面源紅外干擾彈對抗紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的仿真研究＊

孔曉玲，馬勝賢，杜玉萍，林 濤

(東北電子技術(shù)研究所光電信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201)

隨著紅外成像技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈已對軍用飛機(jī)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此,如何保護(hù)飛機(jī)免遭紅外成像導(dǎo)彈攻擊成為各國軍方面臨的重大課題。紅外干擾彈作為一種效費(fèi)比高的有效對抗手段，在實(shí)戰(zhàn)中得到廣泛使用。但一般的點(diǎn)源型單光譜高能量紅外干擾彈無法起到干擾紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的作用，為此世界各國正積極采用新技術(shù)發(fā)展、大面積、高效能、寬光譜、抗識(shí)別的面源型紅外干擾彈。

為了更好地研究機(jī)載面源型紅外干擾彈的應(yīng)用條件和干擾的有效性，對面源型紅外干擾彈干擾紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈進(jìn)行建模和仿真十分必要。本文在分析典型紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈和面源紅外干擾彈工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，針對機(jī)載面源紅外干擾彈的特點(diǎn)和紅外成像導(dǎo)引頭的信息處理過程，分別對面源紅外干擾彈和紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)了面源紅外干擾彈干擾紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的對空仿真系統(tǒng)，并結(jié)合具體的仿真試驗(yàn)場景進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析了仿真試驗(yàn)結(jié)果，證明其有效性。

1 面源紅外干擾彈干擾機(jī)理

1.1 紅外成像制導(dǎo)機(jī)理[1-2]

紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的組成框圖如圖1所示。根據(jù)紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈控制過程，紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈可以分解為紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)引頭部分和彈體本身控制部分。其中紅外成像導(dǎo)引頭通常由紅外成像部件、紅外圖像信號(hào)處理器和伺服機(jī)構(gòu)等部分組成。彈體則包括導(dǎo)彈舵機(jī)控制和彈體運(yùn)動(dòng)兩部分。

圖1紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈組成框圖

在紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈發(fā)射前，由發(fā)射控制站搜索、捕獲要攻擊的目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)的位置被確定，導(dǎo)彈上的尋的器立即跟蹤并鎖定此目標(biāo)。導(dǎo)彈發(fā)射后，成像導(dǎo)引頭對視場內(nèi)景物成像，通過圖像預(yù)處理，經(jīng)分類、識(shí)別等算法對圖像信號(hào)進(jìn)行處理，區(qū)分出目標(biāo)、背景信息，并抑制噪聲信號(hào)。當(dāng)有目標(biāo)存在時(shí)，跟蹤處理器形成的波門把目標(biāo)套住，對波門內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤解算，根據(jù)解算得出的誤差信號(hào)控制導(dǎo)引頭伺服機(jī)構(gòu)和彈體的舵機(jī)，使導(dǎo)引頭光軸和彈體彈軸對準(zhǔn)目標(biāo)。通常導(dǎo)引頭光軸與彈體彈軸不重合，導(dǎo)引頭光軸始終對準(zhǔn)目標(biāo)，彈體不斷調(diào)整，使導(dǎo)彈飛向選定的目標(biāo)。隨著導(dǎo)彈與目標(biāo)之間距離的縮小，目標(biāo)在圖像平面上的投影將擴(kuò)大，且變得越來越清晰。此時(shí)，導(dǎo)彈根據(jù)目標(biāo)的形狀識(shí)別出它的要害部位，并選目標(biāo)要害部位的中心作為攻擊點(diǎn)進(jìn)行攻擊。

1.2 面源型紅外干擾彈干擾機(jī)理

面源型紅外干擾彈在干擾紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈時(shí)采用了在空間布設(shè)紅外輻射場破壞目標(biāo)紅外特征的原理，將裝有許多燃燒單元或爆炸后能形成許多燃燒單元的干擾彈通過發(fā)射器從可進(jìn)入導(dǎo)引頭視場的方向發(fā)射出去，發(fā)射后引爆燃燒。在燃燒過程中，可以在保護(hù)目標(biāo)方向上形成紅外光譜特征和空間熱紅外圖像均相似于被保護(hù)目標(biāo)的一定大小的紅外輻射場，由于與被保護(hù)目標(biāo)同處于來襲導(dǎo)彈的視場內(nèi)，且燃燒時(shí)間長于來襲導(dǎo)彈的制導(dǎo)時(shí)間，故可達(dá)到掩蓋或欺騙的目的，使導(dǎo)引頭丟失所要跟蹤的真實(shí)目標(biāo)[2-3]。

