半實物仿真紅外干擾彈運動特性模擬方法研究

陳海燕，王艷奎，趙松慶，吳根水

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽　471009)

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半實物仿真紅外干擾彈運動特性模擬方法研究

陳海燕，王艷奎，趙松慶，吳根水

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽471009)

摘要：為了滿足紅外制導武器半實物仿真試驗的需求，提出了一種使用紅外動態景象模擬器模擬紅外干擾彈運動特性的方法，建立了圖像坐標系下目標-干擾運動學模型；采用MOS電阻陣列紅外動態景象模擬器實現了干擾運動特性的模擬，成功應用于某型紅外制導武器半實物仿真試驗。

關鍵詞：紅外動態景象模擬器；干擾運動學建模；半實物仿真

本文引用格式：陳海燕，王艷奎，趙松慶，等.半實物仿真紅外干擾彈運動特性模擬方法研究[J].兵器裝備工程學報，2016(6):69-71.

Citation format:CHEN Hai-yan, WANG Yan-kui, ZHAO Song-qing, et al.Research on the Infra-Red Jamming Cartridge Kinematic Modeling and Simulation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(6):69-71.

紅外制導武器發展到第四代先進紅外成像制導模式，導引頭可以輸出紅外圖像，根據導引頭采集的紅外圖像可以分析導引頭工作狀態。第二、三代紅外制導武器半實物仿真試驗中，通常采用點源目標模擬器，點源目標模擬器對于目標、干擾的模擬通常采用分光路生成再通過半透半反鏡合成的方式實現，控制半透半反鏡擺動，可以實現干擾與目標的分離以及干擾的運動(圖1 給出了點源目標干擾模擬原理框圖)。此種干擾運動特性模擬方式結構較復雜，安裝在轉臺上重量較重，無法實現多個干擾。隨著第四代紅外成像制導武器的出現，以及紅外動態景象模擬器的成功研制，如何在實驗室采用紅外動態景像模擬器直接模擬目標、干擾及其相對運動成為現實所需[1-2]。

在紅外制導武器制導系統半實物仿真試驗中，需要對整個彈道過程中目標、干擾的紅外特性及其運動特性進行模擬。本文通過建立目標-干擾相對運動學模型，以MOS電阻陣列紅外動態景象模擬器[3-4]為基礎介紹了一種干擾運動特性模擬的新方法。

1　基于MOS電阻陣列的紅外動態景象模擬器工作原理

紅外動態景象模擬器是用來在實驗室模擬真實目標、干擾的紅外輻射特性和姿態運動特性，對武器系統性能測試和評估。它通常由圖像生成計算機、控制驅動器、MOS電阻陣列紅外動態景象生成器和紅外光學匹配投射系統組成。其系統組成方框圖見圖2。其中紅外動態景象生成器是紅外動態景象模擬器的關鍵器件，它在控制驅動器的作用下產生所需紅外動態景象。

圖1　點源目標干擾模擬原理框圖

圖2　紅外動態景象模擬器系統方框圖

圖像生成計算機接收仿真計算機鎖定的目標與導彈的位置和姿態信息、大氣參數，依據目標環境特性參數，計算出紅外目標環境的圖像數據。圖像邏輯控制及驅動器接收圖像生成計算機給出的紅外目標的圖像數據，通過控制器的格式轉換，將數據送往驅動器，與此同時，控制器還要給驅動器產生MOS電阻陣所需要的行、列掃描信號，由驅動器驅動MOS電阻陣產生紅外熱圖。最后，MOS電阻陣列紅外圖像轉換器生成的紅外目標環境動態熱圖經紅外光學匹配投射系統傳輸給紅外成像制導武器系統，經光學接收系統成像于武器系統焦平面上。

圖3為某紅外成像半實物仿真系統圖片。紅外動態景象生成器和光學匹配投射系統安裝在外兩軸框架上，紅外制導武器安裝在三軸轉臺上，共同構成五軸轉臺式半實物仿真系統[5]。

圖3　五軸轉臺式紅外半實物仿真系統

2　干擾運動模型建立

在實驗室對干擾的運動特性進行模擬，實際上是模擬制導武器所處位置探測到的二維圖像中目標、干擾的相對運動。根據導彈、目標、干擾相對運動學原理可以建立干擾的運動模型。首先，根據干擾的初始位置和初始速度，并考慮干擾投放后空氣阻力和重力對其影響，建立干擾在慣性系下的運動學模型。然后結合目標、導彈在慣性系下的位置，建立干擾及目標在轉臺框架系下的相對運動學模型。最后利用成像原理建立目標和干擾在紅外動態景象模擬器圖像坐標系下的運動學模型[6-10]。圖4為干擾運動軌跡模型計算流程圖。

