射頻/光學復合制導仿真實現形式及發展*

臧海飛，劉 栗，田 義，程 禹

(上海機電工程研究所·上海·201109)

0 引 言

隨著電子對抗技術的發展，制導系統面臨的戰場環境越來越復雜，單一制導模式已經不能滿足作戰任務的需求，雙?；蚨嗄秃现茖軌虬l揮多種模式的優點，而且可以克服各自的不足，從而形成一個作戰能力更強的制導系統。例如雷達/紅外復合制導主要利用雷達作用距離遠和全天候作戰能力，以及紅外成像的分辨率好、制導精度高等特點，二者相互補充，能大大提高制導系統的可靠性和抗干擾能力，從而提高武器的命中精度[1-2]。為了研制和驗證復合制導系統的性能，需要在地面試驗室進行大量復雜的仿真試驗，半實物仿真技術能夠有效地彌補數字仿真或外場試驗的諸多不足，所以對復合制導仿真的研究勢在必行。復合仿真跨越“射頻”和“光學”領域，其工程實現是當前研究的熱點和難點[3]。

本文根據復合制導仿真系統國內外發展現狀，首先介紹了典型復合制導仿真系統，然后梳理了復合目標模擬系統的實現形式，最后根據復合制導仿真技術發展趨勢，設計了多種三模復合目標模擬系統方案。為復合制導仿真系統進一步的發展提供了思路和方法。

1 國內外典型復合制導半實物仿真系統

美國、德國、日本、以色列等國家在20世紀80年代開始提出射頻/光學復合制導半實物仿真的概念，直到21世紀才逐漸完善。20世紀90年代開始，國內多家研究單位一方面跟蹤國外研究進展，提出了多種與國外類似的射頻/光學復合制導半實物仿真系統的方案，另一方面結合國內復合制導技術及其半實物仿真技術的發展國情提出了一些創新性的解決方案。根據仿真方式分類，目前復合制導仿真系統的類型可分為兩類三種，兩類分別是分口徑復合和共口徑復合，對于分口徑復合包括單模系統聯動的復合制導半實物仿真系統，對于共口徑復合包括基于三軸轉臺的復合制導半實物仿真系統和基于五軸轉臺的復合制導半實物仿真系統。

1.1 單模系統聯動的制導半實物仿真系統

單模系統聯動是采用兩套獨立的射頻和光學半實物仿真系統，兩套被測單元分別放進對應的仿真系統，且兩套半實物仿真系統共用同一套仿真控制系統。該類型的復合系統并不是真正的復合制導仿真系統，只是能對兩種模式的制導天線進行聯合仿真。缺點是需要將兩套參試設備進行適應性更改，一套紅外傳感器工作，一套射頻傳感器工作，且兩個參試設備要共用一套制導控制系統，兩個傳感器的輸出信號需要遠距離傳輸并與制導控制系統交互，兩套半實物仿真系統也需要同步聯動控制[4]。

典型的系統如雷神公司(Raytheon Systems Company)為美國海軍提供了一套雙模系統半實物仿真設施[5]，該系統工作原理如圖1所示。該系統的核心在于保持兩套半實物仿真系統的時空一致性。

1.2 基于三軸轉臺的復合制導半實物仿真系統

基于三軸轉臺的復合制導半實物仿真系統，三軸飛行轉臺用于模擬彈體飛行姿態。復合目標的視線角運動的模擬必須通過其他手段實現，比如采用暗室內的射頻陣列天線或機械導軌實現射頻目標的運動，紅外目標可以采用傳統的點源或成像目標。該系統的優點是可以兼容傳統的射頻目標和紅外目標實現形式，所模擬的目標、干擾和作戰場景形式復雜多樣。缺點是該類系統占地面積大、造價高昂。

約翰霍普金斯大學應用物理實驗室在1990年提出的雙模半實物仿真系統[6]，其原理如圖2所示。射頻目標由天線陣列模擬，紅外目標位于被測單元側面。由于該系統針對射頻/紅外分口徑被測單元進行設計，因此并未用到波束復合技術。

圖2 約翰霍普金斯大學的雙模制導仿真系統原理圖[6]Fig.2 Schematic diagram of dual-mode guidance simulation system at Johns Hopkins University[6]

日本防御局(Japan Defense Agency)于1998年建立了一個功能簡單的雙模復合半實物仿真系統，其原理如圖3所示[7]。射頻目標由天線陣列模擬，紅外目標固定在陣列中心。由于紅外目標固定，模擬紅外目標視線角運動時，需要對被測單元內部進行改造。由于復合信號非共軸，所以未用到波束復合技術。該方法雖然能夠實現雙模目標的模擬，但改造了被測單元，使得仿真可信度大大降低。