根據(jù)面源型紅外干擾彈使用平臺(tái)的不同，干擾可分為“迷茫”和“擾亂”兩種方式。其中“擾亂”式干擾多用來保護(hù)機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)的空中快速目標(biāo)。當(dāng)有來襲導(dǎo)彈時(shí)，飛機(jī)同時(shí)投放出多發(fā)具有一定輻射強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)軌跡和輻射面積的紅外干擾彈，這樣，就會(huì)在紅外成像制導(dǎo)視場中同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)紅外輻射源，在一定距離上與被保護(hù)平臺(tái)交融在一起，形成與被保護(hù)目標(biāo)相似的空間熱紅外圖像，從而對紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)起到擾亂作用，達(dá)到干擾目的。機(jī)載面源紅外干擾彈在投放時(shí)，既要有一定的初速度，使其點(diǎn)燃不危及載體平臺(tái)的安全，又不能與載體分離太快，以便與載體同時(shí)進(jìn)入導(dǎo)引頭視場內(nèi)，因此其投放時(shí)機(jī)和方式是影響干擾效果的重要因素。

2 仿真系統(tǒng)建模

面源紅外干擾彈干擾紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)是為評估機(jī)載面源紅外干擾彈干擾效果而搭建的數(shù)學(xué)仿真環(huán)境，包括紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈仿真模型和面源紅外干擾彈仿真模型，進(jìn)行了對空中目標(biāo)和干擾的成像模擬及運(yùn)動(dòng)模擬、對目標(biāo)和干擾圖像的識(shí)別和跟蹤模擬、以及制導(dǎo)系統(tǒng)對目標(biāo)或干擾的攻擊模擬等，從而實(shí)現(xiàn)面源紅外干擾彈對紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈干擾仿真過程。

2.1 紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈建模

紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈仿真模型用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈制導(dǎo)全過程，主要圍繞生成包含目標(biāo)和背景雜波的二維紅外圖像序列，建立準(zhǔn)確的大氣衰減模型，處理成像系統(tǒng)模型輸出的圖像并記錄對模擬圖像的處理結(jié)果等方面建模。以下重點(diǎn)介紹導(dǎo)引頭信息處理中識(shí)別和跟蹤過程的建模。

1）紅外成像導(dǎo)引頭識(shí)別算法建模

根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)獲得待攻擊目標(biāo)的圖像尺寸（所占行數(shù)和所占列數(shù)），以及在由圖像所占行數(shù)和所占列數(shù)構(gòu)成的方陣中目標(biāo)像素為1的個(gè)數(shù)，計(jì)算目標(biāo)圖像像素比例。采用滑窗方法，從經(jīng)過圖像分割后的黑白圖像中，從左至右、從上至下提取滑窗中的像素值為1的個(gè)數(shù)，若滑窗中像素為1的個(gè)數(shù)占滑窗總圖像像素的百分比與預(yù)知目標(biāo)圖像像素百分比的差異小于門限值，則認(rèn)為該滑窗內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)為待攻擊的目標(biāo)。

2）紅外成像導(dǎo)引頭跟蹤算法建模

對空紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈在不同的階段，目標(biāo)圖像經(jīng)歷了從無法提取圖像特征、目標(biāo)圖像特征逐漸明晰到目標(biāo)圖像越來越大并逐漸溢出導(dǎo)引頭視場的過程，因此，仿真中根據(jù)彈目距離的不同，選取不同的跟蹤算法。當(dāng)彈目距離較遠(yuǎn)時(shí)，目標(biāo)像點(diǎn)很小，采用了形心跟蹤算法；在彈道中段，采用了形心跟蹤和相關(guān)跟蹤相結(jié)合的跟蹤算法；在彈道末段，采用了相關(guān)跟蹤算法。在不同的制導(dǎo)階段，若目標(biāo)瞬間丟失，重新捕獲時(shí)均采用形心法，用放大形心門去尋找目標(biāo)。

