（控制理论与控制工程专业论文）复合红外目标模拟器原理及实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 f 为了提高在实验室里进行红处战本：是强总体性能测试的水平，研制了一种能够模 拟红外目标源、双干扰源及目标源背景辐射的复合目标模拟器。这种复合目标模拟器 是在单目标源和单干扰源辐射的目标模拟器原理上进行改进和提高的，对我国新一代 的红外空空战术导弹的研制有很大的辅助作用。广、一 本论文探讨了堑箜目拯特性及在实验室中仿真红外目标和红外干扰的方法，论述 了复合红外目标模拟器的原理，并提出了复盒丝箜旦拯搓拟昼的具体实现。复合红外 目标模拟器由单轴摇摆转台和红外目标模拟器组成，论文探讨了转台和红外目标模拟 器的技术指标，机械结构及两者控制系统的组成，研究了几种常用塑剑觑徨的控制效 果和电路实现，提出了转台和目标模拟器控制系统的控制方案、伺服系统的控制方案 以及两者监控软件的设计思想。通过研究表明，复合红外目标模拟器的原理正确，所 用的实现方案切实可行，并能达到性能指标的要求。 了失键词：复合模拟器转台控制 复合红外目标模拟器原理及实现 a b s t r a c t i no r d e rt o i m p r o v e t h e g e n e r a lp e r f o r m a n c e o fi n f r a r e d h o m i n g f i e l dm i s s i l e si n l a b o r a t o r i e s ，w ed e v e l o p e da l li n f r a r e dt a r g e tc o m p o u n ds i m u l a t o r , w h i c hs i m u l a t e sv a r i e d i n f r a r e dt a r g e t sa n di n f r a r e dd i s t u r b a n c e sa n dr e p r e s e n t a t i v ei n f r a r e db a c k g r o u n d s t h i s c o m p o u n ds i m u l a t o r sp e r f o r m a n c ei sh i g h e rt h a nf o r m e rs i m u l a t o r s a n dt h ei n f r a r e d t a r g e tc o m p o u n ds i m u l a t o rw i t hd i s t u r b a n c ei sh e l p f u lt om a k eap r o g r e s st ot h en e w i n f r a r e dh o m i n ga i r - a i rt a c t i c a lm i s t i l e s t h et h e s i sd i s c u s s e dt h ep r o p e r t yo fi n f r a r e dt a r g e t sa n ds i m u l a t i o nm e t h o d so fi n f r a r e d d i s t u r b a n c ei nl a b o r a t o r i e s ，a n dd i s c o u r s e du p o nt h ep r i n c i p l eo ft h ec o m p o u n ds i m u l a t o r , t h e np u tf o r w a r dc o n c r e t ei m p l e m e n ts c h e m e so ft h ei n f r a r e dt a r g e tc o m p o u n ds i m u l a t o r w i t hd i s t u r b a n c ea n db a c k g r o u n dt h ec o m p o u n ds i m u l a t o ri sm a d eu po fas i n g l e - a x i s s w a y t a b l ea n dai n f r a r e d t a r g e t s i m u l a t o rt h e i n v e s t i g a t i o n i sa s s o c i a t e dw i t h s p e c i f i c a t i o n s ，m e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o na n db o t ho ft h e mc o n t r o ls y a e m s o m eu s u a l c o n t r o la l g o r i t h m sa n dt h e mm a t e r i a li m p l e m e n ti nt h ep r o j e c tw e r em e n t i