紅外成像導引頭動態(tài)性能測試系統(tǒng)設(shè)計

胡小江，陳戰(zhàn)輝，白 云

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紅外成像導引頭動態(tài)性能測試系統(tǒng)設(shè)計

胡小江，陳戰(zhàn)輝，白 云

（空軍工程大學 防空反導學院，陜西 西安 710051）

針對紅外成像導引頭在復雜干擾背景條件下難以獲取動態(tài)性能指標的問題，分析了紅外成像導引頭動態(tài)性能參數(shù)體系，基于紅外圖像注入技術(shù)設(shè)計開發(fā)了動態(tài)指標測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠模擬典型的紅外目標和干擾信號，并對導引頭輸出信號進行采集、處理和分析，最后給出動態(tài)性能測試結(jié)果。通過對某型號紅外成像導引頭的測試和驗證，證明了該系統(tǒng)工作高效、穩(wěn)定，為紅外成像導引頭的動態(tài)性能測試提供了有效的方法和手段。

動態(tài)性能；紅外成像導引頭；目標模擬；虛擬儀器

0 引言

紅外成像導引頭作為空空導彈最重要的設(shè)備儀器，導引頭的動態(tài)技術(shù)性能參數(shù)是否符合要求影響到全彈的技術(shù)指標。傳統(tǒng)測試系統(tǒng)中，紅外成像導引頭靜態(tài)性能指標比較容易獲取，但很少能夠全面地獲取各種復雜干擾環(huán)境下的動態(tài)性能指標，而紅外成像導引頭的動態(tài)性能指標是決定其性能好壞的重要指標[1-2]。

為了能夠全面地獲取紅外成像導引頭動態(tài)性能指標，必須有效地模擬目標和干擾環(huán)境，而虛擬儀器技術(shù)具有性能高、易于擴展和高效的優(yōu)點，對設(shè)計和研發(fā)紅外導引頭動態(tài)性能測試系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢。本文基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了紅外成像導引頭動態(tài)性能測試系統(tǒng)，通過建立目標模擬器，能夠較好地為紅外成像導引頭動態(tài)性能的測試提供激勵信號。相比于實物掛飛或靶試等方法，該系統(tǒng)可以節(jié)省大量的經(jīng)費，有效提高紅外成像導引頭在復雜干擾環(huán)境下動態(tài)性能測試的高效性和準確性[3-4]。

1 動態(tài)性能指標選取

紅外成像導引頭系統(tǒng)動態(tài)性能指標分為綜合性指標和基礎(chǔ)指標兩類。綜合性能指標主要包括識別能力、再次捕獲能力和跟蹤能力；基礎(chǔ)性能指標主要包括檢測概率、虛警概率、識別概率、空間分辨率、持續(xù)抗干擾能力、抗能量壓制能力、光譜識別能力、信息處理能力等參數(shù)。對于產(chǎn)品階段的紅外成像導引頭，基礎(chǔ)性能指標獲取比較困難。因此，主要選擇識別能力、再次捕獲能力和跟蹤能力作為動態(tài)性能指標。紅外成像導引頭動態(tài)性能指標層次如圖1所示。

圖1 紅外導引系統(tǒng)動態(tài)性能指標層次圖

主要基礎(chǔ)指標內(nèi)涵如下：

1）空間分辨率：可以有效辨別兩個目標同時出現(xiàn)在視場內(nèi)時的最小距離。

2）持續(xù)抗干擾能力：在給定的抗干擾概率下，導彈發(fā)射后，導引頭能夠經(jīng)受的最大抗干擾事件或者抗干擾時間占整個飛行彈道的比重。

3）抗能量壓制能力：在給定的抗干擾概率下，導引頭能夠接受的最大干擾能量和最小干擾能量的之比。

4）光譜識別能力：指導引頭在有干擾的情況下，通過目標與干擾光譜輻射特性之間的差異，對目標識別的能力。

5）信息處理能力：指導引頭信息處理器與軟件能夠處理輻射源的最大數(shù)量。

2 動態(tài)性能測試系統(tǒng)構(gòu)建

紅外成像導引頭動態(tài)參數(shù)指標的測試必須構(gòu)建較為完整的系統(tǒng)。目前，紅外激勵信號的生成主要包括輻射式和圖像注入兩種方式。相比輻射式，采用注入式構(gòu)建系統(tǒng)具有成本低、紅外信號環(huán)境易于搭建等優(yōu)點[1]。因此，該系統(tǒng)構(gòu)建時主要通過目標/干擾模擬器生成不同的目標和干擾信號，對導引頭綜合性能指標進行測試。紅外成像導引頭動態(tài)性能測試系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件包括目標/干擾模擬器、專用適配器、測試儀器和電源等組成，主要實現(xiàn)目標和干擾信號生成、導引頭輸出信號的控制、調(diào)理和采集；軟件系統(tǒng)由主控軟件、系統(tǒng)自檢、自動測試和測試結(jié)果等子模塊組成。紅外成像導引頭動態(tài)性能測試系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

