楊宗陽

（陸軍裝備部航空軍事代表局駐上海地區(qū)航空軍事代表室，江蘇南京211100）

0 引言

經(jīng)歷幾次局部戰(zhàn)爭的應(yīng)用與發(fā)展，機載紅外對抗技術(shù)日益受到各國軍方的重視，如美軍建立了先進威脅紅外對抗（ATIRCM）系統(tǒng)[1]，世界上知名度最高、最具真實感的美國空軍“紅旗”演習(xí)[2]，也大量采用了建模和仿真技術(shù)來評估對抗演習(xí)效果。機載無源自衛(wèi)干擾系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮一方面依賴于無源干擾技術(shù)水平，包括干擾彈輻射能量、光譜特性、運動特性等與載機的相似程度，或?qū)d機紅外信號的遮蔽、壓制能力；另一方面依賴于載機對干擾裝置的戰(zhàn)術(shù)使用，包括使用環(huán)境、針對何種導(dǎo)彈、使用的時機、投放的方法以及載機配合的機動規(guī)避等。以上2個方面相輔相成，技術(shù)決定戰(zhàn)術(shù)，戰(zhàn)術(shù)牽引技術(shù)。

仿真技術(shù)可以分為半實物仿真和全數(shù)字化仿真。半實物仿真主要是硬件在回路建模，是將部分硬件設(shè)備實物接入仿真回路進行試驗的技術(shù)。而全數(shù)字化仿真就是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后通過計算機復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的工作過程。隨著計算機圖形生成技術(shù)的發(fā)展，機載無源自衛(wèi)干擾評估系統(tǒng)的搭建可以通過VegaPrime實現(xiàn)實時的虛擬戰(zhàn)場視景仿真。基本的思路和方法主要由3部分構(gòu)成:

1）建立目標(biāo)、背景、干擾源和導(dǎo)彈的三維幾何模型和運動模型，通過VegaPrime對應(yīng)的模塊，仿真生成虛擬交戰(zhàn)場景圖。

2）通過紅外物理學(xué)和光學(xué)成像原理以及計算機圖形生成技術(shù)，考慮大氣衰減和復(fù)雜背景的影響，利用OpenGL圖形庫中的顯示列表、緩存、消隱等關(guān)鍵技術(shù)生成目標(biāo)、背景和干擾源在導(dǎo)引頭視場的灰度圖像。

3）結(jié)合導(dǎo)彈的抗干擾能力和干擾源的投放策略以及目標(biāo)的機動規(guī)避動作，構(gòu)建干擾效能評估系統(tǒng)。主要包括：構(gòu)建評估的指標(biāo)體系；根據(jù)給定條件，計算效能指標(biāo)的值；有諸多效能指標(biāo)的值求出效能的綜合評估值。

1 視景仿真

1.1 目標(biāo)、背景、干擾源和導(dǎo)彈的幾何模型

1）目標(biāo)和導(dǎo)彈幾何模型

飛機和導(dǎo)彈存在復(fù)雜的曲面造型，一般的空戰(zhàn)仿真滿足工程需求即可，利用Multigen Creator建模工具，通過許多個三角形面元構(gòu)成飛機和導(dǎo)彈的外觀輪廓，三角形面元的數(shù)目越多，飛機和導(dǎo)彈的幾何模型越逼真。為了增加實時仿真的效果，需要引入細節(jié)度（Level Of Detail，簡稱LOD技術(shù)），即多邊形數(shù)目。當(dāng)彈目距離較遠時，調(diào)用細節(jié)度最低的模型進行渲染；當(dāng)彈目距離較近時，調(diào)用細節(jié)度最高的模型。視景仿真中將根據(jù)彈目距離來選擇模型的細節(jié)度，以求最好的實時性和視覺效果。同時可以利用三維建模軟件3DStudioMAX，大大減輕三維建模的工作量，可以針對不同模型的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，突出溫度變化較大的部分，忽略微小的細節(jié)部分。

