CN112764021A - 一种红外/毫米波/激光多模复合仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于系统仿真领域，涉及一种红外/毫米波/激光多模复合仿真系统。包括：射频仿真系统、五轴转台、波束合成器、仿真计算机、试验总控系统；所述仿真计算机通讯连接五轴转台和射频仿真系统，试验总控系统分别与五轴转台和射频仿真系统通讯连接，射频仿真系统连接天线阵列，通过天线阵列将生成的射频目标信号投射向波束合成器；所述波束合成器为薄膜射频/光学波波束合成器。解决了以往红外/毫米波/激光多模复合仿真系统中的波束合成器太大，导致的信号品质降低、信号无法修正，激光/红外目标模拟器光路过长无法满足光学视场仿真范围等问题。整体架构更加简单、易于工程实现，整体信号品质更好，合成角位置精度更高。
Description
技术领域
本发明属于系统仿真领域，涉及一种红外/毫米波/激光多模复合仿真系统。
背景技术
现有的多模复合导弹采用红外/毫米波/激光多模复合制导体制，其制导控制系统由红外/毫米波/激光复合导引头、惯导、弹载计算机、舵机等部件组成，其中，复合导引头采用共孔径方式，要求不同模式的探测信号均由一个路径进出导引头的入瞳。复合制导导弹制导控制系统一般的工作过程为：导弹发射后复合导引头在设定位置开始工作，利用复合导引头中不同模式的传感器分别探测目标信息，经过信息综合处理模块得出目标与背景的混合信息，然后进行目标识别、捕获和跟踪，借助弹载计算机实时计算的导引律，引导导弹飞行，最终实现高精度命中目标。为了在实验室环境下考核此类武器系统的工作性能，需要在实验室内同时为被测导引头提供红外、毫米波、激光三种目标信号。
现有的复合仿真系统，所采用的波束合成器在结构设计上由红外/激光反射平面和支撑平板组成，红外/激光反射平面由多个子片拼接而成，支撑平板由多个子板拼接而成。波束合成器在使用时固定放置在三轴转台前面，为了满足导引头所需的视场角要求，其尺寸需要很大(面积普遍在4m*4m以上)，大幅增加了研制成本和加工难度；另一方面，为了保证如此大的波束合成器具有足够的强度且长时间保持不变形，其支撑平板需要做得很厚，合成器的整体厚度一般在5cm以上，加工时很难保证介质厚度的一致性，导致穿过波束合成器的射频信号的强度和相位变化剧烈，严重着影响着不同角度所发射的射频信号的合成角位置精度，且无法修正。
同时，弹目相对运动过程模拟采用三轴转台+目标运动模拟器的方案，用三轴转台来负载复合导引头模拟导弹飞行过程中的姿态变化，用目标运动模拟器负载激光/红外目标模拟器模拟弹目视线角的变化趋势。由于三轴转台和目标运动模拟器为两台大型机电设备，在设计上分别进行结构设计，在安装上不共基础，因此其空间位置距离较远，使得激光/红外目标模拟器的光路过长，出瞳镜头过大、过重，难以满足导引头所需的光学视场范围。
因此现有技术还无法提供红外/毫米波/激光多模仿真系统的设计方案，同时也难以满足导引头所需的光学视场范围。
发明内容
本发发明实施例提供了一种红外/毫米波/激光多模复合仿真系统。
为了实现上述目的，本发明实施例的具体技术方案是：一种红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，其中所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统包括：
射频仿真系统，所述射频仿真系统用于实时生成射频目标信号；
激光/红外目标模拟器，所述激光/红外目标模拟器用于实时生成激光和红外目标信号；
五轴转台，所述五轴转台包括内三轴转台和外两轴转台，所述内三轴转台负载导引头，用于模拟导弹飞行过程中的姿态变化；所述外两轴转台上安装激光/红外目标模拟器和波束合成器，用于模拟弹目视线角的变化，内三轴转台与外两轴转台共同运动模拟弹目的相对运动过程；
波束合成器，所述波束合成器用于将射频仿真系统发出的射频目标信号和激光/红外目标模拟器发出的激光/红外目标信号共孔径合成，并投射到被测复合导引头的入瞳，实现复合导引头在回路的仿真；