o n e d ，a n db o t h c o n t r o ls c h e m e so f 恤et a b l ea n dt h es i m u l a t o rw e r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i s i na d d i t i o n t h e p a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g nt h o u g h to f b o t h s e r v e - c o n t r o ls y s t e m sa n ds u r v e i l l a n ts o l t w a r e s t h r o u g hs t u d ya n du s e so f t h e s et e c h n i q u e s ，t h ep r i n c i p l eo ft h ec o m p o u n ds i m u l a t o ri s c o r r e c ta n dt h es c h e m ei sf e a s i b l e k e yw o r d ：c o m p o u n d , s i m u l a t o r , s w a yt a b l e ，c o n t r o l 南京航空航天大学硕士论文 1 1引言 1 1 1 背景 第一章概述 我国在九十年代初期研制成了大机动红外空空战术导弹，使我国的机载武器装 备水平有了较大的提高。随着国防形势的发展，对机载武器的要求也不断提高，更远 的攻击距离和对各种干扰高的抑制能力是现代高技术红外制导空空战术导弹的主耍 技术耍求。为了加速具有干扰抑制能力和较远攻击距离的新型红外战术导弹的研制， 一些相关的仿真与测试设备的研制是导弹型号研制的先导步骤和关键环节。 为了，提高红外战术导弹的攻击距离和干扰抑制能力，在导引装置上采用四组元 红外探头和多组元目标成像探头，增加了对目标的滤波和识别能力。在这种新型导引 装置的研制过程中，提供准确的带干扰目标模拟装置是十分必要的，借助这种带干扰 红外目标模拟装置，可以检测导引装置的性能并加以改进，还可以检测导引装置的识 别和跟踪性能及品质参数，用以评定该导引装置的技术性能指标，这是干扰抑制弹研 制的关键仿真与测试设备。 我国在红外目标模拟装置的研制过程中，采用黑体作为红外目标源的模拟装置 已宵先例，并获得了较好的效果。带单个干扰的红外目标模拟装置也有过研究，也取 得 较好的效果。但多干扰源和带背景模拟的复合红外目标模拟装置的研制尚属首 次，多个干扰源可以模拟出红外目标原的多个诱饵弹发射干扰，同时复杂背景如多种 云层、多种气象、不同战场也能很好地模拟出来，使红外导弹的抗干扰能力和识别干 扰的源能力大大地得到了提高，所以此项研究工作存在一定的技术难度和困难。中国 空空导弹研究院为配合国产红外后继弹的研制，委托南京航空航天大学进行了带干扰 背景复合红外目标模拟器的研制工作。在研制过程中，南京航空航天大学与第零一四 所密切配合，使研制过程得以较顺利进行。 复合红外目标模拟器原理及实现 1 1 2 基本方案 红外目标特性仿真技术随着红外型导弹探测技术的发展而发展。最初的红外型导 弹采用单组元导引头，使得红外目标模拟也仅采用一般的白炽灯，红外目标的运动通 过安放在不同位置上多个灯泡的亮灭实现，背景干扰的模拟则采用高亮度的闪光灯或 碘闪烁实现。这种红外目标特性的模拟与真实情况相差较大，并且不能定量地描述红 外探头的探测性能，也不能模拟各种真实的干扰效果。随着多组元的红外探测器在导 弹上的应用，对红外目标特性的模拟要求也有较大的提高。要求红外目标特性在光谱 上与真实目标足够接近，并可以定量地评价红外探测器的探测效果，在进行干扰效果 模拟中，则耍求能对各种主动式的诱饵弹干扰进行定性模拟，不但具有较好的重复性， 而且要求能分时或同时模拟多个干扰弹对目标源的干扰。根据这种红外目标特性的仿 真夏求，设计出了，整个系统。 整个复合红外目标模拟装置由红外目标模拟器和单轴摇摆转台两个部分组成，由 红外目标模拟器来模拟红外目标的光学特性和几何特性，由单轴摇摆转台来模拟红外 目标的运动特性。 红外目标模拟器的总体离案如下：一个红外目标源、两个红外干扰源和目标背景 均由小型或微型黑体来模拟，目标源、干扰源和背景之间的相互关系则通过红外目标 模拟器内部光学器件的不同特性和不同位置及光学器件的运动来实现模拟功能。采用 平行光管来构成目标视场：通过调节黑体的温度和黑体出射光的出射量的多少来改变 目标源、干扰源和背景幅射能量的大小和与导弹距离的远近；在背景黑体出射口加上 不同形状的光栅来模拟不同的背景效果。 单轴摇摆转台的总体方案如下：根据红外目标源的运动特性设计转台的运动模式 为达位、运动、正弦、回中和副零五种方式。整个转台系统由转台台体和控制系统组 成，控制系统由控制器、伺服驱动器和反馈元件组成。控制规律采用复合校正网络的 控制方法，伺服驱动采用脉宽调制的放大电路。 整个系统综合在台工业控制微机中，可以对整个系统进行数字监视和操作，采 用宣接数字控制技术完成快门、摆镜和转台的定位控制，采用远程数字控制来实现远 距离的转台操作控制。 