面源紅外干擾彈對抗紅外成像制導導彈的仿真研究＊

孔曉玲，馬勝賢，杜玉萍，林 濤

(東北電子技術研究所光電信息控制和安全技術重點實驗室，河北 三河 065201)

隨著紅外成像技術的不斷發展，紅外成像制導導彈已對軍用飛機構成嚴重威脅，因此,如何保護飛機免遭紅外成像導彈攻擊成為各國軍方面臨的重大課題。紅外干擾彈作為一種效費比高的有效對抗手段，在實戰中得到廣泛使用。但一般的點源型單光譜高能量紅外干擾彈無法起到干擾紅外成像制導導彈的作用，為此世界各國正積極采用新技術發展、大面積、高效能、寬光譜、抗識別的面源型紅外干擾彈。

為了更好地研究機載面源型紅外干擾彈的應用條件和干擾的有效性，對面源型紅外干擾彈干擾紅外成像制導導彈進行建模和仿真十分必要。本文在分析典型紅外成像制導導彈和面源紅外干擾彈工作機理的基礎上，針對機載面源紅外干擾彈的特點和紅外成像導引頭的信息處理過程，分別對面源紅外干擾彈和紅外成像制導導彈進行建模，實現了面源紅外干擾彈干擾紅外成像制導導彈的對空仿真系統，并結合具體的仿真試驗場景進行仿真試驗，分析了仿真試驗結果，證明其有效性。

1 面源紅外干擾彈干擾機理

1.1 紅外成像制導機理[1-2]

紅外成像制導導彈的組成框圖如圖1所示。根據紅外成像制導導彈控制過程，紅外成像制導導彈可以分解為紅外成像制導導引頭部分和彈體本身控制部分。其中紅外成像導引頭通常由紅外成像部件、紅外圖像信號處理器和伺服機構等部分組成。彈體則包括導彈舵機控制和彈體運動兩部分。

圖1紅外成像制導導彈組成框圖

在紅外成像制導導彈發射前，由發射控制站搜索、捕獲要攻擊的目標。當目標的位置被確定，導彈上的尋的器立即跟蹤并鎖定此目標。導彈發射后，成像導引頭對視場內景物成像，通過圖像預處理，經分類、識別等算法對圖像信號進行處理，區分出目標、背景信息，并抑制噪聲信號。當有目標存在時，跟蹤處理器形成的波門把目標套住，對波門內的目標進行跟蹤解算，根據解算得出的誤差信號控制導引頭伺服機構和彈體的舵機，使導引頭光軸和彈體彈軸對準目標。通常導引頭光軸與彈體彈軸不重合，導引頭光軸始終對準目標，彈體不斷調整，使導彈飛向選定的目標。隨著導彈與目標之間距離的縮小，目標在圖像平面上的投影將擴大，且變得越來越清晰。此時，導彈根據目標的形狀識別出它的要害部位，并選目標要害部位的中心作為攻擊點進行攻擊。

1.2 面源型紅外干擾彈干擾機理

面源型紅外干擾彈在干擾紅外成像制導導彈時采用了在空間布設紅外輻射場破壞目標紅外特征的原理，將裝有許多燃燒單元或爆炸后能形成許多燃燒單元的干擾彈通過發射器從可進入導引頭視場的方向發射出去，發射后引爆燃燒。在燃燒過程中，可以在保護目標方向上形成紅外光譜特征和空間熱紅外圖像均相似于被保護目標的一定大小的紅外輻射場，由于與被保護目標同處于來襲導彈的視場內，且燃燒時間長于來襲導彈的制導時間，故可達到掩蓋或欺騙的目的，使導引頭丟失所要跟蹤的真實目標[2-3]。

根據面源型紅外干擾彈使用平臺的不同，干擾可分為“迷茫”和“擾亂”兩種方式。其中“擾亂”式干擾多用來保護機動性很強的空中快速目標。當有來襲導彈時，飛機同時投放出多發具有一定輻射強度、運動軌跡和輻射面積的紅外干擾彈，這樣，就會在紅外成像制導視場中同時出現多個紅外輻射源，在一定距離上與被保護平臺交融在一起，形成與被保護目標相似的空間熱紅外圖像，從而對紅外成像制導系統起到擾亂作用，達到干擾目的。機載面源紅外干擾彈在投放時，既要有一定的初速度，使其點燃不危及載體平臺的安全，又不能與載體分離太快，以便與載體同時進入導引頭視場內，因此其投放時機和方式是影響干擾效果的重要因素。

