現代戰場環境中紅外面目標模擬源實現方法

駱 強,呂鴻鵬,孫衛平,劉 灝,常 磊,張翔宇,楊 勇

(西安現代控制技術研究所, 西安 710065)

隨著現代戰場環境日趨復雜，人們對紅外精確制導武器的戰場適應性提出了更高要求，如何檢驗和評估武器系統的作戰效能成為重要的研究課題[1,2]。紅外成像目標模擬器是半實物仿真實驗中不可缺少的重要組成部分[3]，它可以有效考核武器系統關鍵部件(紅外導引頭)對紅外目標的探測與跟蹤能力。在以往的試驗中，通常采用支架加電熱毯構建的簡易紅外目標源作為模擬被攻擊目標[4]。這種方法可簡單有效地模擬點目標[5]，但是無法真實模擬面目標的紅外輻射特性，無法區分主要發熱部位、過渡區域以及其它部分的溫差變化細節；同時，由于溫差的形成為開環方式，無法設定需要的溫度值，導致受外界環境變化的影響較大，不確定因素較多。總之，該模擬方法目標相似度較低，無法真實有效地考核導引頭對實際軍事目標的探測與跟蹤能力。國外已經建立起從目標紅外模擬成像和戰場背景模擬到多目標紅外模擬的模擬系統，并應用到靶場測試中，取得了很好的效果[6-7]。

為此，本文提出一種新型的紅外面目標模擬方法，通過采用模塊化設計，將面目標分為多個子單元，對每個子單元分別進行加熱和實時控制，可以較為精確地模擬近似于戰場環境下固定工事、坦克和直升機的靜態與動態目標紅外輻射特性，提高了模擬目標的相似度，彌補了目前紅外導引頭試驗條件和環境的不足，并為精確制導武器系統的抗干擾技術研究、光電干擾設備的性能和干擾效果的測試、評估提供了必要條件。

1 系統結構

系統主要由溫度傳感器、模擬目標、支撐裝置、發熱材料、調功電路、調理模塊、電源系統、綜合測控系統組成。整個系統組成框圖如圖1。

首先，支撐裝置根據不同的目標對象構建相應的支撐立體結構，固定發熱材料并支撐相關的設備放置。其次，溫度傳感器通過高精度熱電阻采集發熱材料的溫度，調理模塊將溫度傳感器采集的溫度變成標準電流信號，綜合測控系統實現溫度信號采集及發熱材料溫度控制功能。最后，電源系統采用大功率發電機及相關電源模塊為調功電路供電，調功電路根據綜合測控系統計算的PID值對發熱材料的溫度進行控制。發熱材料選用硅橡膠電加熱板，將目標溫度加熱到指定溫度。本系統的硬件采集系統采用PXI計算機與數據采集卡，軟件系統采用基于LabVIEW的控制管理軟件。

本文的模擬目標包括坦克和直升機目標源。目標源模擬系統將硅橡膠電加熱板根據模型加工成規矩的形狀并安裝在支撐裝置上。試驗時，在綜合測控系統中可以根據不同的模擬目標給出相應的不同溫度控制策略和模塊連接方式，進而對不同發熱單元進行溫度控制。

紅外模擬目標的表面溫度調節系統是閉環控制系統[8]，采用綜合測控系統控制相關部位的溫度。紅外模擬目標的表面溫度由熱電阻傳感器采集提供，溫差的標校采用紅外點溫儀選定的背景進行逐點測量，為了方便參數設置，可通過綜合測控系統屏幕上的界面進行對應設置。布置在紅外模擬目標上的溫度傳感器信號經信號調理模塊調理后以電流的方式傳輸給綜合測控系統采集模塊，綜合測控系統采集模塊將電流信號轉換成可識別的數字信號，并將該數字信號與屏幕上輸入的理論溫度進行比較，從而得到控制調節溫度的控制信息。該信息通過數/模轉換模塊轉換成電壓信號后，傳輸給電壓調理模塊，通過電壓調理模塊控制輸出功率，實現對加熱體的控制。溫度控制方案原理框圖如圖2。

加熱板布局是根據目標尺寸要求設計的。將加熱板支架尺寸設計為3塊，第一塊為5×8=40個，第二塊為5×8=40個，第三塊為2×8=16個，加熱板數量為12×8=96個，當模型為坦克時，安裝第一、第二模板的加熱板，當模型為直升機時，安裝三個模板的加熱板，布局如圖3。

支撐裝置根據不同的目標對象構建相應的支撐立體結構，固定發熱材料。支撐裝置可根據目標要求組成相應的模擬目標，支撐相關的設備放置。以第一安裝支架為例，其支撐裝置結構如圖4。該支撐裝置由可快速組合拼裝的模塊組成，在野外試驗時可以快速搭建。

