導(dǎo)引頭性能可視化數(shù)據(jù)獲取方法

張三喜，張偉光，張思琪，吳海英

(1.中國人民解放軍63870部隊(duì)，陜西 華陰 714200；2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710049)

引言

目前，制導(dǎo)武器系統(tǒng)制導(dǎo)精度、跟蹤穩(wěn)定性、抗干擾性能以及戰(zhàn)場環(huán)境適應(yīng)性等關(guān)鍵指標(biāo)和作戰(zhàn)能力的試驗(yàn)和考核主要采取室內(nèi)仿真評估、室外掛飛和外場實(shí)彈射擊的方法[1-5]。室內(nèi)仿真試驗(yàn)，導(dǎo)引頭面向的是仿真的大氣環(huán)境、目標(biāo)特性、干擾和試驗(yàn)場景，受模擬條件的限制，室內(nèi)仿真建模過于理想，對目標(biāo)環(huán)境瞬變作用機(jī)理描述及復(fù)現(xiàn)的可信度偏低，導(dǎo)彈脫靶、失控、受干擾丟失目標(biāo)等現(xiàn)象與復(fù)雜環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系分析困難。導(dǎo)引頭室外掛飛試驗(yàn)，可以模擬導(dǎo)彈飛行軌跡和提供真實(shí)的靶標(biāo)和背景，彌補(bǔ)了室內(nèi)仿真和實(shí)彈射擊的不足。但室外導(dǎo)引頭掛飛試驗(yàn)不但成本很高，而且飛機(jī)在飛行過程中不能給導(dǎo)引頭提供姿態(tài)運(yùn)動，定量測試?yán)щy。外場實(shí)彈射擊試驗(yàn)樣本量非常有限，通常設(shè)定單一目標(biāo)環(huán)境且無法保證射擊條件的一致性，只能取近似窗口，難以全面考核出武器系統(tǒng)對環(huán)境和干擾的適應(yīng)性。

為了在真實(shí)的大氣環(huán)境、干擾和目標(biāo)特性的條件下獲取導(dǎo)引頭的性能參數(shù)，并為仿真試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支撐，迫切尋求一種介于室內(nèi)仿真與外場實(shí)彈試驗(yàn)之間的中間驗(yàn)證考核環(huán)節(jié)，在靶場真實(shí)環(huán)境下針對實(shí)際靶標(biāo)目標(biāo)進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)跟蹤試驗(yàn)，可為室內(nèi)仿真提供目標(biāo)背景的直接驅(qū)動數(shù)據(jù)，提升仿真逼真度，同時(shí)也可多次重復(fù)考核制導(dǎo)導(dǎo)引環(huán)節(jié)的關(guān)鍵能力，彌補(bǔ)實(shí)彈射擊試驗(yàn)數(shù)量的不足。在這種近真實(shí)戰(zhàn)場環(huán)境下開展制導(dǎo)武器系統(tǒng)的實(shí)裝作戰(zhàn)效能試驗(yàn)，并與仿真分析預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，可以實(shí)現(xiàn)體系貢獻(xiàn)率評估的量化外推與結(jié)論閉環(huán)[6-10]。在這方面，國內(nèi)外都開展了大量的研究工作，目前主要的試驗(yàn)方法有以下三種。

1) 導(dǎo)引頭開環(huán)跟蹤試驗(yàn)

將導(dǎo)引頭架設(shè)在固定點(diǎn)位或移動平臺上[6]，在真實(shí)環(huán)境條件下選擇適當(dāng)航路，利用真實(shí)目標(biāo)的運(yùn)動來檢驗(yàn)導(dǎo)引頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如導(dǎo)引頭作用距離、目標(biāo)選擇性、捕捉可靠性、跟蹤穩(wěn)定性、跟蹤精度、環(huán)境適應(yīng)能力以及抗干擾性能等，如圖1所示。

圖1 外場導(dǎo)引頭開環(huán)試驗(yàn)Fig.1 Open-loop test of seekers in outfield

2) 導(dǎo)引頭閉環(huán)跟蹤試驗(yàn)