南京航空航天大学硕士论文 1 1 3 物理实现 红外目标模拟器的设计外形图如下图1 1 所示 图i l红外目标模拟器外形图 1 2 本论文的主要内容 本沦文：探讨了带干扰背景复合红外目标模拟器的工作原理及其实现方法，对带干 扰背景复合红外目标模拟器研制中的一些共性问题进行了研究，并对研究的主要技术 内容在带干扰背景复合红外目标模拟器中进行了应用。论文对带干扰背景复合红外目 标模拟器的两个组成部分一一红外目标模拟器和单轴摇摆转台的组成和控制方法分 别进行了系统的介绍和研究。 全文共有五章，各章内容分别为： 箱一章概述 对带 扰背景复合红外目标模拟器研制的课题背景及红外目标特性仿真技术的 历史、现状及发展进j jr 介绍，并提出了带干扰背景复合红外目标模拟器的基本实现 方案。， 第葶复合红外目标模拟器原理及应用 复合红外目标模拟器原理及实现 对红外目标的备种特性及其相关的探测和对抗原理进行了介绍，研究了带干扰背 景复合红外目标模拟器的原理股其实现。 第：章目标运动模拟单轴摇摆转台 论述r 转台的技术霞点，对常用控制规律的原理及其各种控制规律的电路实现进 行了探讨，并论述了此转台上所有的控制规律和控制方法。同时对转台的机械结构 改造、转台的软件设计和转台1 ，1 勺性能测试等方面进行了介绍。 第四章目标特性模拟红外目标模拟器 对红外目标模拟器的机械 ，构设计和控制方案进行了探讨，介绍了红外目标模拟 器控制方案的具体实现，同时刈+ 红外目标模拟器的软件设计思想进行了举例说明。 第五章结论肢进步的二i ：作 总结全艾，并提出厂进一步应完成的工作和进一步改进的建议。 4 南京航空航天大学硕士论文 第二章复合红外目标模拟器原理 2 1 红外探测与红外对抗 2 1 1 飞机等目标的红外特性 l 、红外光谱 红外线即红外幅射是一种电磁波在电磁波谱中，这一波段位于可见光和微波之 间，其波长范围从o7 5 l a i n 1 0 0 0 1 u r n 。因此红外线具有电磁波的共同特征。都以横波 的形式在空间传播，部遵从反射、折射定律，在真空中以光速c 传播。波长九，频率 v 与传播速度c 遵守波动的基本公式：c = h 。 量于理论提出：电磁辐射具有波动性和粒子性这双重属性，所以红外辐射除了作 为。种电磁波而遵从波动规律以外，它还以红外光量子的形式存在，和可见光一样， 同样简称光子。红外辐射能的发射和吸收是量子化的，频率为v 的红外辐射，其最小 能量即y , j 一个光予的能量：e = h v 。其中h 为普朗克常数，h = 66 2 5 6 1 0 。4 焦耳秒。 因此红外波段光子能量范围在l2 4 1 0 3l6 5 电子伏特之间。 在航空军用领域中，根据 1 ：外辐射产生机理与方法、传输特性和探测方法、传输 特性和探测方法的不同，可把整个红外光谱区划分为四个波段，即近红外波段 【o7 5 - 30 ) 、中红外波段( 3 0 6 0 ) 、远红外波段( 6 0 1 50 ) 、极远红外波段 ( 150 1 0 0 0 ) 。 2 、飞机等目标红外幅射的主裴来源 飞机、导弹等航空目标的红外幅射有四个来源：发动机的尾喷管和热金属零件、 发动机排燃气尾焰、飞机蒙皮由于气动力加热引起的红外辐射和飞机对太阳辐射及地 面辐刺的反射。 发动机的i l ： 芒喷管与热金属零件是最强的红外辐射热源，也是第一代红外导弹所跟 踪的卜要日标。它产生的辐射率为0 9 的灰体辐射，其辐射强度与绝对温度的四次方 成u o l ，但足这种辐射j 能在排e 管的后半球面才能探测到。发动机排出的燃气尾焰 复合红外目标模拟器原理及实现 辐射，是种对波长具有选择性的不连续分布的光谱辐射，其主要成分是c o ：、水蒸 汽和c o 等多原子气体和非对称分子气体，故又称为分子辐射。主要的辐射发生在 c 0 2 和水蒸汽的2 3 9 m 和4 s g m 波段，其中以c 0 2 在43 9 i n 处的光谱辐射最为强烈， 是第二代红外导弹所追逐的主耍目标。燃气的尾焰辐射，不仅在排气管的后半球面能 观察到，在飞机等目标的前半球面也能探测到。所以对先进的红外导弹而言尾焰是很 重要的辐射源。 气动力加热引起的红外幅射，是因为飞机高速飞行时，由于空气的粘性与可压缩 性作用，贴近壁面液体的动能转变为热能，使蒙皮温度升高所产生的。对低速飞行 的i j f ，】i 而言，这种影u 向可以忽略。 飞机等目标在太阳及地面辐射之下，使机体蒙皮增温，以及在发动机附近由传热 引起的蒙皮温度升高，都会增加整机的红外辐射强度。 飞机等目标的发动机的红外信号与许多因素有关，对热金属件辐射而言，尾喷管 温度与涡轮叶片最关紧要的因素，喷管喉部面积的大小影响次之。对排气的尾焰辐 射而言，排气的静温和出r 温度分布型面十分重要，发动机流量、燃气压力及油气 比等则影响次之。飞行高度增加、环境大气压力降低、排气管尾焰膨胀，会使尾焰 辐射的影响范围扩大，肘尾焰辐射会产生增大的影响。 2 1 2 制导武器的探测原理 制导武器现有的种类有很彰，红外导弹是制导武器的一种，现以红外导弹的探测 原理为例说明制导武器的探测原理。具有被动式自动寻的制导系统的导弹，一般称为 红外导弹。