圖3 日本防御局雙模系統原理圖[7]Fig.3 Schematic diagram of dual-mode simulation system at Japanese Defense Agency[7]

美國陸軍導彈司令部于1994年提出了毫米波/紅外雙模共口徑復合仿真系統的方案[8]，其原理如圖4所示。其中毫米波目標由天線陣列進行模擬[9-10]，紅外目標由電阻陣進行模擬。該方案最關鍵的構成是波束復合系統，它能夠將透射的射頻目標波束和反射的紅外目標波束進行復合，從而解決了射頻目標模擬系統和紅外目標模擬系統視線遮擋問題。

圖4 美國陸軍司令部雙模仿真系統原理圖[8]Fig.4 Schematic diagram of dual-mode simulation system at U.S. Army Command[8]

美國陸軍導彈司令部在20世紀90年代提出了毫米波、長波紅外和近紅外激光三模復合制導半實物仿真系統，該系統如圖5所示，該系統關鍵器件是毫米波透射/近紅外漫反射屏和毫米波/長波紅外/近紅外波束目標復合器，漫反射屏靠近毫米波陣列放置，其表面能夠充分散射入射激光，同時透射毫米波信號。毫米波/長波紅外/近紅外波束復合器實現毫米波多普勒雷達信號、長波紅外場景信號和近紅外激光點源信號的復合[11-16]。

圖5 美國陸軍導彈司令部三模復合仿真試驗系統[13]Fig.5 Tri-mode composite simulation system at U.S. Army Missile Command[13]

1.3 基于五軸轉臺的復合制導半實物仿真系統

基于五軸轉臺的復合制導半實物仿真系統，內三軸用于模擬彈體飛行姿態，而外兩軸用于模擬復合目標的視線角運動，因此要求復合目標必須能夠安裝在外兩軸上，對轉臺的負載性能、動態性能等各項指標提出了更嚴格的要求，同時要求復合目標的體積、質量、抗振性能等滿足轉臺的運動環境要求。由于外兩軸的回轉半徑有限，因此要求射頻目標必須進行特殊的設計才能夠實現平面波場的模擬。該類系統的優點是能夠模擬的視線角范圍較大，不用建造昂貴的射頻暗室、占用過大的空間。缺點是所模擬的目標、干擾和作戰場景形式單一。

典型系統如德國Bodenseewerk Ger?tetechnik Gmbh(BGT)在1987年針對雙模復合旋轉導彈海拉姆[17]研制建立了一套雙模mini暗室仿真系統[18]，原理如圖6所示。雙模mini暗室就配裝在外兩軸上。目標系統由4個喇叭天線環形布局組成的陣列模擬一個射頻目標，要求射頻雷達接收到的電磁場近似平面波。中心是一個紅外點源目標，由鎢燈和可控光欄構成。

圖6 德國雙模mini暗室目標系統原理圖[18]Fig.6 Schematic diagram of Germany dual-mode mini darkroom target system[18]

布洛克工程公司(Block Engineering Group)于1990年提出了射頻/紅外雙模復合半實物仿真系統[19]，復合目標系統原理如圖7所示，射頻目標天線陣列由7個喇叭構成，外加平面-非球面介質透鏡。紅外目標包括兩路50℃～1300℃紅外黑體源，2 μm～5 μm主投影鏡頭伺服導軌用于實現在瞬時視場內的運動，兩路黑體源由合束器進行復合，由低溫背景模塊實現冷背景。復合信號由反射頻/透紅外的波束復合器件產生。

以色列在1994年、2000年分別研制了類似的一套緊縮場射頻/紅外雙模復合仿真系統如圖8所示[20]。雙模復合目標系統采用緊縮場的形式，用拋物面對放置在拋物面焦點的射頻饋源進行準直，在被測單元處生成近似平面波。射頻饋源共有3路，可以模擬多目標、多路徑效應、電磁干擾等。在拋物面中心位置開一窗口，該窗口可以透射紅外反射射頻信號。在窗口上面安裝一套紅外動態場景目標模擬器用于模擬紅外目標[21]。

圖7 布洛克工程公司雙模復合目標系統原理圖[19]Fig.7 Schematic diagram of dual-mode compound target system of Block Egineering Group[19]

圖8 以色列緊縮場雙模復合仿真系統原理圖Fig.8 Schematic diagram of Israel dual-mode composite simulation system