為了探索一種簡便經(jīng)濟(jì)的閉環(huán)制導(dǎo)模擬方法，國內(nèi)采用導(dǎo)引頭搭載飛艇的方法進(jìn)行制導(dǎo)模擬[2]。不同于導(dǎo)引頭掛飛試驗(yàn)，該方法利用導(dǎo)引頭測量得到的目標(biāo)信息，實(shí)時(shí)控制飛艇向目標(biāo)做制導(dǎo)飛行(見圖2)。顯然，這種由導(dǎo)引頭引導(dǎo)做制導(dǎo)飛行的飛艇，可以作為干擾對象來檢驗(yàn)電子干擾對閉環(huán)制導(dǎo)控制過程的干擾效果。

圖2 導(dǎo)引頭安裝在無人飛艇上Fig.2 Seeker mounted on unmanned airship

3) 多導(dǎo)引頭動態(tài)試驗(yàn)與環(huán)境特征測量

在美國白沙靶場，光電數(shù)據(jù)獲取與跟蹤系統(tǒng)是在真實(shí)環(huán)境試驗(yàn)中采用真實(shí)的目標(biāo)和對抗措施來研究導(dǎo)引頭對環(huán)境的反應(yīng)能力[11-13]。它能夠同時(shí)支撐六枚導(dǎo)引頭同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，事后分析導(dǎo)引頭對不同環(huán)境的適應(yīng)性。同時(shí)，該系統(tǒng)配備了紅外至紫外波段的光譜分析儀、輻射計(jì)和成像儀以獲取目標(biāo)、對抗措施和背景的信號特征。

在作戰(zhàn)試驗(yàn)中，為了實(shí)現(xiàn)接近戰(zhàn)場條件的復(fù)雜試驗(yàn)環(huán)境，一般通過營造煙霧、火光、復(fù)雜電磁、自然環(huán)境、地形等環(huán)境實(shí)現(xiàn)接近戰(zhàn)場條件，從而準(zhǔn)確考核武器裝備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能和環(huán)境適用性。在以上研究的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有方法的不足，論文提出了一種導(dǎo)引頭面向真實(shí)大氣環(huán)境、干擾和目標(biāo)特性試驗(yàn)和數(shù)據(jù)獲取的可視化方法，在接近真實(shí)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境條件下，構(gòu)建了制導(dǎo)武器系統(tǒng)的可視化動態(tài)測試平臺同步伴隨導(dǎo)引頭跟蹤記錄，獲取導(dǎo)引頭探測、識別和跟蹤目標(biāo)過程的同步、實(shí)時(shí)可視化信息并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引性能評估。這種方法在靶場環(huán)境下針對實(shí)際靶標(biāo)目標(biāo)進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)跟蹤試驗(yàn)，可為室內(nèi)仿真提供目標(biāo)背景的直接驅(qū)動數(shù)據(jù)，提升仿真逼真度，同時(shí)，也可多次重復(fù)考核導(dǎo)引環(huán)節(jié)的關(guān)鍵能力，彌補(bǔ)實(shí)彈射擊試驗(yàn)數(shù)量的不足，為武器系統(tǒng)研制過程提供了一種全新的測試驗(yàn)證手段。

1 導(dǎo)引頭可視化數(shù)據(jù)獲取方法

基于外場實(shí)際測試環(huán)境的導(dǎo)引頭性能可視化數(shù)據(jù)獲取方法，是接近真實(shí)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下導(dǎo)引頭性能的考核方法，為激光、毫米波、電視、紅外等制導(dǎo)武器系統(tǒng)提供外場綜合試驗(yàn)驗(yàn)證及動態(tài)掛載測試系統(tǒng)平臺，對不同研制階段、不同制導(dǎo)模式的導(dǎo)引頭系統(tǒng)進(jìn)行集成試驗(yàn)與測試評估，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程信號、圖像采集和傳輸，通過視頻圖像和測試數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對制導(dǎo)導(dǎo)引系統(tǒng)性能參數(shù)的量化分析與評估。

對于毫米波、激光等測試過程中跟蹤結(jié)果不可視的導(dǎo)引頭，無法直接獲取導(dǎo)引頭跟蹤性能參數(shù)，而通過空間彈目連線方法計(jì)算誤差大。因此，采用加裝可見光成像系統(tǒng)同步伴隨導(dǎo)引頭運(yùn)動的方法，將導(dǎo)引頭跟蹤捕獲過程可視化，能夠獲取導(dǎo)引頭最大捕獲距離、跟蹤測量精度、抗干擾能力等參數(shù)。

