多模复合制导半实物仿真系统设计*

朱晓勤，张 翔，朱克炜，王 洋

(1海军驻西安弹药专业军事代表室，西安 710043;2中国兵器工业第203研究所，西安 710065)

0 引言

在多模复合制导体制中，红外/毫米波/激光多模复合制导因其优良的探测和抗干扰能力在上世纪90年代得到了广泛关注和迅速发展。目前采用红外/毫米波/激光多模复合制导体制的武器系统有美国JAGM联合空地导弹、英国硫磺石空地导弹以及德国斯玛特末制导炮弹等。这些武器系统技术含量高，系统构成复杂，探测模式多，控制难度大，因此需要研制相应的试验验证系统，以对武器系统的设计、研制和改进提供依据，而半实物仿真无疑是最好的选择。在多模仿真领域，国外在上世纪90年代就已取得重大突破。美国海军空战中心使用小型红外源成功实现了红外/毫米波双模仿真[1];约翰霍普金斯大学开发了射频/红外复合仿真系统[2]，相比海军空战中心，该系统目标模拟的能力更加逼真，可对复合导引头进行全面的测试与评估;美国陆军导弹司令部研制的复合仿真系统[3]，能够为多模导引头的开发提供高质量的仿真支持。此外，埃格林空军基地以及先进多模仿真试验验收源也开发了高性能的复合仿真系统[4]，后者具备了红外/毫米波/激光三模复合仿真的能力，可以将三种波束在空间合成并同时投射到一个导引头入瞳。国内的研究起步较晚，近年来虽然在一些关键技术上取得了突破[5]，但和国外相比仍有不小的差距。

文中主要对红外/毫米波/激光多模复合制导半实物仿真技术进行研究。首先对多模仿真系统进行总体方案设计;然后分析红外目标模拟、毫米波目标模拟、激光回波模拟、多模目标波束合成、目标随动等关键技术的解决途径;最后给出了多模仿真的工作原理和试验流程。

1 多模复合制导仿真系统总体方案设计

红外/毫米波/激光多模复合制导仿真系统由毫米波目标模拟系统、红外目标模拟器、激光回波模拟器、红外/毫米波/激光波束合成器、红外/激光波束合成器、三轴转台、目标随动系统、惯导仿真转台、舵机负载模拟器、仿真计算机、实时网络系统和试验总控制台系统组成。其中，毫米波目标模拟系统包括毫米波暗室、阵列及馈电系统、射频信号源、干扰信号模拟器、校准装置、试验测试系统等。参试部件包括导引头、惯性导航装置、弹上计算机和舵机。仿真系统原理框图如图1所示。

图1 多模复合制导仿真系统原理框图

如图1所示，整个仿真系统分为暗室内部分和暗室外部分。暗室内部分由毫米波目标模拟系统、红外目标模拟器、激光回波模拟器、红外/毫米波/激光波束合成器、红外/激光波束合成器、三轴转台及目标随动系统组成;暗室外部分由惯导仿真转台、舵机负载模拟器、仿真计算机、实时网络系统和试验总控制台系统组成。

红外、毫米波、激光目标的共孔径合成由波束合成器来实现[6]。如图1所示，首先，利用红外/激光波束合成器将红外与激光信号合成，再将合成后的信号与毫米波信号通过红外/毫米波/激光波束合成器二次组合后投射到被试导引头的入瞳，实现多模目标信号的共孔径投射。

2 多模复合制导仿真关键技术

2.1 红外目标模拟

红外信号的模拟由红外目标模拟器来实现。红外目标模拟器可以向被试导引头提供高动态、高分辨率的红外场景，主要由计算机图像生成系统、可见光/红外图像转换器和准直投影光学系统等组成。红外目标模拟器的工作过程为:将计算机图像生成系统产生的动态场景变成微显示器能够接受的场景灰度图像，控制电路将灰度图像转换为各个像元的控制电流或电压信号，进而生成相应的可见光动态场景，最后，通过可见光/红外图像转换器将可见光场景转换为红外场景，并由准直光学系统投射出去。