红外导弹利用目标辐射的红外辐射能量作为制导信息，并通过导引装置形 成能反映目标偏离导引头光轴情况的跟踪误差信号，此信号进一步送给导弹控制系 统，而由控制系统响应这信息，并按一定的导引规律控制导弹对目标跟踪。直到命 中目标为1 上。 红外导弹跟踪导引系统1 i 州 ：雷达之处在于信息都由系统本身根据目标红外辐射 。i 周l 匍环境的差肄i f l l - s “生。它是种被动的目标识别系统，这种系统一般包括接收辐 南京航空航天大学硕士论文 射、限制杂光和保证有良好的像质，并按定规律运动的光学系统；可选择光谱范围 并与整个系统相匹配的滤光设备与探测元件；有一定空间鉴别能力并与信息处理电路 相旺配的渊制盘，以及与前青市h 配合完成信息处理的电子线路。随着红外探测、跟踪、 制导技术的发展红外导弹的跟踪疗法已经从热点扫描向成像跟踪过渡。目前发展的 红外成像制导系统有两利t ：种是多元红外探测器线阵扫描成像系统，它用转盘式扫 描器对碲镉汞红外探测器线阵探测到的目标信息作光栅扫描像探测；另一种是用大量 红外探测单7 i 构成平面阵列，对目标实现直接成像探测，常称为凝视平面阵列。 2 1 3 红外对抗 随着探测技术从点源探测制导到成像探测制导的迅速发展，和航空发动机涡轮前 温度的不断提高使得发动机f j 热排气和外露的热壁面发出高强度的红外辐射信号， 对各类飞机在战争环境时的生存力带来了严重的威胁。在这一严峻的条件下，红外对 抗的发展势不可挡。针对幻：外探测技术快速进步所采取的红外对抗方式可分为积极的 t 或主动的) 和消极的( 或被动的) 两种。 积极对抗的目的是主动地扰乱、欺骗或破坏来袭导弹的红夕i f u 导系统，使导弹不 能命中目标。其主要的手段包 。：红外诱饵弹、红外干扰机和高能激光器等，前两者 已在一屿飞机上获得了广泛的使用，高能激光器具有燃毁导引头及其光学涂层、滤光 片与探洲器元件的能力，但只能在地面装备使用，尚不能达到机载的实用阶段。 红外诱饵弹是一种欺骗诱饵源。当飞机等目标受到威胁时，投放诱饵弹，它可产 生类似_ 【 i 机等目标的发动机的强烈辐射，形成一个与发动机的红外幅射特性相近的红 外辐射源，这样就产生j 。一个假目标，从而达到诈骗红外导弹使其跟踪诱饵弹而脱离 目标的目的。它是。种成熟的而且有效的红外干扰手段，是当前高性能飞机干扰红外 导弹最有效的技术措施。 诱饵弹为达剑红外1 i 扰的tj 的，通常其光谱特性接近飞行等目标的光谱特性。红 外诱饵弹干扰作用的原理图如罔2 一i 所示，当诱饵弹以一定的初始速度脱离飞机时， 便进入红外导弹导引头视场内，返时导引头视场中同时存在诱饵弹和飞机，它便跟踪 复、红外目标模拟器原理及实现 两者的等效幅射中心( 大致位f 两者之间居中位置的一个假想点作为”等效中心”) ， 但诱饵弹的辐射强度比飞机( i j 标) 大得多，”等效中心”便逐渐移向诱饵弹，飞机离 视场越来越远，直到诱饵弹和飞机从寻的探头的视场中分开，这时导弹寻的探头将只 跟踪辐射强度大的诱饵弹，于是在诱饵弹和导弹之间为飞机提供了一个安全的脱靶距 离。 导弹头视场 图2 一l 诱饵弹干扰作用原理示意图 红外十扰器是种固定设蹬在飞机上的红外干扰源，与红外诱饵弹相比，红外干 扰器功效较小，又不从飞机上投放出来，在这一点上，其干扰效果不如红外诱饵弹。 但红外诱饵弹只能产生近、中红外辐射信号，不能产生远红外辐射( 8 1 4 1 a m ) 信号， 而红外f 扰器可辐射出不同波段的红外信号，不存在投放时刻问题，它还具有可多次 使用和连续工作等优点。因此作战。f _ 机和武装直升机中使用较多。 红外f 扰器的下扰原理图如图2 - 2 所示。控制电源由飞机上电源系统供给，也可 利用飞机 ：风动发电机供电，离合开关实际上是一个高压脉冲触发器来控制红外光 源红外光辐射出类似于飞机发动机尾焰辐射特征的辐射能，由调制器按一定频率调 制后，经光学系统发射出去，就形成干扰信号。 图2 2 红外r 扰器原理框图 当f 扰器一作时，红外光源通过机械或电子调制方法进行脉冲调制一般干扰器辐 射的渊制速二轻必颂，0 导弹 一导i 汰调制盘的旋转速率成正比，干扰器的脉冲形状则耍 根据导弹跟踪凹路n 勺通频带来确定。调制后的信号再经过光学系统发送出去，这时在 跟踪导弹的视场内，将有两个红外源信号，个为下扰器信号，另个为目标信号， 8 w 京航空航天大学硕士论文 由于干扰信号的辐射强度比目标的大得多，因此使导弹的跟踪系统产生较大的误差信 号，使导弹偏离 j 标的f f 确航迹，而跟踪辐射强度大的干扰信号，从而达到保护目标 的 j 的， 消极式红外列抗的目的抑制被保护目标的红外辐射能量，使对方红外导弹不能或 只能在近距离内探测到日标，即红外隐身。对产生强烈红外辐射热源的发动机排气管 与燃气尾焰，可以采用红外辐利抑制系统来降低目标的红外辐射信号。所以红外辐射 抑制系统既是消极红外对抗的项积极手段，也是飞机红外隐身技术中的一项重耍措 施i 。 2 2 复合红外目标模拟器原理 2 2 1 复合红外目标模拟器用途 复合红外目标模拟器 硬刚于在红外型导弹总体性能测试中，利用复合红外目标 模拟器能够测试出红外导弹的 c 二f 扰能力，同时通过测试来提高和改进红外导弹的性 能。复合红外目标模拟器能模拟典型空中目标和干扰目标的红外辐射特性、运动特性、 几何特性及模拟p l 型的背景，如蓝天、白云、大地、海面等。