1.1 導(dǎo)引頭可視化試驗(yàn)方法

制導(dǎo)武器系統(tǒng)導(dǎo)引頭性能可視化試驗(yàn)方法是將需要進(jìn)行外場試驗(yàn)測試的導(dǎo)引系統(tǒng)與可視化評估系統(tǒng)通過機(jī)電接口集成后，采用固定或地面移動車載平臺，將導(dǎo)引頭安裝在兩軸轉(zhuǎn)臺上以模擬彈體飛行過程中的姿態(tài)運(yùn)動，將兩軸轉(zhuǎn)臺安裝在地面移動平臺上模擬彈體接近靶標(biāo)過程，在兩軸平臺上加裝可見光成像系統(tǒng)同步伴隨導(dǎo)引頭運(yùn)動，將導(dǎo)引頭跟蹤捕獲過程可視化。通過對導(dǎo)引頭輸出參數(shù)和可視系統(tǒng)圖像進(jìn)行分析，完成導(dǎo)引頭運(yùn)動過程性能數(shù)據(jù)的獲取。該系統(tǒng)適應(yīng)于激光制導(dǎo)武器、紅外制導(dǎo)武器、毫米波制導(dǎo)武器、圖像制導(dǎo)武器等不同機(jī)制類型的武器制導(dǎo)導(dǎo)引頭性能的跟蹤試驗(yàn)掛載與性能評估。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

可視化二維探測系統(tǒng)主要由導(dǎo)引頭、電視成像分系統(tǒng)、伺服轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)、圖像存儲器、圖像跟蹤器、顯示控制分系統(tǒng)、標(biāo)定系統(tǒng)及輔助設(shè)備等部分組成，如圖3所示。

圖3 可視化系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of visualization system

電視成像分系統(tǒng)作為可視化系統(tǒng)，直觀顯示導(dǎo)引頭對目標(biāo)的跟蹤過程；轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)為電視成像分系統(tǒng)提供運(yùn)動載體，根據(jù)導(dǎo)引頭的指令伴隨導(dǎo)引頭運(yùn)動；圖像存儲器用于存儲視頻圖像，用于后續(xù)開展對導(dǎo)引頭性能參數(shù)評估的依據(jù)；圖像跟蹤器用于提供視頻圖像中目標(biāo)的脫靶量，為導(dǎo)引頭性能評估提供有效數(shù)據(jù)；顯示控制分系統(tǒng)主要提供人機(jī)交互界面、完成與各分系統(tǒng)通訊、圖像信息顯示等功能；電視成像分系統(tǒng)、圖像跟蹤器、圖像存儲器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)組成在一起，使用時(shí)固定在轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)的俯仰軸上，作為轉(zhuǎn)臺的負(fù)載，可完成方位和俯仰兩個(gè)方向的運(yùn)動；標(biāo)定分系統(tǒng)完成可視系統(tǒng)和導(dǎo)引頭的光軸-光軸-電軸一致性的標(biāo)定；輔助設(shè)備主要包括電源變換器、設(shè)備的安裝固定裝置等。轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)和導(dǎo)引頭通過固定裝置固定在系統(tǒng)的安裝裝置上，它們與顯示控制分系統(tǒng)通過電纜連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互[14]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局Fig.4 Layout of system structure

1.3 可視系統(tǒng)同步隨動技術(shù)

為保證可視系統(tǒng)能精確反映導(dǎo)引頭跟蹤情況，需保證可視系統(tǒng)光軸與導(dǎo)引頭跟蹤軸嚴(yán)格同步。這里主要解決兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)：一是多軸平行度標(biāo)定技術(shù)，解決可見系統(tǒng)光軸分別同激光導(dǎo)引視軸、毫米波導(dǎo)引軸等的平行度問題；二是提高隨動控制精度實(shí)現(xiàn)兩軸同步伴隨運(yùn)動，可視系統(tǒng)為了能準(zhǔn)確反映導(dǎo)引頭探測、識別和跟蹤過程，需要將成像系統(tǒng)同步隨動于導(dǎo)引頭。在試驗(yàn)過程中，利用導(dǎo)引頭輸出的框架角信號使成像系統(tǒng)隨動于導(dǎo)引頭，直觀顯示制導(dǎo)導(dǎo)引系統(tǒng)搜索區(qū)域、截獲目標(biāo)和跟蹤過程。

