动态目标辐射特性模拟系统

1.动态目标辐射特性模拟系统，其特征在于包括辐射光源(5)、辐射强度调节与控制模块(8)、成像系统模块(4)、运动及控制模块(3)和主控模块(1)，其中：辐射光源(5)采用激光辐射源；辐射光源(5)和辐射强度调节与控制模块(8)用于模拟动态目标特征；成像系统模块(4)用于获取动态目标所跟踪的目标的信息，控制和调整运动及控制模块(3)；
运动及控制模块(3)的工作平台上放置辐射光源(5)、辐射强度调节与控制模块(8)和成像系统模块(4)，运动及控制模块(3)根据成像系统模块(4)的信息，通过主控模块(1)处理，对其工作平台的运动姿态进行控制，跟踪锁定所跟踪的目标；主控模块(1)分别连接辐射光源(5)、辐射强度调节与控制模块(8)、成像系统模块(4)、运动及控制模块(3)，并根据信息对它们进行控制。
2.根据权利要求1所述的动态目标辐射特性模拟系统，其特征在于：辐射光源(5)采用中波红外激光器，波长选用3μm～5μm。
3.根据权利要求1所述的动态目标辐射特性模拟系统，其特征在于：辐射光源(5)采用长波红外激光器，波长选用10μm～11μm。
4.根据权利要求1所述的动态目标辐射特性模拟系统，其特征在于：辐射光源(5)采用紫外激光器，波长选用200nm～380nm。
5.根据权利要求1～4任意一项权利要求所述的动态目标辐射特性模拟系统，其特征在于：成像系统模块(4)获取所跟踪的目标的图像，并对图像进行处理，获取所跟踪的目标的运动参数，再通过主控模块(1)处理，获得工作平台的运动参数，对工作平台的运动姿态进行控制，跟踪锁定所跟踪的目标。
6.根据权利要求5所述的动态目标辐射特性模拟系统，其特征在于：成像系统模块(4)采用可见光CCD或者中波红外或者长波红外的成像系统。
7.根据权利要求1～4任意一项权利要求所述的动态目标辐射特性模拟系统，其特征在于：辐射强度调节与控制模块(8)通过辅助设备获取所要模拟的目标距离参数，再通过主控模块(1)处理调整辐射强度，用于模拟动态目标特征。
8.根据权利要求7所述的动态目标辐射特性模拟系统，其特征在于：辐射强度的调整采用调整激光的输出功率和调整激光光束的扩散角中的一种或2种的结合。
9.根据权利要求8所述的动态目标辐射特性模拟系统，其特征在于：输出功率通过调整重频或占空比，实现激光输出的平均功率的快速调整；通过对激光器的驱动电源的输出电流或电压或占空比进行调制的方法，达到光强调制。
10.根据权利要求8所述的动态目标辐射特性模拟系统，其特征在于：调整激光光束的扩散角通过采用激光扩散角调整系统完成，激光扩散角调整系统的运动控制通过控制电机(7)进行，控制电机(7)与主控模块(1)相连接。

动态目标辐射特性模拟系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种动态目标辐射特性模拟系统，尤其涉及一种导弹威胁模拟系统模拟导弹逼近过程中的辐射特性及实时的变化情况的模拟系统。\n背景技术\n[0002] 目前，面对战场上日趋严重的地空、空空导弹威胁，各种导弹逼近告警技术发展极为迅速，运用了各种先进技术的导弹威胁告警装备已大量装备于各种军用飞机，国内目前导弹逼近告警技术也正处于快速发展阶段，但是相应的作战训练方式大多停留在静态形式，严重缺乏满足实际作战训练要求的训练设备，达不到应有的实战训练效果。\n[0003] 导弹威胁模拟系统模拟导弹逼近过程中的辐射特性及实时的变化情况，在地面或空中飞行过程中(机载)模拟敌方来袭导弹威胁，为实战训练提供高度仿真的场景，评价导弹威胁告警系统的能力以及相应作战人员的反应，起到模拟真实战场环境的训练效果。