复合红外目标模拟器能 单独模拟红外目标、诱饵卜扰弹和背景的辐射，也能同时模拟红外目标、诱饵干扰弹 和背景的辐制。复台 l ：外 标模拟器采用四个不同的黑体分别作为红外目标幅射、红 外7 扰幅射源及7 景幅刺源，能模拟出不同的幅射面大小和辐射量值。复合红外目标 模拟器可以模拟两个r 扰源相对目标源中间脱离和穿越视场两种干扰运动方式，中间 脱离方式模拟从红外目标源处投放的干扰来源，而穿越视场方式模拟红外目标源以外 的红外源所形成的对导弹税场的 扰。复合红外目标模拟器的两个干扰源可以联动， 也n j 以单独运动，当两个f 扰源联动时，模拟红外目标连续投放多枚干扰弹或多种其 它刊尤：1 。扰源单独运动时，模拟红外目标投放单枚干扰弹或单个红外干扰源的干扰。 复合红外目标模拟器原理及实现 2 2 2 复合红外目标模拟器的实验室实现 1 红外目标的光学特性模拟实现 自然界任何实际物体部是红外辐射源，对红外物理与技术研究具有实际意义的热 辐射红外源，主耍包括三种类型：一种是作为辐射标准使用的人工红外源，一种是红 外系统探测的目标，还有种是干扰红外系统探测的背景辐射。在实验室中模拟红外 目标特性，一般是使用黑体辐射源。在任何温度下对任何波长的入射辐射都能全部吸 收的物体称为绝对黑体。黑体的吸收率d ( 九t ) = 1 ，是与波长和温度无关的常数，而其 反射率和透射率均为零。而实际上入射到物体上的辐射或多或少都要被反射掉部 分，因此黑体只是。种理想模型。如果在一个由任意不透明材料做成的空腔开一个小 孔，这个小孔的表面就可以近似地当作黑体，因为射入小孔的辐射要被腔壁多次反射， 每反射次腔壁就耍吸收部分辐射能，以致射入小7 l 的辐射差不多都被吸收。实际 制作人造黑体，只要满足开孔比腔体小得多和腔壁近似等温这两个条件，就十分接近 绝对黑体模型。因此用开有小孔的密封腔所发出的辐射来模拟黑体辐射的精度由有效 比辐射率表示，有效比辐射率是d , - t l 的尺i r 、腔体的形状、腔体壁材料以及腔体离真 正等温的差距的函数，黑体辐射源的芯子材料，由不透明的物质做成一定形状的空腔 体，加热到某均匀温度产生黑体辐射，就成为黑体辐射源。黑体辐射源的特性随温度 而异，为利厢这宅腔内产生的辐射，必须在空腔壁上开一个小口，这开口面积的大小 影响j 辐射源辐射的特性，一股情况下，腔体常做成空的圆柱状，或空的圆锥状。 辐射源的辐射特性决定j j 腔体结构、腔壁材料及工作温度等。红外辐射从开口 出去之前，平均反刺次数主耍d 开口面积与整个空腔总面积之比而定，如果固定面积 比，空腔壁材料的比辐射率越人，则开口处所见辐射体的辐射率越接近l ，即腔体辐 射源接近黑体型辐射源。黑体辐射源的比辐射率可由下式决定： e o ( 1 + k 1 铲b 、( 1 一v s 厂+ m s ，弋c p ：为腔f 本的比辐自 ； j ： e n 为腔体壁卡才料的i 匕辐射率 a 为肝【j 处匝i 秘， 扣京航空航天大学硕士论文 s 为包括开口面积存内的腔体总面积： k 为系数：k = ( i - e o ) ( a s m s o ) ，s o 为直径等于腔体深度( 从开口处的平 面到腔体最深处1 的球体表面积。 黑体形成的红外光斑大小调整有两种方法：( 1 ) 固定式光阑；( 2 ) 连续可调式光 阑。前者采用固定孔径的光阑盘，位置控制装置定位某选定的光阑，可以获得较为精 确的固定孔径的光阑，是红外 i 标模拟装置中使用较多的一种方法，但这种固定式光 阑不能进行连续的调节，对于e l 标位置有变化的模拟将不能实现；后者由于可以连续 改变光阑的孔径，故易于实现光阑孔径的连续变化，由于采用多片可动叶片构成近似 圆的光阑形状，故在通光闯值力，豳有较明显的误差，从而这种光阑片主耍用于需连续 改变，| 己阑l 径的模拟装置中。 采用红外目标成像技术是近代红外目标模拟装置的主要技术要点，由于这种红外 ( 18 ( ) 6 f ) 4 2 图2 1辐射源的比辐射率与面积比的关系 透 过 壶 一 ( l ( 2 ( i 3 ( i4 ( i5 06 0 波长( u m ) 阁2 - 2 锗的红外透过特性( 厚度为2 m m ) 面积比 n 复f 红外目标模拟器原理及实现 透i 0 0 过8 1 1 率 6 ) 东4 0 - 2 【l l 爪 2 3456 78 波k ( p m ) 图2 - 3硅的红外透过特性( 厚度为5 m m ) 1 2 5 。c 1 i 一4 0 0 。c3 一涂反射层 目标模拟装置能模拟各种静止的或移动的目标的轮廓特性，特别适用于地面目标如坦 克、火炮等的模拟，刑字战的红外目标采用这种方法进行模拟也是十分有效的。目前， 红外目标成像的模拟主凄采用某些红外发光元件产生点光源，按平面方阵排列，在微 机控制下实现各种目标体的红外图形动态模拟。 2 红外目标的运动模拟实现 存 r 外目标模拟器中，红外目标、红外干扰和背景的运动模拟是红外模拟器中的 关键技术耍点，红外目标运动模拟的方法有摆镜法、焦平面运动等。实现红外目标与 红外探测装嚣运动连接的方法仃：( 1 ) 球体空间模拟法，即在椭球面的两个焦点位置 分别放置目标源和推测器，由摆镜将点光源投向椭球面，探测器则安装在三轴姿态转 台上，可随目标源的移动i 相膨运动。