胡小江，陳戰(zhàn)輝，白 云

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紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡小江，陳戰(zhàn)輝，白 云

（空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051）

針對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭在復(fù)雜干擾背景條件下難以獲取動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的問(wèn)題，分析了紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能參數(shù)體系，基于紅外圖像注入技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了動(dòng)態(tài)指標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠模擬典型的紅外目標(biāo)和干擾信號(hào)，并對(duì)導(dǎo)引頭輸出信號(hào)進(jìn)行采集、處理和分析，最后給出動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果。通過(guò)對(duì)某型號(hào)紅外成像導(dǎo)引頭的測(cè)試和驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)工作高效、穩(wěn)定，為紅外成像導(dǎo)引頭的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試提供了有效的方法和手段。

動(dòng)態(tài)性能；紅外成像導(dǎo)引頭；目標(biāo)模擬；虛擬儀器

0 引言

紅外成像導(dǎo)引頭作為空空導(dǎo)彈最重要的設(shè)備儀器，導(dǎo)引頭的動(dòng)態(tài)技術(shù)性能參數(shù)是否符合要求影響到全彈的技術(shù)指標(biāo)。傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)中，紅外成像導(dǎo)引頭靜態(tài)性能指標(biāo)比較容易獲取，但很少能夠全面地獲取各種復(fù)雜干擾環(huán)境下的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，而紅外成像導(dǎo)引頭的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)是決定其性能好壞的重要指標(biāo)[1-2]。

為了能夠全面地獲取紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，必須有效地模擬目標(biāo)和干擾環(huán)境，而虛擬儀器技術(shù)具有性能高、易于擴(kuò)展和高效的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)和研發(fā)紅外導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢(shì)。本文基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)建立目標(biāo)模擬器，能夠較好地為紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試提供激勵(lì)信號(hào)。相比于實(shí)物掛飛或靶試等方法，該系統(tǒng)可以節(jié)省大量的經(jīng)費(fèi)，有效提高紅外成像導(dǎo)引頭在復(fù)雜干擾環(huán)境下動(dòng)態(tài)性能測(cè)試的高效性和準(zhǔn)確性[3-4]。

1 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取

紅外成像導(dǎo)引頭系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分為綜合性指標(biāo)和基礎(chǔ)指標(biāo)兩類。綜合性能指標(biāo)主要包括識(shí)別能力、再次捕獲能力和跟蹤能力；基礎(chǔ)性能指標(biāo)主要包括檢測(cè)概率、虛警概率、識(shí)別概率、空間分辨率、持續(xù)抗干擾能力、抗能量壓制能力、光譜識(shí)別能力、信息處理能力等參數(shù)。對(duì)于產(chǎn)品階段的紅外成像導(dǎo)引頭，基礎(chǔ)性能指標(biāo)獲取比較困難。因此，主要選擇識(shí)別能力、再次捕獲能力和跟蹤能力作為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)層次如圖1所示。

圖1 紅外導(dǎo)引系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)層次圖

主要基礎(chǔ)指標(biāo)內(nèi)涵如下：

1）空間分辨率：可以有效辨別兩個(gè)目標(biāo)同時(shí)出現(xiàn)在視場(chǎng)內(nèi)時(shí)的最小距離。

2）持續(xù)抗干擾能力：在給定的抗干擾概率下，導(dǎo)彈發(fā)射后，導(dǎo)引頭能夠經(jīng)受的最大抗干擾事件或者抗干擾時(shí)間占整個(gè)飛行彈道的比重。

3）抗能量壓制能力：在給定的抗干擾概率下，導(dǎo)引頭能夠接受的最大干擾能量和最小干擾能量的之比。

4）光譜識(shí)別能力：指導(dǎo)引頭在有干擾的情況下，通過(guò)目標(biāo)與干擾光譜輻射特性之間的差異，對(duì)目標(biāo)識(shí)別的能力。

