飛航追蹤 HWIL 測試：動態紅外線場景之熱遲滯與加速控制技術

 

高速飛航追蹤系統的 HWIL 測試需求

在現代防空系統、飛彈尋標器與先進前視紅外線（FLIR）系統的開發過程中，必須驗證追蹤演算法在面對極音速目標、瞬間散開的熱誘餌或複雜戰場背景時的反應能力，為了在實驗室內安全且可重複地進行驗證，工程師會採用「硬體迴路（Hardware-in-the-Loop, HWIL）測試」架構。

在此架構中，測試設備必須根據尋標器的空間運動，即時生成並投射出對應的虛擬紅外線戰場畫面，這項任務由「動態紅外線場景投影器」負責，投影器的核心是一塊由數十萬甚至上百萬個微型電阻式加熱器（Micro-emitters）組成的陣列。然而，當系統試圖以極高幀率（例如每秒兩百幀以上）模擬高速移動的熱目標時，微型加熱器的物理特性將成為整個控制迴路中最嚴重的延遲瓶頸。

微發射器陣列的熱物理限制與「熱拖影」現象

在執行高幀率的動態目標模擬時，測試架構面臨最核心的物理限制在於「熱慣性（Thermal Inertia）」。

像素上升時間與高幀率的衝突

電阻式發射器藉由輸入電流產生焦耳熱來提升溫度，並透過基板進行散熱，溫度的改變並非瞬間完成，而是需要一段物理時間，這在工程上稱為「像素上升時間（Pixel Rise Time）」，通常定義為輻射度從百分之十爬升至百分之九十所需的時間，在標準狀態下，微型發射器的上升時間大約為六點五毫秒，如果測試系統以兩百赫茲（200 Hz）的幀率運作，意味著每一幀的顯示時間僅有五毫秒，當物理上升時間（六點五毫秒）大於幀週期（五毫秒）時，發射器在單一幀的時間內根本無法達到目標設定溫度。

對尋標器測試的致命影響

這種熱遲滯現象在光學畫面上會造成嚴重的「熱拖影（Thermal Smearing）」，當一個模擬的高溫目標（如敵機引擎尾焰）在畫面上高速移動時，原本應該已經冷卻的上一幀像素，因為散熱不及而持續發亮；同時，新一幀的像素因為加熱不及而亮度不足； 對於待測的飛航追蹤系統而言，這種由測試設備物理限制產生的拖影，會使目標邊緣變得模糊，導致尋標器的「質心追蹤演算法」計算出錯誤的空間座標，或者誤判目標的移動向量。這將徹底摧毀 HWIL 測試迴路的逼真度與公信力。

突破熱遲滯的「過驅動 (Overdrive)」控制架構

為了消弭動態模擬中的時間延遲，單純依賴縮小像素體積或改變散熱材料已逼近物理極限，系統工程師必須轉向「預測性訊號控制」領域，導入所謂的過驅動（Overdrive）或場景加速技術。

其配置邏輯在於：如果像素達到目標溫度的速度太慢，控制系統就在溫度轉換的「第一個幀（First Frame）」瞬間，注入一個比目標穩態電壓還要高的「脈衝驅動訊號」，這個瞬間的高能量注入能強制克服像素的熱慣性，使其以極陡峭的斜率飆升至目標溫度，一旦像素接近設定值，控制系統便立刻將驅動訊號降回正常的維持準位，避免溫度過衝（Overshoot），透過這種在時域上動態調整驅動電流的作法，系統能在不改變硬體物理結構的前提下，強制將像素的熱轉換時間壓縮至高幀率的容許範圍內。

客觀量化的 HWIL 測試解決方案

針對飛彈尋標器與高階熱像儀在 HWIL 測試中對「零延遲」與「高幀率」的嚴苛需求，奧創系統推薦導入 SBIR 所開發的 MIRAGE™ 系列動態紅外線場景投影系統，此系統將高密度發射器陣列、高速訊號處理與專屬的熱動力學控制技術進行深度整合，提供客觀且高保真度的紅外線目標模擬。