2 典型試驗(yàn)場景設(shè)定

2.1 作戰(zhàn)過程設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)引頭制導(dǎo)方式和導(dǎo)彈用途，在不同的試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行，包括導(dǎo)引頭姿態(tài)、運(yùn)動速度、運(yùn)動路線、靶標(biāo)特性、靶標(biāo)運(yùn)動特性、靶標(biāo)背景設(shè)置、干擾目標(biāo)設(shè)置、地形地貌等。通過對試驗(yàn)場景總結(jié)分類形成戰(zhàn)例庫，并根據(jù)考核難易程度實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)場景的量化分級。

2.2 導(dǎo)引頭運(yùn)動模型建立

根據(jù)不同的試驗(yàn)場景建立相應(yīng)的彈目相對運(yùn)動模型，包括導(dǎo)引頭俯仰角、方位角、掛載平臺運(yùn)行速度、路線、靶標(biāo)運(yùn)動特性等。圖5為根據(jù)不同的目標(biāo)與環(huán)境，設(shè)計(jì)導(dǎo)引頭的模擬動作。

圖5 模擬導(dǎo)引頭的動作Fig.5 Simulation of seeker action

2.3 干擾方案設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的試驗(yàn)場景設(shè)置相應(yīng)的模擬干擾目標(biāo)，包括干擾目標(biāo)數(shù)量、位置、干擾方法等[15]。圖6為激光導(dǎo)引頭抗激光角度欺騙干擾外場模擬試驗(yàn)布局示意圖。

圖6 激光導(dǎo)引頭抗激光角度欺騙干擾模擬試驗(yàn)示意圖Fig.6 Simulation experiment of laser seeker against laser angle deception jamming

激光導(dǎo)引頭抗激光角度欺騙干擾外場試驗(yàn)方法是在野外試驗(yàn)場地上放置激光告警偵察系統(tǒng)、干擾激光指示器、漫反射板假目標(biāo)和導(dǎo)引頭合作目標(biāo)(漫反射板真目標(biāo))，在遠(yuǎn)距離處放置激光目標(biāo)指示器和激光導(dǎo)引頭，確保干擾信號和指示信號能同時(shí)進(jìn)入導(dǎo)引頭視場。

通過發(fā)射激光指示信號和干擾激光信號作用于激光導(dǎo)引頭，促使激光導(dǎo)引頭工作于閉環(huán)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤閉環(huán)控制模擬，模擬被保護(hù)目標(biāo)和假目標(biāo)被激光導(dǎo)引頭跟蹤的視線角(框架角)的變化狀態(tài)，通過激光導(dǎo)引頭跟蹤視線角的變化情況來檢驗(yàn)激光導(dǎo)引頭的抗干擾效果。圖7為導(dǎo)引頭外場可視化模擬干擾試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取現(xiàn)場。

圖7 導(dǎo)引頭外場可視化模擬干擾試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取現(xiàn)場Fig.7 Field data acquisition of jamming simulation test for seeker visualization

3 數(shù)據(jù)獲取方法

系統(tǒng)工作時(shí)，顯示控制分系統(tǒng)為被試導(dǎo)引頭下達(dá)控制指令，使導(dǎo)引頭工作，并接收導(dǎo)引頭發(fā)送的數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息等反饋數(shù)據(jù)。同時(shí)，轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)接收被試導(dǎo)引頭分系統(tǒng)輸出的目標(biāo)視線角偏差、導(dǎo)引頭工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，轉(zhuǎn)臺在該信息的控制下進(jìn)行隨動，電視成像分系統(tǒng)完成被試導(dǎo)引頭分系統(tǒng)搜索跟蹤區(qū)域的視場圖像的處理，視頻圖像在顯示控制分系統(tǒng)上顯示。通過顯示控制分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對圖像跟蹤器和圖像存儲器的控制，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的捕獲跟蹤，輸出目標(biāo)脫靶量信號，如圖8所示，并可實(shí)現(xiàn)對視頻圖像的存儲。

圖8 動平臺靜目標(biāo)跟蹤過程脫靶量Fig.8 Miss distance of static target tracking on moving platform

視頻處理信息流程：電視成像分系統(tǒng)的視頻圖像首先輸出至圖像跟蹤器，跟蹤器根據(jù)工作指令決定是否對目標(biāo)自動跟蹤并輸出視頻圖像至圖像存儲器，圖像存儲器可同時(shí)完成視頻存儲和圖像輸出，在顯示控制分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像顯示。系統(tǒng)工作原理如圖9所示。