3DStudioMAX可以導(dǎo)出3DS格式的文件，文件是以塊方式存取的，層次清楚，儲存數(shù)據(jù)信息比較全面。如飛機的三維模型如圖1所示。

圖1 飛機三維模型圖

2）背景干擾的建模

在視景仿真中，利用VegaPrime中的環(huán)境模塊描述場景中太陽、大氣和地表等等，同時還可以模擬雨雪效果，以及云霧等氣象條件。雪花效果如圖2所示，天空和大地的背景如圖3所示。

1.2 目標(biāo)、背景、干擾源和導(dǎo)彈的運動模型

1）目標(biāo)運動學(xué)模型

飛機目標(biāo)運動學(xué)全量方程模型可參考文獻[3]。飛機的運動可以通過求解飛機六自由度運動方程組，得到其力和力矩系數(shù)等相關(guān)運動參數(shù)。

圖2 雪花效果

圖3 天空和大地背景

2）導(dǎo)彈運動學(xué)模型

①導(dǎo)引模型

因比例導(dǎo)引法導(dǎo)引方程簡單、易于控制，一般普遍用于導(dǎo)彈的導(dǎo)引方程。具體變化規(guī)律如圖4所示，其方程為：

式中，ω˙為導(dǎo)彈速度矢量轉(zhuǎn)動的角速度，q˙為目標(biāo)視線轉(zhuǎn)動角速度，K為比例系數(shù)。

圖4 導(dǎo)彈比例導(dǎo)引仿真模擬

由導(dǎo)引方程確定的導(dǎo)彈速度矢量轉(zhuǎn)動角速度還必須滿足導(dǎo)彈最大可用過載的限制，即：

②導(dǎo)彈控制模型

由導(dǎo)引方程可以得到導(dǎo)彈的速度矢量轉(zhuǎn)動的角速度，積分即可以得到導(dǎo)彈的俯仰、偏航角。

由導(dǎo)引方程可以得到導(dǎo)彈理想彈道參數(shù)θl、φc.l，θ為彈道傾角，φc為彈道偏角，δzb和δyb分別為z軸和y軸的舵偏角，聯(lián)立可以求得導(dǎo)彈的運動軌跡。

③導(dǎo)彈運動模型

導(dǎo)彈的運動可以看作剛體，其運動方程為：

式中，α為攻角，β為側(cè)滑角，X、Y、Z別為三個方向的氣動力，P為發(fā)動機推力，G為導(dǎo)彈自身重力。

式中，Cx、Cy、Cz分別為阻力系數(shù)、升力系數(shù)和側(cè)力系數(shù)。

導(dǎo)彈的變質(zhì)量方程為：

3）干擾源運動模型

干擾源主要包括點源和面源2種形式，具體的模型可以參考相應(yīng)的文獻，依據(jù)面源誘餌的運動模型和擴散模型，面源誘餌典型擴散形狀如圖5所示。

圖5 干擾源擴散仿真軌跡

1.3 視景場景搭建

1）三維場景的繪制和渲染

OpenGL為圖形硬件的一種軟件接口，集合了用于創(chuàng)建與操作圖形的大量函數(shù)，其繪制和渲染流程如圖 6 所示[4]。

圖6 OpenGL繪制和渲染流程

在應(yīng)用OpenGL工具庫進行圖像的繪制時，首先依據(jù)頂點數(shù)據(jù)在世界坐標(biāo)系中進行三維模型的繪制，頂點數(shù)據(jù)中包含頂點的位置信息與頂點的顏色信息；然后對世界坐標(biāo)系中的模型進行模型變換與視圖變換，包括模型的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放以及視點的變換等，并將三維模型進行投影，投影時通過計算深度坐標(biāo)確定接收或拒絕頂點，從而判斷物體之間的遮擋關(guān)系；經(jīng)過變換后的數(shù)據(jù)進入幀緩沖區(qū)中，幀緩沖區(qū)中可以對像素進行操作與計算，用戶也可直接向幀緩沖區(qū)中寫入像素數(shù)據(jù)；最后通過強制執(zhí)行繪圖命令將幀緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行繪制，顯示在計算機的屏幕上。