形心是目標(biāo)圖像上一個(gè)確定的點(diǎn)。當(dāng)目標(biāo)姿態(tài)變化時(shí)，這個(gè)點(diǎn)的位置變動(dòng)較小。假設(shè)圖像大小為256×256像素，圖像函數(shù)為f(z,y)，則目標(biāo)形心計(jì)算公式如式（1）所示。

若像元信息值小于閾值，則f(z,y)為 0；反之f(z,y)為1。

相關(guān)算法采用了平均絕對差值算法，設(shè)基準(zhǔn)圖像為f(x,y)，大小為m×m個(gè)象素,實(shí)時(shí)圖像為g(x,y)，大小為n×n個(gè)像素，其中m≤ n， (x0,y0)為基準(zhǔn)圖像在實(shí)時(shí)圖像中的偏移值，計(jì)算公式如式（2）[4]所示。

2.2 面源紅外干擾彈建模

從面源紅外干擾彈干擾機(jī)理可以看出，面源紅外干擾彈是由許多燃燒單元組成的，“擾亂”型面源紅外干擾彈的干擾效果是由燃燒單元的紅外輻射變化情況和空中分布所決定。因此，機(jī)載面源紅外干擾彈的建模就圍繞這兩方面來進(jìn)行。

1）面源紅外干擾彈輻射特性建模

對實(shí)測紅外干擾彈輻射變化數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行取樣，經(jīng)插值擬合平滑處理后，找出燃燒單元在燃燒過程中輻射值的變化趨勢，圖2為處理后的燃燒單元紅外輻射特征曲線。當(dāng)仿真開始后，若紅外干擾彈釋放并已爆炸，則判斷此時(shí)是否在燃燒單元的初始燃燒時(shí)間內(nèi)，如果已經(jīng)超出燃燒的初始時(shí)間，則根據(jù)燃燒單元的燃燒速率和擬合出的輻射特征曲線，計(jì)算出此刻燃燒單元的燃燒輻射值。通過對每個(gè)燃燒單元燃燒輻射值的確認(rèn)，從而合成得出面源紅外干擾彈紅外輻射場的輻射強(qiáng)度，合成時(shí)前面燃燒單元紅外輻射會(huì)遮擋后面燃燒單元紅外輻射。

圖2 紅外輻射特征曲線圖

2）面源紅外干擾彈運(yùn)動(dòng)特性建模

面源紅外干擾彈發(fā)射后，燃燒單元在空中除受地球重力、空氣阻力、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度等外界因素影響外，其自身質(zhì)量也會(huì)隨著燃燒減少。這些內(nèi)外因素都會(huì)影響其運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)面源紅外干擾彈爆炸時(shí)燃燒單元空間分布基本呈現(xiàn)球面均勻分布[5]。故本文中燃燒單元爆炸時(shí)空間分布初始化按球面均勻分布，在爆炸時(shí)燃燒單元速度初始方向是沿所在球面的法線向外飛出。

在仿真中設(shè)定坐標(biāo)系為地面坐標(biāo)系（OdXdYdZd），原點(diǎn)為固定于地面上的某一點(diǎn)，OdXd與地球表面相切，指向射向?yàn)檎?；OdYd與地球表面垂直，向上為正，重力沿Yd的負(fù)向；OdZd垂直于平面OdXdYd，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。假定發(fā)射面源紅外干擾彈的瞬間，飛機(jī)在地面坐標(biāo)系（OdXdYdZd）的坐標(biāo)為（x,y,z），定義一個(gè)靜止的坐標(biāo)系（OXYZ），原點(diǎn)為（x,y,z），三個(gè)軸方向與坐標(biāo)系（OdXdYdZd）相同，兩個(gè)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)可以通過平移相互轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)系（OXYZ）如圖3所示。以下對面源紅外干擾彈運(yùn)動(dòng)建模分析建立在（OXYZ）坐標(biāo)系上。

圖3 空間分布示意圖

在發(fā)射面源紅外干擾彈的瞬間，面源紅外干擾彈坐標(biāo)與飛機(jī)坐標(biāo)一致，故在坐標(biāo)系（OXYZ）中，O為干擾彈球心；M為球面上任意一點(diǎn)；P為M在平面OXZ內(nèi)的投影；?為有向線段OP與X軸正方向所夾的角，其范圍為0～2π；θ為有向線段OP與有向線段OM所夾的角，其范圍為0～2π。

