射频/红外复合导引头的多目标半实物仿真方法和系统
阅读说明：本技术 射频/红外复合导引头的多目标半实物仿真方法和系统 (Multi-target semi-physical simulation method and system for radio frequency/infrared composite seeker ) 是由 王帅豪 唐成师 王丙乾 李贤� 胡启鹏 赵吕懿 张小威 杨扬 柴娟芳 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种射频/红外复合导引头的多目标半实物仿真方法和系统,包括：步骤1：模拟主目标视线角与相对空间角度关系；步骤2：计算主目标在红外目标模拟器的能量和尺寸；步骤3：根据实时仿真系统计算次目标视线角,并计算次目标视线角转换到主目标的弹上理论视线坐标系下的位置；步骤4：计算次目标在红外目标模拟器的能量和尺寸；步骤5：重复步骤3～步骤4,计算得到所有次目标角度、能量和尺寸；步骤6：计算各目标在像面中的位置；步骤7：驱动红外目标模拟器,根据各目标在像面中的位置、能量和尺寸,生成红外多目标场景。本发明可完成共口径红外/射频复合导引头的红外/射频多目标仿真模拟,可用于验证产品拦截多目标的能力。(The invention provides a multi-target semi-physical simulation method and a multi-target semi-physical simulation system for a radio frequency/infrared composite seeker, which comprise the following steps: step 1: simulating the relation between the main target line-of-sight angle and the relative space angle; step 2: calculating the energy and the size of the main target in the infrared target simulator; and step 3: calculating a secondary target sight angle according to a real-time simulation system, and calculating a position of the secondary target sight angle converted to a primary target under an elastic theoretical sight coordinate system; and 4, step 4: calculating the energy and the size of the secondary target in the infrared target simulator; and 5: repeating the step 3 to the step 4, and calculating to obtain all secondary target angles, energies and sizes; step 6: calculating the position of each target in the image plane; and 7: and driving the infrared target simulator to generate an infrared multi-target scene according to the position, energy and size of each target in the image plane. The invention can complete the infrared/radio frequency multi-target simulation of the common-caliber infrared/radio frequency composite seeker and can be used for verifying the multi-target intercepting capability of a product.)
