光电模拟仿真技术概述

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4. 半实物模拟仿真的关键技术
几种典型的红外目标仿真器 实现红外目标仿真的方法可分为热辐射法和可见光—红 外图像变换法两大类： 热辐射法包括直接产生红外辐射和通过温度控制产生红 外辐射两种； 可见光～红外图像变换法是利用可见光～红外图像变换 器将可见光进行波长变换，生成红外图像。
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2.光电系统模拟仿真技术的分类
仿真技术从50年代以来随着计算机发展的过程，逐渐形成 了一门新兴的综合性技术学科，它涉及到系统分析、控制理论、 计算方法和计算机技术等。 仿真技术按所用模型的类型不同分为计算机数字仿真和物 理模拟仿真。计算机数字仿真是指在建立数学模型后直接在计 算机上重现系统的各个环节。物理仿真指利用实物提供模拟实 际工作状态来评估和演示装臵或系统的技术性能，它包括实物 仿真和半实物仿真。实物仿真所采用的模型和原型相近，其仿 真条件和环境也与实际条件和环境类似。半实物仿真采用部分 实物模型，其它如环境或条件等则利用数学模型代替。
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3.光电系统的半实物模拟仿真
其他相关模 型及计算软 件
输出相关数据
目 标 及 背 景 输出图像 模拟防止器
实际成像系 统
输出图像
图像信息处 理与分析
输出分析结 仿真结果显 果 示
噪声模型及 仿真软件
输出模拟噪声
物 理 模 拟 仿 真 系 统
物理（半实物）仿真工作框图
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3.光电系统的半实物模拟仿真
从上个世纪70年代起，以美、英、法和以色列为代表 的世界各军事大国在军用光电产品的研制过程中，特别重 视系统的仿真研究，将系统仿真作为系统研制和生产过程 的重要环节，甚至要求武器系统仿真与武器系统研制平行 发展。美国将仿真技术应用于试验与训练最早出现于1929 年，从此为美国一代代新型武器的研制成功起到了决定性 的作用。尤其在光电成像系统的模拟仿真方面，美国投入 大量的人力物力，并组织庞大的研究团体服务于相关技术 研究。
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3.光电系统的半实物模拟仿真
目标再现发生器：接受C1G的图像信号，将CIG生成的图 像转换为具有红外辐射特征能被探测器接收的红外图像,被光 学投影系统接收，并将其准直成平行光投影到传感器系统。 它的技术要求主要是空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。 二维目标运动伺服系统：接受系统仿真计算机仿真指令， 准确地复现火控系统所攻击目标的机动范围。
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2.光电系统模拟仿真技术的分类
光电成像过程的主要模拟仿真内容： 场景模拟：由目标和背景的物理模型生成场景的红外辐 射分布，即零视距分布图； 大气作用效果模拟：按照目标与视点间的大气条件，计 算目标红外辐射分布经过大气到达视点过程中的衰减，即大 气衰减； 探测器作用效果模拟：模拟红外探测器的特性，得到探 测器输出的红外辐射，在辐射定标的基础上，将辐射量转换 为灰度，生成红外图像。
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4. 半实物模拟仿真的关键技术
红外目标发生器 红外成像目标源是红外仿真系统中耗资最高的部分，因此 也是红外仿真系统中最关键技术。国外红外成像目标源发展迅 速，美国休斯公司研制了许多目标仿真器和专用测试设备。从 很复杂的全弹飞行目标仿真器到很简单的模拟点目标或线目标 的平行光管都有产品问世。此外，继红外液晶光阀、热目标发 生器的研究之后,国外的研究机构投巨资研制了512×512热电 阻面阵目标发生器。这种目标发生器以帧速高、动态性能好等 显著优势被几大实验中心所采用。这种光电仿真系统使用了先 进的计算机图像生成(CIG)技术和实时动态高帧频、高逼真、 高分辨率512×512电阻面阵,辐射上升速度和下降速度达到2ms, 动态范围可到850∶1，帧频100Hz ,辐射波段3～5μm、8～ 12μm。此外，1024×1024像素、500Hz，波段在2～26μm宽范 围内的高分辨率高帧速红外目标发生器也正在研制中。
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1. 引言
当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长 的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种 特别有效的研究手段。 据国外资料的不完全统计,采用仿真技术可以使导弹飞 行试验的次数减少30%～60%,研制经费节省10%～40%,研制周 期缩短30%～40%。在航空工业方面，采用仿真技术使大型客 机的设计和研制周期缩短20%。采用仿真实验代替实弹试验 可使实弹试验的次数减少80%，可见，对仿真技术的研究将 对于各行各业的发展具有非常深远的意义。
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3.光电系统的半实物模拟仿真
红外场景生成计算机(CIG)：接受仿真计算机的指令，根 据各种模型或数据库,实时产生实战红外场景图像，并传给红 外目标再现发生器,经转换成为能被探测器接收的辐射图像。 详细地仿真来自天空、太阳光、目标、地物和大气的辐射分 量。解决这一问题需要若干技术的集成，包括实时IR现像学 建模、IR建模及数据库研制、实时场景再现和测试中的系统 仿真。
三轴飞行模拟器：实时模拟系统的载机运动，完全再现 载机空间各种运动姿态。