2 仿真系統建模

面源紅外干擾彈干擾紅外成像制導導彈計算機仿真系統是為評估機載面源紅外干擾彈干擾效果而搭建的數學仿真環境，包括紅外成像制導導彈仿真模型和面源紅外干擾彈仿真模型，進行了對空中目標和干擾的成像模擬及運動模擬、對目標和干擾圖像的識別和跟蹤模擬、以及制導系統對目標或干擾的攻擊模擬等，從而實現面源紅外干擾彈對紅外成像制導導彈干擾仿真過程。

2.1 紅外成像制導導彈建模

紅外成像制導導彈仿真模型用于實現導彈制導全過程，主要圍繞生成包含目標和背景雜波的二維紅外圖像序列，建立準確的大氣衰減模型，處理成像系統模型輸出的圖像并記錄對模擬圖像的處理結果等方面建模。以下重點介紹導引頭信息處理中識別和跟蹤過程的建模。

1）紅外成像導引頭識別算法建模

根據先驗知識獲得待攻擊目標的圖像尺寸（所占行數和所占列數），以及在由圖像所占行數和所占列數構成的方陣中目標像素為1的個數，計算目標圖像像素比例。采用滑窗方法，從經過圖像分割后的黑白圖像中，從左至右、從上至下提取滑窗中的像素值為1的個數，若滑窗中像素為1的個數占滑窗總圖像像素的百分比與預知目標圖像像素百分比的差異小于門限值，則認為該滑窗內的圖像數據為待攻擊的目標。

2）紅外成像導引頭跟蹤算法建模

對空紅外成像制導導彈在不同的階段，目標圖像經歷了從無法提取圖像特征、目標圖像特征逐漸明晰到目標圖像越來越大并逐漸溢出導引頭視場的過程，因此，仿真中根據彈目距離的不同，選取不同的跟蹤算法。當彈目距離較遠時，目標像點很小，采用了形心跟蹤算法；在彈道中段，采用了形心跟蹤和相關跟蹤相結合的跟蹤算法；在彈道末段，采用了相關跟蹤算法。在不同的制導階段，若目標瞬間丟失，重新捕獲時均采用形心法，用放大形心門去尋找目標。

形心是目標圖像上一個確定的點。當目標姿態變化時，這個點的位置變動較小。假設圖像大小為256×256像素，圖像函數為f(z,y)，則目標形心計算公式如式（1）所示。

若像元信息值小于閾值，則f(z,y)為 0；反之f(z,y)為1。

相關算法采用了平均絕對差值算法，設基準圖像為f(x,y)，大小為m×m個象素,實時圖像為g(x,y)，大小為n×n個像素，其中m≤ n， (x0,y0)為基準圖像在實時圖像中的偏移值，計算公式如式（2）[4]所示。

2.2 面源紅外干擾彈建模

從面源紅外干擾彈干擾機理可以看出，面源紅外干擾彈是由許多燃燒單元組成的，“擾亂”型面源紅外干擾彈的干擾效果是由燃燒單元的紅外輻射變化情況和空中分布所決定。因此，機載面源紅外干擾彈的建模就圍繞這兩方面來進行。

1）面源紅外干擾彈輻射特性建模

對實測紅外干擾彈輻射變化數據曲線進行取樣，經插值擬合平滑處理后，找出燃燒單元在燃燒過程中輻射值的變化趨勢，圖2為處理后的燃燒單元紅外輻射特征曲線。當仿真開始后，若紅外干擾彈釋放并已爆炸，則判斷此時是否在燃燒單元的初始燃燒時間內，如果已經超出燃燒的初始時間，則根據燃燒單元的燃燒速率和擬合出的輻射特征曲線，計算出此刻燃燒單元的燃燒輻射值。通過對每個燃燒單元燃燒輻射值的確認，從而合成得出面源紅外干擾彈紅外輻射場的輻射強度，合成時前面燃燒單元紅外輻射會遮擋后面燃燒單元紅外輻射。

圖2 紅外輻射特征曲線圖

2）面源紅外干擾彈運動特性建模

面源紅外干擾彈發射后，燃燒單元在空中除受地球重力、空氣阻力、風速、風向、濕度等外界因素影響外，其自身質量也會隨著燃燒減少。這些內外因素都會影響其運動軌跡。根據外場試驗數據，發現面源紅外干擾彈爆炸時燃燒單元空間分布基本呈現球面均勻分布[5]。故本文中燃燒單元爆炸時空間分布初始化按球面均勻分布，在爆炸時燃燒單元速度初始方向是沿所在球面的法線向外飛出。