技术领域
本发明涉及半实物仿真技术领域，具体地，涉及一种射频/红外复合导引头的多目标半实物仿真方法和系统。
背景技术
半实物仿真时航天、航空领域制导控制系统设计研制过程中的重要环节。射频/红外多目标模拟是验证红外多目标或射频多目标或两者均为多目标态势下的复合导引头制导控制系统设计，对于制导控制系统设计迭代完善具有重要意义。
射频/红外复合导引头的多目标探测制导算法验证可通过数字注入和外场试验的方式进行。数字注入方式仅能够对探测识别算法进行验证，没有引入制导控制环节的闭环仿真，无法验证制导控制回路的设计对多目标探测识别算法设计的耦合影响。外场试验是最真实的测试，但实现外场射频/红外多目标来袭态势的模拟测试，需要多个携带红外/射频目标模拟源的靶机，成本高、可重复性差且协调实施难度大。半实物仿真相比数字仿真和外场实测而言，引入了制导控制回路，实现了系统的闭环测试，且成本较低可重复性好。
对于射频/红外复合导引头的半实物仿真测试，常见系统方案是利用波束合成器实现射频/红外的共口径复合。目前国内关于射频/红外复合导引头的探测识别算法研究很多，但关于射频/红外多目标的仿真模拟实现很少。常见的是实现国内射频的多目标仿真，通过增加射频阵列的通道数实现多目标仿真，但射频/红外均为多目标态势下的半实物仿真方法未见论述。
专利文献CN111413888A(申请号：CN202010218615.7)公开了一种半实物仿真方法及系统，所述方法包括通过数据增程装置第一模块接收射频探测器模块控制指令；将所述射频探测器模块控制指令的第一串行总线信号高速电光转换为第一光信号，并发送至数据增程装置第二模块；接收所述数据增程装置第二模块发送的第二光信号；所述第二光信号是数据增程装置第二模块根据射频探测器模块反馈的射频目标探测信息的第二串行总线信号通过高速电光转换的；将第二光信号通过高速光电转换为串行总线信号，并发送至自动驾驶仪模块，以使得所述自动驾驶仪模块根据射频目标探测信息进行仿真。然而该专利无法对红外多目标或射频多目标或两者均为多目标态势下的复合导引头制导控制进行验证。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种射频/红外复合导引头的多目标半实物仿真方法和系统。
根据本发明提供的射频/红外复合导引头的多目标半实物仿真方法，包括：
步骤1：根据实时仿真系统计算主目标视线角，驱动两轴转台伺服运动，实现主目标视线角与相对空间角度关系的模拟；
步骤2：根据主目标的弹目相对距离，通过预设目标能量曲线计算主目标在红外目标模拟器的能量和尺寸；
步骤3：根据实时仿真系统计算次目标视线角，并计算次目标视线角转换到主目标的弹上理论视线坐标系下的位置；
步骤4：根据次目标的弹目相对距离，通过预设目标能量曲线计算次目标在红外目标模拟器的能量和尺寸；
步骤5：重复执行步骤3～步骤4，计算得到所有次目标角度、能量和尺寸；
步骤6：通过角度与像面坐标映射关系，计算得到各目标在像面中的位置；
步骤7：驱动红外目标模拟器，根据各目标在像面中的位置、能量和尺寸，生成红外多目标场景。
优选的，次目标视线角转换公式为：
ρ＝arccos(cos qv1cos qvicos(qh1-qhi)+sin qv1sin qvi)
q′vi＝arcsin(sinρsinθ)i＝2,3,...,n
q′hi＝arctan(tanρcosθ)i＝2,3,...,n
其中，qv1,qh1为地面坐标系下主目标的视线高低角和视线方位角；qvi,qhi为地面坐标系下目标i的视线高低角和视线方位角；n为目标的总个数；q'vi,q'hi为目标i转换后的位置；ρ表示主目标所在视线坐标系x轴单位向量与目标i所在视线坐标系x轴单位向量间的夹角；θ表示oxi在ox1z1平面投影的与ox1间的垂线o′x′i与o′xi间的夹角；oxi为目标i所在视线坐标系中的x轴单位向量。
优选的，所述步骤6包括：
步骤6.1：将红外成像测量装置安装在三轴转台中心，将红外目标模拟器置于两轴转台上，在三轴转台和两轴转台均处于零位时，红外目标模拟器的等效光轴和红外测量装置的光轴重合；
步骤6.2：选取待标定的测角点数，按米字形分布；
步骤6.3：按米字形三轴转台偏航和俯仰依次移动对应角度(qvi,qhi)，根据理论计算出的位置点亮红外目标模拟器对应位置(qxi,qyi)：
其中，θx,θy为红外目标模拟器视场角位置，Wx×Wy为像素分辨率；