这种运动特性的模拟主要用于模拟红外战术导 弹的攻而，是红外战术导弹空问物理仿真的主要方法；( 2 ) 探测器固定不动，将红外 目标作水平移动，即i 士1 转俞拖动整个红外目标源作水平移动，红外干扰源则相对目标 源和背景在摆镜的控制f 作相对运动，以实现探测装置在带干扰背景复合红外目标源 的运动模拟，是红外战术导弹探测性能检测和测试的主耍方法。 3 红外目标、背景与干扰的合成实现 红外 扰辐射1 j l 外1 1 标和背景辐射的合成主要通过光学合成镜。光学合成镜 【、卜反1 1 透镜) 般 i ：外光学材料制成。红外光学材料最重要的物理性质之就是 它在泉特定的红外波段内的透过率，红外光学材料的透过率取决于材料的原子结构， 并 j i 仟何材料只能在某波段i ；有定的透过率，所以透过率是波长的函数，且与材 1 2 ；莉京航空航天大学硕士论文 $ ： 结构有关。只有当红外光学材料的透过率大予5 0 时，这_ 手申材料才能墙作透射材 剩。红外悲学材料的折射奉和色散是红外光学材料的另一种重耍光学特性，折射率与 反射损失有关，折射率越大则j 更射损失越赢。 盔簪鲻红外技术研究中，较多 电用的级外波段是3 5 9 m 祁8 1 2 9 i n 。半导体晶 体材料韵) 乜学材料性能丰饕决定于本征吸收稻杂斌吸收以及舀由载流子吸收，因丽和 温度有较敏赌的关氧。、锗是较彰健用的半导体晶体红外光学耩辩，它在红外波段的折 射率大f - 4 口，6 因丽其厦射损失超过5 0 ，若镀抗反射膜，可以显著提高锗的透过率， 可达9 8 ，对近红外波段，常剐的抗反射膜鼷是二氧化硅，对中红外常用的抗反射 镀层是硫化锌。锗的电严吸收截面仅为空穴吸收截面的t 2 0 ，这样对于同棒掺杂浓度， n 墅铐的杂质吸收；誊仅为p 型锗的杂质吸收率1 2 0 。所以，商纯的n 型锗有很好的 红外透过率，因晒优先选崩的是电阻率为1 0 3 0 q c n l 的n 型锗单晶。但是，随着 漏度的卧高，锗的透过率漫蓍l 、降。同时，错也是种比较脆的材料，抗机械冲击性 熊较差+ 所以不宜在较高温度卜| 使用。与锗类似，硅电是一蕈中化学佳熊稳定、不溶于 水髂半导体晶体。硅在 ：外波段，硅的拆射率为3 ，4 3 6 左右，所以它的两个表面的 反蟪于损失欠l 二4 5 ，适用于作硅的抗反射涂鼷的有s i 0 2 、a 1 2 0 3 ( 近红外波段) 和z 。s 、 碱卤化合物 中红外波段) 等，硅的抗机械冲击和抗热冲击性熊较好，温度变化对硅 透过率的影响不象锗那么大。刚此，在红外目标模拟装嚣中可选用上述两种材料制作 合成镜 4 。于抗效果的模拟实现 为，能财研割的导弹进行霞验室测试，必须在实验室中模拟各静干抗效栗，例如： 背景i u 抗、诱饵撵 扰、闪烁卜拢和穿越于抗等。 ( 1 ) 背景于挽的模拟：一+ 般采用大光阑进行背景模拟，即在目标源的后商叠掬 一个较大光鹦：较强癌度的r 挠f ，；号，将鳝标信号完全覆盖，再经过一段时阅羼恢复簸 来的| u 标贫弩。 ( 2 ) 穿越十拢和中心脱离f 挽的模拟：通过摆镜健干扰信号产生穷越视场或者 将干挽信弓从位j ：税场t t 心处f i 】目标源脱离的运动，并通过快门控制干扰信号发生的 时机，以。英现1 舆蛮昀窍越相似的二f 抗效果 ( 3 ) 鹾饵弹l 抗的檬拟：巾微机产生f 。貔弹的运动轨迹，由摆镜实观千扰弹的 l3 复台红外目标模拟器原理及实现 运动，l i t 快门控制诱饵弹的发生时机，在这种干扰模拟中，干扰光阑为较大的值，即 左诱饵弹干扰发生时，目标源将会被干扰信号淹没，在干扰通过后再恢复原来目标信 号。 ( 4 ) 闪烁干扰的模拟：由摆镜的运动轨迹实现闪烁光点的分布位置控制，由快 门产生的闪烁运动将干扰光点花干扰源分布空间的亮灭现象模拟出来。这种现象的模 拟一+ 般仅用于定性的分析和检洲。 2 , 1 3 复合红外目标模拟器的原理 红外目标源、f 扰源和背景的光学特性和几何特性的模拟主要由红外目标模拟器 来实现。红外目标模拟器的光。, - 系统原理图见图2 4 。 模拟目标的黑体发出的光经调节阀。调节后由合成镜i 反射到离轴抛物镜上，模 拟背景的黑体发出的光从光栅叱射，形成的光束由合成镜i 透射到离轴抛物镜上，两束 光束合成后，经离轴抛物镜反射成平行光束投射到与水平位置成4 5 。放置的合成镜 i l 上，合成镜1 1 将输入光束反射到与之平行的合成镜i 上，目标黑体和背景黑体的 合成光柬从合成镜i i l 出射进入导弹视场中。模拟干扰源l 的黑体发出的光经调节阀i 的调节后，经由一个放置在同车| i l 抛物镜的焦点上的反射镜反射回同轴抛物镜上，由同 轴抛物镜反射成平行光束，一个单自由度旋转的反射镜i 将平行光束反射到一个与反 射光束的入射方向成4 5 。的合成镜上，反射光束经合成镜透射后进入导弹视场。模 拟 一扰源i l 的黑体发出的光经凋节阀的调节后由同轴抛物镜出射，经一个放置在 同轴抛物镜的焦点h i ；i , jj 豆射镜将光束反射回同轴抛物镜上形成平行光束，平行光束由 一个单自由度旋转的反射镜i i 反射成水平平行光束，由合成镜i l 透射出的光束，与 目标黑体和背景黑体形成的光束合成后投射到合成镜i i i 上，然后再与模拟干扰源l 的黑体形成的光束透射过合成镜i l i 后形成的光束合成进入导弹视场。 