圖9 成像分系統(tǒng)工作原理Fig.9 Working principle of imaging subsystems

以記錄的可視化圖像及導(dǎo)引頭輸出信號為依托，導(dǎo)引頭跟蹤性能評估可以從定性及定量兩個(gè)方面來考核。其中定性考核可以從可視化圖像的穩(wěn)定性及跟蹤情況上直觀反映；定量考核則包括了多項(xiàng)考核指標(biāo)，包括靜態(tài)、動態(tài)跟蹤精度以及多目標(biāo)或干擾情況下的跟蹤性能考核。通過對時(shí)空信息和脫靶量的測量分析，可以給出導(dǎo)引頭的一些性能參數(shù)，這些參數(shù)如圖10所示，圖11為可視系統(tǒng)記錄的激光導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)和干擾目標(biāo)的過程，圖12是試驗(yàn)獲取的導(dǎo)引頭閉鎖/開啟狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間獲取的導(dǎo)引頭和隨動可見光系統(tǒng)狀態(tài)信息。

圖10 測量的導(dǎo)引頭參數(shù)Fig.10 Seeker parameters being measured

圖11 可視系統(tǒng)記錄的激光導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)和干擾目標(biāo)試驗(yàn)Fig.11 Tests of laser seeker tracking and jamming recorded by visual system

圖12 導(dǎo)引頭閉鎖/開啟狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間獲取的導(dǎo)引頭和隨動可見光系統(tǒng)狀態(tài)(彩圖見電子版)Fig.12 Acquired states of seeker and servo visible system during lock/open states(coloar online)

此外，該系統(tǒng)平臺獲取的時(shí)空信息、環(huán)境和干擾的量化描述會更準(zhǔn)確地對制導(dǎo)兵器的性能進(jìn)行評估。設(shè)計(jì)與導(dǎo)引頭視場相匹配的可視化系統(tǒng)，就可以通過視頻記錄的干擾時(shí)空位置，通過計(jì)算得到導(dǎo)引頭視場內(nèi)干擾、特殊背景等事件發(fā)生的時(shí)間、位置以及大小等信息，事后分析各類環(huán)境下導(dǎo)引頭的性能參數(shù)。同時(shí)，可以在平臺上再配備紅外至紫外波段的光譜分析儀、輻射計(jì)和成像儀等其他目標(biāo)特性探測系統(tǒng)以同步獲取目標(biāo)、對抗措施和背景等信號特征。

4 結(jié)論

導(dǎo)引頭可視化試驗(yàn)方法是介于室內(nèi)半實(shí)物仿真試驗(yàn)和外場實(shí)彈飛行試驗(yàn)之間的一種試驗(yàn)方法。相對于室內(nèi)半實(shí)物仿真試驗(yàn)，外場可視化試驗(yàn)為導(dǎo)引頭提供了真實(shí)的目標(biāo)及背景環(huán)境，并可以方便地布設(shè)各種干擾靶標(biāo)和干擾物，試驗(yàn)結(jié)果置信度更高。相對于外場飛行試驗(yàn)，可視化試驗(yàn)更具針對性，被試件可以無損回收并進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)。除此還具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢：

1) 該方法適合各種制式導(dǎo)引頭；

2) 能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)空信息的與目標(biāo)特性的測量；

3) 實(shí)裝試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析預(yù)測的對比驗(yàn)證，可以實(shí)現(xiàn)體系貢獻(xiàn)率評估的量化外推與結(jié)論閉環(huán)；對外場實(shí)裝試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理后，可以運(yùn)用數(shù)據(jù)分類與聚類等分析技術(shù)，定量檢測實(shí)裝試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果的一致性，進(jìn)一步確認(rèn)仿真的有效性和正確性，并得出在不同作戰(zhàn)環(huán)境下，裝備技術(shù)參數(shù)、戰(zhàn)術(shù)性能和體系作戰(zhàn)效能的一致量化結(jié)論；

4) 競標(biāo)試驗(yàn)的優(yōu)勢；

該方法可以多個(gè)導(dǎo)引頭同時(shí)試驗(yàn)，這樣在競標(biāo)試驗(yàn)時(shí)，可以在相同的時(shí)間地點(diǎn)環(huán)境中同時(shí)考核導(dǎo)引頭的性能，排除環(huán)境信息的不同而產(chǎn)生的非議。