\n[0004] 地空、空空导弹在飞行过程中弹体、尾喷管以及羽焰的辐射波段主要为位于日盲区的230～300nm的紫外波段和高温尾喷管和羽焰辐射的3～5μm的中波红外波段以及\n8～14μm的长波红外波段，因此针对此类导弹的机载导弹告警系统采用的大多为红外、紫外探测器，针对这些常用波段进行探测的导弹威胁告警技术在近几年越来越受到重视，发展速度很快。但是针对相应的机载导弹逼近威胁告警系统的作战训练及相应对抗手段有效性的测试方法大多停留在传统的地面模式，采用静态的辐射源模拟来袭导弹，不能满足针对实际作战时，相对高速条件下，导弹的辐射强度和方位快速变化的特性，达不到应有的实战训练效果。\n[0005] 采用导弹威胁模拟系统，可以在飞行过程中对飞行员在导弹出现、逼近后所采取的应对过程进行记录，从而达到仿真训练的目的，为进一步的有效性评估提供重要、真实的参考数据，同时可以对相关机载告警系统的作用距离、监视视场、反应时间、虚警率等参数进行实战检验，提高系统训练效果。\n[0006] 在国外，作为一种有效的训练和评估手段，导弹威胁模拟系统或类似的场景模拟系统在国外军事强国中得到了广泛的应用。如美国空军电子战评估模拟实验室采用三种类型的导弹威胁模拟器，充分模拟导弹的热羽焰特性。\n[0007] 1.静态强度点源生成系统，用于实验室研究；\n[0008] 2.一种是动态强度点源生成系统，主要用于测试导弹告警系统如AN/AAR-47，AN/AAR-60等；\n[0009] 3.场景生成器，Amherst系统公司已经为位于爱德华空军季度的空军飞行试验中心提供了用于MWS试验的红外场景生成系统。\n[0010] 美国Amherst系统公司研制了针对日盲区(200～400nm)的紫外(UV)场景生成模拟器用于导弹模拟/告警系统的闭环训练系统，用于对美国综合防御航空电子实验室(IDAL)的紫外导弹告警系统进行测试和性能评估，获取静态和飞行中的测试数据。\n[0011] 美国乔治亚技术研究所开发了用于紫外告警系统(AN/AAR-47)测试的UV模拟器，其系统采用带有紫外透射罩的特殊的石英-卤素灯用作模拟辐射源，并以光纤将紫外光耦合到发射系统，系统采用230～300nm带通滤光片对输出波长进行选择。同时也开发了用于红外告警系统(AN/AAR-44)测试的IR模拟器，采用3.6mm×3.6mm、色温1100K的黑体作为辐射源，利用快门、中性密度片、带通滤光片等控制输出辐射。\n[0012] 美 国 DSWA(Defense Special Weapons Agency) 和 MRC(Mission ResearchCorporation)研制了多波段红外羽焰模拟器，提供8～12μm和3～5μm两个波段的辐射。其中利用512×512的悬浮辐射膜阵列产生最高温度为350K的长波红外辐射，模拟炸弹爆炸场景测试飞行器上的前视红外(FLIR)系统；利用两个半导体激光器分别产生4.6μm和3.8μm的激光模拟大于1000K温度的导弹羽焰来测试双色红外告警装置。\n[0013] 以色列CI系统公司设计研制了中波红外目标模拟器系统(IRTS/JBR)用于中波红外导弹告警和对抗系统的测试。系统由红外目标模拟器、CCD成像系统和红外辐射计以及跟踪运动平台组成。红外目标模拟器由一个特殊材料的灯丝作为电源目标放置于一个反射器的焦平面上，通过控制一个百页窗式的快门控制目标辐射强度。灯丝温度最大为1800℃时最大辐射强度为350W/Sr，用于模拟导弹在中波红外的辐射特性；CCD成像系统用于瞄准测试目标并记录测试过程用于事后分析；红外辐射计用于测量对抗时的被威胁对象的辐射强度。