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1、红外成像制导半实物仿真现状与发展 3 贡学平 费海伦 (航天工业总公司二院二部 北京 100854) 文摘:随着新一代防空战术导弹武器系统及红外对抗技术的发展,研究红外成像制导与多模制 导技术已是光电精确制导技术发展的方向。当今世界各国争先研究和掌握红外成像制导半实物仿 真技术,用于红外成像末制导导弹的研制与试验。文中介绍了美国陆军导弹司令部高级仿真中心 (ASC)和埃格林(Eglin)空军基地经过20多年的建设,研制与开发的先进半实物(HWIL)仿真实验 室和仿真装置。 关键词: 红外成像末制导 半实物仿真 红外动态图像投影仪 计算机图像生成 Situation and developmen
2、t of infrared imaging guidance hardware in the loop simulation Gong Xueping Fei Hailun (Beijing Institute of Electronic System Engineering , Beijing , China , 100854) Abstract : With the development of new generation of air defense tactical missile weapon system and infrared counteraction technology
3、 , infrared imaging guidance and multi2mode guidance technology have become the main stream of photoelectric precision guidance technology. Currently most countries in the world are making every effect to develop and grasp infrared imaging guidance hardware in the loop simulation technology to suppo
4、rt the development and demonstration of infrared imaging terminal guidance missile. In this paper , Advanced Hardware in the Loop (HWIL) simulation laboratory and simulation equipment are introduced , that were built and developed in Advanced Simulation Center (ASC) and Eglin Air Force Base of Ameri
5、can Army Missile Command during the last twenty years. Keywords : Infrared imaging terminal guidance Hardware in the loop simulation Infrared dynamic image projector Computer image generation (CIG) 3 国防科工委航天部预研项目 1999204228收稿 1999210220修回 作者简介:贡学平 男 52岁 大学 高级工程师 主要从事防空导弹控制与仿真 应用技术研究工作,曾荣获1992年航天部科技成
6、果进步一等奖。1993年, 1994年连续获部科技成果二等奖。 15 第29卷第2期 红外与激光工程 2000年4月 Vol. 29No. 2 Infrared and Laser Engineering Apr. 2000 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1 美国陆军导弹司令部的半实物仿真 位于Alabama的红石兵工厂的美国陆军导弹司 令部高级仿真中心(ASC)的半实物仿真,在高级制导 武器系统的研制中发挥着重要作用。ASC的半实物 仿真系统为负责战术精确制导导弹和子弹头研制的
7、计划执行官员与项目主管提供可靠性支持。同时, ASC也致力于支持陆军其它部门,NATO成员国以 及美国盟国的导弹武器系统半实物仿真。半实物仿 真实现了在实验室内模拟目标/环境动态特性,检验 系统的制导和控制特性。计算机控制目标、 背景和干 扰信号相对导弹运动,导引头对此信号,进行识别、 处 理,使武器行为如同真实战场一样。导弹的动力学特 性随制导和控制系统硬件/软件给出的指令而机动, 动力学特性被实时模拟,从而能够确定导弹运动轨道 并可以计算出拦截目标的参数。ASC经过20年的 建设、 研制与开发,在不断满足制导武器需求下,现已 建成10个半实物仿真系统,覆盖了电磁频谱的绝大 部分。 111
8、毫米波/红外仿真系统 毫米波/红外仿真系统是为诸如加农炮,火箭炮 等末段在重力作用下被动下降时传感器引信子弹头 的半实物仿真而特别研制的。在系统中进行半实物 仿真的子弹头可以是制导的或未经制导的,其引信和 制导信号是基于主动式或被动式毫米波Ka波段雷 达和目标的红外辐射的。毫米波/红外图像仿真系统 的核心部件是一个反射毫米波暗室。它产生射频信 号,另有一个红外投影仪提供目标与背景的红外特征 图像。设备中的子弹头制导信号和引信信号包括: (1)来自子弹头的主动毫米波Ka波段雷达信号辐射 进反射暗室,由特定的信号调制装置对信号进行接 收,延迟和调制,再由子弹头接收反射室中辐射的调 制信号。(2)从