燃燒單元在空中運(yùn)動(dòng)方程為：

其中，vx、vy、vz分別為當(dāng)前時(shí)刻燃燒單元速度v在x、y、z方向上分量，ax、ay、az分別為當(dāng)前時(shí)刻燃燒單元加速度a在x、y、z方向上分量，t為當(dāng)前時(shí)刻。

式中，F(xiàn)為燃燒單元燃燒時(shí)受到的空氣阻力；m為燃燒單元質(zhì)量。

式中，F(xiàn)為空氣阻力；ρ為大氣密度；v為燃燒單元瞬時(shí)速度；S為燃燒單元燃燒時(shí)有效阻力面積；Cd為燃燒單元阻力系數(shù)。其中，大氣密度ρ隨著高度H 變化而變化，可由式（7）求得，式中

3 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 仿真系統(tǒng)組成

仿真系統(tǒng)采用了MATLAB編程、Simulink搭建的仿真手段，由目標(biāo)模塊、干擾模塊、坐標(biāo)變換模塊、光學(xué)成像模塊、信息處理模塊、穩(wěn)定陀螺模塊、制導(dǎo)系統(tǒng)模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊組成。系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 仿真系統(tǒng)組成框圖

3.2 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

仿真試驗(yàn)中通過設(shè)置仿真界面上的環(huán)境參數(shù)、探測器參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)以及干擾參數(shù)等來確定仿真的初始條件。以 0.01s為仿真步長，干擾彈可同時(shí)或間隔投放，每發(fā)由相同的燃燒單元組成。當(dāng)仿真開始運(yùn)行后，顯現(xiàn)出導(dǎo)引頭視場窗口，可實(shí)時(shí)觀察導(dǎo)引頭視場內(nèi)的目標(biāo)源，每個(gè)步長都將當(dāng)前仿真時(shí)間與設(shè)置的干擾彈釋放時(shí)間比較。若釋放時(shí)間未到，干擾彈保持與目標(biāo)相同的運(yùn)動(dòng)特性；若釋放時(shí)間到達(dá)，則干擾彈以釋放方向（方位、俯仰）為初始方向拋射，每個(gè)干擾彈爆炸，爆炸產(chǎn)生的能量將干擾彈彈殼炸開，每個(gè)干擾彈按照預(yù)設(shè)的燃燒單元進(jìn)行分離，在重力和空氣阻力的作用下運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)上面分析的干擾機(jī)理和設(shè)定的仿真條件，對導(dǎo)彈不同攻擊方向、發(fā)射器的安裝位置和面源紅外干擾彈的投射方案進(jìn)行了仿真。圖5設(shè)定的仿真場景為：仿真初始時(shí)刻的彈目距離為 3.1km；導(dǎo)彈尾追攻擊目標(biāo)，導(dǎo)彈飛行速度為610m/s；載機(jī)目標(biāo)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度為360m/s；載機(jī)攜帶10發(fā)面源紅外干擾彈，每彈包括40個(gè)燃燒單元，在10發(fā)面源紅外干擾彈同時(shí)投放前后導(dǎo)引頭的模擬成像圖如圖5所示。

從仿真結(jié)果看，在干擾彈投放前，導(dǎo)彈能始終穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，投放后，干擾彈和目標(biāo)共同位于導(dǎo)引頭跟蹤波門內(nèi)，隨著兩者的不斷分離，目標(biāo)出視場，導(dǎo)彈穩(wěn)定跟蹤干擾彈。

4 結(jié)束語

本文針對機(jī)載面源紅外干擾彈對紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的干擾機(jī)理，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真建模研究，通過建立面源紅外干擾彈和紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的仿真模型，實(shí)現(xiàn)紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈從目標(biāo)識(shí)別、跟蹤到導(dǎo)彈飛行，以及面源紅外干擾彈空間布設(shè)和輻射特性變化的全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真，為驗(yàn)證機(jī)載面源紅外干擾彈的干擾效果提供了技術(shù)途徑。

圖5 導(dǎo)引頭成像圖

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