\n[0014] 国内有东北电子技术研究所研制了用于导弹告警系统测试的红外标靶，采用红外辐射球和抛物面镜以及窗口滤光片组成点源辐射目标，最高能够模拟700K的黑体辐射。但是，相对前面所述的国外配置完整的导弹威胁模拟系统相比，我国在这方面的工作还很落后，具有实际应用价值的系统严重匮乏。\n发明内容\n[0015] 为了改变目前国内具有实际应用价值的导弹威胁模拟系统相对比较匮乏的现状，本发明的目的是提供一种动态目标辐射特性模拟系统，其具有定向性好、工作距离远、强调制的速度快和系统轻便的特点。\n[0016] 为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：\n[0017] 动态目标辐射特性模拟系统，包括辐射光源、辐射强度调节与控制模块、成像系统模块、运动及控制模块和主控模块，其中：辐射光源采用激光辐射源；辐射光源和辐射强度调节与控制模块用于模拟动态目标特征；成像系统模块用于获取动态目标所跟踪的目标的信息，控制和调整运动及控制模块，运动及控制模块根据成像系统模块的信息，通过主控模块处理，对其工作平台的运动姿态进行控制，跟踪锁定所跟踪的目标；主控模块分别连接辐射光源、辐射强度调节与控制模块、成像系统模块、运动及控制模块，并根据信息对它们进行控制。作为优选的方案，上述的辐射光源采用中波红外激光器，波长选用3μm～5μm。\n当然，上述的辐射光源采用长波红外激光器，波长选用10μm～11μm。或者，上述的辐射光源采用紫外激光器，波长选用200nm～380nm。\n[0018] 作为优选的方案，上述的成像系统模块获取所跟踪的目标的图像，并对图像进行处理，获取所跟踪的目标的运动参数，再通过主控模块处理，获得工作平台的运动参数，对工作平台的运动姿态进行控制。\n[0019] 作为优选的方案，上述的成像系统模块采用可见光CCD或者中波红外或者长波红外的成像系统。最优选，成像系统模块采用可见光CCD成像系统。\n[0020] 作为优选的方案，上述的辐射强度调节与控制模块通过辅助设备获取所要模拟的目标距离参数，再通过主控模块处理调整辐射强度，用于模拟动态目标特征。作为再优选的方案，上述的辐射强度的调整采用调整激光的输出功率和调整激光光束扩散角中的一种或\n2种的结合。\n[0021] 作为优选的方案，上述的输出功率通过调整重频或占空比，实现激光输出的平均功率的快速调整；通过对激光器的驱动电源的输出电流或电压或占空比进行调制的方法，达到光强调制。\n[0022] 作为另优选的方案，上述的调整激光光束的扩散角通过采用激光扩散角调整系统完成，其运动控制通过控制电机进行，控制电机与主控模块相连接。\n[0023] 上述的动态目标辐射特性模拟系统主要涉及三方面的工作：辐射源、辐射特征的动态模拟和目标的跟踪。主要的选择依据如下：\n[0024] 1、辐射源的选择\n[0025] 目前常用的机载导弹逼近告警系统常用的波段为8～14μm的长波红外、3～\n5μm的中红外波段和230～300nm的日盲区紫外波段，为了提高模拟源的定向辐射性能，以降低对辐射源的功率要求，采用激光作为辐射源：采用波长为10.3～10.7μm的金属稳频二氧化碳激光器或者波长6～8μm的一氧化碳激光器作为8～14μm的长波红外辐射源、采用波长为3.8～4.3μm的中波红外可调谐固体激光器作为3～5μm波段的辐射源；采用266nm的深紫外固体激光器作为230～300nm告警波段的辐射源，这几种激光器均采用风冷的工作方式，结构紧凑。\n[0026] 1.1、中红外固体激光器技术\n[0027] 激光器的技术路线原理如图7所示。