射频/光学复合制导仿真实现形式及发展*

臧海飞，刘 栗，田 义，程 禹

(上海机电工程研究所·上海·201109)

0 引 言

随着电子对抗技术的发展，制导系统面临的战场环境越来越复杂，单一制导模式已经不能满足作战任务的需求，双模或多模复合制导能够发挥多种模式的优点，而且可以克服各自的不足，从而形成一个作战能力更强的制导系统。例如雷达/红外复合制导主要利用雷达作用距离远和全天候作战能力，以及红外成像的分辨率好、制导精度高等特点，二者相互补充，能大大提高制导系统的可靠性和抗干扰能力，从而提高武器的命中精度[1-2]。为了研制和验证复合制导系统的性能，需要在地面试验室进行大量复杂的仿真试验，半实物仿真技术能够有效地弥补数字仿真或外场试验的诸多不足，所以对复合制导仿真的研究势在必行。复合仿真跨越“射频”和“光学”领域，其工程实现是当前研究的热点和难点[3]。

本文根据复合制导仿真系统国内外发展现状，首先介绍了典型复合制导仿真系统，然后梳理了复合目标模拟系统的实现形式，最后根据复合制导仿真技术发展趋势，设计了多种三模复合目标模拟系统方案。为复合制导仿真系统进一步的发展提供了思路和方法。

1 国内外典型复合制导半实物仿真系统

美国、德国、日本、以色列等国家在20世纪80年代开始提出射频/光学复合制导半实物仿真的概念，直到21世纪才逐渐完善。20世纪90年代开始，国内多家研究单位一方面跟踪国外研究进展，提出了多种与国外类似的射频/光学复合制导半实物仿真系统的方案，另一方面结合国内复合制导技术及其半实物仿真技术的发展国情提出了一些创新性的解决方案。根据仿真方式分类，目前复合制导仿真系统的类型可分为两类三种，两类分别是分口径复合和共口径复合，对于分口径复合包括单模系统联动的复合制导半实物仿真系统，对于共口径复合包括基于三轴转台的复合制导半实物仿真系统和基于五轴转台的复合制导半实物仿真系统。

1.1 单模系统联动的制导半实物仿真系统

单模系统联动是采用两套独立的射频和光学半实物仿真系统，两套被测单元分别放进对应的仿真系统，且两套半实物仿真系统共用同一套仿真控制系统。该类型的复合系统并不是真正的复合制导仿真系统，只是能对两种模式的制导天线进行联合仿真。缺点是需要将两套参试设备进行适应性更改，一套红外传感器工作，一套射频传感器工作，且两个参试设备要共用一套制导控制系统，两个传感器的输出信号需要远距离传输并与制导控制系统交互，两套半实物仿真系统也需要同步联动控制[4]。

典型的系统如雷神公司(Raytheon Systems Company)为美国海军提供了一套双模系统半实物仿真设施[5]，该系统工作原理如图1所示。该系统的核心在于保持两套半实物仿真系统的时空一致性。

1.2 基于三轴转台的复合制导半实物仿真系统

基于三轴转台的复合制导半实物仿真系统，三轴飞行转台用于模拟弹体飞行姿态。复合目标的视线角运动的模拟必须通过其他手段实现，比如采用暗室内的射频阵列天线或机械导轨实现射频目标的运动，红外目标可以采用传统的点源或成像目标。该系统的优点是可以兼容传统的射频目标和红外目标实现形式，所模拟的目标、干扰和作战场景形式复杂多样。缺点是该类系统占地面积大、造价高昂。

约翰霍普金斯大学应用物理实验室在1990年提出的双模半实物仿真系统[6]，其原理如图2所示。射频目标由天线阵列模拟，红外目标位于被测单元侧面。由于该系统针对射频/红外分口径被测单元进行设计，因此并未用到波束复合技术。

图2 约翰霍普金斯大学的双模制导仿真系统原理图[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年建立了一个功能简单的双模复合半实物仿真系统，其原理如图3所示[7]。射频目标由天线阵列模拟，红外目标固定在阵列中心。由于红外目标固定，模拟红外目标视线角运动时，需要对被测单元内部进行改造。由于复合信号非共轴，所以未用到波束复合技术。该方法虽然能够实现双模目标的模拟，但改造了被测单元，使得仿真可信度大大降低。