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3.光电系统的半实物模拟仿真
国外几种典型红外仿真系统有：1.热电阻面阵实时成像仿 真系统W1SP；2.激光二极管面阵实时成像仿真系统；3.滑动变 焦式光电仿真系统；4.多目标点源仿真系统；5.IR-CRT仿真系 统；6.IR液晶光阀仿真系统。其中，后两种是美国早期研制的 红外仿真投影系统，这类系统存在的严重缺点是图像闪烁及帧 速低,不能满足武器系统的仿真需求。现在己成功使用的面阵 式目标源,其分辨率达到512×512，帧速达到100Hz以上,对模 拟场景的空间、时间和光谱分辨率有严格要求,可满足红外制 导、前视红外瞄准、红外搜索跟踪和红外告警等系统仿真的需 求。 国内的典型红外仿真系统主要有：1. 014中心点源跟踪模 拟仿真系统；2. 航天二院的长波红外跟踪模拟仿真系统等。
图3
长波红外成像仿真系统光学原理图
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4. 半实物模拟仿真的关键技术
红外目标发生器
图1 红外目标及干扰产生系统
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信息科学技术学院 光电工程系
光电系统模拟仿真技术概述
白廷柱 2007年2月
1. 引 言
仿真技术是利用实际的物理装臵结合实际的或模拟的 环境和条件，或用数学模型结合模拟的环境和条件再现某些 物理现象或物理过程的技术。 利用这种技术可以在实验室分析评价处于研制阶段的 装臵或系统，或者研究、分析某些物理现象或物理过程的成 因、影响因素以及改善和提高这种物理现象或物理过程的有 效方法和技术途径，力求在实际系统建成之前取得尽可能接 近于理想的结果。采用仿真技术不但可以使我们在各项科学 研究工作中节省大量的人力、物力和财力，缩短系统的研制 周期，还可以最大限度地提高所研制的装臵和系统的性能。
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3.光电系统的半实物模拟仿真
图2 美国陆军高级仿真中心的红外仿真系统
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3.光电系统的半实物模拟仿真
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3.光电系统的半实物模拟仿真
其中KILS系统有用于不同目的的3个红外成像投影系统、 三轴飞行转台和1个低温红外仿真室。整个实验室可进行雷达 频率2～18GHz、MMW35GHz、94GHz仿真和前视红外(FLIR)、 成像红外(IIR)和红外搜索跟踪(IRST)、导弹告警等IR/EO系 统工作波段的实时场景仿真。这几个仿真实验室的光电仿真 系统都采用了先进的计算机图像生成技术和实时动态高帧频、 高逼真、高分辨率电阻面阵成像目标发生器。
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1. 引言
用于军事应用领域的光电成像系统主要包括微光夜视成像 系统和红外热成像系统。 其中对于微光夜视系统的视景仿真和视距估算多是采用数 字仿真的方法，利用视景仿真软件和视距公式建立模型并进行 软件编程从而达到观察效果的三维仿真。而对于红外成像系统， 采用半物理闭环仿真方法,在实验室建立目标模拟器，可实时 产生动态逼真的交战时所观察到的红外场景，为具有红外探测 能力武器系统在研制、集成、测试、系统性能有效评价、武器 系统的开发等方面提供精确可重复的实验途径。
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3.光电系统的半实物模拟仿真
美国有三大仿真实验中心：美国军用导弹指挥先进仿真中 心ASC、海军空战中心仿真实验室Eglin、空军基地测试研究中 心AFB。这三大仿真实验室规模庞大，设备精良，又各具特色， 适用于不同的武器系统。其中美国的导弹指挥实验仿真中心有 6个仿真子单元，包括雷达频率仿真、毫米波仿真(MMW)、 MMW/IR双模式毫米波/红外成像仿真、光电仿真、武器系统仿 真。海军空战中心仿真实验室HWIL闭环仿真系统包括2个雷达 射频(RF)仿真暗室、2个红外(IR)仿真系统、1个双模式(RF和 IR)仿真暗室。Eglin空军基地测试中心Wright仿真实验室，仿 真波段覆盖制导系统的全部波段，包括RF模拟器(RFTS)、毫米 波模拟器、红外光电(IR/E0)模拟器(KHILS)、激光模拟器、 GPS模拟器、惯性/中段模拟器。
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1. 引言
军事需要历来都是科学技术发展的一个重要推动力，仿 真技术也是如此。在现代军用光电系统的研制中，模拟仿真 技术是一项必不可缺的重要手段。一些技术发达国家早在20 世纪70年代就在军用光电系统的研制中广泛采用模拟仿真技 术，取得了令人瞩目的成就，使他们的军用光电系统整体性 能水平远远走在世界的前列。在现代军用光电成像系统的研 制工作中，模拟仿真技术已是一项研究、分析、设计和评价 光电成像系统的必不可缺的重要工具。我国在光电系统模拟 仿真方面的研究工作已经起步，尤其是在航天、航空部门已 先后取得了较大发展，但作为光电成像系统的模拟仿真研究 工作整体上可以说还是刚刚开始。
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3.光电系统的半实物模拟仿真
半实物的红外仿真系统主要由仿真计算机、图形发生计 算机、红外目标仿真器、红外场景投影光学系统、伺服运动 控制系统和载机模拟运动飞行转台组成。 其中光电仿真系统可通过两种途径传递场景信息：一是 采用光学投影模式；二是信号直接注入。信号注入模式是通 过界面不经过光学投影系统将场景信息直接送入光电传感器 的电子组件,实现系统的仿真测试。