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JAGM聯(lián)合空地導(dǎo)彈、英國硫磺石空地導(dǎo)彈以及德國斯瑪特末制導(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，國外在上世紀(jì)90年代就已取得重大突破。美國海軍空戰(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，可對復(fù)合導(dǎo)引頭進(jìn)行全面的測試與評估;美國陸軍導(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]，但和國外相比仍有不小的差距。

文中主要對紅外/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、目標(biāo)隨動(dòng)系統(tǒng)、慣導(dǎo)仿真轉(zhuǎn)臺、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)、射頻信號源、干擾信號模擬器、校準(zhǔn)裝置、試驗(yàn)測試系統(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、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合成，再將合成后的信號與毫米波信號通過紅外/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)場景變成微顯示器能夠接受的場景灰度圖像，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，進(jìn)而生成相應(yīng)的可見光動(dòng)態(tài)場景，最后，通過可見光/紅外圖像轉(zhuǎn)換器將可見光場景轉(zhuǎn)換為紅外場景，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)、射頻信號源、干擾信號模擬器、校準(zhǔn)裝置、試驗(yàn)測試系統(tǒng)等設(shè)備組成，其目標(biāo)模擬過程為:射頻信號源接收被試導(dǎo)引頭的發(fā)射信號，將其變頻到微波中頻頻段;射頻信號源和干擾信號模擬器收到發(fā)射信號后，對導(dǎo)引頭輸出信號進(jìn)行彈目距離、幅度以及多普勒調(diào)制，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波信號模擬，通過對導(dǎo)引頭輸出信號進(jìn)行干擾信號幅相調(diào)制等多種信號的處理，實(shí)現(xiàn)干擾信號模擬;所模擬的目標(biāo)信號和干擾信號通過陣列饋電系統(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與激光回波模擬器生成的激光信號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、激光信號與毫米波目標(biāo)模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的毫米波信號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，將紅外目標(biāo)模擬器產(chǎn)生的紅外信號和激光回波模擬器產(chǎn)生的激光信號投射到紅外/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運(yùn)動(dòng);慣導(dǎo)仿真轉(zhuǎn)臺負(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)生成的圖像信號將其轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)紅外場景;激光回波模擬器實(shí)時(shí)生成編碼激光回波信號;毫米波目標(biāo)模擬系統(tǒng)實(shí)時(shí)生成毫米波回波信號。仿真開始后，紅外/激光波束合成器反射紅外信號透射毫米波信號，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/激光信號透射毫米波信號將三種信號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)前必須對各分系統(tǒng)進(jìn)行測試驗(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)參試部件測試驗(yàn)收試驗(yàn)

利用調(diào)試好的仿真系統(tǒng)對復(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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