圖4　干擾運動軌跡模型計算流程

2.1慣性系下干擾運動學模型

由干擾投放時刻目標位置信息確定出干擾在慣性系下的初始位置、目標的速度信息和干擾投放速度確定干擾在慣性下的初始速度?？紤]干擾在運動過程中所受空氣阻力F和重力G的影響，可得干擾運動學模型：

式(2)中：dt為計算步長；rf、vf分別為干擾彈的位置和速度；a為干擾彈加速度。

2.2轉臺框架坐標系目標干擾相對運動學模型

依據紅外制導系統半實物仿真實驗室的試驗方法，試驗都是在五軸轉臺上完成。模擬場景是由安裝在外兩軸上的紅外動態景象模擬器產生的。在建立實驗室干擾軌跡模型時，需要把慣性系下計算的干擾位置和速度模型轉換到轉臺框架坐標系，得到轉臺框架坐標系干擾運動軌跡模型。轉換時依據目標兩個框架的角度可以得到轉臺框架坐標系目標-干擾相對運動學模型：

(3)

(4)

2.3圖像坐標系目標干擾相對運動學模型

根據場景模擬器光學系統的焦距和干擾相對導彈的位置將干擾相對目標位置折算到目標模擬器的電阻陣平面，即圖像坐標系上，如圖5所示。按折算后的位置坐標控制電阻陣完成干擾運動軌跡圖像的生成。

圖5　坐標轉換關系示意圖

圖像坐標系中干擾相對目標的位置：

(5)

3　干擾運動特性的實現

實驗室模擬的目標在整個彈道過程中始終處于場景模擬器的固定位置，一般在中心位置，干擾從目標上分離出，實驗室模擬干擾的運動實際上是目標-干擾的相對運動。

應用MOS電阻陣列紅外動態景象模擬器實現干擾運動特性的模擬，首先要把目標干擾相對運動學模型寫入圖像生成計算機，完成干擾運動控制模塊軟件。

然后完成動態景象模擬器生成圖像方向的標定。因為景象模擬器生成圖像的方向除了與光學系統成像方向有關，還與電阻陣列芯片安裝方向和驅動方向相關，要保證模擬干擾的投放方向與設置方向一致，需要完成模擬器生成圖像方向的標定。若不一致，則要在式(5)的基礎上做方向變換。

生成圖像時，圖像生成計算機接收仿真計算機實時解算的目標速度、位置信息，導彈速度、位置信息，并依據干擾投放模式要求，包括干擾投放時刻，投放個數，投放間隔，投放方向，投放速度等。通過干擾運動模型解算，計算出每幀數據下目標干擾在景象模擬器上的位置信息。圖像邏輯控制及驅動器接收圖像生成計算機給出的紅外目標干擾的圖像數據，通過控制器的格式轉換，將數據送往驅動器。與此同時，控制器還要給驅動器產生MOS電阻陣所需要的行、列掃描信號，由驅動器驅動MOS電阻陣產生紅外熱圖。最后，MOS電阻陣列紅外圖像轉換器生成的紅外目標環境動態熱圖經紅外光學匹配投射系統傳輸給紅外成像制導武器系統，經其光學接收系統成像于武器系統焦平面上。一般情況下，仿真機仿真周期較短，約0.5～1 ms，目前場景模擬器周期約5～7 ms，圖像生成計算機實時接收仿真機數據時，需要考慮周期同步問題。

圖6就是應用128×128 MOS電阻陣列景象模擬器生成并經某型紅外成像導引頭探測后輸出的目標干擾圖像。圖中左1像點為目標，其余均為干擾。

4　結論

本文通過建立干擾的運動軌跡模型，提出了在動態景象生成器上模擬目標-干擾相對運動的方法，并在MOS電阻陣列紅外動態景象模擬器上實現了干擾運動特性的逼真模擬，為紅外制導武器系統全彈道仿真試驗及導引頭抗干擾算法驗證提供了可行的試驗驗證手段。

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(責任編輯周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.016

收稿日期：2016-01-31；修回日期：2016-02-25

作者簡介：陳海燕(1981—)，女，工程師，主要從事制導與控制系統仿真研究。

中圖分類號：V216.7

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)06-0069-03

Research on the Infra-Red Jamming Cartridge Kinematic Modeling and Simulation

CHEN Hai-yan, WANG Yan-kui, ZHAO Song-qing, WU Gen-shui

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Abstract:In order to test the infrared imaging guidance missiles in hardware-in-the-loop simulation, the method of the infra-red jamming cartridge kinematic simulation with the infrared dynamic scene simulator was given. The jamming cartridge kinematic model in the image coordinate system was built. The jamming’s moving was simulated with the MOS resistor array infrared dynamic scene simulator. This method was successfully used in one of the infrared imaging guidance missile’s hardware-in-the-loop simulation.

Key words:infrared dynamic scene simulator; kinematic modeling of the jamming; hardware-in-the-loop simulation