SBIR 場景投影系統核心為紅外線發射器陣列，專為硬體迴路（HIL）、FLIR、反制模擬及追蹤系統測試設計，其能產生動態高擬真紅外線影像，為國防與航太關鍵技術開發測試提供重要工具。


SBIR MIRAGE XL DXP 為動態紅外線場景投影系統，核心是高解析度紅外線發射器，產生模擬場景；可選擇客製化準直儀調整光束，客製化發射器滿足特殊需求；命令與控制電子設備供操作監控，場景投射範例展示模擬影像；整體而言，MIRAGE XL DXP 透過客製化光學電子組件，為測試模擬提供精確可控的紅外線刺激。


SBIR 先進場景模擬方案以 MIRAGE 系列動態紅外線場景投影機為核心，產生高解析度紅外線影像，模擬複雜熱環境與目標；左側展示動態場景模擬範例，具時間戳記，模擬真實世界熱變化；MIRAGE 紅外線投影機應用於先進場景模擬，產生逼真動態影像，滿足國防、航太等領域精確測試評估需求。

高解析度陣列與輕量化數位發射器引擎 (DEE)

MIRAGE 系列依據解析度需求提供不同配置：Mirage-H 具備 512 x 512 或 800 x 800 像素配置；而 Mirage-XL 則提供高達 1024 x 1024 像素的陣列，像素間距皆為 48 微米，發射端整合於一個稱為 數位發射器引擎 (Digital Emitter Engine, DEE) 的機殼中，此模組採用高度緊湊與輕量化設計（直徑 14.5 英吋，重量 54 磅），內部整合了真空杜瓦瓶、冷卻散熱器與光纖接收器。其堅固且輕巧的結構，使其極度適合安裝於多軸 飛行運動模擬器 (Flight Motion Simulator, FMS) 上，不會對機構的動態角加速度造成負面負載。

Mirage-H 為整合式紅外線場景投影器，運用電阻式發射器陣列產生高解析度 (512x512 或 800x800) 動態紅外線場景；支援 DVI/類比輸入、12-14 位元灰階、高達 200Hz 幀率；適用於飛彈尋標器硬體迴路測試、FLIR 測試與追蹤系統模擬；  Mirage-XL 為全功能紅外線場景投影系統，採用 1024x1024 電阻式發射陣列技術，產生高解析動態紅外線場景；整合訊號處理、冷卻與 NUC 校準；支援 DVI/類比輸入，提供 12-14 位元灰階解析度，適用於硬體迴路、FLIR 測試與追蹤系統模擬。

場景加速器 (Scene Accelerator) 升級配置

針對熱遲滯造成的影像轉換延遲，MIRAGE 系統提供關鍵的 場景加速器 (Scene Accelerator) 升級模組，此模組專為在極高幀率下測試待測物 (UUT) 的使用者設計，其運作原理是透過增加溫度轉換第一幀的驅動訊號（Overdrive），強制提升熱動力學響應，標準系統的像素上升時間為 6.5 毫秒；在配置場景加速器後，系統能在所有溫度轉換過程中，將像素上升時間壓縮至 小於 5.0 毫秒 (< 5.0 msec)，配合 20 Hz 至 200 Hz 的標準輸入幀率與高達 14 位元的灰階解析度，此技術能有效消除高速目標的熱拖影現象。

即時 NUC 校正與閉迴路控制整合

為了確保陣列的空間均勻度，系統的命令與控制電子元件 (C&CE) 支援即時的 自動化非均勻性校正 (NUC)，系統可針對每一個像素套用由 16 個驅動點定義的獨立校正曲線，維持全動態範圍內的輻射精準度，針對 HWIL 測試的低延遲要求，系統另可選配 即時平移與旋轉 (Real Time Translation & Rotation) 功能，允許使用者在幀與幀之間即時對場景資料套用幾何轉換，進一步降低閉迴路模擬情境中的運算延遲，系統支援 DVI 數位輸入，並可搭配即時影像播放系統 (RIPS) 進行無失真的序列回放。

若需針對特定的飛行運動模擬器 (FMS) 負載限制、客製化準直儀光學匹配或更高幀率的驅動需求進行規格評估，歡迎聯繫奧創系統技術團隊，我們將依據您的測試規範提供客觀的系統整合規劃。