體系對抗條件下紅外導引頭探測系統建模與仿真*

張 亮，楊 凱，徐振海，吳迪軍，王雪松

(1國防科學技術大學電子科學與工程學院，長沙 410073;2北京仿真中心導彈控制系統仿真國防科技重點實驗室，北京 100854)

0 引言

信息化戰爭條件下的體系對抗是作戰雙方諸多兵力、武器形成的作戰體系在多維戰場空間進行的對抗。導彈武器系統仿真研究是體系對抗仿真的重要組成部分，作為紅外導彈制導系統輸入裝置的紅外導引頭是紅外導彈的關鍵部位，主要用于截獲目標信號，并把從任何物理特征背景和干擾中區分出來的目標信號直接傳送到紅外自動導引系統中，形成導彈相對目標的位置和運動信號，以便能夠很好的跟蹤目標和輸出控制導彈飛行的信號[1]。如何建立滿足體系對抗仿真系統需求的紅外導引頭模型，是目前亟需解決的問題。

文中對體系對抗仿真系統中的紅外導引頭探測系統進行建模，著重結合實戰背景，加入視場判斷、地形遮擋判斷和傳感器飽和判斷等實戰要素，在此基礎上建立紅外導引頭探測系統的總體模型。最后在CISE平臺的支撐下，在整個體系對抗仿真系統中實現了紅外導引頭模型，為體系對抗條件下紅外導彈的仿真提供了支持。

1 系統總體結構和仿真流程

體系對抗條件下紅外導引頭探測系統的建模仿真必須滿足以下功能要求：

①實現戰情想定數據庫的訪問，對紅外導引頭性能參數進行靈活設置和修改;

②接收導彈的引導信息，在引導信息的指示下實現空域搜索、目標檢測等功能，生成探測信息和關鍵事件信息，并上報給導彈武器系統;

③體現一定的實戰要素對紅外導引頭探測性能的影響;

④將仿真過程產生的關鍵數據存入數據文件，供顯示、仿真回放及事后分析與評估之用。

系統總體結構如圖1所示，各模塊功能如下：

①戰情參數設置模塊：實現對戰情想定數據庫的訪問，對紅外導引頭性能參數、戰情參數等進行靈活設置和修改，包括數字地圖、天氣參數等。

②仿真主控模塊：利用數據庫得到的參數進行初始化設置，控制探測功能的調度，將仿真過程產生的關鍵數據存入數據文件，供顯示、仿真回放及事后分析與評估之用。

③實戰背景判斷模塊：判斷傳感器是否已達到飽和(傳感器飽和判斷);判斷目標是否在導引頭的視場內(視場判斷);判定地形是否阻擋了紅外導引頭和目標之間的視線(地形遮擋判斷模塊)。

④目標紅外特征數據庫：建立所關心目標的紅外輻射特征數據庫，在仿真中根據目標的紅外特征參數，查詢目標在觀察方向的紅外輻射值。

⑤探測模塊：根據目標指示信息對指定空域進行探測，包括大氣透過率計算模塊、大氣輻射度計算模塊，以及根據紅外信號能量、大氣透過率、目標距離、噪聲等因素計算SNR模塊。

⑥輸出信息生成模塊：根據探測后的結果，生成探測信息和導引頭關鍵事件信息，上報給導引頭。

圖1 紅外導引頭探測系統總體結構

圖2給出了紅外導引頭仿真系統探測流程圖。虛線框為導引頭在工作過程中執行的實戰背景判斷模塊，能更好的適應戰場環境。

圖2 紅外導引頭仿真系統探測流程圖

2 關鍵模塊的數學模型

2.1 傳感器飽和判斷

紅外導引頭在背景大氣中探測目標的能力與其接收的背景大氣輻射量I和傳感器的飽和門限(Isat)有關。傳感器飽和判斷模型首先計算傳感器接收的背景大氣輻射量，將其與Isat進行對比，若I不小于Isat，則傳感器在目標方向已經被背景大氣飽和，不能探測目標;否則，傳感器能繼續探測目標。其中I=Ω×L，L為沿傳感器至目標路徑的背景輻亮度，Ω=δ×α，方位和俯仰視場寬度δ和α滿足：

假設探測器為焦平面矩形陣列，其中N和M分別為焦平面行和列上的單邊像元數目，a為探測單元的邊長，f為焦平面的焦距。

2.2 視場判斷

視場判斷模型根據導引頭的天線視場和導引頭與目標之間位置矢量D，判斷目標是否在導引頭的視場范圍內。在地心直角坐標系中定義Horizontal Boresight Vertical(HBV)坐標系，B軸沿導引頭焦平面的視軸矢量B，方位視場寬度δ指在HB平面上的全部角度，俯仰視場寬度α指在VB平面上的全部角度。則導引頭的視場范圍可由B、δ和α來描述。紅外導引頭的天線視場通常為橢圓形或圓形，且δ和α一般較小，視場判斷模型包括以下三個部分。