f t 杯源、p 扰源和背景的幅剩面的大小和幅射能量的大小通过调节阀的阀开度大 小来调节，h 标黑体、下扰黑体和背景黑体发出的光束经不同的合成镜的合成就在导 弹桃场形成j 7 1 1s 7 标背景带f 扰的模拟视场。改变背景黑体出射光口前方光栅的形 4 l 聿j 京航空航天大学硕士论文 状，就刮以改变模拟背景的类型。由于目标源和背景之间的位置是固定不动的，所以 目标黑体和背景黑体出射后的光束通过不同的固定不动的光学物镜的反射和透射后 进入导弹视场，两者的成像点的位置将不再变化，变化的只是两者的能量。而两个干 扰源相对目标源是运动的，所以两干扰黑体出射后的光束在进入视场前均要经过可旋 转的反射镜的控制。若可旋转的反射镜i 和i i 的放置位置与入射光束的方向成4 5 。， 则十扰源所成的像点的位置与i 标源重合；当可旋转的反射镜绕中心支点旋转时，干 扰黑体所成的像点就在导弹视场中沿x 轴或y 轴的方向运动，即干扰源相对目标源 运动。从图中可以看出干扰黑体l 和干扰黑体i l 的出射光束在合成镜i i l 上合成时， 两束光束的入射方向是相瓦垂a 的，所以两个模拟于扰源的运动轴也是相互垂直的。 红外目标源、十扰源和背景的整体运动特性则由单轴摇摆转台来实现。当整套光 学装置做整体运动时，目标源和干扰源之间的相互运动仍可保持。这样就实现了目标 源和背景相对导弹的运动，以肢下扰源随目标源运动的同时相对于目标源运动。 2 2 4 红外目标模拟器的实现 红外目标模拟器采用四个黑体作为模拟红外目标辐射源、模拟红外干扰辐射源和 背景辐射源，在璎求的体积重最卜| ，实现快速升温，同时采用四个温控仪实现对目 标黑体、t 二扰黑体和背景熙体n 勺温度控制。 调节阀的调节作用采用可更换式固定光阑和局部遮挡式快门来实现。固定光阑放 置在黑体的出射口处，更换光阑的不同孔径就可以调节黑体的出射能量。通过光阑 后的光束经过局部遮挡式快门的不同程度的遮挡后，进入目标模拟器的合成光路。 快门的开度不同可以模拟目标源和干扰源与导弹的距离远近，当快门全开时，允许 光阑出射口的光束令部进入光路，此时目标源和干扰源离导弹最近；当快门全闭时， 光阑j “刺1 1 的光束将小能进入光路，此时可以模拟只有个干扰源或没有干扰源的 情况，即实现j ，单独模拟h 杯源辐射、目标源辐射和一个干扰源辐射以及同时模拟 坏源辅射和以7 扰源辐射i 种模拟状态。当背景黑体前的光阑处于全闭状态时， 此时模拟 j 标源没伊肯景1 扰咐隋景。 复台红外目标模拟器原理及实现 红外目标模拟器采用离轴抛物面反射式平行光管，可满足全波段工作的要求，同 时离轴光学系统有较好的抗杂光干扰的性能，光学材料的选用没有严格的限制，材料 费用低，能量损失少，反射率可达9 8 以上，没有色差，光束平行性和均匀性都较 好，用f 红外型导弹性能测试试验较为理想。为了能够同时提供目标、干扰和背景的 辐射，采用平行光管合成光路系统，该结构可较好的保证模拟目标辐射和模拟干扰辐 射的均匀性和成像质量，尤其是在要求模拟干扰相对目标运动的状态下。光学合成镜 采用透红外材料以保证较宽的r 作波段。 可旋转的反射镜是用来产i 干扰源相对于目标源的运动，模拟产生干扰源运动的 方法较彩，常用的有摆镜法、焦平面法、光楔法等。光楔法由于是在光路中零件直接 运动而造成日标背景的1 j 均匀，对于多元探测系统而言背景不均匀本身就是一种干 扰，故1 ；能采用：焦半向运动法应用于透射式平行光管。摆镜是用的较多的产生光束 相对运动的种方法，加入干扰光路中可使干扰光束相对目标光束产生任意方向上的 运动。为保i n i 精度，要求摆镜舀：其伺服机构的作用下分别产生水平和垂直两个方向上 的小角度摆动，其摆动速度在定范围内可调。 背景黑体前的光栅采用可更换式固定光阑，在光阑的出射口处加上不同的形状的 光栅，健光阑的出射光束警 i 同的彤状，从而使光束在导弹视场中模拟成不同的背景， 南京航空航天大学硕士论文 第三章目标运动模拟单轴摇摆转台 3 i 单轴摇摆转台的技术要求 转台的技术求与转台的具体应用有直接的关联，对于不同的应用背景，转台 的结构和技术萼求有很大的不同。在复合红外目标模拟器中，单轴摇摆转台作为红 外目标模拟器的运动载体，为r 满足目标模拟器的运动特性和运动耍求，对转台提 出j 如表3 一i 所示的技术爱求 表3 ，1w h 2 0 b 单轴摇摆转台技术指标 唼求项r 技术指标 调速范围l 1 0 0 s 、设定步距01 。s ； 速度精度1 5 。s l o 、5 1 0 0 。s 1 速度稳定度卜一5 。s 2 、5 1 0 0 。s 1 速度上升时例 o l 。s ols 、l 5 。s o5 s 5 1 0 0 s 1s 运动范围1 1 0 。 位置精度 0l 。 1 节置漂移两小时内小于l 测角精度0 1 。( 庄2 。范围内，为o0 5 。) m 零精度00 5 。 l 、调速范围 葶轴摇摆转台的最夫速度和最小可控速度之比即为转台伺服系统的速度范围，这 是转f f 劫态范嘲的个指标。转台系统的动态范围宽，表明该系统既能跟踪快速输入 量的变化，也能 艮好地反应输入量的缓慢变化运动。