图2 红外目标模拟器原理框图

2.2 毫米波目标模拟

毫米波信号的模拟由毫米波目标模拟系统来实现。毫米波目标模拟系统主要由毫米波暗室、阵列及馈电系统、射频信号源、干扰信号模拟器、校准装置、试验测试系统等设备组成，其目标模拟过程为:射频信号源接收被试导引头的发射信号，将其变频到微波中频频段;射频信号源和干扰信号模拟器收到发射信号后，对导引头输出信号进行弹目距离、幅度以及多普勒调制，实现目标回波信号模拟，通过对导引头输出信号进行干扰信号幅相调制等多种信号的处理，实现干扰信号模拟;所模拟的目标信号和干扰信号通过阵列馈电系统以动态的辐射角度向被试导引头辐射。

2.3 激光回波模拟

激光回波信号的模拟由激光回波模拟器来实现。激光回波模拟器主要由控制系统、激光器、光斑遮挡模拟、能量模拟、光斑大小模拟、光斑位置振动模拟、准直光学系统等部分组成。

2.4 红外/激光波束合成

红外与激光信号的共孔径合成由红外/激光波束合成器来实现。其工作原理为反射红外透射激光，将红外目标模拟器生成的红外信号与激光回波模拟器生成的激光信号在空间组合后投射到红外/毫米波/激光波束合成器上。合成器基片采用对毫米波吸收较小的多层复合结构。合成器表面镀有多层介质膜，通过膜系设计，使之具有3～5μm 、8～12μm波段的高反射带。红外/激光波束合成器通常要求红外反射率大于80%，激光透过率大于70%。

2.5 红外/毫米波/激光波束合成

红外、毫米波、激光信号的共孔径合成由红外/毫米波/激光波束合成器来实现。其工作原理为反射红外、激光，透射毫米波，将经红外/激光波束合成器反射的红外、激光信号与毫米波目标模拟系统产生的毫米波信号在空间组合后投射到被试导引头的入瞳。合成器基片采用对毫米波吸收较小的多层复合结构。合成器表面镀有多层介质膜，通过膜系设计，使之具有 3 ～5μm、8 ～12μm、1.064μm 波段的高反射带。红外/毫米波/激光波束合成器通常要求红外和激光的反射率大于80%，毫米波透过率大于60%。波束合成器的尺寸根据毫米波、红外及激光波段的视场角决定，同时考虑实验室总体布局结构，避免结构干涉。

2.6 目标随动

红外/激光目标的随动由目标随动系统来实现。目标随动系统负载红外目标模拟器、激光回波模拟器及红外/激光波束合成器。目标随动系统接收并响应仿真计算机实时输出的控制信号，将红外目标模拟器产生的红外信号和激光回波模拟器产生的激光信号投射到红外/毫米波/激光波束合成器上。以球面运动的方式带动红外和激光目标实现在一个较长半径上的方位、俯仰方向的视线角运动模拟。

3 工作原理和试验流程

3.1 工作原理

多模复合制导仿真系统的工作原理为:三轴转台负载导引头，与红外/激光/毫米波目标模拟器系统一起模拟弹目的相对运动;惯导仿真转台负载惯导，模拟导弹飞行姿态;舵机负载模拟器负载舵机，模拟导弹在飞行过程中舵面所受的铰链力矩;红外目标模拟器接收计算机图像生成系统生成的图像信号将其转换为实时红外场景;激光回波模拟器实时生成编码激光回波信号;毫米波目标模拟系统实时生成毫米波回波信号。仿真开始后，红外/激光波束合成器反射红外信号透射毫米波信号，将二者在空间组合后投射到红外/毫米波/激光波束合成器上;红外/毫米波/激光波束合成器反射红外/激光信号透射毫米波信号将三种信号在空间组合后投射到被试导引头的入瞳，实现多模目标模拟。整个仿真试验流程由仿真计算机控制，实现导弹飞行过程仿真。

3.2 试验流程

多模半实物仿真试验的参试部件一般为复合导引头、惯性导航装置、弹上计算机、舵机等，其仿真试验流程遵循以下步骤:

