多模復合制導半實物仿真系統設計*

朱曉勤，張 翔，朱克煒，王 洋

(1海軍駐西安彈藥專業軍事代表室，西安 710043;2中國兵器工業第203研究所，西安 710065)

0 引言

在多模復合制導體制中，紅外/毫米波/激光多模復合制導因其優良的探測和抗干擾能力在上世紀90年代得到了廣泛關注和迅速發展。目前采用紅外/毫米波/激光多模復合制導體制的武器系統有美國JAGM聯合空地導彈、英國硫磺石空地導彈以及德國斯瑪特末制導炮彈等。這些武器系統技術含量高，系統構成復雜，探測模式多，控制難度大，因此需要研制相應的試驗驗證系統，以對武器系統的設計、研制和改進提供依據，而半實物仿真無疑是最好的選擇。在多模仿真領域，國外在上世紀90年代就已取得重大突破。美國海軍空戰中心使用小型紅外源成功實現了紅外/毫米波雙模仿真[1];約翰霍普金斯大學開發了射頻/紅外復合仿真系統[2]，相比海軍空戰中心，該系統目標模擬的能力更加逼真，可對復合導引頭進行全面的測試與評估;美國陸軍導彈司令部研制的復合仿真系統[3]，能夠為多模導引頭的開發提供高質量的仿真支持。此外，埃格林空軍基地以及先進多模仿真試驗驗收源也開發了高性能的復合仿真系統[4]，后者具備了紅外/毫米波/激光三模復合仿真的能力，可以將三種波束在空間合成并同時投射到一個導引頭入瞳。國內的研究起步較晚，近年來雖然在一些關鍵技術上取得了突破[5]，但和國外相比仍有不小的差距。

文中主要對紅外/毫米波/激光多模復合制導半實物仿真技術進行研究。首先對多模仿真系統進行總體方案設計;然后分析紅外目標模擬、毫米波目標模擬、激光回波模擬、多模目標波束合成、目標隨動等關鍵技術的解決途徑;最后給出了多模仿真的工作原理和試驗流程。

1 多模復合制導仿真系統總體方案設計

紅外/毫米波/激光多模復合制導仿真系統由毫米波目標模擬系統、紅外目標模擬器、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、三軸轉臺、目標隨動系統、慣導仿真轉臺、舵機負載模擬器、仿真計算機、實時網絡系統和試驗總控制臺系統組成。其中，毫米波目標模擬系統包括毫米波暗室、陣列及饋電系統、射頻信號源、干擾信號模擬器、校準裝置、試驗測試系統等。參試部件包括導引頭、慣性導航裝置、彈上計算機和舵機。仿真系統原理框圖如圖1所示。

圖1 多模復合制導仿真系統原理框圖

如圖1所示，整個仿真系統分為暗室內部分和暗室外部分。暗室內部分由毫米波目標模擬系統、紅外目標模擬器、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、三軸轉臺及目標隨動系統組成;暗室外部分由慣導仿真轉臺、舵機負載模擬器、仿真計算機、實時網絡系統和試驗總控制臺系統組成。

紅外、毫米波、激光目標的共孔徑合成由波束合成器來實現[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引頭的入瞳，實現多模目標信號的共孔徑投射。

2 多模復合制導仿真關鍵技術

2.1 紅外目標模擬

紅外信號的模擬由紅外目標模擬器來實現。紅外目標模擬器可以向被試導引頭提供高動態、高分辨率的紅外場景，主要由計算機圖像生成系統、可見光/紅外圖像轉換器和準直投影光學系統等組成。紅外目標模擬器的工作過程為:將計算機圖像生成系統產生的動態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換為各個像元的控制電流或電壓信號，進而生成相應的可見光動態場景，最后，通過可見光/紅外圖像轉換器將可見光場景轉換為紅外場景，并由準直光學系統投射出去。

圖2 紅外目標模擬器原理框圖

2.2 毫米波目標模擬

毫米波信號的模擬由毫米波目標模擬系統來實現。毫米波目標模擬系統主要由毫米波暗室、陣列及饋電系統、射頻信號源、干擾信號模擬器、校準裝置、試驗測試系統等設備組成，其目標模擬過程為:射頻信號源接收被試導引頭的發射信號，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射信號后，對導引頭輸出信號進行彈目距離、幅度以及多普勒調制，實現目標回波信號模擬，通過對導引頭輸出信號進行干擾信號幅相調制等多種信號的處理，實現干擾信號模擬;所模擬的目標信號和干擾信號通過陣列饋電系統以動態的輻射角度向被試導引頭輻射。

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現。激光回波模擬器主要由控制系統、激光器、光斑遮擋模擬、能量模擬、光斑大小模擬、光斑位置振動模擬、準直光學系統等部分組成。

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現。其工作原理為反射紅外透射激光，將紅外目標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合結構。合成器表面鍍有多層介質膜，通過膜系設計，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現。其工作原理為反射紅外、激光，透射毫米波，將經紅外/激光波束合成器反射的紅外、激光信號與毫米波目標模擬系統產生的毫米波信號在空間組合后投射到被試導引頭的入瞳。合成器基片采用對毫米波吸收較小的多層復合結構。合成器表面鍍有多層介質膜，通過膜系設計，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毫米波、紅外及激光波段的視場角決定，同時考慮實驗室總體布局結構，避免結構干涉。