图3 日本防御局双模系统原理图[7]Fig.3 Schematic diagram of dual-mode simulation system at Japanese Defense Agency[7]

美国陆军导弹司令部于1994年提出了毫米波/红外双模共口径复合仿真系统的方案[8]，其原理如图4所示。其中毫米波目标由天线阵列进行模拟[9-10]，红外目标由电阻阵进行模拟。该方案最关键的构成是波束复合系统，它能够将透射的射频目标波束和反射的红外目标波束进行复合，从而解决了射频目标模拟系统和红外目标模拟系统视线遮挡问题。

图4 美国陆军司令部双模仿真系统原理图[8]Fig.4 Schematic diagram of dual-mode simulation system at U.S. Army Command[8]

美国陆军导弹司令部在20世纪90年代提出了毫米波、长波红外和近红外激光三模复合制导半实物仿真系统，该系统如图5所示，该系统关键器件是毫米波透射/近红外漫反射屏和毫米波/长波红外/近红外波束目标复合器，漫反射屏靠近毫米波阵列放置，其表面能够充分散射入射激光，同时透射毫米波信号。毫米波/长波红外/近红外波束复合器实现毫米波多普勒雷达信号、长波红外场景信号和近红外激光点源信号的复合[11-16]。

图5 美国陆军导弹司令部三模复合仿真试验系统[13]Fig.5 Tri-mode composite simulation system at U.S. Army Missile Command[13]

1.3 基于五轴转台的复合制导半实物仿真系统

基于五轴转台的复合制导半实物仿真系统，内三轴用于模拟弹体飞行姿态，而外两轴用于模拟复合目标的视线角运动，因此要求复合目标必须能够安装在外两轴上，对转台的负载性能、动态性能等各项指标提出了更严格的要求，同时要求复合目标的体积、质量、抗振性能等满足转台的运动环境要求。由于外两轴的回转半径有限，因此要求射频目标必须进行特殊的设计才能够实现平面波场的模拟。该类系统的优点是能够模拟的视线角范围较大，不用建造昂贵的射频暗室、占用过大的空间。缺点是所模拟的目标、干扰和作战场景形式单一。

典型系统如德国Bodenseewerk Gerätetechnik Gmbh(BGT)在1987年针对双模复合旋转导弹海拉姆[17]研制建立了一套双模mini暗室仿真系统[18]，原理如图6所示。双模mini暗室就配装在外两轴上。目标系统由4个喇叭天线环形布局组成的阵列模拟一个射频目标，要求射频雷达接收到的电磁场近似平面波。中心是一个红外点源目标，由钨灯和可控光栏构成。

图6 德国双模mini暗室目标系统原理图[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年提出了射频/红外双模复合半实物仿真系统[19]，复合目标系统原理如图7所示，射频目标天线阵列由7个喇叭构成，外加平面-非球面介质透镜。红外目标包括两路50℃～1300℃红外黑体源，2 μm～5 μm主投影镜头伺服导轨用于实现在瞬时视场内的运动，两路黑体源由合束器进行复合，由低温背景模块实现冷背景。复合信号由反射频/透红外的波束复合器件产生。

以色列在1994年、2000年分别研制了类似的一套紧缩场射频/红外双模复合仿真系统如图8所示[20]。双模复合目标系统采用紧缩场的形式，用抛物面对放置在抛物面焦点的射频馈源进行准直，在被测单元处生成近似平面波。射频馈源共有3路，可以模拟多目标、多路径效应、电磁干扰等。在抛物面中心位置开一窗口，该窗口可以透射红外反射射频信号。在窗口上面安装一套红外动态场景目标模拟器用于模拟红外目标[21]。

图7 布洛克工程公司双模复合目标系统原理图[19]Fig.7 Schematic diagram of dual-mode compound target system of Block Egineering Group[19]

图8 以色列紧缩场双模复合仿真系统原理图Fig.8 Schematic diagram of Israel dual-mode composite simulation system