仿真计算机，所述仿真计算机用于运行导弹动力学、运动学模型、控制部件模型、目标运动学模型，输出导弹六自由度飞行弹道，控制各种模拟器生成导弹运动和弹目相对运动及目标模拟器工作，给参试部件提供接近真实的运动、目标背景和力学环境；
试验总控系统，所述试验总控系统用于实现多模复合制导仿真系统各组成单元的统一控制、自检、状态检测和数据采集记录；
所述仿真计算机通讯连接五轴转台、射频仿真系统和激光/红外目标模拟器，试验总控系统分别与五轴转台和射频仿真系统通讯连接，射频仿真系统连接天线阵列，通过天线阵列将生成的射频目标信号投射向波束合成器；
所述波束合成器为薄膜射频/光学波波束合成器。
进一步的，薄膜射频/光学波束合成器中的薄膜为光学反射和射频透波薄膜。
进一步的，所述内三轴转台与外两轴转台一体化设计，二者结构上共用轴系，空间上共用基础。
进一步的，所述激光/红外目标模拟器产生激光/红外光学目标信号，所述激光/红外光学目标信号通过波束合成器反射向导引头；射频仿真系统产生射频信号，透射波束合成器的射频信号与反射的激光/红外光学目标信号形成复合信号，由同一路径进入导引头。
本发明实施例相比现有技有术的益效果是：解决了以往红外/毫米波/激光多模复合仿真系统中的波束合成器太大，导致的信号品质降低、信号无法修正，激光/红外目标模拟器光路过长无法满足光学视场仿真范围等问题。通过五轴转台的设计，使其在结构上更加紧凑、信号入瞳更加直接，有效缩短了激光/红外目标模拟器的光路，更好地使出瞳镜头的尺寸重量满足导引头所需的光学视场范围；可同时实现射频和光学的仿真应用。所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，整体架构更加简单、体积更小，通用性强、易于工程实现，整体信号品质更好，合成角位置精度更高。
附图说明
图1是本发明实施例所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统的结构框图。
图2是本发明实施例所述五轴转台部分的结构示意图。
附图标记说明：1、外两轴转台；2、内三轴转台；3、波束合成器；4、导引头；5、激光/红外目标模拟器；6、射频仿真系统。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一参数集合和第二参数集合等是用于区别不同的参数集合，而不是用于描述参数集合的特定顺序。
在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个元件是指两个元件或两个以上元件。
本文中术语“和/或”，是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，显示面板和/或背光，可以表示：单独存在显示面板，同时存在显示面板和背光，单独存在背光这三种情况。本文中符号“/”表示关联对象是或者的关系，例如输入/输出表示输入或者输出。
在本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本发明实施例提供了，一种红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，其中所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统包括：
射频仿真系统，所述射频仿真系统用于实时生成射频目标信号；
激光/红外目标模拟器，所述激光/红外目标模拟器用于实时生成激光和红外目标信号；
五轴转台，所述五轴转台包括内三轴转台和外两轴转台，所述内三轴转台负载导引头，用于模拟导弹飞行过程中的姿态变化；所述外两轴转台上安装激光/红外目标模拟器和波束合成器，用于模拟弹目视线角的变化，内三轴转台与外两轴转台共同运动模拟弹目的相对运动过程；
波束合成器，所述波束合成器用于将射频仿真系统发出的射频目标信号和激光/红外目标模拟器发出的激光/红外目标信号共孔径合成，并投射到被测复合导引头的入瞳，实现复合导引头在回路的仿真；
仿真计算机，所述仿真计算机用于运行导弹动力学、运动学模型、控制部件模型、目标运动学模型，输出导弹六自由度飞行弹道，控制各种模拟器生成导弹运动和弹目相对运动及目标模拟器工作，给参试部件提供接近真实的运动、目标背景和力学环境；