北京理工大學于2006～2010年研制了基于五軸轉臺的雙模半實物仿真系統，目標系統采用了卡式結構，如圖9所示[22-27]，分為主鏡和次鏡，主鏡能夠反射紅外和射頻信號，次鏡能夠反射紅外、透射射頻信號。紅外信號由主鏡背面輻射，經次鏡和主鏡兩次反射，卡式結構對紅外輻射準直。射頻信號有兩種工作模式。模式A，射頻饋源位于次鏡背面，射頻信號透射次鏡，經主鏡前反射面一次反射。模式B，射頻饋源位于次鏡前面，經主鏡后反射面一次反射。射頻信號經過主鏡反射后形成近似平面波。

圖9 北京理工大學復合目標結構示意圖Fig.9 Schematic diagram of compound target structure of Beijing Institute of Technology

2 復合目標模擬系統實現形式分析

從上一節可以看出，復合制導半實物仿真系統的核心是復合目標模擬系統。復合目標模擬系統需要針對復合制導系統的特點設計，按實現形式可分兩種：利用結構復合和利用器件復合的目標模擬系統。利用結構復合是充分利用射頻或光學天線的結構特點，通過結構的設計實現兩個天線的復合，所出射的射頻和光學信號的波束就已經復合。而利用器件復合是通過波束復合器件對射頻波束和光學波束進行復合。

2.1 利用結構復合的目標系統

(1)喇叭天線/紅外點源復合目標系統

美國海軍空戰中心武器分部(Naval Air Warfare Center Weapons Division)最初復合目標的技術途徑是在喇叭天線內安裝紅外輻射源[28]，該復合目標的結構正視圖和側視圖如圖10所示。紅外源是將燈絲封裝在藍寶石或砷化鎵內。將紅外源通過電源線支撐在天線口面中心位置，但要求電源線與射頻輻射的極化方向一致。這種結構雖然簡單但存在許多問題，例如不能仿真紅外背景、干擾；無法模擬射頻到紅外交班后紅外能量、尺寸、光譜的變化；由于沒有準直系統，在有限距離條件下導致在被測單元的成像系統在探測器處成像模糊。

圖10 喇叭天線/紅外點源復合目標系統示意圖[28]Fig. 10 Schematic diagram of horn antenna/infrared point source composite target system[28]

(2)偏饋緊縮場/紅外成像復合目標系統

射頻二次反射天線、紅外透射的雙模復合天線結構[29]，如圖11所示。射頻天線由兩個反射鏡構成為格里高利系統。該復合目標系統主鏡中間開窗口用于透射紅外成像目標的波束，由于采用了偏饋形式，避免了卡式結構中心遮擋問題，但是主鏡中間開孔會引起旁瓣增強、能量溢出等負效應。

圖11 偏饋緊縮場/紅外成像復合目標系統Fig.11 Composite target system of deflect-feed Compact Antenna Test Range/infrared imaging

(3)喇叭天線陣/紅外準直點源復合目標系統

射頻天線和紅外點源相組合的結構，德國BGT的雙模復合仿真系統就是這種結構，該復合目標系統利用天線陣合成一個目標在陣列天線中心位置，剛好與紅外目標重合，工作原理如圖12所示。要求射頻目標與被測設備的距離應當滿足遠場條件，但紅外目標系統距離被測單元過遠時，會導致漸暈成像。

圖12 喇叭天線陣/紅外準直點源復合目標系統[4]Fig.12 Composite target system of horn array/infrared collimation point-source[4]

(4)卡塞格林結構復合目標系統

如圖9所示，該復合方式主要問題在于：次鏡遮擋了部分紅外波束，降低了光學口徑的利用效率；由于次鏡位置必須有支撐結構，同時饋源處于射頻波束內，會引入射頻信號的波面畸變；卡式結構中心開孔如果不做處理將會導致射頻能量的損耗，影響波面質量。

2.2 利用器件復合的目標系統

利用器件復合是對射頻遠場近似平面波束和平行光進行復合，根據紅外和射頻信號的透反分為兩類：透紅外/反射頻和透射頻/反紅外兩大類。

(1)利用透紅外/反射頻波束復合器件的復合目標系統

利用透紅外/反射頻波束復合器件的復合目標系統工作原理如圖13(a)所示。紅外信號經過該器件透射，射頻信號經該器件反射，紅外波束和射頻波束形成沿主軸的復合信號。由于器件尺寸受限制，同時射頻信號采用反射形式，要求射頻目標出射的波束寬度較窄，因此射頻目標一般采用射頻緊縮場形式。