5）信息處理能力：指導(dǎo)引頭信息處理器與軟件能夠處理輻射源的最大數(shù)量。

2 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建

紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)參數(shù)指標(biāo)的測(cè)試必須構(gòu)建較為完整的系統(tǒng)。目前，紅外激勵(lì)信號(hào)的生成主要包括輻射式和圖像注入兩種方式。相比輻射式，采用注入式構(gòu)建系統(tǒng)具有成本低、紅外信號(hào)環(huán)境易于搭建等優(yōu)點(diǎn)[1]。因此，該系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)主要通過(guò)目標(biāo)/干擾模擬器生成不同的目標(biāo)和干擾信號(hào)，對(duì)導(dǎo)引頭綜合性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件包括目標(biāo)/干擾模擬器、專用適配器、測(cè)試儀器和電源等組成，主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和干擾信號(hào)生成、導(dǎo)引頭輸出信號(hào)的控制、調(diào)理和采集；軟件系統(tǒng)由主控軟件、系統(tǒng)自檢、自動(dòng)測(cè)試和測(cè)試結(jié)果等子模塊組成。紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)考慮紅外成像導(dǎo)引頭的工作過(guò)程中每一個(gè)組件的信號(hào)流程，通過(guò)軟件控制系統(tǒng)硬件儀器和對(duì)不同的測(cè)試條件進(jìn)行設(shè)置，使測(cè)試系統(tǒng)能夠系統(tǒng)地檢測(cè)紅外成像導(dǎo)引頭的動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)。

圖2 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

測(cè)試系統(tǒng)原理：操作者根據(jù)測(cè)試需求，通過(guò)目標(biāo)/干擾模擬器生成激勵(lì)信號(hào)，該激勵(lì)信號(hào)經(jīng)適配器施加到紅外成像導(dǎo)引頭。紅外成像導(dǎo)引頭在激勵(lì)信號(hào)的作用下，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)，輸出信號(hào)通過(guò)適配器轉(zhuǎn)接進(jìn)入測(cè)試儀器硬件資源進(jìn)行調(diào)理和采集，最后送入測(cè)試軟件進(jìn)行測(cè)試結(jié)構(gòu)判別和顯示。

3 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭的原理和特性分析，硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮典型紅外目標(biāo)和干擾信號(hào)的模擬，從而對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭施加相應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)，并對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、采集，送到軟件進(jìn)行分析處理。硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 目標(biāo)/干擾模擬器設(shè)計(jì)

目標(biāo)/干擾模擬器主要完成典型目標(biāo)和干擾信號(hào)的模擬。該模塊首先通過(guò)對(duì)典型目標(biāo)和干擾進(jìn)行建模，然后采用圖形工作站構(gòu)建目標(biāo)三維紅外特性、典型干擾、背景、大氣傳輸及傳感器等物理效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)渲染，生成導(dǎo)引頭視覺(jué)圖像。由于采用信號(hào)注入法，可模擬導(dǎo)引頭的成像效應(yīng)。包括：光學(xué)效應(yīng)、探測(cè)器效應(yīng)、噪聲效應(yīng)等；目標(biāo)和干擾環(huán)境模擬器原理如圖4所示。

圖4 目標(biāo)和干擾環(huán)境模擬器原理圖

硬件中的圖像工作站完成紅外目標(biāo)干擾場(chǎng)景的建模和圖像生成，PCI-e圖像注入卡將生成的圖像以LVDS電平信號(hào)的形式注入紅外成像導(dǎo)引頭的電子艙[5]。目標(biāo)和干擾環(huán)境模擬器硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 目標(biāo)和干擾環(huán)境模擬硬件結(jié)構(gòu)

3.2 輸出信號(hào)測(cè)試模塊

輸出信號(hào)測(cè)試模塊要對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭輸出的信號(hào)進(jìn)行采集?？紤]到紅外成像導(dǎo)引頭輸出信號(hào)主要為交流電壓、直流電壓、數(shù)字信號(hào)和部分頻率信號(hào)，所以在選擇測(cè)量?jī)x器時(shí)主要選用PXIe-4081和PXIe-6704。其中PXIe-4081完成交流電壓、直流電壓和頻率量的分時(shí)分步測(cè)量；PXIe-6704主要完成對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭23路狀態(tài)量的實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)測(cè)，并配合軟件模塊中的狀態(tài)保護(hù)模塊完成對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭的實(shí)時(shí)保護(hù)。

3.3 適配器設(shè)計(jì)