试验总控系统，所述试验总控系统用于实现多模复合制导仿真系统各组成单元的统一控制、自检、状态检测和数据采集记录；
所述仿真计算机通讯连接五轴转台、射频仿真系统和激光/红外目标模拟器；试验总控系统分别与五轴转台和射频仿真系统通讯连接；射频仿真系统连接天线阵列，通过天线阵列将生成的射频目标信号投射向波束合成器；
所述波束合成器为薄膜射频/光学波波束合成器。
解决了现有技术中的，红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，其波束合成器太大导致的信号品质降低、信号无法修正，激光/红外目标模拟器光路过长无法满足光学视场仿真范围的技术问题。所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统整体架构更加简单、体积更小，通用性强、易于工程实现，整体信号品质更好，合成角位置精度更高。通过五轴转台的设计，使其在结构上更加紧凑、信号入瞳更加直接，有效缩短了激光/红外目标模拟器的光路，更好地降低了出瞳镜头的尺寸重量，满足导引头所需的光学视场范围；可同时实现射频和光学的仿真应用。
所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，采用薄膜式射频/光学波束合成器设计方案，减小波束合成器的体积和大小，无需拼接，可安装到转台上跟随导引头运动满足导引头所需的视场范围，其设计尺寸一般为0.3m*0.3m，仅为传统波束合成器的0.5％(0.3m*0.3m/4m*4m)，从而大幅降低了研制成本和加工难度。
所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，由于波束合成器体积减小，对结构强度大幅降低，使得波束合成器可采用轻质超薄材料，大幅提升了射频信号的透射率，从而保证了信号品质，满足合成角位置精度要求。
所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，内三轴转台和外两轴转台以及激光/红外目标模拟器、波束合成器等采用一体化共轴系设计，空间上共用一个基础，大幅缩短了激光/红外目标模拟器的光路，使得出瞳镜头的尺寸重量满足导引头所需的光学视场范围要求。
所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，整体方案为，波束合成器，由一张附于轻质透波基材的光学反射、射频透波薄膜构成，使用框架式夹具绷紧并将其周边夹紧，形成刚度较大的物件。然后固定在外两轴转台中心，同时保证将射频仿真系统发出的射频目标信号和激光/红外目标模拟器发出的激光/红外目标信号共孔径合成，并投射到被测复合导引头的入瞳，实现复合导引头在回路的仿真；采用这种形式的波束合成器，其重量和体积大小都大大减小，从而无需拼接，可安装到五轴转台(五轴转台的外两轴)上跟随导引头运动，满足导引头所需的复合大视场角范围内的光学(红外/激光)仿真要求。
五轴转台内三轴转台和外两轴转台采用一体化设计，结构上共用轴系，构成五轴转台，五轴转台的内三轴转台负载导引头，模拟导弹飞行过程中的姿态变化；五轴转台的外两轴转台负载激光/红外目标模拟器，模拟弹目视线角的变化趋势；内三轴转台与外两轴转台共同运动模拟弹目的相对运动过程。由于五轴转台在结构设计上具有结构紧凑、信号入瞳直接等突出优点，从而大幅缩短了激光/红外目标模拟器的光路，使得出瞳镜头的尺寸重量满足导引头所需的光学视场范围。
外两轴转台上安装激光/红外目标模拟器和波束合成器。此时射频目标信号可以穿透过波束合成器辐射到导引头上，而激光/红外光学目标信号通过波束合成器反射到导引头上，透射的射频信号与反射的光学信号所形成的复合信号，由同一路径进入被测导引头。光学目标和射频目标是相关匹配的，共同形成一个物理意义上的复合目标。该设计方案除了可以实现复合目标跟踪外，还可以实现复合目标搜索。