整个激光器系统实际上是一个室温工作的光参量振荡器系统，具体由泵源(前级)和参量振荡(后级)两部分组成。\n[0028] 激光器中作为泵源的前级为半导体激光器泵浦的线偏振的、调Q工作的高重频、准连续激光器，其工作波长为1.94微米，重复频率为1kHz到50kHz，输出功率最大值接近\n18W，所采用的激光晶体为Tm:YAP晶体。激光器运行时，激光晶体及Q开关的工作温度设定为15±5℃。半导体激光器工作波长为792nm，其尾纤输出的最大激光功率为60W。\n[0029] 中波红外激光器的主体是一个光参量振荡器系统，其泵源即为前级输出的1.94微米工作的线偏振准连续脉冲激光器，所采用的激光非线性晶体为自行研制的周期畴极化反转的氧化镁掺杂铌酸锂晶体(PPMgLN)，畴极化反转周期为27-30微米，长度为40mm。光参量振荡器采用双向单共振线性腔结构，输出激光波长范围为3.7～4.3微米。光参量振荡器工作温度为室温(25±5 oC)，目前所获得的最大激光输出功率为3W(包括信号光和闲散光)。通过调整PPMgLN的设计周期，在实验中可以采用简单的晶体平移方式实现激光输出波长的快速调谐。\n[0030] 2、辐射特征的动态模拟\n[0031] 目前，告警系统的目标源多为导弹尾喷管和羽焰，所采用的探测波段也对应于导弹尾喷管和羽焰辐射强度较大的中波红外(3～5μm)波段、以及位于日盲区(200～\n300nm)的紫外波段。\n[0032] 导弹的中波红外辐射，主要是由发动机加力和巡航阶段的燃料燃烧所产生的，也就是导弹尾焰中水蒸气、CO2分子引起的在2.7～4.3μm的辐射。\n[0033] 从最小到最大的切换时间在9s内即可满足要求，实际上，切换时间还应该考虑在训练过程中导弹相对于告警系统的挂载平台的最大速度。一般告警系统的挂载平台为直升机或者战斗飞机，其飞行速度约为1马赫，因此，切换时间应该比9s要短一倍左右。在系统中利用高速电机控制镜头来控制光源出射强度，最小到最大切换时间可以最快控制在1s内。\n[0034] 3、目标跟踪锁定\n[0035] 目标的跟踪锁定主要是模拟导弹导引头的功能，保证辐射源在实验过程中能够模拟导弹跟踪、逼近飞机的过程，并通过对目标的高精度瞄准，保证激光光束能够准确的覆盖训练对象。系统计划采用视频导引方式，采用CCD作为跟踪传感器，系统的跟踪瞄准精度取决于CCD角度分辨率和转台的转动控制精度。CCD成像传感器设为768×582，根据实际训练中的情况按照变焦系统设计成像系统，最大视场角10°，用于大范围监视成像，小视场角\n3°，用于发现目标后捕捉及跟踪。成像系统最小角度分辨率为0.004°，因此瞄准精度取决于转台转动控制精度，设为0.06°(1mrad)。成像系统采用自动变焦形式工作，工作过程示意图如下图8所示。\n[0036] 本发明由于采用了上述的技术方案，采用了激光辐射源作为辐射光源，具有定向性好、工作距离远、强调制的速度快和系统轻便的特点。具有广泛的实际应用价值，可以适用于多种动态目标辐射特性模拟。\n附图说明\n[0037] 图1为本发明的系统结构框图。\n[0038] 图2为本发明辐射特征的动态模拟的系统结构框图。\n[0039] 图3为本发明目标跟踪锁定的系统结构框图。\n[0040] 图4为本发明系统吊舱式模型结构示意图。\n[0041] 图5为本发明系统地基式模型结构示意图。\n[0042] 图6为本发明的使用示意图。\n[0043] 图7为全固态激光器的技术路线原理图。\n[0044] 图8为CCD成像系统工作过程示意图。\n[0045] 图9、图10为激光扩散角调整系统的结构简图。\n[0046] 图11为辐射照度与激光器扩散角的关系曲线。