步骤6.4：在(qxi,qyi)附近调整坐标位置，使得点亮目标成像在红外测量装置的中心，最终位置为(q'xi,q'yi)。
优选的，遍历完成所有选定点的角度测量，得到(qhi,qvi)到(q'xi,q'yi)的对应数据，利用数据拟合方法建立映射关系：
qxi＝f1(qhi)
qyi＝f2(qvi)
其中，f1(*),f2(*)分别为像面x坐标qxi、y坐标qyi与视线方位角qhi、视线高低角qvi间的映射关系。
优选的，通过外场实测数据建立弹目距离与红外目标模拟器输入的映射关系；
所述外场实测数据包括弹目距离、目标尺寸和探测器目标能量；
所述映射关系包括弹目距离与模拟器目标输入尺寸的关系，弹目距离与模拟器目标输入能量的关系；
通过映射关系控制模拟器生成次目标的能量和尺寸；
根据弹目相对运动信息，建立射频阵列位置控制关系：
式中，xt,yt,zt为目标三维坐标，xm,ym,zm为导弹三维坐标；
根据弹目相对运动信息，建立射频阵列能量和相位控制关系：
ec＝g1(xm,ym,zm,xt,yt,zt)
ψc＝g2(xm,ym,zm,xt,yt,vr)
式中，ec和ψc分别为射频信号能量和相位控制量，vr为弹目相对运动速度，g1(*),g2(*)为映射关系。
根据本发明提供的射频/红外复合导引头的多目标半实物仿真系统，包括：
模块M1：根据实时仿真系统计算主目标视线角，驱动两轴转台伺服运动，实现主目标视线角与相对空间角度关系的模拟；
模块M2：根据主目标的弹目相对距离，通过预设目标能量曲线计算主目标在红外目标模拟器的能量和尺寸；
模块M3：根据实时仿真系统计算次目标视线角，并计算次目标视线角转换到主目标的弹上理论视线坐标系下的位置；
模块M4：根据次目标的弹目相对距离，通过预设目标能量曲线计算次目标在红外目标模拟器的能量和尺寸；
模块M5：重复调用模块M3～模块M4，计算得到所有次目标角度、能量和尺寸；
模块M6：通过角度与像面坐标映射关系，计算得到各目标在像面中的位置；
模块M7：驱动红外目标模拟器，根据各目标在像面中的位置、能量和尺寸，生成红外多目标场景。
优选的，次目标视线角转换公式为：
ρ＝arccos(cos qv1cos qvicos(qh1-qhi)+sin qv1sin qvi)
q′vi＝arcsin(sinρsinθ)i＝2,3,...,n
q′hi＝arctan(tanρcosθ)i＝2,3,...,n
其中，qv1,qh1为地面坐标系下主目标的视线高低角和视线方位角；qvi,qhi为地面坐标系下目标i的视线高低角和视线方位角；n为目标的总个数；q'vi,q'hi为目标i转换后的位置；ρ表示主目标所在视线坐标系x轴单位向量与目标i所在视线坐标系x轴单位向量间的夹角；θ表示oxi在ox1z1平面投影的与ox1间的垂线o′x′i与o′xi间的夹角；oxi为目标i所在视线坐标系中的x轴单位向量。
优选的，所述模块M6包括：
模块M6.1：将红外成像测量装置安装在三轴转台中心，将红外目标模拟器置于两轴转台上，在三轴转台和两轴转台均处于零位时，红外目标模拟器的等效光轴和红外测量装置的光轴重合；
模块M6.2：选取待标定的测角点数，按米字形分布；
模块M6.3：按米字形三轴转台偏航和俯仰依次移动对应角度(qvi,qhi)，根据理论计算出的位置点亮红外目标模拟器对应位置(qxi,qyi)：
其中，θx,θy为红外目标模拟器视场角位置，Wx×Wy为像素分辨率；
模块M6.4：在(qxi,qyi)附近调整坐标位置，使得点亮目标成像在红外测量装置的中心，最终位置为(q'xi,q'yi)。
优选的，遍历完成所有选定点的角度测量，得到(qhi,qvi)到(q'xi,q'yi)的对应数据，利用数据拟合方法建立映射关系：
qxi＝f1(qhi)
qyi＝f2(qvi)
其中，f1(*),f2(*)分别为像面x坐标qxi、y坐标qyi与视线方位角qhi、视线高低角qvi间的映射关系。
优选的，通过外场实测数据建立弹目距离与红外目标模拟器输入的映射关系；
所述外场实测数据包括弹目距离、目标尺寸和探测器目标能量；
所述映射关系包括弹目距离与模拟器目标输入尺寸的关系，弹目距离与模拟器目标输入能量的关系；
通过映射关系控制模拟器生成次目标的能量和尺寸；
根据弹目相对运动信息，建立射频阵列位置控制关系：
式中，xt,yt,zt为目标三维坐标，xm,ym,zm为导弹三维坐标；
根据弹目相对运动信息，建立射频阵列能量和相位控制关系：