所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，如图1所示。从图中可以看出，这种设计方案的最大优点是不需要对现有成熟的射频仿真系统设计进行大的改动。在三轴转台(五轴转台内三轴)外配置两轴转台(五轴转台外两轴)，同时研制可在五轴转台外两轴上安装的激光/红外目标模拟器和薄膜式射频/光学波束合成器，上述两者结合就可以实现射频/光学的复合仿真。薄膜式波束合成器结合内三轴转台和外两轴转台的另一个优点，就是可以同时实现射频和光学的仿真应用，并且相比以往的复合仿真系统，整体结构得到了大幅简化。
实施例1，如图1，图2所示，一种红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，其中所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统包括：
射频仿真系统6，所述射频仿真系统用于实时生成射频目标信号；
激光/红外目标模拟器4，所述激光/红外目标模拟器用于实时生成激光和红外目标信号；
五轴转台，所述五轴转台包括内三轴转台2和外两轴转台1，所述内三轴转台2负载导引头5，用于模拟导弹飞行过程中的姿态变化；所述外两轴转台1上安装激光/红外目标模拟器4和波束合成器3，波束合成器3用于模拟弹目视线角的变化，内三轴转台2与外两轴转台3共同运动模拟弹目的相对运动过程；
波束合成器3通过支架固定连接在外两轴转台1上，并下伸出，使得射频仿真系统6发出的射频目标信号和激光/红外目标模拟器4发出的激光/红外目标信号共孔径合成，并投射到被测复合导引头的入瞳，实现复合导引头在回路的仿真。
仿真计算机，所述仿真计算机用于运行导弹动力学、运动学模型、控制部件模型、目标运动学模型，输出导弹六自由度飞行弹道，控制各种模拟器生成导弹运动和弹目相对运动及目标模拟器工作，给参试部件提供接近真实的运动、目标背景和力学环境；
试验总控系统，所述试验总控系统用于实现多模复合制导仿真系统各组成单元的统一控制、自检、状态检测和数据采集记录；
所述仿真计算机通过实时通讯网络连接五轴转台、射频仿真系统和激光/红外目标模拟器；试验总控系统分别与五轴转台和射频仿真系统通过实时通讯网络连接；射频仿真系统连接天线阵列，通过天线阵列将生成的射频目标信号投射向波束合成器。
对实施例1中的所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统进行实验，在导弹半实物仿真试验中，参与半实物仿真的制导控制部件包括红外/毫米波/激光复合导引头、惯性导航装置、弹载计算机、舵机，所使用的仿真设备为本申请所述的红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，其包括射频仿真系统6、激光/红外目标模拟器4、波束合成器3、五轴转台、仿真计算机、试验总控系统等，试验具体实施步骤如下：
(1)将被测红外/毫米波/激光复合导引头4、惯性导航装置安装在五轴转台的内三轴转台2上，将激光/红外目标模拟器和波束合成器安装在五轴转台的外两轴转台1上，其中，五轴转台的内三轴转台2用于模拟导弹姿态变化，外两轴转台1用于模拟弹目视线角变化。五轴转台部分及其上部连接的激光/红外目标模拟器和波束合成器等都设置在微波暗室内。
(2)按照图1所示的连接关系对各参试部件和仿真设备进行连接。
(3)此时仿真系统已搭建完成，将五轴转台调整至发射位置。
(4)仿真试验开始前，试验总控系统给各仿真设备配置仿真参数，设定仿真状态；参试部件装定发射诸元及初始参数；此时所有准备工作就绪，等待击发命令。
(5)射手发出击发命令后，试验总控系统发出零秒同步信号，启动所有仿真设备运行，各参试部件按时序开始工作。仿真计算机运行导弹动力学、运动学、目标运动学模型，实时输出导弹运动信号、姿态角信号、角速率信号、弹目视线角信号等信息通过实时通讯网络分别控制各仿真设备运行。五轴转台的内三轴转台2模拟导弹的姿态运动，惯性导航装置测量导弹姿态运动进行导航解算并将解算结果输出给弹载计算机；五轴转台的外二轴转台1负载激光/红外目标模拟器4和波束合成器3，模拟弹目视线角的变化趋势；五轴转台中的内三轴转台2与外二轴转台1共同实现了弹目相对运动过程的模拟。激光/红外目标模拟器4实时生成激光和红外目标信号并向波束合成器投射，射频仿真系统6实时生成射频目标信号并向波束合成器投射；波束合成器3反射激光信号和红外信号同时透射射频信号，将三种波段的信号共孔径合成后投射到被测导引头的入瞳处，实现红外/毫米波/激光三模目标模拟。弹载计算机综合惯性导航装置和导引头的输入信号运行制导控制模型，形成控制指令送给舵机，舵机根据控制指令执行并产生舵偏角信号。仿真计算机根据舵偏角信号计算控制力和力矩，控制导弹按预定弹道飞行。