\n[0047] 图12为辐射照度与透镜L2移动距离的关系曲线。\n[0048] 图13、图14为针对地对空以及空对空威胁的训练使用示意图，其中A为导弹威胁模拟系统，B为装有导弹威胁告警系统的飞行目标。\n具体实施方式\n[0049] 下面结合附图，以模拟导弹飞行作为实例对本发明做一个详细的说明。\n[0050] 如图1所示，系统由下面几个部分组成：红外/紫外辐射源5、辐射强度调节与控制模块8、成像系统模块4、运动及控制模块3和主控模块1。另外，根据测试需求，为了更好的模拟导弹的飞行过程，通过预留接口的方式，可以选装导引头和用于测量被跟踪目标(即训练对象)的辐射特性的辐射计模块2。本发明系统模型结构如图4、图5所示，图6为本发明的安装、使用示意图。\n[0051] 1、红外/紫外模拟辐射源5\n[0052] 红外/紫外目标模拟器：采用中波红外(3.8～4.3μm)可调谐激光器；紫外光源采用紫外激光器，激光器输出功率可调节。\n[0053] 2、辐射强度调节与控制模块8\n[0054] 如图2所示，根据模拟的导弹的特征，通过调用主控模块1数据库的相应数据，对到达训练对象(告警装备)位置的激光的功率密度进行调节，尽可能接近所模拟的导弹的辐射特性。\n[0055] 辐射强度的调整有两个途径，一个是直接调整激光的输出功率；另一个途径是调整激光光束的扩散角。\n[0056] 2.1、直接调整激光的输出功率\n[0057] 通过调整驱动电流的大小和激光的重频频率，可以实现激光输出的平均功率的快速调整，假定激光重频在30KHz和3Khz之间调整，激光器的出光阈值通常可以达到峰值的十分之一，同时使用这两种方法，可以获得100倍以上的调整范围。\n[0058] 2.2调节激光的扩散角\n[0059] 采用激光扩散角调整系统，其运动控制通过特定的齿轮和控制电机7组合进行精密控制，其基本结构如图9、图10所示：\n[0060] 通过一个电机控制镜头的移动，来改变激光器的出射扩散角。激光器输出功率设为P，扩散角为θ，则在L米距离处激光器的激光辐射照度为：\n[0061] E＝P/(S1+π(L×tan(θ/2)2)\n[0062] 其中S1为出射镜头的面积。\n[0063] 镜头移动距离与发散角的关系式为：\n[0064] \n[0065] 其中x为镜头从共焦位置向激光器移动距离，r为镜头半径。\n[0066] 设激光器输出功率为1W，测试距离1km，镜头焦距为50mm，孔径25mm，则镜头移动距离与发散角的关系如图9、图10所示。\n[0067] 如果不考虑大气吸收，到达训练对象(告警系统)处的辐射照度与激光器扩散角的关系曲线如图11所示，辐射照度与透镜L2移动距离的关系如图12所示。\n[0068] 通过扩散角的调整，可以快速、大范围的实现信号强度的调整。\n[0069] 根据上述工作方式，以激光扩散角0.18°～30°的变化范围分别对中红外和紫外波段所需的激光功率进行计算。\n[0070] 3、成像系统模块\n[0071] 如图3所示，可见光CCD成像系统模块3获取所跟踪的目标的图像，并对图像进行处理，获取所跟踪的目标的运动参数，再通过主控模块1处理，获得工作平台的运动参数，对工作平台的运动姿态进行控制。可见光CCD成像系统主要用于控制转台跟踪所测试的告警系统以及让用户直观的进行操作。高清晰CCD成像传感器+长焦摄远镜头；其成像帧主要用于控制运动平台运动使得系统能够锁定激光告警设备、以及让用户直观的进行操作。\n[0072] 本发明CCD采用德国Basler公司生产的scA780-54g/gc型高清晰黑白CCD，其具体指标如下：\n[0073] 1.