動態(tài)性能測試系統(tǒng)考慮紅外成像導引頭的工作過程中每一個組件的信號流程，通過軟件控制系統(tǒng)硬件儀器和對不同的測試條件進行設(shè)置，使測試系統(tǒng)能夠系統(tǒng)地檢測紅外成像導引頭的動態(tài)技術(shù)指標。

圖2 動態(tài)性能測試系統(tǒng)原理框圖

測試系統(tǒng)原理：操作者根據(jù)測試需求，通過目標/干擾模擬器生成激勵信號，該激勵信號經(jīng)適配器施加到紅外成像導引頭。紅外成像導引頭在激勵信號的作用下，產(chǎn)生相應的輸出信號，輸出信號通過適配器轉(zhuǎn)接進入測試儀器硬件資源進行調(diào)理和采集，最后送入測試軟件進行測試結(jié)構(gòu)判別和顯示。

3 硬件平臺設(shè)計

通過對紅外成像導引頭的原理和特性分析，硬件平臺設(shè)計時需要充分考慮典型紅外目標和干擾信號的模擬，從而對紅外成像導引頭施加相應的激勵信號，并對其輸出信號進行調(diào)理、采集，送到軟件進行分析處理。硬件平臺結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 目標/干擾模擬器設(shè)計

目標/干擾模擬器主要完成典型目標和干擾信號的模擬。該模塊首先通過對典型目標和干擾進行建模，然后采用圖形工作站構(gòu)建目標三維紅外特性、典型干擾、背景、大氣傳輸及傳感器等物理效應，并實現(xiàn)場景的動態(tài)渲染，生成導引頭視覺圖像。由于采用信號注入法，可模擬導引頭的成像效應。包括：光學效應、探測器效應、噪聲效應等；目標和干擾環(huán)境模擬器原理如圖4所示。

圖4 目標和干擾環(huán)境模擬器原理圖

硬件中的圖像工作站完成紅外目標干擾場景的建模和圖像生成，PCI-e圖像注入卡將生成的圖像以LVDS電平信號的形式注入紅外成像導引頭的電子艙[5]。目標和干擾環(huán)境模擬器硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 目標和干擾環(huán)境模擬硬件結(jié)構(gòu)

3.2 輸出信號測試模塊

輸出信號測試模塊要對紅外成像導引頭輸出的信號進行采集?？紤]到紅外成像導引頭輸出信號主要為交流電壓、直流電壓、數(shù)字信號和部分頻率信號，所以在選擇測量儀器時主要選用PXIe-4081和PXIe-6704。其中PXIe-4081完成交流電壓、直流電壓和頻率量的分時分步測量；PXIe-6704主要完成對紅外成像導引頭23路狀態(tài)量的實時測量和監(jiān)測，并配合軟件模塊中的狀態(tài)保護模塊完成對紅外成像導引頭的實時保護。

3.3 適配器設(shè)計

適配器主要完成紅外成像導引頭輸出信號的轉(zhuǎn)接和輸入圖像信號的注入兩項任務。在設(shè)計時兼顧紅外成像導引頭的工作原理和測試任務等因素。選用PXI-2569和PXIe-2529完成信號的控制和分配，并根據(jù)測試任務對硬件儀器、電源和狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號進行切換。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

在硬件設(shè)計基礎(chǔ)上，設(shè)計了紅外成像導引頭動態(tài)性能測試系統(tǒng)軟件。該軟件可以根據(jù)不同測試條件形成對系統(tǒng)硬件儀器的控制。并能夠根據(jù)目標和干擾環(huán)境的配置情況對不同的測試條件下的輸出結(jié)果進行判定。

4.1 軟件架構(gòu)

在進行紅外成像導引頭動態(tài)性能測試時，需要控制的硬件器件較多，并且測試過程中根據(jù)需要改變測試條件和目標/干擾模擬器的控制。因此，測試軟件在設(shè)計時需要能夠完成硬件控制、測試任務和測試系統(tǒng)控制3項功能。為此，測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)采用了測試層、任務層和控制層的3層架構(gòu)設(shè)計方式[6-7]。動態(tài)性能測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖6所示。任務層和測試層采用插件形式，主要是為了方便控制層的調(diào)用，同時也能減少任務層之間的耦合，快速準確的完成測試任務。

圖6 軟件架構(gòu)設(shè)計圖

測試層是將每一個硬件單獨封裝成VIs（Virtual Instrument），該VIs能夠完成對應硬件資源的讀寫操作和數(shù)值轉(zhuǎn)換操作，測試層供任務層調(diào)用；任務層是根據(jù)導引頭動態(tài)測試條件的不同配置，通過調(diào)用測試層VIs完成相應的測試任務；控制層是根據(jù)測試任務的需要，通過調(diào)用任務層VIs完成具體的測試任務。

4.2 軟件功能

測試系統(tǒng)軟件主要完成系統(tǒng)自檢、目標/干擾環(huán)境配置、自動測試、故障分析定位等功能。測試系統(tǒng)軟件在功能上主要包括控制模塊、參數(shù)配置模塊、用戶管理模塊、系統(tǒng)自檢模塊、自動測試模塊、設(shè)備狀態(tài)保護模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，軟件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