工作原理：五轴转台内三轴转台2负载复合导引头4，外两轴转台1负载激光/红外目标模拟器4，二者共同模拟弹目的相对运动；激光/红外目标模拟器4实时产生激光和红外信号，并通过五轴转台外两轴转台1投射到波束合成器3上；波束合成器3安装在五轴转台外两轴转台2上，与激光/红外目标模拟器4一起随动，在仿真过程中，波束合成器3反射激光信号和红外信号同时透射射频信号，将三种波段的信号共孔径合成后投射到被测导引头4的入瞳处，实现红外/毫米波/激光三模目标模拟。仿真计算机根据各参试部件的输出进行实时弹道解算，控制导弹飞行，形成仿真闭环。整个仿真试验流程由试验总控系统进行控制。
本发明解决了以往红外/毫米波/激光多模复合仿真系统中的波束合成器太大，导致的信号品质降低、信号无法修正，激光/红外目标模拟器光路过长无法满足光学视场仿真范围等问题。通过五轴转台的设计，使其在结构上更加紧凑、信号入瞳更加直接，有效缩短了激光/红外目标模拟器的光路，更好的使出瞳镜头的尺寸重量满足导引头所需的光学视场范围；可同时实现射频和光学的仿真应用。所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，整体架构更加简单、体积更小，通用性强、易于工程实现，整体信号品质更好，合成角位置精度更高。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，其中所述红外/毫米波/激光多模复合仿真系统包括：
射频仿真系统，所述射频仿真系统用于实时生成射频目标信号；
激光/红外目标模拟器，所述激光/红外目标模拟器用于实时生成激光和红外目标信号；
五轴转台，所述五轴转台包括内三轴转台和外两轴转台，所述内三轴转台负载导引头，用于模拟导弹飞行过程中的姿态变化；所述外两轴转台上安装激光/红外目标模拟器和波束合成器，用于模拟弹目视线角的变化，内三轴转台与外两轴转台共同运动模拟弹目的相对运动过程；
波束合成器，所述波束合成器用于将射频仿真系统发出的射频目标信号和激光/红外目标模拟器发出的激光/红外目标信号共孔径合成，并投射到被测复合导引头的入瞳，实现复合导引头在回路的仿真；
仿真计算机，所述仿真计算机用于运行导弹动力学、运动学模型、控制部件模型、目标运动学模型，输出导弹六自由度飞行弹道，控制各种模拟器生成导弹运动和弹目相对运动及目标模拟器工作，给参试部件提供接近真实的运动、目标背景和力学环境；
试验总控系统，所述试验总控系统用于实现多模复合制导仿真系统各组成单元的统一控制、自检、状态检测和数据采集记录；
所述仿真计算机通讯连接五轴转台、射频仿真系统和激光/红外目标模拟器，试验总控系统分别与五轴转台和射频仿真系统通讯连接，射频仿真系统连接天线阵列，通过天线阵列将生成的射频目标信号投射向波束合成器；
所述波束合成器为薄膜射频/光学波束合成器。
2.根据权利要求1所述的红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，其特征在于：薄膜射频/光学波束合成器中的薄膜为光学反射和射频透波薄膜。
3.根据权利要求1所述的红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，其特征在于：所述内三轴转台与外两轴转台一体化设计，二者结构上共用轴系，空间上共用基础。
4.根据权利要求1所述的红外/毫米波/激光多模复合仿真系统，其特征在于：所述激光/红外目标模拟器产生激光/红外光学目标信号，所述激光/红外光学目标信号通过波束合成器反射向导引头；射频仿真系统产生射频信号，透射波束合成器的射频信号与反射的激光/红外光学目标信号形成复合信号，由同一路径进入导引头。
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