北京理工大学于2006～2010年研制了基于五轴转台的双模半实物仿真系统，目标系统采用了卡式结构，如图9所示[22-27]，分为主镜和次镜，主镜能够反射红外和射频信号，次镜能够反射红外、透射射频信号。红外信号由主镜背面辐射，经次镜和主镜两次反射，卡式结构对红外辐射准直。射频信号有两种工作模式。模式A，射频馈源位于次镜背面，射频信号透射次镜，经主镜前反射面一次反射。模式B，射频馈源位于次镜前面，经主镜后反射面一次反射。射频信号经过主镜反射后形成近似平面波。

图9 北京理工大学复合目标结构示意图Fig.9 Schematic diagram of compound target structure of Beijing Institute of Technology

2 复合目标模拟系统实现形式分析

从上一节可以看出，复合制导半实物仿真系统的核心是复合目标模拟系统。复合目标模拟系统需要针对复合制导系统的特点设计，按实现形式可分两种：利用结构复合和利用器件复合的目标模拟系统。利用结构复合是充分利用射频或光学天线的结构特点，通过结构的设计实现两个天线的复合，所出射的射频和光学信号的波束就已经复合。而利用器件复合是通过波束复合器件对射频波束和光学波束进行复合。

2.1 利用结构复合的目标系统

(1)喇叭天线/红外点源复合目标系统

美国海军空战中心武器分部(Naval Air Warfare Center Weapons Division)最初复合目标的技术途径是在喇叭天线内安装红外辐射源[28]，该复合目标的结构正视图和侧视图如图10所示。红外源是将灯丝封装在蓝宝石或砷化镓内。将红外源通过电源线支撑在天线口面中心位置，但要求电源线与射频辐射的极化方向一致。这种结构虽然简单但存在许多问题，例如不能仿真红外背景、干扰；无法模拟射频到红外交班后红外能量、尺寸、光谱的变化；由于没有准直系统，在有限距离条件下导致在被测单元的成像系统在探测器处成像模糊。

图10 喇叭天线/红外点源复合目标系统示意图[28]Fig. 10 Schematic diagram of horn antenna/infrared point source composite target system[28]

(2)偏馈紧缩场/红外成像复合目标系统

射频二次反射天线、红外透射的双模复合天线结构[29]，如图11所示。射频天线由两个反射镜构成为格里高利系统。该复合目标系统主镜中间开窗口用于透射红外成像目标的波束，由于采用了偏馈形式，避免了卡式结构中心遮挡问题，但是主镜中间开孔会引起旁瓣增强、能量溢出等负效应。

图11 偏馈紧缩场/红外成像复合目标系统Fig.11 Composite target system of deflect-feed Compact Antenna Test Range/infrared imaging

(3)喇叭天线阵/红外准直点源复合目标系统

射频天线和红外点源相组合的结构，德国BGT的双模复合仿真系统就是这种结构，该复合目标系统利用天线阵合成一个目标在阵列天线中心位置，刚好与红外目标重合，工作原理如图12所示。要求射频目标与被测设备的距离应当满足远场条件，但红外目标系统距离被测单元过远时，会导致渐晕成像。

图12 喇叭天线阵/红外准直点源复合目标系统[4]Fig.12 Composite target system of horn array/infrared collimation point-source[4]

(4)卡塞格林结构复合目标系统

如图9所示，该复合方式主要问题在于：次镜遮挡了部分红外波束，降低了光学口径的利用效率；由于次镜位置必须有支撑结构，同时馈源处于射频波束内，会引入射频信号的波面畸变；卡式结构中心开孔如果不做处理将会导致射频能量的损耗，影响波面质量。

2.2 利用器件复合的目标系统

利用器件复合是对射频远场近似平面波束和平行光进行复合，根据红外和射频信号的透反分为两类：透红外/反射频和透射频/反红外两大类。

(1)利用透红外/反射频波束复合器件的复合目标系统

利用透红外/反射频波束复合器件的复合目标系统工作原理如图13(a)所示。红外信号经过该器件透射，射频信号经该器件反射，红外波束和射频波束形成沿主轴的复合信号。由于器件尺寸受限制，同时射频信号采用反射形式，要求射频目标出射的波束宽度较窄，因此射频目标一般采用射频紧缩场形式。