4.2.1 參數(shù)配置模塊

參數(shù)配置模塊主要完成紅外成像導引頭測量參數(shù)值的修改和保存操作。具備高級權(quán)限的人員可以通過該模塊進行參數(shù)的修改，一般權(quán)限的人員只能瀏覽參數(shù)，不能修改參數(shù)。

圖7 測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

4.2.2 系統(tǒng)自檢模塊

系統(tǒng)自檢模塊主要完成對目標/干擾模擬器、測試系統(tǒng)電源、測試儀器硬件資源以及專用適配器的功能檢查。其中的適配器功能檢查能夠?qū)λ休敵鲂盘柖撕洼斎胄盘柖司€路的通斷和適配器模塊的狀態(tài)進行判別。

4.2.3 自動測試模塊

自動測試模塊主要根據(jù)不同的測試條件，自動生成測試方案。完成紅外成像導引頭動態(tài)性能指標的自動測試。自動測試可以對識別能力、再捕獲能力、跟蹤能力和伺服控制系統(tǒng)等多個性能參數(shù)的測試并對結(jié)果自動保存。

4.2.4 狀態(tài)保護模塊

狀態(tài)保護模塊主要用于測試過程中對當前紅外成像導引頭所處狀態(tài)和測試儀器所處狀態(tài)的實時記錄，以備后續(xù)性能判定時，為系統(tǒng)提供當前實際紅外成像導引頭所處狀態(tài)，并對后續(xù)操作提供恢復操作。

4.2.5 用戶管理模塊

用戶管理模塊可以完成用戶登錄和用戶數(shù)據(jù)管理功能。其中用戶數(shù)據(jù)管理功能主要完成對人員的信息進行修改操作。登錄子模塊用于操作人員登錄測試系統(tǒng)軟件。

4.2.6 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)模塊主要完成對當前或以往測試結(jié)果的分析和處理。通過該模塊可以選擇不同的測試結(jié)果進行紅外成像導引頭動態(tài)性能評判，最后將結(jié)果生成報表進行打印和保存。

5 測試結(jié)果

5.1 測試條件配置

在測試前需要對目標/干擾模擬器配置初始條件，主要包括目標、導彈的初始位置及運動條件，目標的飛放間隔、距離、方向、數(shù)目、目標姿態(tài)等多種因素。表1為誘餌參數(shù)設(shè)置因素的部分值[8]。

表1 誘餌干擾因素

5.2 測試結(jié)果

分別設(shè)置兩組干擾條件，對某型號紅外成像導引頭進行測試。

測試條件1：目標機相對攻擊機同向飛行，平飛，投射1枚干擾彈，相對距離3km。測試過程中紅外成像導引頭能夠正確識別并跟蹤目標，脫靶量12m。

測試條件2：目標機相對攻擊機同向飛行，做轉(zhuǎn)彎機動，投射2枚干擾彈，相對距離1km。測試過程中紅外成像導引頭能夠正確識別目標，但跟蹤過程中很快丟失目標，并無法再次捕獲目標。

通過以上測試結(jié)果分析可知，彈目距離、干擾彈數(shù)目和目標做轉(zhuǎn)彎機動等因素對紅外成像導引頭動態(tài)性能指標影響較大。為了對紅外成像導引頭進行全面測試，需要設(shè)置測試條件庫，盡量覆蓋到各種因素，從而能夠全面地對紅外成像導引頭的動態(tài)性能進行測試，這部分內(nèi)容也是后續(xù)工作需要重點考慮的方面。

6 結(jié)論

本文通過構(gòu)建目標/干擾模擬器完成了復雜背景條件下的目標模擬，所設(shè)計的紅外成像導引頭動態(tài)性能測試系統(tǒng)，在實際應用中能夠滿足紅外成像導引頭動態(tài)性能測試的要求。測試結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)能有效地解決某型號紅外成像導引頭動態(tài)性能指標測試的問題，測試結(jié)果準確、快速。為紅外成像導引頭動態(tài)性能指標測試和檢測提供了靈活、高效的方法和手段。

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Design of Dynamic Performance Test System for Infrared Imaging Seeker

HU Xiaojiang，CHEN Zhanhui，BAI Yun

(,,710051,)

It is difficult to obtain the dynamic performance of an infrared imaging seeker in a complex interference environment .In order to solve this problem, analysis of the infrared imaging seeker dynamic performance index is used to design an auto-testing system based on infrared target simulation. The testing system can simulate typical infrared target and jamming signals and collect, analyze, and process the output signal of the infrared imaging seeker. The test results show that this auto-testing system is highly efficient and accurate, and provides an effective method for measuring the dynamic performance of an infrared imaging seeker.

dynamic performance，infrared imaging seeker，target simulation，virtual instrument

TJ765.333

A

1001-8891(2017)12-1078-05

2017-07-19；

2017-12-07.

胡小江（1978-），男，碩士，講師，主要研究方向：導航制導與控制。E-mail：huxjlijing@126.com。