2）目標(biāo)、干擾源和導(dǎo)彈運動的編程實現(xiàn)

在OpenGL編程時，所有運動都推導(dǎo)映射到目標(biāo)頂點的坐標(biāo)變換上，通過OpenGL的三維形體幾何變換函數(shù)和矩陣堆棧來實現(xiàn)映射，相當(dāng)于進行模型轉(zhuǎn)換。具體實現(xiàn)如下：

gIMatrixMode(GL_MODELVIEW)；∥告訴Open-GL要對模型視矩陣(Modelview Matrix)進行操作

gILoadIdentity()；∥將模型視矩陣初始化為一個4×4的單位陣

glPushMatrix()；∥將模型視矩陣壓入堆棧

gITranslatef()；

glRotatef()；

……∥根據(jù)頂點坐標(biāo)繪制目標(biāo)實體

gIPop Matrix()；∥將模型視矩陣彈出堆棧

3）視景仿真場景圖

綜合以上建立的目標(biāo)和導(dǎo)彈的幾何模型以及背景和干擾源的場景模塊，加入目標(biāo)的運動模型、導(dǎo)彈的導(dǎo)引和運動模型，通過OpenGL圖形工具庫，仿真出空戰(zhàn)態(tài)勢的虛擬視景場景。圖7為建立的三維視景圖像，圖8為建立的運動軌跡圖，圖9為相關(guān)運動參數(shù)信息結(jié)果顯示圖。

2 紅外圖像場景

2.1 飛機紅外輻射

根據(jù)輻射源的不同，飛機的紅外輻射一般分為三大部分：機體輻射、尾焰輻射與尾噴口輻射。但由于尾焰氣體輻射與尾噴管固壁輻射二者之間相互影響，將二者結(jié)合為排氣系統(tǒng)輻射進行考慮。

圖7 目標(biāo)和導(dǎo)彈三維實景圖像

圖8 目標(biāo)和導(dǎo)彈運動軌跡圖

圖9 相關(guān)運動參數(shù)信息結(jié)果顯示圖

1）飛機機體紅外輻射

蒙皮輻射為固體輻射，對于飛行器而言，工程上常將其作為灰體進行考慮。根據(jù)普朗克定律，其輻射大小主要由蒙皮發(fā)射率與蒙皮表面溫度決定。一般情況下，蒙皮發(fā)射率為已知量，蒙皮溫度隨自身和外界影響較大。對于蒙皮表面的溫度計算，利用CFD計算。利用Fluent計算飛行器表面的溫度分布時，首先建立機體的幾何模型，并劃分網(wǎng)格；然后選擇合適的湍流模型與求解器，求解機體表面溫度場；最后通過Fluent的UDF接口對計算數(shù)據(jù)進行輸出，根據(jù)輸出的數(shù)據(jù)進行機體輻射的計算。機體溫度場計算的基本流程如圖10所示。

圖10 計算流體力學(xué)流程圖

機體面元的紅外輻射強度為[5]：

式中，ε為面元的發(fā)射率，工程上一般取值為0.9；c1與c2為輻射常數(shù)，c1=3.7418× 108W/(m2μm4)K，c2=1.4388×104μm4K；T為機體面元的溫度值。

設(shè)置飛行高度9 km，飛行速度Ma數(shù)為0.8，采用以上算法計算機體xoy平面與yoz平面的機體輻射，如圖11和圖12所示。

圖11 xoy平面的機體紅外輻射強度

圖12 yoz平面的機體紅外輻射強度

2）飛機尾噴口-尾焰紅外輻射

實際情況中尾焰流場極復(fù)雜，本文采用半經(jīng)驗公式方法，假定尾焰流場為理想的湍流射流。尾焰流場的計算模型被認為軸對稱，分為核心區(qū)、混合區(qū)和發(fā)散區(qū)。其中核心區(qū)的氣體特性為組合、溫度等恒定不變，形為錐形。混合區(qū)為核心區(qū)周圍的紊流和層流的混合區(qū)。發(fā)射區(qū)是氣體流動為紊流，氣流擴散，沒有明顯的形狀輪廓，溫度明顯下降。如圖13所示。