以坦克目標模擬為例，其模擬模型布局如圖5所示。坦克模型對應10×8大小的加熱板，為將加熱板中的每一個點對應進軟件系統，其亮點代表了模擬目標發熱部分，暗點代表了模擬背景部分。計算機控制軟件對不同點的發熱溫度進行設定后，便可對紅外目標進行模擬。

2 紅外目標模擬評估

系統根據試驗要求模擬坦克、直升機在不同狀態下的紅外輻射特性，如圖6～圖9所示。

紅外目標模擬評估采用相似度評估方法[9]，系統A、B之間存在n個相似要素，即構成n個相似元，設每個相似元的值為q(ui)，每個相似元對相似程度的影響權重為βi，系統A與B的相似度定義為[10]：

(1)

式(1)中，n/(k+l-n)表示A和B的要素數量n對系統相似度的影響；βiq(ui)表示每一相似要素的相似度及其權重對系統相似度的影響。

設模擬系統的輸出結果為ys，被模擬對象系統的試驗結果或理論結果為yr，則：

(2)

紅外干擾目標模擬系統主要參數包括面積、溫差、形狀等[11]，設面積為q(u1)，溫差為q(u2)，形狀為q(u3)。在武器系統研制過程中，模擬常見軍用紅外目標熱輻射特性一般將面積、溫差、形狀在紅外干擾目標模擬系統技術參數中的權重分別為0.3、0.4、0.3。

試驗中以坦克為例，在坦克模擬時，真實坦克面積為60(模擬塊數量)，溫差為105，形狀為1，模擬系統面積為57(模擬塊數量)，溫差最大為85，形狀為0.75，根據公式(2)，則q(u1)=0.947，q(u2)=0.81，q(u3)=0.75。

根據相似度公式Q(A,B)=β1×q(u1)+β2×q(u2)+β3×q(u3) =0.3×0.98+0.4×0.62+0.3×0.85=0.833，可以得出坦克紅外模擬相似度為0.833，即83.3%。

在直升機模擬時，真實直升機面積為58(模擬塊數量)，溫差為115，形狀為1，模擬系統面積為56(模擬塊數量)，溫差最大為85，形狀為0.75，根據公式2則q(u1)=0.97，q(u2)=0.75，q(u3)=0.75。

根據相似度公式Q(A,B)=β1×q(u1)+β2×q(u2)+β3×q(u3)=0.3×0.97+0.4×0.75+0.3×0.75=0.816，可以得出坦克紅外模擬相似度為0.816，即81.6%。該系統已多次參與系統對抗試驗，以其優異的模擬性能獲得相關單位的廣泛認可。

3 結論

本文提出了一種新的紅外面目標模擬方法，通過將紅外面目標分為多個子單元，對每個子單元進行加熱和實時控制，能夠較為精確地模擬坦克和直升機目標紅外輻射特性，分別達到了81.6%和83.7%的相識度，彌補了目前紅外導引頭試驗條件和環境的不足，為紅外導引頭模擬試驗提供了必要的條件保障。

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[1] 成娟,高教波,尹濤.室溫下低溫背景紅外場景生成方法實驗研究[J].應用光學,2009,30(5):844-848.

[2] 楊貴軍,柳欽火,黃華國,等.基于場景模型的熱紅外遙感成像模擬方法[J].紅外與毫米波學報,2007,26(1):15-21.

[3] 高輝,趙松慶.紅外成像目標模擬器的應用探索[J].紅外技術,2014,36(5):409-414.

[4] 吳永剛,呂俊杰.現有紅外目標模擬器方案的分析[J].系統仿真學報,1993,5(4):15-19.

[5] 李旭東,馮愛國,周新妮,等.外場用紅外目標模擬器輻射特性測量研究[J].應用光學,2010,31(2):256-260.

[6] HUDSON R D.Infrared system engineering[M].Wiley-Interscience,1969.

[7] WANG X W,SHEN T S,ZHOU X D.Multitarget and background simulation of infrared warning system[J].Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering,2001:4548.

[8] 胡勤.紅外小目標檢測跟蹤系統的伺服控制研究[D].深圳：深圳大學,2016.

[9] 楊紅堅,吳穎霞,魏立安.被煙幕干擾的紅外目標圖像的量化評估[C].長沙：第10屆全國光電技術與系統學術會議，2003.

[10]周美立.相似工程學[M].機械工業出版社,1998.

[11]吳春光,王愛民.紅外面目標模擬器溫度控制技術的研究[J].長春理工大學學報(自然科學版),2010,33(4):74-76.