当两者都能很圆满地满足指标要 求时势必爰求转台系统的执行兀件具有十分宽广的调速范围。 2 、速度精度 系统的速度精度指“j 输入 和输出量均按匀速规律运动时，在达到稳定状态后输 出齄t j 理想输卅值之间的偏差值的大小。而这个偏差值的绝对值应小于系统的速度精 度值。 1 7 复衍红外目标模拟器原理及实现 3 、化置精度和回零精度 系统的位置精度指系统实际转动达到的位置与系统的给定输入值之间的偏差值， 同样这个偏差值的绝对值也应小r 给定的位置精度值。系统的回零精度是位置精度的 一个特殊情况，即指系统的给定输入位置值为零度，耍求转台转动到系统定义的零位 t ：，并 j 1 市置误蕞1 ；超过甍求的同零精度值。 4 、速度稳定度 转台的速度稳定度指转台运动的最低不爬行和不发生抖动的速度，这是衡量摇摆 转台低速性能的重嘤指标。低速平稳性的好坏，直接关系着整个控制系统的仿真置信 度。如果转台的低速半稳性不好，转动角速度发生周期性的突跳，则安装在转台上的 自动控制系统的角速度敏感元件很容易感受到这种速度的脉动，对自动控制系统产生 错误信号，引起严氧的仿真误荠，使得实验结果分析复杂化，甚至使得整个仿真实验 无法进jj ： 由于| j 转台低速性的重霞性，在转台的研制过程中，除了在台体结构、工艺措施上 采取一定的措施外，转台的伺服系统的设计综合、高性能元件的选取上也都进行了精 心的挑选。l 因为伺服系统的低述平稳性，主耍取决于系统小信号下工作的非线性因素 ( 如间隙、摩擦、失灵区等) 和元件的性能精度。 4 、速度l ，十时间 系统的速度上升时间指转f f 从给定指令发出起到转台达到给定值并且速度平稳 时的时间差。系统的速度l ：开时n d 反应了系统的速度响应时间，也是控制系统的重要 指标。速度响应时问e 裴由控制精度、速度和转台的执行机构的灵敏度和快速性决定。 5 、运动范阑 系统的速度范嘲指转台梢刑转台零位的转动范围。 6 、位置漂移 系统的位置漂移指转台的何置稳定度，当转动到某一位置后，在当前位置没有运 动位移的衡量指标。这指标i i 璎由伺服系统元件的稳定性决定。 7 、测角精度 测角精度是指系统n j 洲角浆鼠的指示值与转台实际到达的转角值之间的差值。转 台的洲角装置包括光电f f f 5 _ ；】 、屿盘信号凋理器、转台数字显示系统。 i r “京航空航天大学硕士论文 3 2 单轴摇摆转台总体设计 3 2 1 转台的总体设计思想 转台伦、勾h 标模拟器的运功载体，能以某个设定的速度匀速运动到设定的角度 位置，许上j 电能够订：设置的回转中心位置、在设定的范围内匀速摆动。为了缩短研制 周期雨i 节省经费，在中罔空空导弹研究所原来红外弹性能测试系统的转台台体结构基 础上，进倚必耍的技术改造，转台的控制系统则全部更新，以适应红外目标模拟器的 运动蔑? k 并达到转台的技术璎水。 整个转台系统由转台台体、控制柜两部分组成，控制柜中装有控制箱、功放箱和 电源箱以成监挖锓示器四部分。由转台的旋转平台带动红外目标模拟器转动，模拟整 个红外门标源的运动， 单轴摇摆转台的设大j 容1 爱包括转台的结构改造设计、伺服装置设计和控制系 统没计i i j ! 内容。转f n 】台体改造根据转台与目标模拟器的安装耍求和转台的技术要 求进行阪造，由j ：此次转台的承载量增大，并且对控制的精度和速度的要求都有提高， 所以转台匕的伺服驱动系统以肢反馈系统的性能也应做相应的提高。 转台的伺服装置包括拖动转台运动的伺服电机和伺服放大器两部分。为使转台达 到设计嘤求的动静态，盹能t 贞，l e 确选择和设计转台的伺服装置是十分关键的。一般 的电动位置伺服网路采用大扣砸的低速力矩电机为拖动动力装置，速度伺服回路采用 宽调速比的茸流伺服l 乜机为拖z 由动力装置，配置高性能的速度反馈和位置反馈元件构 成位置和速度伺服控制m 路。电机的功率放大器可采用晶体管线性放大器或c m 0 s 电路的p w m 功率放人器，前抒由于具有较低的控制噪音，较适合小功率的电动伺服 装置，j 【j 首的效二棼较高j 适合j ：j 、功率的电动伺服装置。根据转台的拖动对象耍求，选 用人功；讧的f 乜幼侗j 报妓胃。 转台控制系统是实观转台伞部动静态性能指标的重要保证，转台控制系统的设计 内容为控制方案瞪订、控制装黼结构设计、控制规律设计和控制参数整定等。控制方 案没汁址转f f 控制系统蹬m 向摹本内容，包括控制变量、被控参数的选取和控制策 复合红外目标模拟器原理及实现 略制定t 、对于电动伺服装置， 般用伺服电机的控制电压或电枢电流作为控制变量， 前者由卜功率放大器较为简单，常用于动态性能要求不高的转台，后者在电机的功率 放大器内设有电流闭环控制回路，由其构成的电动转台控制系统能获得较高的动态性 能品质。为提高转台的动态品质，被控参数除选用转台的位置信号外，还选用了转台 的速度信号，这种具有电流环、速度环和位置环的三回路控制是电动转台控制系统常 用的控制方案。随着电子技术和微机技术的发展，采用电子控制和微机数字控制技术 的转台控制装置在转台控制系统中获得了广泛的应用。电子控制和微机数字控带j 算法 具有较高的灵活性和较强的逻辑控制功能，使转台控制系统能采用复杂的控制算法和 控制逻辑。通过模拟电路转接数字控制器与转