1)半实物仿真系统的调试验收

为保证仿真试验的正确、可靠、可信，仿真系统需调试验收的有:各种仿真设备(包括毫米波目标模拟系统、红外目标模拟器、激光回波模拟器等)、导弹飞行半实物仿真软件、仿真信息接口、数据记录装置等，试验前必须对各分系统进行测试验收。

①半实物仿真软件调试验收

半实物仿真软件是仿真的核心，它的正确与否直接关系着仿真试验的成败，必须给予高度重视。仿真软件的研制以控制系统数学模型、弹体参数、气动力参数、推力模型、边界条件、干扰条件、发射控制时序等为依据研制完成。进行正式试验前应对半实物仿真软件进行验收，确认仿真软件满足仿真要求，同时给出半实物仿真软件试验结果判据，作为正式试验中仿真结果正确与否的依据。

②实时网络系统调试验收

完成实时网络系统的调试，确保实时性达到仿真试验的要求。

③数据记录装置调试验收

数据记录装置的功能是接收参试部件发出的各种数据，同时采集仿真试验现场有关数据，记录成文件形式，供试验结果分析判定使用，该装置应满足实时、可靠、完整等要求。

④仿真信息接口调试验收

仿真信息接口的功能是按照武器系统工作时序，分别给参试部件产生各种所需要的数据，通过相应的总线送给各参试部件。武器系统工作时序复杂，传送参数多，仿真信息接口在半实物仿真系统中起着数据传送和转换的作用，数据来源由仿真计算机按照各部件模型实时产生，通过实时网络传送给仿真信息接口。仿真信息接口的验收按照武器系统工作时序要求进行，在实时数学仿真状态下，由数据记录装置进行采集和分析验证。

⑤仿真系统预仿真试验

在各分系统测试验收后，接入参试部件进行预备性仿真试验，完成对整个仿真系统的调试，确认仿真系统是否工作正常。

2)参试部件测试验收试验

利用调试好的仿真系统对复合导引头、惯性导航装置、弹上计算机、舵机等参试部件开展测试验收试验，所有参试部件应为验收合格的产品，试验在开环状态下进行，重点考核各参试部件的技术状态是否满足设计要求及达到仿真试验要求。

3)地面制导部件半实物仿真试验

按照地面制导部件仿真试验方案，先进行仿真调试，连通各种仿真接口，待仿真系统工作正常后再按试验方案和仿真条件开展地面制导部件半实物仿真试验。

4)弹上控制部件半实物仿真试验

按照弹上控制部件仿真试验方案，先进行仿真调试，连通各种仿真接口，待仿真系统工作正常后再按试验方案和仿真条件开展弹上控制部件半实物仿真试验。

5)全系统闭环半实物仿真试验

按照全系统闭环仿真试验方案，先进行仿真调试，连通各种仿真接口，待仿真系统工作正常后再按试验方案和仿真条件开展全系统闭环半实物仿真试验。

4 结论

文中对多模复合制导半实物仿真技术进行了研究，给出了多模复合制导仿真系统的总体设计方案。对红外目标模拟、毫米波目标模拟、激光回波模拟、多模目标波束合成、目标随动等关键技术进行了深入研究，给出了多模仿真的工作原理和试验流程。本研究可用于多模仿真系统的建设以及作为开展多模仿真试验的参考依据，具有很好的应用前景。

[1]曲兆俊.双模仿真关键技术分析与设计[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007:3－4.

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[3]M Bender，D B Beasley. Design of a large Pupil Relief broadband collimator for use in a MMW/IR HWIL facility[C]//Proc.SPIE，Vol.4027，2000:191 －199.

[4]D S Cosby，P Lyles.Real-time infrared and semi-active laser scene generation software for AMSTAR hardware-in-theloop[C]//Proc.SPIE，Vol.5785，2005:251 －258.

[5]宗志园，许戎戎，施凌飞，等.毫米波/红外复合制导半实物仿真关键技术研究[J].航天控制，2009，27(6):71－74.

[6]施蕊，李卓.红外/射频波束合成器研究[J].红外与激光工程，2006，35(6):780－783.