ec＝g1(xm,ym,zm,xt,yt,zt)
ψc＝g2(xm,ym,zm,xt,yt,vr)
式中，ec和ψc分别为射频信号能量和相位控制量，vr为弹目相对运动速度，g1(*),g2(*)为映射关系。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明通过设计红外多目标计算单元和射频多目标设计单元，实现了利用射频/红外多目标的半实物仿真，本发明可重复试验，试验成本低，能够用来完成红外/射频多目标或单红外多目标或单射频多目标的制导控制闭环半实物仿真测试；
(2)本发明通过红外目标模拟器角度-像面坐标映射模型，主要用于校正非主目标在红外目标模拟器像面中的位置，保证了角度模拟的精度，可完成共口径红外/射频复合导引头的红外/射频多目标仿真模拟，可用于验证产品拦截多目标的能力。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中共口径射频/红外复合半实物仿真系统示意图。
图2为本发明中红外多目标计算单元示意图；
图3为本发明中射频多目标计算单元示意图；
图4为本发明中角度-坐标映射校准测试方法示意图；
图5为本发明目标i所在视线坐标系中的x轴单位向量在目标1所在视线坐标系中的位置图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
参考图1，本发明的共口径射频/红外复合半实物仿真系统中的红外多目标计算单元、射频多目标计算单元、红外目标模拟器角度-坐标映射关系分别部署在实时仿真控制系统、射频目标控制计算机、红外场景生成设备中。
参考图2，所述的红外多目标计算单元，用于完成目标1(主目标)目标能量、尺寸的计算，给出目标1到红外目标模拟器的控制输入；完成目标2～目标n目标能量、尺寸以及在红外目标模拟器像面位置坐标的计算，给出目标2～目标n到红外目标模拟器的控制输入。所述的红外多目标计算单元包括如下步骤：
步骤一：根据实时仿真系统计算出目标1(主目标)的视线角qv1,qh1驱动两轴转台伺服运动，实现目标1的相对空间角度关系的模拟；
步骤二：根据目标1的弹目相对距离，利用标定的目标能量曲线计算出目标1到红外目标模拟器的控制输入(目标的能量和尺寸)；
步骤三：根据实时仿真系统计算出目标2视线角qv2,qh2，转换到目标1的弹上理论视线坐标系下，得到q'v2,q'h2：
ρ＝arccos(cos qv1cos qv2cos(qh1-qh2)+sin qv1sin qv2)
q′v2＝arcsin(sinρsinθ)
q′h2＝arctan(tanρcosθ)
步骤四：根据目标2的弹目相对距离，利用标定的目标能量曲线计算出目标2到红外目标模拟器的控制输入(目标的能量ein和尺寸sin)：
sin＝f(dr)
ein＝g(dr)
式中，f(*),g(*)分别为标定的尺寸和能量与弹目距离间的映射关系；
步骤五：重复步骤三～步骤四，计算给出q'vi,q'hi和目标的能量和尺寸；
ρ＝arccos(cos qv1cos qvicos(qh1-qhi)+sin qv1sin qvi)
q′vi＝arcsin(sinρsinθ)i＝2,3,...,n
q′hi＝arctan(tanρcosθ)i＝2,3,...,n
步骤六：将目标角度q'vi,q'hi利用角度-像面坐标映射关系给出各目标在像面中的位置：
qxi＝f1(q′hi)
qyi＝f2(q′vi)
式中，f1(*),f2(*)分别为像面x坐标qxi、y坐标qyi与视线方位角qhi、视线高低角qvi间的映射关系；
步骤七：驱动红外目标模拟器根据弹道信息实时生成红外多目标场景。
参考图3，所述的射频多目标计算单元，用于完成射频多目标目标功率和相位的计算和目标在射频阵列上位置的计算，包括以下步骤：
步骤一：根据实时仿真系统计算出的弹目信息和数学模型计算出射频目标的功率和相位；
步骤二：根据实时仿真系统计算出的视线角qvi,qhi给出目标在阵面上的位置qxi,qyi；
步骤三：驱动射频阵列根据弹道信息实时射频红外多目标场景。
参考图4，所述的角度-像面坐标映射校准测试方法，用于将目标角度q'vi,q'hi转换成各目标在像面中的位置，包括以下步骤：
步骤一：将红外成像测量装置安装在三轴转台中心，红外目标模拟器位于两轴转台上，两轴转台位于零位，即三轴台和两周台均处于零位时，红外目标模拟器的等效光轴和红外测量装置的光轴重合；