①在地心直角坐標系下計算視軸矢量B與位置矢量D的夾角θ的余弦值(見式(3))，初步判斷目標是否視場內。

②計算HBV坐標系下的視線矢量B，水平矢量H和垂直矢量V。

③得到視場在目標處與HV平面平行的投影橢圓，計算H和V方向上該橢圓的距離C和E，與目標的距離h和v(詳細定義見圖3)，判斷目標是否處于橢圓視場內。

圖3 橢圓天線波束在接收機處的投影

視場判斷模型具體的流程圖如圖4所示，需要用到的公式如下。

其中P為地心直角坐標系中的導引頭位置矢量，a=tanδ，b=tanα。

2.3 地形遮擋判斷

地形遮擋判斷模型對于工作在復雜地形下的紅外導引頭來說非常必要，它用來判斷導引頭至目標之間的視線是否被地形遮擋，若被遮擋，則無法探測該目標。包括三個步驟。

1)用 MaxElev10K(地球半徑 +10km)對目標和傳感器進行調整，見圖5。

2)判斷調整后的視線與最大地形高度線是否有交點。若無交點且視線端點高度均高于最大地形高度，則視線不被遮擋;否則，繼續下一個步驟。

3)以一定間隔計算視線上每點的高度，將其與地圖數據上該點的地形高度相比，判斷地形是否存在遮擋。

圖4 視場判斷模型流程圖

圖5 視線調整

2.4 目標紅外特性計算

目標物體的紅外輻射特征主要取決于物體自身溫度分布和表面輻射特性。仿真系統預先將導引頭關心目標隨觀測角度的紅外輻射值存入數據庫，在仿真過程中根據計算的觀測角度進行查詢，可大大減少計算量。這里考慮的目標主要包括飛機、各種制式導彈、火箭等在內的空中目標，其可供探測的熱輻射主要來自3個部分[2]：一是尾噴管等熱發動機部件;二是尾焰氣體包括水、二氧化碳、一氧化碳和碳粒等;三是蒙皮，包括空氣動力加熱和內部熱源的輻射以及來自天空、地面和海樣等背景輻射的反射輻射。目標的紅外總輻射是上述三部分在觀察方向觀察波段上的線性疊加。

通常，蒙皮和尾噴管可被認為是具有一定發射率的灰體，尾焰的主要輻射區可近似成錐形，此錐形區域在2.7μm和4.3μm處也可視為灰體[2]?；殷w的光譜輻射亮度可表示為：

其中：ε為灰體的發射率，M(λ，T)為黑體的輻射率。滿足：

C1、C2為常數。則灰體的輻射強度為：

式中，A為灰體在觀察方向上的投影面積。也可近似表示為：

其中：σ =5.67 × 10－12W·cm2·K－4，T 為灰體溫度。

2.5 信噪比計算模型

紅外導引頭的探測能力受大氣噪聲和光學系統噪聲的限制。一般采用信噪比來表征紅外導引頭的探測能力，信噪比的計算如下：

其中：J為目標的紅外輻射強度;Tpath為大氣透過率;S為傳感器與目標之間的斜距;NEFD為噪聲等效通量密度。

2.6 等效噪聲照度模塊

紅外導引頭的噪聲包括其光學系統固有的噪聲和大氣噪聲[3]，分別用NEFDs和NEFDb表示，總的噪聲等效通量密度為：

大氣噪聲等效通量密度NEFDb是背景輻亮度L的函數。對于光導型探測器，其對應的噪聲等效通量密度為：

對于光伏型探測器，其對應的噪聲等效通量密度為：

其中：d為光學系統孔徑的直徑;λ為工作波段的中心波長;t為探測單元積分時間;h為普朗克常數;c為光速。

2.7 大氣透過率模塊

紅外輻射探測到的是經過大氣衰減后的目標輻射強度，因此需要考慮大氣衰減對紅外輻射的影響。一般來說，紅外輻射的大氣衰減一般考慮下面幾種因素[4]：①大氣分子的吸收;②大氣分子、氣溶膠、微粒等的散射;③ 氣象條件雨、雪等的衰減。用 τ1(λ)、τ2(λ)和τ3(λ)分別表示吸收、散射和氣象衰減的大氣透過率，則大氣總的透過率為：