適配器主要完成紅外成像導(dǎo)引頭輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)接和輸入圖像信號(hào)的注入兩項(xiàng)任務(wù)。在設(shè)計(jì)時(shí)兼顧紅外成像導(dǎo)引頭的工作原理和測(cè)試任務(wù)等因素。選用PXI-2569和PXIe-2529完成信號(hào)的控制和分配，并根據(jù)測(cè)試任務(wù)對(duì)硬件儀器、電源和狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行切換。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)軟件。該軟件可以根據(jù)不同測(cè)試條件形成對(duì)系統(tǒng)硬件儀器的控制。并能夠根據(jù)目標(biāo)和干擾環(huán)境的配置情況對(duì)不同的測(cè)試條件下的輸出結(jié)果進(jìn)行判定。

4.1 軟件架構(gòu)

在進(jìn)行紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能測(cè)試時(shí)，需要控制的硬件器件較多，并且測(cè)試過(guò)程中根據(jù)需要改變測(cè)試條件和目標(biāo)/干擾模擬器的控制。因此，測(cè)試軟件在設(shè)計(jì)時(shí)需要能夠完成硬件控制、測(cè)試任務(wù)和測(cè)試系統(tǒng)控制3項(xiàng)功能。為此，測(cè)試系統(tǒng)軟件架構(gòu)采用了測(cè)試層、任務(wù)層和控制層的3層架構(gòu)設(shè)計(jì)方式[6-7]。動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖6所示。任務(wù)層和測(cè)試層采用插件形式，主要是為了方便控制層的調(diào)用，同時(shí)也能減少任務(wù)層之間的耦合，快速準(zhǔn)確的完成測(cè)試任務(wù)。

圖6 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

測(cè)試層是將每一個(gè)硬件單獨(dú)封裝成VIs（Virtual Instrument），該VIs能夠完成對(duì)應(yīng)硬件資源的讀寫操作和數(shù)值轉(zhuǎn)換操作，測(cè)試層供任務(wù)層調(diào)用；任務(wù)層是根據(jù)導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)測(cè)試條件的不同配置，通過(guò)調(diào)用測(cè)試層VIs完成相應(yīng)的測(cè)試任務(wù)；控制層是根據(jù)測(cè)試任務(wù)的需要，通過(guò)調(diào)用任務(wù)層VIs完成具體的測(cè)試任務(wù)。

4.2 軟件功能

測(cè)試系統(tǒng)軟件主要完成系統(tǒng)自檢、目標(biāo)/干擾環(huán)境配置、自動(dòng)測(cè)試、故障分析定位等功能。測(cè)試系統(tǒng)軟件在功能上主要包括控制模塊、參數(shù)配置模塊、用戶管理模塊、系統(tǒng)自檢模塊、自動(dòng)測(cè)試模塊、設(shè)備狀態(tài)保護(hù)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，軟件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

4.2.1 參數(shù)配置模塊

參數(shù)配置模塊主要完成紅外成像導(dǎo)引頭測(cè)量參數(shù)值的修改和保存操作。具備高級(jí)權(quán)限的人員可以通過(guò)該模塊進(jìn)行參數(shù)的修改，一般權(quán)限的人員只能瀏覽參數(shù)，不能修改參數(shù)。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

4.2.2 系統(tǒng)自檢模塊

系統(tǒng)自檢模塊主要完成對(duì)目標(biāo)/干擾模擬器、測(cè)試系統(tǒng)電源、測(cè)試儀器硬件資源以及專用適配器的功能檢查。其中的適配器功能檢查能夠?qū)λ休敵鲂盘?hào)端和輸入信號(hào)端線路的通斷和適配器模塊的狀態(tài)進(jìn)行判別。

4.2.3 自動(dòng)測(cè)試模塊

自動(dòng)測(cè)試模塊主要根據(jù)不同的測(cè)試條件，自動(dòng)生成測(cè)試方案。完成紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的自動(dòng)測(cè)試。自動(dòng)測(cè)試可以對(duì)識(shí)別能力、再捕獲能力、跟蹤能力和伺服控制系統(tǒng)等多個(gè)性能參數(shù)的測(cè)試并對(duì)結(jié)果自動(dòng)保存。