2.6 目標隨動

紅外/激光目標的隨動由目標隨動系統來實現。目標隨動系統負載紅外目標模擬器、激光回波模擬器及紅外/激光波束合成器。目標隨動系統接收并響應仿真計算機實時輸出的控制信號，將紅外目標模擬器產生的紅外信號和激光回波模擬器產生的激光信號投射到紅外/毫米波/激光波束合成器上。以球面運動的方式帶動紅外和激光目標實現在一個較長半徑上的方位、俯仰方向的視線角運動模擬。

3 工作原理和試驗流程

3.1 工作原理

多模復合制導仿真系統的工作原理為:三軸轉臺負載導引頭，與紅外/激光/毫米波目標模擬器系統一起模擬彈目的相對運動;慣導仿真轉臺負載慣導，模擬導彈飛行姿態;舵機負載模擬器負載舵機，模擬導彈在飛行過程中舵面所受的鉸鏈力矩;紅外目標模擬器接收計算機圖像生成系統生成的圖像信號將其轉換為實時紅外場景;激光回波模擬器實時生成編碼激光回波信號;毫米波目標模擬系統實時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引頭的入瞳，實現多模目標模擬。整個仿真試驗流程由仿真計算機控制，實現導彈飛行過程仿真。

3.2 試驗流程

多模半實物仿真試驗的參試部件一般為復合導引頭、慣性導航裝置、彈上計算機、舵機等，其仿真試驗流程遵循以下步驟:

1)半實物仿真系統的調試驗收

為保證仿真試驗的正確、可靠、可信，仿真系統需調試驗收的有:各種仿真設備(包括毫米波目標模擬系統、紅外目標模擬器、激光回波模擬器等)、導彈飛行半實物仿真軟件、仿真信息接口、數據記錄裝置等，試驗前必須對各分系統進行測試驗收。

①半實物仿真軟件調試驗收

半實物仿真軟件是仿真的核心，它的正確與否直接關系著仿真試驗的成敗，必須給予高度重視。仿真軟件的研制以控制系統數學模型、彈體參數、氣動力參數、推力模型、邊界條件、干擾條件、發射控制時序等為依據研制完成。進行正式試驗前應對半實物仿真軟件進行驗收，確認仿真軟件滿足仿真要求，同時給出半實物仿真軟件試驗結果判據，作為正式試驗中仿真結果正確與否的依據。

②實時網絡系統調試驗收

完成實時網絡系統的調試，確保實時性達到仿真試驗的要求。

③數據記錄裝置調試驗收

數據記錄裝置的功能是接收參試部件發出的各種數據，同時采集仿真試驗現場有關數據，記錄成文件形式，供試驗結果分析判定使用，該裝置應滿足實時、可靠、完整等要求。

④仿真信息接口調試驗收

仿真信息接口的功能是按照武器系統工作時序，分別給參試部件產生各種所需要的數據，通過相應的總線送給各參試部件。武器系統工作時序復雜，傳送參數多，仿真信息接口在半實物仿真系統中起著數據傳送和轉換的作用，數據來源由仿真計算機按照各部件模型實時產生，通過實時網絡傳送給仿真信息接口。仿真信息接口的驗收按照武器系統工作時序要求進行，在實時數學仿真狀態下，由數據記錄裝置進行采集和分析驗證。

⑤仿真系統預仿真試驗

在各分系統測試驗收后，接入參試部件進行預備性仿真試驗，完成對整個仿真系統的調試，確認仿真系統是否工作正常。

2)參試部件測試驗收試驗

利用調試好的仿真系統對復合導引頭、慣性導航裝置、彈上計算機、舵機等參試部件開展測試驗收試驗，所有參試部件應為驗收合格的產品，試驗在開環狀態下進行，重點考核各參試部件的技術狀態是否滿足設計要求及達到仿真試驗要求。

3)地面制導部件半實物仿真試驗

按照地面制導部件仿真試驗方案，先進行仿真調試，連通各種仿真接口，待仿真系統工作正常后再按試驗方案和仿真條件開展地面制導部件半實物仿真試驗。

4)彈上控制部件半實物仿真試驗

按照彈上控制部件仿真試驗方案，先進行仿真調試，連通各種仿真接口，待仿真系統工作正常后再按試驗方案和仿真條件開展彈上控制部件半實物仿真試驗。

5)全系統閉環半實物仿真試驗

按照全系統閉環仿真試驗方案，先進行仿真調試，連通各種仿真接口，待仿真系統工作正常后再按試驗方案和仿真條件開展全系統閉環半實物仿真試驗。

4 結論

文中對多模復合制導半實物仿真技術進行了研究，給出了多模復合制導仿真系統的總體設計方案。對紅外目標模擬、毫米波目標模擬、激光回波模擬、多模目標波束合成、目標隨動等關鍵技術進行了深入研究，給出了多模仿真的工作原理和試驗流程。本研究可用于多模仿真系統的建設以及作為開展多模仿真試驗的參考依據，具有很好的應用前景。

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