(2)利用透射頻/反紅外波束復合器件的復合目標系統

利用透射頻/反紅外波束復合器件的復合目標系統工作原理如圖13(b)所示。射頻信號經過該器件透射，紅外信號經該器件鏡面反射、漫反射或衍射，紅外波束和射頻波束形成沿主軸的復合信號。

(a)透射紅外反射射頻的波束合成器

(b)透射射頻反射紅外的波束合成器圖13 波束復合器件工作原理Fig.13 Schematic diagram of beam former

波束復合器件可以是平面的，也可以是曲面的，例如在卡塞格林結構復合目標系統中，其中次鏡或主鏡均可看做波束復合器件，均有一定的曲率。典型的波束復合器包括鍍有紅外反射膜的介質基板、頻率選擇表面、衍射光學元件、金屬網柵結構、介質薄膜、漫反射屏以及金屬網柵結構技術[30]等。

3 三模復合目標模擬系統發展趨勢與方案設計

隨著復合結構的發展，三模復合目標模擬系統的需求越來越多。目前已知的三模復合仿真系統是美國陸軍導彈司令部的三模復合制導仿真系統，該系統的關鍵器件是毫米波透射/近紅外漫反射屏和毫米波/長波紅外/近紅外波束復合器，漫反射屏由密封聚苯乙烯制作而成，其表面能夠充分散射入射激光，同時透射毫米波信號。波束復合器能夠實現毫米波多普勒雷達信號、長波紅外場景信號和近紅外激光點源信號的復合。由此可知，新型材料和器件是三模復合技術的關鍵，比如射頻反射面共形設計[31]，高性能的波束合成器[32-33]等。

根據對復合材料和器件的要求，下面提出了用于三軸轉臺和五軸轉臺的三模復合目標模擬系統方案。

3.1 用于三軸轉臺的三模復合目標系統方案

方案一，在美國陸軍導彈司令部三模復合仿真系統的基礎上，對射頻目標結構進行改進，將射頻天線陣列改成機械陣的形式，射頻目標的運動通過機械導軌實現，漫反射和波束復合器的結構不變，該方案的特點是能夠實現射頻目標信號更大的帶寬和更強的功率，增大復合目標的視場角，缺點是機械導軌在模擬目標運動時速度慢，位置精度低。

方案二，如圖14所示，波束合成器在透射射頻/反射紅外的基礎上，增加衍射激光的功能，使激光信號入射到波束合成器發生衍射，衍射后的信號與射頻信號透射后的波束同軸，即可實現三模復合，保持射頻目標和激光目標位置固定，通過三軸轉臺模擬參試設備與復合目標之間的相對運動，該方案的難點在于波束復合器，缺點是模擬的視場角范圍變小。

圖14 基于波束復合器的三模復合目標示意圖Fig.14 Schematic diagram of tri-mode composite target based on beam combiner

3.2 用于五軸轉臺的三模復合目標系統方案

為滿足五軸轉臺對目標模擬器結構的要求，三模復合目標模擬系統可采用緊縮場的形式，如圖15所示。將緊縮場反射面設計成射頻共形天線，在射頻天線表面鍍制一層介質膜作為紅外激光反射面，用來反射焦點發射的光學信號，在焦點前放置透射激光反射紅外的波束合成器，這樣就能夠產生紅外/激光/射頻三模復合信號。該系統的優點是能夠實現目標、干擾和作戰場景形式多樣化；相對于偏饋緊縮場/紅外目標復合系統，能夠改善緊縮場靜區性能，缺點是結構復雜，共形天線帶寬和功率會受限制。

圖15 基于緊縮場的三模復合目標示意圖Fig.15 Schematic diagram of tri-mode compound target based on Compact Antenna Test Range

4 結 論

本文對國內外復合半實物仿真系統進行總結，根據復合仿真系統的實現形式，復合仿真系統可分為三類：單模系統聯動的復合仿真系統、基于三軸轉臺的復合仿真系統和基于五軸轉臺的復合仿真系統，分析了每種系統的適用條件和優缺點。然后對復合目標系統進行分析，其實現形式可分兩種：利用結構復合和利用器件復合，給出了典型的復合目標模擬系統案例。最后結合新器件的發展，對三模復合目標的結構提出了新方案，設計了可應用于三軸轉臺和五軸轉臺的三模復合目標系統方案。對射頻/光學復合制導仿真實現形式的研究，為進一步發展復合制導仿真提供了思路和方法。