(2)利用透射频/反红外波束复合器件的复合目标系统

利用透射频/反红外波束复合器件的复合目标系统工作原理如图13(b)所示。射频信号经过该器件透射，红外信号经该器件镜面反射、漫反射或衍射，红外波束和射频波束形成沿主轴的复合信号。

(a)透射红外反射射频的波束合成器

(b)透射射频反射红外的波束合成器图13 波束复合器件工作原理Fig.13 Schematic diagram of beam former

波束复合器件可以是平面的，也可以是曲面的，例如在卡塞格林结构复合目标系统中，其中次镜或主镜均可看做波束复合器件，均有一定的曲率。典型的波束复合器包括镀有红外反射膜的介质基板、频率选择表面、衍射光学元件、金属网栅结构、介质薄膜、漫反射屏以及金属网栅结构技术[30]等。

3 三模复合目标模拟系统发展趋势与方案设计

随着复合结构的发展，三模复合目标模拟系统的需求越来越多。目前已知的三模复合仿真系统是美国陆军导弹司令部的三模复合制导仿真系统，该系统的关键器件是毫米波透射/近红外漫反射屏和毫米波/长波红外/近红外波束复合器，漫反射屏由密封聚苯乙烯制作而成，其表面能够充分散射入射激光，同时透射毫米波信号。波束复合器能够实现毫米波多普勒雷达信号、长波红外场景信号和近红外激光点源信号的复合。由此可知，新型材料和器件是三模复合技术的关键，比如射频反射面共形设计[31]，高性能的波束合成器[32-33]等。

根据对复合材料和器件的要求，下面提出了用于三轴转台和五轴转台的三模复合目标模拟系统方案。

3.1 用于三轴转台的三模复合目标系统方案

方案一，在美国陆军导弹司令部三模复合仿真系统的基础上，对射频目标结构进行改进，将射频天线阵列改成机械阵的形式，射频目标的运动通过机械导轨实现，漫反射和波束复合器的结构不变，该方案的特点是能够实现射频目标信号更大的带宽和更强的功率，增大复合目标的视场角，缺点是机械导轨在模拟目标运动时速度慢，位置精度低。

方案二，如图14所示，波束合成器在透射射频/反射红外的基础上，增加衍射激光的功能，使激光信号入射到波束合成器发生衍射，衍射后的信号与射频信号透射后的波束同轴，即可实现三模复合，保持射频目标和激光目标位置固定，通过三轴转台模拟参试设备与复合目标之间的相对运动，该方案的难点在于波束复合器，缺点是模拟的视场角范围变小。

图14 基于波束复合器的三模复合目标示意图Fig.14 Schematic diagram of tri-mode composite target based on beam combiner

3.2 用于五轴转台的三模复合目标系统方案

为满足五轴转台对目标模拟器结构的要求，三模复合目标模拟系统可采用紧缩场的形式，如图15所示。将紧缩场反射面设计成射频共形天线，在射频天线表面镀制一层介质膜作为红外激光反射面，用来反射焦点发射的光学信号，在焦点前放置透射激光反射红外的波束合成器，这样就能够产生红外/激光/射频三模复合信号。该系统的优点是能够实现目标、干扰和作战场景形式多样化；相对于偏馈紧缩场/红外目标复合系统，能够改善紧缩场静区性能，缺点是结构复杂，共形天线带宽和功率会受限制。

图15 基于紧缩场的三模复合目标示意图Fig.15 Schematic diagram of tri-mode compound target based on Compact Antenna Test Range

4 结 论

本文对国内外复合半实物仿真系统进行总结，根据复合仿真系统的实现形式，复合仿真系统可分为三类：单模系统联动的复合仿真系统、基于三轴转台的复合仿真系统和基于五轴转台的复合仿真系统，分析了每种系统的适用条件和优缺点。然后对复合目标系统进行分析，其实现形式可分两种：利用结构复合和利用器件复合，给出了典型的复合目标模拟系统案例。最后结合新器件的发展，对三模复合目标的结构提出了新方案，设计了可应用于三轴转台和五轴转台的三模复合目标系统方案。对射频/光学复合制导仿真实现形式的研究，为进一步发展复合制导仿真提供了思路和方法。