在仿真中設定坐標系為地面坐標系（OdXdYdZd），原點為固定于地面上的某一點，OdXd與地球表面相切，指向射向為正；OdYd與地球表面垂直，向上為正，重力沿Yd的負向；OdZd垂直于平面OdXdYd，構成右手坐標系。假定發射面源紅外干擾彈的瞬間，飛機在地面坐標系（OdXdYdZd）的坐標為（x,y,z），定義一個靜止的坐標系（OXYZ），原點為（x,y,z），三個軸方向與坐標系（OdXdYdZd）相同，兩個坐標系之間的坐標可以通過平移相互轉換，坐標系（OXYZ）如圖3所示。以下對面源紅外干擾彈運動建模分析建立在（OXYZ）坐標系上。

圖3 空間分布示意圖

在發射面源紅外干擾彈的瞬間，面源紅外干擾彈坐標與飛機坐標一致，故在坐標系（OXYZ）中，O為干擾彈球心；M為球面上任意一點；P為M在平面OXZ內的投影；?為有向線段OP與X軸正方向所夾的角，其范圍為0～2π；θ為有向線段OP與有向線段OM所夾的角，其范圍為0～2π。

燃燒單元在空中運動方程為：

其中，vx、vy、vz分別為當前時刻燃燒單元速度v在x、y、z方向上分量，ax、ay、az分別為當前時刻燃燒單元加速度a在x、y、z方向上分量，t為當前時刻。

式中，F為燃燒單元燃燒時受到的空氣阻力；m為燃燒單元質量。

式中，F為空氣阻力；ρ為大氣密度；v為燃燒單元瞬時速度；S為燃燒單元燃燒時有效阻力面積；Cd為燃燒單元阻力系數。其中，大氣密度ρ隨著高度H 變化而變化，可由式（7）求得，式中

3 仿真系統實現

3.1 仿真系統組成

仿真系統采用了MATLAB編程、Simulink搭建的仿真手段，由目標模塊、干擾模塊、坐標變換模塊、光學成像模塊、信息處理模塊、穩定陀螺模塊、制導系統模塊和數據記錄模塊組成。系統組成如圖4所示。

圖4 仿真系統組成框圖

3.2 仿真試驗及結果分析

仿真試驗中通過設置仿真界面上的環境參數、探測器參數、目標參數以及干擾參數等來確定仿真的初始條件。以 0.01s為仿真步長，干擾彈可同時或間隔投放，每發由相同的燃燒單元組成。當仿真開始運行后，顯現出導引頭視場窗口，可實時觀察導引頭視場內的目標源，每個步長都將當前仿真時間與設置的干擾彈釋放時間比較。若釋放時間未到，干擾彈保持與目標相同的運動特性；若釋放時間到達，則干擾彈以釋放方向（方位、俯仰）為初始方向拋射，每個干擾彈爆炸，爆炸產生的能量將干擾彈彈殼炸開，每個干擾彈按照預設的燃燒單元進行分離，在重力和空氣阻力的作用下運動。

根據上面分析的干擾機理和設定的仿真條件，對導彈不同攻擊方向、發射器的安裝位置和面源紅外干擾彈的投射方案進行了仿真。圖5設定的仿真場景為：仿真初始時刻的彈目距離為 3.1km；導彈尾追攻擊目標，導彈飛行速度為610m/s；載機目標做勻速直線運動，運動速度為360m/s；載機攜帶10發面源紅外干擾彈，每彈包括40個燃燒單元，在10發面源紅外干擾彈同時投放前后導引頭的模擬成像圖如圖5所示。

從仿真結果看，在干擾彈投放前，導彈能始終穩定跟蹤目標，投放后，干擾彈和目標共同位于導引頭跟蹤波門內，隨著兩者的不斷分離，目標出視場，導彈穩定跟蹤干擾彈。

4 結束語

本文針對機載面源紅外干擾彈對紅外成像制導導彈的干擾機理，進行了計算機仿真建模研究，通過建立面源紅外干擾彈和紅外成像制導導彈的仿真模型，實現紅外成像制導導彈從目標識別、跟蹤到導彈飛行，以及面源紅外干擾彈空間布設和輻射特性變化的全系統動態仿真，為驗證機載面源紅外干擾彈的干擾效果提供了技術途徑。

圖5 導引頭成像圖

[1]呂相銀,黃超超,凌永順.面源型紅外誘餌對紅外成像制導干擾的評析[J].電子對抗技術,2004(5):41-45.

[2]張宏宇,林濤,常曉玲.面源紅外干擾彈對紅外成像制導系統干擾研究[J].光電技術應用,2008(3):25-29.

[3]喬亞.紅外成像制導對抗技術研究[J].激光與紅外,2005(12):913-916.

[4]呂相銀,凌永順.紅外成像制導中的跟蹤算法及其抗干擾性能分析[J].航天電子對抗,2004(4):52-56.

[5]林濤,李闊.分布式面源型紅外誘餌建模研究[J].光電技術應用,2007(1):72-74.