圖13為簡化的尾焰流場模型，其中r0為飛機尾噴口半徑；rc為核心區(qū)厚度；rm為混合區(qū)厚度。利用最小二乘法得到一系列擬合經(jīng)驗公式。

尾焰輻射具有波段選擇性，其主要氣體CO2和H2O的輻射集中在2.7μm和4.3μm波段。核心區(qū)和其附近的溫度較高，紅外輻射強度最強，當(dāng)其輻射進入探測器要經(jīng)過混合區(qū)和發(fā)射區(qū)的透射。因此對于尾焰紅外輻射計算，采用逐層計算其透過率和輻射能量。

圖13 簡化的尾焰流場模型

采用包絡(luò)面方法計算任意方向的尾焰紅外輻射量，如圖14所示。將包絡(luò)面表面劃分為若干面元，探測器視線經(jīng)過某一面元中心與包絡(luò)面表面相交于兩點，2點之間在視線上劃分為n層。將各層的三維坐標(biāo)投影到二維坐標(biāo)系上，通過半經(jīng)驗公式計算各層的組分濃度、壓力、溫度場。具體映射關(guān)系如下：

式(8)中，r為尾噴口的半徑；α為尾焰流場簡化模型中的邊界角；L為模型中尾焰長度；式(9)中 (x′，y′)為映射后的二維坐標(biāo)。

圖14 尾焰的輪廓模型

2.2 干擾源紅外輻射

干擾源的運動模型和擴散模型可參考文獻[6]，編程計算單個干擾源的燃燒溫度、紅外輻射強度，并求得不同時刻、不同高度下干擾源的紅外輻射變化。具體燃燒溫度的計算如圖15所示。

2.3 紅外場景仿真

通過VC++與OpenGL編程建立紅外圖像仿真系統(tǒng)，具體流程圖如圖16所示。

圖15 單個干擾源燃燒溫度計算

圖16 紅外圖像仿真流程圖

灰度量化首先求飛機和干擾源的輻射強度，其次考慮大氣衰減計算出輻射亮度，最后轉(zhuǎn)化成圖像的灰度值。線性量化方法[7]如下：

1）確定上下限。Gmin=0，Gmax=255(即灰度范圍Grang=256)。

2）確定輻射亮度上下限，為Lmax和Lmin。

3）求出各級灰度對應(yīng)的輻射間隔r。

4)計算各輻射值R對應(yīng)的量化灰度值

干擾源的圖像仿真要考慮不同時刻的變化過程，設(shè)定載機飛行高度為9 000 m，飛行速度Ma數(shù)為0.8，紅外誘餌的拋撒速度為30 m/s，方向為垂直機體軸線方向向上，視場角3°×3°，導(dǎo)引頭像素大小為128×128，在3～5μm波段下3 000 m距離正側(cè)和尾后的紅外場景如圖17所示。

圖17 3～5μm波段下3 000 m距離紅外場景

3 干擾效能評估

3.1 成像導(dǎo)彈導(dǎo)引頭模型

如圖18所示[8]，紅外成像導(dǎo)彈制導(dǎo)主要包括圖像處理、圖像分割、圖像識別和目標(biāo)跟蹤四個階段。

圖18 導(dǎo)彈成像制導(dǎo)流程

圖像處理是對導(dǎo)引頭視場內(nèi)的圖像增強，使目標(biāo)圖像特征更明顯。圖像分割是通過圖像灰度值和輪廓，將目標(biāo)從背景中分離出來。圖像識別和跟蹤是根據(jù)彈目距離的變化，選用不同的算法來實現(xiàn)目標(biāo)的識別和跟蹤。當(dāng)目標(biāo)丟失時，需要導(dǎo)彈重新識別目標(biāo)。本質(zhì)上說，成像導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的抗干擾識別能力，就是得到導(dǎo)引頭視場內(nèi)每個潛在目標(biāo)的紅外特征，能量、位置、軌跡和方向，針對不同特征設(shè)定相應(yīng)的識別判據(jù)，進行目標(biāo)識別。識別并穩(wěn)定跟蹤真實目標(biāo)，且干擾對真實目標(biāo)跟蹤不構(gòu)成影響時，及時退出抗干擾狀態(tài)。