步骤二：选取需要标定的测角点数，按图中所示的“米”字形分布；
步骤三：按照“米”字形三轴转台偏航和俯仰依次移动对应角度(qvi,qhi)，根据理论计算出的位置点亮红外目标模拟器对应位置(qxi,qyi)：
步骤四：在(qxi,qyi)附近调整坐标位置，使得点亮目标成像在红外测量装置的中心，得到(q'xi,q'yi)；
步骤五：遍历完成所有选定点的角度测量，得到(qhi,qvi)到(q'xi,q'yi)的对应数据，利用数据拟合方法建立映射关系：
qxi＝f1(qhi)
qyi＝f2(qvi)
步骤六：选取不同的测试点对角度-像面坐标映射关系进行复测，若测试结果不理想，可以增加测试取样点的密度，重复上述过程，重新建立新的映射关系。
根据本发明提供的射频/红外复合导引头的多目标半实物仿真系统，包括：模块M1：根据实时仿真系统计算主目标视线角，驱动两轴转台伺服运动，实现主目标视线角与相对空间角度关系的模拟；模块M2：根据主目标的弹目相对距离，通过预设目标能量曲线计算主目标在红外目标模拟器的能量和尺寸；模块M3：根据实时仿真系统计算次目标视线角，并计算次目标视线角转换到主目标的弹上理论视线坐标系下的位置；模块M4：根据次目标的弹目相对距离，通过预设目标能量曲线计算次目标在红外目标模拟器的能量和尺寸；模块M5：重复调用模块M3～模块M4，计算得到所有次目标角度、能量和尺寸；模块M6：通过角度与像面坐标映射关系，计算得到各目标在像面中的位置；模块M7：驱动红外目标模拟器，根据各目标在像面中的位置、能量和尺寸，生成红外多目标场景。
次目标视线角转换公式为：
ρ＝arccos(cos qv1cos qvicos(qh1-qhi)+sin qv1sin qvi)
q′vi＝arcsin(sinρsinθ)i＝2,3,...,n
q′hi＝arctan(tanρcosθ)i＝2,3,...,n
其中，qv1,qh1为地面坐标系下主目标的视线高低角和视线方位角；qvi,qhi为地面坐标系下目标i的视线高低角和视线方位角；n为目标的总个数；q'vi,q'hi为目标i转换后的位置；ρ表示：目标1所在视线坐标系x轴单位向量与目标i所在视线坐标系x轴单位向量间的夹角；θ表示：oxi在ox1z1平面投影的与ox1间的垂线o′x′i与o′xi间的夹角。
将目标i所在视线坐标系中的x轴单位向量oxi在目标1所在视线坐标系中表示，如图5所示。
所述模块M6包括：模块M6.1：将红外成像测量装置安装在三轴转台中心，将红外目标模拟器置于两轴转台上，在三轴转台和两轴转台均处于零位时，红外目标模拟器的等效光轴和红外测量装置的光轴重合；模块M6.2：选取待标定的测角点数，按米字形分布；模块M6.3：按米字形三轴转台偏航和俯仰依次移动对应角度(qvi,qhi)，根据理论计算出的位置点亮红外目标模拟器对应位置(qxi,qyi)：
其中，θx,θy为红外目标模拟器视场角位置，Wx×Wy为像素分辨率；
模块M6.4：在(qxi,qyi)附近调整坐标位置，使得点亮目标成像在红外测量装置的中心，最终位置为(q'xi,q'yi)。
遍历完成所有选定点的角度测量，得到(qhi,qvi)到(q'xi,q'yi)的对应数据，利用数据拟合方法建立映射关系：
qxi＝f1(qhi)
qyi＝f2(qvi)
其中，f1(*),f2(*)分别为像面x坐标qxi、y坐标qyi与视线方位角qhi、视线高低角qvi间的映射关系。
通过外场实测数据建立弹目距离与红外目标模拟器输入的映射关系；所述外场实测数据包括弹目距离、目标尺寸和探测器目标能量；所述映射关系包括弹目距离与模拟器目标输入尺寸的关系，弹目距离与模拟器目标输入能量的关系；通过映射关系控制模拟器生成次目标的能量和尺寸；根据弹目相对运动信息，建立射频阵列位置控制关系：
式中，xt,yt,zt为目标三维坐标，xm,ym,zm为导弹三维坐标；
根据弹目相对运动信息，建立射频阵列能量和相位控制关系：
ec＝g1(xm,ym,zm,xt,yt,zt)
ψc＝g2(xm,ym,zm,xt,yt,vr)
式中，ec和ψc分别为射频信号能量和相位控制量，vr为弹目相对运动速度，g1(*),g2(*)为映射关系。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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