工作波段：380～1100nm；\n[0074] 2.分辨率：782*582；\n[0075] 3.帧频：55fps；\n[0076] 4.采样位数：12bit；\n[0077] 5.图像输出方式：千兆以太网。\n[0078] 6.系统的探测距离为0.2～10km，为能在该距离范围内能够有效地观察到被测目标，镜头的视场角定为3°～10°可调，相应的角度分辨精度为0.004°(65urad)，能够满足1mrad的瞄准精度的需求，同时保证即使在10km距离的情况下，如果飞机的长度为20m，飞机在CCD上的成像在长度方向不小于25个象素。\n[0079] 在系统进行初始定位时，可以采用大视场对位置尚不确定的训练目标进行粗略定位，之后控制变焦系统，减小视场角到合适角度，实现高精度瞄准和图像记录。\n[0080] CCD设备同时可以作为视频记录系统，用于事后的训练情况分析。\n[0081] 4、运动及控制模块\n[0082] 运动控制平台：根据CCD成像系统模块3的图像信息跟踪锁定目标；采用PID算法对平台的运动姿态进行控制，平台上放置模拟辐射光源5、辐射强度调节与控制模块8和CCD成像系统模块3。\n[0083] 5、主控模块\n[0084] 主控模块1包括输出强度控制模块、导弹模拟数据库模块，目标模拟参数设置模块，CCD成像及控制模块，以及附加的辐射计探测模块。\n[0085] 软件能够对根据实际训练环境设置导弹的模拟参数，并以此参数控制辐射源5的输出，同时结合大气辐射传输模型计算告警系统接收到的辐射照度数据并显示，并能够保存当前的测试数据；能够根据已有的模拟数据库的文件进行目标辐射控制；软件能够实时显示并保存CCD成像系统的图像数据，并根据图像控制转台的转动以便能够对目标进行跟踪，并能够根据CCD的成像质量调节镜头成像清晰度；软件能够对实时显示辐射计所测得的目标或者干扰的辐射。\n[0086] 本发明的导弹威胁模拟系统的工作原理是根据目前地空、空空导弹的辐射特性，采用激光作为辐射源5，通过动态控制辐射源的输出激光强度和扩散角的大小，模拟实际导弹在发射和逼近过程中的辐射强度特征以及辐射强度随着相对速度、飞行角度以及时间的变化过程，以此来模拟真实战场环境中的导弹威胁。导弹威胁模拟系统在作为一种有效的训练装备的同时，可以真实检验导弹逼近告警系统的告警性能，为准确有效评价目前复杂电子环境中的光电告警及对抗装备的实战效果提供准确数据。设计的导弹威胁模拟系统具有以下特点：\n[0087] 1.导弹威胁模拟系统导弹威胁信号模拟器采用全固态中波红外(3.8～4.3μm)和266nm波长的紫外激光器作为辐射模拟源，全固态激光器具有体积小、功耗低等特点，即能够满足既在地面使用，也能满足机载训练使用。\n[0088] 针对地对空以及空对空威胁的训练使用示意图，如图13和图14所示。\n[0089] 2.导弹威胁模拟系统以实际导弹辐射数据建立数据库，数据库可以进行扩展，根据当时的工作高度、气象条件和大气特性，对传输过程中不同波段的辐射衰减进行修正，可以准确的模拟不同类型、型号导弹在不同距离发射的来袭过程中辐射强度的变化。\n[0090] 3.为了更好的模拟实战，起到实战训练的效果，导弹威胁模拟系统平台设置了导弹导引头接口，在已知数据接口的条件下(或由导引头厂家自行设置)，可以在系统平台上加装设定信号导弹的导引头模块，系统根据导引头得到的目标信息实时跟踪目标，进一步提高模拟过程的真实性；\n[0091] 4.导弹威胁模拟系统可选装辐射计，实时测试目标的辐射能量，除了能够评估导弹告警系统性能外，还能够评价所采取的光电对抗手段的有效性。