體化建模仿真環(huán)境(CISE)下實現(xiàn)。CISE是一個集成一體化的建模、運(yùn)行、分析評估環(huán)境，基于組件技術(shù)建立系統(tǒng)模型，其組件的實體行為模型則由其它專用實體建模軟件如VC開發(fā)，統(tǒng)一集成到CISE模型組件框架中[6]。多個組件復(fù)合成平臺，平臺是包含C3I規(guī)則、運(yùn)動處理、傳感器、通信設(shè)備、干擾設(shè)備和武器系統(tǒng)等的綜合，體系對抗可看成是作戰(zhàn)雙方多個平臺形成的體系之間的對抗。將紅外導(dǎo)引頭視為一個組件，集成到導(dǎo)彈武器子系統(tǒng)中，子系統(tǒng)界面和接口定義如圖8所示。紅外導(dǎo)引頭接收導(dǎo)彈武器發(fā)送的傳感器目標(biāo)指示信息和己方武器運(yùn)動信息，經(jīng)過探測，將導(dǎo)引頭探測信息和導(dǎo)引頭關(guān)鍵時間信息上報給導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，而目標(biāo)平臺運(yùn)動信息由整個導(dǎo)彈武器子系統(tǒng)接收，提供給導(dǎo)彈中導(dǎo)引頭組件、通信組件和干擾組件。

圖8 CISE開發(fā)的紅外導(dǎo)引頭仿真系統(tǒng)

4 結(jié)論

文中基于體系對抗仿真系統(tǒng)中紅外導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)的建模需求，通過分析其功能要求來確定其模塊組成，并對關(guān)鍵模塊的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)的描述。利用CISE平臺建立了紅外導(dǎo)引頭組件，將其添加至紅外導(dǎo)彈武器子系統(tǒng)，最后作為飛機(jī)平臺的攜帶子系統(tǒng)整合至平臺，作為體系對抗中武器系統(tǒng)對抗的重要組成部分。文中的模型已在某項目中得到了應(yīng)用。下一步的主要工作在于如何利用整個仿真系統(tǒng)進(jìn)行作戰(zhàn)預(yù)案分析優(yōu)化和戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用效果評估。

[1]方輝煜.防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)仿真[M].北京：中國宇航出版社，2005.

[2]王霞，陳華礎(chǔ).視線方向上飛機(jī)紅外特性計算方法[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報，2008，3(3)：217－222.

[3]張曉宏，龔文平.紅外導(dǎo)引頭測量目標(biāo)信號的數(shù)學(xué)仿真[J].計算機(jī)仿真，2000，17(2)：24－28.

[4]周國輝，劉湘?zhèn)?，徐記?一種計算紅外輻射大氣透過率的數(shù)學(xué)模型[J].紅外技術(shù)，2008，30(6)：331－334.

[5]張曉宏，楊維全，張津.紅外導(dǎo)引頭大氣層內(nèi)探測能力的仿真分析[J].紅外與激光工程，1999，28(6)：68－71.

[6]卿杜政，李伯虎，孫磊，等.基于組件的一體化建模仿真環(huán)境(CISE)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20(4)：900－904.