3.2 干擾效能評估系統(tǒng)

由于成像導(dǎo)彈的抗干擾能力強，載機對干擾源的投放時機、間隔、數(shù)量等參數(shù)都需要研究，同時要配合載機機動規(guī)避，才能達到最佳干擾效果。

1）干擾源投放分析

①投放時機

當(dāng)彈目距離較遠時，導(dǎo)引頭視場的空間范圍大，干擾源容易落入視場內(nèi)，此狀態(tài)要求載機在告警系統(tǒng)給出存在威脅信號時立即發(fā)射干擾源。反之當(dāng)彈目距離較近時，要結(jié)合載機和干擾源的運動和輻射特征，通過仿真計算求得干擾概率最大時的投放時間。

②投放間隔

導(dǎo)引頭在真實的跟蹤和識別過程中，當(dāng)遇到誘騙干擾時，就會重新搜索目標(biāo)。通過控制干擾源投放間隔，保證上一時刻的干擾信號未脫離視場時，下一個干擾信號就已經(jīng)形成，使導(dǎo)引頭不斷存在欺騙、引開、搜索、鎖定的循環(huán)中，導(dǎo)致導(dǎo)彈完全脫靶。

③投放數(shù)量

通過對比單枚干擾源的紅外特征和飛機的紅外特征，可以看出，投放一枚就能形成相似的紅外欺騙信號，但真實地空戰(zhàn)中由于復(fù)雜環(huán)境和交戰(zhàn)態(tài)勢影響，需要計算仿真不同投放數(shù)量下的干擾效果。

2）載機機動規(guī)避

載機機動規(guī)避動作仿真可以通過建立對應(yīng)的飛參動作數(shù)據(jù)庫，如圖19所示。選定某一次的飛參動作數(shù)據(jù)，如半滾倒轉(zhuǎn)機動，給定初始時間，仿真時通過插值獲得該仿真周期內(nèi)戰(zhàn)斗機的飛參信息（位置、姿態(tài)、速度等），從而保證飛機運動軌跡的真實性。

3）干擾判別

用干擾情況下導(dǎo)彈的命中率衡量抗干擾性能。定義導(dǎo)彈脫靶量R為命中率統(tǒng)計的性能指標(biāo)，具體表達式為：

式中，(xp，yp，zp)為目標(biāo)的質(zhì)心坐標(biāo)；(xm，ym，zm)為導(dǎo)彈質(zhì)心坐標(biāo)。

圖19 飛參數(shù)據(jù)庫

3.3 干擾效能評估

綜合上述所建立的模型，設(shè)定一次仿真條件如下：載機飛行高度為9 000 m，飛行速度Ma數(shù)為0.8，紅外誘餌的拋撒速度為30 m/s，方向為垂直機體軸線方向向上，視場角 3°×3°，導(dǎo)引頭像素大小為128×128，導(dǎo)彈尾后攻擊，同時載機做桶滾機動，運動軌跡如圖20所示。

圖20 單枚干擾源干擾成像導(dǎo)彈的運動軌跡仿真圖

4 結(jié)束語

本文簡述了一套通過空戰(zhàn)視景仿真、導(dǎo)引頭視場內(nèi)紅外場景模擬和干擾源干擾效能評估組成的紅外干擾效能評估系統(tǒng)。后續(xù)研究中需要進一步完善成像導(dǎo)彈導(dǎo)引頭抗干擾能力模擬，評估復(fù)雜交戰(zhàn)環(huán)境下態(tài)勢模式下的紅外干擾效能?！?/p>