這里采用一種簡化的計算模型，設氣象條件為：溫度T、相對濕度r、降雨強度Jr、降雪強度Js、大氣能見度V，紅外輻射在斜距S、仰角θ和觀察點海拔高度H條件下大氣吸收、散射和氣象衰減的透過率分別為：

式中：R為等效的海平面水平面路程，β為常數：水蒸氣時，β =0.0654;二氧化碳 時，β = 0.19。μH2O和 μCO2分別為大氣溫度5℃，相對濕度100%時水蒸氣和二氧化碳的光譜吸收系數，fT為溫度為T為時飽和空氣中的水蒸氣質量;q為與視距有關的經驗常數。

圖6 背景輻射度隨波長變化示意圖

2.8 背景輻射亮度

大氣背景輻射包括大氣自身氣體分子和氣溶膠的紅外輻射、太陽輻射、天地背景輻射以及由于大氣分子和氣溶膠的散射作用而進入到探測器的紅外輻射。在特定的經緯度下，天空背景輻射亮度隨高度、日期、時間、觀測方位角、水平角等因素變化，其中高度的影響最大[5]。在紅外波段，可用45°或135°時的背景輻射代替平均背景輻射[5]。鑒于紅外導引頭的波段一般是3～5μm和8～12μm，根據文獻[5]擬合這兩個波段的數據如圖6所示，然后選取了天空背景輻射亮度最大和最小值兩組數據進行考察，得到其隨高度的變化見圖7。在實際的工程使用中，用曲線擬合的方式即可計算相應的背景輻射度。

圖7 背景輻射度隨高度變化示意圖

2.9 探測信息生成

紅外導引頭探測系統在執行完傳感器飽和判斷、目標視場檢測、地形遮擋判斷和SNR門限檢測后，若確定傳感器能檢測到目標，則生成探測信息，并上報紅外導彈C3I，探測信息的主體包括目標在彈體坐標系下的方位角和俯仰角。將地心直角坐標系下導引頭與目標之間位置矢量D轉換成彈體坐標系下位置矢量Db(xb，yb，zb)，則方位角Et和俯仰角為：

3 模型開發與仿真應用

紅外導引頭仿真系統在基于組件的一體化建模仿真環境(CISE)下實現。CISE是一個集成一體化的建模、運行、分析評估環境，基于組件技術建立系統模型，其組件的實體行為模型則由其它專用實體建模軟件如VC開發，統一集成到CISE模型組件框架中[6]。多個組件復合成平臺，平臺是包含C3I規則、運動處理、傳感器、通信設備、干擾設備和武器系統等的綜合，體系對抗可看成是作戰雙方多個平臺形成的體系之間的對抗。將紅外導引頭視為一個組件，集成到導彈武器子系統中，子系統界面和接口定義如圖8所示。紅外導引頭接收導彈武器發送的傳感器目標指示信息和己方武器運動信息，經過探測，將導引頭探測信息和導引頭關鍵時間信息上報給導彈武器系統，而目標平臺運動信息由整個導彈武器子系統接收，提供給導彈中導引頭組件、通信組件和干擾組件。

圖8 CISE開發的紅外導引頭仿真系統

4 結論

文中基于體系對抗仿真系統中紅外導引頭探測系統的建模需求，通過分析其功能要求來確定其模塊組成，并對關鍵模塊的數學模型進行了詳細的描述。利用CISE平臺建立了紅外導引頭組件，將其添加至紅外導彈武器子系統，最后作為飛機平臺的攜帶子系統整合至平臺，作為體系對抗中武器系統對抗的重要組成部分。文中的模型已在某項目中得到了應用。下一步的主要工作在于如何利用整個仿真系統進行作戰預案分析優化和戰術應用效果評估。

[1]方輝煜.防空導彈武器系統仿真[M].北京：中國宇航出版社，2005.

[2]王霞，陳華礎.視線方向上飛機紅外特性計算方法[J].大氣與環境光學學報，2008，3(3)：217－222.

[3]張曉宏，龔文平.紅外導引頭測量目標信號的數學仿真[J].計算機仿真，2000，17(2)：24－28.

[4]周國輝，劉湘偉，徐記偉.一種計算紅外輻射大氣透過率的數學模型[J].紅外技術，2008，30(6)：331－334.

[5]張曉宏，楊維全，張津.紅外導引頭大氣層內探測能力的仿真分析[J].紅外與激光工程，1999，28(6)：68－71.

[6]卿杜政，李伯虎，孫磊，等.基于組件的一體化建模仿真環境(CISE)研究[J].系統仿真學報，2008，20(4)：900－904.