9、目标反射回来的天空背景自然辐射, 以及引入反射室并反射给子弹头的实际天空背景所 组成的被动毫米波信号。(3)由一套激光二极管模拟 来自目标和地形背景的红外辐射,其频带和强度已经 调制,以表示子弹头下降过程中随着与目标间的距离 的变化,传感器视场中目标和背景红外图像也相应变 化。(4)在模拟下降位置、 射入子弹头电子仪器的地 球磁场的模拟磁强计读数。对于非制导的子弹头而 言,传感器信号由目标特征波形和图像背景模型组 成,在模拟下降的适当时候,它可以脱机计算并记录 在特征波形生成设备中,毫米波反射暗室的设计能够 保证来自反射室墙壁的欺骗性干扰及意外反射能从 反射室顶部的天窗开口辐射出去。 112
10、武器系统仿真 在高级仿真中心的武器系统仿真包括三个屏蔽 室中的全尺寸武器系统地面设备,能够实现设备之间 的互联,并能与其它设备互联。另外,还有计算机室 和武器仿真系统的支持集成部分。各室的尺寸如: (1)长1419m ,宽11m ,净高617m; (2)长1419m ,宽 713m ,净高617m; (3)长1419m ,宽1212m ,净高 911m。适合于武器系统仿真评估的典型部件包括: 作战/火控单元,导弹发射装置,地面雷达以及其它传 感器,指令和控制设备,信息收集和分配设备。不同 复杂程序的模拟战场由实时计算机仿真提供。武器 系统仿真中的地面设备所需的信号在模拟战场环境 下生成,并传输
11、给设备。在非射频辐射模式中,地面 设备的输出信号借助于专用接口并以适当的信号幅 值与仿真对接。借助于大量半实物仿真技术并将武 器系统仿真应用到战场仿真中去,能够对指标和控制 策略和体系以及不同武器系统之间的互操作性进行 模拟研究,并能对多目标,多武器系统环境下的各种 武器进行详细的性能评估。 113 高级仿真中心的计算机网络 ASC的每个仿真系统中的分布式计算机网络除 了能够进行实时工作以外,ASC的所有半实物仿真 系统还借助于一个联接起来计算机网络。计算机网 络能够实现系统之间的例行通讯,并能非实时地从 ASC的多个位置进入计算机。这个计算机网络同时 还是委托人-服务器计算的基础。这个网络环
12、绕着 一个中心呈星形布局,网络的中心是一个三重自动导 引Unix计算机,它起 “火墙” 服务器的作用。该服务 器能使过Internet的只能进该网络的开放部分而不 能进入半实物仿真系统。这个网络有两个由服务器 分开的主干部分,当某个仿真系统工作在保密状态 时,它与主网脱离,作为一个独立的子网进行工作。 当处于非保密工作模式时,借助于 “火墙” 服务器从网 络的任何一个部分可以进入任何一个仿真系统。一 个网络管理系统直接与 “火墙” 服务器相联,能监测和 控制联到网络任何部分的网络设备。开放框架将 ASC的所有办公地点和支持部分联接在一起。ASC 的文件服务器也与开放部分相联。其作用有: (1)
13、 作为ASC日常工作所使用的软件包的中 央存储器; 25 贡学平:红外成像制导半实物仿真现状与发展 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. (2) ASC内部的信件分送; (3) 作为ASC、RD (2) 红外目标透明胶片( Target2Slide)变焦投 影仪; (3) 红外激光二极管阵列投影仪。 红外热点投影仪主要用于早期导弹武器半实物 仿真试验研究,并作为以信号注入方式或投影显示方 式的检验装置。 红外目标透明胶片变焦投影比红外热点投影仪 提供了更详细的目标背景图像,该图像仍是二维静
14、止 红外图像。目标运动由X-Y平移器完成,导弹与 目标的接近距离,是利用36 :1的变焦距光学系统模 拟。变焦投影仪最先由CI公司研制,1995年交付时 尚未完成和投入运转。MICOM. Boeing和光学科学 公司更换了所有的控制器和软件,同时调整与校准光 路A和光路B两个波段的18个轴线。1996年1月 实现了变焦投影仪与主机相联。在有限的几种情况 下,变焦投影仪用来检测导弹探测、 跟踪和瞄准目标 特征点的选择算法。变焦投影仪的技术指标见表1。 表1 红外变焦投影仪的技术指标 T ab. 1 IRTZP specifications Performance parameterSpecifi
15、cation and characteristics Spectral bands35m and/or 812m Field of view (FOV) 8 Angle resolution0. 75mrad Max. / min.effectivefocal length 120cm/ 19. 98cm Zoom ratio36 :1 Zoom rate (point target , de2 tailed tgt) 0. 6s- 1and 6. 0s- 1 Zoom acceleration (point tar2 get , detailed target) 0. 06s- 2and 0
16、. 6s- 2 Maximum effective temperature102C X-Ytranslation 4 0. 25 mrad steps , 20/ s ,300/ s2 Transition time150ms Exit pupil diameter 12cm Number of thermoscene pixels4 , 476 Pixel size75m Sub - pixel size4. 7m Number of gray levels256 Thermoscene slide size40. 6cm40. 6cm Average emissivity 0. 95 forT= 22102C Blur circle 250 :1 Dead pixels0 Maximum temperature 500K Amplitude resolution 16 bits laser drive (12 bits aft