4.2.4 狀態(tài)保護(hù)模塊

狀態(tài)保護(hù)模塊主要用于測(cè)試過(guò)程中對(duì)當(dāng)前紅外成像導(dǎo)引頭所處狀態(tài)和測(cè)試儀器所處狀態(tài)的實(shí)時(shí)記錄，以備后續(xù)性能判定時(shí)，為系統(tǒng)提供當(dāng)前實(shí)際紅外成像導(dǎo)引頭所處狀態(tài)，并對(duì)后續(xù)操作提供恢復(fù)操作。

4.2.5 用戶管理模塊

用戶管理模塊可以完成用戶登錄和用戶數(shù)據(jù)管理功能。其中用戶數(shù)據(jù)管理功能主要完成對(duì)人員的信息進(jìn)行修改操作。登錄子模塊用于操作人員登錄測(cè)試系統(tǒng)軟件。

4.2.6 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)模塊主要完成對(duì)當(dāng)前或以往測(cè)試結(jié)果的分析和處理。通過(guò)該模塊可以選擇不同的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能評(píng)判，最后將結(jié)果生成報(bào)表進(jìn)行打印和保存。

5 測(cè)試結(jié)果

5.1 測(cè)試條件配置

在測(cè)試前需要對(duì)目標(biāo)/干擾模擬器配置初始條件，主要包括目標(biāo)、導(dǎo)彈的初始位置及運(yùn)動(dòng)條件，目標(biāo)的飛放間隔、距離、方向、數(shù)目、目標(biāo)姿態(tài)等多種因素。表1為誘餌參數(shù)設(shè)置因素的部分值[8]。

表1 誘餌干擾因素

5.2 測(cè)試結(jié)果

分別設(shè)置兩組干擾條件，對(duì)某型號(hào)紅外成像導(dǎo)引頭進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試條件1：目標(biāo)機(jī)相對(duì)攻擊機(jī)同向飛行，平飛，投射1枚干擾彈，相對(duì)距離3km。測(cè)試過(guò)程中紅外成像導(dǎo)引頭能夠正確識(shí)別并跟蹤目標(biāo)，脫靶量12m。

測(cè)試條件2：目標(biāo)機(jī)相對(duì)攻擊機(jī)同向飛行，做轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)，投射2枚干擾彈，相對(duì)距離1km。測(cè)試過(guò)程中紅外成像導(dǎo)引頭能夠正確識(shí)別目標(biāo)，但跟蹤過(guò)程中很快丟失目標(biāo)，并無(wú)法再次捕獲目標(biāo)。

通過(guò)以上測(cè)試結(jié)果分析可知，彈目距離、干擾彈數(shù)目和目標(biāo)做轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)等因素對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)影響較大。為了對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭進(jìn)行全面測(cè)試，需要設(shè)置測(cè)試條件庫(kù)，盡量覆蓋到各種因素，從而能夠全面地對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試，這部分內(nèi)容也是后續(xù)工作需要重點(diǎn)考慮的方面。

6 結(jié)論

本文通過(guò)構(gòu)建目標(biāo)/干擾模擬器完成了復(fù)雜背景條件下的目標(biāo)模擬，所設(shè)計(jì)的紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中能夠滿足紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能測(cè)試的要求。測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)能有效地解決某型號(hào)紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)測(cè)試的問(wèn)題，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、快速。為紅外成像導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)測(cè)試和檢測(cè)提供了靈活、高效的方法和手段。

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Design of Dynamic Performance Test System for Infrared Imaging Seeker

HU Xiaojiang，CHEN Zhanhui，BAI Yun

(,,710051,)

It is difficult to obtain the dynamic performance of an infrared imaging seeker in a complex interference environment .In order to solve this problem, analysis of the infrared imaging seeker dynamic performance index is used to design an auto-testing system based on infrared target simulation. The testing system can simulate typical infrared target and jamming signals and collect, analyze, and process the output signal of the infrared imaging seeker. The test results show that this auto-testing system is highly efficient and accurate, and provides an effective method for measuring the dynamic performance of an infrared imaging seeker.

dynamic performance，infrared imaging seeker，target simulation，virtual instrument

TJ765.333

A

1001-8891(2017)12-1078-05

2017-07-19；

2017-12-07.

胡小江（1978-），男，碩士，講師，主要研究方向：導(dǎo)航制導(dǎo)與控制。E-mail：huxjlijing@126.com。